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利用原子系综进行光量子态的存储和非经典态的制备

作　者: 王明锋
导　师: 郑亦庄
学　校: 温州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 原子系综光量子态存储纠缠态量子远程克隆量子隐形传态
分类号: O431.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光量子态的存储是量子信息学中至关重要的环节。在量子通讯中,量子通讯网络的构建将依赖于量子中继器,而量子中继器的核心技术则是光量子态的存储；在量子计算中,具备对飞行比特进行存储的能力是实施系统量子计算的根本保证。非经典态的制备是量子信息学中的根本任务。非经典态如压缩态、纠缠态、相干叠加态等是实现量子计算和量子通讯的基础,也是致使量子信息处理超越经典信息处理的关键所在。目前,针对这些量子信息处理任务选择适当的物理体系进行实验实现是量子信息研究领域的热点。近年来,原子系综作为量子信息处理的器件,因其具备长相干时间、与光相互作用的可控性、以及易于实验操纵等诸多优点而受到了国内外研究者的广泛关注。它不仅被证明了是光量子信息存储的绝佳载体,同时也已被证明是制备非经典态的绝好器件。本文致力于研究基于原子系综的量子信息处理过程,内容主要集中在如何利用光和原子相互作用的法拉第偏转效应进行光量子态的存储以及非经典态的制备。本文首先回顾了光与原子相互作用的法拉第偏转效应的基本原理,从基本的光和原子相互作用原理出发,详细推导了系统演化过程并将结果表示为连续变量算符形式。之后,我们回顾了基于法拉第偏转效应的量子信息处理的主要协议,给出了基于用法拉第效应的光量子态存储、原子系综间纠缠的产生、原子系综的量子隐形传态、光与原子系综间纠缠的建立、以及光与原子系综间的量子隐形传态等诸多方案的具体实施过程。在这些协议的基础上,我们进一步阐述了本论文的成果内容：(1).光量子态的远程克隆存储。首先,提出了如何利用光与原子间的两体纠缠制备实现远程克隆所需的多体纠缠。在此基础上,我们实施了单反馈光量子态的远程克隆存储方案,得到了方案的保真度为F=0.58。接着,提出了双反馈光量子态的远程克隆存储方案,通过附加另一反馈操作改善了量子通道,使得协议保真度提高到了F=0.63。为了进一步提高协议保真度,我们尝试了利用不同类型的光与原子间的纠缠实施本方案,最终得到了最佳高斯克隆保真度F=0.67,证明了我们所提出的方案是最佳的。在光量子态的传态克隆存储的基础上,又给出了原子系综间的传态克隆存储方案,发现只需小的匹配系数即可达到大的保真度。最后,我们还考虑了噪音对方案实施的影响,发现我们所提出的各种方案具有较强抵抗噪音的能力。(2).原子系综的高效纠缠态制备与量子隐形传态。首先,给出了一个实现原子两系综间高度纠缠的方案。发现通过设置相干光双路径通过两个远离放置的原子系综,对与原子相互作用后的出射光做零差测量,根据测量结果对原子系综进行简单的平移操作即可得到原子系综的高度纠缠。与此前提出的单路径方案相比,双路径方案可极大的增强系综间的纠缠度,表现为将体系的Einstein-Podolsky-Rosen均方差从原来的洛仑兹衰减规律转变为了指数衰减规律。同时,我们又给出了一个高效的原子态Bell测量方案,利用此方案加上产生的原子系综间的高度纠缠作为通道,可实施高效的量子隐形传态方案。最后,考虑了噪音对方案实施的影响,发现我们所提出的方案有较强抵抗原子退相干的能力,但易于受光子损耗的影响,为此,我们又给出了实验改进的方法。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章引言  9-13
第二章光和原子系综的相互作用  13-25
  2.1 原子系综模型及其描述  13-14
  2.2 光场的算符描述  14-16
  2.3 光和原子的非共振相互作用  16-19
    2.3.1 光和二能级原子的相互作用  16-18
    2.3.2 光与多能级原子的相互作用  18-19
  2.4 光和原子算符的时间演化方程  19-22
    2.4.1 不存在磁场时演化方程  19-21
    2.4.2 附加磁场后的时间演化方程  21-22
    2.4.3 系综模型  22
  2.5 光和原子相互作用的正则算符描述  22-24
  2.6 本章小结  24-25
第三章基于原子系综的量子信息处理  25-39
  3.1 光量子态记忆  25-30
    3.1.1 单路径光量子态存储  25-26
    3.1.2 保真度  26-27
    3.1.3 路径光量子态存储  27-30
  3.2 原子系综量子隐形传态  30-36
    3.2.1 连续变量纠缠的定义  30-31
    3.2.2 原子系综之间的纠缠建立  31-34
    3.2.3 原子系综隐形传态方案  34-36
  3.3 光与原子系综间的隐形传态  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第四章光量子态的远程克隆存储  39-52
  4.1 多体纠缠的产生  40-42
  4.2 单反馈远程克隆方案  42-44
  4.3 双反馈远程克隆方案  44-49
    4.3.1 最佳远程克隆方案  46-48
    4.3.2 原子系综的远程克隆  48-49
  4.4 噪音分析  49-51
  4.5 本章小结  51-52
第五章原子系综的高效纠缠态制备与量子隐形传态  52-68
  5.1 高效原子系综纠缠态的产生  52-60
  5.2 原子系综的量子隐形传态方案  60-63
  5.3 噪音因素  63-66
    5.3.1 噪音对纠缠产生的影响  63-66
    5.3.2 噪音环境下的隐形传态  66
  5.4 本章小结  66-68
第六章总结与展望  68-71
  6.1 总结  68-69
  6.2 展望  69-71
参考文献  71-77
致谢  77-78
在学期间发表的论文  78

利用原子系综进行光量子态的存储和非经典态的制备

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