量子计算的新实验方案

量子计算机的实现将引起信息技术新的革命.已经实验和提出的量子计算实验方案有:原子和光腔相互作用法、冷阱束缚离子法、核磁共振法、量子点方法等.在量子计算中,需要使量子位(qubit)耦合、处于纠缠态(entangled states).简单的纠缠态可以由自旋向上和向下的两个粒子A和B组成,根据它们的波函数可以分别预言粒子A(或B)测得的自旋向上(或向下)的概率为1/2.但一旦实际测得A的自旋向上,则B的自旋必定向下(或反过来),不管A,B相距多远,它们都处于这种关联状态.这就是量子力学的非局域效应.最近加州Santa Barbra分校的物理学家提出了一种量子…     

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.     

量子相空间纠缠轨线力学

量子相空间理论已用来研究物理学、化学等有关问题, 并为人们研究经典物理和量子物理的对应关系提供了一种有力工具. 在量子相空间中, 基于Wigner表象下的量子刘维尔方程, 建立分子纠缠轨线力学. 与经典分子力学方法不同, 分子纠缠轨线力学中的轨线不再是独立的, 而是“纠缠”在一起的, 这正是体系量子效应的体现. 这种半经典 的理论方法能给出体系的量子效应及具有启示意义的物理图像. 分子纠缠轨线力学被用来研究量子隧穿效应、分子光解反应动力学、自关联函数等. 本文综述了分子纠缠轨线力学最近的发展. 关键词： 纠缠轨线 量子相空间 半经典理论     

量子混沌系统中的自旋压缩性质

量子信息是21世纪的一门新兴交叉学科,现已经成为世界关注的热门研究领域.近年来,量子计算机的研究正成为大家十分感兴趣的课题.在寻找量子计算的实现方案过程中,量子混沌引起了研究人员的极大关注,因为在量子计算机执行一些量子运算法则的过程中可能产生量子混沌,并可能破坏量子计算机的运算操作条件.近期有关量子纠缠与量子混沌之间的关系已经有所报道,而自旋压缩作为另外一种典型的纯量子效应,是否也与量子混沌之间存在一定关系呢?讨论了量子混沌研究中一个非常典型的QKT模型,研究了量子混沌系统中自旋压缩的性质.通过数值模拟计算,给出了两种不同定义的自旋压缩系数与混沌系数κ之间的变化关系,结果发现在经典相空间中,如果在规则区域占优势的情况下,当初始自旋相干态波包位于椭圆形中心时,随着时间的演化,系统压缩行为表现得非常强;而对于经典相空间中混沌区域占优势的情况下,初始自旋相干态波包同样位于椭圆形中心,则系统的压缩行为表现得非常弱,说明自旋压缩对相应的经典混沌非常敏感.通过比较还发现,采用Wineland等定义的自旋压缩系数比采用Kitagawa和Ueda等定义的自旋压缩系数对经典混沌更敏感一些,从而得出用自旋压缩可以刻画量子混沌的结论.     

交错Dzyaloshinskii-Moriya相互作用对反铁磁Heisenberg链纠缠的影响

主要研究了具有交错Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用的反铁磁Heisenberg链的纠缠.基于 density-matrix renormalization group(DMRG)的数值计算表明,交错DM相互作用消除了系统在外磁场H=2处的二级量子相变,从而量子纠缠反常行为也随之消失;同时纠缠范围的发散也被消除,意味着该模型因子化点的消失.交错DM相互作用导致系统在任意强场下也不会达到铁磁饱和状态,从而保持着自旋纠缠.交错DM相互作用有利于通过外场调控纠缠程度和纠缠范 关键词： Dzyaloshinskii-Moriya相互作用 量子纠缠 量子相变 纠缠范围     

离子阱中以声子为媒介的多体量子纠缠与逻辑门

高保真度的多离子纠缠和量子逻辑门是离子阱量子计算的基础.在现有的方案中, M?lmer-S?rensen门是比较成熟的实现多离子纠缠和量子逻辑门的实验方案.近年来,还出现了通过设计超快激光脉冲序列,在Lamb-Dicke区域以外实现超快量子纠缠和量子逻辑门的方案.这些方案均借助离子链这一多体量子系统的声子能级来耦合离子之间的自旋状态,并且均通过调制激光脉冲或设计合适的脉冲序列解耦多运动模式,来提高纠缠门的保真度.本文从理论和实验层面分析了这些多体量子纠缠和量子逻辑门操作的关键技术,揭示了离子阱中利用激光场驱动离子链运动态,通过非平衡过程中的非线性相互作用,来实现量子逻辑门的基本物理过程.     

不同磁场环境下Heisenberg XXZ自旋链中的热量子失协

本文研究了不同磁场环境下一维Heisenberg XXZ自旋链中两量子比特的热量子失协特性. 在四种不同的磁场环境下: 1) B₁=B₂=0 (无磁场); 2) B₁≠0, B₂=0 (磁场只作用于其中一个量子比特); 3) B₁=B₂ (均匀磁场); 4) B₁=-B₂ (非均匀磁场), 对分别作用在每个量子比特上的磁场B₁和B₂对其量子关联的影响作了详细的讨论, 且数值计算和比较了其量子失协和量子纠缠的异同. 结果显示: 在有限温度下, 量子失协相比于量子纠缠更普遍, 且非均匀磁场相比于均匀磁场对量子失协和量子纠缠更有用, 更有利于量子通讯和量子信息处理过程. 关键词： 量子关联 纠缠 量子失协     

杨-巴克斯特自旋1/2链模型的量子关联研究

量子系统各部分间的量子关联可以作为量子信息应用研究的基础资源. 而量子失协是度量量子关联大小的物理量. 由此研究杨-巴克斯特自旋1/2链模型的量子关联情况. 首先利用两个杨-巴克斯特方程的解得到相应的杨-巴克斯特自旋1/2链模型. 然后, 计算分析热平衡时杨-巴克斯特自旋1/2链模型的量子失协、几何量子失协和量子纠缠随着温度和外磁场的变化情况. 结果表明对于杨-巴克斯特自旋1/2链模型, 量子失协和几何量子失协能够比量子纠缠更好地度量量子关联.     

自旋场效应晶体管中隧道磁阻的势垒相关反转效应

考虑自旋场效应晶体管中Rashba自旋轨道相互作用和自旋输运量子相干性,研究了势垒强度对自旋场效应晶体管的自旋相关量子输运的影响. 研究发现,势垒强度较低时,隧道结电导随Rashba自旋轨道相互作用强度的变化呈现明显的振荡现象,势垒强度较高时,电导表现出明显的势垒相关“电导开关”现象. 当势垒强度逐渐增强时,平行结构电导呈现出单调下降趋势,而反平行结构电导产生波动,这种波动导致该隧道磁阻也随势垒强度的变化表现出振荡现象,且在合适的准一维电子气厚度情况下隧道磁阻值可以产生正负反转,这个效应将会在基于自旋的电子器件信息的存储上获得应用. 关键词： 自旋场效应管 开关效应 量子相干 隧道磁阻     

无直接耦合自旋之间的量子信息传递

核磁共振量子计算机在实现多量子位之间的信息传递时, 随着量子位的增多, 物理距离相距较远的量子位之间的耦合作用会很弱, 从而很难在没有耦合的量子位之间直接实现信息的传递. 然而根据量子超密编码原理和自旋交换操作, 可以在两个没有直接相互作用的自旋之间实现两位经典信息的传递. 根据量子超密编码和自旋交换操作的原理, 分析了无直接耦合自旋之间的量子信息传递的方法和过程, 并且在核磁共振模拟机和谱仪上实现.     

光学体系宏观-微观纠缠及其在量子密钥分配中的应用

宏观-微观纠缠最早起源于“薛定谔的猫”思想实验, 是指在宏观体系与微观体系之间建立量子纠缠. 实现宏观-微观纠缠可以利用多种物理体系来完成, 本文重点介绍了在光学体系中制备和检验宏观-微观纠缠的发展过程. 从最初的受激辐射单光子量子克隆到光学参量放大, 再到相空间的位移操作, 实验上制备宏观-微观纠缠的方法取得了长足的进步. 利用非线性光学参量放大过程制备的宏观-微观纠缠的光子数可以达到10⁴量级, 人眼已经可以观察到, 因此使用人眼作为探测器来检验宏观-微观纠缠的实验开始出现. 但随后人们意识到, 粗精度的光子数探测器, 例如人眼, 无法严格判定宏观-微观纠缠的存在. 为了解决这个难题, 提出了一种巧妙的方法, 即在制备宏-微观纠缠后, 利用局域操作过程将宏观态再变为微观态, 通过判定微观纠缠存在的方法来判定宏微观纠缠的存在. 之后相空间的位移操作方法将宏观态的粒子数提高到10⁸, 并且实现了纠缠的严格检验. 利用光机械实现宏观-微观纠缠的方案也被提出. 由于量子密钥分配中纠缠是必要条件, 而宏观-微观纠缠态光子数较多这一优势可能会对量子密钥分配的传输距离有所提高. 本文介绍了利用相位纠缠的相干态来进行量子秘钥分配的方案, 探讨了利用宏观-微观纠缠实现量子密钥分配的可能性.     

Dzyaloshinskii-Moriya相互作用对量子XY链中热纠缠的影响

研究了Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用对混合自旋(1/2,3/2)XY链以及自旋为1的XY链热纠缠的影响.通过计算两粒子之间的纠缠,发现它不仅能够增强纠缠,而且能使两粒子之间的纠缠度达到一稳定值;当温度较高时,要使热纠缠达到稳定值需要更强的这种相互作用.在相同的条件下,自旋s=1的两粒子之间的纠缠要小于混合自旋两粒子之间的纠缠.粒子之间的交换耦合相互作用有助于加强粒子之间的热纠缠,因此可以与DM相互作用一起调节纠缠度.当交换耦合相互作用比 关键词： 量子纠缠 XY 模型')" href="#">XY 模型 negativity Dzyaloshinskii-Moriya相互作用     

基于量子Fisher信息的纠缠判据

对于几类常见的量子态,对自旋压缩和量子Fisher信息进行了比较研究.得到量子Fisher信息的表达式,以Fisher信息为基础,给出了量子纠缠的判据,结果表明;比较于自旋压缩,该判据有明显的优势.(1).对于两个Qubit的对称态,该判据与自旋压缩,concurrence完全等价;(2).对于两个Qubit的非对称态的纠缠,自旋压缩不能检验其纠缠,但对于部分态,该判据也能检验;(3).对于Dicke态,自旋压缩不能检验其纠缠,但该判据能检验且完全等价于concurrence.     

具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的一维随机量子XY模型中的纠缠特性

研究了一维随机量子XY自旋链中中心两量子位的纠缠特性,在该系统中引入了自旋间的交换耦合杂质、磁杂质和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,并且杂质满足高斯分布关系.通过数值计算,求出了自旋的关联函数和平均磁化强度,给出了Concurrence的解析表达式.结果表明：高斯分布和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用对两量子位的纠缠有重要的影响,选择合适的交换耦合、外界磁场和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用参数,可以控制和提高中心两量子位的纠缠. 关键词： 纠缠 XY模型')" href="#">随机量子XY模型 高斯分布 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用     

量子计算与量子计算机

 最近,量子计算与量子计算机引起了人们的极大兴趣.一个光子的偏振或一个自旋为1/2的粒子(两态系统),对应于布尔态0和1,可构造量子计算机存储单元.     

耗散腔中两二能级原子态的自旋压缩量子Fisher信息和最大自旋涨落

在能量耗散腔中,原子用泡利算符描述,光场用相干态描述,运用密度矩阵理论,得到了两二能级原子密度矩阵元的演化规律,分析了与单模辐射场作用过程中原子态的自旋压缩、量子Fisher信息和最大自旋涨落.结果表明:自旋压缩,大于1/2的最大自旋涨落可以作为量子纠缠的充分必要判据.自旋压缩,大于1/2的最大自旋涨落和量子纠缠,它们互相等价.大于1的Fisher信息与它们之间没有等价关系,但可以作为自旋压缩和量子纠缠的充分判据.     

量子计算机理论中的量子叠加和量子纠缠

讨论了量子计算、量子通讯与量子计算机中的核心问题 量子叠加和量子纠缠. 从量子态表示量子信息为出发点, 指出有关量子信息的所有问题都可采用量子力学理论来处理. 其中信息的演变遵从薛定谔方程, 信息的传输就是量子态在量子通道中的传送, 信息处理就是量子态的幺正变换, 信息提取则是对量子系统实行量子测量.     

光与物质相互作用系统中的量子Fisher信息和自旋压缩

Fisher信息是估计理论中的重要概念,最近发现与量子信息中的纠缠判据具有密切联系.非旋波近似条件下,Dicke模型经典相空间表现为混沌动力学特征.本文详细考察了Dicke模型描述的光与物质相互作用系统中量子Fisher信息和自旋压缩动力学特性.结果表明:在短时瞬态情况下,无论初态处于规则区域还是混沌区域系统均表现为纠缠性质;但在长时稳态情况下,初态处于规则区域时系统纠缠消失,而初态处于混沌区域时系统则一直存在纠缠.通过与系统自旋压缩动力学性质相比较,发现量子Fisher信息可以更有效地刻画量子混沌.进一步考察初态处于规则和混沌区域时系统密度矩阵和纯度的动力学演化特性,发现混沌导致系统退相干现象发生,说明量子Fisher信息对混沌更敏感.     

基于量子费希尔信息的纠缠判据

对于几类常见的量子态, 对自旋压缩和量子Fisher信息进行了比较研究.得到量子Fisher信息的表达式,以Fisher信息为基础,给出了量子纠缠的判据,结果表明:比较于自旋压缩,该判据有明显的优势.(1).对于两个Qubit的对称态,该判据与自旋压缩,concurrence完全等价;(2).对于两个Qubit的非对称态的纠缠,自旋压缩不能检验其纠缠,但对于部分态,该判据也能检验;(3).对于Dicke态, 自旋压缩不能检验其纠缠,但该判据能检验且完全等价于concurrence.     

基于量子费希尔信息的纠缠判据

对于几类常见的量子态, 对自旋压缩和量子Fisher信息进行了比较研究.得到量子Fisher信息的表达式,以Fisher信息为基础,给出了量子纠缠的判据,结果表明:比较于自旋压缩,该判据有明显的优势.(1).对于两个Qubit的对称态,该判据与自旋压缩,concurrence完全等价;(2).对于两个Qubit的非对称态的纠缠,自旋压缩不能检验其纠缠,但对于部分态,该判据也能检验;(3).对于Dicke态, 自旋压缩不能检验其纠缠,但该判据能检验且完全等价于concurrence.