基于非厄密绝热捷径的快速量子态操控研究

为了更快地对量子态进行可靠的操控,对基于动力学的非厄密体系的“绝热捷径”技术进行了分析和研究.根据数值模拟计算结果,当体系的哈密顿量按照不同的增益率和损耗率连续进行演化时,可以实现量子态的快速操控.该方法不仅具有设计灵活、可靠的特点,同时还具有能耗较低的优点.因此这种方法在理论和实验实现方面都具有潜在的优势.对此方法的进一步推广和应用将为更快操控量子态提供有效的帮助.

基于量子绝热捷径技术的光波导分束器设计

用于加快量子绝热"慢"过程的量子绝热捷径技术,已广泛应用于原子、分子和光物理.基于耦合波导的量子光学类比,利用量子绝热捷径技术设计光学波导的耦合系数与传播常数,实现快速的光波导分束器件.通过数值模拟,并与共振耦合和绝热耦合波导进行比较.结果表明,量子绝热捷径技术所设计的光学波导分束器具有长度短、输出稳定性高的优势.

量子绝热捷径技术在三波导耦合器设计中的应用

通过将量子无摩擦动力学与绝热消除结合实现了量子绝热捷径技术在光波导耦合器中的设计.为了使该方案更实际可行,引入了幺正变换,以便对波导的宽度以及相邻波导之间的间距进行设计,并利用光束传播法对三波导耦合器进行模拟验证.模拟结果表明,相比于绝热耦合,利用绝热捷径设计的耦合器可以在传输长度缩短4倍的情况下实现能量的有效耦合.该方案可适用于量子信息处理和集成光学领域.

基于绝热捷径快速实现远距离的四维纠缠态的制备

作为量子信息处理的载体,量子纠缠态一直以来都是量子信息领域的研究热点.相比于低维纠缠态,高维纠缠态使得量子通信具有更快的传输速度、更强的安全性、更高的噪声容忍阈值等特点.另外,绝热技术因其对实验参数起伏不敏感而被广泛应用于纠缠态的制备,然而绝热过程需要相当长的演化时间,因此绝热捷径应运而生.本文提出了一种采用无跃迁量子驱动构建绝热捷径实现快速制备两个原子的四维纠缠态的理论方案,该系统中的两个原子分别被囚禁在两个由光纤连接的双模腔中.为了获得一个技术上可操作的物理系统,本方案采用能级失谐设计出一个可精确驱动系统沿着某一个系统的瞬时本征态演化的哈密顿.该方案所采用的无跃迁量子驱动构建绝热捷径不仅大大缩短了演化时间,而且在实验上也比较容易实现.本文还数值模拟了消相干因素对四维纠缠态保真度的影响,结果表明,只要脉冲参数选取在一定范围内,光纤耗散、腔场耗散和原子自发辐射等不利因素都会被大大抑制.

半导体量子点中电子态的绝热捷径控制

量子态的精确制备和相干控制是量子信息处理和固态量子计算中的重要任务.近年来,量子绝热捷径技术已经被广泛用于原子的冷却、转移等量子信息处理过程,旨在加快绝热慢过程,提高量子态制备和传输的保真度.介绍了量子绝热捷径技术中不变量反控制法、量子无摩擦动力学等不同方案在半导体量子点中电子态快速且高保真的控制应用,并分析了各类方法以及环境退相干等系统因素对量子态操控的影响.

耦合谐振子的量子绝热捷径设计

量子绝热捷径技术旨在加快量子绝热慢过程,已经被广泛用于原子的冷却、转移等量子信息处理过程.研究耦合谐振子模型的量子绝热捷径设计及其热机应用,基于耦合谐振子模型的量子不变量,首先得到Ermakov方程,然后反设计耦合谐振子频率,最终加快绝热过程而不产生末态激发.本工作为耦合谐振子的量子态操控及超绝热量子热机提供了新思路.

非局域非线性介质中孤子的绝热捷径压缩

近年来,量子绝热捷径(shortcut to adiabaticity,STA)技术被用以加速缓慢的绝热过程.基于光学类比方法,采用结合变分法和绝热捷径技术的反控制方法研究非局域非线性介质中孤子的快速压缩,并与绝热压缩技术进行了对比.研究结果表明,非局域对于非线性具有抑制作用,非局域度越大,绝热压缩技术需要的传播距离越长,使得在非局域介质中用绝热方法压缩孤子变得比较困难,而绝热捷径技术却依然可以在短距离内有效压缩孤子,优势明显.

快速准绝热捷径技术的概况与进展

量子计算最基本的操作就是量子态的操作,如何实现高精度、快速和对环境鲁棒性的量子态操作是目前研究的重点。量子绝热过程是一种通过操控含时哈密顿量使得量子系统沿着自身本征态演化的过程,是制备和操控量子态的常用方法。但量子绝热过程需要满足严苛的绝热条件,通常需要较长的操作时间,从而不适用于有较强退相干的环境。为了克服困难,人们提出了量子绝热捷径技术,其中一种方案称为快速准绝热过程,是把绝热条件运用到整个过程中,然后通过调节系统的频率而不是耦合强渡来实现快速的布局数相干转移。本文将概述快速准绝热过程的基本概念及实验进展。

通过绝热捷径技术实现量子态的制备研究进展

量子信息科学是现代物理学中最为活跃的一个领域,它是以量子力学的态的叠加原理为基础,研究信息处理的一门前言学科。量子信息科学的主要研究内容包括量子态的纠缠[1-3]、量子态的远程传输[4]、多方通信[5-6]、远程克隆等等。近年来,量子信息学无论在理论还是实验上都取得了重大的突破。而受激拉曼绝热技术[7]是量子信息领域重要的方法之一,随着研究者们的进一步探索,他们提出并命名了量子绝热捷径技术(即加速绝热过程)[8]。通过绝热捷径技术实现量子态的制备也成了当下研究热点之一,并且具有非常大的发展前景,本文总结了近年来绝热捷径技术实现量子态的制备的相关研究,并指出了未来的发展方向。

非厄米受激拉曼绝热捷径的量子分束

针对存在增益损耗的三能级非厄米量子系统,提出了一种新型的非厄米受激拉曼绝热捷径(NH-STIRSAP)技术。该技术基于传统的受激拉曼绝热通道(STIRAP),通过灵活调控系统的非厄米项,使系统演化中的非绝热耦合得到有效抵消,从而加速绝热演化过程。详细的数值计算和理论分析结果证实,基于所提技术,系统的绝热演化速度快,且制备的量子态具有高保真度。并展示了所提技术在量子分束方面的应用。与传统绝热捷径技术相比,NH-STIRSAP新技术具有更广泛的应用。

量子绝热捷径在受激拉曼绝热转移中的应用

量子绝热过程是制备和操控量子态的常用方法之一,通常其需要较长的操作时间,会引起退相干系统中操作保真度的快速下降。量子绝热捷径技术理论上可以通过抵消演化过程中的非绝热效应来实现对量子绝热过程的加速。当应用于受激拉曼绝热转移中时,量子绝热捷径技术可以实现既快又好的量子操控。概述了量子绝热捷径技术的基本概念及实验进展,重点介绍了其在受激拉曼绝热转移中的应用。

基于绝热捷径的两原子相位门设计

基于绝热捷径技术,我们提出了一个通过设计共振脉冲,仅用一个操作步骤便实现两原子相位门的理论方案。我们讨论了原子自发辐射和腔中光子泄漏对方案的影响,数值结果表明当前方案对上面的两种耗散效应和试验参数的误差都具有鲁棒性。此外,本方案所需的演化时间非常短并且在整个演化过程中都不需要额外引入复杂的脉冲。因此,这个方案在当前实验条件下是比较容易实现的。

基于变分法的冷原子快速分束设计

量子绝热捷径技术可以沿着非绝热路径加速量子绝热过程.受绝热捷径技术的启发,提出了基于冷原子干涉仪在双势阱中快速且稳定地分束冷原子的方法.首先,应用变分近似方法处理平均场近似下的Gross-Pitaevskii(GP)方程,以此推导出玻色-爱因斯坦凝聚的动力学方程;然后,使用反控制法设计外势阱的频率,在较短的时间内实现冷原子的快速分束.该方法避免了最终激发.

铁磁薄膜快速稳定的磁化动力学控制

提出了亚微米铁磁薄膜磁化动力学的快速控制方案.由于自旋轨道耦合作用,外加电场所激发的自旋极化电流通过s-d交换耦合引起铁磁层的局域磁矩发生偏转.使用量子绝热捷径技术反控制法在亚微米铁磁薄膜模型中提出了电场控制方案,实现了磁化向量方向快速反转,并对电场强度进行了最优化设计.另外,分析了铁磁薄膜形状各向同性和异性下的电场控制方案.相比于现有方法,该方案将磁化向量反转时间缩短了约一个数量级,并且具有更好的鲁棒性.

基于里德伯超级原子快速制备三粒子单重态

量子纠缠是量子信息处理和量子计算的基本资源,简单而高效地制备纠缠态始终是学者们研究的热点问题之一.作为量子信息编码理想载体之一的中性里德伯原子,以其独特的优势在纠缠态制备领域占有一席之地.本文将四能级倒“Y”型结构的里德伯原子系综放置于里德伯阻塞球内部使之形成超级原子,在弱腔场近似下将量子信息编码在超级原子的有效能级上,结合量子Zeno动力学和绝热捷径的方法,简单有效地制备了三粒子单重态.此外,本方案考虑了退相干因素(包括腔的衰减和超级原子的自发辐射)对单重态保真度的影响.数值模拟结果表明,本方案不需要对系统演化时间进行精确的控制就可以得到很高的保真度,并且单重态的保真度对退相干因素是比较鲁棒的.

硅基集成光子器件先进设计方法

硅基集成光子器件具有体积小、集成度高的突出优势,在光通信、数据中心光互连等领域具有广阔应用前景。然而,硅基波导耦合器件尺寸相对较大、工作带宽和工艺容差受限。硅基多模路由光子器件设计还面临挑战。文章介绍了近年来发展起来的两种硅基集成光子器件先进设计方法:绝热捷径法和变换光学方法,简要阐述其物理原理,并展示在硅基集成光子器件设计中的典型应用。

非厄米非旋波量子系统

根据绝热捷径技术设计一种添加非厄米反向透热Hamilton量的方法,并研究非旋波近似下的两能级量子系统.结果表明:该Hamilton量具有非平衡的增益耗散项,可实现布居数完全转移;该方法对参数具有较强的鲁棒性;增大不平衡的增益耗散比率可大幅度缩短演化时间.

基于缀饰态方案制备两原子四维纠缠态

提出了一个缀饰态方案来快速制备两原子四维纠缠态。在方案中,在量子芝诺动力学的帮助下,系统的哈密顿量可以简化为一个简单的三能级系统的有效哈密顿量。首先在有效哈密顿中加入一个合适的修正哈密顿量,然后恰当地选择一套缀饰态作为基矢,通过巧妙的幺正变换,可以在缀饰态表象下构建一个新的哈密顿量来消除非绝热耦合进而构建绝热捷径,当满足边界条件时就可以快速制备两原子四维纠缠态。