基于腔QED的量子態(tài)制備和量子信息處理.pdf

1、我們生活在一個信息時代，信息科學在改善人類的生活品質以及推動社會的文明發(fā)展中發(fā)揮著令人驚嘆的作用。量子信息學是量子力學和信息科學相結合的產物，由于受量子力學規(guī)律支配，量子信息科學呈現(xiàn)出與經典信息科學截然不同的嶄新面貌。在許多方面有著經典信息學所無法比擬的優(yōu)勢，比如利用量子態(tài)的相干疊加性，人們提出了量子并行算法，用于解決諸如大數(shù)因子分解等經典計算無法解決的問題。又如，量子不可克隆定理使得量子信息不能像經典信息那樣任意被復制，這使得人們可以

2、建立起絕對安全的量子密碼體系。再如，量子糾纏可以起到連接不同空間點的量子信道的作用，從而實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)?？傊?，量子信息科學的誕生為未來信息科學與技術注入了新的活力。 量子信息和量子計算的巨大潛力吸引著越來越多的科學家從事這方面的理論和實驗研究。在量子信息的研究中，需要對量子信息進行處理，那么量子硬件必不可少。就目前而言，腔量子電動力學(QED)是研究得比較早、發(fā)展得比較快，并且被認為是最有前途的方案之一。腔QED是原子物理與量

3、子光學研究的交叉領域。它主要研究原子與特定邊界條件下量子化光場的相互作用。在過去的幾十年里，它預言了許多嶄新的物理現(xiàn)象，如微腔中原子自發(fā)輻射的抑制或增強和強耦合極限下輻射譜的Rabi分裂等。近年來，由于冷卻原子技術和光刻方法的長足進步，在超小尺度腔中，可以實現(xiàn)光子與原子質心動量能量的有效交換，從而導致原子光學的誕生。最近，在量子信息的研究中，腔QED系統(tǒng)顯示了其它系統(tǒng)不可替代的作用。因此，我們有必要以深入淺出的方式，系統(tǒng)地介紹腔OED的

4、基木概念和方法。這不僅可以使其在量子信息中的應用研究建立在堅實的理論基礎之上，而且能夠加深對特殊條件下光與物質相互作用豐富的物理現(xiàn)象及其內在本質的理解。目前，世界上有很多小組在從事腔QED方面的實驗研究。但是腔QED的研究在國內尚屬起步階段，比起國外目前的水平而言，差距較大，需要迎頭趕上。這正是本人試圖將其作為博士學位論文研究的一個重要原因。本論文在以下幾個方面得到很有價值的研究成果： Ⅰ．在腔QED中實現(xiàn)多光子糾纏態(tài)的制備量子

5、糾纏是量子信息學中最重要也是最為奇特的一個課題。在量子信息學中，量子信息的處理離不開量子態(tài)及其演化，而量子糾纏態(tài)毫無疑問是各種各樣的量子態(tài)中最重要的一種。量子糾纏在量子信息學的兩大領域一量子通信和量子計算中都有著廣泛的應用。既然糾纏態(tài)如此重要，研究其制備及操縱就成為重要的課題。糾纏態(tài)的制備在不同的物理系統(tǒng)中有不同的實現(xiàn)方法，目前在離子阱、原子一光腔、自發(fā)參量下轉換等體系中都已經在實驗上實現(xiàn)了糾纏態(tài)的制備。糾纏的光予由于其與環(huán)境作用小，傳

6、播距離遠，引起了人們特別的注意。標準的產生糾纏光子的方法是利用非線性晶體的參量下轉換過程，然而這種過程帶有隨機性。我們提出一種在腔QED中產生多光子糾纏態(tài)的方法，利用大失諧下絕熱演化的方法，這種方法可以克服原子自發(fā)輻射引起的耗散，而這種耗散是腔QED完成量子信息過程的主要障礙之一。另外，我們的方案還可以推廣到產生任意四模多光子糾纏態(tài)。 Ⅱ．在腔QED中實現(xiàn)任意疊加Dicke態(tài)的量子隱形傳輸量子通信中最基本的原型就是量子隱形傳態(tài)(

7、quantum teleportation)，它應用糾纏EPR態(tài)作為信道，通過局域Bell基測量并輔助以經典通信把一個量子態(tài)從一個地方傳遞到另一個地方。量子隱形傳態(tài)是構成各量子通信任務的基本模型，只要有糾纏信道和經典通信信道，量子隱形傳態(tài)可以完成絕大部分量子通信任務。1993年，Bennett等人的富有科學幻想色彩的量子隱形傳態(tài)的方案一經提山，立即激發(fā)起人們極大的興趣，對如何傳送量子態(tài)人們已經進行了深入的理論和實驗研究，關于量子隱形傳態(tài)

8、的各種方案相繼出現(xiàn)。這里我們提出一種量予隱形傳輸任意疊加的原子Dicke態(tài)的方案。多原子Dicke態(tài)是一種重要的多量子比特態(tài)，Dicke態(tài)及其疊加態(tài)在量子非局域性的證明，高精度光譜學和量子信息過程中都有重要的應用。在這個方案中我們采用絕熱演化的方法，原子僅在暗態(tài)空間中演化，激發(fā)態(tài)上不曾有布局，因此自發(fā)輻射噪聲對該方案幾乎沒有什么影響。另外，僅當四個光子探測器同時觸發(fā)時方案才成功，因而探測器和輸出耦合的無效性只是降低方案的成功幾率，而對終

9、態(tài)的保真度沒有影響，所以對于任意疊加的原子Dicke態(tài)保真度都為1。 Ⅲ．基于腔QED的條件量子相位門量子計算機比經典計算機能更有效地解決某些計算難題，而通過級聯(lián)量子相位門和單比特門就可實現(xiàn)普適量子計算。對原子量子比特而言，其單比特門只要利用原子和經典場相互作用即可實現(xiàn)，因此設計兩量子比特門成為量子計算中需要解決的關鍵問題。 在完成量子相位門的各種系統(tǒng)中，腔QED在相干操作上有明顯的優(yōu)勢。我們提出一個方案，采用∧-位型三

10、能級原子作為信息轉移通路來實現(xiàn)兩個偏振腔模的量子相位門。我們的方案有以下幾個特點：1)典型的量子相位門在實驗實現(xiàn)上一般都要求兩個量予比特處于相同的地位上，因此在我們的方案中就將腔內輻射場的兩個不同的偏振模的0，1光子態(tài)作為兩個量子比特。2)我們將原子作為存儲量子比特，光子作為飛行量子比特，不管對量子通訊還是量子計算這都是比較理想的。3)在我們的方案中量子相位門操作的成功完成需要兩光子共振條件，對三能級原子和腔模相互作用時間的精確控制將產