耗散体系中关于制备多体纠缠态的研究

A quantum computer is a device for computation that makes use of superposition and entanglement in quantum mechanics to perform operations on data. As one of most important feature in quantum theory, quantum entanglement is the essential resource for quantum information processing. However, the presence of decoherence make it an obstacle to prepare faithful and reliable entanglement states in experiment for quantum information science. Since a quantum system will inevitably interact with its surroundings which leads to the loss of information for the quantum system. Traditionally, it has been assumed that noise can only have detrimental effects in quantum information processing.Nevertheless, it has been suggested, and realized experimentally, that the environment can be used as a resource. The coupling to the environment drives the system to a steady state where the outcome of the computation is encoded. Therefore, we aim to instigate the generation of multipartite entantlement states with dissipation in the context of cavity quanutm electrodynamics, and further design related quantum cloning machines.

量子计算机是以量子力学作为理论基础，运用叠加和纠缠等属性进行信息处理的装置。而量子纠缠现象作为量子理论最重要的特性之一，则是量子信息处理中必不可少的重要资源。但是退相干的存在使得以忠实并可靠的方式制备高保真度的纠缠态成为实验量子信息学领域中的一个主要挑战。因为量子体系不可避免地会与其周围环境发生相互作用，从而导致量子体系的信息流失。因此传统上认为，噪音在量子信息处理中只是起到破坏的作用。然而最近的理论以及实验的进展说明环境可以作为一个重要的资源。系统与环境的耦合会将系统驱使到一个稳态，而这个稳态恰好是我们计算所需的量子态。因此本项目主要在腔量子电动力学的框架下，研究如何利用体系固有的耗散特性来制备稳定的多体纠缠态。进而设计与纠缠相关的量子克隆机。

量子纠缠现象作为量子理论最重要的特性之一，是量子信息处理中必不可少的重要资源。但由于量子系统不可避免与周围环境发生相互作用，导致量子态各个分量之间相干性丢失，即退相干。它的一个表现方式就是波函数的塌缩。因此通常认为退相干在量子信息处理中只是起到破坏的作用。本项目主要探究在腔量子电动力学框架下，将外加驱动与体系的固有耗散特性相结合来制备非平衡条件下的稳定多体纠缠态。将通常被认为起消极作用的耗散转变为有用的资源，为耗散量子信息处理提供理论依据。目前取得成果如下：1. 在光学腔中，利用铷原子激发态的自发辐射制备了原子的三维纠缠态，此工作发表在 Physical Review A.89, 012319 (2014)。2. 进一步我们考虑在光子泄露的条件下，引入量子反馈机制实现了双原子的三维纠缠态，发表在 Scientific Reports, 4, 7566 (2014)。3. 利用里德堡原子的偶极相互作用，我们在考虑激发态自发辐射条件下制备了双原子三维纠缠态与三原子单态，该工作发表于 Physical Review A.89, 052313 (2014)。4. 通过引入微波耦合三能级原子的两个低能态，我们在原子和腔系统中利用耗散制备了双原子 Bell 态，该工作发表在 Physical Review A, 90, 054302 (2014)。 5. 在由光纤耦合的两个空间分离的光学腔中，利用光纤中的光子泄露实现了稳定的非局域纠缠态，发表在 The European Physical Journal D, 69, 1-8 (2015)。除以上工作外，我们又发表 10 篇关于实现量子逻辑门以及探究 Casimir 效应的文章。