基于腔QED的多比特量子邏輯門的實(shí)現(xiàn).pdf

1、量子計(jì)算作為量子信息最重要的應(yīng)用方向之一,其目的在于利用量子理論研制量子計(jì)算機(jī)。量子邏輯門的物理實(shí)現(xiàn)是量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵,因此尋找合適的物理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)量子邏輯門的意義十分重大。腔QED(quantum electrodynamics)方案是最有前景的量子硬件方案之一,它的主要思想是將俘獲的原子約束在高品質(zhì)腔中,把原子很好地與外界環(huán)境隔離開來,使得它們有較長(zhǎng)的相干時(shí)間;原子之間的相互作用可以通過公共的量子比特(qubit)腔?；蚣?/p>

2、體振動(dòng)模來實(shí)現(xiàn)。另一方面,為了實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算,多比特量子邏輯門必不可少。雖然通過兩比特控制非(C-NOT)門和單比特量子門組合可以實(shí)現(xiàn)多比特邏輯門,但是這需要大量的物理門步驟和輔助的比特,導(dǎo)致不必要的物理操作復(fù)雜度,浪費(fèi)不少的量子資源。為了降低物理操作的難度,直接操控多比特量子門引起了大家廣泛的關(guān)注。因此,本論文把基于腔QED的多比特量子邏輯門的實(shí)現(xiàn)作為研究的主要課題,主要工作包括:
　　1.在標(biāo)準(zhǔn)的J-C(Jaynes-Cu

3、mmings)模型下,基于全量子理論分析輻射場(chǎng)與二能級(jí)原子相互作用。采用幺正時(shí)間演化算符法,通過薛定諤方程求出演化矩陣,調(diào)整光場(chǎng)的頻率和光場(chǎng)與原子的耦合系數(shù),適當(dāng)?shù)剡x擇相互作用時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)一位量子邏輯門的不同邏輯功能。結(jié)果有利于指導(dǎo)在實(shí)驗(yàn)中選取合適的遵守量子力學(xué)規(guī)律的二態(tài)系統(tǒng)完成量子邏輯運(yùn)算。
　　2.提出梯形三能級(jí)原子系統(tǒng)通過簡(jiǎn)單的躍遷直接一步實(shí)現(xiàn)三比特量子相位門的方案。該方案中,原子的兩個(gè)低能態(tài)作為控制位,光場(chǎng)的福克態(tài)(單光

4、子或零光子態(tài))充當(dāng)目標(biāo)位;與同類方案相比,三比特量子相位門的實(shí)現(xiàn)既不需要經(jīng)典激光的輔助,同時(shí)也不需任何的量子測(cè)量步驟。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)存在耗散和原子-腔耦合系數(shù)偏差時(shí),邏輯門的保真度維持在較高的水平,而整個(gè)三比特量子相位門僅僅一步就可以直接實(shí)現(xiàn)。
　　3.提出利用四能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩比特控制非門和N比特Toffoli門的方案。首先,利用單比特操作實(shí)現(xiàn)了兩比特控制非門;其次通過同樣的模型,借助于兩個(gè)Hadamard門,利用N個(gè)原子