基于原子-腔-光纤系统的纠缠态制备和远程量子逻辑门实现方案

摘要

对腔量子电动力学而言，随着腔中耦合原子的增多，由于原子间的交叉相互作用，使得对原子自身和原子与腔相互作用的操纵变得越来越困难，所以单个腔中可以耦合的原子数目是有物理限制的。但是，一台实用的量子计算机必然包含很多量子比特，并且它的能力会随着所包含量子比特数目的增多而增强。因此人们提出了分布量子计算的方案。它通过量子传输线连接多个空间分离的包含少数量子比特的处理器组成网络来实现量子计算。制备分离子系统间共享的纠缠和构建远程量子逻辑门是实现分布量子计算的核心问题。另一方面，近来在实验上已经能够实现囚禁在光学腔中的单个原子控制、原子与腔及光纤与腔的强耦合。因此，原子-腔-光纤耦合系统逐渐引起了人们的重视，提出了许多基于此类系统完成量子信息处理的方案。本文以此类系统作为研究对象，提出一些制备远程两比特共享纠缠态、多比特W态和三比特Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态、实现远程两比特量子控制相位门和交换门、及远程三比特量子控制Z门的理论方案。本文的主要工作包括以下内容：
　　 ⑴基于通过光纤连接的三个腔分别与三个原子耦合组成的系统，提出一种通过绝热演化制备远程两比特共享纠缠态的方案。并把它推广到制备多体W态的情况。此外，基于此系统可以通过信息分发实现量子信息共享。这些结果有助于对量子网络和量子密码学方面的研究。并且，这些方案是易于操作的，因为在完成方案的整个过程中只需调节驱动原子的经典场。
　　 ⑵基于通过光纤连接的单原子-腔和双原子-腔耦合组成的系统。提出分别通过控制相互作用时间和绝热演化确定性地制备远程三原子共享GHZ态的方案。并且研究原子自发辐射和腔与光纤的光子泄漏等消相干过程带来的影响。结果表明，即使在考虑消相干的情况下，这些方案也能够以比较高的保真度实现。
　　 ⑶基于通过光纤连接的两个腔分别与经典光驱动的两个二能级原子耦合组成的系统，提出实现远程两比特量子逻辑门的方案。研究发现，当腔场频率和原子跃迁频率间存在失谐时，在经典场的辅助下可以实现远程两比特量子控制相位门和交换门。此外，分析腔场和光纤的耗散等导致的消相干对此方案的影响；并通过引入Λ型原子有效地抑制原子自发辐射的影响。
　　 ⑷基于通过光纤连接的三个腔分别与三个Λ型原子耦合组成的系统，提出实现远程三比特量子控制Z门的方案。并研究一些消相干过程如原子的自发辐射及光纤和腔的光子泄漏等带来的影响。结果表明，即使在考虑消相干的情况下此方案也能以较高的保真度实现。此结果可以推广到由光纤连接的N个腔分别与N个Λ型原子耦合的情况，进而实现远程N比特量子控制Z门。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1量子信息的基本概念

§1.1.1量子比特

§1.1.2量子逻辑门

§1.1.3量子纠缠

§1.2基于腔QED系统的纠缠态制备和量子逻辑门实现

§1.2.1腔QED的基本概念

§1.2.2原子与腔场的相互作用模型

§1.2.3基于腔QED制备纠缠态和实现远程逻辑门的方案

§1.3本文的主要工作

第二章通过绝热演化在原子-腔-光纤系统中制备纠缠

§2.1原子-腔-光纤耦合系统

§2.2通过绝热演化制备纠缠态的方案

§2.3实现量子信息共享的方案

§2.4本章小结

第三章制备与远距离腔耦合的三原子GHZ态

§3.1通过控制相互作用时间制备GHZ态

§3.2通过绝热通道制备GHZ态

§3.3本章小结

第四章 经典光场辅助下实现远程量子逻辑门的方案

§4.1经典场驱动下的原子-腔-光纤系统

§4.2远程两比特逻辑门的实现方案

§4.2.1远程两比特量子控制相位门的实现方案

§4.2.2远程两比特量子交换门的实现方案

§4.3本章小结

第五章远程三比特量子控制Z门的实现方案

§5.1原子-腔-光纤耦合系统

§5.2远程三比特量子控制Z门的实现方案

§5.3远程N比特控制Z门的实现方案

§5.4本章小结和讨论

附录：

第六章结论与展望

参考文献

攻读博士期间发表与完成论文目录

致谢