势阱离子＋腔场系统中量子逻辑门的实现.pdfVIP

维普资讯 第 21卷 第 6期 量 子 电 子 学 报 、b1．21No．6 2004年 12月 CHINESEJOURNALOFQUANTUM ELECTRONICS Dec．2004 文章编号： 1007—5461(2004)06—0751—06 势阱离子 +腔场系统中量子逻辑门的实现 李晋芳， 张志军， 马 雷 (光谱学与波谱学教育部重点实验室， 华东师范大学物理系， 上海 200062) 摘 要 ： 基于光腔中的势阱离子同时与外激光场和腔场发生相互作用的特性，我们提出了一种量子逻辑门的 实现方案。在该方案中，量子逻辑 门是以离子内态和腔态作为比特，而势阱离子的运动态作为辅助 比特始终保 持在基态。而且，没有采用 Lamb—Dicke近似，因而更容易为实验所实现。 关键词 ： 量子计算；量子逻辑门；势阱离子；腔场； Lamb—Dicke参数 中图分 类 号 ：0431．2 文献 标 识 码 ：A l 引 言 1994年，Shor提出了 “大素数因子分解”的量子算法 [。由此，人们认识到了量子计算和量子计算 机的实际应用前景，从而激发了人们对这门学科的浓厚兴趣 现在它已成为科研领域中的热门之一。在量 子计算机里面，有两种最基本的门变换：一种是对单个比特的旋转变换，如非门、H门；另一种是对两个 比特的控制变换，如可控非门、可控相位门等。研究发现 [2】任何的量子幺正变换都可以通过对这两种变 换的组合加以实现，所以如何有效地实现这两类变换就成了构造量子计算机的前提。事实上，单比特门实 现起来比两 比特门要简单的多，所以两比特门的实现就成为构造量子计算机的关键。在这方面，近年科学 家们提出了许多有效的实现方案。主要有如下几种： 1)核磁共振 (NMR)系统 [4】；2)量子点系统 [5】；3) 腔QED系统 [6】．4)势阱离子系统 [7】；最近，有许多文献 [8～。]尝试将势阱离子系统和腔QED系统两种方 案结合起来，利用离子同时与两个外场发生的相互作用，提出了一些量子逻辑门的实现方案，并且取得了 令人鼓舞的成就。这类系统有着很多潜在的优点和应用。其一、在这个系统里出现了三个量子 自由度，也 就是说有三个量子子系统：离子内部能级、势阱的声子场和腔的光子场。这一点对量子信息的传送尤其重 要。其二、利用这个系统可以使得势阱离子与腔场有较长的相互作用时间，从而有利于克服量子计算过程 中的退相干。 在这篇文章里，我们将提出一种实现量子逻辑门的新方案。该方案所采用的系统与文献 [9～11]相同。 不同的是，在没有作 Lamb—Dicke近似的前提下，利用离子运动态作为辅助比特，即它在计算过程中始终 保持在基态，从而实现了以离子内态和腔态作为量子 比特的可控非门。另外，我们对该方案的实验可行性 进行了讨论，得出了需要满足的条件。这里，首先介绍一下量子计算机中的几种常见的逻辑门及其功能。 1)Hf1： IO 坠 I1 坠 ， ， (1) 很明显它将一个单态制备成一个叠加态。 基金项 目：973子项目(2001CB309300)资助课题 收稿 日期 ：2004—03—18； E—m ail： lm a@phy．ecnu，edu．cn 维普资讯 752 量 子 电 子 学 报 21卷 2)可控相位门 (Cz) Ioo) Ioo) 0『1) Io1)， (2) 110) 1l0) 111) 一111)， 仅当两个量子位都取 f1)时，它的相位才