新型耦合纳米微固态系统中的量子相干及量子调控

人造纳米微固态系统（如：半导体量子点、微环芯腔等）的研究已经成为物理、材料、信息、生物等相关学科的前沿问题。该项目旨在结合量子光学与固体材料学，研究大尺度的耦合半导体量子点-微环芯腔系统中的量子相干效应，进而实现基于此耦合系统的各种量子调控以及量子信息处理过程，如：量子纠缠、可控相位门、量子中继器、可扩展量子计算和量子网络等。同时，探讨此耦合系统在新型纳米量子器件合成方面的应用。这种研究不仅有助于促进量子光学，信息科学和固体材料学之间的交叉融合，而且对于量子信息理论的实用化以及新型纳米量子器件的研发，推动耦合微固态系统在信息处理、材料合成、生物传感等方面的应用具有重要的意义。

结合各种微纳固态系统研究的最新进展，该项目从光学腔量子电动力学 (QED)，超导电路QED以及混杂量子电路系统三个方面研究了各种新型固态系统中的可控量子相干效应。在此基础上，提出了实现量子纠缠、可控量子门、可扩展量子网络、单光子源等各种量子调控以及量子信息处理的理论方案。主要的结果有：1）构建了基于半导体量子点、氮空穴 (NV) 色心以及光学微腔的腔QED系统。利用相应的电压诱导电子遂穿、光子输入-输出特性以及场诱导电子相干效应，提出了实现空间分离的量子比特之间纠缠和信息传递的理论方案,为量子网络的构建提供理论指导。2) 研究了超导电路QED系统中，基于新型超导量子比特的两量子门操作。通过数值模拟量子比特之间耦合强度以及量子比特本身能级非均匀性对门保真度的影响，为实验实现快速、高保真度的量子计算提供了“安全”的参数机制。3）结合原子、自旋介质等宏观系统以及超导量子比特等微观系统的优点，构建新型混杂微纳电路，并提出了实现高保真度量子信息存储的理论方案。4）提出了实现光腔与微波量子电路之间有效耦合的理论方法，并研究了此混杂系统中的可控光学克尔非线性效应。通过解析推导和数值模拟，确立弱耦合机制下实现强克尔非线性的参数机制，并讨论了其实验可行性。此结果为实现实现单光子源、高精度光子开关以及展示宏观系统的非经典性等提供了理论基础。