极性分子体系的量子纠缠和相干调控研究取得进展

发布日期: 2020-03-07   作者:  浏览次数: 112

  自从Feynman1982年首次提出量子计算的概念以来,量子计算机由于其强大的计算能力而引起了人们的极大兴趣。理论上讲,量子计算可以为某些特定任务提供指数级别加速,这可能为未来的计算科学、材料科学、生命科学等领域带来革命性突破。量子计算是将比特编码在微观系统的量子态上,因此选取合适的存取量子信息的载体是一个关键性任务。目前,人们在离子阱、量子点、超导电路、核磁共振等平台上已经实现了一系列量子信息过程。极性分子具有丰富的内态,可以编码更多的量子比特;同时固有电偶极矩较大,更容易受外场调控;极性分子之间具有较强的偶极-偶极相互作用,有助于实现可扩展的量子计算。另一方面,极性分子的冷却、囚禁以及操控技术在过去的几十年里取得了极大的进展。因此,极性分子可作为一种实现量子计算颇有前景的物理载体。

        众所周知,在量子信息过程中,量子纠缠和量子相干作为物理资源都起着至关重要的作用,二者都起源于量子力学中的叠加原理。近日,实验室刘金明研究员等人与中科院上海光机所的研究人员合作,以摆动态下的BaI分子为载体,通过量子最优控制方法,提出了几种制备摆动纠缠态和相干态的理论方案,极大地提升了两个偶极耦合的BaI分子之间的量子纠缠度和相干度,并发表在国际学术期刊Optics Express 2726588-26599 (2019)。经过多次数值迭代,初始的激光脉冲被不断优化,最终得到所需的控制光场。在此控制光场的驱动下,分子可由完全可分的基态分别向Bell转换,其最终保真度可高达99.06%,纠缠度接近最大值1。如果将最大相干态选为目标态,相应末态的保真度可达99.43%,相对熵相干度可趋向最大值2。此外,还进一步地实现了极性分子间量子纠缠和量子相干之间的转换。最后,此方案被推广到任意摆动量子叠加态的制备,例如Hardy——一种介于最大纠缠态和完全可分态之间的部分纠缠态,可用于揭示量子物理和局域实在论之间的矛盾。

        近年来,量子信息科学飞速发展,人们在量子信息处理的物理实现方面进行了大量探索。这项研究结果为极性分子体系的相干布居调控提供了一种有效的新方法,对基于摆动态的极性分子的量子计算的实现提供了一种新思路。

1. 在优化光场(b)作用下,两耦合BaI分子的纠缠度和相干度与数值迭代次数的关系(a)以及不同能级分子布居数的演化(d)