检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：柴诚哲中国科学技术大学

学位级别：博士

过去几十年,基于量子物理的量子技术取得了巨大的进展,包括量子计算,量子模拟,量子通讯,量子传感等。特别的,将不同的物理体系结合起来,希望得到比单一物理体系更优性能的混合量子系统,引起了极大的兴趣。其中基于铁磁材料中的自旋波来... 详细信息

过去几十年,基于量子物理的量子技术取得了巨大的进展,包括量子计算,量子模拟,量子通讯,量子传感等。特别的,将不同的物理体系结合起来,希望得到比单一物理体系更优性能的混合量子系统,引起了极大的兴趣。其中基于铁磁材料中的自旋波来研究混合量子系统受到了广泛的关注。自旋波(spin wave)是磁矩有序材料中磁化的集体激励,它的量子化称为磁子,可以与微波光子、光学光子、机械声子、甚至超导量子比特相互作用,从而形成新的研究领域,分别为在基于磁光效应的腔光磁体系、基于磁致伸缩效应腔磁机械体系、以及基于磁偶极子相互作用的量子磁振子体系中得到广泛的研究,实现了包括微波到光波的频率转换,单个磁振子的测量,声子与磁振子的转换等,突显了很好的应用前景。目前,基于固态量子比特的量子信息技术大多都受到低温以及微波光子的局限,不能实现长距离的量子比特之间的通讯,因此将量子态从微波转换到光学领域引起了广泛的兴趣,与微波光子不同,光学光子可以通过低损耗的光纤传输,这使得它们适合长距离的通信,而且光学领域还提供了大量开发良好的量子光学工具,如高效的单光子探测器和长寿命量子存储器等,因此通过微波光子到光波光子的相互转换能够实现多个量子比特间的长距离量子通讯,组建混合量子网络。目前,已经在许多体系中实现了频率转化,如腔光力体系,电光相互作用,原子体系,腔光磁体系等等。上述方案中腔光磁体系由于磁振子频率可调谐范围大,长寿命等独特的优点引起了大家的关注。尽管目前在腔光磁体系中实现了微波到光波的频率转化,但是现有的转化效率较低,需要对系统进一步的研究,进而提高转换效率。本文主要围绕铁磁微球腔内光磁相互作用,研究了基于光自旋轨道耦合的非互易传输,以及在腔内光磁相互作用下的频率转化。论文的主要工作包括:(1)理论分析了回音壁模式微腔中的光磁相互作用,通过施加不同方向的静磁场将光磁作用分为简并的三波混频和非简并的三波混频,总结了上述过程的选择定则。此外理论分析了两种情况下微波到光波频率转化的效率,发现两种情形各有优点。对于平行于光路的磁场,简并的三波混合的条件很容易满足:不需要找到频率差为磁振子的两种光学模式。对于垂直于光路的磁场,非简并的三波混频具有较大的耦合强度,从而具有较大的转换效率。(2)研究了磁振子在回音壁模式微腔中的热双稳态现象。随着微波泵浦的频率扫过磁振子频率时(逐渐增大或减少),微腔中的光学模式的共振波长位移呈现出不一致的动态变化,类似于高品质因子微腔中的热双稳态。由于光学模式的品质因子很高,能够提高测量灵敏度,我们进一步研究了不同YIG微球晶轴对YIG微球磁振子热双稳态的依赖关系。结果表明,在特定的旋转角度条件下,可以消除微波驱动引起的热双稳态,这对今后的磁振子传感器实验有一定的指导意义。(3)基于光的自旋轨道耦合,在微腔中实现光的非互易传输。在实验上实现了均匀YIG微球中基于光自旋轨道耦合的法拉第效应。通过施加一个垂直于光学赤道面的偏置静磁场,简并的顺时针和逆时针回音壁光学模式将在YIG微球中解简并,这说明了法拉第效应引起的回音壁模式的非互易频移。实验结果表明,在高阶方位角模式和较大的微球尺寸下,顺时针和逆时针回音壁模式的频率分离较大。我们在YIG微球中观察到高达0.69GHz的频率分离,与光学线宽接近,因此有望实现宽带非互易光子器件。(4)在YIG球中实现了微波到光波的频率转化。在平行于回音壁模式微腔赤道面的静磁场作用下,通过外加微波驱动磁振子模式使得YIG微球中的光发生斯托克斯和反斯托克斯散射,产生边带信号。我们的实验得到的功率转换效率约为3.62×10-6。另外由于磁振子可调谐的优点,我们在实验中实现了 3.5GHz-6GHz的磁振子频率下的频率转化效果。我们的结果提供了一种在宽带宽下运行的微波到光子的转化器,揭示了在混合量子系统中的潜在应用。

关键词：回音壁模式微腔光磁相互作用非互易双稳态微波光学频率转化

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仲费米子模型中的拓扑相及XY模型中耗散的研究

仲费米子模型中的拓扑相及XY模型中耗散的研究

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作者：张舜尧中国科学技术大学

学位级别：博士

强关联量子多体系统一直是凝聚态物理领域研究的热点。凝聚态中一些重要的物理现象包括高温超导,分数量子霍尔效应以及自旋液体,都与强关联效应相关。除了极少数一些精确求解的方法(Betheansatz),理论上一直缺少对这类模型系统求解的方... 详细信息

强关联量子多体系统一直是凝聚态物理领域研究的热点。凝聚态中一些重要的物理现象包括高温超导,分数量子霍尔效应以及自旋液体,都与强关联效应相关。除了极少数一些精确求解的方法(Betheansatz),理论上一直缺少对这类模型系统求解的方法。在近三十年的发展中,比较成功的解决强关联系统的数值方法包括量子蒙特卡罗方法,动力学平均场,密度矩阵重整化群方法等,其中在处理一维格点模型时候比较有效算法当属密度矩阵重整化群。另一方面,近二十年来人们在量子系统调控技术方面取得重要进展,特别是在冷原子系统中通过Feshbach共振可以自由调节原子-原子相互作用,以及通过光晶格实现晶格系统,使得人们可以用冷原子系统模拟一些凝聚态中的多体量子系统,这为量子多体系统的研究开辟了新的道路。随着量子模拟技术的发展,一些有趣的量子多体玩具模型被提出来,这其中就包括仲费米子模型(或者钟表模型)。在强关联量子系统中,拓扑序是近些年发现的一种新的物质形态,最早发现的拓扑态是分数量子霍尔态。对拓扑序的分类超越了传统的朗道基于对称破缺理论对物相的分类。具有拓扑序的系统一般都是强关联的多体量子系统,它们可以用拓扑量子场论来描述。这些系统往往具有任意子类型的准粒子激发,以及非平庸的基态简并。量子信息可以存储在这些准粒子编码的简并量子态中,对这些准粒子编织可以实现拓扑量子计算。拓扑系统的一大特点就是它对局域微扰的稳定性,这些局域微扰一般都是针对封闭系统而言的。但是由于真实实验上的物理系统都是开放系统,将一个热库包含进整个系统往往是不现实的,因此拓扑系统对开放环境噪声的稳定性仍然是一个值得研究的问题,例如耗散对拓扑量子信息存储的影响就是一个有意义的研究方向。同时,开放量子多体系统的演化问题本身就是量子物理中一个重要问题,精确可解的主方程描述的开放量子系统仍然限于一些特殊的单个粒子,单个自旋或者谐振子模型。事实上,最近已经有研究表明一些多体量子主方程可以用单粒子方法精确求解,然而这仍然只是很少的一部分系统。我们利用密度矩阵重整化群和精确对角化方法研究了一维扩展Z3仲费米子模型的相图,这个模型可以通过Jordan-Wigner变换变成钟表模型。我们发现在大塞曼场极限下,每一个格点投影到一个单态或者一个两重态上,在后者情况下,我们看到这个模型可以光滑变化到传统的自旋1/2系统,体现了仲费米子到正则费米子的渐进行为或者Z2自旋模型在Z3模型的呈展(emergent)现象。我们通过推广自旋1/2系统的研究工具例如序参量和关联函数到Z3模型,将模型整个相图完全确定下来,丰富的相被揭示出来,包括拓扑铁磁仲费米子相(FP),平庸的顺磁仲费米子相(PP),自旋流体相(SF),二聚(dimer)相,手征(chiral)相以及可公度相(C)。令人惊奇的的是,所有的相边界最终汇聚到一个超级临界点上,不同的相可以认为是在这个高对称点发生某种对称破缺。接着这个工作我们又研究了另一种交替仲费米模型,延续寻找呈展现象的研究方法,我们发现在这个模型中会出现呈展的Haldane相。为了表征这个对称保护的拓扑相,我们推广了 Z2自旋模型中的弦序参量到Z3系统,同时利用纠缠谱和基态简并进一步强化了这一结论。紧接着进行对称保护拓扑相的研究,在另外一个扩展Z3 × Z3钟表模型中,我们通过推广Jordan-Wigner变换,将模型变成两条脱耦的仲费米子链。利用这个方法我们发现了一种反常的无能隙对称保护的拓扑相。这种相的特点是,在不破坏Z3×Z3对称性的微扰下,系统的基态和低能激发态总是保持三重简并,并且基态在开边界和闭边界下具有不同的基态简并,反应了边界态的存在。另外我们还验证了这种态的纠缠谱也是三重简并的。我们的工作为研究其他在仲费米子模型中更反常的拓扑相的问题提供了一种新的思路。另一方面,我们还研究了一个具有边界耗散的XY模型的弛豫行为,这个模型可以通过Jordan-Wigner变换变成一个具有边界耗散的拓扑超导模型。这个模型具有马约拉纳零模,一般认为可以进行拓扑量子存储。研究边界耗散的XY模型就等价于研究拓扑量子态在边界耗散下的退相干行为。我们首先将模型写在马约拉纳表象下,发现不同数目的马约拉纳空间是相互脱耦的。在长时间极限下,我们发现系统的弛豫是完全由单粒子耗散决定的。通过将单粒子耗散方程映射到非厄米的薛定谔方程,我们分别用线性展开和微扰理论理解了单粒子弛豫在弱耗散和强耗散极限下的行为。我们发现了大耗散会导致长时间的弛豫这种反常的行为。另一方面我们还分析了边界态和体态在耗散中起到的作用,结果发现边界态是最容易受到耗散影响的,而体态却给出了最长时间的弛豫。我们的工作从一个新的视角研究拓扑量子存储在开放系统的耗散问题,暗示拓扑信息存储在开放环境噪音下可能并不稳定,这一问题有待进一步研究。

关键词：量子多体系统非阿贝尔任意子仲费米子拓扑相边界耗散超级临界点

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自由空间量子通信实验研究

自由空间量子通信实验研究

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作者：印娟中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息是量子物理和信息科学交叉发展起来的新学科,由于具有经典信息学无法比拟的优势和前景,近年来得到了广泛的关注和发展。量子通信是量子信息领域最接近实用化的方向,根据传输信道不同,又分为光纤量子通信和自由空间量子通... 详细信息

量子信息是量子物理和信息科学交叉发展起来的新学科,由于具有经典信息学无法比拟的优势和前景,近年来得到了广泛的关注和发展。量子通信是量子信息领域最接近实用化的方向,根据传输信道不同,又分为光纤量子通信和自由空间量子通信。目前光纤量子通信已基本达到极限传输距离,自由空间量子通信则可借助空间平台建立高稳定低损耗信道,实现超远距离量子通信实验,通过空间平台中转将有可能实现覆盖全球的量子通信网络。因此自由空间量子通信成为目前国际上最热门的研究方向。本文的内容主要内容包括在实验上,模拟了卫星发射单光子源,到达地面被探测的星地量子信道的建立,并在此基础上发展了基于卫星运动平台的偏振保持技术,验证了以现有技术水平实现星地量子通信的可行性;实验制备了两体四维纠缠光子对,并将其应用于“量子心灵感应”游戏的演示;实验同步了两个由独立激光器产生的纠缠光子对,并在此基础上实现了纠缠交换;实验演示了基于消相干自由子空间的容错量子密钥分配。在我们实验中发展起来的技术,将在未来的基于空间平台的自由空间量子通讯,实用的量子密码,线性光学量子计算等方向有着重要应用。

关键词：自由空间量子通信空间平台量子纠缠同步

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空间量子密钥分配中的偏振劣化及系统改进设计

空间量子密钥分配中的偏振劣化及系统改进设计

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作者：吴建荣中国科学技术大学

学位级别：博士

在这个信息呈爆炸式增长的年代,信息的安全问题日益突出,保密通信的需求日益增长。安全密钥的获取是保密通信的关键。量子密钥分配由于可以提供大量安全密钥的分发而受到人们的青睐。经过二十余年的发展,在量子密钥分配的两大关键指标,... 详细信息

在这个信息呈爆炸式增长的年代,信息的安全问题日益突出,保密通信的需求日益增长。安全密钥的获取是保密通信的关键。量子密钥分配由于可以提供大量安全密钥的分发而受到人们的青睐。经过二十余年的发展,在量子密钥分配的两大关键指标,即实现密钥分配的距离和成钥速率两方面都有了巨大的进步。但是,从目前的空间量子密钥分配实验结果来看,当传输距离大于10公里时,误码率都在5%以上,最终的成钥率只有几百bit/s。由于空间量子密钥分配一般采用偏振态编码方式,如果信号光子的偏振态在产生或传输的过程中偏离了密钥分配协议所要求的理想偏振态,即偏振发生劣化,将导致密钥误码率的增加。因此,有效解决空间量子密钥分配中的偏振劣化问题,是降低系统误码率、提升密钥分配效率的关键之一。本论文围绕空间量子密钥分配中的偏振劣化,包括系统中光学器件的不理想所导致的信号偏振光子的偏振态的转换以及大气传输所带来的信号光子的退偏振效应,进行了以下几个方面的研究: (1)分析了空间量子密钥分配系统中偏振劣化的器件来源。指出光在光学器件的介质分界面处折、反射时的偏振相关特性是系统中偏振劣化的物理根源。用来分/合束的偏振无关分束器(NPBS)的偏振相移特性的误差是系统退偏振的重要来源。采用琼斯矩阵法就NPBS对系统误码率的影响进行了分析。提出对光路布置设计的改进方案,在这一方案中,只对NPBS的透射p光与s光的相移差有性能要求,可以降低NPBS的偏振相移误差对误码率的影响。并改进设计了满足系统设计要求的新型NPBS。分别选用一般NPBS和改进设计过的NPBS构建空间量子密钥分配系统,进行室外200米及1.3公里的空间量子密钥分配对比实验。实验结果与理论预期符合基本一致,改进NPBS的设计及接收端光学系统的光路布置使系统误码率降低了2.6%,证明了对系统设计方案改进的有效性。 (2)提出了基于正交对称结构的空间量子密钥分配系统的改进设计方案。在这一方案中,发射端和接收端采用同一种NPBS,两者相互呈90°放置,使得经过第一个NPBS的p光相对于第二个NPBS是s光,而经过第一个NPBS的s光相对于第二个NPBS是p光,从而抵消NPBS对透射p光和s光的相移差。这使得无需对NPBS的透射p光与s光的相移差作性能要求,就可以降低NPBS所带来的偏振劣化对误码率的影响。采用琼斯矩阵方法对这一方案的有效性进行了理论验证,并给出实验系统的示意图。 (3)采用蒙特卡罗方法详细分析了偏振光在云雾大气中的退偏振及传输损耗特性。分别针对不同浓度及不同平均粒子半径的云雾模型,在不同的空间量子密钥分配系统的接收机参数下,进行了数值模拟。得到了在不同的接收机参数下,偏振光经过云雾大气传输后的传输损耗及退偏振变化规律,为分析穿越云雾的空间量子密钥分配提供了理论基础。搭建了测量偏振光经过大气传输后的退偏振效应的测试装置,给出了在合肥地区测得的累积实验结果。 (4)进行了云雾大气中空间量子密钥分配的误码率仿真计算,讨论了不同云雾大气下空间量子密钥分配的可行性。结果表明,在实际接收机系统参数下,多次散射引起的光子的退偏振对系统误码率的影响相对于探测器暗记数与背景光噪声之和对误码率的影响是可以忽略的。通过计算得出了穿越云雾的量子密钥分配的误码率与云雾浓度的关系,论证了可以进行有效空间量子密钥分配的云雾浓度上限和对应的气象视距。

关键词：空间保密光通信空间量子密钥分配密钥误码率偏振劣化大气退偏蒙特卡罗法

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开放体系平衡与非平衡热力学和量子耗散的统一理论

开放体系平衡与非平衡热力学和量子耗散的统一理论

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作者：弓弘中国科学技术大学

学位级别：博士

热力学是宏观唯象理论,是经典物理学中最富有深意、影响最为深远的部分之一。Einstein曾说过,经典热力学是唯一具有普适性的物理理论。那么量子热力学呢?在量子物理的领域,传统热力学定律的适用性是一个很值得研究的问题。量子热力学是... 详细信息

热力学是宏观唯象理论,是经典物理学中最富有深意、影响最为深远的部分之一。Einstein曾说过,经典热力学是唯一具有普适性的物理理论。那么量子热力学呢?在量子物理的领域,传统热力学定律的适用性是一个很值得研究的问题。量子热力学是一个新兴的研究领域,此领域尝试研究清楚宏观尺度的热力学在量子尺度是否适用,或者在纳米尺度是否存在新的规律。在本文中,我们利用耗散子运动方程(DEOM)理论研究了开放量子体系的平衡态与非平衡态热力学。所谓开放体系,它必然不是孤立的,一定会与其环境发生能量、物质或者信息的交换。我们称开放体系和它的环境构成的整体复合物为“热力学体系”,它与周围更大的环境(“热力学环境”)保持热接触,以维持恒定的温度。我们在引言部分介绍了研究背景和论文结构,并且给出了补充说明。第二章回顾了量子统计的一些基本知识。包括量子Liouville方程;Schr?dinger绘景、Heisenberg绘景与相互作用绘景;热力学体系的统计系综以及线性响应理论。为后面我们理论的开展研究提供了基础。第三章,主要介绍了开放量子体系的耗散子运动方程(DEOM)理论。在已有的实时DEOM理论的基础上,我们提出了虚时DEOM理论,并且在第四章用于平衡态热力学的研究。虚时DEOM理论可以用来研究开放量子体系的平衡态热力学。DEOM理论考虑了体系-环境的纠缠特性对热力学体系的影响,是研究开放量子体系动力学和热力学的严格方法。第四章,在热力学积分结合DEOM理论的基础上,我们建立了求解平衡态和瞬态热力学的统一框架,计算了开放体系与环境等温混合所引起的热力学量的变化,给出了计算开放量子体系的平衡态热力学量的新方法。在数值上给出了自旋-玻色系统的热力学量的精确结果,强调了开放体系中经常被混用的热力学熵与von Neumann熵的区别。我们还对比了虚时DEOM与实时DEOM,新方法的有效性得到了验证。第五章,发展了热力学自由能谱理论,同时涵盖Bose型和Fermi型环境两种情形。Gauss环境下的体系-环境纠缠定理与自由能谱函数密切相关。我们完善了 Fermi型Gauss环境的纠缠定理,并且发现了体系-环境纠缠定理与自由能谱函数密切相关。我们推断出用实验可测的局域杂质系统的性质和非局域环境的杂化谱密度函数可以完全确定混合自由能。这为研究可测量的量子杂质体系的热力学性质提供了新的、有效的理论工具。第六章,对于开放量子体系远离平衡态的热力学过程,通过功的特征函数以及定义耗散功算符(DWOs),我们研究了可控参数调节下体系-环境混合过程的非平衡功的概率分布。我们用量子耗散动力学方法验证了混合功的涨落定理,比如Jarzynski不等式和Crooks关系,关联了平衡态自由能的改变量和体系-环境非平衡混合过程的做功量。对于精确求解开放体系非平衡的热力学量有重要意义。第七章,用级联运动方程(HEOM)方法研究了双量子点体系的纠缠。量子点体系是一个代表性的量子杂质系统,其中,电子-电子的强关联和体系-环境的相互作用很大程度上影响着双量子点体系中量子态的纠缠。通过研究体系和环境参数对纠缠熵的影响,我们认为纠缠主要是由自旋-自旋相关性决定的。最后,我们在第八章对以上研究内容做了总结与展望。

关键词：开放量子体系量子耗散平衡态/非平衡态热力学自由能谱函数混合热力学量功特征函数耗散功算符

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基于线性光学的量子网络及量子传感的关键问题研究

基于线性光学的量子网络及量子传感的关键问题研究

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作者：刘立峥中国科学技术大学

学位级别：博士

量子纠缠作为量子网络的核心资源,能够用来实现量子安全通信,分布式量子计算和量子传感。得益于光子的高重构性和鲁棒性,其已被广泛应用于这些应用中。本文中,我们利用线性光学系统制备和操纵纠缠光子,对量子网络和量子传感的关键问题... 详细信息

量子纠缠作为量子网络的核心资源,能够用来实现量子安全通信,分布式量子计算和量子传感。得益于光子的高重构性和鲁棒性,其已被广泛应用于这些应用中。本文中,我们利用线性光学系统制备和操纵纠缠光子,对量子网络和量子传感的关键问题展开相关研究。第一章中,我们总览了当前量子网络及其关键技术的研究进展。第二章中,我们理论和实验研究了线性光学系统的几个关键方面,包括自发参量下转换过程中的相位匹配、对比度和收集效率,以及寻常和非寻常光之间的频率关联。全光量子中继方案被证明可以减小量子中继对量子存储的依赖。第三章中,通过引入后选择贝尔测量,我们削弱了该方案对纠缠光子数量的要求。实验上,我们通过12光子干涉仪实验研究了全光量子中继方案。结果显示在500mW和700mW泵浦光功率下,与原始的量子中继器相比,全光量子中继器使得通信双方建立纠缠的成功率提升了 1.74和1.89倍。量子纠错和纠缠蒸馏被证明可以克服量子纠缠态在传输和处理过程中受到的环境噪声的影响。第四章中,我们通过操纵10光子干涉仪在实验上制备了 9比特的Shor码,演示了其勘错和容失性能。此外,我们设计并演示了两种相互作用下的量子系统重置协议,提供了一种新的纠错方法。最后,通过结合确定性和概率性纠缠蒸馏方案,我们设计并实验演示了一种更有效的纠缠蒸馏方案,其蒸馏概率高于确定性蒸馏概率极限。不完美的测量设备会使我们在纠缠判定上得到错误的结论,从而破坏了量子通信的安全性。在第五章中,我们演示了 3体GHZ态的与测量装置无关的纠缠目击。更值得关注的,通过设计纠缠目击算符,我们演示了具有精细结构的类GHZ态的纠缠目击。该研究对实现安全的多方量子通信具有重要意义。光量子传感技术可以用于测量不可直接观测的物理量,得到超越经典极限的精度。第六章中,我们研究了不同模式和粒子纠缠结构下的分布式量子传感,首次验证了纠缠在模式和粒子中对于测量精度的增益作用。接着,通过结合并行纠缠和粒子相干性,我们研究发展了可以进一步提高精度的组合方案。最后,通过结合贝叶斯自适应测量和最大似然测量方法,我们发展并实验研究了一种分布式全周期量子相位测量方案。最终精度极限优于以往的所有研究结果,甚至Holevo 极限。

关键词：量子网络多光子纠缠自发参量下转换量子传感量子中继量子纠错码纠缠蒸馏

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量子态识别的理论及应用

量子态识别的理论及应用

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作者：庞盛世中国科学技术大学

学位级别：博士

二十世纪初诞生的量子力学是物理学史上的一个重要里程碑。通过量子力学,人们对微观世界有了远比以前更加全面更加深入的认识,并由此创造了各种新颖的技术,如电子扫描隧道显微镜(STM),半导体技术等等。这些新技术新发明从根本上改变了... 详细信息

二十世纪初诞生的量子力学是物理学史上的一个重要里程碑。通过量子力学,人们对微观世界有了远比以前更加全面更加深入的认识,并由此创造了各种新颖的技术,如电子扫描隧道显微镜(STM),半导体技术等等。这些新技术新发明从根本上改变了人类对世界的认识,也极大地改变了人类的生活方式,促进了人类的文明与进步。随着量子力学的蓬勃发展,越来越多的其它学科开始与它融合,诞生出了许多新兴的交叉学科和研究热点,这其中的一个典型代表就是量子信息与量子计算。顾名思义,量子信息与量子计算是量子力学和信息与计算机学科交叉的产物。它诞生于上世纪80年代Feynman等人对经典计算机能否模拟量子系统动力学过程的研究,甚至还可以追溯到更早的60年代对相对论下通过量子系统传递信息能否超光速的争论。随着量子信息和量子计算研究的不断深入,人们惊奇地发现利用量子系统进行计算拥有比经典计算更快的速度,更高的效率,有些在经典计算中无法在多项式时间内解决的问题,利用量子计算则可以解决;而利用量子系统进行通信也具有一些经典通信无可比拟的优势,比如量子密钥分发具有无条件的绝对安全性,使用量子纠缠可以进行量子隐形传态和量子密集编码等等。这些量子计算和量子通信的独特优势,反过来大大增强了人们对这个领域的兴趣,进一步促进了这个领域的快速发展。在量子通信中,一般使用量子态作为信息的载体,即用量子态来编码要传递的信息。而当我们要从所传递的量子态中获取信息时,关键的一步是要使用量子测量对量子态进行识别。对量子态识别的成功率和正确率越高,从中能够获取的信息越完整;反之,则获取的信息量越少。由此可见,量子态识别对量子信息的传递至关重要,它的效率和可靠性直接决定了通信过程的质量,因此,研究如何优化量子态识别过程,比如怎样提高量子态识别的成功率和正确率,是非常有意义的。量子态识别是量子信息领域中的一个重要的基础性问题,在近几年的研究中方兴未艾。本论文正是致力于对这个问题进行深入的分析和系统的研究。本论文的主要内容和章节安排如下：第1章将主要回顾量子力学的诞生和量子信息、量子计算的发展历程,简介量子信息和量子计算领域中的主要研究内容。同时将介绍量子力学的几个基本原理,并将引入量子态识别的基本概念。第2章将首先阐述von Neumann测量(即量子正交投影测量)、广义量子测量和POVM;然后将详细介绍量子态识别的两种不同类型：最小错误量子态识别和无歧义量子态识别,并给出其中的一些基本结论;最后还将回顾量子态识别问题的研究状况以及实验上的相关进展。第3章将详细深入研究量子纯态的无歧义识别问题。首先我们将给出一组量子纯态能够进行无歧义识别所需满足的一般条件,随后将深入分析量子纯态无歧义识别最优解的性质,并得到最优解所满足的充分必要条件。为了使该充分必要条件便于计算,我们将此条件应用在最优解为临界可行区域内部非奇异点和边界点的两种情形,并分别给出这两种情形下最优解所满足的方程组。同时我们将从几何上阐明最优解的充分必要条件和两组方程的意义,并给出具体的数值例子。紧接着,我们将应用最优解为临界可行区域内部非奇异点时所满足的条件得到该情形下最优解的解析结构。我们还将研究使用推广的等概率测量进行量子态无歧义识别的问题,并得到解析的最优解。最后,我们将把前面所得到的结论应用到三个纯态情形,给出最优解所满足的方程,并应用到一些具体的例子中。第4章将主要考虑由量子态无歧义识别衍生出来的一个问题：量子态无歧义比较。我们将首先定义量子态比较问题的概念,并给出量子纯态无歧义比较的一个基本结论。接着我们将研究量子混态的无歧义比较。我们将证明普适量子混态比较的不可能性,同时仔细研究有限集合量子混态比较的可行性条件,给出各种不同情形下的充分必要条件。此外,我们还将研究一类特殊的量子态比较问题：能否通过量子测量无歧义地判定多个未知量子态的接近或正交程度是否高于或者低于某个阈值?我们将证明当阈值非平凡时,这类测量一般是不存在。我们最后还将研究能否通过量子测量判定多个未知量子态是否正交,并将证明能够完成这项任务的量子测量也是不存在的。第5章将研究间接量子态无歧义识别问题。所谓间接量子态识别就是不直接对待识别的态进行测量,而是通过相互作用将待识别的态与一个辅助系统耦合起来,并对辅助系统进行测量以识别原来的态。我们将详细研究单个辅助系统和多个辅助系统两种情形,并分别给出这两种情形下间接量子态最小错误识别问题的最优解。第6章将回顾和总结本论文的主要内容,并提出量子态识别中的几个开放性问题。

关键词：量子信息量子态量子测量无歧义识别最小错误识别量子态比较

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稀土氯化物晶体生长及其光存储研究

稀土氯化物晶体生长及其光存储研究

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作者：李宗峰中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息行业近年来的蓬勃发展促成了对新材料新设备等新技术的需求。量子通信的应用要求更优参数的量子存储材料,更高的存储指标,和与存储器匹配的纠缠源等。包含稀土离子的固体材料在量子存储的众多备选物理系统中以其存储时间长,带宽... 详细信息

量子信息行业近年来的蓬勃发展促成了对新材料新设备等新技术的需求。量子通信的应用要求更优参数的量子存储材料,更高的存储指标,和与存储器匹配的纠缠源等。包含稀土离子的固体材料在量子存储的众多备选物理系统中以其存储时间长,带宽大,保真度高等优点,逐渐成为最有希望实现量子存储的材料之一。这篇论文呈现了作者在水合稀土氯化物晶体的生长,光谱学测试及量子存储应用的研究,使用谐振腔制备高能激光脉冲的研究,匹配存储器的参量下转换纠缠源的搭建。主要成果如下:1.生长高品质水合氯化稀土晶体及NdCl·6HO晶体的光谱学研究水合氯化铕晶体是光学非均匀展宽最低的固体材料之一。此类氯化稀土晶体的极高的色心浓度,强稀土离子间相互作用赋予其在量子存储和计算方面的全新应用前景。在同类晶体NdCl·6HO中,Nd3+离子的Kramers特性导致了更强的离子间相互作用。我们生长了高品质的NdCl·6HO单晶,并首次测量该晶体的光谱学性质。同时我们研究了Nd3+离子的4I9/2→4F3/2最低晶体场能级跃迁的偏振依赖特性,阐明非辐射跃迁过程为此晶体中主要跃迁通道。2.基于EuCl·6HO晶体的光存储研究同位素提纯的EuCl·6HO晶体已经体现出了低于能级间距的非均匀展宽,在光量子存储方面应用颇有前景。我们生长得到了EuCl·6HO晶体,实验测得其7F0→5D0跃迁相干时间为55.7 μs,并在该跃迁中实现微秒量级原子频率梳光存储,最后定量分析了温度导致的跃迁频率移动现象。3.提出并实现基于光学谐振腔的脉冲功率放大方案在量子存储这种光与物质相互作用的实验中通常需求窄线宽频率稳定的连续波激光。然而在某些应用中,如使用光学π脉冲实现电子布局数反转,需要短时间高功率激光脉冲,普通连续波激光器难以像脉冲激光器那样输出极高功率密度的短脉冲。我们提出并实现一种方案,其利用光学谐振腔特性,能将连续波激光器输出的连续波激光转换为高功率密度的脉冲光,从而解决当前量子存储中的一个技术问题。我们的实验装置实现了 17倍峰值功率放大结果,且脉冲宽度可调。4.搭建匹配量子存储器的参量下转换纠缠光源完整的量子中继方案除了需要量子存储器外还需要纠缠光子对和纠缠交换操作。我们使用波导PPKTP实现高亮度的下转换光子对,使用光学标准具的组合使纠缠光子带宽与存储器相匹配。使用线性光学和后选择的方法实现了最大纠缠态的制备。又用线性光学的方法实现贝尔态测量,最终实现两对纠缠光子的纠缠交换。5.实验相关的软件开发与实验紧密相关的计算机软件被开发出来,用于简化实验中某些多次使用的计算过程,或实现某些仪器的特殊操作需求。这些软件包括:简化高斯光参数计算的高斯光参数计算程序;实现可编程温度控制的TED4015温度控制软件;具有能够灵活使用虚拟通道功能的TimeTagger符合仪软件和模拟信号调节的磁场控制软件。

关键词：量子存储量子中继水合稀土氯化物溶液晶体生长纠缠光源光学谐振腔

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量子模拟多体阻挫模型

量子模拟多体阻挫模型

引用

作者：陈志心中国科学技术大学

学位级别：博士

费曼最早提出量子模拟的概念,这一概念是指通过一个可控的量子系统模拟另外一个物理系统,从而研究目标系统的物理特性。量子模拟主要是为了解决经典计算机难以解决的问题。典型的问题是一些有趣的量子多体强关联系统,它们在众多领域扮... 详细信息

费曼最早提出量子模拟的概念,这一概念是指通过一个可控的量子系统模拟另外一个物理系统,从而研究目标系统的物理特性。量子模拟主要是为了解决经典计算机难以解决的问题。典型的问题是一些有趣的量子多体强关联系统,它们在众多领域扮演着重要的角色,包括凝聚态物理、材料科学、高能物理和量子化学。一些量子模拟平台已经被实验实现,其中包括超冷原子系统、离子系统和光子系统。有些实验已经深入到了即使是超级的经典计算机也不能解决的问题。一些重要而又开放的问题已经被确认,在这些问题上,量子模拟将产生重大的影响和帮助。这些问题包括对高温超导机制的理解、量子磁性问题、量子多体系统的动力学演化和一些与高能物理相关的问题。量子模拟,这一领域正在快速的发展并且与诸多领域交叉。在量子模拟的研究中,模拟量子磁性效应,特别自旋阻挫效应,是一大焦点。最近十年,自旋阻挫系统引起了人们高度的关注,因为在凝聚态物理中它们有着丰富而有奇特的低温物理特性。阻挫主要有两种原因：一种是由竞争相互作用导致；另一种是由于格子的几何结构导致。量子涨落会强烈地影响反铁磁自旋阻挫系统的特性,使得它们的基态与经典的Neel态完全不同。例如,两个近邻的自旋能够自行组合成一个单态,而这是组成许多奇异量子态的基本单元,比如共价键晶体和共振价键自旋液体态。后者更是常常被人认为是理解高温超导起因的关键。另一方面,由于阻挫相往往高度简并,所以理论上处理强阻挫系统是非常困难的。此外,基于量子蒙特卡洛方法的数值模拟在阻挫系统中常常遇到符号问题。因此,研究阻挫系统的物理无论是在理论上还是在实验上都是一个巨大的挑战。最近,随着量子模拟的兴起,通过可控的量子模拟器,研究量子磁甚至自旋阻挫效应成为可能。在光晶格中,已经实现了一维的Ising模型,相对于以前使用原子内态的方案,他们利用的是原子的运动(空间)自由度。然而这一系统扩展到二维有些困难,也不能实现完整的海森堡模型。此外,利用全光子系统的实验只能研究少数格点的磁性问题。利用离子阱系统,在研究量子磁上虽然有不少工作,但是自旋作用往往只能成网状结构(任意两两相互作用),不能产生想要的几何结构。在这篇论文中,我们主要研究如何利用量子模拟器模拟自旋阻挫模型和隧穿阻挫效应。我们主要讨论了如何在级联腔系统中实现次近邻可调的一维阻挫自旋链。在超冷原子光晶格系统中,我们设计了特殊的二维光晶格,并分析如何用这类光晶格模拟二维J1-J2海森堡模型和checkerboard反铁磁模型。最后,我们提出如何用态依赖的格子诱导原子隧穿,产生隧穿阻挫的效应。具体如下： 1.我们提出了一个在级联腔系统中模拟次近邻作用可调的一维海森堡自旋链的方案。在先前人们的方案中,他们只考虑近邻作用而忽略次近邻作用。在我们的方案中,有两套相互独立的产生自旋作用的结构。通过调节外加激光场的相位,我们能够使得近邻作用相消,次近邻作用叠加,从而实现次近邻作用与近邻作用比值任意可调。我们的系统有很多独立可调的参数,使得我们可以模拟一维自旋阻挫模型和含次近邻作用的无序行为。因为在我们的系统中原子的激发态和腔模光子态只存在虚的激发,原子的自发辐射和腔中光子的泄漏被强烈地抑制,所以我们的方案是可靠的。 2.我们通过设计特殊的光晶格使得我们能够模拟二维的自旋阻挫模型。通过叠加不同周期和不同取向的光晶格,我们能够调节近邻隧穿和次近邻隧穿的大小,从而可以调节近邻自旋作用和次近邻作用的强度,最终实现自旋阻挫效应。在我们的方案中只需要一种频率的激光就可以模拟J1-J2海森堡模型和checkerboard反铁磁模型,并且参数能够达到它们的强阻挫区域。我们利用量子极化谱的测量方法研究系统的输出结果,发现对于J1-J2海森堡模型,量子相变点和噪声信号的极值间存在一一对应的关系,这令人印象深刻。我们的设计方案为模拟二维自旋阻挫模型提供了一个合适的平台。 3.我们提出了一个通过态依赖光晶格模拟超冷原子隧穿阻挫的普适方法。我们考虑了两种典型的格子结构,一种是存在近邻隧穿和次近邻隧穿竞争的方格子,另一种是有几何阻挫的kagome格子。这一方法能够推广而研究各种不同几何结构中超冷原子的隧穿阻挫,这使得我们能够同时研究玻色子和自旋系统的阻挫物理。我们研究了相关模型的平均场相图,并且讨论了相关的实验要求和探测方法。

关键词：量子模拟自旋阻挫隧穿阻挫级联腔超冷原子光晶格

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量子信息科学——一个令人惊奇的新兴领域

引用

中国科学院院刊 2007年第1期22卷 57-60页

作者：郭光灿中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室

量子信息是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科，基于量子力学的特性，如叠加性、纠缠性、非局域性和不可克隆性等，量子信息可以突破现代信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能，量子密码可以提供不可窃听、不可破译的绝对保密... 详细信息

量子信息是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科，基于量子力学的特性，如叠加性、纠缠性、非局域性和不可克隆性等，量子信息可以突破现代信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能，量子密码可以提供不可窃听、不可破译的绝对保密通信，量子计算具有巨大的并行计算能力，提供功能更强的新型运算模式。量子信息技术有望以崭新原理和方法开拓后莫尔时代的新一代信息技术。

关键词：量子密码量子纠缠量子信息

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