利用光子偏振和电子自旋自由度实现量子信息处理

摘要

随着量子信息的快速发展，各种不同的物理系统也随之而出。光学系统中的偏振光子可以作为飞行的量子比特，携带量子信息，适用于远程量子通信；电子系统中的自由电子具有电荷和自旋两个自由度，对电荷的测量不会影响到电子的自旋，而固态系统中的半导体量子点体系具有可集成性和可扩展性的优点。因此这两个系统在量子信息处理任务中备受关注。
　　本文主要研究应用光学系统和电子系统实现量子信息处理任务，主要内容包括：基于光学系统，提出了以量子非破坏性测量为辅助的偏振光子的纠缠浓缩方案。对Bell类态、GHZ类态、三光子W态以及多光子的W态进行了纠缠浓缩，并计算了相应的成功概率。方案中采用线性光学元件和量子非破坏性测量装置代替了传统的宇称测量方法。与现有的纠缠浓缩方案相比，我们的方案不需要辅助光子，并且操作过程简单；基于电子系统，首先，在固态电子系统中，利用量子点与单边光学腔耦合系统实现了一个特殊的受控非门，利用两个自旋电子的宇称态控制偏振光子的极化态，然后实现了1→2通用量子克隆机、1→2相位协变量子克隆机、1→3经济型相位协变量子克隆机。随后，利用量子点与双边光学腔耦合系统制备了自旋电子之间的受控非门和Toffoli门，并且计算了相应的保真度，在这两个量子逻辑门的基础上，实现了一种量子克隆机用于克隆一个与给定量子态近似的态。其次，在自由电子系统中，提出了超纠缠Bell态分析的方案，能够完全区分16个超纠缠Bell态而不会破坏它。随后，利用自由电子系统又制备了四粒子的纠缠态，其中包括了团簇态、|χ>态以及Dicke态。

目录

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第一章 引 言

第二章 量子信息学的基本原理

2.2 量子逻辑门

2.3 不可克隆定理

2.4 密集编码

2.5 量子隐形传送

2.6 纠缠浓缩

第三章 利用光子的偏振自由度实现纠缠浓缩

3.1 实现Bell类态的纠缠浓缩

3.2 实现W 态的纠缠浓缩

3.2.1 实现三光子低纠缠W 态的纠缠浓缩

3.2.2 实现多光子低纠缠W 态的纠缠浓缩

3.3 本章小结

第四章 利用电子的自旋自由度实现量子信息处理

4.1.1 利用量子点与单边光学腔耦合系统实现逻辑门和量子克隆

4.1.2 利用量子点与双边光学腔耦合系统实现逻辑门和量子克隆

4.2 利用自由电子系统实现超纠缠分析和纠缠态制备

4.2.1 超纠缠Bell态分析

4.2.2 制备四粒子团簇态

4.2.3 制备四粒子|χ>态

4.2.4 制备四粒子Dicke态

4.3 本章小结

第五章 结论及展望

5.2 展望

参考文献

致谢

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