噪声环境下腔QED量子信息处理及调控

Quantum correlation is a significant resource in quantum information and quantum computation. The system of cavity QED is one of the most promising hardware design schemes in realizing quantum information processing(QIP). In the process of realizing QIP, the coupling interactions between the system and its environment which are called noises should be considered. In order to set up an effective QIP system, the noises should be investigated and controlled. Aiming at this problem, we will commit ourselves to the following researches: 1, The effects of different noises on QIP and the resulted problem will be studied. 2, The dynamics of quantum correlation in the noisy environment will be discussed. The approaches of optimal control and feedback control will be proposed to protect quantum correlation. 3, The physical schemes experimentally feasible of realizing QIP in noisy environment by cavity-QED technology will be proposed.

量子关联是量子信息和量子计算中的关键资源，而腔QED系统是最有前景的实现量子信息任务的硬件设计方案之一。在利用腔QED系统进行量子信息处理的过程中，必须考虑原子-腔系统和其外部环境之间不可避免的耦合作用，这就是量子信息处理过程中的噪声。为了构筑有效的量子信息处理系统，我们需要理解这些噪声过程并对它们加以控制，尽量减小系统的消相干和解纠缠。针对此问题，本项目拟从事以下研究工作：1、研究不同类型噪声对量子信息处理的影响以及量子通信应用中可能出现的新问题；2、考察存在噪声时腔QED系统中量子关联动力学，寻找合适的操控量子关联的方法，以保证噪声条件下量子信息任务的有效实现；3、在考虑噪声的情况下，提出在实验上切实可行的利用腔QED技术进行纠缠态制备并实现具体量子信息任务的物理方案。

量子纠缠、量子非局域性、量子失谐等量子关联是实现量子信息处理的关键资源，腔QED系统是最有前景的实现量子信息任务的硬件设计方案之一。然而，实际的物理系统和其外部环境之间存在不可避免的耦合作用，这就是所谓的噪声。噪声会引起耗散和消相干现象，成为量子信息处理过程的主要障碍。为了构筑有效的量子信息处理系统，我们需要理解这些噪声过程并对它们加以控制，尽量减小系统的消相干和解纠缠。.围绕该目标，本项目的主要研究工作和成果包含以下几个方面：1，在研究噪声影响和量子关联动力学方面，我们做了如下工作：我们以典型的振幅阻尼噪声为模型，推导了两量子比特体系振幅阻尼噪声的Kraus算子表示，该方法比求解主方程更简洁方便；我们考察了振幅阻尼噪声对两量子比特体系的影响，分析比较了纠缠并发度、非局域性、量子失谐三种不同的量子关联度量，这对人们理解不同量子度量的实质具有重要的理论意义；我们还利用不同的Bell不等式分析了三粒子W态和GHZ态的非局域性演化规律；我们提出了一种利用线性熵的方法，计算非幺正操作的算子纠缠和纠缠能力，结果表明，对一个普遍的操作，相比于纠缠能力，算子纠缠是一种更本质的性质。2，在保护和提高量子纠缠方面，我们设计了基于量子跃迁的反馈控制方案来提高两原子纠缠，该方案的优点在于无需实时态估计；我们以振幅阻尼噪声W态和振幅阻尼噪声GHZ态为例，提出了利用局域过滤操作实现多粒子纠缠蒸馏，该方案的优点是只需单个copy，并用局域POVM测量代替了复杂的多次CNOT操作。我们设计了利用局域幺正操作保护远程两粒子纠缠及三粒子纠缠以对抗振幅阻尼，方案的最大优点在于用户无需同步他们的操作，实验上简便可行。我们提出了一个纠缠蒸馏的方案提高两个远程光子的偏振纠缠。我们设计了利用间隔光脉冲保护远程原子纠缠对抗原子的自发辐射。3，我们提出了一些在实验上切实可行的利用腔QED技术进行纠缠态制备及实现具体量子信息处理的物理方案。例如，我们研究了如何在腔QED系统中将两个W态融合成一个大的W态；我们提出了直接测量两光子偏振纠缠态的纠缠并发度的方案；我们提出一个通过非模糊态识别来重构未知的两粒子混合态的方案等等。