基于电路QED超强耦合机制的动力学演化和量子调控

Circuit quantum electrodynamics (QED) system is considered as one of the most promising platforms for quantum information processing due to its controllability and scalability. The latest technological breakthrough of the ultrastrong coupling regime in circuit QED experiments not only brought us the opportunity to accelerate quantum manipulation and enrich quantum effects, but also challenges with the failure of the renowned rotating-wave approximation, Jaynes–Cummings model and many quantum information protocols in ultrastrong coupling regime. This project is based upon the basic requirements of quantum manipulation in ultrastrongly coupled systems. By combining external magnetic flux and microwave field as two adjusting means, we will design a versatile circuit QED system operating in ultrastrong coupling regime with high controllability on qubit transition frequency, transversal and longitudinal coupling strength, as well as higher-order coupling terms. Based on the designed system, firstly, we will study the nonlinear dynamical evolution and the quantum transport properties of the system, and thus explore the novel quantum optics effects in the realist ultrastrongly coupled system; secondly, aiming for ultrafast quantum computation, we will investigate high fidelity multi-qubit quantum gate protocols suitable for the designed ultrastrongly coupled system. These studies will not only provide the theoretical and technical basis for quantum manipulation in ultrastrongly coupled system, but also push forward the research in scalable quantum computation and quantum simulation.

电路量子电动力学(QED)系统具有较好的可控制性、可扩展性等优势，是最具前景的量子信息平台之一。近期该系统超强耦合机制(ultrastrong coupling regime)的技术突破，既给我们带来了加快量子调控、丰富量子效应的机遇，也带来了挑战---旋波近似、Jaynes–Cummings模型和已有的很多量子信息方案在此机制下失效。本项目立足于超强耦合系统量子调控的基本需求，结合外加磁通和微波场两种调节方式，设计方便调节超导比特跃迁频率，横、纵向耦合强度以及高阶耦合项的超强耦合电路QED模型。在所设计模型的基础上，首先研究系统的非线性动力学演化规律和量子输运性质，发掘新的量子光学效应；其次以超快量子计算为目标，提出适用于实际超强耦合系统的、高保真度的多量子比特逻辑门操作方案。相应研究既可以为超强耦合系统的量子调控提供理论和技术积累，又将积极推动规模化超导量子计算、量子模拟的研究。

电路量子电动力学(QED)系统具有较好的可控制性、可扩展性等优势，是最具前景的量子信息平台之一。近期该系统超强耦合机制甚至深度强耦合机制的技术突破，既给我们带来了加快量子调控、丰富量子光学效应的机遇，也带来了挑战---旋波近似、标准主方程等处理方法在此机制下失效。本项目在2015年到2017年三年的时间内按照研究计划，立足于超强和深度强耦合系统量子调控的基本需求，对量子Rabi模型的量子调控和量子计算问题展开了深入的探索。主要研究内容为以下几个方面。(1) 提出了利用时间平均进行“中级旋波近似”的方法，分别对旋波项和反旋波项的耦合系数进行区分和调制，跟踪其对系统动力学演化的不同贡献，进而理解系统演化特性从强耦合区域到超强耦合区域，从Jaynes-Cummings模型到Rabi模型的过渡问题。 (2) 提出了利用量子Rabi模型的大非谐性构建有效的三能级人工原子，并在此基础上实施和乐量子计算的方案。并提出了此和乐量子计算方案在超强耦合的电路量子电动力学系统上的物理实现模型。(3) 提出了利用辅助腔场，在保证系统超快量子计算速度的前提下，降低对系统耦合强度要求的超快量子计算方案。(4) 从超强耦合的电路量子电动力学模型出发，提出了一种高效快速制备多量子比特Dicke态的方案；(5) 与实验研究相结合，本项目对超强耦合系统的高阶边带跃迁的实验现象进行了数据拟合，数值模拟的结果和实验的观测结果保持了较好地一致性。同时，本项目对该实验系统进行了理论建模，较好地解释了超强耦合系统的高阶多光子边带跃迁效应的物理原理。理论和实验结果表明了超强耦合系统的内在非线性给系统带来了新型了量子光学效应。本项目的研究既可以为超强耦合系统的量子调控提供理论和技术积累，又将积极推动规模化超导量子计算、量子模拟的研究。