复合固态量子系统中纠缠产生和逻辑门实现

摘要

二十世纪八十年代兴起一门新的学科——量子信息学。这门学科的建立将带来未来信息领域的革命。制备量子纠缠和实现量子逻辑是量子信息中的两个重要的研究课题。量子纠缠不仅仅是量子物理区别经典物理的主要特征之一，也是量子信息学的重要的物理资源。量子逻辑运算恰恰也正是信息处理过程中必不可缺的一部分。因此在量子信息中对这两个课题的研究受到很多人的关注。另一方面，信息需要一个实际物理系统作为载体。近些年，随着纳米技术和超导体技术的发展，具有可集成性和易操控性特点的超导约瑟夫森结装置以及拥有长相干时间的钻石中的氮缺陷色心(NVcenter)这两种固态量子系统备受亲睐，有望成为荷载量子信息最有潜力的候选者。正因为如此，本论文的主要研究工作也是基于这两种固态物理系统展开的，我们分别讨论了如何利用这两种固态系统制备纠缠和实现量子逻辑门。全文共有六章，其中第三到六章为我们的主要研究工作，整篇论文的具体内容安排如下:
　　第一章介绍本文的研究背景及研究意义，概述几种常见的量子比特的发展历史。最后给出本论文的主要研究内容和章节安排。
　　第二章简单介绍量子信息学中的基本概念和基础知识，主要包括量子比特，量子纠缠态，量子逻辑门和保真度。然后，又简单介绍超导线路腔QED系统和一种在量子信息中经常用到的数学方法。
　　第三章主要讨论基于固态超导量子比特中的量子信息处理。首先，我们提出利用两个射频超导量子干涉仪耦合通过一步演化制备两量子比特最大纠缠态，分析了量子比特的失相和弛豫对纠缠态的保真度的影响;此外这个方案也可以实现简单量子信息交换。其次，我们考虑利用多个低退相干磁通相耦合，可以分别制备多比特Cluster态，GHZ态和W态。最后，利用超导量子系统的特性提出一个量子网络，通过分析网络中的信息处理单元，可以实现节点两侧腔内的任意两个量子比特的纠缠。同样也可以实现任意两个量子比特之间的高保真的信息传输。
　　第四章研究如何在两超导腔内制备纠缠。利用电流偏置约瑟夫森结作为可调耦合器将两个超导腔相连接，通过调节耦合器的外部参数可以控制两个超导腔的有效耦合强度。在有效Hamiltonian作用下，通过演化就可以制备两个腔的奇偶纠缠相干态。这两种纠缠态对腔的耗散表现出明显不同的性质。
　　第五章研究在固态复合系统中实现一种相干时间比较长的量子存储设备。具体的理论模型是在大失谐条件下，利用纳米谐振子诱导超导电荷比特与单个NV中心耦合，从而实现将电荷比特制备的信息转存在NV系统中。
　　第六章研究在NV系综和超导量子比特的复合固态量子系统中，实现一个控制比特可以控制任意一个目标比特的两比特量子相位门。这自然要求控制比特必须具有相当长的相干时间，目标比特必须具有可被灵活操控性，这也是为什么要选这种复合系统的原因。此外，我们还通过图像来反映系统的激发态耗散对量子门的保真度的影响。
　　最后，我们给出全文的总结和展望。

目录

声明

摘要

插图目录

表格目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 量子信息学的诞生

1．3 量子信息的物理实现

1．4 固态量子比特的研究进展

1．4．1 超导量子比特

1．4．2 钻石中的氮缺陷中心

1．5 本文主要研究工作和章节安排

2 基础知识介绍

2．1 量子比特

2．2 量子纠缠态

2．2．1 常见的纠缠态

2．3 量子逻辑门

2．3．1 单比特量子门

2．3．2 两比特量子门

2．4 保真度

2．5 电路QED系统

2．6 Wei-Norman代数方法

3 基于超导比特的量子信息处理

3．1 研究背景

3．2 单步操作制备两比特纠缠态

3．2．1 启发与动机

3．2．2 谐振腔诱导两个射频量子干涉仪耦合

3．2．3 超导比特耗散对保真度的影响

3．2．4 小结

3．3 可操控制备多比特纠缠态

3．3．1 启发与动机

3．3．2 多个超导比特耦合模型

3．3．3 实验可行性分析

3．3．4 小结

3．4 可操控的信息传输过程

3．4．1 启发与动机

3．4．2 具有可控性的量子网络

3．4．3 结果分析

3．5 本章总结

4 超导腔中纠缠态的制备

4．1 背景介绍

4．2 超导腔与电流偏置约瑟夫森结耦合模型

4．3 超导腔耗散对纠缠态保真度的影响

4．4 本章总结

5 电荷比特与NV中心之间的可调耦合

5．1 研究背景

5．2 纳米谐振子

5．3 纳米谐振子诱导超导比特与NV中心耦合模型

5．4 实验可行性分析

5．5 本章小结

6 复合固态量子系统中可调控的量子相位门

6．1 研究背景

6．2 NV中心系综与超导比特的可调耦合

6．3 保真度与可行性分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢

作者简介