利用離子阱和腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)制備量子相位門.pdf

1、量子計算機是遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子邏輯門是量子計算機的基本操作單元，量子計算機就是通過量子邏輯門來控制和操作量子態(tài)的演化和傳遞，進(jìn)行量子信息處理的。在量子邏輯門的物理實現(xiàn)方面，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，并有相當(dāng)多的實驗結(jié)果，但這些實驗都是在小規(guī)模范圍進(jìn)行的，離大規(guī)模的有效量子計算(量子邏輯網(wǎng)絡(luò))需求還有一段距離。因此，尋找合適的物理系統(tǒng)進(jìn)行有效的量子邏輯操作是實現(xiàn)量子計算機的關(guān)鍵。本論

2、文主要從理論上研究了實現(xiàn)量子計算機的物理系統(tǒng)。在離子阱系統(tǒng)，腔量子電動力學(xué)(QED)系統(tǒng)和離子阱-光學(xué)腔系統(tǒng)中分別提出了制備一種重要的量子邏輯門-量子相位門的理論方案，并從保真度、成功幾率和制備時間等角度論證了各方案的可行性。
　　在離子阱系統(tǒng)中，提出了兩個制備非常規(guī)幾何相位門的方案。第一個方案利用了勢阱離子與兩束不同頻率的激光相互作用，制備時間t=2π/δ僅取決于參數(shù)δ，可通過選取參數(shù)使δ>>2π來獲得較短的制備時間。第二個方案

3、利用了勢阱離子與一束駐波激光的共振相互作用，制備時間t=2π/ν僅與振動模頻率ν有關(guān)。在其它參數(shù)相同的條件下，該方案所需的制備時間比基于離子與駐波的非共振相互作用的方案[Phys. Rev. A,2006,74(3):032322]所需的時間更短。由于振動模頻率可達(dá)到109數(shù)量級，第二個方案的制備時間遠(yuǎn)小于腔QED系統(tǒng)中利用原子與經(jīng)典場共振耦合制備相位門所需的時間[Phys. Rev. A,2006,73(3):032344]。該方案具

4、有制備時間短，效率高、消相干影響小等特點。
　　在腔QED系統(tǒng)中利用三能級原子與腔的非全同耦合提出一個實現(xiàn)近似多比特量子相位門的方案。研究表明：相位門的制備時間并不隨著量子比特數(shù)目的增加而增長。通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)可以使相位門的制備時間遠(yuǎn)小于原子輻射壽命和光子壽命。方案中采用了原子與腔的大失諧相互作用，原子和腔場之間并不進(jìn)行量子信息的轉(zhuǎn)移，腔的衰減的影響可以忽略。在先前基于原子-腔共振相互作用的方案[Phys. Rev. A,200

5、7,75(3):034307]中，只有當(dāng)耦合常數(shù)滿足g1<

6、腔耦合強度直接影響制備時間、保真度和成功幾率。因此可以通過控制不同的原子-腔耦合強度值來構(gòu)建門時間短、保真度和成功幾率高的多比特量子相位門。我們還研究了量子比特數(shù)目對保真度和成功幾率的影響，當(dāng)量子比特數(shù)目N超過某些較小值時，保真度和成功幾率隨著量子比特數(shù)目N的增加而緩慢增大，當(dāng)N→∞時，保真度和成功幾率無限接近于1，但不會超過1。這表明當(dāng)前方案適用于制備較多比特量子相位門。直接制備多比特量子邏輯門對于構(gòu)建門時間短、操作復(fù)雜度低的量子計算

7、網(wǎng)絡(luò)尤為重要。尤其是當(dāng)量子比特數(shù)目很大時，通過執(zhí)行多個基本量子門來獲得一個多比特量子門的程序極其復(fù)雜，所需的門時間更長。
　　在離子阱-光學(xué)腔中利用勢阱離子與外加激光及量子化腔場的相互作用提出一個制備非常規(guī)幾何相位門的方案。相位門的制備時間t可以表示為t=2π/Δ=2π(ω0-ωc-ν)。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)離子躍遷頻率ω0，腔模頻率ωc和振動模頻率ν不僅可以保證約束條件ν,ωc>>Δ，Ω，和g得以滿足而且可以保證Δ足夠大以使得相位門制備