基于马约拉纳束缚态的杂化固态量子体系的量子动力学研究

The hybrid solid-state quantum systems based on Majorana bound states receive the most intensive attraction in the fields of both condensed matter physics and quantum information science. These hybrid quantum systems take advantage of topological properties of Majorana bound states to store nonlocal quantum information without being affected by local perturbations. They also possess properties of traditonal solid-state quantum bits (e.g., superconducting qubits) such as good controllability and excellent integration as well as stong couplings with external fields. Thus, these systems might be potentially used to realize quantum computing in the near future. In this proposed project, we will investigate quantum dynamics of the hybrid solid-state quantum systems based on Majorana bound states, including the detection and the manipulation of Majorana bound states, the effective coupling between Majorana bound states and traditional solid-state quantum devices, and the coherent dynamics of these hybrid systems under the detector-induced backaction. These studies have important academic values of facilitating the study of the interdisciplinary subject of quantum physics and information science from aspects of both fundamental theory and the field of condensed matter physics.

基于马约拉纳（Majorana）束缚态的杂化固态量子体系是目前凝聚态物理学和量子信息学交叉的一个前沿的研究课题。该杂化量子体系具有马约拉纳束缚态的拓扑性能够不易受外界环境影响地非局域地存储量子信息，同时该体系具有传统固态量子比特（如超导量子比特）很好的可调性、优良的集成性以及与外场有较强的耦合，因而在不久的将来很可能被用来实现量子计算。本项目研究基于马约拉纳束缚态的杂化固态量子体系中的量子动力学，研究包括马约拉纳束缚态的探测和调控、马约拉纳束缚态和传统固态量子器件的有效耦合、杂化量子体系的相干动力学行为以及探测器对该杂化体系的反作用影响。这些内容的研究无论从基础理论方面，还是在凝聚态领域对促进量子物理和信息科学的交叉领域的研究都有重要的学术价值。

基于Majorana束缚态的杂化固态量子体系是目前量子凝聚态物理学和量子信息学交叉的一个前沿的研究课题。Majorana束缚态的拓扑性质使得该量子体系能非局域地存储不易受环境干扰的量子信息。同时传统固态量子器件(如超导电路)又使得该杂化体系具有很好的可调性和集成性以及能实现与外场之间的强耦合。因此，基于Majorana束缚态的拓扑量子计算机在不久的将来可能会被实现。本项目主要研究杂化量子体系中Majorana束缚态的探测和调控。我们首次提出了利用电荷探测器的全计数统计行为来探测一维半导体纳米线中Majorana束缚态的新方法。该方法能够给出传统微分电导甚至电流关联探测所不能给出的Majorana信号。我们还首次提出了利用超越高频极限的含时驱动来诱导一维Kitaev链中的长程p波超导电性和多对Majorana边沿态的理论方案。该项研究结果不仅对于实验上调控Majorana束缚态具有重要的指导作用，而且对于实现量子系统中含时驱动诱导的新奇量子现象提供了一个重要的实现方法。此外，我们还研究了用量子点中激子的光谱性质来区分隧穿诱导透明和Autler-Townes双重线、三重线。该研究结果为进一步研究Majorana束缚态和激子的耦合体系的光谱行为奠定了基础。这些内容的研究无论从基础理论方面，还是在量子凝聚态领域对促进量子物理和信息科学的交叉领域的研究都有重要的学术价值。