腔—量子点系统中两电子自旋纠缠的直接测量方案研究

发布时间：2020-03-29 07:38

【摘要】：量子信息是一个新兴的交叉学科,包含量子通信、量子计算和量子调控等,主要是利用微观系统的量子特性来处理信息领域中的问题。相较于经典信息,量子态(信息)具有不可克隆和可叠加的特性,使其在传输过程中具有很好的安全性,且量子比特具有比经典比特大得多的信息存储容量。故此,量子信息成为了当前的研究热点,发展迅速。在量子信息学中,量子纠缠扮演着十分重要的角色,为了充分利用纠缠资源,通常使用的量子态必须是最大纠缠态或已知纠缠度的部分纠缠态,所以如何准确度量量子态的纠缠程度就显得十分重要。通常为了获知量子态的纠缠度,必须首先利用量子态层析技术对该量子态的密度矩阵进行重构,再利用具体的纠缠度量方式计算得到该量子态的纠缠度。然而,量子态的纠缠度量并不需要获知量子态的每个参数,而仅仅需要量子态参数的某一组合,故此我们有可能通过某种精巧设计,直接测量出量子态的纠缠大小,从而避开复杂的量子态层析过程。另外,量子点系统因其具有较长的相干时间、超快的可控性与可检测性以及很高的可集成特性已成为热门的量子硬件系统。故此本论文围绕量子点系统中两电子自旋纠缠态的纠缠直接测量开展研究,主要的研究对象为一般的量子点电子自旋纯态纠缠和混合态纠缠的直接测量方案设计。具体的研究内容和所取得的成果包括如下三个方面:一、在双面腔-量子点系统中,基于偏振光子与量子点电子自旋之间的相互作用,设计了量子点电子自旋纯态纠缠的直接测量方案。为规避复杂的量子态重构过程,每次需对待测纠缠态的两个拷贝实施联合操作和测量,这样量子态的纠缠度可被编码到某一输出态的概率幅中。通过测量获得该输出态的概率直接得到待测量子态的纠缠度,即无需进行量子态层析就可精确度量待测量子态的纠缠度。另外,仅需对辅助光子的输出状态进行一次测量便可直接得到待测量子点电子自旋状态的纠缠度,大大降低了纠缠测量的实现复杂度。因该方案只涉及单方用户的局域操作,因此也适用于远程量子点电子自旋纠缠并发度的直接测量;二、基于偏振光子与量子点电子自旋之间的相互作用,设计了内嵌于双面腔中的量子点电子自旋一般混合态——类Werner态的纠缠直接测量方案。由于实际可用的纠缠态绝大部分都为混合纠缠态,且任意混合纠缠态均可通过局域随机双边旋转操作转换为一个类Werner态,因此研究两量子点电子自旋类Werner态纠缠的直接测量方案具有重要的实际意义。利用辅助光子实现对待测类Werner态的两个拷贝的联合操作,并将两量子点电子自旋类Werner态的纠缠大小编码于测得辅助光子的某输出态的概率上,从而实现无需量子态重构的纠缠直接测量。虽然方案中,需要引入两个辅助光子,但所涉及的仅为局域操作和经典通信,因此该方案可适用于远程纠缠并发度的直接测量。另外,这里需要对辅助光子实施两次符合测量,方可准确得到类Werner态的纠缠大小。显然,这里的测量次数比纯态的情形多一次,这也正体现出混合态的纠缠比纯态纠缠更加复杂的本质;三、基于偏振光子与量子点电子自旋之间的相互作用,设计了仅需一次光子态测量的量子点电子自旋混合态—Collins-Gisin态的纠缠直接测量方案。在两体系统混合态中存在一类特殊的状态——Collins-Gisin态,具有特殊的Bell非局域性,因此对于该量子态纠缠的直接测量方案的研究具有重要意义。与类Werner态的纠缠直接测量方案类似,这里只需探测辅助光子的状态即可直接得到该量子态的纠缠并发度。但与类Werner态的纠缠直接测量方案不同的是,这里仅需进行一次辅助光子的符合测量便可以精确得到该量子态的纠缠并发度,这使得量子点电子自旋Collins-Gisin态的纠缠直接测量方案简单易行。
【图文】：

截面图,量子点,柱形,截面图

的直接测量方案逡逑３．１腔－量子点系统中辅助光子与电子自旋的相互作用原理逡逑考虑将带一个单电荷的量子点嵌入一个双面腔中（如图１所示），由于量子逡逑点在其生长方向的受限势比其横向要强，我们定义其生长方向为Ｓ子化轴也就是逡逑Ｚ轴方向［３４．４４】。当激光脉冲通过任何一个双腔反射镜注入到腔中时，适当的光逡逑学激发会产生一个包含着两个电子和一个空穴的带负电荷的激子Ｘ、根据泡利逡逑不相容原理，如果量子点所带电子处在状态｜邋＋邋）＾邋＝邋｜１，那么逆着Ｚ轴传播的逡逑左旋圆偏振光（｜＆丨）与沿着Ｚ轴传播的右旋圆偏振光（｜NB＞）会被共振吸收，逡逑并且产生一个处于状态的激子Ｘ、反之，如果量子点所带电子处在状态逡逑，则沿着２轴传播的左旋圆偏振光与逆着２轴传播的右旋圆偏振光逡逑会被共振吸收，并且产生一个处于状态的激子；ｒ邋（如图２所示）。这里，逡逑Ｉ■＾与１４代表空穴自旋态

示意图,量子点,纯态,自旋

逡逑如图３所示，处于左反圆偏振的辅助光子自腔１的上端面入射到腔中并与量逡逑子点１发生相互作用。根据（３．１）式中的演化规则，整个系统的状态演化为：逡逑ｌ＾）Ｉ？ｉｌ？｜ｚｉ）＾ａ２｜ｎｎ）｜ｉ？ｔ）＋＾｜ｔｍ）｜／？ｒ）逡逑．逦士逦（３．８）逡逑Ｚ邋ａｘｉｓ逦丨、逡逑▲逦ｌＬ）逡逑Ｉｎｐｕｔ逡逑Ｉ逡逑ｉ逡逑ｊ逡逑＼逡逑ｉ逡逑逦邋ｉ逡逑ｉ逡逑ｉ逡逑？…－ａ－Ｌ，逡逑Ｓｐｉｎ邋１逦：逦Ｓｐｉｎ邋２逡逑Ｔ逦ｉ逦ｂ＝ｄ逡逑Ｖ邋！逦Ｉ逦ｆ逡逑ｋ￣＞ｌ逦｜逦ｋ—＞１逡逑逦煮逡逑Ｓｐｉｎ邋３邋ｉ逦Ｓｐｉｎ邋４逡逑ｈ－Ｈ逦｜逦ｔｊｚｄ逡逑ｙ逡逑Ａ逦ｂ逡逑Ｃａｖｉｔｙ邋１逦Ｃａｖｉｔｙ邋３逦Ｃａｖｉｔｙ邋２逦Ｃａｖｉｔｙ邋４逡逑图３：腔－量子点系统中两电「？自旋特殊纯态纠缠的直接测量方案示意图。Ｃａｖｉｔｙｌ，邋Ｃａｖｉｔｙ２，，邋Ｃａｖｉｔｙ３，逡逑Ｃａｖｉｔｙ４分别是四个双面腔。小黑圆点代表带一个自旋电子的量子点。Ｉｎｐｕｔ为／＾＞光＿丨＇？输入端口。／＾和逡逑￡？２为光子探测器－Ａ，邋Ｂ分５；１代表Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ两个不同的用户。逡逑ＦＩＧ邋３：邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｄｉｒｅｃｔｌｙ邋ｍｅａｓｕｒｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｐｅｃｉａｌ邋ｔｗｏ－ｓｐｉｎ邋ｐｕｒｅ邋ｓｔａｔｅ．邋Ｃａ＼邋ｉｔｙ邋Ｉ，逡逑Ｃａｖｉｔｙ邋２
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413

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