遠程Toffoli門與非絕熱完整量子門物理實現(xiàn)研究.pdf

1、量子門是執(zhí)行量子計算的基本單元，利用量子門可以對量子比特進行一系列幺正操作，從而完成特定的量子信息處理任務(wù)。當(dāng)需要處理大量的量子比特時，可以進行分布式量子計算，即通過非局域節(jié)點構(gòu)建量子計算網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點都可以進行量子信息處理。實現(xiàn)分布式量子計算的基本要求是:不同節(jié)點的量子比特之間能執(zhí)行遠程量子門操作，即通過局域操作、經(jīng)典通信和預(yù)先共享的糾纏實現(xiàn)非局域量子門。如何實現(xiàn)魯棒的量子門也是量子計算中的重要問題。無消相干子空間能夠有效抵御消相干，

2、完整控制具有內(nèi)稟容錯能力，這兩者的結(jié)合能夠有效實現(xiàn)魯棒的量子門。與單比特和兩比特量子門相比，多比特量子門能同時操控更多量子比特，對量子計算有重要意義，因此其直接實現(xiàn)一直受到研究人員的高度關(guān)注。本文圍繞多比特量子門的物理實現(xiàn)進行研究，主要內(nèi)容如下:
　　1)基于半導(dǎo)體量子點-光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程Toffoli門（受控-受控-非門）。從半導(dǎo)體量子點中帶負(fù)電激子X-躍遷的光學(xué)選擇定則出發(fā)，結(jié)合腔場算符和X-偶極算符的海森堡運動方程

3、以及腔場輸入輸出關(guān)系，得到了入射光子與量子點中電子之間的相互作用關(guān)系。以此關(guān)系為基礎(chǔ)，利用局域線性光學(xué)操作、一個輔助電子自旋量子比特、兩個圓偏振糾纏光子對、光子測量以及經(jīng)典通信，實現(xiàn)了電子自旋量子比特之間的遠程Toffoli門。我們詳細(xì)分析了方案的性能以及實驗可行性，計算結(jié)果表明:在現(xiàn)有的實驗條件下本方案有很高的平均保真度，在強耦合區(qū)域與弱耦合區(qū)域均是有效的;同時，通過對光子和輔助電子自旋量子比特進行一系列探測以及相應(yīng)的單比特操作，本方

4、案的成功概率為100％。
　　2)無消相干子空間中實現(xiàn)非絕熱完整量子門。利用非絕熱量子完整性，結(jié)合無消相干子空間編碼原理，直接實現(xiàn)兩比特和三比特受控-U門（U是作用在目標(biāo)比特上的任意單比特門操作）以及Fredkin門（受控-交換門），避免了絕熱情形下漫長的時間演化和通用門組合過程帶來的額外錯誤。這些量子門具有內(nèi)稟容錯能力、有效抵御消相干和運行速度快的優(yōu)點。無消相干子空間編碼中，利用兩個與聯(lián)合退相位環(huán)境作用的物理比特來編碼一個邏輯比