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量子计算科学是传统的计算机科学和量子力学相结合的新兴交叉学科,其大大拓展了量子力学应用的领域,为计算机科学和技术的发展提供了新的途径,并在很大程度上加快了计算机科学和技术发展的速度。它是利用量子力学的基本原理(如量子态叠加原理)和基本概念(如量子相干和量子纠缠)来实现信道数量巨大的同步信息处理的科学,几乎完全颠覆了传统计算机科学的发展规律。同所有的传统计算机一样,量子计算机需要通过物理手段对信息进行操作。和传统计算机使用的经典物理手段(如晶体管电路)相对应,量子计算机使用的手段是符合量子力学原理的“量子逻辑门”。量子逻辑门的本质是对信息的量子物理形式(称之为量子比特)进行量子状态的规律性改变的技术仪器。制造实用的量子计算机的关键在于在物理上实现信息的量子化和制造出稳定可靠的量子逻辑门。目前美国的密歇根大学的实验室已经初步实现了利用多个囚禁离子和多模相干光场(光场模数在一万以上)的相互作用,构造多量子比特量子逻辑门。这个成就在世界上走在最前沿。但目前科学家还不能制造出真正实用的量子计算机。除用囚禁离子和相干光场相互作用外,科学家还提出了很多量子逻辑门的实现方案。这些方案主要分成固体和非固体两类,其中包括核磁共振、量子点、量子阱、腔量子电动力学(CAVITY—QED)、约瑟夫森结(Josephson Junction)等。
目前,关于量子逻辑门模型研究的比较多的是囚禁离子模型、核磁共振模型、激子体系的量子点模型、腔量子电动力学模型和约瑟夫森结模型等。本学位论文是以自旋体系的耦合量子点体系模型为基础,提出一种实现单量子比特的量子逻辑非门的方案。该方案着重展现量子逻辑门的抗干扰性。论文第一章介绍量子逻辑门的基本原理、量子线路的基本结构,特别是通用量子逻辑门的基本形式。本章在此基础上介绍量子光学的一些基本概念,特别是里德堡原子、量子点基础理论、光子数态、相干态和双能级体系中粒子处于上能级时与自由真空态的相互作用理论。最后简单介绍经典的相干系数概念和量子光学的相干系数概念。第二章介绍具体的呈正三角形分布的耦合量子点体系的哈密顿量,及其能级结构和对应本征态。本章重点介绍求解能级最低的手征为负的不变子空间的非定态薛定谔方程的过程。最后本学位论文将三个耦合的量子点(其量子态矢量处于手征为负的不变子空间)的等效微观粒子与天然的自旋为±1/2的微观粒子作比较,着重突出这两种粒子在量子相位上的差别。第三章提出在同一基板上以二维布拉伐结构生长多个同一类型的三耦合量子点半导体体系单元,形成一个半导体异质面集成模块,并通过上一章介绍的旋进磁场对其进行量子状态初始化。本章按照Jaynes—Commings模型,解析地求解该集成结构在驻波形式的微波段电磁波作用下的薛定谔方程,提出理想状态下量子逻辑门的实现方案,并通过Weisskopf-Wigner近似理论,得出测量量子状态的操作时间。第四章计算集成模块中的双能级与旋进磁场的三个参量(极角、方位角、大小)的依赖关系,指出双能级主要由旋进磁场的大小决定。并通过对Jaynes—Commings模型的等效算符的计算,本章指出在相当长时间以后,依赖于哈密顿量具体形式的量子相位的抗干扰性将会得到增强。本章通过分析AlGaAs/GaAs的集成模块超晶格能级结构,指出在系统能级结构整体稳定的情况下,热激元不可能破坏量子逻辑门的稳定性和计算精确性。这三章的基本结论主要是由解析计算得到的。