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(jì)末開(kāi)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(jià)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(guó)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(jì)算、量子密集編碼、遠(yuǎn)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(lái)理論和實(shí)驗(yàn)上研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。對(duì)于量子關(guān)聯(lián)的制備、存儲(chǔ)、控制和傳輸?shù)鹊确矫娴难芯浚茖W(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(lái)進(jìn)行的，比如：腔QED系統(tǒng)，量子點(diǎn)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(rèn)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(gè)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(dòng)力學(xué)演化，以及利用動(dòng)力學(xué)退耦合技術(shù)來(lái)防止或者

3、最小化環(huán)境噪音對(duì)目標(biāo)量子比特的影響。
　　 我們研究了兩個(gè)原子分別與兩個(gè)獨(dú)立的耗散腔相互作用系統(tǒng)中的量子諧錯(cuò)(quantumdiscord)的動(dòng)力學(xué)演化。經(jīng)過(guò)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(cuò)在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)保持不變，即兩原子間將會(huì)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(cuò)保持常量的時(shí)間，對(duì)于基于量子關(guān)聯(lián)的量子信息任務(wù)來(lái)說(shuō)是非常重要的。另外，當(dāng)原子和腔場(chǎng)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的相互作

4、用時(shí)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(cuò)都會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，特別，對(duì)于不同的初始條件，如果我們選擇合適的腔場(chǎng)耗散率與原子光場(chǎng)耦合強(qiáng)度的比值，那么兩原子間的量子諧錯(cuò)將一直保持不變。
　　 我們還研究了兩個(gè)原子與一個(gè)共同的耗散腔相互作用系統(tǒng)中腔場(chǎng)耗散對(duì)兩原子間量子諧錯(cuò)的影響，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的初始態(tài)，兩原子間的量子諧錯(cuò)的動(dòng)力學(xué)行為是非常不同的。接著，我們還研究了由腔場(chǎng)耗散誘導(dǎo)兩原子間諧錯(cuò)的可能性，計(jì)算表明，隨著時(shí)間的演化可

5、以誘導(dǎo)出兩原子間非零的量子諧錯(cuò)。
　　 如何延長(zhǎng)量子諧錯(cuò)的轉(zhuǎn)變時(shí)間對(duì)于量子信息科學(xué)來(lái)說(shuō)是非常重要的，那是因?yàn)樗梢蕴峁└嗟臅r(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)量子信息過(guò)程。這里，我們提出了一個(gè)利用動(dòng)力學(xué)退耦合脈沖來(lái)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)變時(shí)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(gè)量子比特之間的量子關(guān)聯(lián)動(dòng)力學(xué)演化。發(fā)現(xiàn)，兩量子比特間也會(huì)出現(xiàn)突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并且轉(zhuǎn)變時(shí)間也就是兩量子比特間量子諧錯(cuò)保持常量的時(shí)間與初態(tài)系數(shù)，量子比特與環(huán)境間的耦合強(qiáng)度和環(huán)境

6、溫度有著密切的關(guān)系。特別，我們可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)退耦合脈沖來(lái)延長(zhǎng)突然轉(zhuǎn)變的時(shí)間。此外，我們還考慮了基于光纖耦合腔場(chǎng)系統(tǒng)中糾纏和糾纏態(tài)的傳輸方案，通過(guò)對(duì)比不同初始參數(shù)對(duì)傳輸方案的影響，并從中找到了合適的初始參數(shù)以實(shí)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(lái)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(lái)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(lái)控制和提高兩個(gè)沒(méi)有相互作用的原子分別與各自的腔場(chǎng)相互作用系統(tǒng)中兩原子間的量子糾纏和量子諧錯(cuò)。研究表明在某些特定的初始條件下，糾纏會(huì)突然消失，也就是說(shuō)糾纏會(huì)有一段時(shí)間為零。這段糾纏為零的時(shí)間對(duì)于基于量子糾纏的量子信息任務(wù)來(lái)說(shuō)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(guò)調(diào)節(jié)非線性克爾系數(shù)來(lái)減小兩原子間的糾纏突然死亡的時(shí)間，也可以提高兩原子間的量子諧錯(cuò)

8、。特別，如果克爾系數(shù)足夠大時(shí)，糾纏突然死亡現(xiàn)象將會(huì)消失。
　　 我們還研究了兩個(gè)原子與一個(gè)共同的腔場(chǎng)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)克爾系數(shù)和偶極偶極相互作用強(qiáng)度的數(shù)值來(lái)調(diào)整系統(tǒng)中三粒子糾纏出現(xiàn)的時(shí)間。
　　 此外，我們?cè)谇粓?chǎng)存在相位