1、福州大学本科生毕业设计（论文）开题报告姓名 陈若玲 学号 111201205 专业 应用物理学班毕业设计（论文）题目 利用里德堡阻塞一步实现可控相位门一、研究背景、概况及意义里德堡原子是指主量子数 n 非常大的高激发态原子。其原子半径，电偶极矩和碰撞截面都很大，寿命和相互作用时间较长。里德堡原子具有很大的极化率，极易受到外场的影响，于是可以利用外加电场调节原子的能级，从而达到操控原子间相互作用的目的。里德堡原子具有丰富的物理内容和潜在的应用价值，因此从提出里德堡原子的概念开始，它一直是物理学研究的重要内容之一，然而由于技术原因，研究进展比较缓慢。直到上个世纪 60年代激光的发明，使人们可以制备
2、主量子数可控的里德堡态原子，里德堡原子的研究进入了一个崭新的阶段。特别是近年来，随着激光冷却技术的实现，人们可以获得温度为微开量级的超冷原子介质，其热运动动能远小于原子间的相互作用能，为研究里德堡原子间的相互作用提供了有效的技术平台。上个世纪 80 年代，原子高激发态和里德堡态因为其夸张的性质已经被广泛地研究。里德堡原子由于其庞大的电子偶极矩为操纵在磁场中原子间的相互作用提供了强大的工具。偶极偶极相互作用是冷里德堡气体的主要特征，为控制两个里德堡原子之间的相互作用开辟了有趣的前景。里德堡偶极封锁为双原子纠缠的量子工程与量子逻辑门的实现提供了有效的途径。越来越复杂额过程可以通过控制介观系统来实现
3、。集成原子条件转移很可能在不久的将来实现，例如：结成 EIT 和封锁实现两个逻辑状态。偶极子的偶极耦合在福斯特共振的作用，解决了在多个原子的多体波函数演化，开辟了模拟量子多体物理的道路。量子逻辑门是量子计算和特别是量子线路的计算模型里面一个基本的，操作一个小数量量子位元的量子线路。它是量子线路的基础，就像传统逻辑门跟一般数位线路之间的关系. 与多数传统逻辑门不同，量子逻辑门是可逆的。量子逻辑门除具有经典逻辑门的所有特征外，还具有改变量子态的相对位相的门、Hadamard 旋转门和一个恒等操作门。2013 年，中科院量子信息重点实验室郭国平教授半导体量子芯片研究组及其合作者，通过实验成功实现世界
4、上最快速量子逻辑门操作，取得半导体量子芯片研究的重要突破。随着量子物理学与信息科学的发展和结合,利用量子物理学的基本原理发展信息科学,突破经（略）物理极限,一门新兴交叉学科就此诞生了,这门学科就是量子信息。量子信息技术可以完成经典信息技术无法突破的新的信息处（略）得到世界各国的高度重视和激起学术界的巨大兴趣,量子信息以不可抵挡之势而迅速发展起来.纠缠是量子力学最为独特的特征,也是量子信息的核心。量子纠缠最著名的应用之一就是量子隐形传态.量子隐形传态对于量子计算和量子通信的发展具有重要而广泛的作用。自从 1993 年 Bennett 等人提出了标准的量子隐形传态以来,量子态的隐性传递理论近年来得
5、到迅速而（略）在实验上也取得了突破性进展。在时代的推动下,自然科学界,特别是物理和信息科学界致力于寻找一些（略）统来实现量子信息技术。几代量子物理学家一直在为使量子物理学作出的预言更令人信服而为之奋斗，量子信息的提出，目的就是增进人们对量子物理学直观上的把握，使它的预言更明白地表现出来。尽管众多科学家有着强烈的研究兴趣，建造量子信息处理系统的努力到目前为止仍只取得初步的成功。但我们深信量子信息理论和技术方案的最终物理实现，将会导致信息科学观念和模式的革命。2、主要研究内容研究的主要内容是在中性原子中构造控制相位门的方案。设计一个单原子在里德堡相互作用下不通过调制模式和经典激光场的形状来一步实现
6、控制相位门。中心原子通过里德堡阻塞实现远距离相互作用。结合与经典类似的偶极相互作用和福斯特相互作用，我们讨论了实现两比特控制相位门的几个方案。该方案基于里德堡封锁并且调整经典的激光频率和原子跃迁频率去满足一定条件下的里德堡相互作用强度。计划的另一个特点是：它是不论在里德堡原子相互作用强度是强是弱的情况下都可行的。首先提出一个用两步来实现控制相位门的方案。再通过增加一个辅助激光场提出改进方案。针对所提出的方案进行实验讨论，包括其性能在典型参数，强和弱的里德堡相互作用强度，平均保真度，多样性参数和参数变化所带来的影响。方案可以在一个无绝热过程且有特定的形状和专用脉冲序列的激光场中实现。当里德堡态相
7、互作用强度和驱动场的参数满足一定条件，在里德堡态和基态之间形成有效的拉比振荡，这是在里德堡封锁制度之外的并且是我们方案所必不可少的。此外，不需要个别原子的地址。且方案可以在强或弱的里德堡相互作用强度下工作。通过里德堡相互作用强度和自发辐射的变化引起的缺陷，可以通过用数值法解主方程计算。3、研究步骤、方法和措施1、研究步骤：查阅相关里德堡原子的中外文献、初步了解课题的相关信息，对课题的原理内容进行详细的解读，并进行相关数据和公式的理论推导和计算。对相关现象和原理进行分析理解。2、研究方法：建立研究课题的思路，掌握相应的量子光学理论，在此基础上进行理论推导。利用数学软件（MATLAB 等）进行数值
8、模拟计算。3、研究措施：以理论推导为基准，尽量避免理论计算中的误差。4、研究进度计划完成一步实现在中性原子中构造控制相位门这个课题，主要分为五个阶段：(1)2016 年 2 月 25 日2016 年 3 月 15 日查阅相关参考文献，掌握跟课题相关的信息。(2)2016 年 3 月 16 日2016 年 3 月 31 日明确自己课题任务，查阅相应资料，写好文献综述，并完成开题报告。(3)2016 年 3 月 31 日2016 年 4 月 5 日仔细研读相关文献，完成一篇外文翻译(4)2016 年 4 月 6 日2016 年 4 月 19 日分析课题的原理和内容并进行相关数据的理论推导。(5)2
9、016 年 4 月 20 日2016 年 5 月 31 日完善自己的理论推导过程并进行分析总结。毕业设计总结、论文撰写、答辩准备。5、参考文献1Daniel Comparat* and Pierre Pillet， “Dipole blockade in a cold Rydberg atomic sample， ”J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 27, No. 6/June（2010）2Th. F. Gallagher and P. Pillet, “Dipoledipole interactions of Rydberg atoms,” Adv. At., Mol., Op
10、t. Phys. 56, 161 (2008).3 M. Saffman, T. G. Walker, and K. Molmer, “Quantum information with Rydberg atoms,” ArXiv e-prints, September（2009）.4M. D. Lukin, M. Fleischhauer, R. Cote, L. M. Duan, D. Jaksch, J. I. Cirac, and P. Zoller, “Dipole blockade and quantum information processing in mesoscopic at
11、omic ensembles,”Phys. Rev. Lett. 87, 037901 (2001).5Thomas F. Gallagher, Rydberg Atoms (Cambridge Univ.Press, 1994).6 M. Saffman, T. G. Walker, and K. Mlmer, Quantum information with Rydberg atoms, Rev. Mod. Phys. 82, 2313 (2010).7 A. W. Carr and M. Saffman, Preparation of Entangled and Antiferromag
12、netic States by Dissipative Rydberg Pumping,Phys. Rev. Lett. 111, 033607 (2013).8 E. Brion, A. S. Mouritzen, and K. Mlmer, Conditional dynamics induced by new configurations for Rydberg dipole-dipole interactions, Phys. Rev. A 76, 022334 (2007).9S.D. Hogan and F. Merkt， “Demonstration of threedimensional electrostatic trapping of state-selected Rydberg atoms,” Phys. Rev. Lett. 100, 043001 (2008).指导教师评语：指导教师签字 签字时间 年 月 日注：开题报告用 A4 纸打印装订在毕业设计（论文）任务书后，学生可根据开题报告的长度加页。
