基于相干布居转移技术的人工原子量子调控

能级及其跃迁结构可调的人工原子是近年来量子调控领域的研究热点。在我们以前研究工作（发表于2008年PRL上）的基础上，本申报项目将发展系统的、对脉冲长度不敏感的绝热和非绝热操纵方法，来实现各种人工原子系统（如囚禁离子、人工氢原子、超导量子电路、半导体量子点等）中量子态布居的确定性转移（而不是周期性的拉比振荡）。应用这一量子相干布居操纵方法，讨论如何在各种人工原子系统中确定性地实现：1）量子计算所需要的各种基本逻辑门操作；和2）验证量子力学原理所需要的各种典型量子态的制备。将这一方案创造性地应用于单个人工原子与量子化腔场的相互作用系统，讨论如何通过原子能级的布居向光（微波）量子态的确定性转移，来获得确定性的光量子发射。考虑各种耗散因素的影响下，论证这些布居相干操纵的有效性，从而为未来的实用化光量子相干器件研制提供可靠的理论基础和实验实现的新思路

本项目以主持人之前的工作，即：L. F. Wei, J. R. Johansson, L. X. Cen, S. Ashhab, and Franco Nori，Controllable Coherent Population Transfers in Superconducting Qubits for Quantum Computing， Phys. Rev. Lett. 100, 113601 (2008)，为基础，系统研究了利用相干布居转移技术实现量子计算的各种物理实现方案，发现在液氦表面电子体系和电路量子电动力学中绝热相干布居转移技术都可以有效地应用于实现高保真度的量子计算，进而还将上文工作成功地推广到了非绝热条件下的相干布居转移实现；应用相干布居转移技术理论上证明了高品质单光子态制备的可行性；拓展地研究了波导结构中单光子输运行为的调控；实现了Hardy形式Bell定理这一典型量子力学基本原理的实验验证；论证了耗散情况下相干布居转移技术仍可用于实现量子计算。本理论研究成果说明，除通常的Rabi快速脉冲技术，相干布居转移技术可作为对实验精度要求更为放松的实验实现量子计算的有效途径，这将为后续开展相干布居转移技术及其在量子信息处理中应用的实验研究打下坚实的基础。