基于腔量子电动力学的量子信息处理和消相干下的量子关联

【摘要】为了对物理中一些无法解释的问题作出解答,量子理论和相对论在二十世纪初被人们建立起来,这些物理问题包括黑体光谱、原子和原子核结构以及运动物体的电动力学等。量子力学理论从诞生至今,已经在信息学、医学、化学、生物和物理等各个领域取得了非常大的成功。量子力学与信息科学相结合的量子信息学就是量子理论中一个相对新的分支。量子信息处理和量子计算的物理实现需要借助于各种物理体系。经过研究发现这些物理系统应具备“能够表示量子比特并保持其量子性质”、“能进行特定的么正演化”、“可以制备一组特定的量子态”及“能够测量系统的输出末态”等四个基本要求。目前大家认可的物理系统有：固态量子点方案(它是利用囚禁在纳米晶体中的电子自旋作为量子比特)；线性光学方案；液态核磁共振方案(它是利用大量分子的溶液进行量子计算的)；腔量子电动力学方案；离子阱方案。腔量子电动力学系统在量子信息处理中是利用里德伯原子能级和(或)腔场中的光子数来编码量子信息。此方案中量子比特之间耦合是通过原子与微波腔(或光学腔)之间的相互作用来实现的。它有操作时间短的优点,并且它还可以让量子信息在原子和光子之间实现交换。这种方案有助于在量子计算和量子通信之间建立联系。能把光子和原子联系起来是这个方法最重要的价值,并且这种联系在量子信息和通信领域有着广泛的应用。随着原子纠缠、量子远程传输在实验室里的成功实现,量子通信的发展已经到了接近实用的地步。本文主要讨论了如何在腔量子电动力学方案中实现量子纠缠的制备和纯化。此外,还讨论了在消相干条件下的量子关联的演化。1、如何在三个独立腔中实纠缠态的纯化方案在三个独立腔的帮助下,我们提出了一个可以将任意的两原子非最大纠缠态转化成最大的纠缠态的纯化方案。这个方案包括原子和腔模之间两个相互作用-探测过程,和原子与腔场之间的共振相互作用过程。由于原子被囚禁在腔里,我们可以根据光子探测器的探测结果来实现两原子非最大纠缠态的纯化。此方案的主要优点是可以实现任意两原子非最大纠缠态的纯化,并且在整个过程中我们不需要进行Bell态测量。2、在分离腔中实现三粒子Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的制备方案我们提出了一个三粒子GHZ态制备的有效实现方案,这个方案是通过三个分离腔来实现的。这个方案包括相互作用-探测的循环过程和共振耦合作用过程,同时原子的辅助能级与腔场没有耦合相互作用。根据光子探测器的探测结果,在一定概率程度上我们可以得到三粒子GHZ态。3、三粒子W类态的量子关联在量子消相干条件中的演化我们探究了三粒子W类态的量子特性并且揭示了在消相干条件下量子失协和量子纠缠之间的关系。在确定的消相干条件下,我们也找出量子失协取最大值时所对应的态,并且我们也呈现出了量子纠缠和量子失协的边界值。对比之下,我们得到了一个非常显著地结果,在消相干条件下量子失协并非一直大于生成纠缠。我们进一步从理论上分析了在相位反转通道中三粒子W类态的量子关联单婚性的变化,并且发现消相干可以使三粒子W类态从一夫多妻制转变成一夫一妻制。
【作者】许鹏；
【导师】叶柳；
【作者基本信息】安徽大学，原子与分子物理，2014，硕士
【关键词】腔量子电动力学；纠缠态；分束器；量子纠缠浓缩；量子关联；

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