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腔QED与海森堡自旋系统中的量子纠缠与信息处理

姜春蕾  
【摘要】: 量子纠缠是量子计算与量子信息处理的重要物理资源,量子纠缠态的制备、保持与操纵是实现量子计算与量子信息处理的关键问题.实现量子计算与量子信息处理的每个系统都有各自的优点和不足之处。就目前而言,一方面,腔量子电动力学(腔QED)系统是目前最有前景的量子硬件系统之一,它被广泛地应用于量子态的制备和操控、原子量子态的传送、量子逻辑门操作等领域。另一方面,海森堡自旋系统作为实现量子比特的物理体系,由于其可测量性及可操控性较强,已被广泛应用于量子模拟。本文基于腔QED系统,研究了量子交换门的实现、原子簇态的制备、能量损耗腔场中原子的纠缠动力学以及原子纠缠态的纠缠浓缩;基于海森堡自旋系统,研究了几类海森堡自旋模型的的热纠缠和内禀退相干下海森堡自旋系统的纠缠演化性质,取得了一系列有创新意义的结果。主要工作包括以下内容: 第一章介绍了有关量子信息的基础理论,包括量子信息学的发展历史、量子纠缠的基本理论、量子比特和量子逻辑门、几种常见的物理实现方案和内禀退相干理论。 第二章介绍了腔QED和海森堡自旋系统的基本理论。具体给出了腔QED系统的常见理论模型的推导;给出了海森堡自旋系统的模型简述、海森堡自旋系统中的热纠缠定义和量度、海森堡自旋系统中的纠缠与量子相变的关系;介绍了本文所作的工作。 第三章提出了利用腔QED大失谐模型,实现量子交换门的物理方案,并以较高的保真度和成功概率制备了多原子簇态。由于在整个过程中,腔场仅被虚激发。在原子与腔膜之间没有能量交换,这样就使得系统退相干时间大大延长了。 第四章采用求解主方程的方法,研究了能量损耗腔中,两纠缠二能级原子与单模辐射场相互作用过程中原子的纠缠动力学。找到了不受能量损耗影响,能够实现纠缠放大和保持的方法。 第五章提出了利用腔QED系统浓缩非最大纠缠态的方法。利用热腔QED模型,实现了遥远纠缠原子的纠缠浓缩。对于相隔很近的纠缠原子的纠缠浓缩也提出了相应的方案。 第六章研究了在非均匀磁场中海森堡XYZ模型的热纠缠。在基态纠缠中,我们证实了量子相变的产生;当温度T>0时,磁场的存在对于临界温度T_c具有重要作用,理论上通过磁场的调节能够在任意温度下获得纠缠;考察了系统在任意温度下,纠缠在三个参数空间(γ,ε),(γ,η),(γ,J_z)的变化趋势,这为在确定温度下通过外部磁场参数来调整补偿系统的内部参数提供了依据。 第七章研究了内禀退相干下海森堡XY模型的纠缠演化。结果表明系统的纠缠在内禀退相干下能够演化为一稳定值,内禀退相干对纠缠的振荡幅度有明显的压缩作用,且随着退相干因子Γ的增加,系统纠缠更快地达到稳定值;磁场,这个作为自旋系统纠缠控制的最有力的工具,它的引入在系统一定的初始条件下能够对系统的纠缠起到重要作用;系统纠缠的时间演化表现出对两个比特初始态的强依赖性质,纠缠能够通过改变两比特的相对相位和振幅而得到控制,在不同的初始纠缠(θ不同)下,通过改变两比特的相对相位φ,能够得到大于,等于或者小于初始纠缠度的纠缠;另外在没有外界磁场时,我们发现Bell正交态是系统的“暗态”,在演化过程中系统纠缠不受系统退相干的影响。 第八章对全文进行了总结与展望。


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