单光子波包与腔-量子点相互作用的动力学研究

对单光子波包与腔-量子点模型相互作用的动力学过程进行了数学推导,并通过数值模拟实现了静态量子比特与飞行光子比特之间的相互转换。结果表明：由腔-量子点系统输出到光纤的光子是一个平滑的波包;通过改变激光脉冲作用时间等系统参数,可实现量子点中的原子和光子的纠缠,在此基础上,即可实现不同量子点中原子的纠缠。研究结果对解决利用腔-量子点系统来构造量子计算机的接口、制备纠缠态以及实现受控量子门等热点问题具有积极意义。     

量子信息中的腔QED方案简介

在量子信息领域，腔量子电动力学(Cavity—QED)方案被认为是最有效的量子信息方案之一。随着技术的发展，越来越多的量子信息处理过程可通过腔-QED方案在实验上实现，例如，纠缠态的制备和量子逻辑门的实现。这里，我们将腔-QED的发展作一综述。腔-QED方案的核心就是腔场和原子的相互作用。根据原子的跃频率和场模频率的关系，我们可以将上述相互作用分为两大类：共振相互作用(原子的跃迁频率等于场模频率)和失谐相互作用(原子的跃迁频率与场模频率的失谐量很大)。从这两不同的方案出发，我们都可以实现；纠缠态的制备、未知量子态的隐形传输和量子逻辑门的构建。但是在共振相互作用中，量子信息处理过程对腔的Q值要求很高，这就使得实验实现很困难。而大失谐相互作用对腔的Q值要求大大降低，使得实验实现成为可能。通过比较，我们认为，大失谐方案为量子信息处理开辟了广阔的前景，使量子网络和量子计算机在不久的将来成为可能。     

基于腔QED任意两个Bell态纠缠交换的量子隐写协议

根据腔量子电动力学(QED,quantum electrodynamics)原子的演化规律提出腔QED内新颖的量子隐写协议,其隐藏容量高达4bit。协议通过腔QED中任意两个Bell态纠缠交换,建立一个隐藏信道传送秘密信息。协议不需将多粒子量子纠缠态作为量子资源,也不涉及关于多粒子量子纠缠态的纠缠交换和量子测量。分析表明,本文协议能够抵抗截获-重发攻击、测量-重发攻击和纠缠-测量攻击,具有良好的安全性。     

双Jaynes-Cummings耦合模型中几何量子失协的研究

基于Dakic提出的几何量子失协度量方法,研究了双Jaynes- Cummings(J-C)模型的几何量子失协。分析了初始态纯度、纠缠度、腔与原子间的耦合常数及腔内光子数等对几何量子失协随时间演化特性的影响。结果表明：通过提高纯度、初始纠缠度的值可以增大几何量子失协;非零光子数导致几何量子失协震荡衰减;通过调整腔与原子间的耦合常数可以改变振荡频率。     

一个特殊五粒子纠缠态的制备方案

实现不同的量子信息过程通常需要不同的纠缠态,一个特殊的五粒子纠缠态已被证明可用于量子隐形传态、量子态共享以及量子密集编码等多个量子信息过程.基于腔量子电动力学,提出此特殊五粒子纠缠态的制备方案.选择原子和腔场处于一定的初始态,让多个原子在腔场中发生相互作用,选择相互作用时间,通过经典的幺正变换实现将五个原子制备于特殊的纠缠态.整个制备过程中原子和腔场之间没有能量的交换,无需进行任何量子测量,这使得该方案在实验上更易实现.     

一维波导中并置两原子的量子纠缠

在线性离散关系下研究了一维波导中两个并列放置的原子之间的量子纠缠.为调查两原子间的纠缠度,用实空间方法计算了透射和反射光谱振幅,讨论了单光子的散射特性和纠缠态的并发性.结果表明:通过改变原子偶极-偶极相互作用可产生Fano线型的散射光谱,偶极-偶极相互作用可作为导致光谱Fano共振的一种可能的工具.通过调控原子-波导的耦合强度,量子并发也会发生Fano共振,可通过观察Fano共振推断出最大量子纠缠.     

失谐下量子信息的不失真保持

利用量子信息学的观点,分析了多个"任意多模(q模)相干态光场与二能级原子发生依赖于强度的任意多光子(Nk光子)非共振相互作用"构成的联合系统.结果发现:只需控制相互作用的时间:gt=π/2,无论初始存储于腔场还是原子中的量子纠缠信息均得以完全保持.当q=1,Nk=1时,将过渡到本文作者已讨论过的单模单光子相互作用的特殊情形,其结果是,量子信息完全交换.     

非简并κ光子J-C模型中光场的量子统计特性

考虑双模纠缠相干光场,将其中一束光注入一个存在二能级原子的腔中并与它们发生非共振k光子相互作用,总系统在腔量子电动力学演化过程中,对原子作选择性的测量,通过操纵相互作用时间以及选择适当的光场参量,控制未参加相互作用光场的量子统计性质,在一定条件下可产生反聚束、压缩态等非经典光场,并改变其非经典效应的强弱.这样,利用相干光场之间的纠缠关联,并通过非共振多光子腔QED技术,有效地实现了无直接量子测量的控制和改变相干光场的非经典性质的目的.     

原子-腔-光纤复合系统中腔场间的纠缠特性(英文)

考虑将W态中的两个二能级原子分别注入用光纤连接的耦合腔A和B中,并且原子与腔场发生共振相互作用的情况。采用Negativity熵来描述两子系统间的纠缠,研究了原子-腔-光纤复合系统中腔场间的纠缠特性。利用数值计算方法,通过对是否进行腔外原子的选择性测量情况下腔场与腔场间的纠缠的比较,讨论了对腔外原子的选择性测量和原子与腔场间的耦合系数变化对纠缠特性的影响。研究结果表明,对腔外原子的选择性测量可增强腔场与腔场间的纠缠,另一方面,随原子与腔场间的耦合系数增大腔场间纠缠增强。     

金属平面半导体量子阱微腔自发发射

应用微腔腔量子电动力学和半导体量子阱物理,讨论了平面半导体量子阱微腔的自发发射,得到了腔结构、量子阱参量和注入载流子下的微腔自发发射谱和载流子寿命.计算发现由于微腔和量子阱分别对光子和载流子的限制,平面微腔可以增进自发发射,具有很强单方向性。     

超导电路与体声波谐振器组成的量子iSWAP门方案

高保真度量子门的物理实现是量子计算和量子通信的关键技术之一。根据电路量子声动力学和量子电动力学,提出了由两个具有较长相干时间的超导transmon qubit和一个具有高机械品质因数的薄膜体声波谐振器组成的量子门方案,体声波谐振器起到类似微波光子通道的作用,使两个transmon qubit之间实现量子态交互。该文先用Butterworth van Dyke模型分析体声波谐振器在方案中的等效电路,构建系统的量子化哈密顿量,再用二能级原子 声子混合量子态形式编码系统的量子态,通过调节外磁场来调控系统的输入态,系统的输出态可通过测量模块得到。在Jaynes Cummings模型下,该系统能完成具有高保真度的量子相位交换（iSWAP）门操作。     

在双模腔QED系统中用原子-腔共振相互作用实现三量子比特Toffoli门

提出了一种在腔QED系统中用一个五能级原子通过原子-腔共振相互作用实现三量子比特Toffoli 门的方案。在提出的方案当中,两个量子化的腔模充当控制比特,而原子的两个低能态构成目标比特。数值结果表明,当同时考虑原子高能态的自发辐射和腔模的衰减对量子门的保真度的影响时,腔场的衰减是主要的噪声来源。讨论了原子-光场耦合常数的偏差对三量子比特Toffoli 门保真度的影响以及方案在实验上的可行性。     

量子阱垂直腔面发射激光器及其微腔物理

根据发展历史的顺序,对量子阱垂直腔面发射激光器微腔物理进行了概述,其中包括垂直腔面发射激光器、腔量子电动力学和半导体微腔物理。给出半导体垂直腔面发射激光器及其微腔物理思想来源的详细图像。     

腔QED中混态双原子系统的原子布居数演化

运用全量子理论和数值计算方法,研究了双J-C模型中处于混态的双原子系统粒子布居差的时间演化规律,讨论了原子初态及腔内光场对粒子布居差演化的影响。计算结果表明：当两腔内的平均光子数相同时,布居差的演化只与两原子的初态纯度和光场强度有关,与两原子的初始纠缠无关;而当两光腔内的平均光子数不同时,粒子布居差演化不仅与两原子初态纯度和腔内光场有关,而且还强烈地依赖于两原子的初始纠缠。     

量子阱DBR微腔激光器中自发发射的控制

应用腔量子电动力学和量子阱物理 ,计算了量子阱 DBR微腔激光器的自发发射谱 .发现由于 DBR微腔和量子阱分别对光子和载流子的限制 ,单方向的自发发射可以增进约三个量级 ,总的自发发射增强一个量级 .     

Kerr介质中双模SU(1,1)相干态场与三能级原子的量子纠缠

研究了在高Q Kerr介质腔中,关联双模SU(1,1)相干态场与V型、 ?型和 型三能级原子相互作用的量子纠缠性质。采用数值计算方法,详细讨论了Kerr效应对模场和原子之间纠缠程度的影响。研究发现在高Q Kerr介质腔中,模场与原子之间的纠缠受到Kerr效应影响的规律是一致的,在介质参数达到一定值前,模场与原子之间的纠缠随介质参数的增大而增大,超过这一定值后反而会降低它们之间的纠缠。     

混合态下运动原子与二项式光场相互作用的量子纠缠

利用负熵方法,研究了混合态下运动二能级原子与二项式光场相互作用多光子跃迁过程系统中的量子纠缠特性,讨论了原子初态、场模结构参数、光场最大光子数、二项式系数、跃迁光子数、失谐量等物理参量对系统纠缠度的影响。结果表明：考虑原子运动时,系统出现了规则的周期振荡,并且有退纠缠现象产生。随着场模结构参数的增大,振荡周期缩短,振幅减小。系统的纠缠值与原子初始混合程度有关,原子初态趋于纯态时系统纠缠度较高。随着二项式光场最大光子数的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变小,系统规则振荡的周期不发生改变。二项式光场趋于中间态时纠缠值较小。随着跃迁光子数的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变大,振荡周期缩短,并且振荡变得越来越快。考虑失谐时,系统出现了不规则的纠缠,系统纠缠度的最大值随着失谐量的增大而减小。