量子比特系统中环境辅助的动力学演化速度的调控

来源 :湖南师范大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:xinghun124
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量子比特是量子信息处理的基本单元,调控量子比特系统的动力学演化速度是量子物理和量子信息中的基本问题和研究热点。这一问题的研究在量子计算、量子通讯、量子最优化控制和量子精密测量等领域中都具有重要的研究意义和广泛的应用前景。一般而言,在给定量子系统的初态与末态之间可区分度的阈值的前提下,量子系统的动力学演化速度用其演化时间来衡量:量子系统动力学演化达到该阈值所需的时间越短,表示该量子系统的演化速度越快;反之,所需时间越长,表示其演化速度越慢。值得注意的是,量子力学原理对量子系统的动力学演化速度设定了上限,或者说对其演化时间设定了下限。我们把量子系统从初态演化到某个与初态距离给定的末态所需的最短时间定义为量子速度极限时间(Quantum Speed Limit Time,简写为QSLT),QSLT在理论上给出了任何量子物理装置的最快处理速度和任何通信通道中的最快通信速度。从另一个角度,在给定真实演化时间的前提下,QSLT反映了量子系统动力学演化路径的信息:QSLT等于真实演化时间表示量子系统已经沿着最快的路径演化,不存在加速潜能;而当QSLT小于真实演化时间时,量子系统具有加速潜能,而且QSLT越短,加速潜能越大。本文主要围绕量子比特系统,构造合理可行的可调环境来实现对量子比特系统的动力学演化速度的有效调控,具体的内容包括:  第一章主要介绍了在量子比特系统中,动力学演化速度的研究现状及其研究意义。  第二章扼要介绍了几种适用于封闭量子系统和开放量子系统的QSLT的定义。  第三章讨论了如何利用传输线共振器实现两个双量子点自旋量子比特的间接耦合,提出了利用传输线共振器来调控两个双量子点自旋量子比特的动力学演化速度的新机制。我们发现传输线共振器既可以操控双量子点自旋量子比特的实际演化时间,也可以操控其QSLT。此外,当两个双量子点的初态制备为0011型Bell最大纠缠态时,量子系统可以以极限速度演化到与初态的保真度为任意值的末态。  第四章研究掺杂玻色—爱因斯坦—凝聚(BEC)系统中杂质量子比特的量子退相干极限速度,其中BEC可以用来模拟杂质原子的人工可控的相位阻尼环境。我们发现通过调节BEC库中的非线性或者掺杂BEC系统所处的囚禁势,可以有效抑制杂质原子的真实退相干速度和退相干极限速度。其调控机制在于BEC库的有效维度和非线性碰撞相互作用决定了BEC库的谱密度形式,可以使谱密度从亚欧姆谱变为欧姆谱,甚至变为超欧姆谱,而且谱密度中的截止频率和有效耦合强度可以通过改变杂质原子的囚禁双势阱进行调控。  第五章提出了利用动力学解耦脉冲调控在相位阻尼通道中的单量子比特系统的加速潜能的新方案,该方案适用于单量子比特处于任意初态。我们发现在零温的欧姆类型的退相位环境中,单量子比特的QSLT是由量子比特的相干性和系统演化过程中的非马尔科夫度共同决定,而且这两个影响因素都可以通过改变动力学解耦脉冲的数目进行调控。在使用相同数目的动力学解耦脉冲时,单量子比特在短时间区域的加速效应比在长时间区域的加速效应更明显。  第六章提出了利用动力学解耦技术调控在振幅阻尼通道中的多量子比特系统的加速潜能的新方案。我们发现对于初态为W型或者GHZ型的多量子比特系统,其QSLT在量子比特与环境的弱耦合区域和强耦合区域都可以利用动力学解耦脉冲进行调控。调控机制在于QSLT由量子比特的激发数和系统演化过程中的非马尔科夫度共同决定,而且这两个影响因素都可以利用动力学解耦脉冲进行调控。  第七章总结全文,并对未来工作提出展望。
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