量子信息中的退相干效應(yīng).pdf

1、量子信息是利用量子系統(tǒng)作為信息的載體來(lái)進(jìn)行信息處理的科學(xué)。近幾十年來(lái)，量子信息受到了廣泛的關(guān)注。這主要是由于量子信息表現(xiàn)出了經(jīng)典信息所不具有的優(yōu)勢(shì)。例如，量子隱形傳態(tài)可以實(shí)現(xiàn)量子狀態(tài)的超空間完美傳遞，稠密編碼則可以通過(guò)傳遞一個(gè)量子比特而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)經(jīng)典比特的信息的傳遞，Shor算法解決素?cái)?shù)分解這個(gè)經(jīng)典算法所不能有效解決的問(wèn)題，Grover搜索算法則實(shí)現(xiàn)了搜索算法的加速。此外，促使人們關(guān)注量子信息的另一個(gè)重要的原因在于處理信息的器件的集成度越

2、來(lái)越高，它們的量子效應(yīng)越來(lái)越明顯。
　　 雖然量子信息具有經(jīng)典信息所不具備的優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際實(shí)施量子信息的方案時(shí)卻遇到了很多的障礙。其中，阻止我們實(shí)現(xiàn)量子信息的方案的一個(gè)重要的障礙就是退相干。退相干是由于系統(tǒng)和環(huán)境之間的相互作用而產(chǎn)生的。在設(shè)計(jì)量子信息的方案時(shí)，我們通常會(huì)把系統(tǒng)與外界的相互作用忽略掉而把系統(tǒng)當(dāng)成了封閉系統(tǒng)來(lái)考慮，但是基于現(xiàn)實(shí)世界中系統(tǒng)都或多或少的與外界發(fā)生相互作用這一事實(shí)，量子信息的方案的有效性要重新考慮。通常來(lái)

3、說(shuō)，退相干效應(yīng)會(huì)使得量子信息方案的有效性降低。鑒于退相干效應(yīng)的影響的普遍性和嚴(yán)重性，退相干效應(yīng)已經(jīng)成為了一個(gè)非常重要的而且非常必要的研究課題。
　　 本論文就量子信息中的退相干效應(yīng)做了一些基礎(chǔ)性的研究。我們研究了作為基礎(chǔ)的量子資源（量子糾纏、量子失諧、量子非局域性）的退相干效應(yīng)、研究了量子計(jì)算方案（幾何量子計(jì)算、單向量子計(jì)算）的退相干效應(yīng)、研究了量子通信方案（量子隱形傳態(tài)）的退相干效應(yīng)，主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)果如下:
　　 1)量子

4、信息之所以優(yōu)于經(jīng)典信息的原因是量子資源的存在，在量子信息中存在三種既緊密相關(guān)又有所不同的量子資源，它們分別是量子糾纏、量子失諧、量子非局域性。由于退相干效應(yīng)，量子資源會(huì)發(fā)生衰減，從而使得量子信息的方案的有效性降低。對(duì)于量子資源的退相干效應(yīng)的研究是一個(gè)非?；镜恼n題。我們就這三種量子資源各自的退相干效應(yīng)展開(kāi)了研究:以自旋玻色系統(tǒng)為模型，類貝爾態(tài)為初態(tài)，發(fā)現(xiàn)投影制備過(guò)程比隨機(jī)制備過(guò)程對(duì)量子糾纏的衰減的影響更嚴(yán)重;基于Ornstein-Uhl

5、enbeck環(huán)境模型，發(fā)現(xiàn)量子失諧的突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)刻隨著環(huán)境關(guān)聯(lián)程度的變大而變大;以腔QED為模型，發(fā)現(xiàn)測(cè)量誘導(dǎo)非局域性的演化的不連續(xù)現(xiàn)象。
　　 2)幾何相是幾何量子計(jì)算的基礎(chǔ)，由于幾何相具有自然的容錯(cuò)能力，它被用于量子計(jì)算，為了使幾何量子計(jì)算具有抵抗退相干的能力，人們提出了基于無(wú)噪聲子空間(decoherence-freesubspaces)的絕熱幾何量子計(jì)算，但是絕熱演化在實(shí)驗(yàn)上比較難于實(shí)現(xiàn)，為了克服這個(gè)困難，我們提

6、出了一個(gè)基于無(wú)噪聲子空間的非絕熱幾何量子計(jì)算的方案，該方案用三個(gè)物理比特來(lái)編碼一個(gè)邏輯比特，這三個(gè)物理比特共同耦合一個(gè)相位衰減的環(huán)境。方案中所使用的哈密頓量不含有時(shí)間，并且可以用量子點(diǎn)或者離子阱等模型實(shí)現(xiàn)。此外，如果利用暗態(tài)來(lái)消除動(dòng)力學(xué)相的影響，三個(gè)物理比特是實(shí)現(xiàn)基于無(wú)噪聲子空間的幾何量子計(jì)算的最小量子比特?cái)?shù)。因此，該方案所用到的物理量子比特的數(shù)目是最少的。
　　 3)量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)依賴于量子資源的存在，但是這種依賴關(guān)系的確切形

7、式并不明確，是一個(gè)沒(méi)有解決的問(wèn)題。單向量子計(jì)算利用高度糾纏的團(tuán)簇態(tài)和單量子比特投影測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的目的，由于團(tuán)簇態(tài)的制備和消耗是分離的，單向量子計(jì)算為我們提供了一個(gè)研究量子資源在量子計(jì)算中的地位的良好平臺(tái)。通過(guò)將團(tuán)簇態(tài)暴露在不同的環(huán)境中，我們研究了量子糾纏的衰減與繞x軸的單量子比特旋轉(zhuǎn)門的保真度之間的關(guān)系。我們關(guān)心當(dāng)量子糾纏發(fā)生突然死亡現(xiàn)象的時(shí)候，單量子比特的旋轉(zhuǎn)門的保真度有無(wú)特殊的變化。研究結(jié)果表明，雖然繞x軸的單量子比特旋轉(zhuǎn)門依賴于

8、團(tuán)簇態(tài)的糾纏性質(zhì)，但是當(dāng)團(tuán)簇態(tài)量子糾纏突然死亡時(shí)，繞x軸的單量子比特旋轉(zhuǎn)門的保真度卻沒(méi)有明顯的變化。除了上述主要結(jié)論外，我們還發(fā)現(xiàn)在某些特殊條件下，某些特定狀態(tài)的量子操作卻不受任何干擾。
　　 4)噪聲量子隱形傳態(tài)是量子隱形傳態(tài)研究領(lǐng)域一個(gè)非常重要的課題，它包括兩方面的研究，一方面是研究單個(gè)信道狀態(tài)在不同的環(huán)境中的隱形傳態(tài)能力，另一方面是研究等價(jià)的信道狀態(tài)在同一個(gè)環(huán)境中隱形傳態(tài)能力的差別。我們就噪聲量子隱形傳態(tài)第二個(gè)方面進(jìn)行了一