基于腔与光纤耦合系统的分布式量子计算研究

The distributed quantum computation, based on the system that the optical fiber coupled with the cavity QED, is considered. Take advantage of large detuning, adiabatic elimination, dispersive approximation, the effective Hamiltonian of the system can be achieved. According to the evolution of the state of the whole system, the schemes, implemented via adiabatic passage or by controlling the time of interaction, for the generation of the multi-atom entangled state (such as noon state, cluster state) are proposed. Moreover, the scheme for implementing the multi-qubit quantum logical gates and the quantum information processes such as decomposition of large prime numbers, remote quantum key distribution are presented. According to the master equation or the conditional Hamiltonian, the influence of various decoherence processes such as spontaneous emission and photon loss on the fidelity are also investigated by solving the differential equations or numerical simulation. The feasibility of the schemes is analyzed based on the current experimental progress. The results provide theoretical basis for the construction of distributed quantum computation and a novel train of thought for the fabrication of quantum internet and implementing of quantum communication.

研究基于腔与光纤耦合系统的分布式量子计算。利用大失谐、绝热消除、色散近似等方法简化得到系统的有效哈密顿量，探讨整个系统量子态的演化。提出通过绝热演化或控制相互作用时间制备多原子共享纠缠NOON态和多原子共享簇态等多体纠缠态的方案；并探讨实现远程多比特量子逻辑门、大质因数的分解、量子密钥的远程分发等量子信息处理的理论方案。并利用主方程或条件哈密顿的方法，通过求解微分方程组或数值模拟，探讨原子的自发辐射以及腔和光纤的光子泄漏等消相干过程带来的影响；基于目前的技术水平，分析这些方案在实验上的可行性，为实验上如何构建分布式量子计算提供理论依据，也为建立量子网络，实现量子通信提供一种新的思路。

该项目主要研究基于原子-腔-光纤耦合系统的分布式量子信息处理和量子计算，探讨失谐调制、绝热消除和量子反馈控制等技术对多体量子纠缠态的影响，设计基于原子-腔-光纤耦合系统的远程量子逻辑门和分布式量子信息处理的理论方案，分析原子自发辐射以及腔和光纤的光子泄露等退相干过程带来的影响。围绕着上述内容，我们主要研究以下几个方面的工作：1. 在原子-腔耦合系统中，发现利用失谐调制技术可以有效地延长非马尔科夫环境中量子自旋压缩（量子纠缠特性的另一种表现形式）的保持时间，进一步研究发现利用三维光子晶体光腔的特性可以实现量子自旋压缩的稳定存储，提出了多种利用量子部分测量和经典光驱动技术保护量子纠缠和增强量子参数估计精度的理论方案。2. 基于原子-腔-光纤耦合系统，提出了一种利用量子芝诺动力学实现远程三比特量子控制Z门的理论方案，并利用条件哈密顿方法分析了原子的自发辐射、腔和光纤的耗散等退相干过程的影响，证明了该方案具有较好的鲁棒性。3. 基于原子-腔-光纤耦合系统，提出了一种利用量子部分测量实现远程量子态传输的理论方案，该方案既能有效抑制量子退相干的影响，又可以极大地降低实验难度，因为它不需要原子和腔的强耦合，然后将这套方法推广到固态超导量子体系，实现了固态量子系统中的高保真度远程量子态传输，最后研究了利用量子部分测量增强噪声下的量子Fisher信息的隐形传输问题。项目的实施为实验上构建分布式量子信息处理和量子计算提供了重要的理论依据。