固态海森堡系统中消相干问题的研究

The main difficulty for realizing quantum computation is the decoherence in the field of quantum information, in order to make quantum computer become reality, the first problem for us to solve is inhibiting the decoherence. Furthermore, solid quantum system is the most promising system for realizing quantum computer, and Heisenberg model is a kind of simple model which can be realized easily in solid-state system, so this project will study the problems of decoherence in solid Heisenberg systems, the concrete content includes: (1) analyzing the effect of various parameters along arbitrary directions on the decoherence in different systems based on the computation on master equations of systems, finding out the optimal controllable parameter combination, and inhibiting the decoherence effectively by controlling the parameters of systems; (2) investigating the influence of parameters along arbitrary directions on entanglement of Heisenberg systems, finding out a set of optimal controllable parameters, and making system have high entanglement to prolong the time of the decoherence effectively by adjusting parameters; (3) further studying the decoherence of high-spin Heisenberg systems, and seeking the deep relations between the decoherence and the dimension of spin; (4) designing specific Heisenberg model in real solid systems such as quantum-dot system and superconducting quantum system, and inhibiting the decoherence of real systems by controlling parameters.

在量子信息领域，消相干问题已成为实现量子计算的主要困难，为了使量子计.算机成为现实，一个首要的问题就是抑制消相干的发生。此外，由于固态量子系统是实现量子计算机最有希望的系统，而且海森堡模型是一种简单的容易在固态系统中实现的模型，因此,本项目将针对固态海森堡系统中的消相干问题开展以下工作：(1)基于对系统主方程的求解计算，分析各种参量对不同的系统消相干过程的影响，找出最优的控制参量组合，以通过对系统参量的调控实现对系统消相干的有效抑制；(2)研究海森堡系统中各种不同方向参量对系统纠缠的影响，寻找出一组最优的控制参量，并通过对系统参量的调控使系统处在较高的纠缠状态，从而有效地延长系统的消相干时间；(3)进一步研究高自旋海森堡系统中的消相干问题，并探寻系统消相干与自旋维度间的深层关系；(4)利用量子点和超导等真实的固态系统设计出具体的海森堡模型，并且通过对参量的调控实现对真实系统消相干的抑制。

近年来的研究表明，固态量子系统是实现量子计算机最有希望的系统，消相干问题已经成为实现量子计算最主要的困难，本项目按照原计划对固态海森堡系统中的消相干问题开展研究，发现通过调控一类特殊海森堡系统的参量可以有效抑制系统消相干，并找到了最优控制参量组合来避免消相干的发生。我们还在普适的海森堡模型中找到了几组最佳的纠缠调控参量，通过对参量方向的调控可以提高系统纠缠和抑制系统消相干。此外，我们还研究了高自旋海森堡XYZ系统，结果显示高维系统能够更好地抑制外部环境的影响。我们设计了在光晶格系统中实现海森堡模型的物理方案，并给出了调控光晶格和超导系统参量的方法。这些研究结果对于在固态系统中调控参量来抑制系统消相干提供了理论依据。除原计划外，我们还对作为量子计算重要资源的量子纠缠和量子失谐进行了研究，提出了进行纠缠浓缩、纠缠纯化以及纠缠保护的方案，发现了量子失谐几何测量不受消相干影响的充分必要条件，研究结果将促进人们对量子计算重要资源的有效利用。本项目的研究进展和结果达到了我们预期的目标，同时也为我们的后续工作打下了基础。