基于电路量子电动力学的量子计算的相干调控研究

Based on the circuit quantum electrodynamics (QED), we will investigate the simulations of quantum computing about superconducting qubits in our project proposal. As the excellent quantum coherence in circuit QED, the entanglement of solid qubits will be charactered by the quantum coherence. We will study many kinds of evolutions of qubits and design feasible logical-gate operations. Moreover, we will simulate the typical quantum algorithm in the quantum scale via the physical system’s realization. Investigations of the control and measurement of qubits in the physical system can pay the way for the detections of some basical problems in quantum mechanics, such as quantum nonlocality and quantum nondemolition measurements. We will also discuss the influence of dissipation on the validity of quantum computing in circuit QED, which facilitates the research of the principle and technique of future photon-quantum apparatus.

本申请项目将深入研究在电路量子电动力学系统中对超导比特实施量子计算的模拟。基于电路量子电动力学系统良好的宏观量子相干性，在我们以前工作的基础上，我们将进一步研究利用这些宏观量子相干效应来表征相应的固体量子比特间的纠缠，并研究它们之间多种可能的演化方法，设计实验上可行的基本量子逻辑门操作的实现方案，并在几个量子比特水平上对典型的量子算法的物理实现进行模拟。研究对这些系统中宏观量子态进行操纵、调控和测量的有效方法，可为实验上检验量子力学中的某些基本问题，如量子非局域性和量子态非破坏性测量等提供新的想法和思路。我们还将研究在实际存在的耗散的影响下，讨论在电路量子电动力学系统中实现量子计算的有效性，并为未来的光量子器件研制提供可靠的原理论证和技术实现的新思路。

研究了在电路量子电动力学系统里，通过透射光的相位差测量对量子比特的宏观量子态进行非破坏读取，具体讨论了单比特和两比特两种情况下通过相位差测量来确定量子态，并推广到多比特以及一个原子的多能级布居情况，这为量子态进行非破坏测量提供了理论参考。讨论了在一维光波导系统中两个并列放置的原子的单光子散射特性以及原子间纠缠和Fano共振的对应关系。通过调控原子-波导的耦合或原子间的偶-偶相互作用，可以实现Fano线型的纠缠，发现通过观察Fano共振，可以推断出最大纠缠的产生。研究了非马尔科夫耗散条件下多体量子纠缠态制备，通过调整系统与非马尔科夫库之间的失谐可以有效地诱导更高纠缠度的多体量子纠缠态，而且对系统与环境间的非对称耦合具有极强的鲁棒性。此外，还研究了三个三能级比特在光纤耦合腔系统中通过Zeno动力学的演化，可以实现远程三比特量子控制Z门的理论方案。讨论了当前的实验技术手段下这些方案的可行性，这些研究可为固态系统里的量子信息处理和量子计算提供一定的理论参考。