复合超导量子比特与电路腔量子电动力学系统中退相干机理的研究

本项目基于国家的重大需求和国际前沿的科学问题，从现有的基础出发，将复合超导量子电路体系作为研究和量子调控对象。在充分考虑测量仪器与超导电路腔量子电动力学系统对量子态操纵的作用与影响的基础上，在非马尔科夫与非二能级近似下，将电路理论与耗散理论相结合，将量子跳跃与密度矩阵重整化群、非平衡格林函数理论等方法相结合；寻求复合超导量子电路系统多能级量子描述的新理论，及相应的量子动力学方程的新的求解方法。进而深入探索复合超导量子电路各组成单元之间，各组成单元与环境之间的耦合机制及对量子输运特性与量子纠缠特性的影响，重点研究复合超导量子电路系统的退相干特性。本项目完成后，期望能更深刻地理解超导量子单路中内在的量子相变和临界现象，揭示出一些新颖的量子调控效应，给出解决超导量子比特中快速退相干难题的方案。形成一些复合超导量子比特电路的设计,为实现实用化的超导量子比特体系提供理论依据与指导。

含复合超导量子比特的量子电路，以及电路量子电动力学系统不仅可以高质量地实现量子信息的传输，而且适用于长时间地存储量子信息，在量子工程技术中起着至关重要的作用。在本研究项目中，我们比较系统地研究了复合超导量子比特系统与电路量子电动力学系统退相干的物理机制、量子关联的动力学演化特性，本项目实施以来取得的主要研究成果如下。. （1）通过探索超导量子比特系统的元器件参数、电路组成方式、以及内稟交换能量耗散对退相干的影响，拓展并加深了对量子系统退相干机制的认识，获得了抑制退相干与退纠缠的新策略与新途径。. （2）研究发现：量子失协与量子纠缠各自都是极为重要的信息资源，它们具有不同的动力学演化特性。受环境耗散的影响，伴随于超导量子比特系统的记忆效应、反馈效应均有利于保持系统的相干性与纠缠性。. （3）研究发现：量子态传输通道的数目对传输质量有很大的影响。多量子信道间的叠加效应不利于系统量子纠缠的保持；基于保持量子态相干性的角度，选择单信道传输比多信道传输更具有优势。. （4）提出了基于多量子比特调控量子纠缠传输的策略。研究发现：调控多量子比特间的近邻相互作用、Dzyaloshinsky-Moriya相互作用，均可以改善量子纠缠传输的质量，但无法有效抗拒环境退相干效应的影响；优化选择初始量子态,调控外磁场的强度与非均匀性才是抗拒环境退相干效应的有效途径。. 项目完成了计划书中的全部研究内容，实现了预定的研究目标。基于本项目的研究工作成果，能够为超导量子比特在实际量子工程中的应用提供一些有效的理论依据与指导。