基于冷原子和腔QED的量子模拟和量子计算

【摘要】量子力学展现出来了许多奇特的现象和有用的特性,与我们的常识性的经典世界不同,它有着自己许多独特的魅力。通过许多已在实验上实现的物理实在,像凝聚态物质、冷原子物理、核物理、以及腔QED,人们对量子世界有越来越深入的了解。在量子世界中,这些领域都有着自己无法取代的作用和地位。随着研究的深入,一些基于量子力学的技术,已经开始尝试着应用到我们的日常生活中,量子信息技术就是对通信技术一次伟大的革新。相较于经典通信的易窃听、传输慢,量子世界的通信手段以其在保密性和传输效率方面的优势,吸引着人们进行更深入的研究。冷原子作为一个新兴的研究方向,以其易操控,无杂质,方便测量的特性吸引着人们越来越多的注意。在它不到20年的历史里,许多在凝聚态中无法实现的量子力学现象变成了可能。我们的工作就是通过玻色爱因斯坦凝聚体的特性,可以产生多原子的纠缠态,从而制备出EPR态,实现量子信息在冷原子领域的应用。腔量子电动力学(QED)是量子信息处理中的一个重要平台,通过研究光场与原子的相互作用,可以实现量子信息中所需要的各种硬件。对腔QED系统的研究,使量子信息中很多理论预测得到了验证。我们的工作是通过腔QED的纠缠特性实现宇称测量门操作。1.光晶格中通过相干特性产生分离玻色爱因斯坦凝聚体间的纠缠EPR态作为量子信息中一个重要的态矢,它在实现各种量子信息方案中起到了无法替代的作用,如贝尔不等式的验证,量子隐形传输等。我们的工作就是通过光晶格中玻色爱因斯坦凝聚体的相干特性,制备出EPR态,在此基础上扩展到N个晶格,可以制备出GHZ态。并在此基础上,检验了这个EPR态的特征。由于处于弱相互作用区域,这个方案具有可重复操作,成功率高,耗散小等特点。2.基于线性光学的N个分离原子的宇称测量宇称测量是量子信息科学一项重要的实验技术,通过宇称测量可以实现各种受控门的操作。我们通过N个独立囚禁原子的腔,来实现这个方案。与直接通过原子间相互作用的方法不同,我们使用的是从腔中逃逸光子的相干特性。通过多个腔的级联,这个方案可以重复使用,直到宇称测量的成功率达到我们预期的效率。3.冷原子系统的数值模拟计算作为多体系统一个重要的数值处理手段,密度矩阵重整化群(DMRG)在低维系统中求解的可靠度,已经被人们广泛接受。在多体强关联系统中,平均场理论无法再对系统进行正确的描述。为了探寻这个复杂系统的内部性质,得到可以和实验进行比较的结果,史蒂文.怀特(StevenWhite)于1992年发明这个算法,时至今日,这个算法已经被拓展到了准一维系统和含时DMRG,在多体问题的计算中,与蒙特卡洛算法一起,作为研究这个系统的主要工具。
【作者】刘亚峰；
【导师】邹旭波；郭光灿；
【作者基本信息】中国科学技术大学，光学，2014，博士
【关键词】冷原子；腔QED；纠缠态；玻色爱因斯坦凝聚；密度矩阵重整化群；

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