量子信息中的退相干效應(yīng).pdf

1、量子信息是利用量子系統(tǒng)作為信息的載體來進行信息處理的科學(xué)。近幾十年來，量子信息受到了廣泛的關(guān)注。這主要是由于量子信息表現(xiàn)出了經(jīng)典信息所不具有的優(yōu)勢。例如，量子隱形傳態(tài)可以實現(xiàn)量子狀態(tài)的超空間完美傳遞，稠密編碼則可以通過傳遞一個量子比特而實現(xiàn)兩個經(jīng)典比特的信息的傳遞，Shor算法解決素數(shù)分解這個經(jīng)典算法所不能有效解決的問題，Grover搜索算法則實現(xiàn)了搜索算法的加速。此外，促使人們關(guān)注量子信息的另一個重要的原因在于處理信息的器件的集成度越

2、來越高，它們的量子效應(yīng)越來越明顯。
　　 雖然量子信息具有經(jīng)典信息所不具備的優(yōu)勢，但是在實際實施量子信息的方案時卻遇到了很多的障礙。其中，阻止我們實現(xiàn)量子信息的方案的一個重要的障礙就是退相干。退相干是由于系統(tǒng)和環(huán)境之間的相互作用而產(chǎn)生的。在設(shè)計量子信息的方案時，我們通常會把系統(tǒng)與外界的相互作用忽略掉而把系統(tǒng)當(dāng)成了封閉系統(tǒng)來考慮，但是基于現(xiàn)實世界中系統(tǒng)都或多或少的與外界發(fā)生相互作用這一事實，量子信息的方案的有效性要重新考慮。通常來

3、說，退相干效應(yīng)會使得量子信息方案的有效性降低。鑒于退相干效應(yīng)的影響的普遍性和嚴重性，退相干效應(yīng)已經(jīng)成為了一個非常重要的而且非常必要的研究課題。
　　 本論文就量子信息中的退相干效應(yīng)做了一些基礎(chǔ)性的研究。我們研究了作為基礎(chǔ)的量子資源（量子糾纏、量子失諧、量子非局域性）的退相干效應(yīng)、研究了量子計算方案（幾何量子計算、單向量子計算）的退相干效應(yīng)、研究了量子通信方案（量子隱形傳態(tài)）的退相干效應(yīng)，主要創(chuàng)新結(jié)果如下:
　　 1)量子

4、信息之所以優(yōu)于經(jīng)典信息的原因是量子資源的存在，在量子信息中存在三種既緊密相關(guān)又有所不同的量子資源，它們分別是量子糾纏、量子失諧、量子非局域性。由于退相干效應(yīng)，量子資源會發(fā)生衰減，從而使得量子信息的方案的有效性降低。對于量子資源的退相干效應(yīng)的研究是一個非?；镜恼n題。我們就這三種量子資源各自的退相干效應(yīng)展開了研究:以自旋玻色系統(tǒng)為模型，類貝爾態(tài)為初態(tài)，發(fā)現(xiàn)投影制備過程比隨機制備過程對量子糾纏的衰減的影響更嚴重;基于Ornstein-Uhl

5、enbeck環(huán)境模型，發(fā)現(xiàn)量子失諧的突然轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生的時刻隨著環(huán)境關(guān)聯(lián)程度的變大而變大;以腔QED為模型，發(fā)現(xiàn)測量誘導(dǎo)非局域性的演化的不連續(xù)現(xiàn)象。
　　 2)幾何相是幾何量子計算的基礎(chǔ)，由于幾何相具有自然的容錯能力，它被用于量子計算，為了使幾何量子計算具有抵抗退相干的能力，人們提出了基于無噪聲子空間(decoherence-freesubspaces)的絕熱幾何量子計算，但是絕熱演化在實驗上比較難于實現(xiàn)，為了克服這個困難，我們提

6、出了一個基于無噪聲子空間的非絕熱幾何量子計算的方案，該方案用三個物理比特來編碼一個邏輯比特，這三個物理比特共同耦合一個相位衰減的環(huán)境。方案中所使用的哈密頓量不含有時間，并且可以用量子點或者離子阱等模型實現(xiàn)。此外，如果利用暗態(tài)來消除動力學(xué)相的影響，三個物理比特是實現(xiàn)基于無噪聲子空間的幾何量子計算的最小量子比特數(shù)。因此，該方案所用到的物理量子比特的數(shù)目是最少的。
　　 3)量子計算的優(yōu)勢依賴于量子資源的存在，但是這種依賴關(guān)系的確切形

7、式并不明確，是一個沒有解決的問題。單向量子計算利用高度糾纏的團簇態(tài)和單量子比特投影測量來實現(xiàn)計算的目的，由于團簇態(tài)的制備和消耗是分離的，單向量子計算為我們提供了一個研究量子資源在量子計算中的地位的良好平臺。通過將團簇態(tài)暴露在不同的環(huán)境中，我們研究了量子糾纏的衰減與繞x軸的單量子比特旋轉(zhuǎn)門的保真度之間的關(guān)系。我們關(guān)心當(dāng)量子糾纏發(fā)生突然死亡現(xiàn)象的時候，單量子比特的旋轉(zhuǎn)門的保真度有無特殊的變化。研究結(jié)果表明，雖然繞x軸的單量子比特旋轉(zhuǎn)門依賴于

8、團簇態(tài)的糾纏性質(zhì)，但是當(dāng)團簇態(tài)量子糾纏突然死亡時，繞x軸的單量子比特旋轉(zhuǎn)門的保真度卻沒有明顯的變化。除了上述主要結(jié)論外，我們還發(fā)現(xiàn)在某些特殊條件下，某些特定狀態(tài)的量子操作卻不受任何干擾。
　　 4)噪聲量子隱形傳態(tài)是量子隱形傳態(tài)研究領(lǐng)域一個非常重要的課題，它包括兩方面的研究，一方面是研究單個信道狀態(tài)在不同的環(huán)境中的隱形傳態(tài)能力，另一方面是研究等價的信道狀態(tài)在同一個環(huán)境中隱形傳態(tài)能力的差別。我們就噪聲量子隱形傳態(tài)第二個方面進行了一