腔QED與海森堡自旋系統(tǒng)中的量子糾纏與信息處理.pdf

1、量子糾纏是量子計算與量子信息處理的重要物理資源，量子糾纏態(tài)的制備、保持與操縱是實現(xiàn)量子計算與量子信息處理的關(guān)鍵問題．實現(xiàn)量子計算與量子信息處理的每個系統(tǒng)都有各自的優(yōu)點和不足之處。就目前而言，一方面，腔量子電動力學(xué)（腔QED）系統(tǒng)是目前最有前景的量子硬件系統(tǒng)之一，它被廣泛地應(yīng)用于量子態(tài)的制備和操控、原子量子態(tài)的傳送、量子邏輯門操作等領(lǐng)域。另一方面，海森堡自旋系統(tǒng)作為實現(xiàn)量子比特的物理體系，由于其可測量性及可操控性較強，已被廣泛應(yīng)用于量子模

2、擬，本文基于腔QED系統(tǒng)，研究了量子交換門的實現(xiàn)、原子簇態(tài)的制備、能量損耗腔場中原子的糾纏動力學(xué)以及原子糾纏態(tài)的糾纏濃縮；基于海森堡自旋系統(tǒng)，研究了幾類海森堡自旋模型的的熱糾纏和內(nèi)稟退相干下海森堡自旋系統(tǒng)的糾纏演化性質(zhì)，取得了一系列有創(chuàng)新意義的結(jié)果．主要工作包括以下內(nèi)容： 第一章介紹了有關(guān)量子信息的基礎(chǔ)理論，包括量子信息學(xué)的發(fā)展歷史、量子糾纏的基本理論、量子比特和量子邏輯門、幾種常見的物理實現(xiàn)方案和內(nèi)稟退相干理論。 第二

3、章介紹了腔QED和海森堡自旋系統(tǒng)的基本理論。具體給出了腔QED系統(tǒng)的常見理論模型的推導(dǎo)；給出了海森堡自旋系統(tǒng)的模型簡述、海森堡自旋系統(tǒng)中的熱糾纏定義和量度、海森堡自旋系統(tǒng)中的糾纏與量子相變的關(guān)系；介紹了本文所作的工作。 第三章提出了利用腔QED大失諧模型，實現(xiàn)量子交換門的物理方案，并以較高的保真度和成功概率制備了多原子簇態(tài)。由于在整個過程中，腔場僅被虛激發(fā)。在原子與腔膜之間沒有能量交換，這樣就使得系統(tǒng)退相干時間大大延長了。

4、 第四章采用求解主方程的方法，研究了能量損耗腔中，兩糾纏二能級原子與單模輻射場相互作用過程中原子的糾纏動力學(xué)．找到了不受能量損耗影響，能夠?qū)崿F(xiàn)糾纏放大和保持的方法． 第五章提出了利用腔QED系統(tǒng)濃縮非最大糾纏態(tài)的方法。利用熱腔QED模型，實現(xiàn)了遙遠(yuǎn)糾纏原子的糾纏濃縮．對于相隔很近的糾纏原子的糾纏濃縮也提出了相應(yīng)的方案． 第六章研究了在非均勻磁場中海森堡XYZ模型的熱糾纏。在基態(tài)糾纏中，我們證實了量子相變的產(chǎn)生；當(dāng)溫度T

5、>0時，磁場的存在對于臨界溫度Tc具有重要作用，理論上通過磁場的調(diào)節(jié)能夠在任意溫度下獲得糾纏；考察了系統(tǒng)在任意溫度下，糾纏在三個參數(shù)空間（γ，ε），（γ，η），（γ，Jz）的變化趨勢，這為在確定溫度下通過外部磁場參數(shù)來調(diào)整補償系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)提供了依據(jù)。 第七章研究了內(nèi)稟退相干下海森堡XY模型的糾纏演化．結(jié)果表明系統(tǒng)的糾纏在內(nèi)稟退相干下能夠演化為一穩(wěn)定值，內(nèi)稟退相干對糾纏的振蕩幅度有明顯的壓縮作用，且隨著退相干因子Г的增加，系統(tǒng)糾

6、纏更快地達(dá)到穩(wěn)定值；磁場，這個作為自旋系統(tǒng)糾纏控制的最有力的工具，它的引入在系統(tǒng)一定的初始條件下能夠?qū)ο到y(tǒng)的糾纏起到重要作用；系統(tǒng)糾纏的時間演化表現(xiàn)出對兩個比特初始態(tài)的強依賴性質(zhì)，糾纏能夠通過改變兩比特的相對相位和振幅而得到控制，在不同的初始糾纏（θ不同）下，通過改變兩比特的相對相位φ，能夠得到大于，等于或者小于初始糾纏度的糾纏；另外在沒有外界磁場時，我們發(fā)現(xiàn)Bell正交態(tài)是系統(tǒng)的“暗態(tài)”，在演化過程中系統(tǒng)糾纏不受系統(tǒng)退相干的影響。