基于杂化量子体系的量子信息处理研究

发布时间：2024-10-03 03:26

　　量子信息是通过量子物理体系来存储和处理的信息。相较于经典信息,量子信息有着资源开销少、存储容量大、处理速度快、传输过程安全等独一无二的优点,因而一直被广泛关注。在过去十多年里,量子信息科学技术取得了重大进展,已逐渐从理论走向实验,并向实用化方向发展。在量子信息处理的研究工作中,寻找合适的信息载体,构造稳定的处理体系,实现不同体系间的耦合与兼容都是需要重点考虑的内容。在本论文里,我们尝试使用杂化量子体系来设计量子信息处理方案,以确保其良好的兼容性和可扩展性。我们系统地研究了由固态自旋和机械振子组成的固态杂化量子体系的基本模型与处理方法。基于该杂化量子体系,我们提出了两个量子纠缠制备与量子逻辑门实现的理论方案:基于热声子的远距离固态电子自旋纠缠制备以及量子纠缠逻辑门;利用机械振子实现可扩展的原子核自旋纠缠制备以及量子纠缠逻辑门。在这些工作中,我们的主要结果与创新点可归纳为:(1)我们提出的机械振子-固态自旋耦合体系具备良好的可扩展性。通过微波驱动的方式,我们的方案可以选择性的在两个远距离的固态自旋间建立有效耦合,而其余的固态自旋之间则是解耦的,从而不会相互影响,保证了我们所设计的方案的可扩展...

【文章页数】：121 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 量子信息科学简介
    1.2 固态量子信息处理
    1.3 本论文的结构安排
第二章 量子信息科学基础
    2.1 量子比特
        2.1.1 薛定谔方程与量子态
        2.1.2 布洛赫矢量
    2.2 量子信息处理
        2.2.1 量子逻辑门
        2.2.2 量子纠缠
        2.2.3 量子不可克隆定理
    2.3 量子退相干
        2.3.1 量子主方程
第三章 杂化量子体系
    3.1 机械振子
        3.1.1 纳米机械振子
        3.1.2 机械振子量子化
    3.2 固态自旋体系
        3.2.1 氮-空位中心原子结构
        3.2.2 氮-空位中心电子自旋与核自旋
    3.3 机械振子-固态自旋的相干耦合
        3.3.1 磁场梯度诱导耦合
        3.3.2 材料应变诱导耦合
    3.4 杂化量子体系的基本模型
    3.5 杂化量子体系的时间演化
        3.5.1 薛定谔方程求解法
        3.5.2 量子缀饰态求解法
第四章 基于热声子的固态自旋纠缠制备
    4.1 研究背景
    4.2 理论模型
    4.3 有效哈密顿量
        4.3.1 理论推导
        4.3.2 综合分析
    4.4 固态自旋纠缠制备
        4.4.1 无退相干子空间
        4.4.2 热声子的高阶效应
        4.4.3 量子纠缠逻辑门方案
    4.5 量子退相干分析
        4.5.1 自旋退相干
        4.5.2 机械阻尼耗散
        4.5.3 量子纠缠逻辑门保真度评估
    4.6 本章小结
第五章 基于机械振子的原子核自旋纠缠制备
    5.1 研究背景
    5.2 理论模型
        5.2.1 氮-空位中心自旋体系
        5.2.2 氮-空位中心与机械振子的耦合
    5.3 原子核自旋纠缠制备
        5.3.1 核自旋有效哈密顿量
        5.3.2 核自旋量子纠缠逻辑门
    5.4 量子退相干分析
        5.4.1 电子及核自旋退相干
        5.4.2 机械阻尼耗散
        5.4.3 量子退相干综合分析
    5.5 原子核自旋多体纠缠态制备
        5.5.1 图态简介
        5.5.2 原子核自旋图态制备
    5.6 原子核自旋多体相互作用的探讨
    5.7 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
博士期间发表的论文
附录 A 哈密顿量变换
附录 B 保真度评估
    B.1有热保护时的保真度
    B.2无热保护时的保真度



本文编号：4006696