基于里德堡原子的量子信息处理

发布时间：2021-10-27 04:23

　　里德堡原子间的相互作用为人们在少体和多体物理以及量子信息应用的研究领域中探究中性原子提供了很多的可能性。这种长程相互作用衍生出许多有趣的效应,其中就包括里德堡阻塞效应。这种效应可以在很小体积内阻止多个里德堡原子同时被激发到里德堡态上。人们基于里德堡阻塞效应,从理论和实验上实现了与各种各样量子信息科学相关的工作,比如量子计算,纠缠态制备,量子算法,量子模拟器,量子中继器。另外,将里德堡原子的相互作用与双光子失谐相结合又可以产生与里德堡阻塞相反的效应——里德堡反阻塞效应。该效应恰好促使了多个里德堡原子的同时激发,并且也在量子信息科学中得到了广泛关注,不仅可以用于两比特或者多比特量子逻辑门操作,还能用于各种纠缠态的制备。在本文中,我们主要研究基于里德堡原子的量子信息处理的新方案。首先,利用里德堡反阻塞效应,我们成功实现了具有高保真度的KnillLaflamme-Milburn（KLM）纠缠态的耗散制备。整个系统由两个里德堡原子组成。将里德堡反阻塞效应与微波场和量子耗散巧妙结合,KLM态会成为系统唯一的稳态。因此,不需要精密的与时间相关的控制,系统就能够稳定在KLM态上。并且该方案不但不需要选... 

【文章来源】：东北师范大学吉林省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：125 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

里德堡阻塞效应示意图

5子被激发到里德堡态上的时候，在其阻塞半径内的其他里德堡原子会因为这个原子产生的强相互作用而无法再被激发的里德堡态上。这种不能同时被激发的效应，就是里德堡阻塞效应。图1.1里德堡阻塞效应示意图为了进一步了解里德堡阻塞效应的机制，先以两个二能级里德堡原子作为例。在图1.1(a)中，我们假设有两个二能级里德堡原子与两个频率为的激光耦合，来实现基态和里德堡态之间的跃迁。其中基态为|0，里德堡态为|r。整个系统的哈密顿量可以写成1,20H.c.,iiHrUrrrr(1.11)这里U为里德堡相互作用，i表示第i个原子。如果系统由00开始演化，根据(1.11)式可以得到00到D(0rr0)/2再到rr的演化路径，正如图1.1(b)所示。但是由于里德堡相互作用项的存在，会导致rr的能级产生平移，使得原本共振的耦合，出现一个失谐U，当失谐量足够大的时候，就会导致系统无法演化到rr态上，也就形成了里德堡阻塞效应。图1.2利用里德堡阻塞实现两比特逻辑门的示意图。图片源于参考文献[12]。

6如何利用里德堡原子之间的这种阻塞相互作用来完成对人们有利的方案呢？最早的想法产生于2000年Jaksch等人[21]的文章中，他们将这种效应用于实现量子门操作，并且由Lukin等人[22]于下一年迅速扩展到介观领域的多原子系综的量子逻辑操作。其中利用里德堡阻塞实现两比特逻辑门的基本思路，可以从图1.2中了解到。两个里德堡原子会接连受到三个脉冲。第一个是一个脉冲作用在控制原子(control)上，实现1r的跃迁，第二个脉冲是一个2脉冲作用在目标原子(target)上，实现1r1的过程。第三个脉冲是一个脉冲再次作用在控制原子上，实现r1的跃迁。而系统的初始状态则会有两种情况，第一种如图1.2(a)，在初始时刻，系统的两个原子处于01态上，控制原子的0态不会和里德堡态发生耦合，那么在三个脉冲过后，目标原子会获得一个相位。而对于第二种情况，如图1.2(b)，第一个脉冲导致控制原子处于里德堡态上，这将会产生里德堡阻塞效应，抑制目标原子无法再被激发到里德堡态上，当三个脉图1.3对比没有里德堡阻塞的30p态和有里德堡阻塞的70p、80p态在峰密度为1036.510cm的里德堡激发情况。插图是放大后的在原点附近的区域。图像纵轴用来描述的是激发的原子与总原子数的比值，横轴为辐射照度。图像来自于参考文献[26]。冲过后目标原子没有获得一个相位。整个过程可以用基矢{00,01,10,11}来写成演化矩阵


本文编号：3460863