基于腔QED的量子計算和量子通訊.pdf

1、量子力學(xué)和信息科學(xué)的交叉誕生了一門新的學(xué)科：量子信息。最近幾年，量子信息在理論和實驗上取得了驚人的進(jìn)展，已引起各國政府、科學(xué)界和信息產(chǎn)業(yè)的高度重視。量子信息包括：量子計算、量子通訊、量子密碼等。量子信息的載體是量子態(tài)。量子態(tài)的制備、加工、傳輸以及存儲的過程叫做量子信息處理過程。目前，人們主要在以下的量子系統(tǒng)中來研究量子信息過程：腔QED，光學(xué)系統(tǒng)，離子阱，核磁共振，量子點等。這些系統(tǒng)中，腔QED方案是其中有前景的量子硬件設(shè)計方案之一。腔

2、QED的主要思想是將俘獲的原子約束在高品質(zhì)腔中，有很長相干時間的原子態(tài)作為存儲qubit，有很好傳輸能力的光子作為飛行qubit。因此基于腔QED實現(xiàn)量子計算和量子通訊的研究受到人們廣泛的重視。然而，有效的實現(xiàn)這些量子計算和量子通信方案目前在實驗上仍然還是一個很大的挑戰(zhàn)。正因如此，本人把基于腔QED實現(xiàn)量子計算和量子通訊作為碩士學(xué)位論文研究的課題。主要工作包含以下幾個方面： 1．利用Raman過程制備三原子singlet態(tài)。在這

3、個方案中，三個三能級原子同時通過兩個腔，在整個制備過程中腔場始終處于真空態(tài)，有效抑制了腔泄漏消相干的影響。和先前的方案相比，我們方案不需要把原子的信息先儲存在腔場中，然后再轉(zhuǎn)移到其它的原子上，同時也不需要對腔場的態(tài)進(jìn)行探測而使原子態(tài)塌縮到對應(yīng)的糾纏態(tài)上。 2．利用腔的input-output過程實現(xiàn)糾纏態(tài)的制備和量子通訊。首先，我們分別提出了制備多原子cluster態(tài)和多光子cluster態(tài)的方案，數(shù)值模擬表明即使考慮了一些實際

4、量子噪聲的影響，多粒子cluster態(tài)仍具有較高的成功概率和保真度。其次，我們提出利用腔QED實現(xiàn)光子的Bell態(tài)和GHZ態(tài)識別的方法。在這個方案中光子的Bell態(tài)或Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)態(tài)都可以被完全地鑒別，而且可以非破壞性地完全鑒別。 3．可調(diào)諧相位門的實現(xiàn)和圖態(tài)的有效制備。首先，提出一個基于腔QED或離子囚禁系統(tǒng)實現(xiàn)可調(diào)諧的相位門方案。在這個方案中，原子的兩個穩(wěn)定的低能態(tài)做為qub

5、it的兩個邏輯態(tài)，條件相移的獲得不需要原子內(nèi)態(tài)發(fā)生實際躍遷，而且通過控制有效的相互作用時間t，條件相移φ可以在0到2π之間變化。其次，更重要的是我們提出了利用多比特糾纏門來有效制備各種圖態(tài)的方法。 4．利用原子系綜囚禁在腔中實現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)換和光子的量子交換門。首先，我們提出一種方法用來實現(xiàn)內(nèi)部腔場的非線性作用--頻率上轉(zhuǎn)換。在這個方案中，一個V型的原子系綜囚禁在腔中作為兩個腔模發(fā)生相互作用媒介。在一定的條件下，原子始終處于基態(tài)上，