基于腔QED及連續(xù)變量的量子信息處理.pdf

1、量子信息學(xué)是量子物理學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,是一門新興的交叉學(xué)科,它是一種通過量子系統(tǒng)的各種相干特性,進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞?。量子信息包括量子密碼、量子計(jì)算以及量子通信等。其中量子計(jì)算可以利用各種量子算法去降低特定運(yùn)算的復(fù)雜度,這就要求我們在實(shí)際的物理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各種的邏輯門操作,從而對目標(biāo)量子比特進(jìn)行控制。此外,量子信息處理還涉及量子態(tài)制備以及對量子態(tài)的克隆等各個(gè)方面,其中前者可以為量子信息處理提供所需的糾纏態(tài),而對后

2、者的討論可以加深對量子力學(xué)的不可克隆定理的認(rèn)識。目前,量子信息處理在光學(xué)系統(tǒng)、離子阱、腔QED、核磁共振、量子點(diǎn)等各種的量子系統(tǒng)中都有很大的發(fā)展。其中,腔QED為實(shí)現(xiàn)量子信息處理提供了一個(gè)良好的平臺。迄今為止,在光學(xué)腔和微波腔的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子的非破壞測量、量子態(tài)制備、量子邏輯門以及單光子源的制備等,但是仍然存在一些技術(shù)上的困難必須克服,因而各種基于腔QED技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子信息處理的方案是很多實(shí)驗(yàn)組所關(guān)注的焦點(diǎn)。此外,隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展

3、,特別是利用線性器件和前饋控制完成的非線性相互作用技術(shù)的成熟,在光學(xué)系統(tǒng)中的連續(xù)變量領(lǐng)域,多體糾纏的制備以及相干態(tài)克隆、隱形傳態(tài)等一系列實(shí)驗(yàn)已經(jīng)相繼完成?；谇籕ED以及連續(xù)變量這兩個(gè)領(lǐng)域,我們的工作集中在實(shí)現(xiàn)相位門操作,以及討論已知相位相干態(tài)克隆、配對相干態(tài)的制備。1.在腔QED中實(shí)現(xiàn)原子編碼和光子編碼的受控相位門量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)能更有效地解決諸如大數(shù)因子分解等一些計(jì)算難題,而通過利用兩量子比特的受控相位門以及任意的單比特邏輯門

4、可以構(gòu)造任意的多比特邏輯門,從而實(shí)現(xiàn)普適量子計(jì)算?；谇籕ED系統(tǒng),我們分別利用原子和光子編碼,實(shí)現(xiàn)了兩比特受控相位門操作,其中前者還可以直接推廣到N量子比特的情況,而且操作時(shí)間不隨著量子比特的增多而變化;而后者則有效地克服原子自發(fā)輻射對門操作的影響。同時(shí),我們還對系統(tǒng)的消相干對這兩個(gè)方案的影響進(jìn)行了討論,給出門操作的保真度隨自發(fā)輻射以及腔衰減率變化的數(shù)值解。2.在連續(xù)變量中實(shí)現(xiàn)已知相位的相干態(tài)克隆量子信息最早起源于研究單粒子的離散變量

5、系統(tǒng),隨后逐漸拓展到具有無限Hilbert空間的連續(xù)變量系統(tǒng)。目前在量子信息中利用的連續(xù)變量光場主要是相干態(tài)光場和壓縮態(tài)光場,這兩者在量子通訊中皆有著廣泛的應(yīng)用。由于量子不可克隆定理,我們不能精確地克隆一個(gè)未知的量子態(tài),這是量子密碼的重要前提,它確保了量子密碼的安全性。但是人們可以盡可能精確地復(fù)制所有輸入態(tài),我們在這里給出一種已知相位的相干態(tài)克隆方案,與以前的方案相比較,通過減少輔助模以及利用壓縮真空態(tài),可以極大地提高克隆的保真度。隨后

6、,為了簡化實(shí)驗(yàn)難度,我們提出一個(gè)實(shí)驗(yàn)可行的方案,利用線性器件,零拍測量以及前饋操作,完成局域的已知相位相干態(tài)克隆。更進(jìn)一步,通過引入一個(gè)額外的EPR糾纏態(tài),實(shí)現(xiàn)非局域的克隆過程。3.利用弱cross-Kerr介質(zhì)制備配對相干態(tài)在量子通訊、量子計(jì)算和量子密碼中,量子態(tài)是信息的載體,量子信息處理歸根到底是一種量子態(tài)的操縱過程。因此,人們期望按照自己的意愿實(shí)現(xiàn)對量子態(tài)的制備和操縱,以達(dá)到特定的目標(biāo)。其中,配對相干態(tài)是一種擁有優(yōu)異的非經(jīng)典性質(zhì)的

7、量子態(tài),而且,基于高效的零拍測量,特定的配對相干態(tài)可以違背Clauser-Horne-Bell不等式,從而驗(yàn)證局域隱變量理論和量子力學(xué)之間誰孰誰非。我們利用弱cross-Kerr介質(zhì)、on/off探測器以及相干態(tài),實(shí)現(xiàn)配對相干態(tài)的制備,該方案可以克服現(xiàn)有光子探測器效率低下的問題。我們還討論了該方案的可行性,并且以保真度逼近1地生成可以最大違背CH-Bell不等式的配對相干態(tài)。最后,當(dāng)輸入態(tài)用其他量子態(tài)取代相干態(tài)時(shí),可以分別得到雙模貓態(tài)以