基于量子测量反馈控制的纠缠态制备与纠缠态应用研究

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量子控制是量子物理与控制科学交叉形成的新兴学科,旨在从控制论的角度研究量子效应系统的演化及其调控问题。量子反馈控制,作为量子控制理论的重要组成部分,已经吸引了国内外研究人员从多角度开展相关研究,并在理论与实验方面均取得了令人瞩目的成果。基于量子测量反馈控制的纠缠态制备与纠缠态应用问题,是量子控制中的重要研究课题,为人们利用量子纠缠资源来提高信息处理能力提供了广阔的空间。本文从量子反馈控制的角度出发,以典型量子纠缠资源为对象,研究了典型量子纠缠态的制备与应用问题。主要内容可归纳为以下四个方面:1)针对量子反馈控制的理论与实验成果,对量子测量反馈控制进行了研究。分析了量子计数探测与零拍测量这两种典型连续弱测量方式,从测量方式、控制方法以及应用范围等角度,探讨了马尔科夫反馈控制模型与贝叶斯反馈控制模型,对两种控制模型进行了比较研究。2)基于量子测量反馈控制机理,提出了确定性制备量子纠缠态的方法。结合腔量子动力学系统,从实际物理模型出发,建立相应的量子控制模型,设计反馈控制策略,实现典型对称多粒子Dicke态的确定性制备,并且结合具体的数值实例,仿真验证了所提出的控制方法的有效性以及所得结论的正确性。3)利用不同条件的量子纠缠资源,提出了相应的概率量子隐形传态方案。根据发送方与接收方所拥有纠缠资源的信息特点,通过引入辅助粒子与构造特殊形式的酉变换矩阵,在仅发送方掌握纠缠信息或发送方与接受方共同掌握纠缠信息的条件下,实现量子态传输任务。同时,利用腔量子动力学系统,对所提方案的物理可实现问题进行了详细研究。4)根据量子纠缠通道的结构特点,提出了相应的概率量子远程态制备方案。分析了量子远程态制备与隐形传态的异同点,根据发送方与接收方之间的纠缠资源信息结构,研究了如何在仅发送方掌握纠缠信息或发送方与接受方共同掌握纠缠信息的条件下,实现量子远程态制备方案。同时,从成功概率与经典信息代价方面,对所提出的量子态制备方案进行了分析。本文在分析量子控制理论与实验研究现状的基础上,结合现有量子测量反馈控制的研究成果,开展了量子纠缠态确定性地制备和纠缠资源应用问题的研究工作,拓宽了量子控制理论与纠缠资源的研究范围。
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