耗散量子系统中的量子纠缠及量子相干操控研究

Quantum entanglement is a basic resource indispensible in quantum information processing (QIP). The environment-induced decoherence is the biggest problem in front of quantum information, which can make the quantum channel disentangled and so that the network of quantum communication collapse instantly and the quality and efficiency of QIP will be affected seriously. Therefore, it is significant for QIP to investigate the influences of various dissipative factors on entanglement dynamics and entanglement preparation, and further to put forward effective coherent engineering methods for a given system. In addition, the problem of quantum correlation relevant to quantum entanglement is also to be investigated and revealed. How about the relation between the degree of entanglement and quantum correlation in a certain quantum system and what factors can affect it? These problems are also to be studied. This project aims at the researches on entanglement preparation and entanglement dynamics for the solid state system in the dissipative environment, the various quantum feedback methods for obtaining the steady entanglements, and the controlling methods for keeping quantum coherence and restraining decoherence. These researches will provide the valuable data theoretically and experimentally for the practical QIP and enrich the basic theory of quantum information to a certain extent.

量子纠缠是量子信息处理必不可少的基本资源，而环境诱导的退相干一直以来都是困扰量子信息学领域的最大难题，它会使得作为量子通道的纠缠态解纠缠，从而使量子通信网络瞬间瓦解，严重影响量子信息处理的质量和效率。因此，研究并发现各种环境耗散因素对纠缠动力学和纠缠态制备产生的影响，从而针对具体的系统提出有效的相干操控手段和改善途径，对量子信息处理具有非常重要的意义。此外，与纠缠相关的量子关联问题也有待于进一步研究和揭示，在具体的物理系统中纠缠量子比特的纠缠度与量子关联之间的关系受何种因素影响，也是值得研究的问题。本项目旨在针对具体的固态量子比特系统，研究耗散环境下的纠缠态制备与纠缠动力学、利用不同的量子反馈控制手段获得稳态纠缠，并从中发现能够保持量子相干性和抑制退相干的操控方法。项目的研究将为量子信息的实用化研究提供有价值的理论和实验依据，同时在一定程度上丰富量子信息学基础理论研究。

纠缠态是实现量子计算和量子通信不可或缺的资源，量子相干性是量子信息处理超越经典信息处理的根本原因所在。在很多量子计算和量子通信任务中，纠缠态都被用来充当量子通道的重要角色，量子通道是否稳定，是否具备抵御环境噪声的能力是影响量子信息传送效率的直接因素。本项目以耗散环境下量子纠缠态研究为核心，研究如何在耗散条件下制备鲁棒的稳定纠缠，以及如何在消相干噪声下保持纠缠态并进而保证量子信息处理的效率。此外，我们还研究了腔光力学系统中的宏观纠缠及与纠缠相关的一些非经典性质。围绕上述问题的研究目的在于探索在实际应用中具有可行性的量子相干操控方法，提出具有应用价值的理论方案。项目取得了研究成果包括：（1）提出了将物理系统固有的耗散（如腔衰减等）作为有利资源，变消极因素为积极因素，制备鲁棒的稳定纠缠纠缠态。利用绝热捷径技术优化和加速高维纠缠态制备，给出相应的相干操控方案。所提出的方案不要求量子系统被制备在特定初始态，操控上也不要求精确控制系统演化时间，因此放宽了实验条件，便于操控。（2）提出了利用量子比特的弱测量，并结合环境辅助测量实现量子纠缠态的保护的方法，在退相干环境下实现了鲁棒的量子信息处理。（3）利用腔光力学系统实现谐振子的宏观量子纠缠态，并利用量子耗散理论研究了宏观量子系统的非经典性质，提出了光力诱导的谐振子冷却、压缩等物理实现物理方案，给出了在特定光力系统中利用激光和电磁手段对系统进行相干操控的方法，为相关的实验提供了理论依据和参考。以上成果为在耗散环境中的纠缠态（包括宏观量子纠缠）制备和实现高效的量子计算和量子通信任务提供了抑制噪声、保护量子通道的相干操控手段，同时为实验研究提供了必要的理论依据和参考。