基于半导体量子点和超导微波腔的复合系统的量子信息过程的理论研究

The coupled system between semiconductor quantum dots and superconducting transmission line cavity is one of the most promising candidates for quantum information processing. In this project we will utilize this emergent system, which has the potential for long range and tunable couling between qubits and sensitive measurement of qubits. We will theoretically study the following schemes: realization of the strong coupling between spin qubit and photon, readout of the quantum states of spin qubit, coherent control of hybrid quantum system, scalable architecture based on quantum data bus, probing the quantum coherence and spin-dependent quantum optics phenomenon. All these subjects can provide strong support for the relevant experiments in the future.

国际上刚刚兴起的半导体量子点和超导传输线微波腔的耦合体系，被大家看好是实现量子信息处理过程的理想载体之一。本项目将充分利用腔作为量子数据总线结构可实现长程、且可调节的耦合和控制，以及腔作为量子测量器件可实现灵敏的读取等独特优势，围绕该体系开展系统和深入的理论研究。我们将提出该体系中自旋量子比特和光子的耦合，自旋量子比特的读取和测量，复合量子体系的相干操控与优化，多个自旋量子比特的长程耦合与操控，以及依赖自旋的量子光学过程等一系列理论方案，为这方面方兴未艾的实验工作提供坚实和有力的理论基础。

本项目针对超导谐振腔和半导体量子点的复合结构可实现长程、可调节的耦合和控制，以及超导谐振腔作为测量器件可实现灵敏的读取等独特优势，围绕该复合体系开展系统和深入的理论研究。首先，我们建立了针对复合结构的设计方案和模拟软件。第二，我们研究了自旋量子比特和超导谐振腔中微波光子的有效耦合机制。第三，我们提出了多种新方法：利用Landau-Zener过程，可调速度的快速绝热脉冲，结合几何相位和LZS过程，以及依赖自旋的量子光学过程等，这些新方法可以在复杂的固态环境中实现高保真度的量子逻辑门操作。第四，我们提出利用超导谐振腔中微波光子信号，对自旋量子比特进行连续的高灵敏测量的方案。第五，利用超导谐振腔中光子探针，对半导体量子点的电学性质进行了深入研究，特别是获得电荷状态图的丰富信息，掌握了利用全电学手段调控和测量单电子状态的规律和方法。这些研究成果，为基于半导体量子点和超导谐振腔的复合架构的研究奠定了坚实的理论基础，使得该体系成为实现固态量子计算的颇有希望的载体和候选者之一。