基于自旋链系统实现量子远程控制研究

量子操作包括幺正演化、量子测量、耗散、消相干等，对量子操作的量子隐形传态，称为量子远程控制。此概念和方法的提出，为分布式量子计算和远程同步演化提供了极为有利的工具。本项目拟针对不同类型的自旋链系统，研究建立量子操作的远程协作实现方案。在自旋链中，通过量子比特的可控相干耦合，实现可扩展的基本量子逻辑门操作；进而以自旋链系统作为数据总线来集成两个或两个以上量子比特，在芯片之间实现量子逻辑门等操作信息的存储与传送；在此基础上研究实现量子门等操作信息存储与传输的路由机制，构建操纵和控制远程量子态演化的量子计算网络。从而提供一种有效途径设计量子操作远程协作实现的信息处理过程，获得国内外领先水平的研究成果。这对于丰富和发展一种使用量子操作论来设计和优化量子过程、量子机器的系统化方法，推动分布式量子计算以及网络量子通信的实现有着十分重要的意义。

弱测量是量子操作中的一种，该操作具有可逆转的特点。由此，人们尝试利用弱测量来应对消相干，利用弱测量技术减少对测量粒子的扰动，挑战海森堡测不准原理。我们利用弱测量和反弱测量，采用两种方式从三体纠缠中获得了最大两体纠缠，该方法提供了一种积极的方式从多体纠缠中获得分布式最大两体纠缠，并能有效抵御环境消相干的影响，为分布式计算提供了极为有利的工具。我们将该方法推广到自旋链系统中，量子态或者量子纠缠在自旋链中传输时，就类似于通过振幅阻尼通道形成的衰减。为此，在量子信息经由自旋链通道传输之前和之后进行弱测量和反弱测量操作，就能有效抑制自旋链传输中的消相干现象，大大提高信息传输的保真度，为基于自旋链系统的量子通信和量子计算应对消相干问题提供了一种新路径。关于测不准关系，我们给出并证明了一个普适的、与可观测量无关的、记忆辅助熵测不准关系。是基于量子关联辅助给出的新的熵测不准关系，既考虑了量子纠缠、也考虑了Discord辅助情况，在很大程度上改进了M. Berta 等人基于纠缠辅助所获得的测不准不等式，在很多实际算例中，其束缚程度都好于其他熵测不准不等式。进一步还系统地数值模拟了几种记忆辅助熵测不准关系，在经历不同环境噪声时，如Markovian 或者 non-Markovian 环境影响时的动力学演化行为。我们发现，由于Quantum Discord具有更强的内在适应性，基于Discord给出的测不准关系的约束，往往能够给出更好的关于不确定性的估计。可以预计，今后利用弱测量和弱测量技术在自旋链系统的量子信息处理问题中的应用，还有十分广阔的发展空间。