耦合量子光学体系的相干控制

Coupled quantum system constructs the correlation between different physical systems, and provides an important plaform for the preparation of entanglement and the manipulation of quantum states. Meanwhile, it makes a sufficient use of the advantages of each subsystem and supresses the dissipation and decoherence via quantum interference mechanism. Therefore, the studies of coupled quantum system are of great importance for the quantum information processing and the realization of quantum computation. In this project, we plan to investigate the control of single-photon, the quantum interference of dissipation as well as the simulation of quantum phase transition in coupled quantum optics system.. The concrete content is as follows: (1) We will study the coherent control of the single-photon transport in quantum network composed by many coupled qubits which connect with the waveguides, and put forward a theoretical scheme to realize the single-photon router with multiple nodes and ports. (2) We will study the quantum interference effect among the multiple dissipation channels of the .coupled qubits which interact with a superconductive transmission line. Applying the interference mechanism, we aim to prepare the steady entangle states and construct the quantum logic gate. (3) We will couple the cavity array with multi-level systems and introduce the classical control light field to realize the transformation between the dark and bright states and construct the controllable simulation platform for quantum phase transition.

耦合量子系统建立不同物理系统之间的关联，为纠缠态的制备和量子态的操控提供了重要平台。它能够综合利用各个子系统的优势，通过量子干涉等机制抑制整个系统的耗散和退相干。因此，对耦合量子系统的研究在量子信息处理和量子计算的实现方面有着极其重要的意义。本项目拟在耦合量子光学系统中就单光子的相干控制、耗散的干涉效应和量子相变模拟方面展开深入的研究。. 具体研究内容包括：（1）研究多个耦合量子比特分别与波导连接构成的量子网络中单光子传输的相干控制，提出实现多节点多端口单光子路由的理论方案。（2）研究超导传输线与耦合量子比特相互作用体系中多通道耗散的量子干涉效应，并利用耗散的干涉机制制备稳定的量子纠缠态，构造量子逻辑门。（3）将腔阵列与三能级系统耦合，同时引进经典控制光场，实现暗态和亮态之间的相互转化，构建可控的量子相变模拟平台。

耦合量子光学系统的相干调控是在实际物理系统中实现量子信息过程的关键所在，是量子光学研究的基本任务，也将为量子器件设计奠定理论基础。.在本项目中，我们以耦合光腔和量子比特系统为物理平台，主要研究了一下四个方面问题： （1）基于量子主方程，研究了耦合体系的退相干行为.我们研究了多个耦合的量子比特系统在共同退相位环境中的集体耗散行为，发现多通道耗散的干涉将改变本征退相干的速率。我们发现系统存在一个临界尺度，在临界尺度以上，共同热库时系统激发态的耗散率为一个常数，而独立热库时则几乎没有耗散。（2）将考虑自旋轨道耦合的量子系统等价的用光子-物质相互作用模型来描述，研究了能级交叉带来的新奇量子现象。我们将量子阱系统等价描述为一个各项异性的Rabi模型，采用幺正变换和二阶近似得到体系的近似基态，并计算了关于外磁场的量子费舍信息，将为磁力计的设计提供新的思路。（3）基于系统自身的循环能级结构，提出高效简并微波参量下转换的方案；在耦合腔系统提出光子状态的相位调控方案，并初步探讨量子相干器件的理论设计。首先，我们利用大失谐条件下的虚光子过程消除人工原子的高基发态，得到了参量下转换型的光场模式之间的有效耦合，发现参量下转换的效率比以往方案提高1-2个数量级。其次，我们在线性耦合腔系统中提出利用相位调控光子状态的理论方案，设计了暗腔、光子闪灯等新型光子器件。（4）构建多节点量子网络，引进声子自由度，探讨了单光子的非弹性散射，设计高效量子路由。我们首先在耦合腔阵列系统中引进光压作用，使得声子自由度与光子自由度耦合，利用边带分裂效应诱导出单光子的非弹性现象。其次，我们在原有单光子路由器的基础上引进多个节点，通过光子在节点之间的反射，构造了多端口、高效率的新型光子路由器。