基於腔QED的糾纏態製備及量子信息處理
論文作者：李蓬勃著
導師：郭光燦，古英指導
學科專業：光學. 量子光學與量子信息
學位級別：博士論文
學位授予單位：北京大學
學位授予時間：2009
關鍵字：量子力學 信息技術 量子糾纏 量子電動力學
量子信息是量子力學、計算機科學、數學以及信息科學等學科相融合的新興交義學科。由於基於量子力學的特性，諸如疊加性、非局域性、糾纏性、不可克隆性等，量子信息具有經典信息所無法比擬的優勢。例如基於量子並行計算的量子計算機由於能夠迅速破解當前世界各國普遍採用的密碼系統，從而直接影響到各國的信息安全。為了在不同物理體系中操控量子信息，人們提出了基於腔量子電動力學(腔QED)、核磁共振、離子阱、線性光學等體系的各種方案。和其它物理體系相比，腔QED是研究得比較早、發展得比較快，並且被認為是最有前途的方案之一。強作用腔QED研究為量子信息科學提供了一種潛力巨大的實現量子信息處理的途徑。本論文的目的在於研究基於腔QED的糾纏態製備及量子信息處理。此論文將從以下幾個方面展開： 論文第一部分介紹了量子信息和腔QED的發展情況。首先介紹了量子信息的基本概念和研究的內容與途徑，以及量子光學在量子信息研究中的作用。然後介紹了腔QED的發展歷史、基本概念和理論。最後指出了腔QED研究的主要問題以及當前腔QED領域關注的前沿問題。 第二部分介紹了利用腔QED體系製備光場糾纏態和原子糾纏態的工作。關於光場糾纏態的工作主要介紹製備分離微腔之間雙模糾纏態和利用腔QED技術製備EPR型偏振糾纏光子對。關於原子糾纏態的工作分別介紹了如何利用腔QED體系製備原子的幾種不同形式的糾纏態—EPR態、GHZ態、W態以及團簇態。我們這些工作的創新之處在於：在製備分離微腔糾纏態工作中我們只需一套實驗系統儀通過調節實驗參數製備出糾纏相干態和Bell態，並且只需一個Rydberg原子依次通過兩個處於真空態的微腔；而製備糾纏光子對方案結合腔QED技術和受激拉曼絕熱通道技術，可以產生保真度非常高的糾纏光子對；製備原子EPR態、GHZ態、W態的方案，由於利用了腔場虛激發機制所以製備出的原子糾纏念具有很夠的保真度；利用耦合腔波導製備原子團簇態方案的優點是不需要對每個原子的初態進行專門製備，而且不受腔模衰減的影響。我們這些方案製備出的糾纏態是進行量子信息處理的重要資源。 本論文的第三部分是和量子信息處理相關的工作。我們分別討論分析了如何對量子態進行存儲、操作和傳遞。首先我們介紹了基於五能級M型原子和量子光場作用下的分渠道量子存儲方案。然後我們討論了實現量子交換門和量子相位門的方案。最後我們介紹如何利用腔QED技術傳遞量子信息。我們這幾個工作的創新之處是：在量子存儲方案中，由於我們基於五能級M型原子體系和量子光場相互作用下的暗態進行信息存儲，所以我們此方案可以進行多通道信息存儲；在基於腔QED體系的量子門操作方案中，由於此方案利用腔場虛激發並且量子信息編碼在原子基態上，所以得到的量子門具有很高的保真度；在量子信息傳遞方案中，我們首次提出利用一維耦合腔波導來進行量子態的傳遞，利用一維耦合腔波導中原子之間的有效長程偶極相互作用，我們證明了可以直接把量子態由波導一端傳遞到另一端。這個方案在短距離量子通信領域會有很高價值。
關鍵字：腔QED，糾纏態，量子信息處理
