量子态在无调控二维XY型自旋网中的高保真传输

发布时间：2018-02-11 16:36

本文关键词： 量子计算量子通信一类特殊态编码二维自旋网保真度并发度　出处：《吉林大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：量子信息科学作为一门交叉学科,是集合了量子力学、信息科学、计算机科学、材料科学等的全新科学领域。量子信息的最基本资源是量子比特,其传输质量对能否实现量子通信和量子计算发挥着至关重要的作用,因而寻找好的传输量子比特信道就成为一个关键的问题。远距离量子比特传输的理想信道是光纤,而对于短距离量子比特传输,研究者更倾向于采用自旋链信道。自旋链信道相比于其它信道有着很大的优势。例如,在量子通信方面,自旋链信道避免了量子器件和光纤之间的链接问题。在量子计算方面,自旋链信道并不需要自旋之间“开”和“关”的功能,这种功能的实现在量子计算机的实际应用中是一个大问题。另外自旋链信道并不需要施加额外的外场调解(这对量子计算非常重要),方案简单,且材料很容易取得,诸如电子、离子束、光学阵列、有引导的原子等都可以用于构造自旋链信道。由于自旋链信道方案具有上述优势,使得自旋链信道成为量子计算机器件之间的理想链接器。对于量子态在一维自旋链信道上的传输方案,人们已经做了大量研究,重点在于提高传输量子比特的准确性,增大传输距离,简化传输方案等几个方面。基于上述目的,人们相继提出了无调控同一耦合常数自旋链、辅助自旋链、改变自旋链结构和调节自旋之间耦合强度、借助初始量子态的多自旋编码等方案。这些方案各有其优缺点,本文将对它们一一做出介绍。相对于一维自旋链信道量子态传输方案,人们对量子态在二维、三维自旋网信道中的传输研究得较少。考虑到二维、三维自旋网信道在实际中更容易制备,因而更具潜在的实用价值,这样,如何改善高维量子态传输质量的就成为一个关键性的研究课题。虽然量子态能够在一些特殊尺寸的二维自旋网信道中实现完美传输,但这些特殊尺寸的自旋网大多很小,实用性有限。另一方面,保真度随着自旋网信道尺寸的增加而急剧降低,这对于量子信息的传输是非常不利的。鉴于一维自旋链信道中的一类特殊态编码方案实现了量子态的高保真度传输,因此我们对二维量子信道中的量子态也做一类特殊态编码处理,以期改善二维自旋链信道的传输质量。我们研究了编码量子态在无调控同一耦合常数的二维XY型自旋网信道中的传输。结果发现,虽然大部分不同数目量子比特编码态的保真度随自旋网尺寸的增加而急剧降低,但总有一些特殊尺寸的自旋网能够完美传输量子态,即保真度F=1,或高度接近1。例如,对于N?N自旋网,采用二量子比特编码,当N=7时,即可实现完美传输。而采用三量子比特编码和四量子比特编码,则分别当N=8,9和N=9,11时,实现完美传输。由此亦可看出,随着编码量子态数目的增加,完美传输信道的尺寸也在增大,这就为我们研究高维自旋网信道中量子信息的高保真传输方案给出了有益的启发。相对于量子态在一维自旋链信道中传输方向的单一性,编码量子态在二维信道中传输方向并不唯一,而是可以具有多条方向。我们在二维自旋网信道中选取两条特殊的传输方向,即边线方向和对角线方向,分别研究了编码量子态沿这两条方向的传输。结果发现,无论何种方向,保真度都随自旋网的尺寸增大而急剧降低,但对角线方向的保真度大于边线方向的保真度,这与未编码量子态在二维自旋网信道的传输质量是一致的。我们还考虑了外加磁场强度对传输量子态的影响,结果表明,量子态的传输的保真度F并不随外加磁场强度的变化而变化。针对量子态只能在小尺寸自旋网中完美传输的情况,我们首次提出将能够完美传输的小尺寸方阵自旋网按特殊方式拼接成自旋网带来提高远距离量子态传输质量的方案。在本文中,我们分别考虑沿对角线方向和沿边线方向拼接成的自旋网带中量子态的传输。结果发现,沿对角线方向拼接而成的自旋网带,在尺寸不是很大的情况下都能够实现量子态的完美传输,但随着自旋尺寸的进一步增加,保真度逐渐降低;但对于沿边线方向拼接而成的自旋网带,量子态能够在边线方向实现完美传输。我们还研究了一类特殊态编码方案下,量子态在这两类自旋网带中的传输。结果发现,编码量子态能够很好地提高量子态传输的质量。因此,我们可以选择特殊形态自旋网带和一类特殊态编码方案,来提高量子态在二维自旋网中的传输质量。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O413

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