量子计算是量子信息处理的一个重要分支,其信息的存储和处理主要基于量子力学的态叠加原理,因此在大质数因子分解,全局搜索以及生物分子模拟等方面有着经典计算难以比拟的速度。快速且高保真度地将量子比特初始化到一个任意量子比特叠加态是开启量子计算的第一步。然而量子比特的载体隶属于不同的物理系统,且这些物理系统中存在着一些不可避免的干扰因素,如频率失谐、激光强度的不均匀性和瞬时波动等,这些因素会阻碍高保真度的量子态操控。因此,设计合适的光脉冲,使之不仅能兼顾快速与高保真度的要求,同时还对这些干扰因素具有较好的鲁棒性,在某些量子计算系统中(如稀土离子系综量子比特系统)有着至关重要的作用。本文我们通过比较光脉冲的几种常用设计方法,考虑到我们研究的需要,选取了基于Lewis-Riesenfeld不变量的逆向工程方法来进行光脉冲的设计,以实现在具有非均匀展宽的三能级系统(以稀土离子系统Pr3+:Y2SiO5为例)中快速且高保真度地创建任意量子比特叠加态。同时考虑到光脉冲还要求对系统中的干扰因素:频率失谐和激光强度变化具有鲁棒性,给出了相应的考察依据—保真度F和系统误差灵敏度qs,对光脉冲的设计提出了进一步约束。基于上述方法和依据,我们设计了两种鲁棒脉冲,对光脉冲的性能和鲁棒性分别在Matlab中进行了模拟和验证:(1)设计了一种具有宽工作频率范围的光脉冲。模拟结果表明,该光脉冲用于创建量子比特叠加态时可在4 μs内,对具有±18 MHz以内的频率失谐量的量子比特的操控保真度达到98%以上,此鲁棒范围远远大于光脉冲的傅里叶频谱宽度,且对激光强度的空间不均匀性或瞬时波动均具有很强的鲁棒性。(2)设计了一种具有频率选择特性的光脉冲。通过在稀土离子系综量子比特系统中模拟发现,操作时间为4μs时,该光脉冲不仅可以在±270kHz频率失谐范围内实现超过99.7%的操控保真度,还对±3.5 MHz范围外的离子的非共振激发也存在较好的抑制性。该光脉冲同样对于激光强度变化具有很强的鲁棒性。