超导量子电路中稳定量子态的制备与操控的研究

Solid-state superconducting quantum circuits play an important role in quantum information processing and the fundamental investigation of quantum physics. In this project, we study the preparation and manipulation of stable quantum states in superconducting circuits. The key idea is to design the appropriate interaction between a quantum system and a dissipative ancilla, which will drive the quantum system into stable quantum state via quantum dissipative process. The main research contents are: firstly, we propose to achieve strong nonlinear two-photon coupling between a superconducting resonator and a superconducting qubit with asymmetric potential energy, and utilize the dissipation of the qubit to generate stable Schrödinger cat state of the microwave resonator; Secondly, we study the dissipative generation of stable entanglement between the two end qubits of one-dimensional superconducting qubit array by local quantum operation. The advantage of these schemes is that it requires neither the precise control evolution time of system nor the initial state preparation. The study of this project will provide theoretical basis and basic methods for realization of quantum computation with superconducting circuits.

固态超导量子电路是实现量子信息处理的重要物理载体，并且在量子物理的基础研究领域发挥着重要的作用。本项目拟在超导量子电路中开展稳定量子态的制备与操控的研究。核心思路是通过适当设计量子系统与耗散体系之间的相互作用，利用量子耗散过程促使量子系统达到稳定的量子态。主要的研究内容为：一，探究非对称势能超导量子比特与超导腔之间非线性双光子强耦合的新机制，并提出利用超导量子比特的耗散制备超导腔的稳定薛定谔猫态的新方案；二，探索通过对一维超导量子比特阵列中的单个比特实施局域的量子操控，并利用该比特的耗散制备阵列两端两个超导量子比特之间稳定量子纠缠态的可行方案。这些方案的优点是不需要精确控制系统的演化时间和制备特定的初态。本项目的研究将为利用超导量子电路实现量子计算提供理论基础和基本方法。

超导量子电路是实现量子信息处理的重要物理载体，并且在量子物理的基础研究领域发挥着重要的作用。本项目在超导电路中开展稳定量子态制备与操控的研究，在量子计算、量子纠错等方面具有重要的应用价值。本项目的思路是通过适当设计量子系统与耗散体系之间的相互作用，利用量子耗散过程促使量子系统达到稳定的量子态，不需要精确控制系统的演化时间和制备特定的初态。项目取得的主要研究进展包括：一，基于非对称势能超导比特与超导腔之间的横向和纵向耦合，研究了实现它们之间非线性双光子强耦合的物理机制，并提出利用超导比特的耗散快速制备超导腔薛定谔猫态的理论方案；二，在单量子水平上，提出利用耗散过程制备两个超导比特稳定纠缠态的理论方案；三，提出利用耗散过程制备超导腔稳定压缩态的理论方案。此外，本项目还研究了超导电路与金刚石NV色心、YIG磁振子的耦合系统，提出了制备自旋压缩态和利用量子干涉增强磁振子阻塞效应的理论方案。