[發明專利]一種二能級系統中高保真布居數反轉的絕熱捷徑方法

在審

• 申請號: 201910306592.2
• 申請日: 2019-04-17
• 公開（公告）號: CN110120799A
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 班玥;周俊;陳璽
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H03K5/26
• 分類號: H03K5/26;G06N10/00;G06F17/13;G06F17/15
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

本發明公開了一種二能級系統中高保真布居數反轉的絕熱捷徑方法，采用基于Lewis?Riesenfeld量子不變量的反控制方法，逆向求解二能級系統的含時薛定諤方程，構建能實現二能級系統布居數反轉的一組脈沖信號，使用任意波發生器生成脈沖信號，從而在較短的作用時間內高保真的實現布居數反轉。本發明產生的脈沖信號在拉比頻率不超過15GHz的前提下，可以在1ns的作用時間內實現二能級系統布居數的反轉，在相位噪聲和退相干影響下的保真度不低于92%，對在的頻率失諧量范圍內，保真度不低于99.85%。

技術領域

本發明屬于量子計算領域，具體涉及一種二能級系統中高保真布居數反轉的絕熱捷徑方法。

背景技術

在含時作用場下，有效的操控和制備量子態一直是人們研究的一個主要目標，并且有著極其廣泛的應用。例如在核磁共振和相關頻譜技術方面的衍射、干涉以及目前迅速發展的量子信息與量子計算方面，都有著非常重要的應用和研究價值。

在上述這些領域里，二能級系統模型是普遍存在的基本模型，是構成其他較復雜的多能級系統的基本結構單元，對二能級系統量子態的操控也即實現其布居數反轉是一項非常重要的量子態操控。這項操控要求速度快，保真度高，而且要穩定，不易受外界噪聲和系統微擾的影響，并且在實際中要有可行性。

目前，很多學者提出了很多方法用于實現布居數反轉，例如：快速絕熱通道技術、π脈沖法、復合脈沖法、最優化控制方法、受激拉曼絕熱通道技術及其衍生方法等。然而，這些方法都有各自的缺點，例如：π脈沖法速度很快，但是在考慮系統誤差時的魯棒性差。快速絕熱通道技術是一種有效且簡單易行的操控方法，該過程中系統演化緩慢從而保證不發生任何量子躍遷，但是需要很長的演化時間，這會導致量子退相干的產生，從而影響保真度。最優化控制方法可以根據不同的物理限制得到最優化方案，但是它往往解法復雜，又像一個黑匣子讓人無法控制參量，同時還有可能得不到解析解。因此人們希望得到容易操控且魯棒性高的非絕熱量子操控方案。

發明內容

本發明的目的在于解決演化時間過長、魯棒性差的技術問題，提供一種二能級系統中高保真布居數反轉的絕熱捷徑方法。本方法產生一組脈沖信號，該組脈沖信號由兩個時長相等，振幅、相位和頻率不同的脈沖組成，將二者同時施加在量子點二能級體系上，可以操控該二能級體系完成布居數反轉。

所生成的脈沖信號有如下特征：1)脈沖信號作用時間短，在脈沖信號拉比頻率不超過15GHz的前提下，作用時間不超過1ns；2)實現布居數反轉的保真度不低于99.85％；3)考慮在有相位噪聲和退相干影響情況下的保真度不低于92％。

為了達到上述發明的目的，本發明采用的技術方案如下：

一種二能級系統中高保真布居數反轉的絕熱捷徑方法，包括以下步驟：

a.在一個二能級系統中，采用基于Lewis-Riesenfeld量子不變量的反控制方法，逆向求解薛定諤方程：

二能級系統哈密頓量為：

其中Δ和Ω分別是含時失諧與拉比頻率；哈密頓量本征態滿足H(t)|ψ_±(t)>＝ε_±(t)|ψ_±(t)>，定義該體系下一組正交基矢則哈密頓量瞬時本征向量表示為：

對于這樣的二能級系統，根據動力學不變量條件，得到以下微分方程：