耦合腔中利用量子反馈控制实现量子态操纵和量子门操作的理论研究

Nowadays the destructive effect of decoherence on performing quantum information processing needs to be reduced, thus we will design different quantum feedback controls to suppress the effect of noise in coupled cavities. Firstly, we study the dynamics mechanism for one-step generation of various multi-body entanglements. By detecting the photon decays from each cavity, feedback operations are implemented on the corresponding atoms, so that multi-body entanglements can be distributed to quantum nodes effectively.Secondly,we investigate how to implement N-qubit quantum gate via quantum feedback control. By choosing atomic level structure, the parameters of system, and the optimized feedback operation, the fidelity of gate operation can be improved in the noisy environment. The operation time will not increase with the increasing number of qubits. Finally, we use atomic ensembles as information bits. The steady-state quantum correlations between two atomic ensembles can be gained when feedback control is implemented on the atoms trapped in short-distance or long-distance cavities，thereby the quantum state can be useful resources for mixed-state quantum computation purpose. The research of the project has important academic significance for distributed quantum information processing in noisy environment.

目前抑制环境噪声的破坏效应是在执行量子信息处理时急需解决的问题，我们将在耦合腔系统中设计各种量子反馈控制减小噪声的影响。首先找到通过一步过程制备不同种类的多体纠缠的动力学机制，通过探测每个腔中的衰减光子对原子实施反馈操作，使得制备的多体纠缠能够有效的分布于量子节点中。然后探索利用量子反馈控制实现多比特量子门操作的方法，选取原子的能级结构、系统参数以及优化的反馈操作来提高执行量子门的保真度，而量子门的操作时间不会随着比特数目的增加而增加。最后选择原子系综作为量子比特，设计反馈作用于囚禁在远程和近程腔中的原子，在两个原子系综之间获得稳定的量子关联，从而为实现混态量子计算提供可靠的资源。该项目的研究对于在噪声环境中实现分布式量子信息处理具有重要的学术价值。

量子态作为一种有用的量子资源在量子信息处理中占据着重要的地位，在腔系统中研究量子态演化特性具有重要的理论和应用前景。然而由于量子态和环境的相互作用，使得量子态的相干性容易遭到破坏。本项目研究了如何设计原子的动力学演化过程来控制环境噪声的不利影响，基于对于原子衰减过程的测量，设计反馈操作抑制腔场耗散的作用，使得系统的稳态趋于量子纠缠态。利用原子噪声效应，使得不同类型的原子态能够相互转化，该过程不需要控制演化时间就能实现高保真度的量子态转化。而在具有退相噪声和强的原子耗散的环境中，研究发现利用量子测量能够进一步提高量子态的保真度，周期的外场驱动还能降低退相噪声的不利影响。该项目的研究对于噪声环境中的量子态控制具有重要的意义。