超导量子比特中的量子跳跃和Zeno效应

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随着量子信息与量子计算科学的迅猛发展,量子调控俨然成为了这个时代科学的主旋律之一。虽然现在离实用量子计算机的实现还有很长的距离,但它的发展大大促进了人们对量子世界的认识,比如量子态的非定域性,宏观物体的量子现象,量子与经典的分界线等。本文研究了超到量子比特系统中的两个有趣的现象:宏观量子跳跃和量子Zeno效应。探索宏观量子跳跃是研究宏观量子现象的重要课题,既有理论上的需要,又有实际应用的价值。我们采用电路量子电动力学系统,两个近共振的电荷比特,耦合到一个大失谐的超导传输线谐振子上,比特之间产生等效的交换相互作用。两个比特的衰减时间相差两个数量级,用微波驱动衰减快的比特,然后对比特系统的状态进行联合测量。谐振子与比特的色散相互作用导致腔产生依赖比特状态的频移,选取合适的参数使系统处在不同状态时谐振子的频移不同,用零差法可以测出通过谐振子的微波的相位差,进而得出比特的状态。用蒙特卡洛波函数模拟系统的态演化,结果表明系统的态演化出现两个不同的形态,类似于单个三能级原子的随机电报文荧光信号,并且每一个形态的持续时间符合指数分布,这是量子跳跃的重要特征之一。   量子Zeno效应是量子调控的一种重要手段,可用来制备纠缠态,调节自发辐射快慢等。本文研究了如何在超导相位比特中观察这种效应。具体地说,我们讨论了测量对比特拉比振荡的影响。众所周知,观测Zeno效应的关键是能对系统进行周期性或连续的检测,看它是否处在初态。本文提出了利用量子宏观隧穿进行周期性和连续测量比特状态的方案。对于周期性测量情况,未测量时比特两态都不能隧穿,在偏置电流上加一系列周期性的短脉冲,每个脉冲能使激发态隧穿出去而基态不能,所以加一系列脉冲相当于做了一系列周期性测量。对于连续测量情况,调节偏置电流使激发态有很大隧穿几率,基态不能隧穿,并且保持偏置电流不变,所以测量是连续性的。本文从理论上算出比特在振荡半个周期后仍处在初态的概率与测量次数(周期性测量)和激发态隧穿概率(连续测量)的关系。两种测量方案都可清楚地演示量子Zeno效应。
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