腔QED系统中原子纠缠态的制备

发布时间：2021-11-07 05:12

　　量子纠缠作为量子信息中不可或缺的核心资源一直是人们研究的热点之一。现如今,纠缠态已被广泛地应用在量子通信、量子计算和量子计量等领域。在量子信息处理的过程中,纠缠态需要存在一定时间以完成一个量子操作。然而,纠缠态在现实物理世界中是脆弱的,这是因为量子系统与周围环境的相互作用会破坏纠缠态导致退纠缠现象的发生。因此,如何在耗散环境中制备长生稳定的纠缠态成为了量子信息学中的主要问题之一。腔量子电动力学（腔QED）系统作为当下最具前景的实现量子硬件的物理体系之一,已被广泛地应用在量子信息领域中。特别地,腔QED系统作为一个高效的纠缠生成源,许多方法已经被提出用来在腔QED系统中制备不同形式的光子和原子的纠缠态。腔QED系统的耗散主要包括原子自发辐射和腔耗散,它们会严重地降低纠缠态的保真度。因此,在腔QED系统中制备高保真度的稳定纠缠态一直是人们努力的目标。本文主要的研究内容为在腔QED系统中利用不同方法制备高保真度稳定的原子纠缠态。以二原子纠缠态的制备为研究起点逐步地将研究内容深入到多原子纠缠态的制备,分别提出了制备二原子三维纠缠态、三原子GHZ态、三原子W态和多原子NOON态的方案。在非马尔可... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

物理模型结构示意图，我们考虑了两个远距离的耗散腔，每个腔中俘获一个Λ-型的三能级原子

哈尔滨工业大学理学博士学位论文图2-2平均线性熵在非马尔可夫环境中的时间演化曲线，其中相关参数为g==10κ。Fig.2-2Theevolutionoftheaveragelinearentropyasafunctionofthescaledtimeτ=κtinnon-Markovianenvironments,whereg==10κ.随失谐量的增加而减小，也就是说，失谐量的增加减缓了原子与腔场之间的相互作用过程，进而增大了原子基态布居数从0增加到1所需的时间。从原子-腔系统在任意时刻t的波函数(2-13)式中可以看出，当原子基态的布居数0<Pg<1时，原子-腔系统处在纠缠态上；当原子基态的布居数Pg=1时，原子-腔系统处在可分态上。因此，增加失谐量能增大原子与腔场之间纠缠的存在时间。图2-4给出了线性熵随失谐量和l的变化曲线。从图中可以看出，线性熵关于直线=l对称并且线性熵的大小与失谐量和l的正负号有关。线性熵在区域·l<0内的值大于其在区域·l>0的值。换句话说，线性熵在失谐量和l的正负号相反时的值比较高。为了比较纠缠在非马尔可夫环境和马尔可夫环境中的行为，我们在图2-5中给出了线性熵在非马尔可夫环境和马尔可夫环境中的时间演化曲线。从图中可以看出，线性熵在非马尔可夫环境中表现出明显的振荡行为，而线性熵在马尔可夫环境中没有表现出振荡行为。纠缠在非马尔可夫环境中的存在时间明显长于其在马尔可夫环境中的存在时间，这主要归功于非马尔可夫环境的记忆效应使得部分系统信息和能量从环境中回流到系统中。此外，无论是在非马尔可夫环境中还是在马尔可夫环境中，失谐量的增加都能增大原子与腔场之间纠缠的存在时间。2.4原子之间的纠缠原子与腔场之间的相互作用使它们纠缠在一起，因而对腔中泄漏出的光子执行联合贝尔测量可以将原子与腔场之间的纠缠转换为原子之间的纠缠。这里，我们考虑如下光子测量算符-

第4章腔QED系统中利用原子集体激发和单光子测量制备多原子NOON态4.2.3四原子NOON态的制备作为一个例子，我们数值模拟了四原子NOON态的制备过程并讨论了腔场耗散和原子耗散对NOON态制备的影响。我们首先检验了等效哈密顿量Heff的有效性。图4-2给出了NOON态保真度在等效哈密顿量和原始哈密顿量下的时间演化曲线，其中相关参数为ν=2g，δL=L=18g。从图中可以看出，NOON态的保真度在等效哈密顿量下的时间演化与其在原始哈密顿量下的时间演化一致，这表明了等效哈密顿量在此参数条件下是有效的。NOON态的保真度随演化时间gt的增加先增大然后减校当演化时间gt=π2λ1000时，NOON态的保真度达到最大值f1。从前文的推导可知，原子会被周期性地驱动到NOON态上。在所选择的原子初态下，原子在时刻τ=π2λ第一次被驱动到NOON态上。图4-2在等效哈密顿量和原始哈密顿量下，NOON态保真度的时间演化曲线，其中相关参数为ν=2g，δL=L=18g。Fig.4-2ThetimeevolutionforthefidelityoftheNOONstateundertheeffectiveandtheoriginalHamiltonians,wheretheparametersarechosenasν=2gandδL=L=18g.如前文所述，NOON态的制备时间τ仅仅依赖于等效耦合强度λ，而等效耦合强度λ又是腔之间耦合强度ν和失谐量δL,L的函数。因此，我们接下来讨论腔之间耦合强度ν和失谐量δL,L对NOON态制备时间的影响。不失一般性，这里我们假定δL=L=δ。图4-3给出了NOON态制备时间τ随腔之间耦合强度ν和失谐量δ的变化曲线。从图中可以看出，NOON态制备时间τ随腔之间耦合强度ν和失谐量δ的增大而增大。因而减小腔之间耦合强度ν和失谐量δ可以有效地减少NOON态的制备时间。但值得注意的是，在推导等效哈密顿量的过程中，我们连续两次使用了大失谐条件用以绝热消除原


本文编号：3481229