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空间运动对原子系综量子比特的影响

中国科学（G辑） 2003年第3期33卷 272-280页

作者：李勇易俗尤力孙昌璞中国科学院理论物理研究所 School of Physics Georgia Institute of TechnologyAtlanta GA 30332-0430USA

通过推广原子系综集体激发态量子漏损(Quantum Leakage)的概念,应用原子相干态的方法,系统地研究了原子质心的空间运动对二能级原子系综集体对称态动力学演化的影响。在宏观极限下,分析了原子系综集体态在有限温度时的量子退相干效应。... 详细信息

通过推广原子系综集体激发态量子漏损(Quantum Leakage)的概念,应用原子相干态的方法,系统地研究了原子质心的空间运动对二能级原子系综集体对称态动力学演化的影响。在宏观极限下,分析了原子系综集体态在有限温度时的量子退相干效应。研究表明,随着系综中的原子数N→∞,系统的保真度将变得很坏。因此,在利用原子系综存贮量子信息的研究中,量子漏损将是一个不可忽略和回避的问题。这些研究为原子系综能否作为量子比特应用于量子信息提供了理论上的可行性分析。

关键词：空间运动量子存贮原子系综量子比特量子漏损二能级原子系统原子相干态集体激发态量子退相干效应

基于原子系综系统实现控制Hadamard门和制备多量子比特的W-type态

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华南师范大学学报（自然科学版） 2011年第1期43卷 58-61页

作者：魏海红徐琳琳王发强梁瑞生华南师范大学信息光电子科技学院光子信息技术广东普通高校重点实验室广东广州510631

利用Rydberg阻滞机制,提出了实现基于原子系综系统的控制Hadamard门和制备n个量子比特W-type态的方案.该方案可以得到高保真度的n个量子比特W-type态,在量子信息处理方面具有可扩展性.

关键词：原子系综 Rydberg阻滞控制Hadamard门 W-type态

开放的原子系综与单模腔场作用系统的腔场透射研究

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开放的原子系综与单模腔场作用系统的腔场透射研究

作者：荆利莉东北师范大学

学位级别：硕士

一定数目的俘获原子组成的系综,在高极化极限下,原子内部能级跃迁与光场的耦合导致原子的集体激发,原子之间是全同的。这也是量子计算的一个模型。对于腔场衰减,甚至考虑原子衰减的情况下,开放体系表现出复杂的动力学特征。本论文... 详细信息

一定数目的俘获原子组成的系综,在高极化极限下,原子内部能级跃迁与光场的耦合导致原子的集体激发,原子之间是全同的。这也是量子计算的一个模型。对于腔场衰减,甚至考虑原子衰减的情况下,开放体系表现出复杂的动力学特征。本论文对具有衰减的量子化腔场和原子系综相互作用体系的光子透射进行了详细的讨论。在强耦合情况下,对二能级原子组成的原子系综与腔场相互作用体系进行了解析分析,对实验中比较容易测量的光子数的稳定平均值受参数和量子态的影响进行深入探讨。当原子系综和腔场制备在相干态时,光子数呈现震荡比较明显,这是与相干态的具有高阶相干性密切相关。而场制备在粒子数态,尤其粒子数较小时,出现高阶辐射吸收的可能性几乎可以忽略不计。当时间足够长时,二者趋于相同的稳定平均值,是和我们的解析结果相一致的。可以看出,相干性以全为相干态→一个相干态一个粒子数态→全部为粒子数态的过程递减。而粒子数的含时特性恰好与相互做用所决定的能级结构一致。

关键词：原子系综衰减透射光子数相干性

非旋波近似下开放的原子系综—腔场互作用体系的腔场透射分析

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非旋波近似下开放的原子系综—腔场互作用体系的腔场透射分析

作者：张袁东北师范大学

学位级别：硕士

基于单个两能级原子与腔场互作用的J-C模型,可以研究腔场与原子系综的相互作用体系的动力学特点。一个开放的原子系综-腔场互作用体系,腔场与原子能级都可能是衰减的。对于腔场衰减的补偿,同时有利于观测,人们外加一个经典驱动场与腔场... 详细信息

基于单个两能级原子与腔场互作用的J-C模型,可以研究腔场与原子系综的相互作用体系的动力学特点。一个开放的原子系综-腔场互作用体系,腔场与原子能级都可能是衰减的。对于腔场衰减的补偿,同时有利于观测,人们外加一个经典驱动场与腔场相互作用。这样的腔场的辐射表现出依赖于原子-腔场耦合系数,原子、腔场、经典场之间的频率失谐,以及经典场作用强度等参数的特点。一般情况下,对原子及原子系综与腔场的互作用系统的研究,人们采取旋转波近似(Rotating-Wave-Approximation:RWA)的方法。在这个近似的条件下,体系的动力学能精确求解。但是旋转波近似将原子-场作用的高频“虚过程”忽略是有一定条件的,首先这种互作用需要比较弱。也就是说,对于任意的原子-场耦合强度的情况,不可以随意不考虑会导致高阶跃迁的所谓“虚过程”。本文就从腔场和两能级原子系综相互作用的非旋转波近似模型的哈密顿量出发,研究腔中场模的含时演化特性。在分析中,考虑了实际过程的不可避免的腔场衰减和原子系综的衰减,以及测量的需要,设置一个经典场对单模腔场的驱动。同时运用Laplace变换方法进行含时的场算符和原子算符的解析求解。对具有一种原子系综跃迁模式以及两种跃迁模式下的腔中光子辐射进行解析分析,讨论了腔模的稳态和含时结果对相互作用参量、频率失谐的依赖关系,以及制备体系为不同初态时的场算符的时间变化特点。结果表明,腔模的稳态由原子系综-腔场的相互作用,原子、腔模、经典场之间的频率失谐,以及腔模的衰减和原子系综衰减决定。当原子系综与腔场都制备在相干态初态时,腔模演化随时间的振荡最明显;当二者中有一个为相干态,另一个为粒子数态时,较二者都是粒子数态时振荡明显,这与相干态自身的特点是密切相关的。

关键词：单模腔场原子系综衰减非旋波近似

基于原子系综系统实现量子相位门和制备纠缠态

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基于原子系综系统实现量子相位门和制备纠缠态

作者：孙荣辉福建师范大学

学位级别：硕士

量子信息科学是量子力学和信息科学相结合产生的一门新兴交叉学科,它带来的生机和活力为信息科学的发展开辟了前进的道路。量子纠缠态是实现量子信息处理所需的基本物理资源,尤其是多量子比特纠缠态(如Cluster态,W态和GHZ态),在量子信... 详细信息

量子信息科学是量子力学和信息科学相结合产生的一门新兴交叉学科,它带来的生机和活力为信息科学的发展开辟了前进的道路。量子纠缠态是实现量子信息处理所需的基本物理资源,尤其是多量子比特纠缠态(如Cluster态,W态和GHZ态),在量子信息科学中起着至关重要的作用。而量子逻辑门是量子逻辑电路的基本单元,由最基本的量子逻辑门和逻辑关系所组成的通用逻辑门和逻辑关系是经典通用逻辑门和逻辑关系不可比拟的,是经典逻辑门和逻辑关系的进一步拓展和延伸。随冷原子技术的不断发展,对于可扩展的量子计算来说,用里德堡(Rydberg)原子系综作为物理系统实现量子信息处理被认为是有前景的方法之一。由于里德堡原子具有独特的物理性质,原子系综具有集体增强效应,因此研究基于里德堡原子系综构造量子逻辑门和制备多量子比特纠缠态具有重要的理论价值和实际意义。本文的主要工作有以下三个方面： 1、提出利用偶极封锁机制实现非传统的三量子特控制相位门方案。原子系综被囚禁于光学阱中并固定在芯片上,量子比特被编码于原子系综。由于集体编码和偶极封锁机制的特殊性质,该方案无需对系综中的原子进行独立寻址。相比于同类方案,实现门操作所用的时间被大大缩短。此外,所实现的量子门可作为有效制备大规模二维Cluster态的基本工具。 2、基于由具有2N+1个稳定基态和N个里德堡态原子组成的系综系统,采用对称集体态编码,利用偶极封锁效应并控制激光和系综相互作用时间,成功制备了多粒子W态。这种编码方法有效克服了以往由于偶极封锁效应仅在一定范围内有效从而导致难以拓展到多粒子情形的限制。最后,讨论了该方案的实验可行性。 3、基于由具有N+1个稳定基态的原子系综系统,采用对称集体态编码,借助偶极封锁效应实现了任意多的量子比特受控相位门。该方案不仅无须对系综中的原子进行独立寻址,而且采用这种独特的能级结构有效克服了由于偶极封锁效应有效距离所导致的量子比特数的限制问题。同时,该相位门可用于二维(2D)、三维(3D)图态的有效制备。

关键词：原子系综偶极封锁 W态受控相位门 Culster态

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腔场—原子系综体系的关联特性研究

腔场—原子系综体系的关联特性研究

作者：陈雯东北师范大学

学位级别：硕士

在高极化条件下,原子内部能级跃迁导致的原子的集体激发现象的研究日趋成熟。本文对原子系综—腔场互作用的开放系统进行了动力学分析。在较强作用情况下,从单体算符及多体算符的海森堡运动方程出发,求解导致二阶以致高阶跃迁,也是多体... 详细信息

在高极化条件下,原子内部能级跃迁导致的原子的集体激发现象的研究日趋成熟。本文对原子系综—腔场互作用的开放系统进行了动力学分析。在较强作用情况下,从单体算符及多体算符的海森堡运动方程出发,求解导致二阶以致高阶跃迁,也是多体效应的含时多元激发。典型的,当这些多体算符由原子系综和腔场算符共同构成时,一定程度上体现出两个子体系之间的高阶相干特性。首先在动力学分析的基础上,讨论了这个体系的纠缠度。然后,研究了双元激发体现出的相干特性,也就是双元激发随时间变化的特点。研究了三种情况下原子系综—腔场互作用系统的一阶和二阶高斯相干函数,即考虑一种跃迁模式的原子系综和两种跃迁模式的原子系综在单模场作用下的相干函数,以及压缩单模场情况下的相干函数,并对结果进行了较为细致的分析。尤其二阶相干函数的分析,体现出当把初态尽可能制备在相干态形式时,相干函数表现出很好的较明显的振荡,这恰好与相干态的各阶相干函数均不为零是一致的。在论文工作中,充分考虑了当腔场被压缩时所带来的影响,对含时的两体相干项,和一阶与二阶相干函数进行了详尽的讨论。与没有压缩相比,存在腔场压缩时的二阶相干函数展现出腔模和原子系综模式的贡献有所不同。

关键词：压缩腔场原子系综纠缠度原子跃迁相干函数

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基于原子系综相干特性的动力学敏感性

基于原子系综相干特性的动力学敏感性

作者：黄金凤湖南师范大学

学位级别：硕士

在许多多体量子系统中,随着系统某些外部参数达到它的临界值,在零温情况下量子系统会发生量子相变。一般说来,量子相变的发生伴随着处于临界点时量子系统基态的能级交叉或者是某种对称性的破缺。最近,人们发现对于一个量子相变系统,在... 详细信息

在许多多体量子系统中,随着系统某些外部参数达到它的临界值,在零温情况下量子系统会发生量子相变。一般说来,量子相变的发生伴随着处于临界点时量子系统基态的能级交叉或者是某种对称性的破缺。最近,人们发现对于一个量子相变系统,在它的临界点附近,量子相变系统的动力学具有极高的敏感性。这个理论预言已经在核磁共振实验中得到了验证。在本文中,我们研究了处于一个单模电磁场中的原子系综的动力学敏感性。我们把这个系统称为光场缀饰的原子系综,它能够用Dicke模型来描述。我们假设这个原子系综中的所有原子都与该单模光场共振耦合。当一个与光场频率大失谐的外部二能级原子穿过这个腔,由于Stark效应,腔场的共振频率将被移动。因此,处在量子相变附近的光场缀饰原子系综将被推过它的临界点。在这种情况下,Dicke模型的动力学对于这个外部原子的穿过将非常敏感。我们采用Loschmidt回波来刻画这种动力学敏感性。Loschmidt回波能内在地由光场缀饰原子系综的特性所定义出来。在短时近似下,我们证明,Loschmidt回波恰好是光场缀饰原子系综中光子数涨落的指数函数。这意味着我们可以通过测量光子关联来得知Loschmidt回波。Loschmidt回波的突然改变意味着这个外部原子穿过这个腔。我们也指出了Dicke模型中量子敏感性与云室中探测粒子飞过的经典敏感性存在相似性,粒子飞过云室中诱导出的经典相变会加强粒子的运动轨迹。

关键词：原子系综 Dicke模型量子相变动力学敏感性

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光腔中原子系综连续变量簇态的制备

光腔中原子系综连续变量簇态的制备

作者：黄格华中师范大学

学位级别：硕士

簇(cluster)态,是一类纠缠度很高的多粒子态。利用连续变量cluster态进行量子计算是一个非常活跃而又有趣的探究领域,它为量子信息和量子计算开辟了一条崭新的道路。在最近几年,量子通信,甚至在更广的量子信息领域中,连续变量cluster态... 详细信息

簇(cluster)态,是一类纠缠度很高的多粒子态。利用连续变量cluster态进行量子计算是一个非常活跃而又有趣的探究领域,它为量子信息和量子计算开辟了一条崭新的道路。在最近几年,量子通信,甚至在更广的量子信息领域中,连续变量cluster态都引起了人们极大的关注,无论是理论研究还是实验应用都展现出一片欣欣向荣的前景,因为与其相关的制备、操控和探测相对来说都比较简单且高效。在本文中,我们提出利用光腔中的原子系综来制备多模连续变量cluster纠缠态的两种方案。第一个方案是制备六模线形和方形连续变量cluster纠缠态,模型是放置在一个六边形单模腔中的六个原子系综,每个原子系综用两束不同频率的激光场驱动,原子系综与腔模发生耦合,原子的激发态被绝热消除,推导出系统的有效哈密顿量。通过六个步骤选择激光脉冲的拉比频率和相位,再通过分束器变换和压缩变换,借助腔模的耗散,将六个原子系综分别制备到单模压缩真空态,最终完成线形和方形的六模连续变量cluster纠缠态的制备。另外一个方案是一步法制备一种特定的四模环状加权的连续变量cluster纠缠态,这个特定的态曾经被张靖用来解释量子协作(Quantum Teamwork)的工作原理。我们只需要对压缩参数和七束经典激光参量进行一次性选择,利用特定的线性组合变换和压缩变换,就可以通过腔模的耗散将原子系综制备到这个特殊的四模环状加权的连续变量cluster纠缠态。两种方案都是用经典激光来驱动光腔中的原子系综,原子系综与腔模发生耦合,得到相应的等效哈密顿量,通过适当的调节压缩参数、激光拉比频率和激光相位,利用了腔场的耗散,让系统最终演化到稳态,原子系综都被制备到特定的多模连续变量cluster纠缠态。

关键词：连续变量 cluster态原子系综单向量子计算

利用原子系综进行光量子态的存储和非经典态的制备

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利用原子系综进行光量子态的存储和非经典态的制备

作者：王明锋温州大学

学位级别：硕士

光量子态的存储是量子信息学中至关重要的环节。在量子通讯中,量子通讯网络的构建将依赖于量子中继器,而量子中继器的核心技术则是光量子态的存储;在量子计算中,具备对飞行比特进行存储的能力是实施系统量子计算的根本保证。非经典态的... 详细信息

光量子态的存储是量子信息学中至关重要的环节。在量子通讯中,量子通讯网络的构建将依赖于量子中继器,而量子中继器的核心技术则是光量子态的存储;在量子计算中,具备对飞行比特进行存储的能力是实施系统量子计算的根本保证。非经典态的制备是量子信息学中的根本任务。非经典态如压缩态、纠缠态、相干叠加态等是实现量子计算和量子通讯的基础,也是致使量子信息处理超越经典信息处理的关键所在。目前,针对这些量子信息处理任务选择适当的物理体系进行实验实现是量子信息研究领域的热点。近年来,原子系综作为量子信息处理的器件,因其具备长相干时间、与光相互作用的可控性、以及易于实验操纵等诸多优点而受到了国内外研究者的广泛关注。它不仅被证明了是光量子信息存储的绝佳载体,同时也已被证明是制备非经典态的绝好器件。本文致力于研究基于原子系综的量子信息处理过程,内容主要集中在如何利用光和原子相互作用的法拉第偏转效应进行光量子态的存储以及非经典态的制备。本文首先回顾了光与原子相互作用的法拉第偏转效应的基本原理,从基本的光和原子相互作用原理出发,详细推导了系统演化过程并将结果表示为连续变量算符形式。之后,我们回顾了基于法拉第偏转效应的量子信息处理的主要协议,给出了基于用法拉第效应的光量子态存储、原子系综间纠缠的产生、原子系综的量子隐形传态、光与原子系综间纠缠的建立、以及光与原子系综间的量子隐形传态等诸多方案的具体实施过程。在这些协议的基础上,我们进一步阐述了本论文的成果内容：(1).光量子态的远程克隆存储。首先,提出了如何利用光与原子间的两体纠缠制备实现远程克隆所需的多体纠缠。在此基础上,我们实施了单反馈光量子态的远程克隆存储方案,得到了方案的保真度为F=0.58。接着,提出了双反馈光量子态的远程克隆存储方案,通过附加另一反馈操作改善了量子通道,使得协议保真度提高到了F=0.63。为了进一步提高协议保真度,我们尝试了利用不同类型的光与原子间的纠缠实施本方案,最终得到了最佳高斯克隆保真度F=0.67,证明了我们所提出的方案是最佳的。在光量子态的传态克隆存储的基础上,又给出了原子系综间的传态克隆存储方案,发现只需小的匹配系数即可达到大的保真度。最后,我们还考虑了噪音对方案实施的影响,发现我们所提出的各种方案具有较强抵抗噪音的能力。(2).原子系综的高效纠缠态制备与量子隐形传态。首先,给出了一个实现原子两系综间高度纠缠的方案。发现通过设置相干光双路径通过两个远离放置的原子系综,对与原子相互作用后的出射光做零差测量,根据测量结果对原子系综进行简单的平移操作即可得到原子系综的高度纠缠。与此前提出的单路径方案相比,双路径方案可极大的增强系综间的纠缠度,表现为将体系的Einstein-Podolsky-Rosen均方差从原来的洛仑兹衰减规律转变为了指数衰减规律。同时,我们又给出了一个高效的原子态Bell测量方案,利用此方案加上产生的原子系综间的高度纠缠作为通道,可实施高效的量子隐形传态方案。最后,考虑了噪音对方案实施的影响,发现我们所提出的方案有较强抵抗原子退相干的能力,但易于受光子损耗的影响,为此,我们又给出了实验改进的方法。

关键词：原子系综光量子态存储纠缠态量子远程克隆量子隐形传态