利用Rydberg原子产生三维纠缠和量子交换门的研究

作     者：王聪 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋杰

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070203[理学-原子与分子物理] 070201[理学-理论物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：Rydberg原子 阻塞 反阻塞 量子纠缠 量子交换门 

摘      要：Rydberg原子是主量子数特别大的高激发态的中性原子。它的存活时间较长,而且半径很大,此外,电偶极矩强,还具有其他中性原子不具备的一些特性。Rydberg原子偶极偶极相互作用还能够激发一种Rydberg态的阻塞效应。这种阻塞效应是指,在微米的量级里,能够激发到主量子数很大Rydberg态上的原子最多仅有一个。这种阻塞效应是很多量子操控方案的理论基础。Rydberg原子之间的相互作用强度的变化区间非常大,所以物理上可以灵活的调节Rydberg原子之间相互作用强度的大小,用来实现各种高保真度的量子门的操作和制备不同的纠缠态。当满足Rydberg相互作用强度,原子跃迁频率与驱动激光器频率失谐之间的一定关系,原子也可以对Rydberg态激发,这导致了所谓的Rydberg反阻塞。本文主要研究一种在两个Rydberg原子之间产生三维纠缠的方案,即施加两个激光场来驱动每个原子的两个跃迁。根据Rydberg原子的阻塞与反阻塞性质,提出了一种在两个Rydberg原子之间产生三维纠缠的方案。通过引入失谐补偿来抵消斯塔克移位,从而产生一个有效的谐振三能级系统。首先,计算了四个三维纠缠态,对涉及|00,|11和|rr的三维纠缠态进行了理论计算和数值模拟。然后,讨论了 Rydb erg-Rydb erg相互作用（RRI）强度的变化和原子空间波动对方案的影响。研究了 Rydberg态自发辐射对三维纠缠生成的影响,对Rabi频率进行了分析,保证了高保真三维纠缠的产生,其保真度高达0.998。最后,给出了数值搜索算法,从而得到优化参数,缩短操作时间,减少退相干积累。对于Rydberg原子还可以进行量子门的操作。提出了一种在两个Rydberg原子之间产生量子交换门的方案,交换第二个原子的激光驱动,用Rabi频率Ω1’驱动（?）的跃迁为红失谐△1,（?）频率为Ω2,为蓝失谐△2,并利用失谐补偿法消除斯塔克移位,实现量子交换门。对执行量子门的动力学过程进行研究,发现如果量子门的高保真度F0.99,要求原子间相互作用强度的绝对偏差值应限制在50kHz以下。