利用腔QED技术进行的量子信息过程

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随着现代科学技术的迅猛发展,现代物理学开始以一种新的方式渗透到计算与信息领域。例如,以Einstein,Podolsky,Rosen三位科学家的名字来命名的EPR态就在信息传输和密码科学中有着不可预料的广阔前景。作为一种新兴的学科,量子信息学已经引起了越来越多的学者的兴趣。现在,量子信息已经广泛运用于量子计算、量子通信、量子密集编码、量子隐形传态等多个领域。在量子信息理论中,人们用一个两态系统(qubit)来代替经典信息理论中的基本信息单元——比特。 在第一章里,简要地介绍了量子信息学的基本知识。而腔量子电动力学(腔QED)则是量子信息实现的一种重要的技术。这里,我们介绍了微波腔和光学腔。而根据不同的制备过程,光学腔可以分成三种类型:法布里——泊罗腔,微球腔和光子晶体腔。然后我们对纠缠态的制备方案进行了简要的回顾。接着提出了一种新的纠缠态制备方案。其过程是这样的:令一个Lambda型三能级原子穿过一个双模腔场。当第一个原子离开腔场以后,另一个全同三能级原子也穿过腔场。当我们取恰当的相互作用时间时,就可以产生最大纠缠态。这里以三能级原子的基态超精细结构为qubit。与以两能级原子的两个能级为qubit的方法相比,这种选取方法令原子结构更稳定。另一方面,与原子在腔中运动这种状态相比,令原子穿过腔场更便于实验操控。此外,这种方案的另一个优点在于:在此过程中不需要测量腔内原子的状态。在第二章里,我们介绍了几种不同的纠缠度量方法。本文采用所谓的“Tangle”来表征纠缠的程度。利用第一章给出的系统的波函数,我们得到了系统的多个子体系之间的纠缠度量关系。在三种不同的初始条件下,原子系综与腔模之间的Tangle、单个原子与系统其余部分之间的Tangle以及单个腔模与系统剩余部分之间的Tangle均可以达到最大值1。而三种不同初始条件下的原子之间的纠缠度则表现为相同的形式。这样,它们就在同一时刻达到最大值。 第三章着重研究了两种不同系统的动力学特性。首先,我们给出了两个两能级纠缠态原子和经典场相互作用系统的各项动力学特性。随后,我们又得到了第一章所给出的系统的原子布居反转、光子数分布、原子偶极压缩以及二阶关联函数等各项结果。这些数值结果均依赖于耦合常数g与失谐量△。在本章分别用图形来描述这些物理量随时间的演化过程。 在最后一章中,令两个Lamda-型三能级纠缠态原子中的一个原子与腔场相互作用,而另一个原子处于腔外。我们仍然可以利用第一章给出的系统有效哈密顿,得到系统的时间演化算符。这样我们就得到了两种不同初始条件下腔内原子的辐射谱。辐射谱是表征原子与腔场相互作用的重要物理量。当腔模的初始态分别为双模粒子数态和双模相干态时,与腔场相互作用的原子的辐射谱都与相互作用时间T、系统与腔模的耦合常数g、仪器的频谱宽度Г以及原子跃迁频率与腔模频率的失谐量△有关。
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