【摘要】：和經(jīng)典世界不同,作為探索量子領(lǐng)域的學(xué)科,量子力學(xué)從誕生以來,多次以違反直覺的方式為我們帶來新奇的現(xiàn)象。當(dāng)量子力學(xué)描述一個(gè)孤立體系的演化的時(shí)候,系統(tǒng)演化的過程可以用一個(gè)幺正算符來表示。而幺正算符是可逆的,這啟發(fā)人們,是否可以通過量子系統(tǒng)來實(shí)施可逆計(jì)算。量子行走是量子物理和量子信息的重要分支之一,主要解決量子算法和量子模擬等前沿問題。量子行走擁有優(yōu)于經(jīng)典的特性,導(dǎo)致攜帶信息的量子態(tài)的擴(kuò)散速度與經(jīng)典相比有二次方的增長。目前量子行走已證明可實(shí)現(xiàn)量子新型算法,量子通訊,量子測量,量子計(jì)算以及量子模擬等,即量子行走可以實(shí)現(xiàn)量子信息處理的所有步驟。因此量子行走引起人們廣泛的關(guān)注,對量子行走的理論和實(shí)驗(yàn)的研究也來越重要。在本論文中,我們圍繞量子行走的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)作展開,講述實(shí)現(xiàn)量子行走的相關(guān)內(nèi)容。具體包括:提出了一個(gè)實(shí)際物理體系中實(shí)現(xiàn)位相空間量子行走的方案,介紹實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子行走所需的光學(xué)元件及常用的技術(shù),實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)時(shí)間依賴的硬幣拋擲下的一維光量子行走,實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)位置空間中圓上的量子行走,實(shí)驗(yàn)中利用光量子行走實(shí)現(xiàn)量子廣義測量。1.基于超導(dǎo)的帶狀線諧振器與雙量子點(diǎn)耦合的量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),提出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)位相空間量子行走的方案,展示了量子行走實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的可行性。在方案中,我們詳細(xì)介紹了量子行走中各個(gè)元素是如何在實(shí)際的體系中實(shí)現(xiàn)的。在體系中,通過調(diào)控外加驅(qū)動(dòng)場的強(qiáng)度,我們觀測到量子行走向經(jīng)典隨機(jī)行走的轉(zhuǎn)化。2.介紹了線性光學(xué)體系中常用的光學(xué)元件的原理及應(yīng)用。簡要分析了非線性晶體中的參量下轉(zhuǎn)換過程并介紹了用參量下轉(zhuǎn)換制備單光子源和雙光子糾纏源的方案。通過光學(xué)元件的設(shè)計(jì),講述了常用的量子態(tài)的制備,操作與測量的方法。3.實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間依賴的硬幣拋擲下的一維光量子行走。觀測到量子行走中信息的傳播擴(kuò)散與恢復(fù)現(xiàn)象,理論方案的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證展示了攜帶信息的量子態(tài)可以在任意的演化時(shí)間后恢復(fù)至初始狀態(tài),從根本上解決了信息在量子行走時(shí)能否恢復(fù)、如何恢復(fù)的難題,給出確切的證據(jù)證明量子行走可以應(yīng)用于量子通信。4.實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了位置空間中圓上的量子行走。設(shè)計(jì)方案用兩個(gè)光束偏移器和一定個(gè)數(shù)半波片實(shí)現(xiàn)了圓上N個(gè)格點(diǎn)的條件位移算符,使行走者可以沿著順時(shí)針和逆時(shí)針方向行走。和其它在位相空間中實(shí)現(xiàn)的圓上量子行走的體系相比,我們是在真實(shí)的位置空間中實(shí)現(xiàn)了圓上的量子行走。5.實(shí)驗(yàn)上利用光量子行走實(shí)現(xiàn)量子廣義測量。實(shí)驗(yàn)中我們用量子行走構(gòu)建了正定算符測量,實(shí)現(xiàn)了對非正交量子態(tài)的識(shí)別。量子行走構(gòu)建正定算符測量的過程是可以程序化的,通過這種程序化的方案,我們實(shí)驗(yàn)上用5步的量子行走實(shí)現(xiàn)了單比特的對稱信息完整的正定算符測量的構(gòu)建。簡言之,本論文的研究有助于人們更好的開發(fā)量子行走的應(yīng)用,將量子行走作為一種普適的方法應(yīng)用于量子計(jì)算,量子模擬,量子計(jì)量,及量子通信等領(lǐng)域。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O413.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 張融;徐韻秋;薛鵬;;Disordered quantum walks in two-dimensional lattices[J];Chinese Physics B;2015年01期

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本文編號：2696364