量子Zeno动力学在量子计算中的应用

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量子计算机是直接运用量子力学原理进行信息处理的装置,其最显著的优势就在于它的运行速度要比经典计算机快得多,尤其是在解决大数质因子分解及无序数据搜索问题等方面。自从量子计算机的概念被提出以来,许多国家的政府和军事机构都投入了大量的资金支持对量子计算机的理论与实验的研究。量子Zeno动力学不同于量子Zeno效应。首先对量子系统的测量不一定导致系统的状态停止演化,而可能使得系统从初始状态演化到其它的状态上。其次一个叫做连续耦合的方法能够获得与利用投影测量或者非幺正演化等方法同样的物理效应而不需要实际的测量。本文主要在腔量子电动力学框架中,围绕由连续耦合引起的量子Zeno动力学在量子计算中的一些应用进行了相关的研究。  基于类Zeno测量,提出了实现三比特和四比特的无集体振幅阻尼消相干量子态的理论方法。整个系统由一个星形自旋网络构成,并且只考虑外围自旋量子比特与中心自旋量子比特的最近邻相互作用。通过以有限的时间间隔测量中心自旋的状态来构建外部自旋的无消相干态。数值模拟的结果揭示出随着测量次数的增加,所制备的无消相干态的保真度渐进地接近1,而成功几率趋于一个定值。并进一步对测量的间隔时间进行优化处理发现在很少的测量次数内就可获得保真度较高的无消相干量子态。  基于由连续耦合引起的量子Zeno动力学,在理论上提出了以可扩展的方式制备多原子的Singlet态|S N?的方案,将(N?1)个原子构成的Singlet态|S N?1?放入到光学腔中,并引进一个辅助的原子,当调节原子与经典场的相互作用强度同原子与腔场的相互作用强度相比达到Zeno动力学条件时,能够获得一个有限的Zeno子空间,选择适当的演化时间就可以得到N个原子的Singlet态|S N?。接着通过结合量子Zeno动力学与绝热过程,在理论上又提出了一种确定性地制备任意多原子对称Dicke态的方案,在实现这些量子态的操作过程中不需要测量。并以制备四原子的情况为例证明了该方案对于原子的自发辐射以及由腔衰减引起的消相干都不敏感,同时操作时间并不随着原子的总数以及激发数的变化而改变,这种特性将会降低实验操作的复杂度。  基于由连续耦合引起的量子Zeno动力学,实现了两个原子之间的受控非门。由于腔场和经典场所驱动的原子能级跃迁路径不同,因此在进行数值模拟时能够获得一个有限的子空间,并且该受控非门对腔中光子的泄露所引起的消相干不敏感。在此基础上,通过结合受激拉曼绝热过程仅用六次激光操作便实现了绝热的受控非门,它对原子的自发辐射不敏感。接着引入了分布式量子计算的概念并实现了分布式的受控非门。在该方案中两个原子分别束缚在由光纤相连两个光学腔中,通过量子过程层析做出了理想受控非门与我们方案中受控非门的层析矩阵,结合具体实验参数得到两个χ矩阵的重叠为96.52%。最后利用量子Zeno动力学一步实现了三个超导量子比特的Toffoli门,这个门是一个通用量子门。它不仅在解决Shor算法和Grover算法等复杂算法上有重要价值,而且在量子纠错方面具有实际的作用。  基于由连续耦合引起的量子Zeno动力学,一步实现了1→n的轨道态量子克隆。所采用的物理模型是利用了超导量子干涉仪与超导腔的共振相互作用。由于此类克隆机属于态相关克隆,它克隆的是在Bloch球面上纬度相同而经度任意的量子态。因此为了获得较高的克隆保真度,需要针对输入量子比特的状态分别进行北半球和南半球量子克隆机的实现。通过主方程的方法分析了消相干对该方案的影响,数值模拟的结果显示出这个克隆机对于腔中光子的泄露具有鲁棒性。
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