一种基于von Neumann熵的双路径纠缠量子微波信号生成质量评估方法

针对目前没有合适的方法从产生方来表征纠缠量子微波信号的质量好坏, 提出了一种基于von Neumann熵的双路径纠缠量子微波信号生成质量评估方法. 利用双模压缩真空态描述了纠缠量子微波的信号格式, 给出了光子数与压缩参量之间的函数关系, 以熵评估纠缠态信号所占比例, 分析了熵与压缩参量和光子数之间的关系. 仿真结果表明, 纠缠量子微波信号中的光子数是由压缩参量决定的, 它们之间呈指数平方的规律性变化; 熵随着压缩参量的增大而减小, 但是减小的趋势越来越平缓, 近似呈负指数关系, 熵的极限值约为65%. 研究结果表明, 通过选择合适的压缩参量可以提高纠缠微波信号生成质量以满足实际需要, 因此, 本研究对于生成双路径纠缠量子微波电路参数选择、提高系统可用性提供了方法和依据.     

一种生成质量最优路径纠缠微波信号的压缩参量选择方法

介绍了路径纠缠微波及其生成原理,将生成信号以量子力学算符的形式表示,并在光子数态表象下展开,定性地给出了生成信号与压缩参量之间的关系.提出了一种路径纠缠微波信号质量评价方法,即通过信号中纠缠微波光子总数的期望值表征信号的纠缠度,间接实现对信号质量的评价.基于这种信号质量评价方法,提出了一种生成质量最优路径纠缠微波信号的压缩参量选取方法:在近似确定有效纠缠微波光子数的前提下,找出生成不同微波光子数纠缠概率最大时的一组压缩参量值,进而得出各个压缩参量值所对应的一组纠缠微波光子总数的期望值,其中的最大值对应的压缩参量值即为生成质量最优信号所要选择的压缩参量值.通过理论分析,发现路径纠缠微波信号质量由压缩参量决定,且只与压缩幅有关,而与压缩角无关.仿真实验结果表明,在纠缠微波光子数的最大有效值取为"26"时,纠缠微波光子总数期望值的最大值对应的压缩幅值为1.77,即压缩幅取此值时所得到的路径纠缠微波信号质量最佳,仿真结果表明该方法是有效的.本文的研究为路径纠缠微波在实验研究和实际应用中如何生成高质量信号的问题提供了思路.     

纠缠微波信号的特性及表示方法

纠缠微波信号是电磁场微波频段量子特性的体现.在总结了现有纠缠微波信号产生及验证实验的基础上,针对目前没有统一的表达式来描述纠缠微波信号格式的问题,通过深入分析纠缠微波信号的特性,提出了两种纠缠微波信号的表示方法.一种是在量子框架下,利用双模压缩真空态表示,并分别在光子数表象下和Wigner分布下分析了其信号特征,刻画了正交分量之间的正反关联特性;另一种是在经典框架下,利用关联随机信号表示,刻画了测量后纠缠微波信号场幅度正交分量随时间变化的波形图.两种表示恰当合理地反映了纠缠微波信号连续变量纠缠的特性.     

耦合原子与腔场多光子相互作用过程中的量子信息传递

建立了"多耦合原子--腔"系统的多光子相互作用模型. 利用腔量子电动力学理论, 研究了原子与腔场相互作用过程中量子信息传递的特性, 分析了原子间耦合作用对量子信息传递的影响. 结果表明: 在一定的相互作用时间内, 量子信息可以在腔场与原子间可逆传递或保持, 原子间的偶极作用导致量子纠缠信息非完全传递和非完全保持.     

基于光子计数的纠缠微波压缩角锁定

针对基于超导180°混合环的纠缠微波制备方案探测效率低、信息处理难以及控制复杂等问题,设计了基于微波光子计数的压缩角锁定方案.对超导180°混合环的输出信号进行微波光子计数,通过贝叶斯准则估计输入压缩态微波场的相对压缩角,并将压缩角校正信息反馈于约瑟夫森参量放大器抽运源,调整两路单模压缩态微波场的相对压缩角为180°,达到控制输出纠缠性能最优的目的.该研究为路径纠缠微波的纠缠性能的提升以及高质量纠缠微波源的设计提供了理论参考.     

六光子超纠缠态制备方案

自发参量下转换对应于一种非线性光学过程, 实验上作为一种标准方法, 人们利用自发参量下转换源产生纠缠光子对. 本文考虑由自发参量下转换源产生三对纠缠光子的情况. 通过使用由几组偏振光 束分束器、分束器和半波片等线性光学器件组成的量子线路演化三对光子, 给出了一个高效制备 包含偏振纠缠和空间纠缠的六光子超纠缠态方案. 因为方案中包含了参量下转换源产生三对纠缠光子 的所有可能情况, 所以本方案有很高的效率. 基于弱非线性介质构建了一个量子非破坏性测量装置, 用于区分光子在两指定的空间模中的两种分布情况. 特别地, 方案中可以通过合理约束在量子非破坏性测量过程中引入的非线性强度来达到实际实验所限定的数量级, 因此, 该方案易于在实验上实现.     

微波驱动双模四能级单原子中连续变量纠缠的制备

通过两个经典微波场驱动相应的原子精细跃迁诱导产生原子相干, 研究在双模单原子激光器中连续变量量子纠缠的制备和演化. 研究结果表明: 微波场强度可以有效地控制腔场纠缠特性; 通过调节相应的频率失谐, 能够同步增加腔场总的平均光子数、腔模间的纠缠时间和强度. 关键词： 四能级单原子 原子相干 连续变量纠缠     

基于腔衰减的未知原子纠缠态的浓缩方案

基于具有两个近似简并基态(|g〉,|e〉)和一个激发态(|r〉)的三能级原子的两基态为静态量子比特,光子数态为飞行量子比特.两对非最大原子纠缠对中各有一个原子被分别囚禁在两个泄露腔中,在大失谐极限和激发态自发辐射系数γ远小于失谐量Δ的情况下,利用经典激光脉冲激发和与量子化腔场耦合作用后,通过对从腔中泄露出来的光子进行探测,可以将两对未知非最大原子纠缠态以一定的概率浓缩成最大纠缠态.充分考虑并且利用了腔的衰减,增强了实验的可行性和进行远距离的纠缠态浓缩的实现.     

基于量子照明的导航测距方案

针对以往脉冲纠缠测距方案对光子损耗十分敏感的特点及量子干涉法测距中利用光路延迟测距时难以实现远距离传输的问题,利用量子压缩效应来提升时延估计精度,同时还提出一种基于量子照明原理的非经典纠缠导航测距方案,对目标存在的回波信号进行统计判断,从而确定距离参数。在相干探测的基础上,分别研究了相干态、热态和压缩态等3种高斯量子态的统计特性,并对量子照明测距方案中经典相干态与双模压缩真空态的信号检测性能进行了理论分析和数值模拟实验。结果表明,相较于传统测距方法,利用量子信号压缩和纠缠特性的方法能有效提高导航测距的距离分辨率,性能上优于经典方案,且在噪声光子数较多时具有更强的抗环境干扰能力。     

与腔场耦合的两个量子点中激子的纠缠动力学

利用共生纠缠度研究了单模腔场内两个耦合量子点中激子的纠缠动力学行为.结果表明:无论腔场初始制备于奇相干态还是偶相干态,两个量子点间直接耦合作用均能减弱激子的纠缠度.在腔场初始为奇相干态时,激子的纠缠度随场模强度的增加而减小;偶相干态时,激子的纠缠度呈现一个转折变化.此外,也研究了单模腔场内平均光子数与激子准最大相干纠缠态的关联.     

Transfer of quantum entangled states between superconducting qubits and microwave field qubits

Transferring entangled states between matter qubits and microwave-field (or optical-field) qubits is of fundamental interest in quantum mechanics and necessary in hybrid quantum information processing and quantum communication. We here propose a way for transferring entangled states between superconducting qubits (matter qubits) and microwave-field qubits. This proposal is realized by a system consisting of multiple superconducting qutrits and microwave cavities. Here, „qutrit” refers to a three-level quantum system with the two lowest levels encoding a qubit while the third level acting as an auxiliary state. In contrast, the microwave-field qubits are encoded with coherent states of microwave cavities. Because the third energy level of each qutrit is not populated during the operation, decoherence from the higher energy levels is greatly suppressed. The entangled states can be deterministically transferred because measurement on the states is not needed. The operation time is independent of the number of superconducting qubits or microwave-field qubits. In addition, the architecture of the circuit system is quite simple because only a coupler qutrit and an auxiliary cavity are required. As an example, our numerical simulations show that high-fidelity transfer of entangled states from two superconducting qubits to two microwave-field qubits is feasible with present circuit QED technology. This proposal is quite general and can be extended to transfer entangled states between other matter qubits (e.g., atoms, quantum dots, and NV centers) and microwave- or optical-field qubits encoded with coherent states.     

Speeding up the Generation of Entangled State between a Superconducting Qubit and Cavity Photons via Counterdiabatic Driving

Optimal generation of entangled states is of critical significance for robust quantum information processing. An effective scheme is presented for speeding up the generation of an entangled state between a superconducting qubit and microwave photons via counterdiabatic driving. At a magic bias point, the first three levels of a charge-phase quantum circuit constitute an effective qutrit. An entangled state based on adiabatic population transfer is first achieved. By the technique of shortcuts to adiabaticity, a counterdiabatic driving is applied to the qutrit, which then accelerates the entanglement generation significantly. Moreover, with the accessible decoherence rates, the rapid operations in a shortcut way are highly robust when compared with adiabatic manipulations. The scheme could offer a promising approach toward optimal preparation of entangled states with superconducting artificial atoms in circuit quantum electrodynamics, experimentally.     

利用两能级原子与腔场的相互作用转移纠缠

分析了大失谐情况下一个两能级原子和相干态腔场相互作用的特点;讨论了利用两能级原子和相干态腔场相互作用制备纠缠相干态的方法;提出了一个关于纠缠相干态的纠缠转移的方案。在这个纠缠转移的方案里,通讯伙伴之间使用的量子信道是由两个振幅相同位相相反的相干态构成的纠缠态。通过使用两能级原子和腔肠相干态的相互作用和两模正交态测量并在经典信息的帮助下完成了三个通讯伙伴之间的纠缠转移。随着近来腔量子电动力学技术的发展,这个方案是能够被实行的。     

High efficient scheme for remote state preparation with cavity QED

In this paper, a scheme is proposed for remote state preparation （RSP） with cavity quantum electrodynamics （QED）. In our scheme, two observers share two-atom nonmaximally entangled state as quantum channels and can realize remote preparation of state of an atom. We also propose a generalization for remote preparation of N-atom entangled state by （N＋1）-atom GHZ-like state （N ≥ 2）. By this scheme, one single-atom projective measurement is enough for the RSP of a qubit or N-atom entangled state, and the probability of success for RSP is unity. Furthermore, we have considered the case where observers use W-like state as quantum channels to realize RSP of a qubit. We compare our scheme with existing ones.     

Transferring entangled states of photonic cat-state qubits in circuit QED

We propose a method for transferring quantum entangled states of two photonic cat-state qubits(cqubits)from two microwave cavities to the other two microwave cavities.This proposal is realized by using four microwave cavities coupled to a superconducting flux qutrit.Because of using four cavities with different frequencies,the inter-cavity crosstalk is significantly reduced.Since only one coupler qutrit is used,the circuit resource is minimized.The entanglement transfer is completed with a singlestep operation only,thus this proposal is quite simple.The third energy level of the coupler qutrit is not populated during the state transfer,therefore decoherence from the higher energy level is greatly suppressed.Our numerical simulations show that high-fidelity transfer of two-cqubit entangled states from two transmission line resonators to the other two transmission line resonators is feasible with current circuit QED technology.This proposal is universal and can be applied to accomplish the same task in a wide range of physical systems,such as four microwave or optical cavities,which are coupled to a natural or artificial three-level atom.     

通过Raman相互作用制备三个腔场的W型纠缠相干态

通过对比分立变量量子信息过程和连续变量量子信息过程的差别,利用相干态比较容易获得的这个特点,提出一种方案制备三个腔场的W型纠缠相干态.方案基于Λ型三能级原子与单模腔场的简并Raman 相互作用.三个相同的腔初始分别处于相干态,三个相同的原子初始处于W型纠缠态,通过三个原子分别与三个腔的Raman相互作用、选择适当的相互作用时间并探测作用后的三个原子,三个腔场坍缩为W型纠缠相干态.在原子与腔的相互作用过程中原子不处于高能级,可以忽略原子的自发辐射,系统的相干性能够得到较好的维持.基于当前的腔量子电动力学技术,相信方案能在实验上实现.该方案制备的三个腔场W型纠缠相干态有望在连续变量量子信息过程中有重要的应用价值.文中将方案推广到制备n(n〉3)个腔场的W型纠缠相干态.