基于量子点和自旋链的量子信息处理.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论基于量子点和自旋链的量子信息处理作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：杨颂光学邹旭波教授郭光灿教授二。一二年四月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeQuantumInformationProcessingBasedonQuantumDotSystemandSpinChainAuthor’SName：SongYangSpeciality：OpticsSupervisor：Prof．Xu—BoZouProf．Guang—CanGuoFini

2、shedTime：April2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文。是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：物蛊中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论史的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库

3、进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。d公开口保密(年)作者签名：扬熊签字日期：丝l至!曼：羔：引币敛壁么呷k∑竺．Ⅵ届导师签名：l!==—一。y一签字日期：tj歹了_艺_∥．F摘要量子信息科学是上个世纪90年代中期兴起的物理、数学、计算机科学和工程学相互交叉的新兴学科。随着科学技术的飞速发展，电子元器件的尺寸越来越小，但是摩尔定律所预言的增长速度在近十年将会遇到瓶颈，预计2020年元器件的尺寸将达至wJlO几纳米的量级，这时～直以来统治经典信息世界的传统

4、的经典力学将面临失效。当电子和原子产生的量子效应起到主导作用时，我们必须采用新的物理原理，如量子力学来进行描述。借助于量子力学的假设，量子信息有一些新特性，如量子态的线性叠加性和纠缠特性，它们在实现信息的计算、传输和存储等方面会优于经典信息。由于量子态的线性叠加性的存在，量子计算可以实现并行处理，大大提高运算速度，同时禁止了任意量子态被克隆的可能性，确保了量子密码的安全。由于纠缠特性的存在，可以完成隐形传态，密集编码以及远程量子态制备。量子信息科学有很多的优点，人们希望利用这些优点制造出功能强大的量子计算机，但是在迈向实际应用的进程中存在很多困难。比如，量子信息处

5、理在光学系统、离子阱、量子点、超导电路等量子系统中有很大的发展，实验上可以实现对几个量子比特的操作，但是我们不知道到底在什么样的物理体系中可以实现包含成百上千个量子比特的量子计算机。这主要是量子比特与外界环境的耦合作用破坏了量子相干性和纠缠，当量子比特数目增多时，量子耗散越来越严重，无法完成量子操作。在这篇论文中，我们围绕基于量子点和自旋链的量子信息处理的若干问题展开研究，主要讨论了如何在量子点系统中制备多比特相位门、实现两体稳态纠缠，以及自旋链中的量子态传输的物理实现，并着重分析这些过程中存在的耗散对量子计算和量子态传输的影响。对于量子耗散，可以设计耗散辅助的方

6、案来实现态制备，或者采取动力学退耦合脉冲序列来抑制体系中的耗散。具体地：1．制备基于量子点系统的三比特相位门原理上，实现单比特旋转和两比特非局域门，就可以完成普适的量子计算。但是为了简化量子计算机的电路，研究多比特非局域门是相当重要的。利用量子点系统中天生的库仑相互作用，可以在激光的作用下一步实现三比特受控相位门。这个方案要求三个耦合的量子点具有相同的能级结构，并且每个量子点被注入一个夕l-J；n电子，量子比特编码在量子点的外加电子自旋上。这个方案的优点有：(1)全光学控制；(2)无需对单个量子点独立寻址。我们考虑了位型、T自发辐射和声子对方案的影响。我们发现温度

7、和量子点阵列的位型是影响三比特相位门的保真度的主要因素，并且最佳的量子点位型是选择激光与线性排布量子点的低能级的单激子态共振。研究多量子比特排列的位型对量子计算的影响，为未来实现基于量子点的多比特量子计算提供了工艺和实验条件的理论指导，为未来的复杂的集成运算提供了参考。2．耗散辅助下量子点系统中的稳态纠缠的制备方案一般来说，环境噪声是量子计算和量子通信的头号大敌，它破坏量子纠缠和量子操作的相干性。但是通过对量子系统的相干控制和量子噪声通道的精心选择，可以把耗散转化成一种资源。在这个工作中，我们利用光学泵浦的方法，在耗散的帮助下，系统经过一段时间演化到系统的暗态上，

8、如果这个暗