量子Zeno動(dòng)力學(xué)在量子計(jì)算中的應(yīng)用.pdf

1、量子計(jì)算機(jī)是直接運(yùn)用量子力學(xué)原理進(jìn)行信息處理的裝置，其最顯著的優(yōu)勢(shì)就在于它的運(yùn)行速度要比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快得多，尤其是在解決大數(shù)質(zhì)因子分解及無(wú)序數(shù)據(jù)搜索問(wèn)題等方面。自從量子計(jì)算機(jī)的概念被提出以來(lái)，許多國(guó)家的政府和軍事機(jī)構(gòu)都投入了大量的資金支持對(duì)量子計(jì)算機(jī)的理論與實(shí)驗(yàn)的研究。量子Zeno動(dòng)力學(xué)不同于量子Zeno效應(yīng)。首先對(duì)量子系統(tǒng)的測(cè)量不一定導(dǎo)致系統(tǒng)的狀態(tài)停止演化，而可能使得系統(tǒng)從初始狀態(tài)演化到其它的狀態(tài)上。其次一個(gè)叫做連續(xù)耦合的方法能夠獲得與

2、利用投影測(cè)量或者非幺正演化等方法同樣的物理效應(yīng)而不需要實(shí)際的測(cè)量。本文主要在腔量子電動(dòng)力學(xué)框架中，圍繞由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動(dòng)力學(xué)在量子計(jì)算中的一些應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究。
　　基于類Zeno測(cè)量，提出了實(shí)現(xiàn)三比特和四比特的無(wú)集體振幅阻尼消相干量子態(tài)的理論方法。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)星形自旋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并且只考慮外圍自旋量子比特與中心自旋量子比特的最近鄰相互作用。通過(guò)以有限的時(shí)間間隔測(cè)量中心自旋的狀態(tài)來(lái)構(gòu)建外部自旋的無(wú)消相干態(tài)。數(shù)值模擬

3、的結(jié)果揭示出隨著測(cè)量次數(shù)的增加，所制備的無(wú)消相干態(tài)的保真度漸進(jìn)地接近1，而成功幾率趨于一個(gè)定值。并進(jìn)一步對(duì)測(cè)量的間隔時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化處理發(fā)現(xiàn)在很少的測(cè)量次數(shù)內(nèi)就可獲得保真度較高的無(wú)消相干量子態(tài)。
　　基于由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動(dòng)力學(xué)，在理論上提出了以可擴(kuò)展的方式制備多原子的Singlet態(tài)|S N?的方案，將(N?1)個(gè)原子構(gòu)成的Singlet態(tài)|S N?1?放入到光學(xué)腔中，并引進(jìn)一個(gè)輔助的原子，當(dāng)調(diào)節(jié)原子與經(jīng)典場(chǎng)的相互作用強(qiáng)度

4、同原子與腔場(chǎng)的相互作用強(qiáng)度相比達(dá)到Zeno動(dòng)力學(xué)條件時(shí)，能夠獲得一個(gè)有限的Zeno子空間，選擇適當(dāng)?shù)难莼瘯r(shí)間就可以得到N個(gè)原子的Singlet態(tài)|S N?。接著通過(guò)結(jié)合量子Zeno動(dòng)力學(xué)與絕熱過(guò)程，在理論上又提出了一種確定性地制備任意多原子對(duì)稱Dicke態(tài)的方案，在實(shí)現(xiàn)這些量子態(tài)的操作過(guò)程中不需要測(cè)量。并以制備四原子的情況為例證明了該方案對(duì)于原子的自發(fā)輻射以及由腔衰減引起的消相干都不敏感，同時(shí)操作時(shí)間并不隨著原子的總數(shù)以及激發(fā)數(shù)的變化而

5、改變，這種特性將會(huì)降低實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜度。
　　基于由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)原子之間的受控非門。由于腔場(chǎng)和經(jīng)典場(chǎng)所驅(qū)動(dòng)的原子能級(jí)躍遷路徑不同，因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)能夠獲得一個(gè)有限的子空間，并且該受控非門對(duì)腔中光子的泄露所引起的消相干不敏感。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)合受激拉曼絕熱過(guò)程僅用六次激光操作便實(shí)現(xiàn)了絕熱的受控非門，它對(duì)原子的自發(fā)輻射不敏感。接著引入了分布式量子計(jì)算的概念并實(shí)現(xiàn)了分布式的受控非門。在該方案中兩個(gè)原

6、子分別束縛在由光纖相連兩個(gè)光學(xué)腔中，通過(guò)量子過(guò)程層析做出了理想受控非門與我們方案中受控非門的層析矩陣，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到兩個(gè)χ矩陣的重疊為96.52％。最后利用量子Zeno動(dòng)力學(xué)一步實(shí)現(xiàn)了三個(gè)超導(dǎo)量子比特的Toffoli門，這個(gè)門是一個(gè)通用量子門。它不僅在解決Shor算法和Grover算法等復(fù)雜算法上有重要價(jià)值，而且在量子糾錯(cuò)方面具有實(shí)際的作用。
　　基于由連續(xù)耦合引起的量子Zeno動(dòng)力學(xué)，一步實(shí)現(xiàn)了1→n的軌道態(tài)量子克隆。所采