量子纠缠特性和应用研究

量子纠缠特性和应用研究.txt婚姻是键盘，太多秩序和规则；爱情是鼠标，一点就通。男人自比主机，内存最重要；女人好似显示器，一切都看得出来。中国科学技术大学博士学位论文量子纠缠特性和应用研究姓名：仇亮申请学位级别：博士专业：理论物理指导教师：王安民20090401搞要第1页中文摘要20世纪90年代中期Shor量子因子分解算法和GroVer量子搜索算法相继被发现，从而使得量子计算与量子信息科学成为研究热点领域。在该领域中，量子纠缠一直扮演着极其重要的角色。事实上，量子纠缠作为量子系统独有的物理特性，不仅能验证量子力学的基本问题，而且是量子计算与量子信息科学中极为重要的资源。因此，研究者从各个方面对量子纠缠进行了研究，例如，量子纠缠的本质、度量、演化和应用，量子纠缠态的分类、制备、传输和存储等。本论文就是围绕着纠缠动力学、纠缠在量子信息处理任务中的应用以及相关实验实现等内容展开研究的，主要目的就是要从理论上进一步理解与利用量子纠缠。本文的主要内容包括：1．针对具体情形和模型，研究量子纠缠的动力学演化。其一，我们研究了与光腔相作用的原子的纠缠演化，明确给出初态对量子纠缠演化的影响：(1)原子最先制备在GHZ类纯态时，腔中的光予能够在腔内两原子间产生纠缠；(2)原子最先制备在W类纯态时，腔内两原予间的纠缠将会发生突然死亡现象；(3)原子最先制备在混态时，初态中的激发态一基态一基态部分能够在腔内两原子间产生纠缠且缩短零纠缠的时间，而初态中的激发态部分可导致纠缠死亡现象；(4)验证了两个关于Concurrence和负性纠缠的定理。其二，我们采用MABK不等式，考察了三粒子之间的量子非局域性在反铁磁环境下的演化，发现了Bell不等式违背突然不成立的现象和反铁磁环境中的免退相干子空间。其三，研究了在Milburn内在退相干模型中两qutrit系统的纠缠演化，发现纠缠可以通过控制非线性耦合常数来达到最大值。我们上述三个问题的研究结论对延缓、抑制甚至调控环境等引起的量子退相干效应具有重要的意义。2。研究用纠缠信道完成量子信息处理任务。其一，指出自旋轨道耦合和内在退相干对纠缠传递的影响：发现了一类信道初态，自旋轨道耦合和内在退相干对信道和输出态的纠缠并未产生任何影响，也就是说信道对自旋轨道耦合和内在退相干免疫；而另外一类信道初态，信道和输出态纠缠随自旋轨道耦合和内在退相干的变化而变化。其二，考察了用热纠缠态进行最优的量子密集编码：对两量子比特情形，只有当外加磁场小于自旋耦合系数时热纠缠态才能用中国科学技术大学博士学位论文第2页捎要来进行密集编码，同时研究了外加磁场和环境温度对密集编码能力的影响并给出了有效的临界编码条件；而对两qutrit系统，它们之间的相互作用系数决定了密集编码的能力且相互作用系数需要大于一定值。我们上述所得结论的意义在于对利用非最大纠缠态进行量子信息处理任务进行了有益的尝试。3．研究在腔QED中实行两量子比特远程操作的实验方案。我们通过重写恢复算符，得出两量子比特远程操作的方案可以用控制非门和单量子比特门重述，而这些量子门都可以在腔QED中实现，从而论证了在腔QED中实验实现量子远程操作的可行性，并指出了具体的实验步骤。全文共分四章：第一章对量子纠缠的相关理论进行了简要的介绍；第二章则考虑了环境影响下的纠缠动力学；第三章用纠缠态来完成量子信息处理任务；最后一章给出了在腔QED中实行两量子比特远程操作的实验实现方案。关键词：纠缠自旋轨道耦合GHZ态W态量子信息处理过程中国科学技术大学博士学位论文摘要第3页AbstractBecauseofShor’8factoringalgorithmandGroVer’ssearchingalgorithminthemiddleof1990s，quantumcomputationandquantuminformationbecomeoneoftheimportantresearcharea．QuaIltumentan91ementisauniquecharac．terofquantumsystemanditcanbeusednotonlyfortestingthebasicproblemofquantummechanicsbutalSofor2uctingaSanimportantresourceofquan—tumcomputationandquantuminformation．Researchersinvestigatequantumentanglementcarefully’foreXample，theessential，measurement，eVolutionandapplicationofentanglement，thedassiflcation，preparation，transformationaJldstorageofentanglement．Inthethesis，IinVestigatedynamicsofentan91ement，applieationofentanglementinquantuminformationprocessingandproposalsofrealizingquantuminformationprocessingineXperiment．TheaimofthethesisistounderstandanddiscusSentandementtheoretieally．Thecontentofthep印er1．Istudythedyn锄icsofentan百ementfordif|衙entcases．Firstly，IinVes．t遮atetheev01utionofentanglementwhenatomsinteractwiththecavityandshowthee髓ctofinitialstatesonev01utionofentanglement．(1)WhenatonlsareinitiallypreparedinGHZclasspurestates，photonsinthecavitycaninduceentan百ement．(2)whenatoI璐areinitiallypreparedinwclasspurestates，thephenomenonofentanglementsuddendeathoccurs．(3)WhenatomsareinitiaLllypreparedinmixedstates，theportionofexcited—ground—groundstatecaninduceentanglementandshortenthetimeofzeroentanglement，whiletheeXcitedstatecaninducethephenomenonofentanglementsuddendeath．(4)Furthermore，themodelgiveanexampletosupporttwotheoremsbetweenconcurrenceandnegativity．Secondly，byusingofMABKinequality，IinvestigatetheevolutionofnonlocalityinantiferromagneticenVironment．ThephenomenonofBell一nonlocaHtyviolationsuddendeathoccursandtheck璐sofdecoherence．fteestateshavebeenf．ound．Intheend，IinVestigatethee丑．ectofintrinsicdecoherenceofMilbum’smodelonentanglementoftwo-qutritstates．Icouldchoosethe印propriate中国科学技术文学博士学位论文第4页摘要nonlillearcoupljngconstanttogetthemaximalentanglement．Studyofentan·gIementdynamicscanstaVe，preVent，oreVencon七rolthee仃．ectofdecoherence2．Istudytheapplicationofentan91edstatesinqualltuminformationpr伊cessing．Firstly，、^，einVestigatetheDzyaloshinskill—Moriyaanisotropicantisynl·metricinteractionandintrinsicdecoherenceonentanglementtransfer．Forsomeinitialstates仇foo)+mI11)ofthechannel，DMinteractionandjntrinsicdecoherencehavenoeH．ectontheentan91emerltofthechannelandoutputstate．Inotherwords．thechannelisimmunizedf}om【)l诅interactionandi11trinsicdecoherence．whilefortheotherinitialstate老(101)+110))0fthechannel，DMinteractionandintrinsicdecoherenceha、，eobviousin丑uenceon七hedlannel，theentanglementoftheoutputstate．Secondly，Istudyoptimaldensecodingwiththermalentangledstates．Fortw伊qubitHeisenbergmodel，thedensecodingcapacityisafunctionoftemperatureandeXtemaLlmagnetic丘eld．OnlyinthecaseofeXternalmagIleticfieldbeinglessthanthecoupliIlgconstant，t11eoptimaldensecodingcanberealizedwiththermalentangledstates．F0rtwo-qutritsystem，Iconsiderthedensecodingcapacitytakngintoaccountofnonlinearcouplingconstantandanexternalmagneticfield．IfindthattheIlonlinearcouplingconstantHmstbe11essthan0fordensecoding．Itrytoimplementquantuminformationprocessingbyusingnon_maXimallyentangledstates．3．IshowtheproposalforremoteimplementationofpartiallyunknownquantumoperationsoftwoqubitsincavityQED．ByconStructingtherecoveryoperation8oftheprotocolofremoteimplementationofpartiallyunknownquan—tumoperationoftwoqubits[AnMinⅥ氇ng：Phys．ReV．A74(2006)032317】withtw伊qubitCnotgateandsin对equbitlogicgates，allthequantumgate8canberealizedincavityQED．BaSedontheSe，Ipresentaschemetoimplementremeoteimplementationofpartiallyunknownquantumoperationsoft