N-V中心在量子信息处理和量子计算中应用的研究

【摘要】量子信息学是量子力学与信息科学相结合的一门新兴交叉学科。目前能够进行量子信息处理和量子计算的物理系统主要有：腔量子电动力学、离子阱、核磁共振、超导约瑟夫森结、量子点和氮-空穴(N-V)中心系统等。在室温下,N-V中心系统具有良好的可控性和相当长的消相干时间,因此它被认为是实现量子信息处理和量子计算的很有前途的候选者之一。另一方面,电流偏置的约瑟夫森结(CBJJ)超导量子比特具有很好的可集成性和相干性,因此得到了广泛的研究。N-V中心系统与超导量子比特系统以及传输线共振子(TLR)等都有很好的耦合,而且其处理方法与原子系统以及超导系统有很多相似之处,因此N-V中心、CBJJ、TLR三者相耦合的复合量子系统成为本论文研究的重点。本论文的目的是基于上述复合量子系统及当前的实验技术水平,研究量子信息的存储与取回,纠缠态的制备,单向量子计算的实现,量子逻辑门以及量子克隆机的实现。本论文共分为六章。第一章为绪论,首先简要介绍了本文的研究背景与现状。另外,介绍了本论文中要用到的几个物理体系和基本概念：N-V中心系统、约瑟夫森效应、超导相位量子比特、超导传输线的量子化以及电路量子电动力学的基本理论。第二章,我们首先设计了一个利用复合量子系统实现将单量子比特信息存入量子记忆单元以及将此量子比特信息从量子记忆单元中取回的方案,然后将此方案扩展到两个量子比特以及N个量子比特的情况,最后利用量子主方程的方法计算了此方案的传输保真度。由于在此方案中的N个TLR处于虚激发状态,因此极大地降低了TLR的实验要求。并且由于TLR、N-V中心及CBJJ的相干时间足够长,因此在此系统中能够实现高保真度的量子信息的存储与取回。第三章,我们利用一个复合量子系统中的三种相互作用哈密顿量制备了N量子比特GHZ纠缠态。此系统中仅仅包含1个可以调节的CBJJ量子比特和N个N-V中心量子比特,并且CBJJ和TLR以及N-V中心和TLR之间的相互作用能够通过调节CBJJ的外部参数以及每个TLR的频率而被独立地打开和关闭,因此能够容易的获得三种相互作用哈密顿量。由于在整个操作过程中不需要调节N-V中心量子比特的能级间隔,因此操作得到了极大地简化。并且此方案中的操作时间和N-V中心量子比特数无关,因此操作时间不会随量子比特数的增加而增加。第四章,我们首先在一个复合固态量子系统中制备了N量子比特线性团簇态,然后通过连接两条线性团簇态而扩展成了一个更大的一维和二维团簇态,最后利用这两种团簇态证明了量子计算的两种操作。在这一系统中,通过交换虚光子和消去失谐模可以有效地抑制TLR和CBJJ的激发,这极大地减少了TLR和CBJJ的实验要求。通过调节TLR的频率和CBJJ的能级分裂问隔,可以有效地打开和关闭N-V中心-TLR之间以及CBJJ-TLR之间的相互作用,因而此方案非常容易控制。并且在此系统中所使用的固态量子比特具有非常好的稳定性和可扩展性。第五章,我们设计了一个基于复合固态量子系统实现1→2通用量子克隆机的方案。在我们的系统中不存在飞行量子比特,并且通过调整CBJJ的外部参数和每一个TLR的频率可以使得CBJJ-TLR(?)NV-TLR相互作用类似于开关中的“开／关”功能。在我们的设计方案中,仅仅需要一个控制非门和四个CBJJ-NV相互作用,并且在最后辅助态中只有三个量子比特,这就使得此系统中的克隆转换作用简单多了。第六章,是对本文工作的总结和对未来工作的展望。
【作者】赵宇靖；
【导师】方细明；
【作者基本信息】湖南师范大学，原子与分子物理，2014，博士
【关键词】N-V中心；超导量子比特；传输线共振子；量子信息；量子计算；量子纠缠态；

【参考文献】
[1]毛剑琴,赵军,孟宪仲.论反标架方法对多变量系统鲁棒性设计的改进[J].自动化学报,1989,03:224-231.
[2]何玉堂.河北省县域保险发展现状及对策研究[D].中南林业科技大学,农村与区域发展,2013,硕士.
[3]褚学征,严晓光.MATLAB与VC++混合编程在数据挖掘中的应用[J].计算机与数字工程,2005,12:125-127.
[4]郭磊,郭创新,曹一家,姜新凡,盛鹍.考虑断路器在线状态的电网风险评估方法[J].电力系统自动化,2012,16:20-24+30.
[5]刘峻明,王鹏新,颜凯,阎广建.机载多角度电力巡线系统中预警模型的设计与实现[J].电力系统自动化,2006,16:81-85.
[6]梅清.利用面向对象方法进行关系数据库的分析和设计[D].武汉理工大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[7]李艳.公共服务视角下武汉市社区文化建设研究[D].湖北大学,行政管理,2011,硕士.
[8]刘洁.浅析具象表现绘画的精神表达[D].河北师范大学,美术,2014,硕士.
[9]王然然.转子式混凝土湿喷机送料装置的设计与研究[D].中国矿业大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[10]张文俊.网络群体性事件的形成机理及政府应对机制研究[D].江西财经大学,行政管理,2013,硕士.
[11]黄晓浪.江淮历代粳稻主栽品种生产力与氮肥效率的比较研究[D].南京农业大学,作物栽培学与耕作学,2011,硕士.
[12]陈浩.O2O模式下供应链风险及其对策的研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[13]刘苗.矿产资源规划空间数据库建库研究[D].长安大学,地图学与地理信息系统,2014,硕士.
[14]方思璇.公共空间的私密性研究[D].吉林艺术学院,设计艺术学,2012,硕士.
[15]王洪霞.家居智能Web服务SOA架构及数据适配方法[D].吉林大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[16]张海鹏.内蒙古地区非正常上访现状、问题与对策研究[D].内蒙古师范大学,行政管理（专业学位）,2012,硕士.
[17]时阳.基于数字证书的企业统一身份认证系统[D].山东大学,电子与通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[18]周德泓,吴剑国,陈瑞生,胡明大.随机行车荷载作用下混凝土楼盖舒适度分析[J].浙江建筑,2013,03:24-26+50.
[19]张鹏.多小区下资源分配和用户配对算法研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[20]王玖珊.文化生态学视阈下大学生社会主义核心价值观教育研究[D].兰州理工大学,思想政治教育,2014,硕士.
[21]唐皓.实时数据库设计及实现和事务调度算法的研究[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[22]李龙山.5种湿地植物对生活污水的生理响应及其去污能力的研究[D].宁夏大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[23]谢伟伟.西汉初年奏议文研究[D].鲁东大学,中国古代文学,2013,硕士.
[24]马悦.CyclinD1、Rb蛋白及E2F-1在多发性骨髓瘤骨髓组织中的表达及临床意义[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[25]周宣.高压气动减压阀能耗损失的研究[D].兰州理工大学,机械电子工程,2013,硕士.
[26]孙凯.基于聚噻吩的光伏太阳能电池研究[D].北京交通大学,2014.
[27]王立波.卟啉敏化钛酸盐纳米管的制备及其性能研究[D].浙江理工大学,应用化学,2012,硕士.
[28]刘华.ST集团基于胜任素质模型的培训体系构建研究[D].北京交通大学,MBA（专业学位）,2013,硕士.
[29]王思佳.中国近现代译者群体研究现状初探[J].新西部(理论版),2015,06:69-70+74.
[30]李千目,张琨,张宏,刘凤玉.一种基于生物免疫学的入侵检测系统[J].计算机工程与应用,2003,08:45-48.
[31]许杭.液压挖掘机虚拟样机液压系统仿真及集成技术的研究[D].浙江大学,2002.
[32]李靖.桐柏县扶贫开发绩效研究[D].郑州大学,行政管理,2013,硕士.
[33]聂平.锂离子电池正极材料LiMnPO_4的制备及其电化学性能研究[D].新疆大学,2012.
[34]Shakya(Newa).尼泊尔和中国服务业企业员工招聘和选拔过程的对比研究[D].吉林大学,企业管理,2013,硕士.
[35]吴少丽.喘可治注射液治疗COPD急性加重期患者临床疗效评价[D].广州中医药大学,中医内科学（专业学位）,2013,硕士.
[36]全鑫.学前阶段朝鲜族文化课程资源开发与利用研究[D].西南大学,教育学原理,2013,硕士.
[37]张睿.防治黄瓜霜霉病高效药剂的筛选及防控机理的初步研究[D].山东农业大学,农药学,2013,硕士.
[38]马长青.我国民事速裁程序构建探究[D].海南大学,诉讼法学,2012,硕士.
[39]方彭华.侧脑室注射M617对糖尿病大鼠骨骼肌GLUT4膜转位及其信号通路的影响[D].扬州大学,生理学,2012,硕士.
[40]高鹏.南红门再生水灌区河道渗漏对地下水环境影响研究[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2013,硕士.
[41]王庆双.归脾汤对抑郁模型大鼠脑内CRH、BDNF影响的实验研究[D].黑龙江中医药大学,方剂学,2013,硕士.
[42]张天麒.通过聚类分析法研究符思教授治疗功能性腹胀的用药配伍规律[D].北京中医药大学,中医学,2014,硕士.
[43].“中国重大战略性人口科学与政策问题学术研讨会”在浙江大学举行[J].浙江大学学报(人文社会科学版),2014,06:184.
[44]崔志华,曾建潮,徐玉斌.一种结合Tabu搜索的非线性遗传算法研究[J].控制与决策,2004,07:791-794+798.
[45]穆德志.天平式游梁抽油机控制器的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2013,硕士.
[46]任立瑾.温化痰饮法治疗痰湿型晚期宫颈癌的临床观察[D].黑龙江中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2014,硕士.
[47]李萌萌.行政法视野下我国高校的法律地位研究[D].安徽大学,宪法学与行政法学,2014,硕士.
[48]徐寒冰.基于智慧施工理论的施工项目风险管理信息模型研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[49]费辰杰.鱼类淋巴囊肿病毒32kDa黏附蛋白的特性分析[D].中国海洋大学,水产养殖,2014,硕士.
[50]李艳丽,李晓明,孙卫华,周春生.提高DSP芯片数据采集精度的电路设计方法[J].电力系统自动化,2005,01:89-91.