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基于腔量子电动力学系统的量子计算

陈菊梅  
【摘要】: 量子计算建立在量子力学叠加原理和量子纠缠特性基础上,是一门极具发展潜力的新兴交叉学科。量子计算用量子态编码信息,按量子力学规律、根据算法要求操控、演化编码态,最后通过测量读取信息,最终实现量子信息处理任务。量子计算可以完成经典计算无法完成或者很难完成的计算任务,其潜在的巨大应用引发了近十几年来科学界对量子计算理论和实验的研究。目前,正在探索的可能实现量子计算机的物理系统有离子阱、腔量子电动力学(腔QED)、核磁共振、量子点、超导约瑟夫森结和线性光学等系统。腔量子电动力学是研究较早,发展比较快,相对其它系统具有独特的优势,被认为是最有前途的方案之一。在腔量子电动力学系统中,原子囚禁在高品质腔中,原则上能够以1的效率实现静止量子位和飞行量子位之间的双向量子信息传递。这样的静止-飞行量子位接口能够成为将来量子通信网络的节点,而且也是实现可扩展的分布式量子计算的很有前景的途径。 本文基于腔量子电动力学系统,借助受激拉曼绝热通道(STIRAP)技术,实现空间分离的量子位之间的非局域相互作用,从而实现分布式量子计算。主要工作如下: 1.利用腔量子电动力学系统提出一个制备多原子簇态的方案。各个充当静止量子位的原子分别囚禁在空间分离的腔中,充当飞行量子位的原子依次通过各个腔,并通过腔模和腔中的囚禁原子发生相互作用,实现控制相位门,最终产生多原子簇态。 制备簇态过程中,系统沿着暗态进行绝热演化。当激光场拉比频率远远小于腔场拉比频率时,腔模激发态的布居可以忽略不计;方案中原子跃迁与场大失谐,原子激发态被绝热消除。因此,可以避免由于腔耗散和原子自发辐射导致的退相干效应。方案能够实现高保真度的簇态,而且簇态的保真度对适度的实验参数偏差不敏感。另外,方案中的两量子位控制相位操作是确定的,因此可以产生任意几何形式的簇态。 我们利用数值方法求解了系统的动力学方程,估算了腔耗散对簇态的保真度的影响。数值结果表明,当激光拉比频率是腔场拉比频率的十分之一时,腔耗散率对簇态保真度的影响非常小;即使腔耗散率非常大(等于系统的有效拉比频率),两原子簇态的保真度也接近0.98。 2.利用腔量子电动力学系统设计了一个三维量子态传递方案。两个原子分别囚禁在空间分离的腔中,腔之间由光纤连接;光纤模和腔模共振;原子跃迁和场的失谐量可以是任意值。 在整个态传递过程中,系统沿着暗态演化。暗态中没有原子激发态的布居,光纤模始终处于真空态;当腔场拉比频率远远大于外场激光拉比频率时,腔模激发态可以忽略不计。因此可以避免原子自发辐射和场耗散引起的消相干。 我们采用量子跳跃方法对态传递过程进行了数值模拟,分别讨论了在两种极端情况(原子-场共振和大失谐相互作用)下,原子自发辐射和场耗散对方案成功概率和态传递保真度的影响。结果表明:(1)光纤耗散对方案成功概率和态传递保真度几乎没有影响;(2)在共振情况下,腔耗散和原子自发辐射的影响效果几乎一样;(3)在大失谐情况下,原子自发辐射对方案成功概率和态传递保真度几乎没有影响,主要的退相干因素来源于腔耗散;(4)大失谐情况与共振情况比较,在同样的耗散条件下,方案成功概率和态传递保真度相对较低。 3.在腔量子电动力学系统中,提出了一个无消相干子空间的分布式量子计算方案。囚禁在一个腔中的两个原子编码一个逻辑量子位,各个腔空间分离,由光纤连接。方案实现了基本通用逻辑门组:逻辑单量子位门和逻辑两量子位非局域控制位相门。 方案利用无消相干子空间编码方法,能抵制如集体相移出错等一些特定的错误。通过系统沿暗态的绝热演化实现门操作,暗态中原子的激发态和光纤模的激发态没有布居;而且腔场的拉比频率远大于外激光场的拉比频率时,腔模激发态的布居可以忽略不计。因此方案可以避免激发态耗散引起的消相干。 我们利用数值方法分析了腔耗散的影响。结果表明:在同样的耗散条件下,(1)腔场拉比频率和外场拉比频率之间的比值不同,腔耗散对逻辑门保真度影响不同;(2)对于特定的输入态,比值大于7时,保真度超过0.99;(3)对于任意输入态,比值大于9时,最小保真度超过0.97。 4.在腔量子电动力学系统中,提出一个两原子任意态非局域控制U门方案。两个原子分别囚禁在空间分离的腔中,两腔通过光纤连接。 在实现方案过程中,原子始终处在基态,光纤模总是处于真空态,在一定的条件(腔场拉比频率远大于激光场拉比频率)下,腔模光子数态的布居可以忽略不计。因此方案在一定意义上是无消相干的。 我们利用数值方法讨论了腔模激发态衰减对方案保真度的影响。结果表明:在同样的耗散条件下,外激光场与腔模场拉比频率的比值不同,门操作的保真度不同;比值越小,保真度差别越小;比值为0.1时,对于任意的输入态,保真度总是大于0.98。


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