量子Zeno動力學在量子計算中的應(yīng)用.pdf

1、量子計算機是直接運用量子力學原理進行信息處理的裝置，其最顯著的優(yōu)勢就在于它的運行速度要比經(jīng)典計算機快得多，尤其是在解決大數(shù)質(zhì)因子分解及無序數(shù)據(jù)搜索問題等方面。自從量子計算機的概念被提出以來，許多國家的政府和軍事機構(gòu)都投入了大量的資金支持對量子計算機的理論與實驗的研究。量子Zeno動力學不同于量子Zeno效應(yīng)。首先對量子系統(tǒng)的測量不一定導致系統(tǒng)的狀態(tài)停止演化，而可能使得系統(tǒng)從初始狀態(tài)演化到其它的狀態(tài)上。其次一個叫做連續(xù)耦合的方法能夠獲得與

2、利用投影測量或者非幺正演化等方法同樣的物理效應(yīng)而不需要實際的測量。本文主要在腔量子電動力學框架中，圍繞由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動力學在量子計算中的一些應(yīng)用進行了相關(guān)的研究。
　　基于類Zeno測量，提出了實現(xiàn)三比特和四比特的無集體振幅阻尼消相干量子態(tài)的理論方法。整個系統(tǒng)由一個星形自旋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并且只考慮外圍自旋量子比特與中心自旋量子比特的最近鄰相互作用。通過以有限的時間間隔測量中心自旋的狀態(tài)來構(gòu)建外部自旋的無消相干態(tài)。數(shù)值模擬

3、的結(jié)果揭示出隨著測量次數(shù)的增加，所制備的無消相干態(tài)的保真度漸進地接近1，而成功幾率趨于一個定值。并進一步對測量的間隔時間進行優(yōu)化處理發(fā)現(xiàn)在很少的測量次數(shù)內(nèi)就可獲得保真度較高的無消相干量子態(tài)。
　　基于由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動力學，在理論上提出了以可擴展的方式制備多原子的Singlet態(tài)|S N?的方案，將(N?1)個原子構(gòu)成的Singlet態(tài)|S N?1?放入到光學腔中，并引進一個輔助的原子，當調(diào)節(jié)原子與經(jīng)典場的相互作用強度

4、同原子與腔場的相互作用強度相比達到Zeno動力學條件時，能夠獲得一個有限的Zeno子空間，選擇適當?shù)难莼瘯r間就可以得到N個原子的Singlet態(tài)|S N?。接著通過結(jié)合量子Zeno動力學與絕熱過程，在理論上又提出了一種確定性地制備任意多原子對稱Dicke態(tài)的方案，在實現(xiàn)這些量子態(tài)的操作過程中不需要測量。并以制備四原子的情況為例證明了該方案對于原子的自發(fā)輻射以及由腔衰減引起的消相干都不敏感，同時操作時間并不隨著原子的總數(shù)以及激發(fā)數(shù)的變化而

5、改變，這種特性將會降低實驗操作的復雜度。
　　基于由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動力學，實現(xiàn)了兩個原子之間的受控非門。由于腔場和經(jīng)典場所驅(qū)動的原子能級躍遷路徑不同，因此在進行數(shù)值模擬時能夠獲得一個有限的子空間，并且該受控非門對腔中光子的泄露所引起的消相干不敏感。在此基礎(chǔ)上，通過結(jié)合受激拉曼絕熱過程僅用六次激光操作便實現(xiàn)了絕熱的受控非門，它對原子的自發(fā)輻射不敏感。接著引入了分布式量子計算的概念并實現(xiàn)了分布式的受控非門。在該方案中兩個原

6、子分別束縛在由光纖相連兩個光學腔中，通過量子過程層析做出了理想受控非門與我們方案中受控非門的層析矩陣，結(jié)合具體實驗參數(shù)得到兩個χ矩陣的重疊為96.52％。最后利用量子Zeno動力學一步實現(xiàn)了三個超導量子比特的Toffoli門，這個門是一個通用量子門。它不僅在解決Shor算法和Grover算法等復雜算法上有重要價值，而且在量子糾錯方面具有實際的作用。
　　基于由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動力學，一步實現(xiàn)了1→n的軌道態(tài)量子克隆。所采