基于超导量子比特的量子信息处理

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量子信息论是一门有关量子力学、信息科学和数学等学科相结合的新兴交叉学科,其主要任务是利用量子力学效应来实现信息处理。另外,通过量子信息的学习,可以更好的理解物理与信息之间的关系。量子信息理论可以解决许多经典信息所不能完成的信息处理功能,该学科已经成为当前国际前沿热点课题之一。在量子信息领域中,超导量子比特因为具有相对较长的消相干时间和易集成等优点,已经被广泛应用于科学研究的各个领域。常用的超导量子比特有磁通量子比特和电荷量子比特,他们都具有相干叠加性,而且可以实现不同比特间的可控耦合,因此在实验上已经实现了一些重要逻辑门以及一些态的制备。另外,科学家们可以精确的控制它们与光场的相互作用,这就为可控条件下进行量子计算、量子通信等方面的研究提供了可靠的理论和实验基础。本文主要研究运用超导量子比特和线路QED系统,实现普适量子克隆。全文的主要内容分五章:   第一章简要的介绍了量子光学的基础,介绍了电磁场的量子化以及场与原子的相互作用,为以后几章的工作奠定理论基础。   第二章介绍了腔量子电动力学系统(QED),简要介绍了此系统的实验模型和一些态的制备,为后续几个章节的内容做了铺垫。   第三章简单介绍了超导量子干涉器件(SQUID)。首先是超导量子比特简介,之后具体介绍了磁通量子比特和电荷量子比特。   第四章介绍超导量子干涉器件在线路QED中的应用。本章先介绍了该系统的哈密顿量,然后在该系统下,实现了普适量子克隆(UQCM)。选择此系统,可以很方便的控制与光场作用的超导量子比特的数目和时间,因此大大简化了实验步骤。另外,该方案是在线路QED虚激发的状态下实现的,因此线路QED的损耗对试验精度的影响可以忽略。   第五章对本文的工作进行了简要总结,同时也对这一研究领域的发展做了展望。
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