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申请/专利权人：苏州大学

摘要：本发明公开了一种对系综量子比特进行高保真度操控的光脉冲设计方法，采用基于Lewis‑Riesenfeld不变量的逆向工程方法，利用微扰理论以及系统误差灵敏度的概念，构建出快速、高效、对频率失谐和激光强度波动同时具有高鲁棒性的双色光脉冲，该脉冲能应用在具有非均匀展宽的三能级系统中，以高保真度创建系综量子比特的任意叠加态。在脉冲作用过程中，量子操控对于激光强度的瞬时变化或空间不均匀分布具有较强的鲁棒性，这种鲁棒性可以提高探测信号的信噪比，降低实验难度；与此同时，量子比特位于激发态的时间显著缩短，这能够极大降低量子比特的退相干效应，确保实现高保真度操控。

主权项：1.一种对系综量子比特进行高保真度操控的光脉冲设计方法，其特征在于：在一个三能级系统中采用基于Lewis-Riesenfeld不变量理论逆向求解三能级系统的含时薛定谔方程，把激光强度波动作为一种微扰，利用微扰理论计算强度波动对量子操控保真度造成的偏差，并用系统误差灵敏度来表征这种偏差，然后基于系统误差灵敏度近似为零这个条件，在已知系统的初态和目标态的前提下，设计出两个光脉冲的振幅和位相，将此振幅和位相输入任意波发生器生成振幅和位相与光脉冲相同的无线电信号，使用此无线电信号驱动连续激光光路中的声光调制器得到+1级或-1级偏折输出光，生成一组双色光脉冲；将生成的双色光脉冲垂直入射到三能级量子系统介质中，双色光脉冲与量子系统介质相互作用产生量子比特的任意叠加态；根据系统的初态|1和目标态其中，θa和是两个角度，θa在[0，π]范围内，表征布局数在|0和|1两个能级上的分布情况；在[0，2π]范围内取值，表征量子比特能态|0和|1之间的相对位相；其中：声光调制器的驱动频率是faom，连续激光光路中激光频率是flaser，所述的量子比特由两个能级|0和|1来表征，它们之间的频率差为f0-1，电子从能级|1到能级|e的光跃迁频率是νp，电子从能级|0到能级|e的光跃迁频率是νs，驱动声光调制器产生作用于|1-|e跃迁的光脉冲的无线电信号的频率是fp，驱动声光调制器产生作用于|0-|e跃迁的光脉冲的无线电信号的频率是fs，二者满足fp＝faom，fs＝faom+f0-1；flaser+fp＝νp；flaser+fs＝νs；两个无线电信号的位相表示为：和振幅振幅表示为：Ep和Es；则满足：Ep和Es二者均随时间变化，由下述关系式确定： 式中μp,s是|1-|e和|0-|e光跃迁的跃迁偶极矩；Ωp,s是两个光脉冲的拉比频率；C是从光脉冲的拉比频率Ωp,s到无线电信号振幅Ep,s的转换系数，由实验系统决定；拉比频率Ωp,s依赖于时间t如下式所示： 式中βt和γt依赖于时间的函数，和是函数βt和γt对时间的微分；将激光强度波动作为一种微扰，利用量子微扰论计算两个光脉冲的拉比频率波动η对量子操控保真度P的影响；其中P和η之间具有如下关系： 其中，P是当系统中存在激光强度波动时量子比特在光脉冲作用下，达到目标态的保真度；|ψ′tf是微扰存在时量子比特能达到的最终态，tf是脉冲的时长；且η∈[0,1]，表示归一化的拉比频率波动，ΔΩp,s是拉比频率的波动量；Ωp,s是拉比频率，正比于激光强度的平方根；是一个依赖于βt和γt位相因子；用系统误差灵敏度qs来衡量拉比频率波动对保真度造成的偏差，qs的值越接近于0，偏差越小说明量子操控对激光强度变化的鲁棒性越好，其值依赖于βt和γt，并由下述关系式确定： 设定qs≈0，基于量子比特的初态|1和目标态由一系列高斯项叠加而成： 式中m是正整数；Am是各高斯项的权重因子；Bm和Cm分别代表各高斯函数的中心和宽度；βt由一系列傅里叶分量叠加而成： 式中an是各傅里叶分量的系数。

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