【摘要】：量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)的態(tài)疊加和糾纏等基本特性進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理,能夠克服經(jīng)典計(jì)算機(jī)對量子建模、大數(shù)分解等問題的根本困難。迄今為止,能夠用于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理系統(tǒng)有若干候選者,包括俘獲的離子、線性光學(xué)系統(tǒng)、超導(dǎo)電路、量子點(diǎn)、NV色心、中性原子等。由于中性原子不易受外界電磁場的影響,且原子基態(tài)相干性較好,是演示量子信息的重要系統(tǒng)。人們可以選擇中性原子的基態(tài)超精細(xì)態(tài)Zeeman子能級(jí)編碼量子比特的邏輯狀態(tài),還可以采用光學(xué)泵浦的方法實(shí)現(xiàn)量子比特的高效初始化,而量子邏輯門操作可以通過雙光子Raman過程或者微波操控實(shí)現(xiàn),態(tài)選擇測量可以讀出量子比特的狀態(tài),基本滿足了容錯(cuò)量子計(jì)算的DiVincenzo判據(jù)。除此之外,中性原子極易擴(kuò)展成陣列,為量子計(jì)算的大規(guī)模集成提供了一種可能。加之光學(xué)腔與原子陣列的相互作用可以提高原子內(nèi)態(tài)的讀取效率,而且可以間接地實(shí)現(xiàn)原子-原子間的糾纏,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的雙量子比特邏輯門操作,為演示量子信息若干基本過程提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文以基于中性原子的量子計(jì)算為遠(yuǎn)期目標(biāo),主要研究了微型光學(xué)偶極阱俘獲的單個(gè)中性原子量子比特的相干操控,利用藍(lán)失諧偶極阱和雙光子躍遷的方法延長原子內(nèi)態(tài)相干時(shí)間,并利用已掌握的單原子操控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分離變量系統(tǒng)中Wigner函數(shù)的測量。本論文完成的主要工作如下:1).分別構(gòu)建了1064nm紅失諧偶極阱和780nm藍(lán)失諧偶極阱,實(shí)現(xiàn)了偶極阱中單原子的俘獲和內(nèi)態(tài)操控。研究表明在阱深和原子溫度基本相同的情況下,藍(lán)失諧偶極阱減小了激光噪聲誘導(dǎo)的原子加熱效應(yīng)和光子散射率,使得原子壽命變長。另外藍(lán)失諧偶極阱也減小了原子能級(jí)的光頻移,從而可以提高原子內(nèi)態(tài)相干時(shí)間,為基于原子的量子比特制備與操控提供良好的環(huán)境。2).提出了利用簡并雙光子躍遷消除偶極阱對銫原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)間的單光子躍遷導(dǎo)致的相對光頻移,抑制單原子量子比特非均勻退相干的方法。實(shí)驗(yàn)上利用光學(xué)泵浦加態(tài)選擇探測的方法實(shí)現(xiàn)了對微尺度光學(xué)阱中的單個(gè)銫原子|6S(?)→|7S(?)雙光子躍遷光譜的精確測量,得到|7S(?)態(tài)的超精細(xì)分裂大小δ_(hps,7S)=2.18361±0.00128GHz,從而得出超精細(xì)磁偶極常數(shù)為A_(hps,7S)=δ_(hps,7S)?4=545.90±0.32MHz,測量結(jié)果和其他光學(xué)雙泵浦的方法一致。該方法中雙光子躍遷激發(fā)光功率比傳統(tǒng)雙光子躍遷要小得多,只需要μW量級(jí)。這種方法可以用于低功率探測光、低躍遷強(qiáng)度的光譜測量。3).基于我們對單原子的相干操控技術(shù),首次測量了分離變量系統(tǒng)中單原子的Wigner函數(shù)。實(shí)驗(yàn)中分別測量了純態(tài)和混合態(tài)的Wigner函數(shù),結(jié)果表明量子態(tài)與環(huán)境耦合發(fā)生退相位的過程中,Wigner函數(shù)的負(fù)性會(huì)在量子態(tài)純度為2/3時(shí)消失,與理論預(yù)言一致。原則上該方法可以適用于任意一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作的二能級(jí)系統(tǒng)的Wigner函數(shù)的測量。單原子Wigner函數(shù)的測量和表征,為我們深刻理解量子態(tài)在退相干環(huán)境中的演化和量子特性本身提供了一種新的途徑。
【圖文】：

經(jīng)典比特的磁存儲(chǔ)，，磁極的南北定義為比特的0和1[3]

量子比特的編碼
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O413;TP38

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王志輝;田亞莉;李剛;張?zhí)觳?;用于銫原子內(nèi)態(tài)操控的雙光子拉曼激光的產(chǎn)生及應(yīng)用[J];物理學(xué)報(bào);2015年18期

2 王建龍;李剛;田亞莉;張?zhí)觳?;用于單原子操控的微尺度藍(lán)移阱的三維構(gòu)建與測量[J];量子光學(xué)學(xué)報(bào);2015年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 王志輝;基于單個(gè)中性原子的量子比特操控[D];山西大學(xué);2017年

2 劉貝;基于微尺度光學(xué)偶極阱中單原子操控的852nm單光子源研究[D];山西大學(xué);2017年

3 郭煈強(qiáng);強(qiáng)耦合雙光學(xué)微腔系統(tǒng)的構(gòu)建及單粒子的操控與測量[D];山西大學(xué);2013年

4 張靜;非經(jīng)典光場與原子相互作用的理論研究[D];山西大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2648835