【摘要】：量子糾纏和量子速率極限時(shí)間在量子信息學(xué)中具有十分重要的地位。利用量子糾纏這種重要的物理資源可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)、量子搜索算法等諸多量子任務(wù)。量子速率極限時(shí)間表征量子系統(tǒng)從初始狀態(tài)演化到目標(biāo)量子態(tài)所用的最短時(shí)間,其在量子通信、量子計(jì)算以及量子最優(yōu)控制等方面起著至關(guān)重要的作用。由于真實(shí)的量子系統(tǒng)與環(huán)境之間存在不可避免的相互作用,最終將破壞量子系統(tǒng)的量子糾纏,并且系統(tǒng)的量子速率極限時(shí)間也強(qiáng)烈依賴于周圍環(huán)境。因此,研究開(kāi)放量子系統(tǒng)中的量子速率極限時(shí)間和量子糾纏的動(dòng)力學(xué)演化,進(jìn)而找到有效控制量子糾纏和量子速率極限時(shí)間的方法,是量子信息學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵研究課題。在本文中,我們以光子晶體這種可控的非馬爾科夫環(huán)境為研究平臺(tái),探究置于其中的量子系統(tǒng)的量子糾纏和量子速率極限時(shí)間,并取得了一些具有創(chuàng)新性的研究成果。本論文的內(nèi)容如下:第一章主要介紹本論文的研究背景和意義。第二章主要介紹與本論文內(nèi)容有關(guān)的光子晶體的基本理論,包括光子晶體的概念、主要特性及應(yīng)用,并重點(diǎn)介紹了光子晶體中非馬爾科夫動(dòng)力學(xué)演化的主要研究方法。第三章主要介紹與本論文內(nèi)容有關(guān)的量子信息學(xué)的一些基本理論,包括量子糾纏的概念、糾纏的度量,閉合量子系統(tǒng)中的量子速率極限時(shí)間以及開(kāi)放量子系統(tǒng)中量子速率極限時(shí)間的理論推導(dǎo)。第四章研究了光子晶體熱庫(kù)中基于原子囚禁位置的糾纏調(diào)控。我們以置于各項(xiàng)同性光子晶體中的二能級(jí)原子為研究對(duì)象,主要研究原子的囚禁位置對(duì)原子間糾纏演化的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)原子在光子晶體中位置的改變可以使原子間的糾纏從糾纏死亡的狀態(tài)轉(zhuǎn)化到糾纏俘獲的狀態(tài),并可以改變糾纏在各個(gè)子系統(tǒng)中的分布情況。該研究為光子晶體中的量子糾纏的調(diào)控提供了新的參數(shù),并能指導(dǎo)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。第五章研究了光子晶體中光子-原子束縛態(tài)出現(xiàn)的臨界條件。光子-原子束縛態(tài)在量子信息處理中有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。光子-原子束縛態(tài)的形成可以用于制備原子間的長(zhǎng)程糾纏,并為構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)提供了有效途徑。因此,有必要深入研究光子晶體中光子-原子束縛態(tài)形成的條件方程并對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)控。在本章中,我們以置于雙帶隙光子晶體中的二能級(jí)原子為研究對(duì)象,成功解析出了光子-原子束縛態(tài)出現(xiàn)的臨界耦合強(qiáng)度范圍和禁帶頻率范圍,并且我們還給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。該研究為光子晶體中束縛態(tài)的形成和有效調(diào)控提供了新思路。第六章主要研究光子晶體環(huán)境中量子速率極限時(shí)間的演化和量子加速的有效調(diào)控。我們以置于光子晶體中的二能級(jí)原子為研究對(duì)象,主要研究了原子的囚禁位置、帶隙寬度以及缺陷性質(zhì)參數(shù)對(duì)速率極限時(shí)間的影響,發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)熱庫(kù)參數(shù)的有效調(diào)控,可以加速量子系統(tǒng)的演化,并能使量子加速擴(kuò)展到禁帶外的馬爾科夫區(qū)域。我們的研究不僅為光子晶體環(huán)境中速率極限時(shí)間的有效調(diào)控提供新思路,而且有助于推動(dòng)基于光子晶體的量子信息研究的發(fā)展。
[Abstract]:Quantum entanglement and quantum rate limit time are very important in quantum informatics. Quantum key assignment, quantum teleportation, quantum search algorithm and other quantum tasks can be realized by using quantum entanglement of this important physical resource. Quantum rate limit time is the shortest time used to characterize the quantum system from the initial state to the target quantum state, which plays an important role in quantum communication, quantum computation and quantum optimal control. Due to the inevitable interaction between the real quantum system and the environment, the quantum entanglement of the quantum system will be destroyed, and the quantum rate limit time of the system also depends strongly on the surrounding environment. Therefore, we study the quantum rate limit time and the dynamic evolution of quantum entanglement in the open quantum system, and find a way to effectively control quantum entanglement and quantum rate limit time, which is a key research subject of quantum informatics. In this paper, we study the quantum entanglement and quantum rate limit time of quantum systems placed in them by using the controllable non-Markov environment of photonic crystals as the research platform, and obtain some innovative research results. The contents of this thesis are as follows: Chapter 1 mainly introduces the background and significance of the thesis. The second chapter mainly introduces the basic theory of photonic crystal related to the content of this paper, including the concept, main characteristics and application of photonic crystal, and mainly introduces the main research methods of the non-Markov dynamic evolution in photonic crystal. The third chapter mainly introduces some basic theories of quantum information, including the concept of quantum entanglement, the measurement of entanglement, the limit time of quantum rate in closed quantum system and the theoretical derivation of quantum rate limit time in the open quantum system. In chapter 4, the entanglement control based on atom trapping is studied in the photonic crystal thermal bank. We use the two-level atoms in the same-sex photonic crystals as the research object, and we mainly study the regulation and regulation of the atom's trapping position on the entanglement evolution between atoms. It is found that the change of the position of atoms in the photonic crystal can transform the entanglement of atoms from the state of entanglement and death to the state of entanglement capture, and can change the distribution of entanglement in each subsystem. The study provides new parameters for the regulation and control of quantum entanglement in photonic crystals, and can guide relevant experimental research. In the fifth chapter, the critical condition of photon-atomic absorption in photonic crystals is studied. The photon-atomic absorption state has important potential application value in quantum information processing. The formation of photon-atom transition states can be used to prepare long-range entanglement between atoms and provide an effective way for constructing quantum networks. Therefore, it is necessary to deeply study the condition equation of photon-atomic absorption in photonic crystals and control it effectively. In this chapter, we have successfully resolved the critical coupling intensity range and forbidden band frequency range of photon-atomic emission state, and we also gave the corresponding experimental verification scheme. The study provides a new idea for the formation and effective regulation of triplet state in photonic crystals. The sixth chapter mainly studies the evolution of quantum rate limit time and the effective regulation of quantum acceleration in photonic crystal environment. Based on the two-level atom in the photonic crystal as the research object, we mainly studied the influence of the trapping position, the gap width and the defect property parameters on the rate limit time, and found that the evolution of the quantum system can be accelerated by the effective regulation of the thermal bank parameters. and the quantum acceleration can be extended to the Markov region outside the forbidden band. Our research not only provides new ideas for effective regulation of rate limit time in photonic crystal environment, but also helps to promote the development of quantum information research based on photonic crystal.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O413

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