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 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 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.     

光学腔增强光与冷原子耦合及自旋波读出效率的实验研究

在87Rb冷原子系综中,通过自发拉曼散射过程产生了光子与原子自旋波的关联对.利用光学腔增强光与原子的相互作用,使光子和原子自旋波关联对的产生率增加了3.8倍.同时,我们也研究了光学腔对原子自旋波读出效率的影响.结果表明,腔使自旋波的读出效率提高了1.5倍.本文的研究结果为下一步产生高恢复效率的光与原子量子纠缠提供了实验...     

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.     

冷原子系综中光纤腔增强且高保真度的光学存储

利用原子系综中的Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)过程可产生光与原子记忆(自旋波)量子纠缠,该纠缠可作为量子中继的重要元件.随着量子信息研究的深入发展,人们对量子信息存储其灵活多样性、可控性等方面提出更高的要求.本文在冷原子系综中演示了一种基于DLCZ过程的光纤腔增强且高保真度的光学存储方案,即将87Rb原子系综放于设计的光纤腔中,通过光纤腔增强“写出”和“读出”光子与原子系综的耦合实现自旋波量子信息的有效恢复,同时具有较高的保真度.观察到有腔且锁定的情况下斯托克斯光子产生概率比无腔时增加4.6倍,原子自旋波读出效率增加1.6倍,实验实现22%的读出效率并具有92%的量子态保真度,该读出效率对应一个40%的本质读出效率.这种高度可恢复、高量子态保真度的原子-光子纠缠源,可为未来长距离量子通信及广域大规模量子网络构建的实现提供另一种有效的途径.     

关于单原子自旋与转动自由度的教学探讨

在热学课程的教学实践中我们发现,因学生对于微观原子概念的理解仍然停留在宏观的经典力学物理模型中,当讨论气体分子的自由度时,单原子的自旋和转动自由度等问题就会对积极思考的学生带来困惑.鉴于此,本文对单个原子的自旋与转动自由度进行了简要探讨,并区分量子自旋与经典物理的自转运动,强调自旋是微观粒子的内禀属性,没有经典概念与之对应,并指出将原子视为质点的简化假设有助于低年级学生掌握关于原子自由度的基本概念与物理图像.     

光晶格中超冷原子系统的磁激发

囚禁在光学晶格中的旋量凝聚体由于其长的相干性和可调控性,使其成为时下热点的多比特量子计算的潜在候选载体,清楚地了解该体系的自旋和磁性的产生和调控就显得尤为重要.本文主要从理论上回顾了光晶格原子自旋链的磁性的由来和操控手段.从激光冷却原子出发,制备旋量玻色-爱因斯坦凝聚体,并装载进光晶格,最后实现原子自旋链,对整个过程的理论研究进行了综述;就如何产生和操控自旋激发进行了详细探讨,其中包括磁孤子的制备;讨论了如何将原子自旋链应用于量子模拟.对光学晶格中的磁激发研究将会对其在冷原子物理、凝聚态物理、量子信息等各方向的应用起指导性作用.     

利用原子系综中光存储读出信号对环境磁场补偿的方法研究

在光与原子纠缠量子界面的建立过程中,环境磁场带来的干扰不可忽视,因此需要对环境磁场进行严格补偿.在多能级结构的原子系综中,通过自发拉曼过程会产生多个原子自旋波,在外界磁场的干扰下,这些自旋波的读出效率会随着存储时间发生振荡.通过对环境磁场的补偿可以有效消除振荡,目前大量补偿磁场的工作依赖于高精度的磁场测量仪器,我们利用...     

门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质

硅烯是由单层硅原子形成的二维蜂窝状晶格结构,具有石墨烯类似的电学性质,由于硅烯中存在比较强的自旋轨道耦合而备受关注.本文利用非平衡格林函数方法研究了门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质和能带结构.研究发现,只有在较强的门电压下,而且硅烯量子线具有较好的锯齿形或扶手椅形边界而不存在额外硅原子时,硅烯量子线中才存在无能隙的自旋极化边缘态.另外,计算结果表明这种门电压控制的硅烯量子线中边缘态在每个能谷处自旋是极化的.这些计算结果将为实验上利用电场制作硅烯纳米结构提供理论支持.     

平面自旋压缩态的产生与原子干涉的机理

在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现自旋压缩和量子纠缠, 对于提高原子干涉测量相位灵敏度和原子钟精度有着非常重要的意义. 基于一种新的平面自旋分量的不确定性关系, 介绍了如何利用两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中原子间相互作用提供的非线性效应和原子内部能级间线性耦合, 实现量子平面自旋压缩(挤压)和模式纠缠. 描述了一项关于平面压缩态的理论工作, 该工作利用哈密顿量的精确对角化求解系统基态, 优化非线性作用和线性耦合强度比值, 使得包含平均自旋方向在内的两个正交自旋分量的不确定度同时压缩, 因此在平面上所有相位角度的涨落都受到压制, 而在与该平面垂直的第三个自旋分量方向反压缩. 利用传统自旋压缩判定纠缠, 只能判断多个不可分辨的原子处于纠缠态, 而平面自旋压缩可以检测两个可区分模式(比如, 原子内态)间的纠缠, 从而在不同模式间进行量子信息处理. 同时, 为实现超越标准量子极限的原子干涉相位精密测量, 传统方式是利用单个自旋分量压缩, 但需要对待测相位角度有很好的估计, 或者可以进行多次测量以逐渐逼近可获得的最大压缩极限, 这就要求量子态可以被精确的重复制备. 而利用平面自旋压缩, 对任意未知相位角度只需要测量两个垂直自旋分量就可以实现高的相位测量灵敏度.     

弱磁场下三阱光学超晶格中自旋为1的超冷原子特性研究

双阱光学超晶格中的超冷原子是近期冷原子物理领域的研究热点. 本文推广提出了实现三阱光学超晶格的方案, 并采用精确对角化的方法分别研究了弱磁场下对称三阱 光学超晶格中铁磁性和反铁磁性的自旋为1的原子系统的基态, 发现二者的相图很不相同: 反铁磁性原子对应的相图中没有沿磁场方向总自旋磁量子数为±2的基态, 而铁磁性原子对应的相图中可能有. 在负的二次塞曼能量区域, 铁磁性原子的相图中只有完全极化态. 分析了可控参数影响基态的物理本质. 由于这些量子自旋态可以通过调节外磁场和光势垒的高度非常简便而精确地控制, 适合用来研究自旋纠缠. 关键词： 三阱光学超晶格 自旋为1的原子 弱磁场     

量子计算与量子模拟

量子计算和量子模拟在过去的几年里发展迅速,今后涉及多量子比特的量子计算和量子模拟将是一个发展的重点.本文回顾了该领域的主要进展,包括量子多体模拟、量子计算、量子计算模拟器、量子计算云平台、量子软件等内容,其中量子多体模拟又涵盖量子多体动力学、时间晶体及多体局域化、量子统计和量子化学等的模拟.这些研究方向的回顾是基于对现阶段量子计算和量子模拟研究特点的考虑,即量子比特数处于中等规模而量子操控精度还不具有大规模逻辑门实现的能力,研究处于基础科研和实用化的过渡阶段,因此综述的内容主要还是希望管窥今后的发展.     

量子无线广域网构建与路由策略

提出了一种基于多阶量子隐形传态的量子路由方案, 在量子移动终端之间没有共享纠缠对的情况下, 仍然可以完成量子态的无线传输. 该量子路由方案可以用来构建量子无线广域网, 其传输时延与所经过的链路距离和基站数目无关, 传输一个量子态所需的时间与采用量子隐形传态所需的时间相同. 因此, 从数据传输速率的观点来看, 该方案优于基于纠缠交换的量子路由方案. 关键词： 量子通信 多阶量子隐形传态 量子路由 量子无线广域网     

一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析

大规模量子通信网络中,采用量子分组传输技术能有效提升发送节点的吞吐量,提高网络中链路的利用率,增强通信的抗干扰性能.然而量子分组的快速传输与路由器性能息息相关.路由器性能瓶颈将严重影响网络的可扩展性和链路的传输效率.本文提出一种量子通信网络分层结构,并根据量子密集编码和量子隐形传态理论,给出一种基于分层的量子分组信息传输方案,实现端到端的量子信息传输.该方案先将量子分组按照目的地址进行聚类,再按聚类后的地址进行传输.仿真结果表明,基于分层的量子分组信息传输方案能够有效减少量子分组信息在量子通信网络中的传输时间,并且所减少的时间与量子路由器性能与发送的量子分组数量有关.因此,本文提出的量子分组信息传输方案适用于大规模量子通信网络的构建.     

Monotonically increasing functions of any quantum correlation can make all multiparty states monogamous

Monogamy of quantum correlation measures puts restrictions on the sharability of quantum correlations in multiparty quantum states. Multiparty quantum states can satisfy or violate monogamy relations with respect to given quantum correlations. We show that all multiparty quantum states can be made monogamous with respect to all measures. More precisely, given any quantum correlation measure that is non-monogamic for a multiparty quantum state, it is always possible to find a monotonically increasing function of the measure that is monogamous for the same state. The statement holds for all quantum states, whether pure or mixed, in all finite dimensions and for an arbitrary number of parties. The monotonically increasing function of the quantum correlation measure satisfies all the properties that are expected for quantum correlations to follow. We illustrate the concepts by considering a thermodynamic measure of quantum correlation, called the quantum work deficit.     

基于非对称量子通道受控QOT量子投票协议

提出一种量子投票协议, 协议基于非对称量子通道受控量子局域幺正操作隐形传输(quantum operation teleportation, QOT). 由公正机构CA提供的零知识证明的量子身份认证, 保证选民身份认证的匿名性. 计票机构Bob制造高维Greenberger-Horne-Zeilinger 纠缠态建立一个高维量子通信信道. 选民对低维的量子选票进行局域幺正操作的量子投票, 是通过非对称基的测量和监票机构Charlie的辅助测量隐形传输的. Bob在Charlie帮助下可以通过幺正操作结果得到投票结果. 与其他一般的QOT量子投票协议相比, 该协议利用量子信息与传输的量子信道不同维, 使单粒子信息不能被窃取、防止伪造.选举过程由于有Charlie的监督, 使得投票公正和不可抵赖.由于量子局域幺正操作隐形传输的成功概率是1, 使量子投票的可靠性得以保证. 关键词： 量子投票 高维GHZ纠缠态 非对称基测量 量子操作隐形传输     

广义量子干涉原理及对偶量子计算机

我们综述最近提出的广义量子干涉原理及其在量子计算中的应用。广义量子干涉原理是对狄拉克单光子干涉原理的具体化和多光子推广,不但对像原子这样的紧致的量子力学体系适用,而且适用于几个独立的光子这样的松散量子体系。利用广义量子干涉原理,许多引起争议的问题都可以得到合理的解释,例如两个以上的单光子的干涉等问题。从广义量子干涉原理来看双光子或者多光子的干涉就是双光子和双光子自身的干涉,多光子和多光子自身的干涉。广义量子干涉原理可以利用多组分量子力学体系的广义Feynman积分表示,可以定量地计算。基于这个原理我们提出了一种新的计算机,波粒二象计算机,又称为对偶计算机。在原理上对偶计算机超越了经典的计算机和现有的量子计算机。在对偶计算机中,计算机的波函数被分成若干个子波并使其通过不同的路径,在这些路径上进行不同的量子计算门操作,而后这些子波重新合并产生干涉从而给出计算结果。除了量子计算机具有的量子平行性外,对偶计算机还具有对偶平行性。形象地说,对偶计算机是一台通过多狭缝的运动着的量子计算机,在不同的狭缝进行不同的量子操作,实现对偶平行性。目前已经建立起严格的对偶量子计算机的数学理论,为今后的进一步发展打下了基础。本文着重从物理的角度去综述广义量子干涉原理和对偶计算机。现在的研究已经证明,一台d狭缝的n比特的对偶计算机等同与一个n比特+一个d比特(qudit)的普通量子计算机,证明了对偶计算机具有比量子计算机更强大的能力。这样,我们可以使用一台具有n+log2d个比特的普通量子计算机去模拟一个d狭缝的n比特对偶计算机,省去了研制运动量子计算机的巨大的技术上的障碍。我们把这种量子计算机的运行模式称为对偶计算模式,或简称为对偶模式。利用这一联系反过来可以帮助我们理解广义量子干涉原理,因为在量子计算机中一切计算都是普通的量子力学所允许的量子操作,因此广义量子干涉原理就是普通的量子力学体系所允许的原理,而这个原理只是是在多体量子力学体系中才会表现出来。对偶计算机是一种新式的计算机,里面有许多问题期待研究和发展,同时也充满了机会。在对偶计算机中,除了幺正操作外,还可以允许非幺正操作,几乎包括我们可以想到的任何操作,我们称之为对偶门操作或者广义量子门操作。目前这已经引起了数学家的注意,并给出了广义量子门操作的一些数学性质。此外,利用量子计算机和对偶计算机的联系,可以将许多经典计算机的算法移植到量子计算机中,经过改造成为量子算法。由于对偶计算机中的演化是非幺正的,对偶量子计算机将可能在开放量子力学的体系的研究中起到重要的作用。     

Ergodicity in computer simulation of quantum dissipative processes

The ergodicity principle in quantum theory is employed for elaboration of a new quantum trajectory technique which is used for numerical simulation of quantum dissipative systems. With this purpose the density matrix of a quantum system is represented as a sum over an ensemble of quantum states in time intervals. The method is employed for computations of a quantum anharmonic oscillator.     

Optimum quantum state of light for gravitational-wave interferometry

The laser interferometric gravitational-wave detectors are sensitive to the quantum state of light employed in the dark port of interferometric system. In this paper a general quantum state for the dark input port is assumed. The quantum state of light is expanded versus the Fock states. The quantum noise of interferometric system is computed as a function of the quantum state of light. The variational method and the genetic algorithm are employed to determine the coefficients of the dark input port and the laser input power for the minimization of the quantum noise. Calculation shows that the optimum quantum state for the dark input port is very close to the vacuum squeezed state. For this optimum quantum state the quantum noise and optimum laser power reduces one order of magnitude relative to the conventional interferometer.     

基于电磁诱导透明机制的压缩光场量子存储

光场的量子存储不仅是构建量子计算机的重要基础,而且是实现量子中继和远距离量子通信的核心部分.由于存在不可避免的光学损耗,光学参量放大器产生的压缩真空态光场将变为压缩热态光场,不再是最小不确定态.因此,压缩热态光场的量子存储是实现量子互联网的关键.在原子系综中利用电磁诱导透明机制能够实现量子态在光场正交分量和原子自旋波之间的相互映射,即受控量子存储.本文根据量子存储的保真度边界,研究了实现压缩热态光场量子存储的条件.量子存储的保真度边界是通过经典手段能够达到的最大保真度,当保真度大于该边界时,就实现了量子存储.通过数值计算分析了不同情况下压缩热态光场的量子存储保真度边界,以及存储保真度随存储效率的变化关系,得到了实现量子存储的条件,为连续变量量子存储实验设计提供了直接参考.     

Comparison and control of the robustness between quantum entanglement and quantum correlation in an open quantum system

We investigate the influence of environmental decoherence on the dynamics of a coupled qubit system and quantum correlation.We analyse the relationship between concurrence and the degree of initial entanglement or the purity of initial quantum state,and also their relationship with quantum discord.The results show that the decrease of the purity of an initial quantum state can induce the attenuation of concurrence or quantum discord,but the attenuation of quantum discord is obviously slower than the concurrence’s,correspondingly the survival time of quantum discord is longer.Further investigation reveals that the robustness of quantum discord and concurrence relies on the entanglement degree of the initial quantum state.The higher the degree of entanglement,the more robust the quantum discord is than concurrence.And the reverse is equally true.Birth and death happen to quantum discord periodically and a newborn quantum discord comes into being under a certain condition,so does the concurrence.