基于腔量子电动力学量子纠缠的制备和纠缠动力学的理论研究

摘要

量子纠缠作为一种有用的“资源”被广泛应用于量子计算、量子密钥分配和量子通信等各个领域，其相关方面的理论和实验研究已经成为量子信息科学中的一个重要的课题。近年来，人们提出了各种量子系统来制备纠缠态，如离子、电子自旋、光子、半导体量子点以及腔量子电动力学等。系统与环境之间不可避免的相互作用引起的退相干效应在很大程度上制约了量子纠缠态的制备以及相应的量子信息处理方案的实现。而腔量子电动力学系统在抑制退相干方面有不可比拟的优势，成为了制备、存储、控制纠缠态和实现量子信息处理的理想平台。本论文研究了基于腔量子电动力学系统纠缠态的制备以及纠缠动力学，其主要内容包括以下几个方面：
　　1、研究了金刚石晶体中两氮-空缺中心之间纠缠的产生，讨论了两氮-空缺中心与高Q值的回音壁模式微环型谐振腔耦合时的纠缠动力学。分析了腔模之间的耦合强度、两氮-空缺中心之间的距离、氮-空缺中心与腔之间的频率失谐以及系统的初态等参数对纠缠动力学的影响。适当的调节这些可控的参数，可以获得两氮-空缺中心之间的最大纠缠。
　　2、提出与回音壁模式微腔耦合制备两偶极发射器之间最大纠缠的理论方案。在两金属纳米粒子的帮助下，偶极发射器与腔之间的耦合在很大程度上得到加强。应用这种混合的腔量子电动力学系统，获得了两偶极发射器之间的最大纠缠并讨论了耦合强度、系统初态以及频率失谐对纠缠的影响。
　　3、基于量子芝诺效应，我们提出了产生两分离五能级原子之间三维最大纠缠态的理论方案。该方案中，两原子分别囚禁于两个由光纤连接的双模腔中，使用有效的量子芝诺动力学，我们只需要一步就可以确定性的、高保真度的获得两原子之间的三维纠缠态，数值结果也显示，我们提出的方案对各系数的偏离是鲁棒性的，对各种退相干因素是不敏感的，同时讨论了在现有的实验技术条件下该方案的可行性。
　　4、基于与光子分子的耦合，提出了产生两分离氮-空缺中心纠缠的方案。光子分子包含两相互耦合的光子晶体腔，腔-腔耦合强度以及氮-空缺中心与腔之间的失谐量可以决定两氮-空缺中心之间的纠缠动力学。通过适当的调节这些参数，可以得到相对高的纠缠值以及长时间的纠缠平台，这对实际的光子晶体平台实验是有帮助的。
　　5、研究了单个氮-空缺中心与光子分子耦合时两光子之间的纠缠。氮-空缺中心嵌入光子分子中的一个光子晶体腔中，调节腔-腔跃迁强度、氮-空缺中心与腔之间的频率失谐、以及两腔模之间的频率失谐等实验参数，可以实现光子-光子之间的长时间的稳定纠缠。
　　本论文的研究进一步加深了对纠缠态以及纠缠动力学的认识和理解，为制备稳定的纠缠态提供了新的途径，对实现各量子信息处理方案具有一定的指导意义。

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1 绪言

1.1 量子纠缠简介

1.2 量子纠缠态的描述

1.3 量子纠缠态的度量

1.4 腔量子电动力学简介

1.5 本课题研究的内容和意义

2 基本理论和工具

2.1 描述量子系统的三种绘景及其相互转化

2.2 腔量子电动力学的微观主方程

2.3 量子芝诺动力学和量子芝诺子空间

3 基于回音壁模式微谐振腔两氮-空缺中心最大纠缠的获得

3.1 引言

3.2 物理模型和微观主方程

3.3 微观主方程的形式解和Concurrence

3.4 两氮-空缺中心之间的纠缠度和纠缠动力学

3.5 本章小结

4 基于混合的光子-等离子体谐振腔两偶极发射器之间的长

4.1 引言

4.2 物理模型和基本方程

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 通过量子芝诺效应制备两分离原子之间的三维纠缠

5.1 引言

5.2 模型和方程

5.3 两空间分离五能级原子之间三维纠缠的产生

5.4 原子自发辐射以及腔和光纤的光子泄漏对三维纠缠的影响

5.5 实验可行性分析

5.6 本章小结

6 与光子分子耦合两分离氮-空缺中心量子纠缠的产生

6.1 引言

6.2 物理模型和基本公式

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

7 基于单个氮-空缺中心与光子分子耦合光子-光子之间的

7.1 引言

7.2 物理模型与基本公式

7.3 结果与讨论

7.4 本章小结

8 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录