基于腔QED和金刚石NV系统的量子纠缠态的制备及其应用

摘要

量子信息是量子力学和信息学结合产生的一门极具发展潜力的新兴学科。人们在实验上和理论上都开展了大量的研究，并已取得了不少的成果。在量子信息领域中，量子纠缠一直都扮演着最主要的角色，是量子信息科学走向应用不可缺少的重要资源。目前有可能实现量子信息处理的物理体系有离子阱、腔量子电动力学(腔QED)、核磁共振、量子点、超导约瑟夫森结、金刚石NV体系等。但由于实验进展的困难，人们目前还很难预测哪一种体系最有前景。目前来说，离子阱、腔量子电动力学(腔QED)和核磁共振体系趋于成熟，但是在规模化量子信息处理上处于劣势。量子点、超导约瑟夫森结、金刚石NV等固态比特体系是规模化量子信息处理的希望所在，但是却进展缓慢。本文的目的是基于现有的实验水平，研究量子纠缠态制备，量子门的实现及其应用。在发展比较成熟的腔QED体系中，主要的工作如下。
　　 ⑴微波腔部分，在不需要Bell态测量的情况下提出一个多比特的量子隐形传送方案。
　　 ⑵光学腔部分，如果原子被囚禁于一个低品质腔，利用单光子输入输出过程就能构建—个量子门的方案。有别于高品质腔中间的强耦合过程，利用法拉第旋转得到了原子比特的一个通用量子门。在重复输送光子入腔的情况下，无论是局域还是非局域的原子，抑或是DFS子空间中间编码的量子比特，都能够实现多比特的CPF量子门。另外，引入—个额外的辅助腔也能够在原来的基础上实现两比特量子门，这样在低品质腔的情况下能够完成很多以前只能在高品质腔才能实现的量子信息处理。
　　 关于金刚石nv体系的相关工作发展前景看好，我们做了如下研究：
　　 ⑴利用金刚石内部的电子自旋和核自旋的耦合以及发射的光子平价投影技术得到大规模的基于核自旋的cluster态。
　　 ⑵为了实现金刚石规模化量子信息处理，结合金刚石NV体系、力学共振振子体系以及超导比特，获得NV量子比特之间的纠缠。
　　 最后，总结近期所做的工作，并展望未来。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1引言

§1.2量子纠缠态

§1.3量子纠缠态的应用简介

§1.4良好的量子比特体系

第二章微波腔中量子隐形传态的实现

§2.1两原子情形的隐形传送

§2.2 N个原子和N个模的隐形传送

§2.3腔耗散的影响

§2.4讨论以及总结

第三章光学低Q腔QED系统中构建量子门

§3.1 引言

§3.2重复输送单光子入腔导致的条件量子门的实现

§3.2.1单光子输入输出过程

§3.2.2两个非局域原子的条件相位门的实现

§3.2.3此方案的扩展以及讨论

§3.3引入一个辅助腔实现条件量子门

§3.3.1 CPF量子门的实现

§3.3.2 cluster态的制备以及teleportation的实现

§3.3.3总结

第四章基于金刚石NV中心的cluster态制备

§4.1在—个单个NV中心制备4比特duster态

§4.2利用经纪手段获取大规模cluster态

§4.3实验挑战以及实验可行性分析

§4.4总结

第五章利用固态轻杆振子系统制备NV中心的纠缠态

§5.1前言

§5.2实验装置以及互作用Hamitonian

§5.3制备W态

§5.4 讨论与总结

第六章总结和展望

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢