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多种条件下原子体系量子纠缠的研究

陈菁  
【摘要】: 量子纠缠态的制备和量子退相干机制的研究是量子信息学中两个重要的课题,是实现量子通信和量子计算机的基石。近几年的理论以及实验上的进展告诉我们,对于量子信息处理过程,比如量子离物传态、量子信息存储等等,纠缠态都是必不可少的资源,只有在可行的物理系统中实现便于集成、存储和操作的纠缠量子比特,量子信息才有意义。另一方面,如果考虑环境因素,我们所关心的系统与环境之间的相互作用将不可避免的导致退相干的发生,因此,研究退相干问题对量子信息技术无论从理论研究还是具体实现方面都是非常重要的。通常,在量子信息学中,环境被看作噪声,所以研究退相干的量子机制,研究量子噪声,是让量子信息论走向实用化的基础。 本文正是基于这样的原因,讨论了多种条件下原子体系的量子纠缠的问题。本文首先回顾量子信息学产生发展的概况,介绍量子信息学的基本理论,其中包括量子纠缠态的基本概念,对量子系统常用的量子主方程方法的导出过程和求解作了总结,这几方面的概述是本文所有工作的基础。第四章到第六章分别在几种条件下研究了原子体系量子纠缠的生成和应用。具体地,第四章研究了噪声对量子纠缠的影响,通常认为,量子噪声(环境)的影响总是负面的。我们从另一方面考虑,找出了量子噪声的积极意义——利用噪声来诱发纠缠,研究结果揭示出原子间的纠缠是原子衰变率的单值函数,对应于噪声强度的某一优化值能达到最大,系统与噪声的相互作用是产生纠缠的重要因素。第五章讨论了在凝聚体中产生的量子纠缠,对束缚在双势阱的二成份凝聚体系运用自旋-1/2近似的方法,最终生成对时间演化非单调的双模纠缠态。其中提供了一种研究多体问题的新方法——研究证明在半自旋近似下多体问题转化成了二体二能级的问题,大大简化了问题处理的难度。此外,还涉及到经典物理和量子物理的比较。第六章作为量子纠缠态在量子通信中的一个应用,提出一种新型的基于系统内在哈密顿量的基本量子逻辑门。我们首先引入了一种一般化的赝自旋算符,根据这种新的算符,研究普适的两比特相互作用哈密顿量,并且基于这样的哈密顿量用新的方法再现了一个基本的逻辑量子门,并证明这个新的量子门在功能上等价于Hadamard门和C-NOT门的联合操作。 总体来说,量子纠缠是量子信息学最基础、最核心的部分,是量子测量和退相干的潜在机制,对理解量子物理和经典物理的联系也至关重要。研究量子纠缠及其在量子信息学中的应用,不仅可以深刻理解量子力学的特性,而且又为信息传输和信息处理提供了实用的物理资源。本文所作的工作是关于量子纠缠理论方面的研究,对于这样一个发展迅速的研究领域,我们的工作仅仅涉及到很少的方面,对于纠缠态,更多更深层次的研究将等待我们去探索和发掘。


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