基于法拉第旋转机制和超导人造原子特性的纠缠态制备

摘要

量子纠缠作为量子力学中的一个很具吸引力的特性，它在测量量子非局域性以及处理各种信息任务中都是不可或缺的资源。因此，制备不同种类的纠缠态也已经成为量子信息学领域中一个必不可少的研究课题。与此同时，制备纠缠态的系统也备受关注，其中腔量子电动力学(QED)系统是制备纠缠态的重要装置之一。法拉第旋转机制与腔量子电动力学的成功结合，降低了对腔品质的要求以及存在于实验方面的难度。此外，量子信息的载体有很多，其中超导人造原子吸引了很多关注，因为通过利用完善的精密加工技术可使它们有出色的可扩展性。近些年，电路量子电动力学系统的提出以及它在量子计算和通信中的应用吸引了国内外许多研究者的关注。这个系统是通过将超导人造原子装置在传输线共振器中实现的。电路QED系统与腔QED系统类似，在这个系统中的超导人造原子与腔QED系统中原子所扮演的角色相同。这个系统被认为是用于实现量子计算以及信息处理的理想系统之一。
　　本文首先简单介绍了与量子纠缠相关的基础知识，然后对腔QED系统进行了简单的介绍并利用光子在低品质腔的输入输出过程中所产生的法拉第旋转效应实现GHZ态的制备。随后又对由超导人造原子及传输线共振器构成的电路QED系统做了简单的介绍并利用超导人造原子特性实现x型纠缠态的制备。主要研究内容如下:
　　(1)基于法拉第旋转机制，我们提出一个利用光子在低品质腔的输入输出过程中所产生的法拉第旋转效应实现制备GHZ态的方案。方案中所用的是低品质腔，同时腔场与原子之间产生的耦合不是强耦合，此外，利用原子的低能级来编码量子信息，因此，方案对原子的自发辐射和腔的衰减都是鲁棒的。并且我们的方案不需要另外对腔施加经典场也不需要选择和控制相互作用的时间，这很大程度地减少了实验方面的难度。因此，在当前技术条件下我们的方案是简单可行的。
　　(2)基于超导人造原子的特性，提出了利用传输线共振器中的△型三能级超导量子比特来制备x型四比特纠缠态的方案。方案中所用到的△型三能级人造超导量子比特与普通的自然原子不同，它具有破坏对称性这使得它的能级间能够产生循环跃迁。在经过一定时间的相互作用以及简单的操作后，可以制备出x型纠缠态。由于超导量子比特的激发态和光子态均被绝热消除掉，因此该方案对于超导量子比特的自发辐射以及传输线共振器的衰减都是鲁棒的。
　　以上两个方案在现有的实验条件下都是可以实现的，因此对基于法拉第旋转机制和超导人造原子特性的量子信息处理具有重要的参考价值，并且将为量子通讯和量子计算的实现提供可靠的理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 量子纠缠基础知识简介

2．1 量子比特

2．2 量子纠缠态

2．3 保真度

2．4 量子纠缠的应用

第三章 基于法拉第旋转机制的GHZ态制备

3．1 腔量子电动力学简介

3．2 低品质腔中的法拉第旋转效应

3．2．1 低品质腔的输入输出关系

3．2．2 光子的法拉第旋转效应

3．3 基于法拉第旋转的GHZ态制备

3．4 实验可行性分析

3．5 本章小结

第四章 基于超导人造原子特性的x型四比特纠缠态制备

4．1 超导系统简介

4．1．1 超导量子比特

4．1．2 电路QED系统

4．2 利用破坏对称性的超导量子比特的x型纠缠态的制各

4．3 实验可行性分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文目录