多量子位糾纏態(tài)的制備.pdf

1、建立在量子力學基礎之上的量子信息學，是一門利用量子力學原理解決經典信息學和經典計算機所不能解決的問題的學科，它可以突破現代信息技術的物理極限，開拓新的信息發(fā)展空間。由于在量子信息學中，信息的存儲、表示、提取等都離不開量子態(tài)及其演化過程，而量子糾纏態(tài)具有獨特的量子關聯(lián)特性，因此量子糾纏在量子信息學中起著非常重要的作用，是量子信息學發(fā)展的重要基礎。然而，信息在制備、傳輸及存儲過程中不可避免地要受到環(huán)境的影響并與環(huán)境發(fā)生相互作用，因此會出現量

2、子退相干現象，使信息遭到破壞。因此，量子糾纏和量子相干是量子信息學中的兩個重要物理資源。對于如何建立量子糾纏，控制量子態(tài)的演化，并且保持量子相干性問題的研究是量子信息理論的重要課題。在糾纏態(tài)制備方面，即在建立量子糾纏方面，兩量子位糾纏態(tài)已經被廣泛研究了，而多量子位糾纏比兩量子位糾纏更適用于量子克隆、量子糾錯、量子隱形傳輸和量子密集編碼，是量子計算和量子信息處理的重要資源。本文主要利用腔QED系統(tǒng)、腔輔助光子散射系統(tǒng)及固態(tài)系統(tǒng)提出了幾種多

3、量子位糾纏態(tài)制備的理論方案，分析了各個方案的可行性，并且，討論了如何消除量子退相干的影響。
　　量子退相干現象的存在會破壞量子糾纏，因此，了解糾纏的演化特性對我們更好地控制糾纏，避免量子退相干的影響是非常重要的。我們首先對分別處于兩個失諧腔中的兩個遠距離原子之間的糾纏演化做了初步探討，比較了Concurrence和Negativity對糾纏的評價。結果表明，兩原子的糾纏演化出現糾纏突然死亡現象。當兩個腔場的粒子數相等時，隨著粒子數

4、的增加，糾纏死亡和糾纏產生的頻率加快，同時Concurrence的振幅也出現規(guī)則的振蕩且振蕩頻率變慢。當兩個腔場的粒子數不等時，Concurrence的最大值明顯衰減，并且，Concurrence的振幅不再出現規(guī)則振蕩現象。此外，我們發(fā)現糾纏死亡時間依賴于初始糾纏。
　　基于腔QED技術，我們提出了利用一個Λ型原子和兩個二能級原子依次與雙模腔的兩個模或一個模發(fā)生相互作用制備三原子W態(tài)和三原子GHZ態(tài)的理論方案。在方案中，三個原子依

5、次進入腔中與腔場發(fā)生相互作用，通過適當地選擇相互作用時間可以很方便地制備三原子W態(tài)和三原子GHZ態(tài)。在考慮場衰減和原子自發(fā)輻射時，只要原子和腔發(fā)生強耦合相互作用，我們也可以得到高保真的糾纏態(tài)。
　　基于腔輔助光子散射技術，我們首次提出了制備x型四原子糾纏態(tài)∣x00>3214的理論方案。在方案中，我們利用原子和光子間控制反轉門的實現，在僅使用了若干簡單的線性光學元件和一個傳統(tǒng)光學探測器的情況下成功地制備了x型四原子糾纏態(tài)∣x00>3

6、214。由于光子與環(huán)境之間的相互作用很弱，適合于遠距離的量子信息傳輸，只要沒有光子損失，我們就可以成功地制備x型四原子糾纏態(tài)∣x00>3214。
　　量子退相干現象的存在，使量子糾纏受到破壞進而使通信出現噪聲或使計算結果出現誤差。為了克服退相干，我們可以將量子位編碼在Hilbert的一個子空間——無退相干子空間（DFS），這樣噪聲和誤差就會被消除。因此，我們同樣基于腔輔助光子散射技術提出了制備任意四原子糾纏DFS態(tài)的理論方案。在方

7、案中，我們只需方便地調節(jié)一個半波片的傾角就可以得到任意四原子糾纏DFS態(tài)。
　　與腔QED系統(tǒng)和線性光學系統(tǒng)相比，固態(tài)量子位之間的糾纏更穩(wěn)定，更容易建立多量子位糾纏，因此，基于自旋網絡這一固態(tài)系統(tǒng)，我們提出了制備多量子位圖態(tài)的理論方案。首先，通過XY相互作用實現了iSWAP門，然后，我們利用iSWAP門及單量子位旋轉操作制備了在局域幺正變換和圖形同構情況下三種典型的不等價的四量子位圖態(tài)和四種典型的不等價的五量子位圖態(tài)。與基于傳統(tǒng)控