微腔中多重EIT固态系统的量子非线性和量子关联效应研究

本项目研究微腔与超导量子电路耦合系统中多重电磁感应透明对量子非线性与量子关联效应的相干控制。研究表明超导量子比特可看作人工原子，具有很强的相干性。利用电磁场驱动时，该固体系统呈现出新颖的量子干涉效应，这些现象的研究主要限于自由空间。本课题对微腔中的超导量子电路系统的光学性质进行研究，主要有以下三个方面的内容：一、研究微腔中超导系统的电磁感应透明（多重）及其建立的腔场量子关联，同时探究超导比特的自旋压缩效应；二、研究电磁感应透明增强的光学非线性过程，如光学混频、光学双稳、克尔非线性及这些过程产生的量子关联；三、研究多重电磁感应透明系统在色散作用时建立的量子非线性及其对量子关联的调控。项目的意义体现在两个方面：一、符合潜在的应用要求，固体器件具有可集成性与扩展性，还具有独特的相干性，这对量子信息处理有着巨大的应用价值；二、微腔中通常只有一个原子，因此腔场-超导量子系统的量子关联研究非常重要。

由于良好的相干性、低损耗、可操控和可扩展性等显著特点，近年来固态量子系统迈进了一个崭新的、由量子基本原理主宰的世界，成为量子信息与量子计算中的关键源，是携带量子信息的重要载体。值得一提的固态量子系统就是超导约瑟夫森结构筑的各种量子电路系统。它们被称为“人工原子”，具有类似原子的分立能级，而且简单地通过控制相关的物理参数可有效地调节其能级结构，从而极大地扩展了它们的应用领域。基于此，本项目研究微腔（超导传输线、超导谐振器等）与超导量子电路耦合系统中的量子相干与干涉现象，及电磁感应透明效应对量子非线性与量子关联效应的相干控制。主要内容如下：一、研究了超导量子电路与微腔等谐振系统在色散作用时建立的量子非线性及其对量子关联的调控，获得了微波模式的三体纠缠放大器、四体Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)及簇纠缠态、六体GHZ纠缠等；二、研究微腔中固态量子系统的电磁感应透明诱导的腔场模式的量子纠缠特性，同时对电磁感应透明增强的光学非线性过程（如光学混频）及其产生的量子关联进行了研究，从而实现了三个腔模的纠缠放大器及两个模式的稳态纠缠特性；三、研究了超导量子电路系统的量子相干效应及混合固态量子系统的微波光束的传输特性，从而产生了正负色散开关、相干布居捕获、电磁诱导光栅、光学开关等量子相干现象。项目的研究不仅有助于深入理解量子基本原理,而且符合潜在的应用要求。固体器件具有可集成性与扩展性，还具有独特的相干性，以上的研究结果对量子信息处理有着重要的应用价值，为开发新型的量子信息器件及光子器件提供了一定的理论依据。