25049.基于腔輔助相互作用的量子糾纏和量子邏輯門(mén)

1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：O431.2國(guó)際圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：535.14學(xué)校代碼：10213密級(jí)：公開(kāi)理理理學(xué)學(xué)學(xué)博博博士士士學(xué)學(xué)學(xué)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(mén)博士研究生：程留永導(dǎo)師：張壽教授申請(qǐng)學(xué)位：理學(xué)博士學(xué)科：光學(xué)所在單位：物理系答辯日期：2014年12月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要摘要作為過(guò)去的二十年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的最令人激動(dòng)的科學(xué)進(jìn)展之一，量子信息科學(xué)在量子通訊和量子計(jì)算兩個(gè)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(duì)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(shè)計(jì)具有并行運(yùn)算能力的超快量子算法，這是量子計(jì)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(guān)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(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯操作原理相似，量子計(jì)算過(guò)程也是由各種基礎(chǔ)的量子邏輯門(mén)構(gòu)成。所以關(guān)于量子糾纏態(tài)和量子邏輯門(mén)的研究始終在量子信息科學(xué)的發(fā)展中占據(jù)重要地位。本文主要是利用腔量子電動(dòng)力學(xué)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(mén)的實(shí)現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一些量子態(tài)操控的方案。利用原子和量子化腔場(chǎng)耦合的腔量子電動(dòng)力學(xué)(QED)系統(tǒng)，首先介紹了單光子脈沖從光學(xué)腔中輸入和輸出的腔輔助相互作用過(guò)程?；谇惠o助相互作用的原理，提出了一種實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(jí)的基態(tài)上。然后基于量子態(tài)的比較過(guò)程設(shè)計(jì)了一種未知量子態(tài)的無(wú)錯(cuò)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(xué)元件構(gòu)建了方案中所需要的量子邏輯操作，設(shè)計(jì)的物理裝置比較簡(jiǎn)單而且不需要任何輔助粒子。理論計(jì)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(dāng)前的技術(shù)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(lèi)特殊形式的糾纏態(tài)可以作為量子隱形傳送及量子計(jì)算中的一種有效共享糾纏通道。第一種方案是利用強(qiáng)耦合的原子腔光纖耦合系統(tǒng)，根據(jù)原子和腔場(chǎng)的

5、相互作用以及外加經(jīng)典場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)實(shí)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)了一束光子脈沖在兩個(gè)空間節(jié)點(diǎn)之間的有效傳輸，最后通過(guò)對(duì)光子量子態(tài)的測(cè)量制備了兩個(gè)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(cè)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(chǔ)存在了原子的基態(tài)能級(jí)上，這有益于糾纏的保持和應(yīng)用。最