量子信息输运和非绝热量子计算的理论研究

论文摘要

量子信息科学是将量子力学应用到计算机科学、信息科学和密码学等多个学科中而形成的交叉学科,它研究的主要内容是相对安全的量子信息输运和可靠的量子计算。量子信息在保密性和传输效率方面,相比于经典信息,具有后者无法比拟的优势。目前有很多可以实现量子信息输运的物理载体供选择,其中腔QED系统和光与物质的相互作用进行量子信息处理,无论在理论上还是实验上都得到了广泛的研究。因为原子和光子的寿命长,具有很好的抗退相干性。尤其是最近几年高品质因子共振腔的研制成功使得腔QED系统成为了未来量子信息处理实用化最有潜力的候选者之一。量子计算能够有效的解决一些在经典计算机中被证明是困难的问题,例如,大数质因子分解问题。在量子计算的研究中,量子门是进行规模化量子计算,特别是分布式量子计算的基本单元。因此,构造和实现量子逻辑门操作是实现量子计算的核心操作,同时也是实现量子计算机的必要条件。本文主要研究了原子间偶极-偶极相互作用对单光子输运的影响、循环三能级系统的量子路由保真度分析和通用量子逻辑门的构造,以及在NV中心如何实现高保真非绝热量子计算。主要取得结果和创新点如下:1.原子间偶极-偶极相互作用对耦合腔波导完美传输单光子的影响偶极-偶极相互作用是两个原子之间的一种相互作用形式。本方案中,我们研究了具有偶极-偶极相互作用的两个原子耦合在一维耦合腔波导中实现了单光子的相干传输。通过数值模拟表明,光子的透射光谱取决于两个原子间的偶极-偶极相互作用和光子-原子之间的耦合相互作用。其中偶极-偶极相互作用可以改变光谱中的倾角位置,光子-原子之间的耦合强度可以改变透射光谱中的频带宽度。我们还进一步发现偶极-偶极相互作用可以使透射光谱分裂成两个能带谱。2.基于循环三能级系统的量子路由保真度分析量子路由器可以将量子信息从一个量子信道引入到另一个量子信道。因此,它在未来复杂的量子网络中发挥着越来越重要的作用。本文中,我们验证了周等人提出的量子路由器可以实现量子态的高保真度。我们发现当耦合强度ga=gb时,原子的保真度在一段时间内先从最大值开始减小,然后在上升最后达到最大值1;当耦合强度不相等时,保真度达不到最大值1。这表明量子路由器不仅可以传输量子信息而且可以保持信息。3.基于循环三能级系统在光学腔中实现量子iSWAP门实现量子计算必须要构造普适的量子逻辑门,而iSWAP门是组成复杂量子逻辑门的核心单元之一。因此,我们提出了在双模腔量子电动力学中通过循环三能级系统来直接实现iSWAP门的方案。在该方案中,原子组合与双腔模式和经典场的强耦合相互作用可以导致原子的激发态绝热地消除。而且该方案对原子自发辐射具有很强的鲁棒性。我们还讨论了原子自发辐射和腔模衰减对光子损失和保真度的影响。理论结果表明,该方案在实际噪声下具有很高的保真度。4.在NV中心固态自旋下实现高保真度非绝热量子计算非绝热完整量子计算的高速实现和鲁棒性为克服量子系统与环境容易退相干的困难提供了新思路,从而为大规模量子计算机的构建奠定了基础。我们在NV中心电子自旋态下实现非绝热完整量子计算并展示了高保真的量子门,这为在室温下实现量子计算的可扩展性实验提供了理论基础。与之前的方法相比,我们通过由NV中心获得的非阿贝尔几何相位来改变微波脉冲的振幅和相位实现了单比特门和双比特门。

论文目录

• 论文创新点
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics）
•     1.1.1 背景和历史
•     1.1.2 腔QED系统的物理参数
•     1.1.3 Jaynes-Cummings模型
•     1.1.4 退相干
•   1.2 量子信息基础知识
•     1.2.1 量子态
•     1.2.2 量子纠缠
•     1.2.3 量子通信
•     1.2.4 保真度
•   1.3 量子计算
•     1.3.1 量子比特
•     1.3.2 寄存器
•     1.3.3 量子逻辑门
•     1.3.4 量子算法
•   1.4 量子计算机
•   1.5 抗量子计算公钥密码
•     1.5.1 基于Hash函数的数字签名方案
•     1.5.2 基于纠错码的密码
•     1.5.3 基于格的密码
•   1.6 NV中心
•   1.7 本论文的主要结构
• 2 原子间偶极-偶极相互作用对耦合腔波导完美传输单光子的影响
•   2.1 背景介绍
•   2.2 理论模型
•   2.3 单光子输运的透射光谱
•   2.4 本章小结
• 3 基于循环三能级系统的量子路由保真度分析
•   3.1 引言
•   3.2 单光子量子路由
•   3.3 量子态高保真度分析
•   3.4 小结
• 4 基于循环三能级系统在光学腔中实现量子iSWAP门
•   4.1 背景介绍
•   4.2 物理模型
•   4.3 量子iSWAP门
•   4.4 小结
• 5 在NV中心固态自旋下实现高保真度非绝热量子计算
•   5.1 引言
•   5.2 非绝热整体量子计算
•   5.3 单比特量子门
•   5.4 数值模拟与讨论
•   5.5 双比特量子门
•   5.6 小结
• 6 总结和展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 附录 A 符号约定
• 附录 B 运用时间平均法获得有效哈密顿量
• 附录 C 耦合腔波导介绍
• 参考文献
• 攻博期间发表的科研成果目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 闫国安

导师: 乔豪学,蔡庆宇

关键词: 量子路由,偶极偶极相互作用,量子计算,中心

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 武汉大学

分类号: O413

总页数: 100

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