發(fā)布時(shí)間：2020-11-18 23:04

　　 量子信息由于其獨(dú)特的性質(zhì)和強(qiáng)大的信息處理能力受到了越來越多的關(guān)注,而固態(tài)自旋量子體系與光子耦合的方案,集合了自旋比特相干時(shí)間長(zhǎng)且易集成和光子操作靈活的優(yōu)勢(shì),成為量子信息中的熱門候選方案。本文針對(duì)固態(tài)量子自旋體系與光子耦合方案,對(duì)其理論模型和具體應(yīng)用進(jìn)行分析與模擬計(jì)算,主要探討了兩個(gè)方面內(nèi)容:一是利用光子對(duì)自旋量子比特進(jìn)行測(cè)量,包括色散測(cè)量,測(cè)量動(dòng)力學(xué)研究,以及實(shí)現(xiàn)快速高保真測(cè)量;二是建立量子架構(gòu),包括以自旋-光子模塊為基本單元構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò),片上自旋量子糾纏的測(cè)量與制備,和用稀土晶體中的自旋制備量子通信中多功能節(jié)點(diǎn)。本論文主要內(nèi)容有:1.概括介紹了量子信息的研究背景,對(duì)本文中經(jīng)常使用的一些量子概念進(jìn)行簡(jiǎn)要說明,同時(shí)列舉了固態(tài)自旋體系的一些物理實(shí)現(xiàn)方案,另外還闡述了量子架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。2.以S-T0自旋量子比特為例,設(shè)計(jì)了利用光子對(duì)自旋量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量的方案。利用主方程與運(yùn)動(dòng)方程對(duì)演化過程進(jìn)行模擬計(jì)算,展示了在不同外部磁場(chǎng)與交換能的情況下,自旋比特譜的變化。同時(shí)研究了在不同邏輯門的操作下,測(cè)量信號(hào)的改變情況。3.進(jìn)一步研究了自旋量子比特測(cè)量的動(dòng)力學(xué),通過調(diào)節(jié)自旋比特的門控電壓與隧穿速率,實(shí)現(xiàn)了橫向耦合與縱向耦合的調(diào)控。分析了系統(tǒng)演化過程中的退相干和讀取過程中的信噪比。使用運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值模擬了在不同參數(shù)時(shí),系統(tǒng)隨時(shí)間的演化情況,我們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)工作參數(shù),可以得到讀取測(cè)量的最佳工作點(diǎn),提高了測(cè)量的效率與保真度。4.介紹了我們?cè)O(shè)計(jì)的一種新的測(cè)量方案,通過調(diào)節(jié)測(cè)量微波的強(qiáng)度與自旋量子比特頻率的變化,將測(cè)量過程分為獲取、色散、釋放三個(gè)階段,在極大縮短了測(cè)量時(shí)間的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了高保真度的測(cè)量。除此之外,這套方案還可以用來獲取自旋量子比特的噪聲譜,對(duì)了解與抑制退相干有極大幫助。5.從自旋-光子基礎(chǔ)模塊出發(fā),通過設(shè)計(jì)自旋量子比特的驅(qū)動(dòng)脈沖,實(shí)現(xiàn)了可控波形單光子的制備。利用單光子作為“飛行比特”,完成了不同節(jié)點(diǎn)模塊之間的確定性量子態(tài)轉(zhuǎn)移和糾纏態(tài)的制備。我們發(fā)現(xiàn),無論是量子態(tài)轉(zhuǎn)移過程保真度還是糾纏保真度,都可以很好地達(dá)到糾錯(cuò)協(xié)議的閾值,滿足了構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的指標(biāo)與條件。6.分析了兩自旋量子比特與諧振腔耦合的模型,設(shè)計(jì)了宇稱測(cè)量過程中的微波驅(qū)動(dòng)脈沖,利用隨機(jī)主方程模擬計(jì)算了系統(tǒng)的演化,成功區(qū)分了自旋量子比特的不同宇稱態(tài)。此外,宇稱測(cè)量還實(shí)現(xiàn)了片上自旋比特Bell態(tài)的制備,通過對(duì)結(jié)果施加一個(gè)反饋調(diào)節(jié)還可以獲得確定性糾纏態(tài)。7.從稀土摻雜離子出發(fā),由于其獨(dú)特的性質(zhì),設(shè)計(jì)了一種多功能量子通信節(jié)點(diǎn),并提出了構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的方案,包括電子自旋糾纏、電子自旋與核自旋的態(tài)轉(zhuǎn)移、糾纏態(tài)純化、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)四個(gè)步驟。同時(shí)對(duì)此量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了重要參數(shù)的評(píng)估與原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。本論文主要?jiǎng)?chuàng)新有:1.利用自旋量子比特與光子耦合體系,實(shí)現(xiàn)了自旋量子比特譜與邏輯門操作的色散測(cè)量,為自旋比特測(cè)量提供了一種新的思路。2.實(shí)現(xiàn)了自旋量子比特與光子之間的可調(diào)控耦合,詳細(xì)分析了測(cè)量過程的動(dòng)力學(xué),通過調(diào)節(jié)參數(shù)找到了最佳測(cè)量點(diǎn),有效提高了測(cè)量質(zhì)量。3.新設(shè)計(jì)了一種測(cè)量微波脈沖,有效避免了 Purcell效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了自旋量子比特快速且高保真度測(cè)量,對(duì)量子糾錯(cuò)等的實(shí)現(xiàn)有重要意義。4.以自旋-光子模塊為基本單元,實(shí)現(xiàn)了不同節(jié)點(diǎn)之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)移與糾纏態(tài)生成,更進(jìn)一步,構(gòu)建了可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。5.設(shè)計(jì)了兩自旋量子比特與諧振腔耦合模型,利用宇稱測(cè)量實(shí)現(xiàn)了片上自旋量子比特之間的確定性糾纏制備與測(cè)量。6.以稀土摻雜離子的自旋作為多功能節(jié)點(diǎn)載體,提出了一種構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新方案,并對(duì)此設(shè)計(jì)了原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),推進(jìn)了量子網(wǎng)絡(luò)通信的研究。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O413
【部分圖文】：

?第一章緒論???比，這里多了一個(gè)Ｄｉｒａｃ算符丨?＞，其代表在量子計(jì)算中，不同狀態(tài)之間可以線性??組合，我們通常稱之為疊加態(tài)：??｜＾）?＝?ａ｜０＞?＋?＾｜ｌ）?（１．１）??上式中的ａ和／？是復(fù)數(shù)，在通常情況下，可以將其視為實(shí)數(shù)。其中丨０）態(tài)和丨１＞??態(tài)構(gòu)成了計(jì)算的基礎(chǔ)態(tài)，在向量空間中形成一組正交基，而量子態(tài)Ｍ》則可視為??二維復(fù)矢量空間中的矢量。??與經(jīng)典計(jì)算得到確定性結(jié)果不同，量子計(jì)算中無法通過測(cè)量量子比特得到其??量子態(tài)，即ａ和的值。我們只能得到結(jié)果為丨０＞的概率是丨《丨２，結(jié)果為丨１＞的概率??是丨／？丨２，而兩者的和｜ａ｜２?＋?｜／？｜２?＝?ｌ。??為了對(duì)量子比特有一個(gè)更加形象的理解，將其用空間幾何的形式表示，因?yàn)??｜？｜２?＋丨沒丨２?＝?１，所以：??Ｑ?Ｑ??＼ｘｐ）?＝?ｅｌＹ（ｃｏｓ—１０）?＋?ｅｌｔｐｓｉｎ—＼ｌ））?（１．２）??其中ｙ，?０，?均為實(shí)數(shù)，在實(shí)際計(jì)算中，少?zèng)]有明顯的影響，將其忽略得到：??＼ｘｐ）?＝?ｃｏｓ－１０）?＋?ｅｌｔｐｓｉｎ＾＼ｌ）?（１．３）??公式（１．３）相當(dāng)于單位三維球面上的一個(gè)點(diǎn)，如圖１．１所示，這個(gè)球通常被稱??為Ｂｌｏｃｈ球。??１〇）??ｚ＾ｂ＼??／你?丨奶＼??／?＼??，???ｖｕ??ＩＤ??圖１．１量子比特在Ｂｌｏｃｈ球中的表示。??２??

?第一章緒論???１．３．１?ＩＩＩ／Ｖ族量子點(diǎn)??根據(jù)量子點(diǎn)中自旋協(xié)議，第一批半導(dǎo)體量子比特由ＩＩＩ／Ｖ族材料制成，其??中超純ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很好的生長(zhǎng)性，能夠?qū)㈦娮雍涂昭ǖ某叽绮??斷縮小，最終成為一個(gè)零維度的“盒子”，即一個(gè)量子點(diǎn)（ＱＤ）和一個(gè)電子。量子點(diǎn)??可以通過自上而下的方法制得，在這種方法中，納米表面電極會(huì)消耗掉二維電子??氣中的電荷，如圖１．３（ａ）；或者通過自下而上的生長(zhǎng)方法，其中ＩＩＩ／Ｖ族合金（如??ＩｎＡｓ）的微型結(jié)構(gòu)會(huì)在ＧａＡｓ表面自組織生長(zhǎng)，如圖１．３（ｂ）。??翻??圖１．３?（ａ）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)，量子點(diǎn)由電極控制。（ｂ）??自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)顯微鏡照片。??８??

?第一章緒論???共振。使用具有４．７％同位素的天然２９Ｓｉ作為襯底，由于核自旋浴的限制，其自旋??相干時(shí)間Ｔ２？?２００ｍｓ［２Ｑ］，可以想象，以同位素更豐富的２８Ｓｉ作為襯底，其相干??時(shí)間或可延長(zhǎng)至？ｌｓ，這己在２８Ｓｉ：?Ｐ系綜中得到驗(yàn)證。圖１．４中所展示的設(shè)備也??可用來演示３１Ｐ摻雜的核自旋量子比特，這些核自旋在未來的量子信息處理中可??用作長(zhǎng)壽命的量子存儲(chǔ)器［１９，２＼??就某些方面而言，硅基摻雜量子比特代表了自上而下和自下而上兩種制造方??法的有效組合，因?yàn)槠鋵⒆匀磺腋叨瓤蓮?fù)制的量子比特（單個(gè)原子）置于納米級(jí)的??電子設(shè)備中。與此同時(shí)，類似于ＩＩＩ／Ｖ異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)，使用電極控制的人??造原子也取得突破［１９］。在Ｓｉ／ＳｉＧｅ異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)量子點(diǎn)中雙電子構(gòu)成了自旋??單重態(tài)與自旋三重態(tài)，他們之間的相干振蕩于２０１２年被觀測(cè)到［２３］，其形式與ＩＩＩ／Ｖ??族量子點(diǎn)相類似。由于自然硅中的超精細(xì)耦合比較弱，因此測(cè)得的退相位時(shí)間??３６０ｎｓ，比ＧａＡｓ中的退相位時(shí)間長(zhǎng)了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且使用同位素豐富的??２８Ｓｉ有望進(jìn)一步提高。??？－翁ｒ噼邀??ｓ??圖１．４?Ｓｉ基量子點(diǎn)的電子顯微鏡照片，下方為自旋量子比特，上方位微??波傳輸線。圖片引自（Ｐｌａ，?Ｊ．?Ｊ．，ｅｔａｌ．２０１２）。??１．３．３?ＩＶ族金剛石??ＩＶ族中還有一種材料非常有希望成為量子信息技術(shù)的候選方案，那就是金??剛石。由于金剛石的能帶寬度非常大（５．５ｅｌ〇，因此存在許多光學(xué)活性點(diǎn)缺陷，其??中不少順磁性的則可以作為量子比特。金剛石中研究最多的是ＮＶ色心體系，即??金剛石晶體中空位附近的碳原子由一個(gè)氮原子取代
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