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《国防科学技术大学》 2010年
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量子测量及其在量子信息处理中的应用研究

韩阳  
【摘要】:量子测量作为量子力学的一条基本假设,是量子力学理论体系中最重要的概念之一。量子测量将我们所处于的经典宏观世界和奇妙的微观世界联系了起来,在量子信息学中扮演着不可替代的重要角色。首先,通过量子测量可以提取编码在量子态中的信息,区分不同的量子态和量子态演化的动力学过程。这方面的典型应用包括量子密码术,量子态区分,量子过程层析,量子纠错等等。其次,注意到量子测量和酉演化是量子态演化的两种基本形式,因此量子测量又与量子态的操控直接相关。通过测量量子系统,可以将被测系统制备到特定的态,从而完成一定的量子信息处理任务。这方面的典型应用包括簇态量子计算,量子隐形传态,纠缠交换,量子中继,量子态远程制备等等。 本文介绍了作者围绕“量子测量的物理实现”和“量子测量在量子信息处理中的应用”所做的研究,具体内容如下: 1.在单原子量子位和单光子量子位两种物理系统上,分别提出了实现任意给定的量子广义测量(generalized quantum measurement,GQM)的理论方案。对于单原子内态编码量子位,提出了通过反复测量一个辅助量子位实现任意给定的GQM的理论方案,方案避免了更高维度空间上的相干操作,显著降低了辅助系统的复杂性。对于单光子偏振编码量子位,提出了一种利用光子的路径态作辅助位实现任意给定的GQM的方案,光路与前人的方案相比有了大幅度简化。进一步地,通过实验验证了该方案的有效性,并利用已实现的2算子GQM模块,结合纠缠光源完成了一类确定性的两体纠缠转换实验。 2.利用对光子偏振态的“后选择测量”和里德堡阻塞效应,提出了一个制备冷原子系综间的W类多体纠缠态的理论方案。方案中纠缠态制备成功与否可由光子探测事件预报,且只需一步单光子与原子系综相互作用即可完成多体纠缠态的制备。 3.提出了基于离子测量和里德堡阻塞效应的新型量子中继器方案。该方案利用里德堡阻塞效应有效地抑制了原子系综量子中继器中的多光子噪声,并通过阻塞两位门和离子测量相结合,提高了纠缠交换过程的成功概率。与同类量子中继理论方案相比较,该方案的中继效率可提高一到二个数量级,同时最终纠缠态保真度也有一定提高。最后讨论了利用时分复用技术进一步提高量子中继效率的可能性。 4.光量子存储器是实现量子中继的核心元件。利用对原子系综中特定跃迁偶极矩的直接控制,提出了一种新型光量子存储方案。通过解析地求解系统的运动方程,分析了方案的可行性,并利用Tm~(3+):YAG晶体中的磁敏跃迁偶极矩的实际参数,对该方案的存储效率进行了仿真计算。结果表明,此类光量子存储器理论存储效率较高,同时兼有物理图像简单,易于实验实现的优点。 5.利用对光子路径的非正交测量,可以在双缝干涉过程中部分地提取路径信息,从而定量地研究光子干涉条纹对比度与所获取的路径信息之间的渐进互补关系。通过在双缝实验中引入一个理想的GQM模型,我们导出了一个反映波粒二象性的不等式,此不等式比前人的相关结果更为紧致,物理意义也较为明晰。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O413.1

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