在耗散的光学腔中实现量子态传输与量子纠缠

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在目前量子信息处理和量子计算领域中,快速准确的量子态操纵与制备一直深受研究者们的热切关注,其潜在的应用价值主要体现在量子测量、量子信息、量子通信以及量子传感中。耗散作为一种重要的资源,在制备纠缠态以及量子态的传输的研究中起积极作用,对量子信息的发展也具有非常显著的意义。腔量子电动力学系统(腔QED)相较于其他物理系统的优点在于可以通过原子存储信息,通过光子传输信息,各种纠缠态操控的方案可以基于此系统实现。耦合腔QED阵列系统的优点在于其可扩展性,为量子信息的快速发展提供了有力的技术支持。近年来,基于耦合腔系统的研究工作纷纷展开,其中实现量子态的操控与制备一直是热门的研究内容之一。本论文将利用耗散的光学腔实现量子态传输和制备纠缠态。主要的研究成果如下:首先,我们在耗散耦合腔阵列中成功实现了单向量子态传输方案。量子态传输在量子信息处理中担当着重要的作用,已经在理论和实验上取得了许多成果。我们利用耗散的方法来辅助进行单向量子态传输,将任意的量子态从“发射”端转移到“接收”端,光腔的耗散可以使量子态在接收端保持稳定。此时,目标态成为整个过程的稳定态,且不依赖时间。此外,原子的自发辐射因为激发态的绝热消除而被显著抑制。同时我们分析了该方案的实验可行性,结果表明,“接收”端传输态的保真度可达98%以上。其次,我们系统地研究了利用耗散在耦合腔阵列中由两个四能级原子生成三维纠缠态的可行性。利用绝热消除,我们可以使原来耦合的两个单模腔的模型简化为一个单模腔模型。通常量子耗散会阻碍纠缠态的制备,但在该方案中我们利用耗散的方法可以非常有效地进行纠缠态制备,这种方法将噪声源转换成了有利资源。并且数值模拟验证了有效算符理论,且与给定参数下的主方程吻合良好。通过经典场的基态耦合和原子的自发辐射,我们可以在不同的初态下均获得稳定且保真度高的纠缠态。
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