【摘要】：和經典世界不同,作為探索量子領域的學科,量子力學從誕生以來,多次以違反直覺的方式為我們帶來新奇的現(xiàn)象。當量子力學描述一個孤立體系的演化的時候,系統(tǒng)演化的過程可以用一個幺正算符來表示。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)來實施可逆計算。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)于經典的特性,導致攜帶信息的量子態(tài)的擴散速度與經典相比有二次方的增長。目前量子行走已證明可實現(xiàn)量子新型算法,量子通訊,量子測量,量子計算以及量子模擬等,即量子行走可以實現(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注,對量子行走的理論和實驗的研究也來越重要。在本論文中,我們圍繞量子行走的實驗實現(xiàn)作展開,講述實現(xiàn)量子行走的相關內容。具體包括:提出了一個實際物理體系中實現(xiàn)位相空間量子行走的方案,介紹實驗實現(xiàn)量子行走所需的光學元件及常用的技術,實驗上實現(xiàn)時間依賴的硬幣拋擲下的一維光量子行走,實驗上實現(xiàn)位置空間中圓上的量子行走,實驗中利用光量子行走實現(xiàn)量子廣義測量。1.基于超導的帶狀線諧振器與雙量子點耦合的量子電動力學系統(tǒng),提出了一個實現(xiàn)位相空間量子行走的方案,展示了量子行走實驗實現(xiàn)的可行性。在方案中,我們詳細介紹了量子行走中各個元素是如何在實際的體系中實現(xiàn)的。在體系中,通過調控外加驅動場的強度,我們觀測到量子行走向經典隨機行走的轉化。2.介紹了線性光學體系中常用的光學元件的原理及應用。簡要分析了非線性晶體中的參量下轉換過程并介紹了用參量下轉換制備單光子源和雙光子糾纏源的方案。通過光學元件的設計,講述了常用的量子態(tài)的制備,操作與測量的方法。3.實驗上實現(xiàn)了時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散與恢復現(xiàn)象,理論方案的設計和實驗的驗證展示了攜帶信息的量子態(tài)可以在任意的演化時間后恢復至初始狀態(tài),從根本上解決了信息在量子行走時能否恢復、如何恢復的難題,給出確切的證據證明量子行走可以應用于量子通信。4.實驗上實現(xiàn)了位置空間中圓上的量子行走。設計方案用兩個光束偏移器和一定個數半波片實現(xiàn)了圓上N個格點的條件位移算符,使行走者可以沿著順時針和逆時針方向行走。和其它在位相空間中實現(xiàn)的圓上量子行走的體系相比,我們是在真實的位置空間中實現(xiàn)了圓上的量子行走。5.實驗上利用光量子行走實現(xiàn)量子廣義測量。實驗中我們用量子行走構建了正定算符測量,實現(xiàn)了對非正交量子態(tài)的識別。量子行走構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,我們實驗上用5步的量子行走實現(xiàn)了單比特的對稱信息完整的正定算符測量的構建。簡言之,本論文的研究有助于人們更好的開發(fā)量子行走的應用,將量子行走作為一種普適的方法應用于量子計算,量子模擬,量子計量,及量子通信等領域。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O413.1

【參考文獻】

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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