基于金刚石NV色心和微环谐振腔耦合系统的量子纠缠态制备

发布时间：2020-09-11 15:22

　　近年来,人们对于信息传递的需求越来越多,各种各样的新式媒介不断产生,传统的经典通信方式具有传播速度快、覆盖范围广等一系列优点,担负着绝大部分的信息传递任务。随着科技的不断发展,人们开始意识到传统的通信方式并非绝对安全,社会迫切需要一种可以完全保密的信息传递手段。量子信息的出现解决了这一问题,由于其具有不可克隆性和叠加态原理,通过对量子信息的处理可以实现信息的绝对保密。量子信息处理是集物理、计算机、通信等多领域综合而成一门新兴学科,其利用量子力学的纠缠特性,通过制备量子纠缠态作为信息传播的载体进行量子通信,解决了许多经典信息学无法处理的问题,因此在国内外受到学者的广泛关注。作为实现量子通信和量子计算不可或缺的资源,在量子信息处理领域的研究中,纠缠态作为实现信息交换的媒介和载体,承载着关键的作用,也正因如此,研究量子纠缠态的制备和相互转化具有非常重要的意义。目前,根据制备所用的物理体系不同,量子纠缠态的制备方式主要分为原子系统、光学系统、离子阱、腔量子电动力学等。其中腔QED(腔量子电动力学)由于具有品质因数高、模式体积小等优点,在纠缠制备方面发展的较为成熟。微环谐振腔(microtoroidal resonator)是一种具有高品质因数和小模式体积的光学微腔,利用NV色心的较长相干时间特点和其耦合的系统,可以进行量子纠缠态的制备与转化。因此,基于NV色心和MTR的耦合系统在量子信息处理、量子密钥分发等领域均有众多应用。本文主要涉及以下几个方面:本文首先提出了一种在NV色心之间制备纠缠态的方案。在该方案中,NV色心耦合至微环谐振腔(MTR)的回音壁模式(WGM)。通过利用原始的偏振光子输入和单光子探测器的测量,NV色心将在MTR中的偏振光子的特殊输入-输出过程的帮助下制备为纠缠态。更重要的是,Bell和W状态都可以通过该方案提出的光学系统制备。该方案为制备NV色心之间的纠缠提供了物理可行性,并可能为基于NV色心的量子信息处理(QIP)铺平道路。其次,我们还提出了一种可以将W态转化为GHZ态的方案。该方案是基于NV色心和微环谐振腔(MTR)耦合系统的CNOT门以及交叉克尔非线性关系(cross-Kerr nonlinearities)实现的。经过理论推导和分析,本方案在当前实验条件下具备在较高的转化效率,可能会对量子纠缠态的制备提供一些有效的帮助。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413
【部分图文】：

布洛赫,量子比特

为｜0＞态的概率，｜／５＞２是量子态？为｜１＞态的概率。在这种叠加态的表现形式中，逡逑量子比特与一个希尔伯特向量空间相对应，｜０）和｜１）称为该向量空间的基础矢量。逡逑如下图２－１所示，量子比特可以用布洛赫球表示，其中量子比特为任意由球心指逡逑向球面的向量？，０和０分别表示球面坐标系中的方位角，故量子比特也可以用逡逑下式表示：逡逑｜＾）＝ｃｏｓ－＾｜0）邋＋ｅ，＜４邋ｓｉｎ＾｜ｌ）逦（２－２）逡逑量子比特由于具有叠加特性和量子态的不确定性，与经典信息比特相比可以逡逑５逡逑

示意图,量子隐形传态,示意图,量子纠缠

北京邮电大学硕士学位论文量子纠缠是量子力学中的不可或缺的部分，也是量子信息与经典信息最大的逡逑区别之处，正是由于它的存在，量子信息处理才能完成经典信息处理不能实现的逡逑任务。用来制备量子纠缠的物理系统多种多样，如光子系统、原子系统、离子系逡逑统［１７］、原子核系统［１８，１９］、光子与原子系统、固态系统［２（），２１］等。接下来重点介绍几逡逑种常见的量子纠缠应用。逡逑２．２．２量子纠缠的应用逡逑量子纠缠的应用主要体现在以下几个方面：量子隐形传态、量子密集编码、逡逑量子秘密分享等。本小节主要介绍量子隐形传态和量子密集编码两个方面的应用２．２．２．１量子隐形传态逡逑量子隐形传态［２（）＿２２］作为量子通信的经典应用之一，可以在不传送量子态本身逡逑的前提下，在两个节点之间进行量子信息的传送。其具体过程如下图所示：逡逑ｉｗｍｍ逡逑

色心,物理结构,金刚石

本理论逡逑大家都不太熟悉，但其实金刚石早就出个别名叫“钻石”。顾名思义，金刚石域应用十分广泛。但是，目前发现的金析氮元素是金刚石中一种常见的杂质。陷，其构成是由一个氮原子取代了该金子被空穴代替［２２，２３］。ＮＶ色心的这种对缺陷更加稳固。逡逑结构之外，ＮＶ色心还具有许多优秀的效应，利用这一特性可以将ＮＶ色心的电子状态以及其在室温下具有较长常广泛的应用。逡逑结构逡逑

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