基于腔QED和自旋鏈的糾纏操控和傳遞.pdf

1、量子糾纏是一種量子體系之間的非局域關(guān)聯(lián)，沒(méi)有經(jīng)典對(duì)應(yīng)，它在量子信息處理和量子計(jì)算中處于核心的地位，現(xiàn)在量子糾纏已經(jīng)被認(rèn)為是一種量子信息源。因此，糾纏的產(chǎn)生引起了廣泛的關(guān)注，諸如腔QED，離子阱，核磁共振，量子點(diǎn)等多種物理系統(tǒng)被用來(lái)產(chǎn)生糾纏。然而，我們知道，一個(gè)真實(shí)的物理體系往往被它所處的環(huán)境影響著，這種影響導(dǎo)致了退相干，這是當(dāng)前量子信息過(guò)程中主要的困難之一。另一方面，在最近幾年人們對(duì)于由兩個(gè)量子比特組成的聯(lián)合量子體系的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程產(chǎn)生

2、了濃厚的興趣。特別地，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)處于某一環(huán)境中的量子比特相干性的消失是漸進(jìn)的，但是對(duì)于兩個(gè)糾纏在一起并處于一定環(huán)境中的兩個(gè)量子比特體系，糾纏的消失并非漸進(jìn)的而是突然地消失，這種糾纏的突然消失稱作“量子糾纏的突然死亡”。最近，人們?cè)诠庾訉?duì)和原子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)里都觀察到了這一現(xiàn)象在。另外，有人也提出了一個(gè)與此相關(guān)的現(xiàn)象一“糾纏的突然產(chǎn)生”。在量子信息過(guò)程中一個(gè)很重要的任務(wù)就是在糾纏產(chǎn)生之后如何有效可靠的傳遞糾纏，自旋鏈之間有自然地相互作用而

3、且也適合做短程的傳遞，因此人們提出了不少基于自旋鏈的量子糾纏傳遞方案。
　　 在本學(xué)位論文中，我們主要研究了一些腔QED系統(tǒng)的糾纏動(dòng)力學(xué)，以及如何利用經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)操控原子和原子，以及原子和光場(chǎng)之間的糾纏，特別是操控糾纏的突然死亡和產(chǎn)生。另外還研究了相位退相干，次近鄰相互作用以及相位移動(dòng)對(duì)自旋鏈系統(tǒng)的量子態(tài)和糾纏傳遞的影響。
　　 首先我們研究如何利用經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)操控糾纏的突然死亡和產(chǎn)生。假定兩個(gè)最初糾纏的兩能級(jí)原子分別處于各

4、自的環(huán)境中（腔場(chǎng)），兩個(gè)腔場(chǎng)彼此之間沒(méi)有直接的相互作用，兩個(gè)原子被兩束經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)著。我們的研究表明，在這樣的量子體系中原子之間的糾纏產(chǎn)生快慢和多少可以由這兩個(gè)經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)控制，也就是說(shuō)我們可以適當(dāng)調(diào)整經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)提高原子之間的糾纏，也可以通過(guò)調(diào)整經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)改變糾纏突然死亡的時(shí)間，如果驅(qū)動(dòng)場(chǎng)足夠強(qiáng)，糾纏的突然死亡現(xiàn)象會(huì)消失。同時(shí)我們研究了兩個(gè)腔場(chǎng)之間的糾纏演化，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)原子的糾纏突然死亡，兩個(gè)腔場(chǎng)之間的糾纏會(huì)突然產(chǎn)生。糾纏的突然

5、產(chǎn)生和突然死亡的時(shí)間可以通過(guò)經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)以及兩個(gè)原子的初態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次我們考慮在有退相干的情況下如何利用經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)提高原了和光場(chǎng)之間糾纏，考察了退相干對(duì)這個(gè)體系的影響并且發(fā)現(xiàn)可以利用經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)增加糾纏的產(chǎn)生。另外，我們研究了有相位退相干存在時(shí)兩模兩光子Jaynes-Cummings模型（JC模型）腔場(chǎng)和原子之間的糾纏，發(fā)現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)糾纏存在，此穩(wěn)態(tài)糾纏與失諧有緊密聯(lián)系。利用兩模兩光子JC模型還可以實(shí)現(xiàn)單量子比特幺正門(mén)和兩量子比特相位門(mén)。

6、r>　　 我們還進(jìn)一步研究了三能級(jí)原子和腔場(chǎng)相互作用體系的糾纏產(chǎn)生和操控問(wèn)題。我們首先研究了原子相干性和兩模腔場(chǎng)之間糾纏的關(guān)聯(lián)，研究結(jié)果表明，如果三能級(jí)原子有相干性，那么就能誘導(dǎo)出腔場(chǎng)兩個(gè)模式之間的糾纏，而且糾纏的大小和相干性有很大關(guān)聯(lián)。如果有相位退相干，我們發(fā)現(xiàn)在原子相干性和原子腔場(chǎng)相互作用的聯(lián)合影響下腔場(chǎng)的兩個(gè)模式之間會(huì)有穩(wěn)態(tài)糾纏，這說(shuō)明了在某些特定的情況下，相位退相干會(huì)有利于糾纏的產(chǎn)生。接著我們研究了退相干對(duì)糾纏動(dòng)力學(xué)的影響，腔

7、場(chǎng)分別處于真空態(tài)，相干態(tài)和熱態(tài)，研究了各種情況下的糾纏動(dòng)力學(xué)過(guò)程。我們還研究了兩個(gè)一開(kāi)始糾纏的三能級(jí)原子分別放置于兩個(gè)沒(méi)有相互作用的腔場(chǎng)中，分別計(jì)算了原子之間，原子和腔場(chǎng)之間，腔場(chǎng)和腔場(chǎng)之間的糾纏。研究表明三能級(jí)原子的初態(tài)和原子與腔場(chǎng)的失諧對(duì)糾纏的演化有著重要的影響，而且腔場(chǎng)和原子之間的糾纏有突然死亡現(xiàn)象。
　　 最后，我們考慮了如何利用1/2自旋鏈進(jìn)行量子態(tài)和糾纏的傳遞，我們研究了相位退相干，次近鄰相互作用，以及相位移動(dòng)在對(duì)自