星型自旋耦合系統(tǒng)及其在量子信息處理中的應(yīng)用.pdf

1、隨著信息技術(shù)和量子力學(xué)的發(fā)展，以量子力學(xué)為基本規(guī)律的量子信息學(xué)逐漸形成。這個(gè)新興交叉學(xué)科具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。它將給計(jì)算，通訊，精確測(cè)量等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的進(jìn)步，會(huì)極大地增強(qiáng)信息的獲取，傳輸安全性能和處理速度。量子信息處理巨大的理論應(yīng)用價(jià)值驅(qū)使人們?nèi)ヌ角笳嬲奈锢韺?shí)現(xiàn)系統(tǒng)。 電子自旋和核自旋是自然的量子比特．量子自旋的長(zhǎng)相干時(shí)間，可控制性，可測(cè)量性等本質(zhì)特點(diǎn)使得自旋系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)量子信息處理一個(gè)理想的物理系統(tǒng)。近幾年來(lái)，對(duì)于自旋系

2、統(tǒng)，尤其是強(qiáng)耦合自旋系統(tǒng)的研究，已經(jīng)成為量子信息處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 本文中研究星型自旋耦合系統(tǒng)及其在量子信息處理中的應(yīng)用，對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行求解。研究耦合自旋系統(tǒng)中的量子態(tài)傳輸、量子相變、量子克隆、量子糾纏、量子測(cè)量以及量子密鑰等量子信息過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。主要工作和創(chuàng)新如下： 1.研究一個(gè)一般的自旋星型結(jié)構(gòu)模型，中心的自旋-1/2粒子被一個(gè)由N個(gè)自旋-1/2粒子組成的自旋環(huán)包圍。利用系統(tǒng)Hamiltonian的對(duì)稱性，對(duì)系統(tǒng)

3、進(jìn)行了解析求解，得出系統(tǒng)本征態(tài)以及本征能量的一般表達(dá)式。分析了幾種極限條件下基態(tài)量子相變，研究了在量子相變過(guò)程中一些需要的有用的量子態(tài)的產(chǎn)生，比如說(shuō)，GHz態(tài)。還分析了這個(gè)模型中關(guān)于量子態(tài)傳輸和糾纏動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。得出了一些關(guān)于傳輸保真度以及糾纏產(chǎn)生的一些有意義的結(jié)果。 2.自旋星型結(jié)構(gòu)還可以模擬成量子克隆模型．具體分析了此自旋系統(tǒng)中自旋環(huán)的兩種初態(tài)制備下的量子克隆。證明了通過(guò)適當(dāng)選擇自旋環(huán)的量子初態(tài)以及系統(tǒng)控制參數(shù)，這個(gè)模型能夠?qū)?/p>

4、現(xiàn)最佳的1→N相協(xié)變量子克隆。 3.研究了自旋系統(tǒng)中的去相干性質(zhì)。在這個(gè)模型中，當(dāng)關(guān)注中心自旋時(shí)，外圍的自旋環(huán)就可以看作環(huán)境．分析了單自旋系統(tǒng)在自旋環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和保真度。同時(shí)還將對(duì)這個(gè)單自旋系統(tǒng)進(jìn)行拓展，考慮一個(gè)自旋鏈結(jié)構(gòu)。自旋鏈上的每一個(gè)自旋均與各自的模擬成自旋環(huán)的環(huán)境耦合。分析自旋鏈在進(jìn)行量子態(tài)傳輸時(shí)候，保真度受到自旋環(huán)境的影響。 4.利用核磁共振(NMR)技術(shù)，提出了一個(gè)在自旋系統(tǒng)中能一步實(shí)現(xiàn)的高效單自旋測(cè)量

5、方案。采用有效Hamiltonian方法，即只考慮系統(tǒng)Hamiltonian中久期項(xiàng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了求解。發(fā)現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)模型中只需要一步就可以完成單自旋測(cè)量．相比利用自旋鏈模型以及分子結(jié)構(gòu)模型來(lái)說(shuō)有了非常大的加速。還發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)單自旋測(cè)量的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了態(tài)相關(guān)克隆。 5.最后利用自旋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子密鑰方案。其中量子比特為量子點(diǎn)中的電子自旋。在這個(gè)方案中，通過(guò)將量子點(diǎn)置于高Q值的微腔中實(shí)現(xiàn)了自旋光子相互作用時(shí)間的精確控制。利用條件Fa