腔QED和電路QED中的糾纏態(tài)和量子邏輯門.pdf

1、作為物理學(xué)近三十年最為激動人心的學(xué)科之一，量子信息處理取得了令人驚訝的成績。對單個原子、光子、電子的獨(dú)立操作日趨成熟，對量子信息處理基本原理的驗證性操作也已得到實現(xiàn)。量子信息處理極大的改變了信息處理的概念，給人們展現(xiàn)了一種將深刻改變生產(chǎn)和生活的技術(shù)前景，正在吸引著眾多研究人員的熱情。量子信息處理重要的兩個基本元素是糾纏態(tài)和量子邏輯門，本論文主要研究了這兩種基本元素在腔QED和電路QED系統(tǒng)中的物理實現(xiàn)，希望為這方面的研究提供理論上的支持

2、。
　　在超導(dǎo)比特與微波腔共振耦合的系統(tǒng)中，我們提出了一種實現(xiàn)超導(dǎo)比特三比特GHZ態(tài)和兩比特相位門的方案。由于基于共振相互作用，方案所需時間較短。方案基于一種一個光子同時翻轉(zhuǎn)兩個比特的哈密頓，沒有涉及任何的輔助粒子或輔助能級。并且在幺正演化下，方案可以1的保真度決定性的實現(xiàn)。這些研究為在微波腔中操縱超導(dǎo)比特實現(xiàn)糾纏態(tài)和邏輯門提供了一種新的方式?？紤]腔模的泄露時，我們給出了方案成功概率和保真度的解析表達(dá)式，計算表明方案能以較高的成功

3、概率和保真度實現(xiàn)。
　　在超導(dǎo)比特與超導(dǎo)傳輸線耦合形成的電路QED系統(tǒng)中，我們提出了實現(xiàn)多比特GHZ態(tài)和W類態(tài)的方案。在干涉計型磁通比特與傳輸線大失諧的相互作用下，我們可以得到一種只有原子自由度的有效哈密頓。這個哈密頓不改變系統(tǒng)比特的激發(fā)數(shù)，我們通過在不同激發(fā)數(shù)態(tài)矢間引入不同的相移可以實現(xiàn)GHZ態(tài)的構(gòu)造。而通過改變同一激發(fā)數(shù)空間不同態(tài)矢之間的布居數(shù)可以實現(xiàn)W類態(tài)的構(gòu)造。選擇不同的演化時間，可以得到不同參數(shù)的W類態(tài)。我們分析了大失諧

4、近似、退相干因素對方案保真度的影響，數(shù)值結(jié)果顯示在現(xiàn)有的實驗參數(shù)下，方案具有較高的保真度。并且這種方案的操作時間不隨比特數(shù)增加而增長，結(jié)合電路QED的成熟集成電路工藝，可以實現(xiàn)良好的擴(kuò)展性。
　　在一種新型的非旋轉(zhuǎn)波近似的電路QED系統(tǒng)中，我們提出了一種實現(xiàn)單比特控制多比特的多比特相位門的方案。非旋轉(zhuǎn)波近似的哈密頓是一種電路QED中新發(fā)展出來的模型，它通常具有較高的耦合強(qiáng)度，因此可以實現(xiàn)快速的量子信息處理。我們討論了在兩種不同條件

5、下的有效哈密頓。一種是在色散范圍內(nèi)通過微擾近似得到有效哈密頓，一種是利用周期性演化得到特殊時間點(diǎn)的有效哈密頓。兩種方式都是得到比特間的XX型耦合。基于這種有效的XX型耦合，我們用兩步構(gòu)造了多比特相位門。通過同時實施多個具有相同控制比特和不同目標(biāo)比特的兩比特相位門，可以實現(xiàn)多比特相位門的實施。出于抑制腔模退相干影響的考慮，我們選擇了一種中等的耦合強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬。在這一耦合強(qiáng)度下，多比特相位門可以9.6ns實現(xiàn)，并且我們方案的操作時間不

6、隨比特數(shù)目的增加而增長。這相對于其它多比特門的方案操作時間已相當(dāng)?shù)亩?。我們?shù)值地分析了兩種求得有效哈密頓的方法之間的關(guān)系，并討論了退相干參數(shù)波動等因素對方案的影響，結(jié)果顯示方案在現(xiàn)有實驗參數(shù)下是可行的。最后對擴(kuò)展性的討論顯示系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。
　　引入專門的方法控制系統(tǒng)退相干的不利影響也是近年來糾纏態(tài)制備中的一種常用方法。其中基于測量的反饋控制是一種相對容易實現(xiàn)的方法。我們在原子-腔QED系統(tǒng)中，研究了量子跳躍的反饋控制下失諧

7、的耦合到單模腔的兩原子的Bell態(tài)產(chǎn)生。我們先研究了沒有反饋時系統(tǒng)演化的穩(wěn)態(tài)行為，發(fā)現(xiàn)對于沒有激光驅(qū)動的情形，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)可得到最大糾纏混態(tài)。當(dāng)施加反饋時，系統(tǒng)的糾纏得到了很大提高，可得到穩(wěn)態(tài)Bell態(tài)。我們討論了有激光驅(qū)動和無激光驅(qū)動時，探測器效率對穩(wěn)態(tài)的不同影響，闡明了激光驅(qū)動的作用。我們還討論了驅(qū)動強(qiáng)度、反饋強(qiáng)度、驅(qū)動失諧量等參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的影響。對物理裝置的分析顯示光學(xué)頻率的原子-腔QED系統(tǒng)是一種適于實現(xiàn)我們方案的實驗系統(tǒng)。