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《浙江大学》 2016年
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腔QED和超导量子比特系统中的几何量子关联的控制

王冬梅  
【摘要】:量子信息学是一门方兴未艾的交叉科学,其涵盖的理论基础有量子电动力学、量子光学、电子学、数学和信息学,融合各种现代化的科学与技术,如通信和计算机技术、固体物理和半导体、光电子和激光技术、原子光学与原子制版术等,研究内容包括量子信息的多个学科分支,如量子密码、量子隐形传态、量子算法、量子网络等。该学科诞生以来取得了令人瞩目的成就,如实验上实现了量子远程通信等。其应用有着诱人的前景。在量子信息处理任务中,量子纠缠作为一种有效的资源起着重要的作用。与此同时,人们还发现它有着极其脆弱的一面,容易受环境的干扰发生退相干,甚至在某些量子系统中会发生量子纠缠的突然死亡。Ollivier和Zurek等人提出了另一种量子关联,称为量子谐错,它被认为是一种强壮的物理资源。量子谐错有一些奇特的性质,如分离态的量子纠缠为零,但量子谐错却不为零。人们发现量子谐错能用于完成某些量子计算。此外,在耗散环境中量子系统的量子谐错演化会出现突然转变或突然变化现象。然而用于实际计算时,Ollivier和Zurek等人提出的基于熵的量子谐错定义是一个不便于操作的度量方式,仅有少数量子系统能有量子谐错的解析解。为此,Dakic等人首先提出了基于二范数的几何方法度量量子谐错的思想。他们提出的几何度量方法是在一定情形下简化了量子谐错的计算,优点是能计算任意两比特的量子系统的几何量子谐错。近来,有研究者提出了基于一范数的几何量子谐错的度量。该度量不仅保持了二范数几何量子谐错的优点,而且揭示量子系统存在的突然转交现象。在本文中,我们主要研究了选择性测量和脉冲如何增强和保护超导量子比特系统的几何量子关联,以及应用含时电磁场控制腔QED系统的几何量子关联和量子突然转变现象等。本文的前面部分,我们研究了选择性测量和退耦合脉冲对超导量子比特系统几何量子关联以及量子信息流的影响。首先研究了选择性测量对两个相同的超导量子比特分别与各自数据总线耦合的系统的几何量子谐错和纠缠的影响,得到了在选择性测量下的几何量子谐错和量子纠缠时间演化的表达式。通过理论分析和计算机模拟研究了单次和多次选择性测量对几何量子谐错和量子纠缠的时间演化,结果显示一系列选择性测量对几何量子谐错和量子纠缠的有保护和增强作用,并且选择性测量仅一次同样会产生的增强作用。我们讨论了最佳实施测量的时间函数,探讨了最佳时间测量对两超导量子比特的几何量子关联的影响。发现测量一次或数次不但会增强量子关联,而且能使超导量子比特系统获得最大纠缠态。还进一步研究了选择量子测量是如何影响超导量子比特系统与数据总线之间量子信息的交换,发现选择性测量可以用来控制超导量子比特和数据总线之间的信息流向。对超导量子电路数据总线实施选择性测量,能起到保护超导量子比特的量子信息,使量子信息从数据总线中回流到超导量子比特中。还研究了两量子超导比特间的积距离,通过测量导致瞬间量子信息流增加,验证了选择性测量能保护和增强系统的几何量子关联,发现增强效果与非马尔科夫过程有关。另外,还提出了利用一系列退耦合脉冲控制和保护超导量子比特系统几何量子关联的方案,并用积距离研究其对系统量子信息流向的控制。结果表明,退耦合脉冲能够保护系统的几何量子关联,发现脉冲作用瞬间,量子信息流瞬时从数据总线重新流回超导量子比特中。本文的后面部分,我们研究了如何用含时电磁场以及选择性测量来控制和保护耗散腔QED系统的几何量子关联,讨论了如何用含时电磁场对量子突然转变现象进行操控。首先考虑了两个耗散的Jaynes-Cummings模型组成的系统的几何量子关联,发现对某些初态,一范数的几何量子谐错展现了双量子突然转变现象,并发现应用含时电磁场能有效的延迟两原子的几何量子关联的退化,即延长几何量子关联双量子突然转变的时间间隔。同时研究了Tavis-Cummings模型,发现了存在突然转变现象,还研究了选择性测量对Tavis-Cummings模型系统量子关联动力学的影响。发现通过选择性测量导致瞬间原子积距离增大,迫使量子信息从腔中回流到原子中。以此能更有效的控制和保护原子的几何量子关联和量子信息流,其增强效果与非马尔科夫过程有关。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O413

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