基于超导量子比特的朗道-基纳隧穿理论研究

Superconducting qubit is one of the leading candidates of quantum computation, while Landau-Zener tansition plays a key role in quantum contral. In this project, we intend to study Landau-Zener transition in a superconducting qubit. The main contents are the following: 1) Landau-Zener formula is invalid in some typical experiments using superconducting qubits, we will study the quantum transition in those practical regions. 2) study Landau-Zener transition in the presence of decoherene. 3) investigate the possibility to observe Landau-Zener interference in a longer time when both geometric operators and dynamical decoupling method are used in experiments. 4) simulaton of Kibble-Zurek mechansm by using Landau-Zener transition in the presence of decoherene effets. 5) quantum manipulation based on Landau-Zener transition. Those contents are original from the discussions with some internal experimental groups. Therefore, we hope our theoretical results can be heplful to the experiments done by some internal experimental groups.

超导量子比特是量子计算物理实现最有潜力的候选者之一，而朗道-基纳(Landau-Zener)隧穿是量子调控的重要手段。本项目拟开展超导量子比特中的朗道-基纳隧穿的理论研究，主要内容如下：1）目前，国内超导量子比特实验基本属于朗道-基纳渐近公式不适用区域，本项目拟研究此区域的量子隧穿;2)考虑退相干时的朗道-基纳隧穿研究;3）采用几何操控及动力学退耦方法相结合，研究它们在噪声条件下延长朗道-基纳隧穿相干干涉时间的机制；4) 用超导量子比特的朗道-基纳隧穿模拟有退相干时的Kibble-Zurek相变机制;5) 基于朗道-基纳隧穿的（几何）量子相干调控研究。这些研究内容从国内超导实验组遇到的实际问题提炼出来，项目研究成果期望既能用来解释国内超导量子比特的实验观测现象，也能指导更进一步的实验研究。因此，项目研究的理论成果应能有力促进国内超导量子计算的实验研究。

主要研究了超导比特朗道-基纳方法，以及超冷原子量子模拟中基于朗道-基纳方法测量能量色散关系方面的内容。圆满完成了原研究计划。在超导量子信息处理和超冷原子都取得了重要创新成果。和国内超导实验组实验合作，做了 3 个理论和实验结合的工作：理论和实验结合研究了超导量子比特中超越朗道-基纳渐近公式的量子隧穿；用朗道-基纳渐近公式模拟了 Kibble-Zurek 相变机制；实验实现了基于朗道-基纳隧穿的（几何）量子相干调控研究。用在项目执行期间，发表（标注基金支持的）SCI 论文19 篇，其中通信作者17 篇。通信作者在Phys.Rev.Lett. 发表论文1 篇，Nature Communications 1 篇，Phys.Rev.A/B 11 篇，Science China 1篇等。负责人入选科技部中青年科技领军人才和万人计划中青年科技领军人才。资助期间培养博士后出站2人，博士研究生毕业4 人。目前在站博士后1人，在读博士研究生4人，硕士研究生5人。