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量子计算的腔QED实现方案的研究

作　者: 刘传龙
导　师: 郑亦庄
学　校: 温州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 量子计算 腔量子电动力学 纠缠相干态 分布式量子计算机 非局域量子操作
分类号: O413.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


量子计算是量子信息学科最重要的部分之一。自上个世纪70年代,量子信息经过近半个世纪的发展,现在已经成为一门新的交叉型学科,以量子物理和信息科学的交叉点为基础,内容更为丰富、新颖,涉及材料科学、原子物理学等等,所研究的领域已经远远超越了它们的交叉点。不仅量子力学与信息科学结合充分显示了学科交叉的重要性,而且量子信息的最终物理实现,会导致信息科学观念和模式的重大变革。现在物理学家、材料专家等专注于如何实现这些操作、算法,以及在什么样的系统下完成量子计算的物理实现。人们已经提出的各种量子计算的物理实现技术和方案,腔量子电动力学是目前较有前景的量子硬件设计方案之一。腔量子电动力学是研究光子与原子相互作用的一门学科,是光学微腔的理论基础。它阐述了原子(离子等)与光子在狭小的腔内特殊边界条件下所表现出来的与在自由空间完全不同的基本行为,从根本上揭示了原子与光场之间的相互作用的动力学过程,还提出了一系列光的量子本性、光与物质相互作用的复杂的物理问题。我们利用腔量子电动力学技术(QED)去研究探索量子态的制备、量子计算等量子信息处理。本文介绍量子信息与量子计算的基础知识和腔量子电动力学的理论基础,基本概念和方法,然后分别研究了利用腔量子电动力学技术进行量子态的制备、传输和操控。。论文的主要工作包括下面几个部分：1.研究了纠缠相干态的隐形传态。在腔QED中,利用四粒子的单模纠缠相干态态作为量子通道,实现了纠缠相干态隐形传态；然后,提出了一种利用两粒子的双模纠缠相干态作为量子通道,实现纠缠相干态的隐形传态方案,本方案在正交表象中完成纠缠相干态的传递,成功率可以达到1。2.利用腔量子电动力学系统实现非局域Toffoli门的方案。利用腔量子电动力学系统可以实现静止量子比特和飞行量子比特之间信息的转换,从而完成量子信息传递、储存和操作过程。我们首先分析了光学腔的Input-Output表述方法；并介绍在这种模型中光子与原子之间的受控相位门的实现。然后,提出了一种利用腔量子电动力学系统实现非局域Toffoli门的方案,并利用光学腔的Input-Output理论对其实现过程进行了讨论,可以得到高的保真度。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 量子信息与量子计算简介  9-23
  1.1 量子位、量子门与量子线路  10-14
    1.1.1 量子比特  10-11
    1.1.2 量子门  11-13
    1.1.3 量子线路  13-14
  1.2 量子纠缠态与分布式量子计算机  14-22
    1.2.1 量子纠缠态的定义与例子  14-17
    1.2.2 分布式量子计算  17-22
  本章小结  22-23
第二章 腔QED中的量子计算实现简介  23-34
  2.1 腔QED的基本概念和方法  24-30
    2.1.1 电磁场的量子化  24-25
    2.1.2 辐射场和原子的相互作用  25-26
    2.1.3 原子自发辐射几率与腔的品质因素Q  26-28
    2.1.4 单模场与二能级原子相互作用的J-C模型  28-30
  2.2 腔QED中量子计算的实现  30-33
    2.2.1 量子比特的制备及操纵  30-32
    2.2.2 利用腔QED实现单量子比特门  32-33
  本章小结  33-34
第三章 纠缠相干态的量子隐形传态及其腔QED实现的研究  34-43
  3.1 利用腔QED技术实现单量子通道的纠缠相干态隐形传态  34-38
    3.1.1 原子-腔场相互作用描述  34-35
    3.1.2 纠缠相干态的隐形传态  35-38
  3.2 双量子通道的纠缠相干态隐形传态  38-42
    3.2.1 纠缠相干态隐形传态的量子通道  38-40
    3.2.2 正交基表象里的纠缠相干态隐形传态  40-42
    3.2.3 利用腔QED技术实现纠缠相干态隐形传态中的Pauli操作  42
  本章小结  42-43
第四章 光学腔中Input-Output模型与受控相位门的实现  43-51
  4.1 光学腔中Input-Output模型  43-46
    4.1.1 光学腔中Input-Output系统模型  43-45
    4.1.2 有关线形系统的Input-Output表述  45-46
  4.2 受控相位门的实现  46-50
    4.2.1 受控相位门装置及腔中原子的能级结构  46-47
    4.2.2 实现受控相位门的理论表述  47-50
  本章小结  50-51
第五章 非局域Toffoli门的腔QED实现方案  51-60
  5.1 一般的Toffoli门  51-52
  5.2 腔QED非局域Toffoli门的量子线路及可能的实验装置  52-57
    5.2.1 非局域Toffoli门的量子线路  52-54
    5.2.2 实现非局域Toffoli门  54-57
  5.3 实现非局域Toffoli门的保真度分析  57-59
  本章小结  59-60
总结与展望  60-62
参考文献  62-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间发表或完成的论文  70

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 理论物理学 > 量子论 > 量子电动力学
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