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。     

Tavis-Cummings模型中运动原子的量子关联动力学

通过数值计算的方法,研究了T-C模型中两运动原子与粒子场相互作用时两原子的量子关联。讨论了两原子的初始量子纠缠和腔场的光子数及原子的运动对两原子量子纠缠和量子失谐的影响。结果表明：初始量子纠缠不同,两原子的量子纠缠和量子失谐的演化不同;光子数的增加,两原子的量子纠缠出现猝死和恢复现象,而量子失谐保持非零,同时量子纠缠和量子失谐变化的更快;考虑原子的运动时,量子纠缠和量子失谐周期性演化,场模结构参数的增大,量子纠缠和量子失谐的演化周期变小。通过演化曲线发现,量子纠缠和量子失谐的演化具有相似性。     

耦合腔系统双光子过程中的纠缠特性

研究原子与耦合腔相互作用系统,考虑每个腔囚禁一个二能级原子,并且原子通过双光子跃迁与腔场发生共振相互作用,通过解薛定谔方程导出了系统态矢的演化规律;利用负本征值度量两个子系统间的纠缠,研究两原子间和原子与腔场间的纠缠演化,讨论了两腔场间耦合系数变化对纠缠的影响。研究结果表明:随腔场间耦合系数增大,原子间的纠缠和原子与腔场间纠缠均表现出从不规则振荡向准周期性演化的转变,当腔场间耦合系数大于一定值后它们均呈现出准周期性演化规律;而曲线平均值呈现时而增大时而减小的过程,表明它们与腔场耦合系数间存在非线性关系;另一方面,当腔场间耦合系数较小时,原子与腔场间纠缠还呈现出崩塌和恢复现象。     

未知原子态经纠缠腔场信道的隐形传态

为了有效地进行原子态的量子隐形传输,提出了一个使用纠缠腔场的原子量子比特态的量子隐形传输新方案,利用位于高品质光腔中的三能级原子与腔场进行大失谐的相互作用来实现,并讨论了光腔的耗散对量子隐形传输的影响。结果表明,该方案不需要辅助原子就能将一个原子态直接传输到另一个原子上,并且在不考虑光腔损耗的情况下传输效率达到100%;对于小的衰减,对任意态的传输,其保真度都接近1.0。该研究对量子通讯的发展是有帮助的。     

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。     

使用共振腔实现受控非门及量子隐形传态的方案

提出一个使用三能级原子以及通过经典场对单粒子态的操控和两原子与单模腔场的共振作用实现受控非门的方案,并使用该方案完成单粒子态的隐行传态过程.该方案中原子与单模腔场的共振作用时间可以很短,这一特点对量子信息处理过程中的消相干问题的处理是非常有利的,这也是该方案与已有文献报道使用失谐腔的腔QED方案的主要区别之一.     

弱克尔介质好腔中纠缠相干态光场驱动下的贝尔态原子系统的保真度

运用全量子理论并结合数值计算方法,研究了含弱克尔介质好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度。结果表明,对于理想腔,若原子初始时刻处于相干保持态,腔场初态的平均光子数很小,系统保真度始终等于1,随着腔场初态的平均光子数的增加,系统保真度单调衰减,但克尔介质越弱系统保真度越接近1;若原子初始时刻处于其余Bell态之一,腔场初态的平均光子数很小,系统保真度在0～1之间作周期性振荡,随着腔场初态的平均光子数的增加,系统保真度的振荡频率增大,振幅减小。对于好腔,若原子初始时刻处于相干保持态,系统保真度呈指数单调衰减;若原子初始时刻处于其余Bell态之一,系统保真度呈指数振荡衰减,且随着腔场初态的平均光子数的增加,系统保真度的振荡频率增大,振幅减小。     

基于腔QED的量子相干能量效应的研究

基于微腔系统与大量二能级原子对组成的非平衡 库相互作用的原子穿腔模型,研究了原子对携带的 量子相干信息对腔场的能量贡献。推导了原子对处于一般态(所有密度矩阵元均为非零参数 )下微腔动力 学演化主方程,并计算了腔场的稳态能量。 展示了能量本征基矢下库中原子对的量子相干 扮演了热力学资 源的角色——能够辅助微腔系统提取更多的能量。同时,分析了所有量子相干元(二能级原 子对密度矩阵 的非对角元)在能量贡献中的不同特征。本研究对设计高效率量子热机具有一定的参考价值 。     

基于半导体共振腔的量子位与量子网络构建

以半导体共振腔内光子与原子的纠缠特性作为量子位,通过半导体共振腔电动力学系统将原子态转换成光子态, 根据半导体共振腔的工作特性,提出共振腔内原子与光子弱耦合与强耦合的判断条件, 并利用外加电磁场对原子的量子态进行操控,从而完成量子逻辑门的操作,再通过各共振腔量子电动力学(CQED)系统间的纠缠进行量子位扩充,实现量子计算与量子网络。介绍微碟型共振腔与单一量子点等多种模型,有助于将量子运算与量子通讯的概念转变为半导体量子器件的研制。     

利用非Bell基测量实现三粒子W态的隐形传送

研究非Bell基测量的未知三粒子W态的隐形传态方案.先利用原子和腔场的共振相互作用制备未知三原子W态.接着,利用两原子同时在强经典驱动场驱动下和单模腔场发生相互作用,产生态的演化,来制备EPR对量子信道.最后利用和制备量子信道同样的方法来实现未知三原子W态的隐形传送.在传送过程中,可忽略腔场热作用和腔延迟作用的影响.传送成功的总几率为1.     

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。     

激光脉冲驱动下双腔耦合系统的动力学特性

在外加激光控制下,研究了含有两能级量子比特的双腔耦合系统的动力学行为.基于系统的相互作用哈密顿量,得出了系统量子态激发概率的解析解.通过数值模拟讨论了3种特定情况下系统的动力学特性:外加脉冲与腔场发生近共振、比特与腔模大失谐条件下,腔模的最大激发概率小于0.07,腔模处于非激发状态,比特的激发概率出现瞬时衰减;比特与腔模强耦合条件下,腔模的激发概率近似0.5,腔模处于半激发状态,比特的激发概率出现高频振荡;腔场之间大跳跃条件下,腔模的最大激发概率小于0.07,腔模处于非激发状态,比特的激发概率出现高频振荡.     

单模辐射场与两个二能级原子相互作用过程中的熵特性

在大失谐条件下，研究了一位于能量损耗腔中两个二能级原子与单模辐射场相互作用系统中，原子-光场系统线性熵、原子线性熵和光场线性熵的时间演化特性，讨论了两原子的初始状态、腔场衰减常数以及光场的平均光子数对各线性熵的影响。结果表明：当两原子均处于激发态或基态时，各线性熵始终为零；而当两原子初始均处于激发态与基态的相干叠加态时，腔场损耗使得系统演化为混合态，原子线性熵和光场线性熵作振幅逐渐减小的周期振荡。     

在原子-腔-光纤系统中制备N个腔模的W态

提出一个在原子-腔-光纤系统中制备最大纠缠的W态方案,要求原子与腔之间的耦合常数要比拉比频率小的多。通过暗态绝热演化方法,使原子的自发辐射和光模损耗得到有效的抑制。因此我们一些参数的涨落对此方案的影响比较小。该方案操作比较简便,只要调节原子与腔场之间的耦合系数就能得到W态。此系统构成量子网络的一部分。     

不同光学腔中远距离原子间量子相位门的实现

提出了一个实现处在不同光学腔中的远距离原子之间的量子受控相位门方案,通过利用光子的稳定性和原子-光子在光学腔中的强耦合作用,从而得到了不同原子间的幺正演化操作。该方案不受腔中光子衰减和原子自发辐射产生的消相干影响, 从而使受控相位门操作具有高保真度。     

量子化介观RLC并联电路在热真空态下的量子效应

根据热场动力学理论,研究了具有普遍意义的量子化介观RLC并联电路在热真空态下产生的量子效应,并分析在各支路中电流和电压的量子涨落与电路元件、环境热真空态以及时间三个方面因素的关系。结果表明,处于热真空态下的量子化介观RLC并联电路,各支路电流和电压的量子涨落均受到这三个方面因素的影响, 并且具有如下规律, 电流和电压的涨落均随时间按指数规律衰减,但衰减速度仅与电路元件的参数有关,而初始时刻涨落的大小由电路元件参数和环境热真空态的温度共同决定。     

耦合双原子与单模光场相互作用系统中量子信息的传递

利用全量子理论,研究了耦合双原子与单模光场的相互作用过程.结果表明:在不同条件下,量子纠缠信息在腔场与原子之间可相互传递、交换以及保持;原子间的耦合作用主要影响量子信息的交换过程.