基于固体系统的混合量子计算的理论研究

Hybrid quantum computing (HQC) combines respect advantages of various physical systems. Thus HQC is the most promising way to realize large scale quantum computing. In this project we apply various physical systems within the quantum processor based on solid systems, in order to produce advantages in quantum computing of different solid systems in depth. Based on exsiting theoretical results and latest experimental achivements, we seek and construct a hybrid quantum processor based on solid systems and corresponding coherent control schemes, aiming to implement quantum logical operations highly efficiently and accurately. Moreover, we construct quantum interfaces within and without the hybrid quantum processor, in order to realize controllable transmisson of quantum information perfectly within the hybrid quantum processor and between the quantum processor and other physical systems; Thereby HQC is promoted to be more practical.

混合量子计算结合不同物理系统的优势，是实现大规模量子计算最有潜力的途径。本项目在基于固体系统的量子处理器内部应用不同物理系统，进一步发挥不同固体系统用于量子计算的优势。依据已有理论基础与最新的实验技术，寻求并构造基于固体系统的混合量子处理器物理结构和相应相干控制方案，使得量子处理器可高效并精确地执行量子逻辑操作，同时构造混合量子处理器内部及外部的量子接口，实现量子信息在混合量子处理器内部及量子处理器与其他物理系统间的可控的完美传递，从而将混合量子计算推向更加实用化。

混合量子计算在不同计算步骤结合不同物理系统的优势，是实现大规模量子计算最有潜力的途径。本项目主要围绕基于固体系统的混合量子处理器与混合量子接口，以及用于量子计算输入输出步骤的光学系统，进行了多项研究：提出了以纳米机械谐振器为媒介的用于量子信息转移的混合量子接口，可实现在任意所选择的单氮空位中心间的量子信息转移，开拓了实现量子信息转移的新方法；提出了混合量子处理器内部固态量子比特间量子接口的变相动态开关，克服了不同量子比特的单比特操作非同时性限制，提高了单比特操作效率；提出了通过光纤环形连接的三个分立光腔中，原子态间具有鲁棒性的量子态转移，原子自发辐射与操作时间错误的联合效果可减小达到最大保真度的时间，从而加速执行量子态传输；提出了在远距离三原子系统中实现鲁棒性两原子任意纠缠态确定性转移和受控非门，方案在较小原子自发辐射率下保真度接近100%，且对光腔与光纤泄露不敏感。此外，我们还提出了在真空平面光晶格辅助下，利用双激发瀑布式能级量子点产生纠缠光子对的方案，得益于中间态的剔除，方案具有完全避免精细结构分裂负面作用的优势，从而可实现用于量子信息处理的纠缠光子源或量子点-光子混合量子接口。我们的工作丰富了混合量子计算研究领域的理论与方案，将混合量子计算推向更加实用化。