25049.基于腔輔助相互作用的量子糾纏和量子邏輯門

1、國內(nèi)圖書分類號：O431.2國際圖書分類號：535.14學校代碼：10213密級：公開理理理學學學博博博士士士學學學位位位論論論文文文基于腔輔助相互作用的量子糾纏和量子邏輯門博士研究生：程留永導師：張壽教授申請學位：理學博士學科：光學所在單位：物理系答辯日期：2014年12月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要摘要作為過去的二十年內(nèi)發(fā)展起來的最令人激動的科學進展之一，量子信息科學在量子通訊和量子計算兩個研究方向上取得了顯著的研究成果。量子通

2、訊具有受到物理原理決定的絕對安全性，而微觀物理系統(tǒng)狀態(tài)的疊加性質(zhì)使得人們可以設計具有并行運算能力的超快量子算法，這是量子計算裝置特有的性質(zhì)。量子糾纏是量子系統(tǒng)之間的一種非定域的關聯(lián)，它作為一種核心的物理資源在大量的量子通訊協(xié)議中具有廣泛的應用價值。同時，與經(jīng)典計算機的邏輯操作原理相似，量子計算過程也是由各種基礎的量子邏輯門構成。所以關于量子糾纏態(tài)和量子邏輯門的研究始終在量子信息科學的發(fā)展中占據(jù)重要地位。本文主要是利用腔量子電動力學范疇內(nèi)

3、的物理裝置研究量子糾纏態(tài)的制備和量子邏輯門的實現(xiàn)，并在此基礎上設計了一些量子態(tài)操控的方案。利用原子和量子化腔場耦合的腔量子電動力學(QED)系統(tǒng)，首先介紹了單光子脈沖從光學腔中輸入和輸出的腔輔助相互作用過程。基于腔輔助相互作用的原理，提出了一種實現(xiàn)兩個非正交量子態(tài)的比較方案，這里的量子態(tài)的信息被編碼在原子能級的基態(tài)上。然后基于量子態(tài)的比較過程設計了一種未知量子態(tài)的無錯區(qū)分方案，這在許多的量子保密通訊協(xié)議中有重要意義。利用腔QED模型和部

4、分線性光學元件構建了方案中所需要的量子邏輯操作，設計的物理裝置比較簡單而且不需要任何輔助粒子。理論計算和可行性分析表明提出的方案具有接近于最優(yōu)的成功概率并且在當前的技術條件下是可行的。在原子腔耦合的QED體系中，理論上提出了兩種制備雙原子KnillLaflammeMilburn(KLM)型糾纏態(tài)的方案，這類特殊形式的糾纏態(tài)可以作為量子隱形傳送及量子計算中的一種有效共享糾纏通道。第一種方案是利用強耦合的原子腔光纖耦合系統(tǒng)，根據(jù)原子和腔場的

5、相互作用以及外加經(jīng)典場的驅動實現(xiàn)了糾纏制備所需要的邏輯操作。第二種方案是利用低品質(zhì)腔輔助的單光子輸入輸出過程，實現(xiàn)了一束光子脈沖在兩個空間節(jié)點之間的有效傳輸，最后通過對光子量子態(tài)的測量制備了兩個原子的KLM態(tài)。在這兩種方案中，初態(tài)都是選取的單原子任意疊加態(tài)，所以演化、測量后的雙原子末態(tài)具有比較一般的形式，從而可以根據(jù)不同的參數(shù)獲得最大或非最大糾纏的KLM態(tài)。而且，最后制備的糾纏態(tài)都是儲存在了原子的基態(tài)能級上，這有益于糾纏的保持和應用。最