開放量子系統(tǒng)量子態(tài)相干保持的控制策略研究.pdf

1、量子理論和經(jīng)典信息論、計算技術(shù)的結(jié)合誕生了量子信息論。量子信息論有望完成許多經(jīng)典信息所不能完成的信息處理功能，孕育著信息工程帶來劃時代變革的動力，因而引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。近年來，一些量子計算與量子通信方案也已在實驗室實現(xiàn)，一些邁向?qū)嵱没牧孔舆壿嬈骷碾r形開始呈現(xiàn)在人們面前。但在看到這些輝煌成果的同時，我們必須關(guān)注新的挑戰(zhàn)：作為量子信息論基礎(chǔ)的量子相干性和量子糾纏均會因為與環(huán)境的糾纏而遭到破壞，量子的消相干效應(yīng)成為實現(xiàn)量子計算的主要

2、障礙之一，因而克服消相干效應(yīng)對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，實現(xiàn)開放量子系統(tǒng)的相干保持，使之成為高效可控的量子物理過程并容錯的進(jìn)行量子操作是實現(xiàn)量子計算的關(guān)鍵。 針對上述問題，在分析了量子控制和量子消相干抑制兩者之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究了基于主方程模型描述的開放量子系統(tǒng)中存在的消相干因素的形成機(jī)理和表達(dá)方式，并設(shè)計了相應(yīng)的控制方案實現(xiàn)其相干保持，主要工作和貢獻(xiàn)如下： (1)研究了主方程模型描述的開放量子系統(tǒng)的動力學(xué)特性。根據(jù)開放量子系統(tǒng)

3、的消相干原理，首先分析了系統(tǒng)和環(huán)境之間可能存在的多種相互作用的形式，而后刻畫了主方程模型描述的開放量子系統(tǒng)的隨機(jī)動力學(xué)特征，得到了表征系統(tǒng)消相干因素的Lindblad算符和描述系統(tǒng)量子態(tài)演化規(guī)律的量子隨機(jī)微分方程。然后根據(jù)微分方程的形式，利用系統(tǒng)仿真的方法，實現(xiàn)了表征系統(tǒng)演化特性的約化密度算符的數(shù)值模擬。并給出一個實例，通過與經(jīng)典Runge-Kutta迭代算法的比較驗證了其實用性和優(yōu)越性，最后分析了仿真算法的收斂性。該部分內(nèi)容旨在給后面

4、的控制方案提供理論依據(jù)和方案指導(dǎo)，使得后續(xù)的控制方案可以針對各種不同的消相干形式有針對性的實現(xiàn)系統(tǒng)的相干保持； (2)針對一般消相干形式描述下的主方程模型研究了其相干保持問題。首先通過分析描述系統(tǒng)密度矩陣演化的主方程模型，并將其轉(zhuǎn)化為實向量空間上的狀態(tài)空間模型描述，從而獲得表征系統(tǒng)相干性的相干向量?？刂频哪繕?biāo)即使得系統(tǒng)在演化過程中，相干向量的模長變化為最小。在該思想指導(dǎo)下，借助經(jīng)典最優(yōu)控制的思想，提出一種既保證系統(tǒng)控制能量最小，

5、同時又最大程度的減小消相干的最優(yōu)控制策略。 (3)由主方程模型的一般描述，進(jìn)而擴(kuò)展到含有特定物理意義的消相干形式的描述，研究具有典型消相干因素影響的開放量子系統(tǒng)中的相干保持問題。該部分主要針對開放量子系統(tǒng)中存在的兩種耗散形式：(Ⅰ)腔-QED中存在的原子的自發(fā)輻射以及(Ⅱ)在三能級原子體系中存在的由于原子的自發(fā)輻射而引起的自發(fā)輻射相干。針對上述兩個問題，分別提出了實現(xiàn)其相干保持的控制方案： a．考慮腔-QED中消相干最重要的成因

6、之一—原子自發(fā)輻射，為了避免其對Rabi振蕩的影響，在利用光學(xué)Bloch方程建立了Rabi振蕩的傳遞函數(shù)模型之后，借助經(jīng)典控制中的根軌跡方法，提出了一種使得Rabi振蕩保持相對穩(wěn)定的補(bǔ)償策略，消除了消相干的影響。然后給出了結(jié)合量子層析技術(shù)的一個物理實現(xiàn)。 b．在分析了以單色激光場為控制場的人型三能級原子系統(tǒng)的主方程模型的基礎(chǔ)上，得到了系統(tǒng)由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的自發(fā)輻射通道之間會形成交叉耦合使寄存在三能級原子上的信息不斷衰減的量化模型，