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量子信息科学是20世纪末发展起来的量子力学与信息科学相结合的新兴交叉学科。基于相关的量子特性,量子信息科学提出了许多经典信息学无法实现的量子通信和量子计算方案,比如:绝对安全的量子密码术,量子隐性传态,大数因子分解方案等。量子纠缠作为量子力学的重要特征之一是执行各种量子信息方案的关键资源。近年来,量子纠缠方面的相关理论和实验已经成为量子物理和信息科学研究的焦点问题。然而,量子系统中的退相干效应一直是制约量子纠缠以及相应的量子信息科学发展的瓶颈性问题。因此,在适当的量子系统中实现稳定的量子纠缠态是量子信息学中的重要研究课题。目前,实现纠缠态的量子系统主要包括:腔量子电动力学(腔QED)、囚禁离子、电子或核自旋共振、半导体量子点以及超导量子干涉等系统。其中,腔QED 系统在抑制系统退相干和实现量子网络方面有着其它系统无法比拟的优点,它被认为是最有前途的量子系统之一。正是基于此,本文主要研究了如何在腔QED 系统中实现各种稳定的纠缠态,其主要内容包括以下几个部分:
1.基于经典场诱导原子相干效应,在单原子和单分子磁铁腔QED系统中,提出了实现双模连续变量纠缠态的理论方案,并研究了相应腔模之间的纠缠特性。研究结果表明:腔QED 系统中腔模之间的连续变量纠缠特性可以通过调节经典场强度和相应的频率失谐量来有效地控制。
2.推广相关理论至多模的情况,在腔QED 系统中,提出了实现三模连续变量纠缠态的新方案,并分析了经典场强度以及腔模初始状态对三模连续变量纠缠态产生的影响。
3.首先,在耦合的腔-光纤-腔系统中,提出了实现两个空间分离的原子之间两维和三维纠缠态的理论方案,并详细分析了系统衰减对纠缠态产生的影响。分析结果表明:通过适当地选择原子与场之间的频率失谐以及腔和光纤之间的耦合强度,系统衰减的影响在我们的方案中可以被有效地抑制。
接着,推广相关理论至多体纠缠的情况,基于选择性的光子散射和吸收过程,在耦合的腔-光纤-腔系统中,提出了实现三体Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 态和W 态的理论方案,并详细分析了系统参数偏差以及耗散对方案保真度的影响。
4.基于受激拉曼绝热过程(STIRAP),提出了制备与单分子磁铁相互作用的微波腔之间纠缠的有效方案。该方案的最大优点在于系统耗散的影响可以被近似忽略,这大大提高了方案的实验可行性。还分析了在实际情况下系统参数的震荡效应对方案保真度的影响。