基于超冷离子的薛定谔猫态制备及Jarzynski相关信息理论等式的验证

摘要

量子信息科学，是一门融合了信息科学与物理科学的新兴科学。顾名思义，就是利用量子特性实现产生、发送、传递、接收、提取、识别、处理、控制信息的功能。其中最主要的领域就是量子计算和量子通讯。在可能实现量子计算的物理系统中，离子阱体系以其易操控性、长相干性和易扩展性广受关注，是实现大规模量子计算上是最有希望成功的体系之一。而以薛定谔猫态为代表的量子纠缠态已经成为量子计算、量子通讯、精密测量以及检验量子力学基本原理的核心资源之一，所以实现宏观薛定谔猫态的重要性不言而喻。同时，一些量子信息热力学相关定理如Landauer定理和Jarzynski等式对于量子信息的发展起着决定性的作用，只有更好的掌握并验证这些定理，才能进一步促进量子信息科学的发展。 本文主要介绍了基于线形离子阱中的实验以及理论工作，包括基于超冷离子的薛定谔猫态的制备以及验证Jarzynski相关理论信息不等式的成立等，具体如下: 1、设计并制作了新的激光稳频电路系统和新的激光器电流温控电路，并优化了囚禁势电路。这些电路能有效稳定激光频率以及囚禁势系统，为实验的开展提供了必要的基础条件。 2，为了进一步制备出更大的单囚禁离子薛定谔猫态，参考了各种离子的内外纠缠态的制备方法和测量方法。介绍了几种不同离子的制备方案，利用现有实验装置，搭建了实现薛定谔猫控制光路系统。 3，利用单囚禁40Ca+离子的内态，分别从纯态和Gibbs态两种情况出发，都通过两次投影测量的方法来验证Jarzynski及相关信息理论等式的成立。

目录

摘要

第一章 绪论

§1．1计算机与量子计算机简介

§1．2离子阱技术简介

§1．3本文的结构和主要内容

第二章离子阱基本理论

§2．1 Paul阱

§2．1．1 囚禁原理

§2．1．2 线形离子阱中离子的运动

§2．1．3赝势

第三章离子与激光的相互作用

§3．1．1哈密顿量

§3．1．2 Lamb-Dicke近似

§3．2激光冷却

§3．2．1 Doppler冷却

§3．2．2边带冷却

第四章线形离子阱实验装置与技术

§4．1线形离子阱、真空腔

§4．2激光器系统

§4．3荧光探测系统

§4．4囚禁势产生系统及其优化

第五章基于超冷离子的薛定谔猫态制备

§5．1 引言

§5．2超冷离子薛定谔猫态实现过程

§5．2．1 9Be+离子

§5．2．2 40Ca+离子

§5．2．3 171Yb+离子

§5．3薛定谔猫态实验光路

§5．4小结

第六章Jarzynski相关理论等式的验证

§6．1引言

§6．2联合概率测量方法

§6．3实验验证及数据分析

§6．3．1纯态验证信息不等式

§6．3．2 热态验证Jarzynski等式

§6．4小结

第七章总结和展望

参考文献

致谢

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