固态杂化量子体系中量子态的调控和相干动力学研究

Solid-state hybrid quantum systems based on the superconducting qubits are currently a frontier research topic crossing between condensed matter physics and quantum information science, where the advantages and strengths of the different subsystems in these hybrid systems are explored to achieve optimalized quantum systems. This research project focuses on the study of the solid-state hybrid quantum devices and circuits based on the superconducting qubits, including the realization of the effective couplings among subsystems and the optimal quantum-state control of the solid-state hybrid quamtum systems. In order to reveal the effects of the environmental noise and quantum detectors on the quantum states of the solid-state hybrid quantum systems, we will study the quantum-state evolution of the systems and develop theoretical methods for non-Markovian open quantum systems that are applicable to the solid-state hybrid quantum systems. With regard to some important many-body quantum models, we will propose experimentally accessible schemes for quantum simulation with the solid-state hybrid quantum systems. It is expected that the investigation of these problems is not only of important scientific significance, but also useful in providing new paths to the physical realization of both quantum computation and quantum simulation.

基于超导量子比特的固态杂化量子体系是目前凝聚态物理学和量子信息学领域中的一个前沿交叉研究课题，它通过利用固态杂化量子体系中不同子系统的优点和长处来实现更优化的量子体系。本项目研究基于超导量子比特的固态杂化量子器件与线路，包括利用各固态子系统的特点和优点来实现不同子系统的有效耦合，以达到固态杂化量子系统中较优化的量子态调控；通过研究固态杂化量子器件中量子态的演化规律，来探讨环境噪声和量子测量器件对体系量子态的影响，并通过研究固态杂化量子体系中量子噪声的特性来发展非马科夫近似下开放量子系统的理论与方法；针对重要的量子多体模型，通过研究固态杂化量子体系和各子系统的物理特性来提出实验上可行的量子模拟方案。这些问题的深入研究不但具有重要的科学意义，而且其为研究和开发量子计算和量子模拟提供了新的物理实现途径。

固态杂化量子体系是目前凝聚态物理学和量子信息学领域中的一个前沿交叉研究课题，它通过利用固态杂化量子体系中不同子系统的优点和长处来实现更优化的量子体系。我们研究了基于超导磁通比特、共面波导谐振器和纳米机械振子的杂化量子体系，结果表明其可以被用来作为量子路由器；研究了三维微波谐振腔与YIG晶体小球中自旋波量子的强耦合，发现铁磁共振模式（即Kittel模）在室温下有很好的量子相干性，与其极低温下的量子相干性相比拟，这为其在量子信息领域中的应用提供了重要依据；发展了量子开放系统的级联泛函导数方法，该方法可用来研究玻色子环境中开放系统的非马可夫量子动力学，并可用来判定一个给定的模型是否严格可解，还研究了关联噪音对双量子比特的物理效应，为研究量子纠缠的动力学提供了一个新的可解模型；利用超导磁通量子比特阵列来模拟横场量子伊辛模型，并利用超导传输线共振腔提出了探测所模拟的多体系统量子相变的关联谱方法，该方法可推广用来探测其它量子多体模型的物理特性。项目执行期间，共发表论文10篇，其中Phys. Rev. A上8篇，Phys. Rev. Lett.上1篇，Nature新子刊NPJ Quantum Information上1篇。