量子纠缠态的制备.pdf

摘要

量子纠缠是量子物理非常显著的特征之一。量子纠缠是量子信息学中重要的基本
资源,并且还能验证量子力学的基本问题。量子纠缠在量子信息学中的两大领域——
量子计算和量子通信中有着广泛的应用。实现量子计算的两比特逻辑门通常是指受控
OT),这种逻辑门的实现实际上就是将两个量子比特纠缠起来的过程;而量
子通信实际上可以理解为异地量子纠缠态的制备,操纵及测量。值得说明的是,正是
因为量子纠缠的特性使得量子计算和量子通信具有区别于经典计算和经典通信的优越
性。因此,对于量子纠缠的定性和定量以及制备各种量子纠缠态的研究是非常有意义
的工作。人们对量子纠缠态的制备做了大量的研究工作,到目前为止,已经在多种物
理系统中实现了各种量子纠缠态的制备。例如:光子之间纠缠的实现,原子-腔相互
作用实现原子以及腔场的纠缠,利用囚禁离子产生纠缠态,在 BEC(Bose-Einstein
condensates)中纠缠态的产生,以及量子点间纠缠的制备等等。本文介绍并总结了人
们在原子纠缠态、光场纠缠态及囚禁离子纠缠态制备的研究中取得的进展,并提出了
基于原子-光场系统相互作用两个多能级原子最大纠缠态、三个场模纠缠的 W 态、多
个光场纠缠的 GHZ 态的制备以及基于囚禁离子系统纠缠态的制备方案。本文的主要工
作包括以下内容:
1)研究了两个四能级 Ryberg 原子与单模腔场相互作用的动力学特性,提出了一
个方案,即:利用腔场虚激发以及附加经典场的激发使处在非共振腔里的两个四能级
Ryberg 原子产生一个最大纠缠态,用这个方案也可以得到两个 N 能级(N>4) Ryberg 原
子的最大纠缠态。当事先调制好初态的两个原子同时通过腔场时,原子实际上只是被
激发了,在原子与腔场之间没有能量的交换,从而原子携带的量子信息也不会损耗。
2)研究了单个原子与多个腔中光场相互作用的动力学特性,提出了一个制备多个
腔中光场 GHZ 态的制备方案。该方案是基于一个三能级原子与多个腔中光场发生共振
相互作用,通过控制相互作用的时间以及最后对通过腔场原子状态的测量来实现的。
在该方案中,既可以使用 V 型三级原子也可以使用级联型三能级,最终都可以得到多
个光场纠缠的 GHZ 态。
I
3)研究了单个原子与三模腔场相互作用的动力学特性,提出了一个在无介质的高
Q 腔中产生三个场模 W 态的方案。该方案是基于一个四能级原子和具有三个场模腔场
相互作用,通过控制相互作用时间以及对原子最后状态测量来实现的。用这个方案也
可以实现多个场模 W 态的制备。
4)提出了一个制备任意多个囚禁离子的叠加运动相干态的方案。制备的叠加运动
相干态在位相空间呈一直线分布。该方案还能用来制备任意多个囚禁离子的最大纠缠
GHZ 态并实现一个两比特量子位的相位门。该方案的优越性在于仅仅使用了一束驻波
光,驻波光的载波频率使得离子发生跃迁,而所有离子同时所处的位置可以不限于激
光的波腹而处在任意位置。这能给实验带来许多便利,同时,只要选择的激光的 Rabi
频率足够大,相应的操作时间能足够短。

关键词:量子纠缠腔囚禁离子 GHZ态


















II
Abstract

Quantum entanglement is one of the most striking features of quantum physics.
Quantum entanglement is a potential resource for quantum information processing, and can
be used to test basic problems in quantum mechanics. Quantum entanglement has many
applications in both the fields of munication and putation. The
two-qubit logic gate which realized putation is usually the two-qubit
controlled-not OT). munication can be viewed as the generation,
manipulation and measurement of distant entangled states. It is worth showing that it is just
owing to the char