光子系統(tǒng)的量子操縱與物理模擬.pdf

1、量子信息的核心旨在巧妙地利用量子相干性（對(duì)多粒子系統(tǒng)表現(xiàn)為量子糾纏）對(duì)信息的新型載體—量子比特進(jìn)行操縱控制，以非常規(guī)的方式進(jìn)行信息的編碼、存儲(chǔ)和傳遞，量子信息處理技術(shù)本質(zhì)上就是對(duì)量子態(tài)的操控技術(shù)，量子相干操縱的目標(biāo)是在適當(dāng)?shù)奈锢硐到y(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)其相干動(dòng)力學(xué)的控制和操作。要實(shí)現(xiàn)相干操縱，最關(guān)鍵的問題是找到一個(gè)相干性好的物理系統(tǒng)。由于具有最快的傳播速度，很強(qiáng)的穩(wěn)定性及良好的抗環(huán)境干擾能力，光子系統(tǒng)早已成為實(shí)現(xiàn)量子信息處理的最理想和最熱門的物理系

2、統(tǒng)之一。為了利用光子系統(tǒng)來進(jìn)行量子計(jì)算和量子信息的傳輸，對(duì)光子態(tài)的相干操作是必須的。本文的工作首先是利用原子來控制量子光在空間中的傳輸，這里的研究主要是從在大N和低激發(fā)條件下原子系綜的激發(fā)可以簡化為一個(gè)玻色子模式出發(fā)的。具體來說包括基于相干原子介質(zhì)傳播空間的相干操縱、單光子水平的量子操縱方案。隨后討論利用光學(xué)系統(tǒng)模擬量子信息處理。主要是利用光學(xué)被動(dòng)光學(xué)元件，如分束器，極化分束器，波片等線性光學(xué)元件區(qū)分相互獨(dú)立但卻不正交的量子態(tài)，以及模擬

3、二人囚徒困境量子博弈。本論文的結(jié)構(gòu)分為五部分： 論文的第一章是緒論，作為整篇論文的鋪墊，在這部分中我們介紹量子信息和量子計(jì)算的發(fā)展歷史以及研究現(xiàn)狀，并分別從理論和實(shí)驗(yàn)的角度重點(diǎn)闡述了光子系統(tǒng)量子性質(zhì)研究的幾個(gè)熱點(diǎn)問題的研究現(xiàn)狀． 第二部分為論文的第二章?；诼鈱?shí)驗(yàn)的進(jìn)展，在這一章中，我們研究非均勻介質(zhì)中光子態(tài)傳播與空間控制問題。產(chǎn)生慢光有兩種方法，一種基于原子相干振蕩，它使用二能級(jí)原子系綜與探測光和控制光相互作用，另一

4、種方法是利用電磁誘導(dǎo)透明技術(shù)，它通常使用A型三能級(jí)與探測光和控制光相互作用，我們首先對(duì)由相干布局?jǐn)?shù)振蕩所產(chǎn)生的慢光的空間傳播問題進(jìn)行討論，我們使用了半經(jīng)典處理，利用絕熱近似分別得到了描述探測光的薛定諤方程和描述控制光空間運(yùn)動(dòng)的非線性薛定諤方程，并發(fā)現(xiàn)控制光在傳播過程中形狀、幅度和速度都可維持不變，然而控制光的空間分布將使得入射到介質(zhì)中的探測光束在經(jīng)過介質(zhì)后發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象．隨后我們對(duì)由電磁誘導(dǎo)透明所產(chǎn)生的慢光的空間傳播問題進(jìn)行討論?，F(xiàn)今實(shí)驗(yàn)

5、發(fā)現(xiàn)：當(dāng)探測光束通過處于非均勻磁場中的A型三能級(jí)原子介質(zhì)時(shí)，由于磁場依賴于空間位置的變化，探測光束將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。針對(duì)這一現(xiàn)象，并考慮到電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象在微觀上是由于光子和原子集體激發(fā)形成了一種激子極化子——暗態(tài)極化子，我們使用平均場理論得到了描述暗態(tài)空間運(yùn)動(dòng)的有效薛定諤方程，隨后我們采用特定的波包描述了這種準(zhǔn)粒子，從波動(dòng)的角度考慮了橫向分布為二次型或線性的磁場中暗態(tài)極化子的運(yùn)動(dòng)，我們的處理方法反映了準(zhǔn)粒子的波粒二象性，研究也表明，暗態(tài)極化

6、子具有有效磁矩， 第三章中，我們將利用原子系綜與光的相互作用來操作光子以及將光子限制在高品質(zhì)因子的共振腔陣列中這兩種操縱光子的方法相結(jié)合，并使用一維的離散坐標(biāo)量子散射理論進(jìn)行計(jì)算。我們發(fā)現(xiàn)由于原子系綜的嵌入破壞了耦合腔陣列的平移不變性，使得入射到腔陣列中的光子會(huì)被囚禁在嵌入原子系綜的腔附近，而不會(huì)在陣列中游走。另一方面，對(duì)于在陣列中游走的光子，原子與腔場的強(qiáng)耦合改變了陣列中特定腔場的能級(jí)分布，從而使得光子共振遂穿幾率發(fā)生了改變，

7、因此我們可以通過調(diào)節(jié)原子的躍遷頻率來控制光子的傳輸。從而在理論上提出了一種實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)中不同網(wǎng)絡(luò)之間連接的方法。 在論文的第四章主要是利用光學(xué)系統(tǒng)模擬量子信息處理，這里我們利用了光子的兩個(gè)自由度，光子空間路徑是一個(gè)自由度，另一個(gè)自由度是光子的極化。首先，對(duì)于相互獨(dú)立但卻不正交的量子態(tài)，我們提出在直積空間利用偏振分束器、波片、偏振片和單光子探測器來實(shí)現(xiàn)它們的最佳無錯(cuò)鑒別。在模擬二人囚徒困境量子博弈方面，量子博弈中所需的兩個(gè)量子比特