连续变量量子逻辑门序列和量子误差修正

发布时间：2018-04-18 13:44

本文选题：cluster纠缠态 + 单向量子计算　；参考：《山西大学》2016年博士论文

【摘要】：量子信息科学是量子力学、信息科学和计算机科学等学科相结合而发展起来的的一门新兴学科,是国际研究的前沿领域。量子信息基于量子特性而具有独特的信息功能,在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可以突破现有的经典信息系统的极限。量子信息主要包括量子通信与量子计算两大研究方向。量子计算在解决某些计算难题方面具有经典计算无法替代的优势。最初,量子计算研究主要集中在基于量子比特的分离变量领域。然后,随着以光场正交分量为基础的连续变量量子信息处理系统的快速发展,连续变量量子计算也从理论探讨进入实验研究阶段。连续变量量子计算在某些方面具有一些优势,可以比较有效的模拟连续变化的量子系统。连续变量多组份纠缠态光场是量子计算和量子通信网络的重要资源之一。基于多组份纠缠态的单向量子计算是一种重要的量子计算方式。量子逻辑门和量子误差修正是量子计算中的重要环节。我们研究组以连续变量多组份纠缠态光场为量子资源,开展了量子逻辑门序列和量子误差修正方面的研究工作。本文的主要研究内容如下：1.单模压缩操作和傅立叶变换操作是连续变量量子计算领域中的两个基本逻辑操作。我们利用Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)双模纠缠态光场,以一种更简单,更有效的方案实现了这些基本量子逻辑操作。理论计算和实验结果都表明,我们所提出的方案不仅在数量上最大程度地降低了对量子资源态的要求,而且在相同的资源条件下增强了输出模式的压缩度和保真度。这种利用双模纠缠态光场实现逻辑操作的方法可以作为基本计算单元应用在以后的大规模量子计算中。2.利用cluster纠缠态作为量子资源的单向量子计算是一种高效的量子计算模式。我们以连续变量六模cluster纠缠态作为量子资源,第一个完成了连续变量量子逻辑门序列的实验演示,它是由一个单模压缩操作和一个双模受控位相门组成的门序列。这个门序列的输出模式保真度和两个输出模式之间的纠缠度等量子特性在实验上得到了验证,输出模式之间的纠缠既依赖于压缩门也依赖于受控位相门,其序列作用得到证实。我们提出的门序列方案可以扩展至更多逻辑门组合,用以执行通用高斯计算。3.量子误差修正能够保护量子态在量子通信和量子计算过程中不受噪声和退相干作用的影响,这使得我们能够执行容错的量子信息处理。我们实验实现了一种针对单一随机误差的五波包结构编码方式的量子误差修正。我们采用的五编码通道是五模连续变量的纠缠态光场。特别是,在我们的编码方案中,输入态的信息仅仅被编码在五个传输通道的其中三个上,因此在剩余的两个通道上引入的任何错误将不会影响输出态的结果,即输出量子态对来自这两个信道上的错误有免疫功能。我们分别采用真空态和压缩态光场作为输入信号,验证了任意的单通道误差的量子误差修正过程,输出态的保真度超过了相应的经典极限。所完成的研究工作创新之处如下：1.利用光学模的EPR纠缠源实现了连续变量单模高斯操作——单模压缩操作和傅立叶变换,简化了操作方案,节省了量子资源。2.利用六模cluster纠缠态实现了包含一个压缩门和一个受控位相门的量子逻辑门序列,为实现包含多个逻辑门组合的复杂量子计算系统提供了实验基础。3.基于五模纠缠态光场,采用部分编码方式,实现了紧凑高效的连续变量五波包编码量子误差修正方案。
[Abstract]:Quantum information science is a new discipline developed by the combination of quantum mechanics , information science and computer science .

【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O413

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