分子磁体中基于电子自旋的多体纠缠态的量子调控

本项目拟重点研究分子磁体中电子自旋的多体纠缠特性。分子磁体作为一种可调控的受限体系，可以在这样的自旋团簇系统中实现规模化的量子计算和量子信息处理，包括具有一定应用价值的量子算法。针对实验已制备出的分子磁体，我们可以解析地研究其有效哈密顿量的形式，得到系统的能级特征，建立起有效量子位。我们通过光学、电学和化学的方法，合理调节自旋间的相互作用，找出某些可调控的激发纠缠态，从而构造出多量子位的逻辑门，实现对多体纠缠态的量子调控。同时我们可以合理地考虑外界环境消相干对量子信息处理的影响，研究具体量子算法实现的可行性及其效率。

随着固态低温调控技术的迅速发展，我们利用现有的实验数据，来构建合理的哈密顿量模型，研究固态量子多体系统的丰富物理特性，并将其应用于量子信息科学与技术领域中。本项目的研究对象是基于电子自旋的受控量子多体系统，主要包含了典型的分子磁体、自旋团簇体系和低维量子自旋体系。在这些实际量子系统中，我们重点分析了自旋与轨道的相互作用、非对称的近邻相互作用、以及多体相互作用对量子微观系统的影响；获得了它们的能级结构、稳定的基态和低激发态的量子纠缠特性，为未来的固态量子调控技术提供了一定的物理基础。通过选取典型的分子磁体，我们建立了可存储量子信息的有效量子比特，研究了多种实际环境中固态量子比特的自旋关联特性。考虑当前国际的研究热点，我们分析了量子多体纠缠态和量子关联（量子失协），发现了电子自旋与轨道的耦合作用可以减缓量子纠缠和量子关联的衰变；同时，从量子信息的角度，我们还讨论了新奇的量子相变和有意义的量子临界行为。基于量子重正化群方法，我们发展了有效数值计算方法和一些近似理论分析方法，详细讨论了多体量子纠缠态的稳态特性，解释了在超短和超长时刻下的多体纠缠态的动力学行为。在研究工作中，我们考虑了一些常见周边环境对这些多体量子自旋系统物理特性的影响。当量子系统与固态自旋环境或低温热环境之间不可避免地产生相互作用时，量子多体纠缠态等物理量都会产生具有记忆行为的量子退相干过程，这一研究结果可以被应用于实际的固态量子信息处理中。我们既可以调节多体量子系统中内部相互作用，也可以改变外界的局域和全局磁场以及电场，从而有效调控系统与环境的相互作用。因此，我们借助于受控的量子多体自旋系统，实现了高保真度的量子远程通信和量子隐形传态，作为固态量子计算机和量子信息处理一些可行性方案。