噪声环境下腔量子电动力学量子计算与量子相干操控的理论研究

Quantum computation, which is a very promising new research field, can solve certain problems much faster than on a classical computer. This matter of fact has triggered a lot of studies on the theoretical and practical aspects of quantum computation in the past two decades due to its potential application．Compared with other quantum systems, cavity quantum electrodynamics (cavity QED) systems play an irreplaceable role and have particular advantages of suppressing the decoherence and constructing the quantum network in the field of quantum information science. This project mainly focuse on the study on quantum computation and quantum coherent manipulation using different atom(or artificial atoms)-cavity interaction systems in noisy enviroments, including the effective implementation of one-way quantum computation, local and nonlocal multi-bit quantum logic gates, and distributed quantum computation; and the effective manipulation and the physical realization of quantum states. The aim of this project is to seek the efficient controlling method of improving the efficiency of quantum computation and to seek the efficient way of reducing the influence of quantum decoherence, providing some useful theoritical foundations and experimental datas for largle scale and practical quantum computation.

量子计算科学是一门重要的交叉研究领域，可以完成经典计算无法完成或者很难完成的计算任务，其潜在的巨大应用引发了近二十几年来科学界对量子计算理论和实验的研究。在量子信息学的研究中，腔量子电动力学（腔QED）系统具有独特的优势，在抑制系统退相干和实现量子网络方面有着其它系统无法比拟的优点，显示了其它系统不可替代的作用。本项目针对噪声环境下不同的原子（或人工原子）-腔相互作用系统,进行有关量子计算与量子相干操控方面的理论研究。具体内容包括：色散情况下单向量子计算的有效实现、局域和非局域多比特量子逻辑门及分布式量子计算的实现、以及对量子态的有效操控和物理实现等问题。本项目旨在通过对噪声环境下原子-腔耦合系统量子特性的研究，探寻有益于提高量子计算效率的有效的操控方法以及降低消相干影响的有效途径，为规模化、实用化量子计算的实现提供理论基础和实验依据。

量子计算科学是一门重要的交叉研究领域，可以完成经典计算无法完成或者很难完成的计算任务，其潜在的巨大应用引发了近二十几年来科学界对量子计算理论和实验的研究。在量子信息学的研究中，腔量子电动力学（腔QED）系统具有独特的优势，在抑制系统退相干和实现量子网络方面有着其它系统无法比拟的优点，显示了其它系统不可替代的作用。本项目按照原预定计划进行，在四年的研究期间内共发表与本项目相关的学术论文52篇，全部为SCI收录。获得吉林省青年科技奖1项、吉林省自然科学奖二等奖1项（第一完成人）、吉林省自然科学学术成果奖二等奖1项（第一完成人），申请授权专利1项。取得的主要研究成果如下：. 1）基于一维腔-光机元胞阵列，我们提出一个简单的方案来模拟Z2拓扑绝缘体。在红失谐机制下，通过线性化和对角化的方法，我们发现当前一维腔-光机元胞阵列模型可以被解耦成两条独立的玻色链。如果将两条玻色链分别视为两个自旋分量，当前的模型自然可以被用来模拟Z2拓扑绝缘体。2）研究了衰减腔和增益腔的位置对非厄密耦合腔阵列模型中自发PT对称性破缺行位的影响。我们在三种不同的情况下详细地分析和讨论了系统的能量本征值谱，还有拓扑非平庸和平庸区域的PT对称性。3）基于原子与腔场相互作用，提出量子态制备与操纵、量子计算和量子信息处理的有效方案和新方法，为腔量子电动力学实验提供了理论依据和实验参考。4）基于腔光力系统的量子纠缠与纠缠压缩。提出一个在宏观水平上制备移动镜子和原子系综之间鲁棒纠缠的方案，同时研究了此系统中的纠缠转移情况。数值模拟结果表明：两体宏观纠缠的临界温度可以达到170K，打破了液氦和液氮冷却的限制，极大地节约了实验成本。本方案能够用于实现连续变量量子信息处理、量子存储和量子极限的位移测量；基于混合原子光机械系统，通过机械振子的非线性和腔冷却过程，提出制备稳态机械模压缩的理论方案。数值模拟表明该方案对光学腔耗散是鲁棒的，稳态压缩在高耗散腔的条件下仍然可以被制备；研究了双腔光机械系统的物理性质，通过辅助光学腔的相干干涉，机械振子的稳态压缩在高的不可分辨边带极限下可以被制备，为不可分辨边带极限条件下实现机械模压缩提供了理论参考；通过研究光力系统中的边带冷却机制，我们发现当引入系频率调制时，边带冷却中的Stokes加热过程可以被有效地抑制，从而可以打破量子反作用冷却限制。