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作为一门新兴的年轻的科学,量子计算理论诞生于量子力学、经典信息论和计算技术的基础思想的结合,它的迅速发展给我们的生活带来了巨大的改变。然而,作为实现量子计算的两个重要的基础——量子相干性和量子纠缠因量子系统和环境之间的相互作用产生的消相干效应,不可避免地遭到破坏,成为制约量子计算技术进一步发展的瓶颈问题,因此研究量子态的相干保持问题具有非常重要的意义。近些年来,人们也先后提出了多种适用的抑制量子消相干的方法。本文首先总结了人们在这一方面的研究和最近进展,然后根据其中的一种策略——量子动力学解耦——研究了量子消相干的抑制问题,论文具体工作如下:
(1)概括介绍了目前进行消相干抑制的几种主要控制策略。按照从简单到复杂的顺序,分别对简单的动力学解耦、最优控制、相干控制、反馈控制法和复杂的最优-反馈控制、最优-相干控制和相干-反馈控制策略进行了较详细的阐述,同时,通过对比各种消相干抑制策略指出了各自的优缺点;
(2)针对([I])型n能级原子,分别提出了在振幅和相位消相干情况下的动力学解耦方案。为了达到这一目的,首先通过对E型n能级开放量子系统在振幅消相干和相位消相干情况下的哈密顿量进行分析,结合动力学解耦原理,推导出在各自情况下所需满足的具体的动力学解耦条件。在此基础上,分别提出了实现相干保持的动力学解耦方案,并在一个具体的([I])型八能级开放量子系统中进行了仿真验证;
(3)在(2)的基础上,针对([I])型n能级原子,进一步提出了系统在一般消相干情况下的动力学解耦方案。为了达到这一目的,首先,对([I])型n能级开放量子系统在一般消相干情况下的哈密顿量进行分析,运用量子动力学解耦原理,得到在此情况下所需满足的具体的动力学解耦条件;然后,在这个基础上,提出了消相干抑制的动力学解耦方案:最后,在具体的([I])型三能级和八能级开放量子系统中进行了仿真验证;
(4)提出了一改进的动力学解耦策略。为了达到这一目的,首先通过对基本动力学解耦(PDD)和优化动力学解耦(UDD)这两种重要控制策略的原理进行对比分析,了解到UDD提高相干保持时间的主要原因是它优化了相邻脉冲之间的发射时间间隔。基于这一思想,提出了另一种优化的动力学解耦方案,可以达到在特定条件下进一步提高量子态相干保持的时间目的,并在一个具体的([I])型三能级开放量子系统中进行了仿真验证;与此同时,进一步地对多种动力学解耦策略之间结合后的复合控制策略进行了探讨。根据每种动力学解耦策略有特定的脉冲发射时间间隔,利用各种控制策略脉冲发射时间的不同来混合搭配可以得到一种全新的脉冲发射序列,这种混搭的复合控制在某些情况下会有更好的控制效果。