遠(yuǎn)程Toffoli門(mén)與非絕熱完整量子門(mén)物理實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、量子門(mén)是執(zhí)行量子計(jì)算的基本單元，利用量子門(mén)可以對(duì)量子比特進(jìn)行一系列幺正操作，從而完成特定的量子信息處理任務(wù)。當(dāng)需要處理大量的量子比特時(shí)，可以進(jìn)行分布式量子計(jì)算，即通過(guò)非局域節(jié)點(diǎn)構(gòu)建量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行量子信息處理。實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算的基本要求是:不同節(jié)點(diǎn)的量子比特之間能執(zhí)行遠(yuǎn)程量子門(mén)操作，即通過(guò)局域操作、經(jīng)典通信和預(yù)先共享的糾纏實(shí)現(xiàn)非局域量子門(mén)。如何實(shí)現(xiàn)魯棒的量子門(mén)也是量子計(jì)算中的重要問(wèn)題。無(wú)消相干子空間能夠有效抵御消相干，

2、完整控制具有內(nèi)稟容錯(cuò)能力，這兩者的結(jié)合能夠有效實(shí)現(xiàn)魯棒的量子門(mén)。與單比特和兩比特量子門(mén)相比，多比特量子門(mén)能同時(shí)操控更多量子比特，對(duì)量子計(jì)算有重要意義，因此其直接實(shí)現(xiàn)一直受到研究人員的高度關(guān)注。本文圍繞多比特量子門(mén)的物理實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，主要內(nèi)容如下:
　　1)基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)-光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Toffoli門(mén)（受控-受控-非門(mén)）。從半導(dǎo)體量子點(diǎn)中帶負(fù)電激子X(jué)-躍遷的光學(xué)選擇定則出發(fā)，結(jié)合腔場(chǎng)算符和X-偶極算符的海森堡運(yùn)動(dòng)方程

3、以及腔場(chǎng)輸入輸出關(guān)系，得到了入射光子與量子點(diǎn)中電子之間的相互作用關(guān)系。以此關(guān)系為基礎(chǔ)，利用局域線(xiàn)性光學(xué)操作、一個(gè)輔助電子自旋量子比特、兩個(gè)圓偏振糾纏光子對(duì)、光子測(cè)量以及經(jīng)典通信，實(shí)現(xiàn)了電子自旋量子比特之間的遠(yuǎn)程Toffoli門(mén)。我們?cè)敿?xì)分析了方案的性能以及實(shí)驗(yàn)可行性，計(jì)算結(jié)果表明:在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下本方案有很高的平均保真度，在強(qiáng)耦合區(qū)域與弱耦合區(qū)域均是有效的;同時(shí)，通過(guò)對(duì)光子和輔助電子自旋量子比特進(jìn)行一系列探測(cè)以及相應(yīng)的單比特操作，本方

4、案的成功概率為100％。
　　2)無(wú)消相干子空間中實(shí)現(xiàn)非絕熱完整量子門(mén)。利用非絕熱量子完整性，結(jié)合無(wú)消相干子空間編碼原理，直接實(shí)現(xiàn)兩比特和三比特受控-U門(mén)（U是作用在目標(biāo)比特上的任意單比特門(mén)操作）以及Fredkin門(mén)（受控-交換門(mén)），避免了絕熱情形下漫長(zhǎng)的時(shí)間演化和通用門(mén)組合過(guò)程帶來(lái)的額外錯(cuò)誤。這些量子門(mén)具有內(nèi)稟容錯(cuò)能力、有效抵御消相干和運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)消相干子空間編碼中，利用兩個(gè)與聯(lián)合退相位環(huán)境作用的物理比特來(lái)編碼一個(gè)邏輯比