腔QED系統(tǒng)中量子關(guān)聯(lián)的理論研究.pdf

1、量子信息理論是一門新興交叉學(xué)科，它是將經(jīng)典信息理論推廣到量子世界的必然的結(jié)果。從二十世紀末開始，由于其在軍事、科學(xué)和產(chǎn)業(yè)上巨大的潛在應(yīng)用價值，量子信息理論已經(jīng)引起了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，各國政府也已經(jīng)在這方面的研究中投入了大量的人力和物力。量子信息理論包括：量子隱形傳態(tài)、量子計算、量子密集編碼、遠程量子通信、量子密碼術(shù)等等不同的研究領(lǐng)域。在量子信息理論中，由于量子關(guān)聯(lián)作為一種量子資源在不同的量子任務(wù)中起著非常重要的作用，所以它成為了

2、量子信息理論中近幾年來理論和實驗上研究的熱點領(lǐng)域之一。對于量子關(guān)聯(lián)的制備、存儲、控制和傳輸?shù)鹊确矫娴难芯?，科學(xué)家們主要是集中在一些具有量子比特可集成性的量子系統(tǒng)上來進行的，比如：腔QED系統(tǒng)，量子點系統(tǒng)、自旋系統(tǒng)、超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)等等。其中，腔QED系統(tǒng)被認為是比較具有應(yīng)用前景的量子硬件系統(tǒng)之一。本論文的工作主要包括兩個大的方面，第一方面主要研究了存在耗散的情況下，腔QED系統(tǒng)中量子關(guān)聯(lián)的動力學(xué)演化，以及利用動力學(xué)退耦合技術(shù)來防止或者

3、最小化環(huán)境噪音對目標量子比特的影響。
　　 我們研究了兩個原子分別與兩個獨立的耗散腔相互作用系統(tǒng)中的量子諧錯(quantumdiscord)的動力學(xué)演化。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在某些特定的初始條件下，腔QED系統(tǒng)中兩原子間的量子諧錯在一段時間內(nèi)會保持不變，即兩原子間將會出現(xiàn)從經(jīng)典退相干到量子退相干的突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。這里值得指出的是這段量子諧錯保持常量的時間，對于基于量子關(guān)聯(lián)的量子信息任務(wù)來說是非常重要的。另外，當(dāng)原子和腔場經(jīng)過較長的相互作

4、用時間之后，兩原子間的總關(guān)聯(lián)、經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子諧錯都會趨于一個穩(wěn)定的值，特別，對于不同的初始條件，如果我們選擇合適的腔場耗散率與原子光場耦合強度的比值，那么兩原子間的量子諧錯將一直保持不變。
　　 我們還研究了兩個原子與一個共同的耗散腔相互作用系統(tǒng)中腔場耗散對兩原子間量子諧錯的影響，研究發(fā)現(xiàn)對于不同的初始態(tài)，兩原子間的量子諧錯的動力學(xué)行為是非常不同的。接著，我們還研究了由腔場耗散誘導(dǎo)兩原子間諧錯的可能性，計算表明，隨著時間的演化可

5、以誘導(dǎo)出兩原子間非零的量子諧錯。
　　 如何延長量子諧錯的轉(zhuǎn)變時間對于量子信息科學(xué)來說是非常重要的，那是因為它可以提供更多的時間來實現(xiàn)量子信息過程。這里，我們提出了一個利用動力學(xué)退耦合脈沖來延長轉(zhuǎn)變時間的方案。我們研究了在具有1/f光譜密度的有限溫度的環(huán)境下兩個量子比特之間的量子關(guān)聯(lián)動力學(xué)演化。發(fā)現(xiàn)，兩量子比特間也會出現(xiàn)突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并且轉(zhuǎn)變時間也就是兩量子比特間量子諧錯保持常量的時間與初態(tài)系數(shù)，量子比特與環(huán)境間的耦合強度和環(huán)境

6、溫度有著密切的關(guān)系。特別，我們可以通過動力學(xué)退耦合脈沖來延長突然轉(zhuǎn)變的時間。此外，我們還考慮了基于光纖耦合腔場系統(tǒng)中糾纏和糾纏態(tài)的傳輸方案，通過對比不同初始參數(shù)對傳輸方案的影響，并從中找到了合適的初始參數(shù)以實現(xiàn)最優(yōu)化的傳輸糾纏和糾纏態(tài)的方法。
　　 另一大的方面，我們研究了利用非線性克爾介質(zhì)來控制和提高原子與原子之間的量子關(guān)聯(lián)，以及在存在相位耗散的情況下，利用非線性克爾介質(zhì)和偶極偶極相互作用來提高不同兩體子系統(tǒng)間的穩(wěn)態(tài)量子關(guān)聯(lián)。

7、
　　 我們首先研究了如何利用非線性克爾介質(zhì)來控制和提高兩個沒有相互作用的原子分別與各自的腔場相互作用系統(tǒng)中兩原子間的量子糾纏和量子諧錯。研究表明在某些特定的初始條件下，糾纏會突然消失，也就是說糾纏會有一段時間為零。這段糾纏為零的時間對于基于量子糾纏的量子信息任務(wù)來說是非常不利的，所以如何消除這種現(xiàn)象也就吸引了大量研究人員的關(guān)注。這里，我們可以通過調(diào)節(jié)非線性克爾系數(shù)來減小兩原子間的糾纏突然死亡的時間，也可以提高兩原子間的量子諧錯

8、。特別，如果克爾系數(shù)足夠大時，糾纏突然死亡現(xiàn)象將會消失。
　　 我們還研究了兩個原子與一個共同的腔場相互作用系統(tǒng)中非線性克爾介質(zhì)和偶極偶極相互作用對兩原子間糾纏突然死亡現(xiàn)象和三粒子糾纏的影響。發(fā)現(xiàn)，非線性克爾介質(zhì)和偶極偶極相互作用都可以削弱糾纏突然死亡現(xiàn)象，其中非線克爾介質(zhì)的影響更為明顯。其次，我們還發(fā)現(xiàn)我們可以通過調(diào)節(jié)克爾系數(shù)和偶極偶極相互作用強度的數(shù)值來調(diào)整系統(tǒng)中三粒子糾纏出現(xiàn)的時間。
　　 此外，我們在腔場存在相位