基于朗道-基纳理论的金刚石氮-空位体系量子态操控研究

本项目旨在研究单个金刚石氮-空位体系中量子态的操控和量子信息处理问题。基于朗道-基纳（Landau-Zener）理论，利用氮-空位的电子自旋与邻近核自旋之间的相互作用产生的能级反交叉，操控系统的量子态。将结合实验装置中磁场和作为驱动场的微波脉冲等参数的数值，设计实验方案。具体研究内容如下：通过设置系统的初始状态，利用能级反交叉完成量子态的相干分裂演化，一方面开展绝热条件下量子态操控的工作；另一方面分别考虑金刚石氮-空位体系中内层的一个或几个核自旋的情形，控制和制备电子自旋与核自旋之间的多体纠缠态；重点讨论不同实验参数下实验误差对朗道-基纳干涉现象本身的影响；以及研究如何利用本征态中的暗态进行量子存储。本项目着眼于理论结合实验进行，将不仅有助于深化我们对氮-空位体系量子信息处理本身的认识，而且也为实现利用驱动场对多体量子体系进行纠缠等操控提供理论参考。

本项目旨在研究金刚石氮-空位体系量子态的操控和量子信息处理问题。利用氮-空位的电子自旋能级结构，结合实验装置中磁场和作为驱动场的微波脉冲等参数的数值，操控系统的量子态。通过三年的系统研究，我们完成了项目的既定目标，主要的研究成果包括：通过设置系统的初始状态，调节系统的驱动场，例如微波脉冲等参数进行同步调制与非同步调制，对两能级原子进行量子态操控的工作；另一方面考虑金刚石氮-空位体系的特点结合多种其他量子体系制备量子纠缠态；重点讨论不同实验参数下实验误差的影响，又着力于金刚石系综与其他量子体系的复合体系的非线性研究，实现氮-空位色心系综的单模以及远距离的双模压缩。除此之外，我们也研究了如何构建无退相干子空间来实现氮-空位中心系统的两比特以及多比特的控制非门。最后，通过研究与金刚石氮-空位系综较为类似的一个体系，即极化分子系综的量子信息处理问题，我们深化了对系综体系的认识。这些研究结果为我们今后相关研究的开展打下了良好的理论基础。.已有5篇相关论文发表在Phys. Rev. A，和Eur. Phys. J. D等国际著名期刊上，一篇刚被Opt. Express 接收，另外项目主持人与国内外各个理论和实验研究组取得了稳定和长期的合作关系。