在光学俘获和操控单原子的实验中, 激光的低频强度噪声通常会加热原子, 从而缩短其存储时间并破坏其内态相干性。我们采用了一种基于电光振幅调制器(EOAM)的单级反馈环路来抑制激光低频噪声, 实现了0～1MHz的强度噪声的有效抑制, 100 kHz以下的噪声可降低20 dB, 500 kHz以下的噪声可降低10 dB。噪声抑制的频率范围涵盖了光学偶极阱的典型参量加热频率。将该装置用于单个铯原子实验将单个原子在偶极阱中的存储时间延长两个数量级, 测量的退相干时间也增加了5倍。

作为量子技术中的信息载体, 量子比特被广泛应用于量子计算、量子模拟以及量子精密测量等研究领域。然而由于环境中如噪声等因素的存在, 量子比特的信息表征会受到一定限制。如何精确地解析出环境中作用于量子比特的噪声谱信息, 成了量子比特动力学解耦工作中亟待解决的问题。基于近似解析的传统方法无法精确地从量子比特的时域测量信息中解析出噪声谱。因此, 在本文中, 我们提出了一种基于深度学习的量子比特噪声谱解析方法。该方法通过不断学习, 能够获取量子比特的退相干曲线与其噪声谱之间的潜在映射关系, 为后续数值模拟和实验测量中的量子比特噪声谱解析提供了新的技术思路。相比于传统方法, 该方法的精确度更高, 并且可以推广到其他类型噪声谱的解析工作中。

针对图像边缘的实时提取问题, 设计了一种基于经典高斯-拉普拉斯算子 (LoG 算子)的量子 LoG 图像边缘检测算法。通过在经典计算机上利用 Matlab 软件对该量子 LoG 算法进行模拟仿真计算, 证明了该量子 LoG 算法可以快速、有效地实现对图像边缘的识别与提取。此外, 还考察了两类退相干效应对此算法的影响。计算结果表明, 相较于目前已有的相关量子图像边缘检测算法, 量子 LoG 算法具有更好的抗噪特性。

研究了两比特量子系统在复合退相干通道、广义幅值阻尼通道和退极化通道条件下量子存储支撑熵不确定度的动力学演化特性,并且与系统的l1范数相干度和相对熵相干度进行了对比分析。研究表明在退相干条件下,系统的熵不确定度动力学过程对于两比特量子系统初始态是否为混合态较为敏感,并且对于系统退相干的类型有较好的区分度。因此,量子存储支撑熵不确定度在一定程度上可以更好地反映开放量子系统的非经典特性。

利用热纠缠态表象求解密度算符主方程方法,考虑双模压缩真空态中的一模经过激光过程衰减的情况,给出了双模压缩真空态在该过程中密度算符的演化规律。采用数值计算方法,讨论了一模的衰减和压缩参数变化对态的压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等量子特性的影响。研究结果表明:随耗散时间增大,光场的压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等特性都逐渐减弱,直至消失。另一方面,随双模压缩参数增大,压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等量子特性均增强。

利用有序算符内的积分技术,以及在线性共振力作用激光过程中密度矩阵解的解析表示式,导出了奇相干态密度矩阵在该通道中的演化公式。采用Wigner算符在相干态表象中的表示,给出了奇相干态在该通道中Wigner函数的演化公式。讨论了增益系数和衰减系数变化对Wigner函数的影响。研究结果表明:随增益系数增大和衰减系数增大,Wigner函数的负性减弱,态的非经典效应减弱。另一方面,随耗散过程的延续,Wigner函数负部体积减小,光场量子特性减弱。

研究了一类杂化纠缠态在两种不同类型退相干信道下的纠缠动力学行为,以及退相干过程中出现的 纠缠猝死现象。计算了相位阻尼信道和退极化信道下的纠缠度,并分析了纠缠度随时间的变化。结果表明在相位阻尼信道下不会出现纠缠猝死现象； 在退极化信道下杂化纠缠态会经历纠缠猝死,纠缠度在某一特定的时间内衰减为零。

为了研究量子相干性在腔量子电动力学系统中的动力学和分布特性, 基于两个各自捕获原子系综的光学腔建立了双光学腔系统, 腔与腔之间由光纤耦合.利用相对熵度量的量子相干性, 引入量子相干非平衡性的概念, 分析了系统中相干动力学和光纤-腔耦合强度对相干性分布的影响. 结果表明: 在强耦合极限下, 光纤-腔耦合强度的增加有利于保持两腔中的原子的整体相干性; 光纤-腔耦合强度、原子-腔耦合强度以及原子数三个参数之间满足特定条件时, 腔内的原子相干性可以传输至另一个腔. 考虑腔、光纤及原子都存在耗散的情形, 对比了不同耗散速率和非耗散情形下的相干性演化, 发现耗散使得耦合双腔系统的相干性以及各个腔中的原子相干性发生衰减.

通过求解Milburn 方程,研究了包含非线性相互作用的Heisenberg自旋链模型中量子纠缠和平均保真度的动力学特性, 讨论了非线性相互作用和不同初始态对量子纠缠及平均保真度退相干的影响。结果表明:系统处于 铁磁或反铁磁会导致量子纠缠随非线性相互作用的变化不同,相互作用处于铁磁情形比反铁 磁时纠缠变化明显;不同初始态对应不同的平均保真度表现,初始态的选择会影响系统的量子通信特性。

用无退相干子空间的方法抑制集体退相干,实现不受比特反转错 误影响的通用量子计算。 该方案基于腔电动力学系统,用囚禁于腔中的2个相邻原子编码1个逻辑比特,构造出抑制集体比特 反转错误的4维无退相干子空间。通过调节外加光场与腔的耦合,在无退相干子空间中完成了2个非 对易的单比特操作和控制相位门,实现了克服集体比特反转错误的通用量子计算。