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单量子态的测量及其在网络中的散射控制
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学学学科科科专专专业业业: 理理理论论论物物物理理理
培培培养养养单单单位位位: 中中中国国国科科科学学学院院院理理理论论论物物物理理理研研研究究究所所所
2013年年年11月月月
The measurement and scattering control
of
single quantum state in networks
Dazhi Xu
A Dissertation Submitted to
University of Chinese Academy of Sciences
In partial fulfillment of the requirement
For the degree of
Ph.D. of Quantum Physics
Institute of Theoretical Physics
Chinese Academy of Sciences
February, 2014
摘摘摘 要要要
自量子力学诞生以来, 对单量子态的测量与控制就是人们一个不断探索与
追求的问题。对单量子态进行测量不仅可以揭示量子世界新奇的物理性质,而
且可以反过来加深和修正我们对量子力学基本问题的理解。与测量密不可分的
就是对单量子态的相干控制,它是进行量子信息处理,实现量子计算所必需的
条件。虽然量子力学的成功应用导致了激光,半导体晶体管,核能等一系列革
命性技术的诞生,但是在对量子力学基础的理解上人们却并没有达成一致。其
中一个很重要的问题就是投影测量是不是量子力学的一个必要假设,或者说量
子态被测量过后是否会瞬时塌缩到某一个本征态上。这些问题从哥本哈根学派
的开创性工作开始就萦绕在每个学习量子力学的人的心头,虽然半个多世纪
以来有例如多世界理论,自洽历史处理等诠释被提出,但是都尚未解决全部问
题。量子芝诺效应本质上是一种测量对系统自由演化的影响,从理论和实验上
来说它都是探讨量子测量问题很好的切入点。
量子散射不仅是微观世界中无处不在的物理过程,也是人们揭示物质世界
微观结构的有力武器。Max Born也正是因为对散射过程的深入思考而提出了著
名的波函数的统计解释。发展至今,从应用角度来看,很大一类量子控制问题
本质上也都是量子散射问题:通过调节散射中心的参数来控制量子态载体的散
射截面。利用Feshbach共振调节散射长度已经成了原子分子物理中很成熟的实
验手段。在量子网络中,我们同样可以通过类似的物理机制控制光子传输。新
型X光光源的稳定出光,也促使我们研究X光波段的光子传输、光子与原子系
综的相互作用等问题。
本文中我们主要研究了量子芝诺效应中的动力学测量问题以及网络中单量
子态的散射问题。在第一章中,我们介绍了本文的研究背景,一方面简要回
顾了在以量子测量为核心的量子力学诠释问题上的争论和几种有代表性的理
论,另一方面,对近些年来在以光子晶体为代表的量子相干器件和以X光自
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