基于腔QED的量子计算和量子通讯

发布时间：2020-07-15 10:40

【摘要】： 量子力学和信息科学的交叉诞生了一门新的学科：量子信息。最近几年，量子信息在理论和实验上取得了惊人的进展，已引起各国政府、科学界和信息产业的高度重视。量子信息包括：量子计算、量子通讯、量子密码等。量子信息的载体是量子态。量子态的制备、加工、传输以及存储的过程叫做量子信息处理过程。目前，人们主要在以下的量子系统中来研究量子信息过程：腔QED，光学系统，离子阱，核磁共振，量子点等。这些系统中，腔QED方案是其中有前景的量子硬件设计方案之一。腔QED的主要思想是将俘获的原子约束在高品质腔中，有很长相干时间的原子态作为存储qubit，有很好传输能力的光子作为飞行qubit。因此基于腔QED实现量子计算和量子通讯的研究受到人们广泛的重视。然而，有效的实现这些量子计算和量子通信方案目前在实验上仍然还是一个很大的挑战。正因如此，本人把基于腔QED实现量子计算和量子通讯作为硕士学位论文研究的课题。主要工作包含以下几个方面： 1．利用Raman过程制备三原子singlet态。在这个方案中，三个三能级原子同时通过两个腔，在整个制备过程中腔场始终处于真空态，有效抑制了腔泄漏消相干的影响。和先前的方案相比，我们方案不需要把原子的信息先储存在腔场中，然后再转移到其它的原子上，同时也不需要对腔场的态进行探测而使原子态塌缩到对应的纠缠态上。 2．利用腔的input-output过程实现纠缠态的制备和量子通讯。首先，我们分别提出了制备多原子cluster态和多光子cluster态的方案，数值模拟表明即使考虑了一些实际量子噪声的影响，多粒子duster态仍具有较高的成功概率和保真度。其次，我们提出利用腔OED实现光子的Bell态和GHZ态识别的方法。在这个方案中光子的Bell态或Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态都可以被完全地鉴别，而且可以非破坏性地完全鉴别。 3．可调谐相位门的实现和图态的有效制备。首先，提出一个基于腔QED或离子囚禁系统实现可调谐的相位门方案。在这个方案中，原子的两个稳定的低能态做为qubit的两个逻辑态，条件相移的获得不需要原子内态发生实际跃迁，而且通过控制有效的相互作用时间t，条件相移φ可以在0到2π之间变化。其次，更重要的是我们提出了利用多比特纠缠门来有效制备各种图态的方法。 4．利用原子系综囚禁在腔中实现频率上转换和光子的量子交换门。首先，我们提出一种方法用来实现内部腔场的非线性作用——频率上转换。在这个方案中，一个V型的原子系综囚禁在腔中作为两个腔模发生相互作用媒介。在一定的条件下，原子始终处于基态上，腔模的自由度和原子的自由度是没有耦合的，腔模之间的有效耦合系数可以随着(?)(这里的N指原子的数目)而扩展。其次，我们进一步实现单光子水平的量子交换门。数值模拟表明即使考虑了腔泄漏和原子自发辐射的消相干效应，光子交换门仍具有很高的保真度。
【学位授予单位】：福建师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：O413.1;TP30
【图文】：

微波腔,实验装置图,文献,Rydberg态

可以用来进行腔量子电动力学研究的物理系统多种多样。从工作的频率的角度来分类，可以分成微波腔[3l味口光学腔l32]。典型的微波腔如图1.6.1所示，原子由热源(0)上发射，在B上被制备到Rydberg态上，然后再通过一个超导腔(C)。在D上通过场电离作用后，对原子的态进行探测。最后对腔内动力学演化进行反推。如果要对腔内的原子态直接进行操纵，可以由微波源(S)的经典驱动来实现。

光学腔,文献

相干时间(甚至可以达到秒的量级)。目前光学腔主要有三大类瞬]:法布里一泊罗腔 (FabryFer。t)，基于whisperingGallery模式的微腔(WGM)和光子晶体腔(ph。t。 nieerystals)。图1.6.2分别给出了这三种腔的对比清况。尽管腔量子电动力学在理论和实践上在过去几年都取得了很大的进展，但它们距离实际的量子信息技术应用仍然有一段艰辛的路要走。也许是10年、20年或者50年，甚至更长，但无论如何它将吸引更多的人参与进来，因为它不仅有广阔的应用前景，更重要的是它涉及到许多经典世界不可思议的理念。

【同被引文献】