本研究主要集中于使用量子理论对低温 InP HEMT 高频电路进行分析,以发现晶体管非线性如何影响所产生模式的量子关联。首先,推导出电路的总哈密顿量,并使用海森堡-朗之万方程检查所贡献运动的动力学方程。利用非线性哈密顿量,将一些组件附加到 InP HEMT 的本征内部电路,以充分解决电路特性。附加的组件是由于非线性效应而产生的。结果,理论计算表明,电路中产生的状态是混合的,没有产生纯态。因此,修改后的电路产生双模压缩热态,这意味着可以专注于计算高斯量子不和谐来评估量子关联。还发现非线性因素(称为电路中的非线性分量)可以强烈影响改变量子不和谐的压缩热态。最后,作为主要观点,得出结论,虽然可以通过设计非线性分量来增强模式之间的量子关联;然而,由于 InP HEMT 的运行温度为 4.2 K,因此实现大于 1 的量子不和谐、纠缠微波光子似乎是一项具有挑战性的任务。
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量子传感和量子信息处理利用量子优势(例如压缩态),以更高的精度对感兴趣的量进行编码并产生量子关联,从而超越传统方法。在谐振子中,产生压缩的速率由量子速度极限设定。因此,在实践中可以使用量子优势的程度受到创建状态所需的时间相对于不可避免的退相干速率的限制。或者,谐振子频率的突然变化将基态投射到压缩态,这可以绕过时间限制。在这里,我们通过光学晶格中原子的谐振频率的突然变化来创建原子运动的压缩态。基于此协议,我们展示了可用于检测运动的位移算子的快速量子放大。我们的结果可以加速量子门并实现嘈杂环境中的量子传感和量子信息处理。
压缩态是连续变量 (CV) 量子信息处理的主要资源。为了以可扩展且稳健的方式实现 CV 协议,最好使用集成光子学平台生成和操纵压缩态。在本信中,我们展示了使用具有双泵四波混频过程的小型氮化硅微谐振器在射频载波边带中生成正交相位压缩态。我们记录的压缩噪声水平比光电流散粒噪声低 1.34 dB(0.16 dB),这相当于芯片上 3.09 dB(0.49 dB)的正交压缩。我们还表明,考虑泵浦场的非线性行为对于正确预测此系统中可以产生的压缩至关重要。这项技术代表着朝着创建和操纵可用于量子信息应用(包括通用量子计算)的大规模 CV 簇状态迈出了重要一步。
具有非线性驱动和耗散项的量子振荡器因其能够稳定猫态以进行通用量子计算而受到广泛关注。最近,超导电路已被用于实现存储在相干态中的这种长寿命量子比特。我们给出了这些振荡器的概括,它们不限于相干态。关键因素在于驱动和耗散中存在不同的非线性,而不仅仅是二次非线性。通过对不同非线性的渐近动力学特征进行广泛分析,我们确定了在相干和非相干叠加中存储和检索量子态(例如压缩态)的条件。我们探索了它们在量子计算中的应用,其中压缩延长了在两个对称压缩态叠加中编码的量子比特的记忆存储寿命,以及在量子联想记忆中的应用,迄今为止,量子联想记忆仅限于存储经典模式。
具有非线性驱动和耗散项的量子振荡器因其能够稳定猫态以进行通用量子计算而受到广泛关注。最近,超导电路已被用于实现存储在相干态中的这种长寿命量子比特。我们给出了这些振荡器的概括,它们不限于相干态。关键因素在于驱动和耗散中存在不同的非线性,而不仅仅是二次非线性。通过对不同非线性的渐近动力学特征进行广泛分析,我们确定了在相干和非相干叠加中存储和检索量子态(例如压缩态)的条件。我们探索了它们在量子计算中的应用,其中压缩延长了在两个对称压缩态叠加中编码的量子比特的记忆存储寿命,以及在量子联想记忆中的应用,迄今为止,量子联想记忆仅限于存储经典模式。
• 量子光简介:量化电磁场、非线性量子光学(自发参量下转换和四波混频)用于产生压缩态和纠缠光子、正交算子、同差和异差检测。
在连续变量量子技术的背景下,高斯状态和操作通常被视为自由可用的,因为它们相对容易通过实验获得。相比之下,非高斯状态的生成以及非高斯操作的实施则带来了重大挑战。这种分歧促使人们引入非高斯性的资源理论。对于任何资源理论,确定资源之间的自由转换协议(即非高斯状态之间的高斯转换协议)具有实际意义。通过系统的数值研究,我们通过任意确定性的一对一模式高斯映射解决了实验相关的单模非高斯状态之间的近似转换。首先,我们表明,对于有限能量,猫状态和二项式状态大致等效,而这种等效性以前仅在无限能量极限下才为人所知。然后,我们考虑从光子增加和光子减少的压缩态生成猫态,通过引入额外的压缩操作来改进已知方案。我们开发的数值工具还允许人们设计出三压缩态到立方相态的转换,超越之前报道的性能。最后,我们确定了其他各种不可行的转换。
我们制定了一种算法,仅从部分信息(例如少体可观测量可获得的信息)来确定量子多体态之间保真度的下限。我们的方法特别适用于置换不变态,但在所有对称性仅为部分对称性的情况下,它都会给出非平凡的结果。此属性使其特别适用于原子集合实验,其中相关的多体态可通过集体测量来认证。例如,我们表明,仅通过测量 N = 100 个粒子的 ξ2 ≈− 6 dB 自旋压缩态,即可以高达 F = 0.999 的保真度认证其极化和压缩正交。此外,我们还展示了如何定量考虑状态中的测量噪声和部分对称性,这使得我们的方法在实际的实验情况下很有用。
线性代数、微分方程、量子力学、算子和自旋的回顾。经典和微电子传感概念。信号。噪声。灵敏度。噪声类型。测量不确定度。采样。模拟数字转换。现代传感概念和读出电子学。离散量子态、叠加、纠缠。量子测量协议(拉姆齐、回声和多脉冲)和物理实现示例。磁场、电场、旋转、温度和生物传感的量子传感。噪声光谱、动态范围和自适应采样、集合传感和辅助量子比特传感器。使用纠缠态(GHZ、N00N、压缩态、W 和其他类型)接近或达到基本热力学或海森堡不确定度极限的超出标准量子极限的传感方案示例。量子传感器设计和分析论文和演示。