發(fā)布時間：2020-11-18 23:04

　　 量子信息由于其獨特的性質(zhì)和強大的信息處理能力受到了越來越多的關注,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間長且易集成和光子操作靈活的優(yōu)勢,成為量子信息中的熱門候選方案。本文針對固態(tài)量子自旋體系與光子耦合方案,對其理論模型和具體應用進行分析與模擬計算,主要探討了兩個方面內(nèi)容:一是利用光子對自旋量子比特進行測量,包括色散測量,測量動力學研究,以及實現(xiàn)快速高保真測量;二是建立量子架構,包括以自旋-光子模塊為基本單元構建量子網(wǎng)絡,片上自旋量子糾纏的測量與制備,和用稀土晶體中的自旋制備量子通信中多功能節(jié)點。本論文主要內(nèi)容有:1.概括介紹了量子信息的研究背景,對本文中經(jīng)常使用的一些量子概念進行簡要說明,同時列舉了固態(tài)自旋體系的一些物理實現(xiàn)方案,另外還闡述了量子架構中的網(wǎng)絡架構。2.以S-T0自旋量子比特為例,設計了利用光子對自旋量子態(tài)進行測量的方案。利用主方程與運動方程對演化過程進行模擬計算,展示了在不同外部磁場與交換能的情況下,自旋比特譜的變化。同時研究了在不同邏輯門的操作下,測量信號的改變情況。3.進一步研究了自旋量子比特測量的動力學,通過調(diào)節(jié)自旋比特的門控電壓與隧穿速率,實現(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。使用運動方程數(shù)值模擬了在不同參數(shù)時,系統(tǒng)隨時間的演化情況,我們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)工作參數(shù),可以得到讀取測量的最佳工作點,提高了測量的效率與保真度。4.介紹了我們設計的一種新的測量方案,通過調(diào)節(jié)測量微波的強度與自旋量子比特頻率的變化,將測量過程分為獲取、色散、釋放三個階段,在極大縮短了測量時間的同時,也實現(xiàn)了高保真度的測量。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,對了解與抑制退相干有極大幫助。5.從自旋-光子基礎模塊出發(fā),通過設計自旋量子比特的驅(qū)動脈沖,實現(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,都可以很好地達到糾錯協(xié)議的閾值,滿足了構建量子網(wǎng)絡架構的指標與條件。6.分析了兩自旋量子比特與諧振腔耦合的模型,設計了宇稱測量過程中的微波驅(qū)動脈沖,利用隨機主方程模擬計算了系統(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,宇稱測量還實現(xiàn)了片上自旋比特Bell態(tài)的制備,通過對結果施加一個反饋調(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),由于其獨特的性質(zhì),設計了一種多功能量子通信節(jié)點,并提出了構建量子網(wǎng)絡的方案,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、構建網(wǎng)絡四個步驟。同時對此量子網(wǎng)絡架構進行了重要參數(shù)的評估與原理驗證實驗方案的設計。本論文主要創(chuàng)新有:1.利用自旋量子比特與光子耦合體系,實現(xiàn)了自旋量子比特譜與邏輯門操作的色散測量,為自旋比特測量提供了一種新的思路。2.實現(xiàn)了自旋量子比特與光子之間的可調(diào)控耦合,詳細分析了測量過程的動力學,通過調(diào)節(jié)參數(shù)找到了最佳測量點,有效提高了測量質(zhì)量。3.新設計了一種測量微波脈沖,有效避免了 Purcell效應,實現(xiàn)了自旋量子比特快速且高保真度測量,對量子糾錯等的實現(xiàn)有重要意義。4.以自旋-光子模塊為基本單元,實現(xiàn)了不同節(jié)點之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)移與糾纏態(tài)生成,更進一步,構建了可擴展的量子網(wǎng)絡架構。5.設計了兩自旋量子比特與諧振腔耦合模型,利用宇稱測量實現(xiàn)了片上自旋量子比特之間的確定性糾纏制備與測量。6.以稀土摻雜離子的自旋作為多功能節(jié)點載體,提出了一種構建量子網(wǎng)絡架構的新方案,并對此設計了原理驗證實驗,推進了量子網(wǎng)絡通信的研究。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：O413
【部分圖文】：

?第一章緒論???比，這里多了一個Ｄｉｒａｃ算符丨?＞，其代表在量子計算中，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／？是復數(shù)，在通常情況下，可以將其視為實數(shù)。其中丨０）態(tài)和丨１＞??態(tài)構成了計算的基礎態(tài)，在向量空間中形成一組正交基，而量子態(tài)Ｍ》則可視為??二維復矢量空間中的矢量。??與經(jīng)典計算得到確定性結果不同，量子計算中無法通過測量量子比特得到其??量子態(tài)，即ａ和的值。我們只能得到結果為丨０＞的概率是丨《丨２，結果為丨１＞的概率??是丨／？丨２，而兩者的和｜ａ｜２?＋?｜／？｜２?＝?ｌ。??為了對量子比特有一個更加形象的理解，將其用空間幾何的形式表示，因為??｜？｜２?＋丨沒丨２?＝?１，所以：??Ｑ?Ｑ??＼ｘｐ）?＝?ｅｌＹ（ｃｏｓ—１０）?＋?ｅｌｔｐｓｉｎ—＼ｌ））?（１．２）??其中ｙ，?０，?均為實數(shù)，在實際計算中，少沒有明顯的影響，將其忽略得到：??＼ｘｐ）?＝?ｃｏｓ－１０）?＋?ｅｌｔｐｓｉｎ＾＼ｌ）?（１．３）??公式（１．３）相當于單位三維球面上的一個點，如圖１．１所示，這個球通常被稱??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??根據(jù)量子點中自旋協(xié)議，第一批半導體量子比特由ＩＩＩ／Ｖ族材料制成，其??中超純ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ異質(zhì)結構具有很好的生長性，能夠?qū)㈦娮雍涂昭ǖ某叽绮??斷縮小，最終成為一個零維度的“盒子”，即一個量子點（ＱＤ）和一個電子。量子點??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方法，其中ＩＩＩ／Ｖ族合金（如??ＩｎＡｓ）的微型結構會在ＧａＡｓ表面自組織生長，如圖１．３（ｂ）。??翻??圖１．３?（ａ）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ異質(zhì)結構中的量子點，量子點由電極控制。（ｂ）??自組織生長量子點顯微鏡照片。??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??時間或可延長至？ｌｓ，這己在２８Ｓｉ：?Ｐ系綜中得到驗證。圖１．４中所展示的設備也??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??用作長壽命的量子存儲器［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，因為其將自然且高度可復制的量子比特（單個原子）置于納米級的??電子設備中。與此同時，類似于ＩＩＩ／Ｖ異質(zhì)結構中的量子點，使用電極控制的人??造原子也取得突破［１９］。在Ｓｉ／ＳｉＧｅ異質(zhì)結構中，兩個量子點中雙電子構成了自旋??單重態(tài)與自旋三重態(tài)，他們之間的相干振蕩于２０１２年被觀測到［２３］，其形式與ＩＩＩ／Ｖ??族量子點相類似。由于自然硅中的超精細耦合比較弱，因此測得的退相位時間??３６０ｎｓ，比ＧａＡｓ中的退相位時間長了一個數(shù)量級，并且使用同位素豐富的??２８Ｓｉ有望進一步提高。??？－翁ｒ噼邀??ｓ??圖１．４?Ｓｉ基量子點的電子顯微鏡照片，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，因此存在許多光學活性點缺陷，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氮原子取代
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本文編號：2889338