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量子信息和量子计算是一门由量子理论和现代信息论相结合而产生的一门新兴学科,目前,已成为当今的一大研究热点。经过几十年的努力,人们已在这个领域取得了许多举世瞩目的成就,例如量子并行算法、量子保密通信、量子纠缠和量子隐形传态等。由于量子力学的相干性和量子态的不可精确复制性,量子信息和量子计算有着经典信息论无法超越的优越性。因此,人们坚信量子信息和量子计算的建立会把人类社会带进一个新的时代。量子信息和量子计算理论的研究的一个重要目的就是实现量子计算机。由于利用量子并行算法,量子计算机有这经典计算机无法超越的计算和信息处理能力。但是与经典计算机类似的是为了完成复杂的计算和信息处理任务,量子计算机内部的不同元件之间需要进行信息交流,如处理器需要在存储器中存储和读取信息。因此研究和开发易行和高效的短程量子信道对量子计算机的发展具有重大意义。
就目前来讲,我们认为自旋链信道是最有前途的短程信道模型。因为量子计算机最有可能在固态物质中实现,而自旋链也是一种固态系统,所以利用自旋链作为量子计算机内部的短程信道可以避免许多难题,比如发生在不同介质之间的界面问题等。另外,自旋链信道是在整个体系的自由演化过程中传递量子态的,不需要外界控制,因此这种信道模型不仅容易在实验上实现,而且可以最大限度的避免环境的影响。我们的工作就是关于改进双自旋链信道协议的传输效率和该协议的抗噪声干扰能力。首先,我们从实际情况出发对由Daniel Burgarth提出的双链信道协议作了一些改进,研究结果显示改进后的协议大大提高了双链信道协议的传输效率。然后,考察了几种非常普遍的量子噪声,耦合参数波动噪声和由非完全初始化引起的随机噪声和集体噪声,对两种双链信道协议的影响并作了对比,结果显示这几类噪声对双链信道协议并不是致命性的,而且改进后的协议对这几种噪声具有更强的抵抗能力。我们的改进协议同时也降低了实验实现双链信道模型的难度。
全文共分为四章:第一章系统的介绍了量子信息传输的研究进展和相关的代表性传输方案和协议;第二章介绍了在量子信息领域常用的自旋链物理模型和信道协议;第三章详细介绍了我们对双自旋链信道协议的研究工作;第四章给出了全文总结和对自旋链信道的研究展望。