固态量子自旋系统信息传输的量子最优控制研究

The quantum information transimision and amplification for solid spin system is investigated based on quantum optimal control theory. The high-qualify transimission through spin-chain quantum wires governed by local or grobal control is analyzed to obtain a protection for quantum coherence under several control fields. The properties of the information transport in the data bus is discussed by use of the quantum optimal control to look for a valuble method. The target functions that we consider include state fidelity, gate fidelity, quantum correlation, as well as time-energy performance as the consquence of an optimalization. We will look for the robust and reliable transfer of the quantum state or the entanglement for several kinds of the chain and propose a design method to evolve perfectly an initial state to the final state. We also investigate the spin chain system which is driven by a control to steer a state into a desired target, where the effects of dispersion and environment are involved. Acording to experimental conditions, we will propose a valuble way for open quantum system which guarantee optimization techniques to prevent the quantum decoherence and product the quantum correlation for the spin system. It expects that the proposal will provide some valuable suggestions for experimental implementations and applications.

本项目拟运用量子最优控制理论研究固态量子自旋系统量子信息传输与放大的控制过程，寻求对系统实施局域或整体的有效量子操控、高质量的量子信息传输控制条件以及各种控场对系统量子相干性的保护作用。我们还将探讨传输线中量子信息的传输特点，找到有效的优化控制方式，优化的性能指标主要包括量子态和量子门的保真度、自旋间量子关联、时间和能量效率等性能指标。我们将在不同类型的信道中寻找量子态或量子纠缠可靠转移的条件，提出量子态完美转移的控制场设计方案。在控制与被控制的系统中，进一步考虑环境和各类耗散的影响，通过优化控制设计主动地操控和干预系统状态的演化，诱导系统演化至期望的目标状态，找到最佳的控制方案用于保护系统的量子相干性。在实验室允许的参数条件下，根据需要提出综合优化量子调控方案，控制系统的相干演化生成稳定的多体关联，提出开放量子系统消相干抑制和量子关联保持的控制策略，为实验和应用研究提供理论依据。

本项目运用量子最优控制理论探索了固态量子自旋系统中量子信息的传输，寻求对系统局域或整体上的最优控制，高质量的量子信息传输条件以及各类外场对系统量子相干性的影响，研究了量子系统演化的速度极限，涉及路径空间状态演化的量子速度,获得达到目标态所需最小时间，具体讨论了系统量子态、保真度、自旋间量子关联和量子纠缠等问题, 根据一般多体系统中的量子相变与量子速度极限有着共同源于海森堡不确定性关系的根源，我们提出了量子相变与量子速度极限之间存在着某种必然的联系判据。此外，我们探讨了传输线中量子信息的传输特点，找出一类优化控制方式，性能指标主要包括量子门的保真度、自旋间量子关联、时间和能量效率等指标。在固态自旋系统不同类型的信道中寻找量子态或量子关联可靠转移的条件，提出量子态完美转移的优化控制方案。考虑环境和耗散的影响，讨论了在控制与被控制的系统中如何降低系统消相干的方法，在实验室允许的参数条件下，提出优化量子调控方案，量子系统消相干抑制和量子关联保持的控制策略，能够为实验和可能的应用提供依据。