基于腔QED的量子態(tài)制備和量子信息處理.pdf

1、我們生活在一個(gè)信息時(shí)代，信息科學(xué)在改善人類的生活品質(zhì)以及推動(dòng)社會(huì)的文明發(fā)展中發(fā)揮著令人驚嘆的作用。量子信息學(xué)是量子力學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于受量子力學(xué)規(guī)律支配，量子信息科學(xué)呈現(xiàn)出與經(jīng)典信息科學(xué)截然不同的嶄新面貌。在許多方面有著經(jīng)典信息學(xué)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，比如利用量子態(tài)的相干疊加性，人們提出了量子并行算法，用于解決諸如大數(shù)因子分解等經(jīng)典計(jì)算無(wú)法解決的問(wèn)題。又如，量子不可克隆定理使得量子信息不能像經(jīng)典信息那樣任意被復(fù)制，這使得人們可以

2、建立起絕對(duì)安全的量子密碼體系。再如，量子糾纏可以起到連接不同空間點(diǎn)的量子信道的作用，從而實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)?？傊?，量子信息科學(xué)的誕生為未來(lái)信息科學(xué)與技術(shù)注入了新的活力。 量子信息和量子計(jì)算的巨大潛力吸引著越來(lái)越多的科學(xué)家從事這方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在量子信息的研究中，需要對(duì)量子信息進(jìn)行處理，那么量子硬件必不可少。就目前而言，腔量子電動(dòng)力學(xué)(QED)是研究得比較早、發(fā)展得比較快，并且被認(rèn)為是最有前途的方案之一。腔QED是原子物理與量

3、子光學(xué)研究的交叉領(lǐng)域。它主要研究原子與特定邊界條件下量子化光場(chǎng)的相互作用。在過(guò)去的幾十年里，它預(yù)言了許多嶄新的物理現(xiàn)象，如微腔中原子自發(fā)輻射的抑制或增強(qiáng)和強(qiáng)耦合極限下輻射譜的Rabi分裂等。近年來(lái)，由于冷卻原子技術(shù)和光刻方法的長(zhǎng)足進(jìn)步，在超小尺度腔中，可以實(shí)現(xiàn)光子與原子質(zhì)心動(dòng)量能量的有效交換，從而導(dǎo)致原子光學(xué)的誕生。最近，在量子信息的研究中，腔QED系統(tǒng)顯示了其它系統(tǒng)不可替代的作用。因此，我們有必要以深入淺出的方式，系統(tǒng)地介紹腔OED的

4、基木概念和方法。這不僅可以使其在量子信息中的應(yīng)用研究建立在堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)之上，而且能夠加深對(duì)特殊條件下光與物質(zhì)相互作用豐富的物理現(xiàn)象及其內(nèi)在本質(zhì)的理解。目前，世界上有很多小組在從事腔QED方面的實(shí)驗(yàn)研究。但是腔QED的研究在國(guó)內(nèi)尚屬起步階段，比起國(guó)外目前的水平而言，差距較大，需要迎頭趕上。這正是本人試圖將其作為博士學(xué)位論文研究的一個(gè)重要原因。本論文在以下幾個(gè)方面得到很有價(jià)值的研究成果： Ⅰ．在腔QED中實(shí)現(xiàn)多光子糾纏態(tài)的制備量子

5、糾纏是量子信息學(xué)中最重要也是最為奇特的一個(gè)課題。在量子信息學(xué)中，量子信息的處理離不開量子態(tài)及其演化，而量子糾纏態(tài)毫無(wú)疑問(wèn)是各種各樣的量子態(tài)中最重要的一種。量子糾纏在量子信息學(xué)的兩大領(lǐng)域一量子通信和量子計(jì)算中都有著廣泛的應(yīng)用。既然糾纏態(tài)如此重要，研究其制備及操縱就成為重要的課題。糾纏態(tài)的制備在不同的物理系統(tǒng)中有不同的實(shí)現(xiàn)方法，目前在離子阱、原子一光腔、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換等體系中都已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了糾纏態(tài)的制備。糾纏的光予由于其與環(huán)境作用小，傳

6、播距離遠(yuǎn)，引起了人們特別的注意。標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生糾纏光子的方法是利用非線性晶體的參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程，然而這種過(guò)程帶有隨機(jī)性。我們提出一種在腔QED中產(chǎn)生多光子糾纏態(tài)的方法，利用大失諧下絕熱演化的方法，這種方法可以克服原子自發(fā)輻射引起的耗散，而這種耗散是腔QED完成量子信息過(guò)程的主要障礙之一。另外，我們的方案還可以推廣到產(chǎn)生任意四模多光子糾纏態(tài)。 Ⅱ．在腔QED中實(shí)現(xiàn)任意疊加Dicke態(tài)的量子隱形傳輸量子通信中最基本的原型就是量子隱形傳態(tài)(

7、quantum teleportation)，它應(yīng)用糾纏EPR態(tài)作為信道，通過(guò)局域Bell基測(cè)量并輔助以經(jīng)典通信把一個(gè)量子態(tài)從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。量子隱形傳態(tài)是構(gòu)成各量子通信任務(wù)的基本模型，只要有糾纏信道和經(jīng)典通信信道，量子隱形傳態(tài)可以完成絕大部分量子通信任務(wù)。1993年，Bennett等人的富有科學(xué)幻想色彩的量子隱形傳態(tài)的方案一經(jīng)提山，立即激發(fā)起人們極大的興趣，對(duì)如何傳送量子態(tài)人們已經(jīng)進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，關(guān)于量子隱形傳態(tài)

8、的各種方案相繼出現(xiàn)。這里我們提出一種量予隱形傳輸任意疊加的原子Dicke態(tài)的方案。多原子Dicke態(tài)是一種重要的多量子比特態(tài)，Dicke態(tài)及其疊加態(tài)在量子非局域性的證明，高精度光譜學(xué)和量子信息過(guò)程中都有重要的應(yīng)用。在這個(gè)方案中我們采用絕熱演化的方法，原子僅在暗態(tài)空間中演化，激發(fā)態(tài)上不曾有布局，因此自發(fā)輻射噪聲對(duì)該方案幾乎沒有什么影響。另外，僅當(dāng)四個(gè)光子探測(cè)器同時(shí)觸發(fā)時(shí)方案才成功，因而探測(cè)器和輸出耦合的無(wú)效性只是降低方案的成功幾率，而對(duì)終

9、態(tài)的保真度沒有影響，所以對(duì)于任意疊加的原子Dicke態(tài)保真度都為1。 Ⅲ．基于腔QED的條件量子相位門量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)能更有效地解決某些計(jì)算難題，而通過(guò)級(jí)聯(lián)量子相位門和單比特門就可實(shí)現(xiàn)普適量子計(jì)算。對(duì)原子量子比特而言，其單比特門只要利用原子和經(jīng)典場(chǎng)相互作用即可實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)兩量子比特門成為量子計(jì)算中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 在完成量子相位門的各種系統(tǒng)中，腔QED在相干操作上有明顯的優(yōu)勢(shì)。我們提出一個(gè)方案，采用∧-位型三

10、能級(jí)原子作為信息轉(zhuǎn)移通路來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振腔模的量子相位門。我們的方案有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)典型的量子相位門在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)上一般都要求兩個(gè)量予比特處于相同的地位上，因此在我們的方案中就將腔內(nèi)輻射場(chǎng)的兩個(gè)不同的偏振模的0，1光子態(tài)作為兩個(gè)量子比特。2)我們將原子作為存儲(chǔ)量子比特，光子作為飛行量子比特，不管對(duì)量子通訊還是量子計(jì)算這都是比較理想的。3)在我們的方案中量子相位門操作的成功完成需要兩光子共振條件，對(duì)三能級(jí)原子和腔模相互作用時(shí)間的精確控制將產(chǎn)