以腔QED为节点的分布式量子计算及其相关问题的研究

The present physical systems are difficulty in realizing quantum computation network due to limit of their scalability and decoherence. The effective approach for solving such problems is using physical systems of the controllable numbered particles as the nodes of quantum computation network connected by quantum communication channel to realize distributed quantum computation. Quantum computation requires not only quantum states to connect different nodes but also controllable quantum operations. In the system of cavity quantum electrodynamics (cavity QED), our project will unite the advantages of atoms and photons to make some researches, such as generation of the extensible quantum states, construction of quantum logic gates and implementation of quantum arithmetic between nodes. Establish quantum computation network, realize effective manipulation of quantum information between the systemic nodes and complete distributed quantum computation with the collaboration of multiple nodes. We will study evolution of quantum correlation in real physical system and its application in quantum computation, search feasibility of realizing quantum computation under more loose condition, and solve possible new problems during the process of researching quantum computation. These results will promote the development of the basic research and technology for quantum computation.

现有的物理体系由于受到自身可扩展性的限制和消相干的影响，使得量子计算网络难以实现。将具有有限的可控粒子的物理体系作为量子计算网络的节点，通过量子通信信道相连接实现分布式量子计算是解决这一问题的有效途径。量子计算不仅需要量子态联系于不同的节点之间，而且需要可控的量子操作。本项目将在腔量子电动力学（腔QED）体系下，结合原子与光子的优势，开展节点间可扩展量子态的制备、量子逻辑门的构建、量子算法的实现等研究，建立量子计算网络，实现系统中节点间量子信息的有效操控，完成多节点协作的分布式量子计算；研究量子关联在实际物理体系下的演化规律及其在量子计算中的应用，寻求更宽松条件下实现量子计算的可行性，并解决量子计算研究中可能出现的新问题。结果将进一步推动量子计算基础研究与技术的发展。

量子系统不可避免地会与环境发生作用而引起消相干，抑制量子退相干是量子信息处理中的一个关键问题，我们研究了在不同噪声环境下量子纠缠和量子关联的动力学行为，通过弱测量和反转操作可以在惯性系和非惯性系下有效地减少量子纠缠的衰弱，提高量子关联。通过分析量子比特和噪声环境的组合系统中量子关联的分布和信息流，发现子系统和环境耦合能够诱发类似周期性的纠缠复活。进一步揭示了三粒子关联、两粒子纠缠和局域态信息之间的动力学关系，提供了在演化过程中系统非马尔科夫演化机理的新见解。用量子重整化群方法研究了在Dzyaloshinskii-Moriya作用下自旋系统的不同模型中量子纠缠、量子关联测量的单婚性和量子相变，以及各种参数对量子纠缠、量子关联和量子相变的影响。研究结果表明经过有限次的重整化迭代之后，量子纠缠和量子关联可以有效地探测到表征量子相变的临界点。.在Schwarzschild时空和GHS时空中，研究了Hawking效应对开放Dirac系统多体量子纠缠、各种量子关联度量以及Bell非定域性的影响。研究结果发现：随着Hawking效应的增强，系统的量子纠缠和量子关联会减小，但Hawking效应并不能破坏量子态的纠缠结构并且Coffman-Kundu-Wootters 单婚性不等式在系统中始终成立；利用量子失谐验证了黑洞和Kruskal时空中Dirac场量子化的不对等性现象，讨论了在噪声通道中Hawking效应对可获取量子纠缠、量子关联和量子态Bell非定域性的作用，分析了物理上可获取的量子纠缠、量子关联和互信息减少的原因。.此外，基于光学相干脉冲与自旋系统的混合相互作用，提出了一种有效实现分离腔的量子克隆机的方法；在强耗散的线路腔QED中，提出了用超导比特耦合微波腔运行相位协变量子克隆，可视化地洞察了相位协变克隆中腔模的演变过程。.这些研究进一步加深了人们对量子纠缠和量子关联特性的理解，对量子信息处理的应用提供了一些依据。