利用周期驱动场实现快速量子信息处理的理论研究

Periodic driving systems possess some special properties that cannot exist in non-driving systems and may possess significant applications in quantum information processing. In this project, we study the problem of realizing rapid quantum information processing in periodic driving systems. We want to solve the following problems: (1) Realizing single qubit gate operations and effectively suppressing qubit leakage by periodically modulating coupling strength in superconducting quantum system; (2) Realizing fast preparation of Rydberg states and superposition of Rydberg states by periodic driving fields in Rydberg atomic systems; (3) Generalizing this methods to the double quantum dots system to realize fast operation of universal quantum gates and multi-qubits gates; (4) Making use of periodic driving fields to realize fast quantum computations in hybrid quantum systems. The advantages of employing periodic driving fields to realize fast quantum information processing are that periodic driving systems possess capacity of sharply suppressing decoherence and are robust against fluctuations of physical parameters and deformations of waveform.

周期驱动系统具有非驱动系统不具有的很多特性，它可能在量子信息处理中有重要应用。本项目立项研究在周期驱动系统中实现快速量子信息处理问题。项目拟解决的问题如下：（1）在超导量子系统中通过周期调制系统的耦合强度实现单比特量子门操作并有效抑制量子比特泄露；（2）将周期驱动场应用到里德堡原子系统中，实现里德堡态和里德堡叠加态的快速制备；（3）将该方法推广到双量子点系统中，实现通用量子门以及多比特量子门的快速操作；（4）在混合量子系统中，利用周期驱动场实现快速量子计算。利用周期驱动场实现快速量子信息处理的优势在于驱动场中的系统具有有效抑制退相干以及抗物理参数起伏和波形失真的能力。

周期驱动系统具有非驱动系统不具有的很多特性，它在量子信息处理中有着重要应用。本项目研究在周期驱动系统中实现快速量子信息处理问题。首先，利用周期驱动场提出一个在非线性量子比特实现通用量子门操作的方案。然后，在原子系统中，利用周期驱动场对量子态进行有效操控，实现了从原子基态直接跃迁到里德堡态或者里德堡叠加态；控制里德堡阻塞体制与里德堡反阻塞体制之间的转换；利用相同激光场实现不同原子能级间的跃迁；在多能级系统中实现选择性跃迁，等等。最后，解析推导出周期二能级系统的精确动力学的解及其在量子信息处理中的应用。此外，我们还进一步研究了利用复合脉冲和不变量逆向构建等方法实现量子态操控，为不同量子系统中实现快速量子信息处理提供一定的理论指导。