基于量子控制的光纤微腔系统量子态确定性传输

摘要

本论文首先回顾了近年来关于量子态传输的研究概况，介绍了近年来发展起来的基于Lyapunov方法的量子控制理论。其次，本文重点研究了在一个由囚禁在光纤连接的远距离微腔中的三个原子组成的量子系统中实现单原子任意量子态确定性传输、两原子任意纠缠态转移、两原子C-Not门以及Lyapunov控制的单原子任意量子态确定性传输等四部分内容，并给出了完成相应任务的理论方案。
　　对第一部分内容的研究结果表明，在有效三原子Ising模型下，通过两步完全类似的操作即可把一个原子的任意量子态确定性地传输给另一个原子，该方案仅需的操作是同步开/关施加在两个原子上的局域激光场。如，若要在原子1和2之间实现任意量子态确定性传输，则只需在初始原子1和辅助原子3之间执行同步开/关局域激光场的操作，然后在辅助原子3和目标原子2之间执行相同的操作。对第二部分内容的研究结果表明，对于同样的量子模型，通过两步完全类似的操作即可实现将两原子任意纠缠态从其中两个原子确定性地转移至另外两个原子，该方案仅需的操作是在单个目标原子上开/关施加在该原子上的局域激光场。如，若要将原子1和2的任意纠缠态转移至原子2和3，则只需首先在原子1上施加局域激光场，之后在原子3上施加局域激光场。对第三部分的研究结果表明，仅需单独打开/关闭施加在被控制位原子上的局域激光场，并使控制位原子单独停留在腔中一段时间，即可确定性地实现两原子控制-非门。
　　在这三部分研究中，我们讨论了原子自发辐射对量子态传输保真度的影响。结果表明原子自发辐射减少了保真度的数值。然而，自发辐射和操作时间误差的共同影响能减少实现单原子任意量子态传输最大保真度的时间花费，这有助于加快量子态传输的实现。当自发辐射率不太大时，两原子纠缠转移的保真度仍然接近100％。方案的一个优势是，获得长时有效哈密顿量的条件是保证局域激光场与原子耦合的Rabi频率Γ0与Ising耦合强度J0之间满足Γ0＜＜J0，而当激光场与原子弱耦合时，光子在短光纤（米级）上的泄漏对该条件的影响基本可以忽略。方案的另一个优势是它们在△≈κ＞＞g的条件下工作，这使其对腔泄漏的变化不敏感。
　　第四部分的研究结果表明，由原子与腔场的大失谐相互作用导致的单原子Stark位移可以设计出基于两步Lyapunov控制的单原子任意量子态确定性传输，与第一部分的结果相比，本部分研究的单原子任意量子态传输的保真度能够渐近地达到100％，因而该方案的研究结果具有实际的量子信息操作意义。

目录

声明

摘要

引言

第1章 基于控制的量子态传输方案及其发展

1．1 可实现量子态传输的量子系统

1．2 基于控制的量子态传输最新研究

1．3 Lyapunov控制方法

第2章 量子态传输及量子控制基础理论

2．1 原子与腔场相互作用的理论模型

2．1．1 J-C模型

2．1．2 远距离两原子相互作用模型

2．1．3 三种绘景

2．1．3 输入输出理论

2．2 量子Lyapunov控制的基础理论

2．2．1 量子控制及Lyapunov函数

2．2．2 纯态量子控制的Lyapunov函数

2．2．3 驱动场中二能级原子能级跃迁的Lyapunov量子控制

第3章 基于同步控制的单原子任意量子态远距离传输

3．1 模型描述

3．2 单原子任意量子态确定性传输

3．3 原子自发辐射的影响

3．4 小结

第4章 基于单原子控制的纠缠态转移及控制-非门

4．1 单原子控制下的系统态演化

4．2 基于单原子控制的纠缠转移

4．3 基于单原子控制的C-Not门

4．4 小结

第5章 基于Lyapunov控制的任意量子态远距离传输

5．1 考虑Stark位移的远距离三原子有效Ising模型

5．2 基于Stark位移的单原子Lyapunov控制场设计

5．3 基于单原子Lyapunov控制的单原子任意量子态确定性传输

5．4 小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间公开发表论文

致谢

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