基于量子反馈的量子态调控方案研究

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在量子信息中,对于量子相干和量子纠缠的研究一直受到人们的广泛关注。但是由于量子系统之间的耦合以及系统与环境之间的相互作用,量子系统的相干性和量子纠缠都会不可避免地遭到破坏。而实际的量子信息处理过程的效率都是依赖于量子系统的相干性和量子纠缠。因此如何保持量子相干和纠缠就显得格外重要。本论文拟将经典控制系统中的反馈技术移植到量子系统中,即拟采用量子反馈的方法来实现量子系统相干性和纠缠的控制和保护。由于,这里我们考虑了实际的环境因素,不同条件下的量子主方程的求解也是本论文要解决的一个关键问题。量子主方程的解析解在一般情况下是不易的,故此本文主要利用数值模拟的方法来求解量子主方程,并得到开放系统的量子相干和纠缠的演化及其保护。另外,在噪声环境中制备得到的纠缠态必为混合纠缠态,这对实际的依赖于量子纠缠的量子信息处理十分不利。我们考虑利用量子反馈的方法,在噪声环境下能否制备得到纯的最大纠缠态。通过上述研究,本论文主要得到了如下的成果:一、量子跃迁反馈方案对开放量子系统的相干性和纠缠的动力学的影响。在引入了两种常用的量子反馈,即零差探测反馈和量子跃迁反馈后,我们主要基于量子跃迁反馈技术和数值模拟的方法,研究了不同的量子跃迁反馈方案对处于不同的初始状态的系统的相干性和纠缠的动力学的影响。当然,这里首先考虑的是探测效率为1.0的情况,对于探测效率不为1.0的情况我们也进行了简单地分析。结果表明,量子跃迁反馈对处于环境中的开放量子系统的相干性和纠缠都具有较好的保护作用。这里的关键在于针对不同的系统初始态如何选取最优化的反馈方案。文中我们给出了相应于不同初始态的最佳反馈方案,为对抗开放量子系统的消相干和消纠缠提供了切实可行的方法参考。二、噪声环境中三粒子稳定纠缠纯态的制备方案设计。在引入并分析了Yamamoto关于如何在噪声环境下制备Bell态的理论后,我们将局域零差探测反馈和全局零差探测反馈结合,设计出合适的反馈方案并将其反作用到待制备纠缠的量子体系上,实现开放系统中三粒子纯的最大纠缠态的制备,包括GHZ态和W态。因现实的量子系统都处在一定的噪声中,同时多粒子纠缠纯态在量子通信和量子计算中发挥着极为重要的作用,所以该研究结果无疑将为实验量子信息学的发展提供有力的方法参考。
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