基于腔QED的量子計(jì)算和量子通訊.pdf

1、量子力學(xué)和信息科學(xué)的交叉誕生了一門新的學(xué)科：量子信息。最近幾年，量子信息在理論和實(shí)驗(yàn)上取得了驚人的進(jìn)展，已引起各國(guó)政府、科學(xué)界和信息產(chǎn)業(yè)的高度重視。量子信息包括：量子計(jì)算、量子通訊、量子密碼等。量子信息的載體是量子態(tài)。量子態(tài)的制備、加工、傳輸以及存儲(chǔ)的過(guò)程叫做量子信息處理過(guò)程。目前，人們主要在以下的量子系統(tǒng)中來(lái)研究量子信息過(guò)程：腔QED，光學(xué)系統(tǒng)，離子阱，核磁共振，量子點(diǎn)等。這些系統(tǒng)中，腔QED方案是其中有前景的量子硬件設(shè)計(jì)方案之一。腔

2、QED的主要思想是將俘獲的原子約束在高品質(zhì)腔中，有很長(zhǎng)相干時(shí)間的原子態(tài)作為存儲(chǔ)qubit，有很好傳輸能力的光子作為飛行qubit。因此基于腔QED實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子通訊的研究受到人們廣泛的重視。然而，有效的實(shí)現(xiàn)這些量子計(jì)算和量子通信方案目前在實(shí)驗(yàn)上仍然還是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。正因如此，本人把基于腔QED實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子通訊作為碩士學(xué)位論文研究的課題。主要工作包含以下幾個(gè)方面： 1．利用Raman過(guò)程制備三原子singlet態(tài)。在這

3、個(gè)方案中，三個(gè)三能級(jí)原子同時(shí)通過(guò)兩個(gè)腔，在整個(gè)制備過(guò)程中腔場(chǎng)始終處于真空態(tài)，有效抑制了腔泄漏消相干的影響。和先前的方案相比，我們方案不需要把原子的信息先儲(chǔ)存在腔場(chǎng)中，然后再轉(zhuǎn)移到其它的原子上，同時(shí)也不需要對(duì)腔場(chǎng)的態(tài)進(jìn)行探測(cè)而使原子態(tài)塌縮到對(duì)應(yīng)的糾纏態(tài)上。 2．利用腔的input-output過(guò)程實(shí)現(xiàn)糾纏態(tài)的制備和量子通訊。首先，我們分別提出了制備多原子cluster態(tài)和多光子cluster態(tài)的方案，數(shù)值模擬表明即使考慮了一些實(shí)際

4、量子噪聲的影響，多粒子cluster態(tài)仍具有較高的成功概率和保真度。其次，我們提出利用腔QED實(shí)現(xiàn)光子的Bell態(tài)和GHZ態(tài)識(shí)別的方法。在這個(gè)方案中光子的Bell態(tài)或Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)態(tài)都可以被完全地鑒別，而且可以非破壞性地完全鑒別。 3．可調(diào)諧相位門的實(shí)現(xiàn)和圖態(tài)的有效制備。首先，提出一個(gè)基于腔QED或離子囚禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的相位門方案。在這個(gè)方案中，原子的兩個(gè)穩(wěn)定的低能態(tài)做為qub

5、it的兩個(gè)邏輯態(tài)，條件相移的獲得不需要原子內(nèi)態(tài)發(fā)生實(shí)際躍遷，而且通過(guò)控制有效的相互作用時(shí)間t，條件相移φ可以在0到2π之間變化。其次，更重要的是我們提出了利用多比特糾纏門來(lái)有效制備各種圖態(tài)的方法。 4．利用原子系綜囚禁在腔中實(shí)現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)換和光子的量子交換門。首先，我們提出一種方法用來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部腔場(chǎng)的非線性作用--頻率上轉(zhuǎn)換。在這個(gè)方案中，一個(gè)V型的原子系綜囚禁在腔中作為兩個(gè)腔模發(fā)生相互作用媒介。在一定的條件下，原子始終處于基態(tài)上，