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基于量子点—双面腔系统的量子信息处理方案研究

袁晓洁  
【摘要】:量子态是量子信息学的主要载体,量子信息的存储、处理和传输都依赖于量子力学的基本原理。与经典信息科学相比量子信息科学具有很多优势,如并行计算,绝对安全性好,信息容量大等,特别是量子纠缠在量子信息处理过程中发挥着极为重要的作用。目前,承载量子信息处理的物理系统主要有核磁共振、离子阱、腔QED等。然而,这些量子系统容易受到环境的影响出现消相干,因此量子态的制备变得不完美,并且很难实现远程量子信息的处理。但是近年来量子点腔QED系统的出现为解决这一问题提供了可能,由于其容易操控、相干时间较长等优点,越来越受到人们的青睐。同时,光子由于其传输速度快,易操控等优点也成为了量子信息处理的优秀的飞行比特。光子和量子点-腔系统是量子信息处理的很好的平台。光子可以与嵌入腔内的量子点自旋发生相互作用而产生纠缠,利用这种相互作用我们就可以借助光子和量子点-腔系统来实现对存储在量子点内的量子信息的处理和传输。另外,光子的消相干时间短,存储量子信息能力较差。因此,将纠缠制备在消相干时间长的量子点电子自旋上,可以有效存储和保护纠缠。基于以上原因,本论文利用量子点-腔系统来制备相干时间较长的量子点电子自旋之间的纠缠态,并且对量子信息处理过程中产生的非最大纠缠态进行浓缩以获得最大纠缠态保证量子信息传输的精确性。本论文利用量子点-双面腔系统(双面腔是指两个镜面都是部分反射镜的腔)并借助光子主要完成了如下工作:1.设计方案以实现远程量子点电子自旋纠缠态的制备和量子态的传输。结果表明不论在理想情况下还是实际实验条件下,该方案都可以以高保真度完成远程量子态的制备和传输,且无需单独进行通道制备,因为远程量子纠缠态的制备和量子态的传输内禀于同一过程。2.设计方案以实现基于纠缠交换对未知非最大纠缠态浓缩。该方案可以实现从一般非最大纠缠态中提取出其最大纠缠态,并且整个过程不需要分离腔中的电子自旋直接相互作用,实现纠缠浓缩。该方案既可用于制备两粒子最大纠缠态,也可以完成制备四粒子最大纠缠态;同时,待浓缩的两个初始未知非最大纠缠态之间即使存在一定的不同,输出的纠缠态相对于最大纠缠态的保真度也会非常接近于1;另外,该方案中只需对光子进行测量,操作简单易行。


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