極強耦合條件下電路QED系統(tǒng)中量子信息處理的研究

由于超導(dǎo)量子比特大的偶極矩和固態(tài)腔小的腔模體積，電路量子電動力學(xué)(QED)系統(tǒng)中的耦合強度可以達到與玻色子頻率可比擬甚至大于的程度。在這一極強耦合參數(shù)范圍，傳統(tǒng)的旋波近似不再適用，系統(tǒng)展現(xiàn)出一種新的物理圖像。本項目研究極強耦合條件下電路QED系統(tǒng)中的量子信息處理，主要包括極強耦合條件下實現(xiàn)兩超導(dǎo)量子比特超快控制相位門和iSWAP門以及超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)的制備和可控耦合。研究了由超導(dǎo)電荷量子比特和磁通量子比特通過大約瑟夫森結(jié)耦合的物理模型中的糾纏特性，研究了該方案中電荷比特和磁通比特的最大糾纏態(tài)的制備和保持，給出了方案在實驗上的可行性參數(shù)，結(jié)果顯示可制備宏觀愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）態(tài)和實現(xiàn)快速糾纏過程。研究了兩超導(dǎo)電荷量子比特與壓縮相干態(tài)相互作用的糾纏特性。研究結(jié)果對于理解和發(fā)展宏觀量子糾纏、量子非定域性等量子力學(xué)基本原理具有重要的理論意義。 2100433B

由于超導(dǎo)量子比特大的偶極矩和固態(tài)腔小的腔模體積，電路量子電動力學(xué)(QED)系統(tǒng)中的耦合強度可以達到與玻色子頻率可比擬甚至大于的程度。在這一極強耦合參數(shù)范圍，傳統(tǒng)的旋波近似不再適用，系統(tǒng)展現(xiàn)出一種新的物理圖像。本項目擬研究極強耦合條件下電路QED系統(tǒng)中的量子信息處理。利用廣義旋波近似和Van Vleck微擾理論等方法研究多個超導(dǎo)量子比特與傳輸線腔的極強耦合，利用光刻技術(shù)和外加驅(qū)動場技術(shù)控制超導(dǎo)量子比特與傳輸線腔相互作用，制備多比特糾纏態(tài)。通過對超導(dǎo)量子比特、傳輸線腔以及外加驅(qū)動場的控制，實現(xiàn)多個超導(dǎo)量子比特間的可控耦合。研究極強耦合條件下實現(xiàn)兩比特超快量子邏輯門的方案，給出方案在實驗上的可行性參數(shù)。本項目擬從理論上給出多個超導(dǎo)量子比特極強耦合模型系統(tǒng)的解析解，并將這些解析解用于構(gòu)造超快量子邏輯門、制備糾纏態(tài)，實現(xiàn)超快的量子信息處理。本項目的研究內(nèi)容具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價值。

光子系統(tǒng)是易于操控和傳輸?shù)男畔⑤d體，在量子通信中有非常重要的應(yīng)用。在遠程量子通信中，需要應(yīng)用量子中繼器抑制環(huán)境噪聲對光子信號的影響，提高通信的保真度和安全性。光子系統(tǒng)具有極化、空間模式、頻率、時間-能量和軌道角動量等多個自由度。將光子系統(tǒng)的多個自由度同時應(yīng)用于量子通信能夠提高遠程通信的信道容量和安全性。本項目主要研究高容量量子中繼器中光子系統(tǒng)多個自由度的量子操控問題，研究內(nèi)容主要包括：研究基于腔量子電動力學(xué)非線性光學(xué)作用的雜合量子糾纏門，服務(wù)于量子中繼中飛行光子比特量子態(tài)與固態(tài)存儲比特量子態(tài)之間的轉(zhuǎn)移；研究光子系統(tǒng)兩自由度和三自由度的超糾纏純化，提高量子中繼器的容量，服務(wù)于高容量安全量子通信；研究光子系統(tǒng)兩自由度和三自由度的超糾纏轉(zhuǎn)移，用于鏈接遠距離通信節(jié)點，提高量子中繼器的效率。通過本項目研究，力爭在高容量量子中繼器中光子系統(tǒng)多自由度的量子操控方面做出一些創(chuàng)新性的研究成果。

光子系統(tǒng)在量子通信中有非常重要的應(yīng)用。在遠程量子通信中，量子中繼器能夠鏈接距離較遠的通信節(jié)點，抑制環(huán)境噪聲對光子信號的影響，提高遠程量子通信的保真度和安全性。光子系統(tǒng)的多個自由度同時應(yīng)用于量子通信能夠提高遠程通信的信道容量和安全性。本項目主要研究高容量量子中繼器中光子系統(tǒng)多個自由度的量子操控問題。研究內(nèi)容主要包括：基于腔量子電動力學(xué)非線性光學(xué)作用的光量子糾纏門、光子系統(tǒng)兩自由度和三自由度的超糾纏純化和濃縮、光子系統(tǒng)兩自由度和三自由度的超糾纏轉(zhuǎn)移。通過本項目研究獲得了以下成果：一、利用金剛石NV色心-光學(xué)腔系統(tǒng)中的腔量子電動力學(xué)原理構(gòu)建了魯棒的兩光子極化和空間模式兩自由度超并行量子控制相位門和三光子極化和空間模式兩自由度超并行量子控制交換門，能夠?qū)⒂绊懕Ｕ娑鹊闹饕蛩剞D(zhuǎn)化為可探測的光子信號，用于構(gòu)建高容量量子中繼器。二、利用線性光學(xué)元件構(gòu)造了未知系數(shù)的光子系統(tǒng)極化、空間模式和時間三自由度超糾纏Bell態(tài)濃縮方案和超糾纏GHZ態(tài)濃縮方案；利用線性光學(xué)元件構(gòu)造了已知系數(shù)的光子系統(tǒng)極化、空間模式和時間三自由度超糾纏Bell態(tài)濃縮方案；利用腔量子電動力學(xué)設(shè)計了預(yù)報式糾纏純化方案；這些方法能夠抑制遠程量子通信中噪聲對超糾纏光子系統(tǒng)的影響。 三、在光子系統(tǒng)兩自由度和三自由度的超糾纏轉(zhuǎn)移方面，重點研究了超糾纏態(tài)測量這一核心問題。利用線性光學(xué)元件，通過引入時間序列設(shè)計區(qū)分16個超糾纏Bell態(tài)的超糾纏態(tài)測量方案。通過輔助其他自由度糾纏態(tài)設(shè)計區(qū)分16個超糾纏Bell態(tài)的超糾纏態(tài)測量方案。四、針對信道噪聲問題，利用線性光學(xué)元件和光子系統(tǒng)兩個自由度設(shè)計了抗聯(lián)合噪聲的量子密鑰分發(fā)方案。

以超導(dǎo)電路量子電動力學(xué)的測試系統(tǒng)為物理平臺，以微弱微波信號測試和超導(dǎo)電子學(xué)測量為主要實驗手段，研究在毫開級低溫情況下人工約瑟夫森原子與量子化微波光場相互作用導(dǎo)致的各種新奇物理效應(yīng)，如量子糾纏、微波波段電磁感應(yīng)透明、及微波激射等。發(fā)展并在實驗上實現(xiàn)對人工超導(dǎo)原子宏觀量子態(tài)及微波量子化光場態(tài)的單量子檢測和操縱。.以此為基礎(chǔ)，研究以微波量子作為耦合超導(dǎo)量子比特的數(shù)據(jù)總線，建構(gòu)量子計算網(wǎng)絡(luò)的有效途徑；尋求基于宏觀量子態(tài)檢測和調(diào)控技術(shù)的微波光量子器件：如微波單光子源、微波光子糾纏源、微波單光子探測器等有效實現(xiàn)方式，并研究這些器件在高水平軍用電子對抗中的可能應(yīng)用。