基于光纤与腔QED系统耦合的量子信息处理器

消相干问题与可扩展问题是实现量子信息首先必须解决的两个重要实际问题。本项目拟利用腔QED系统与光纤的耦合设计出可有效克服消相干的可扩展量子信息处理器。研究腔QED系统与光纤的非共振耦合，得到两个原子在大失谐玻色模的诱导下所产生的耦合哈密顿，提出有效方案以实现两个原子间的量子态转移、纠缠及相位门，提出有效方案以制备多个原子之间的纠缠态。腔场及光纤只是被虚激发，始终处于真空态，因而耗散被有效抑制。在操作过程中，我们将利用拉曼过程，原子的两个低能态作为量子比特基矢，原子的自发辐射也可得到抑制。研究多个受驱动腔QED系统与多条光纤的耦合，通过选择原子的能级结构与经典场的参量以得到任意两个给定腔中原子的选择性耦合。利用这种选择性的耦合提出有效方案以实现任意两个给定节点之间的量子通信及量子逻辑操作。

本项目围绕着消相干效应与可扩展性这两个国际量子信息学术界关注的重要问题，较系统地研究耦合腔QED系统的动力学，提出了一系列有效克服消相干的可扩展量子信息处理器及量子态操控的理论方案。. 首先，我们研究了两个原子系综与两个通过光纤连接的耦合腔的作用。结果表明通过适当选择失谐量、耦合系数等参量，可使原子与非定域场模发生选择性耦合。在特定条件下，经过压缩变换的合作原子模的量子可完全被场模吸收，这使得原始的合作原子模被驱动到双模压缩真空态。接着，我们研究了多个受驱动腔QED系统与多条光纤的耦合，通过选择原子的能级结构与经典场，提出了一个方案以实现任意两个给定腔中的原子间的选择性耦合。然后，我们研究了如何利用这种选择性耦合实现任意两个给定节点之间的量子逻辑操作以及任意两对给定节点之间的并行操作。在操作过程中，原子与腔模均不被激发，因而消相干效应可得到抑制。在此基础上，我们进一步研究了通过光纤连接的耦合腔QED系统的Zeno动力学，提出了有效方案以实现空间分离的两原子的多维纠缠态及量子相位门。这些方案的主要优点是只要求一步操作，并且对腔的耗散不敏感。基于耦合腔的耗散，我们还提出了处于不同腔中的两个原子纠缠稳态的制备方案。. 除了耦合腔方面的工作，在腔QED系统中我们还提出了电磁场非经典Berry相位的测量方案，研究了耗散参量的绝热循环演化所导致的几何相位。在此基础上，我们提出了原子系综和腔场压缩态的制备方案。此外，我们还提出了分解n-量子比特受控相位门的简化方案，并且在腔QED系统中讨论了实现所要求的基本逻辑门的方法。. 在国内外重要学术刊物上发表了25篇论文，其中10篇发表在《Physical Review A》上。