基于超导电路混合装置的量子信息处理的研究

With the development of quantum information, people have been looking for appropriate physical systems used to implement quantum computation and quantum communication. Large-scale quantum computation requires that the physical systems should have scalability and controllability. Therefore the superconducting qubits become hopeful candidates for the basic blocks for quantum information processing due to their well integratability and flexible manipulability. However, the decoherence of the superconducting qubits is relatively fast so that no enough logical operations can be performed during coherence time. Coherence quantum coupling between the superconducting qubits and an ensemble with long coherence time can overcome the disadvantages of superconducting qubits. So this project aims to investigate the quantum information processing problems including the generation of entanglement, the transfer of quantum states, the implementation of quantum logical gates and so on, based on hybrid devices embedding superconducting qubits.

随着量子信息学的发展，人们不断地寻找着合适的物理系统用于实现量子计算和量子通讯。大规模量子计算要求物理系统必须具有高度的可扩展性及可操控性。超导量子电路以其高度的可集成性和灵活的可操控性，成为实现量子信息处理的最佳基本单元。然而超导量子位的相干时间非常短，以致于对于实际的量子计算没有足够的量子逻辑操作可以在相干时间内完成。如果将超导量子位与消相干时间长的系综耦合，则可以解决消相干时间短的缺点。因此，本项目主要将基于包含超导量子位的某些混合装置研究量子纠缠的产生、量子态转移、量子逻辑门的形成等量子信息处理问题。

大规模量子计算要求物理系统必须具有高度的可扩展性及可操控性。由于超导量子电路的高度可集成性和灵活的可操控性，使其成为实现量子信息处理的最佳基本单元。然而超导量子位的相干时间非常短，以致于对于实际的量子计算没有足够的量子逻辑操作可以在相干时间内完成。如果将超导量子位与消相干时间长的系综耦合，则可以解决消相干时间短的缺点。因此，本项目主要基于包含超导量子位的某些混合装置研究量子纠缠的产生、量子态转移、量子逻辑门的形成等量子信息处理方法。本项目自 2015 年 1 月执行以来至 2018 年 12 月已经顺利完成本项目的研究工作。主要成果有：在超导量子位电容耦合共面波导谐振器系统提出了结合绝热过程技术及量子 Zeno 动力学方法一步产生 n 个超导量子位 GHZ 态的方案；利用一维传输线共振器中的破坏对称性的超导量子位提出了制备 X 型四比特纠缠态的方案；基于不变量绝热捷径技术提出了电容耦合于两个共面波导谐振器的三个超导量子位 GHZ 态和 W 态的两个制备方案；基于超绝热捷径技术提出了快速制备三个超导量子比特 GHZ 态的方案；基于选择路径捷径方法提出了快速制备三个超导量子位 W 态的方案。此外，结合绝热技术和量子 Zeno 动力学提出了制备三维纠缠的方案；基于 LR 不变量绝热捷径技术提出了实现量子逻辑门：多量子位控制相位门、CNOT 门和 SWAP 门的方案和制备三维、四维纠缠态及 NOON 态的方案；利用绝热技术和不变量及无跃迁绝热捷径技术分别提出了制备树形三体三维纠缠的方案；利用无跃迁量子驱动捷径技术提出了制备两原子三维纠缠的方案；基于超绝热捷径技术提出了制备两原子三维、四维纠缠及树形三维纠缠的方案；基于缀饰态方法提出了实现量子态转移、纠缠产生及量子 CNOT 门的方案；提出了选择路径捷径方法并用于复杂系统快速实现了单原子和玻色爱因斯坦凝聚之间的三维纠缠；结合里德伯反阻塞效应及绝热过程技术提出了实现量子相位门的方案。我们所提出的方案对量子信息学的发展具有一定的促进作用。