基于腔量子电动力学技术的纠缠态制备

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众所周知,量子纠缠在量子信息学中处于核心地位,它是量子通信以及各种量子计算任务的重要资源。纠缠态的制备与操控得到了很多的关注,这不仅促进了相关实验技术的发展,也使纠缠态在多种物理系统中得以实现。腔量子电动力学(QED)是实现量子通讯和量子计算最为理想的物理系统之一,它将光子与原子有机地结合起来,为物理上实现量子信息处理和建立光量子网络提供了坚实的技术基础。国内外科学家提出了很多应用腔QED技术实现纠缠态制备的方案,但是量子系统与周边环境相互作用所产生的消相干效应严重地制约了它们的物理实现。因此,在有效地抑制腔中消相干效应的前提下,在腔中实现纠缠态的制备是十分有意义的。  本研究主要内容包括:⑴基于量子Zeno动力学,提出两个方案来制备束缚在腔中的三个原子间的三比特无消相干纠缠态。相比于现有的方案,我们的方案操作更简便,因为在整个制备过程中无需辅助比特,也不要进行量子测量或者后选择探测。我们研究了多种耗散过程,如自发辐射和光子泄漏,对纠缠态保真度的影响。量子Zeno动力学和绝热通道确保了方案对由腔衰减和自发辐射引发的消相干的鲁棒性。⑵基于量子跃迁反馈,提出了一个利用四个具有拉曼能级结构的原子与一个单模真空腔相互作用,实现稳定的四原子无消相干态制备的方案。这个方案需要一个探测器来监控腔模中光子的泄漏。对探测器的失效及原子自发辐射效应对方案的影响进行了详细地讨论,虽然原子自发辐射效应仍对方案有负面影响,但是我们通过改进反馈操作可以减少它的影响。此外这个方案更容易满足低品质腔机制且反馈操作简单,这使得方案在当前技术条件下更容易实现。⑶基于量子跃迁反馈,提出制备束缚在强耗散的单模(双模)腔中双原子间稳定的三维(四维)纠缠态的理论方案。与以前的动力学制备方案不同,在方案中腔的衰减不再是不可取的,它在方案中起了重要作用。在基于量子跃迁反馈的帮助下,任何初态都可用于制备稳定的三维和四维纠缠态。此外不考虑自发辐射时,方案对实验参数较小的涨落、探测器的失效不敏感,因为系统总是能获得目标态。但是,原子自发辐射效应仍对方案有负面影响。最后我们要指出的是,我们的方案可以直接拓展到双原子的任意维纠缠态制备。
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