基于超导量子器件的量子信息理论若干问题研究

量子信息科学是量子力学和信息科学相结合的产物，它的最大特点是以量子比特作为信息载体。为了实现量子通讯和量子计算，关键的问题是对量子比特进行有效地操控，并把量子比特集成起来，保持它们之间的纠缠性质。以Josephson结为核心的超导量子器件是一种基于超导宏观量子效应的固态器件，具有损耗低、长程相干性好、量子态参数可通过外场及电路参数来调控、以及容易规模集成并镶嵌到已发展成熟的固体电子学电路中等优点；而含量子点的超导量子结构所具有的库仑阻塞、能量量子化等效应，以及参数易于调控等特点，为设计和制造量子效应器件开辟了新的方向。因此本项目旨在设计有效的超导量子器件，从理论上研究所设计的量子器件的物理特性，提出超导量子比特相干性保持的策略，探索测量和读取量子信息的新方法和利用超导量子器件设计物理上可能实现的量子通讯和量子计算的方案。

本项目我们设计了超导传输腔与超导磁通比特的耦合系统、三个超导电荷量子比特与腔场耦合系统、介观超导约瑟夫森结（CBJJ）与单模腔场耦合系统等超导量子器件。基于这些超导量子器件，提出了超导量子比特相干性保持的策略，探索了测量和读取量子信息的新方法和实现量子通讯和量子计算的方案。. 构造了超导传输腔与超导磁通比特耦合系统，利用两通道拉曼相互作用同时实现了n个量子相位门，并实现一步制备高纠缠度团簇态；利用一个磁通比特控制n个比特的方法，实现了多比特控制非门，生成了GHZ态。. 构造了超导电荷量子比特与腔场耦合的量子系统，提出了不同初态时整个系统的纠缠演化行为，发现腔耗散率能影响系统不同两部分分割square concurrence的演化行为。当其它相关参数固定时，这些square concurrence均随耗散率的增大而减少。. 设计了一个基于电流的约瑟夫森结、钻石氮-空位中心和超导传输线的复合量子系统。通过超导传输线振动模的虚激发，利用超导比特快速运算和氮-空位中心相干时间较长的特点，实现量子态的转移，使转移的量子态保真度达96%以上。该系统可同时实现N比特的存储和读取，大大提升了量子记忆的存储能力。同时，还设计了N个钻石氮-空位中心系综自旋比特的GHZ态制备方案。. 利用多组份纠缠度研究了N个二态粒子在一维压缩真空场环境下的动力学解相特性。发现无论是独立还是联合噪声压缩环境，压缩场能导致GHZ态纠缠度发生完全或部分的退相干。特别是在独立噪声中，GHZ态在完全消失之后，能够再恢复。这将为未来量子信息处理中的量子存储和量子数据传输提供一种可能的实现途径。.我们还利用量子波导管、量子点和介观约瑟夫森结等构造了其它的固态量子系统。在考虑量子消相干效应的基础上，提出了利用量子擦除技术保持纠缠特性的方案，基于量子点系统设计了量子逻辑操作门，进而构建了通用量子克隆机。. 研究了石墨烯纳米带的电子结构，发现在金属型纳米带中存在着并行电子传输线，这为超导量子器件中数据的并行传输提供了新的思路。.我们的研究成果为实现超导量子比特的有效操控、宏观量子相干性的保持和大规模量子计算提供了理论依据，对固态量子信息处理具有重要意义。