纠缠态的融合与转化

发布时间：2020-03-29 09:46

【摘要】：量子信息科学是一个新兴的领域,它利用了量子系统的特有性质来进行信息处理,从而促进了信息科学的迅猛发展,比如,量子不可克隆原理保证了量子通信的安全性,量子态叠加原理保证了量子计算的并行性。这些进步都离不开量子纠缠态。量子纠缠是两个或者多个系统之间非经典、非定域的关联,它是量子信息中最重要的基本资源之一,尤其是多粒子纠缠态,在量子信息处理任务中有着很重要的作用。经过数十年的发展,量子纠缠态的制备已经趋于成熟,然而随着粒子数的增加,系统的动力学将会变得更加的复杂,制备纠缠态的过程也将会变得越来越困难,因此简单而有效的制备大尺度的多体纠缠态显得尤为重要。本论文正是以此为题,讨论了利用纠缠态融合和转化来获得多体纠缠态。在纠缠态融合的过程中,我们采用两种不同的模型。第一种是将信息编码在Λ型三能级原子的基态上,然后把两个多粒子态(粒子数分别为和)中的一个粒子都发给第三方用以完成纠缠态的融合。在融合的过程中,将这两个原子囚禁在一个光学腔中,每个原子利用相应Rabi频率的经典激光场进行驱动,在满足量子Zeno动力学的条件下,将系统的哈密顿量进行处理并得到有效哈密顿量,从而计算出当系统演化到特定状态时所需要的时间。利用这些特定的演化状态,通过对两原子进行测量并执行相应的单比特操作,即可将两个多粒子态融合成一个粒子数为+-2的态。数值结果表明该方案的保真度对光学腔的衰减和原子自发辐射的衰减是鲁棒的,这是因为在Zeno子空间中,光学腔的状态总是处于真空态,因此光学腔的衰减对保真度几乎没有影响。同时大失谐的条件使原子很难处于激发态,从而有效的降低了自发辐射对保真度的影响。由于将两个原子放在了同一个光学腔进行操控,在实验中是比较困难的,因此我们考虑了将两个原子分别囚禁在两个光学腔中,这两个光学腔之间利用光纤进行连接。同样可以利用量子Zeno动力学对系统求出有效哈密顿量,并得到特定时刻系统的演化状态。这种方案具有上面方案的优势,并且在实验上更容易实现。唯一的不同就是在之前系统的基础上引入了光纤模式,光纤的引入将会增加了系统的退相干因素,幸运的是连接于两个光学腔之间的光纤衰减是非常小的,小到可以忽略不计。数值模拟中也表明了光纤衰减对系统保真度的影响是非常小的。第二种模型是以Rydeberg原子的基态作为信息的载体。当Rydeberg原子处于Rydeberg态的时候,原子之间的偶极-偶极相互作用或者van der Waals相互作用将会导致能级的移动,从而抑制了该原子一定范围内的其它原子的跃迁。这种效应被广泛的应用到了量子信息处理任务中。然而,当原子与经典激光场耦合时的失谐量与两个原子之间的Rydeberg相互作用强度满足一定关系的时候,就可以实现Rydeberg反封锁机制,从而实现两个基态和两个Rydeberg态之间的同时跃迁。利用这种机制我们实现了大尺度的GHZ态和态的融合。这个方案的优点是我们将量子信息编码在了Rydberg原子稳定的超精细基态上,两个原子之间通过Rydberg相互作用联系在一起,既可以将两个多粒子态进行融合,又可以将两个多粒子的GHZ态进行融合,并且GHZ态的融合概率能够达到1。另一种获得多体纠缠态的方式是利用不同纠缠态之间的转化方式。该方案中,我们利用单边光学腔的输入-输出过程,以NV中心作为辅助系统,通过对NV中心的状态进行测量并依据测量结果执行相应的单比特操作,实现了两个光子之间的受控非门,然后结合相干光场的相位区分探测分别实现了三光子、四光子以及五光子的GHZ态到态的转化过程。在实现三光子GHZ态到态的转化过程中,单次的转化成功概率为3/4,然而,利用迭代的过程,可以将成功概率近似地提高到1。对于四光子的转化成功概率单次就可以达到1。在五光子的情况,利用迭代的过程会以1/3的概率获得态和2/3的概率获得D_5~(2)态。可行性分析分别表明这个方案利用当前的技术是可行的。
【图文】：

1-1 “墨子号”量子科学实验卫星向相距约 1200 公里的云南丽江和青海德令哈地面发送纠缠光子对。图片源自ps://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=a46e4d35173fa603fffb9c3e&lemm着量子计算和量子通信的快速发展，推到了量子信息科学的迅猛发展。是在 2016 年 8 月 16 日 1 时 40 分中国发射了第一颗量子科学实验卫星在 2017 年 1 月 18 日完成了四个月的在轨测试任务，2017 年 8 月 12级别的卫星与地面之间的双向量子通信如图 1-1。另外在 2017 年 5 月计算机的问世也表明了量子信息实用价值以及应用前景。究的目的和意义子纠缠体现了多个系统之间的非定域的非经典的关联特性，这种特有的量子信息科学中的根本资源，广泛地应用在了量子信息处理任务中，尤信中的量子隐形传送和量子密集编码等。量子信息科学中与纠缠态是密量子信息处理过程中信息都是编码成量子态的形式进行的。因此，如何

第二章 量子信息的基本理论特是量子信息和量子计算的基础，其地位等同于经典比特狄拉克符号“| ”来表示，一般情况下可以表示为|0 和|1，在量子力学中，一个量子态不仅可以处于|0 态和|1 态态上，，即| = |0 + |1 ( 和 是归一化常数)。换而言尔伯特空间中的向量，特殊条件下的|0 和|1 可以当作是对于经典比特我们可以通过检测来确定是处于 0 还是 1，能这样来确定它所处的量子态。量子力学表明了对量子态，例如，对| 态进行测量，我们只会以| | 的概率得到|，总的概率之和为 1。从几何学角度来看，量子态是希尔是因为量子态满足归一化条件。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413

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本文编号：2605803