固態(tài)體系的消相干效應(yīng)和量子調(diào)控.pdf

1、量子力學(xué)一百年來(lái)促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，隨著量子計(jì)算和量子信息的理論探索和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，量子系統(tǒng)展現(xiàn)出了巨大的潛力。由于相干性帶來(lái)的并行性，其能力遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。但是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子信息的要求是非常苛刻的，固態(tài)體系因?yàn)榫哂锌杉尚院涂烧{(diào)節(jié)性的優(yōu)點(diǎn)，成為重要的物理平臺(tái)，主要包括超導(dǎo)系統(tǒng)、量子點(diǎn)系統(tǒng)等。同時(shí)，控制參數(shù)的噪音和系統(tǒng)與外界環(huán)境的耦合，引起了系統(tǒng)的消相干。用于精確量子調(diào)控的Berry相位中幾何退相位的出現(xiàn)，也破壞了幾何相位的可觀

2、測(cè)性。而衡量量子系統(tǒng)性能最重要的指標(biāo)便是在相干時(shí)間內(nèi)能夠進(jìn)行多少個(gè)量子邏輯門(mén)操作。提高相干時(shí)間的方法有量子糾錯(cuò)碼、消相干自由子空間、動(dòng)力學(xué)去耦合等。
　　本論文針對(duì)這些熱點(diǎn)，主要圍繞固態(tài)體系的消相干效應(yīng)和量子調(diào)控展開(kāi)，主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容:
　　1.簡(jiǎn)單介紹了量子計(jì)算和量子信息的基本單元量子比特和相應(yīng)的邏輯門(mén)操作?？偨Y(jié)了常見(jiàn)的量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，尤其以固態(tài)量子體系為重點(diǎn)，介紹了其量子化方法。對(duì)于開(kāi)放量子系統(tǒng)，分別給

3、出了馬爾科夫主方程和非馬爾科夫主方程的推導(dǎo)。本論文中還要用到幾何相位的概念，這里主要闡述了Berry相位以及對(duì)其的推廣。對(duì)于本文中用到的基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)背景我們進(jìn)行了一定概括。
　　2.固態(tài)體系電荷量子比特會(huì)在簡(jiǎn)并點(diǎn)（甜蜜點(diǎn)）處表現(xiàn)出最好的相干性質(zhì)，但是最近在雙量子點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中除了觀測(cè)到甜蜜點(diǎn)之外，還在大偏置區(qū)實(shí)現(xiàn)了比甜蜜點(diǎn)更長(zhǎng)的消相干時(shí)間。為了揭示其中的機(jī)制，我們將體系擴(kuò)展到三能級(jí)，考慮其中一個(gè)量子點(diǎn)中的更高能級(jí)。利用自旋玻色模型描

4、述體系與環(huán)境的相互作用，發(fā)現(xiàn)偏置較大時(shí)兩個(gè)低能態(tài)位于同一個(gè)量子點(diǎn)中，能級(jí)弛豫和純退相位都會(huì)消失。但是在甜蜜點(diǎn)，噪音算符與能量較低的兩個(gè)態(tài)的子空間存在σx型耦合，引起了額外的弛豫過(guò)程，從而使此處的相干性質(zhì)不如大偏置區(qū)。通過(guò)數(shù)值模擬相干控制過(guò)程，得到的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，驗(yàn)證了我們對(duì)消相干物理機(jī)制分析的有效性。絕熱沖擊模型可以把整個(gè)控制過(guò)程簡(jiǎn)化為光學(xué)干涉設(shè)備，進(jìn)而討論了脈沖形狀對(duì)振蕩可見(jiàn)度的影響和利用帽子型脈沖提高可見(jiàn)度的方法。

5、r>　　3.經(jīng)典波動(dòng)場(chǎng)導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)相位的隨機(jī)分布，從而引起量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)退相位。對(duì)于實(shí)現(xiàn)Berry相位的控制過(guò)程，它也會(huì)引起閉合環(huán)路的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生幾何退相位。傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)去耦合序列可以抵消動(dòng)力學(xué)相位并且有效抑制動(dòng)力學(xué)退相位，但是對(duì)幾何退相位并沒(méi)有效果。我們?cè)O(shè)計(jì)了Berry相位控制過(guò)程中的兩種動(dòng)力學(xué)去耦合序列，可以抑制殘留的幾何退相位，其可行性經(jīng)過(guò)了數(shù)值計(jì)算的驗(yàn)證。并且隨著幾何退相位的抑制，量子系統(tǒng)的相干性提高，Berry相位也會(huì)得到恢

6、復(fù)。當(dāng)經(jīng)典波動(dòng)場(chǎng)的關(guān)聯(lián)時(shí)間變短時(shí)，抑制效率會(huì)降低。我們還說(shuō)明了π脈沖的寬度比較窄時(shí)，實(shí)際控制不會(huì)破壞設(shè)計(jì)序列的抑制效果。
　　4.利用超導(dǎo)傳輸線振子可以構(gòu)成耦合振子陣列，人造二能級(jí)原子與相鄰的兩個(gè)傳輸線振子耦合，由于干涉可以形成控制單光子輸運(yùn)的量子開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)由量子比特處于自旋向上還是自旋向下決定。在耦合陣列中，我們預(yù)先調(diào)節(jié)與二能級(jí)原子耦合的傳輸線振子的特征頻率，單光子輸運(yùn)開(kāi)關(guān)的保真度可以極大提高。如果二能級(jí)原子處在疊加態(tài)，量