基于电路QED系统的单量子态操控研究

The superconducting circuit-QED setup is now becoming a leading solid-state quantum information processing system. At present stage, it is also an ideal platform for studying quantum measurement and control. Based on this system, our previous studies focused on the deterministic generation and stabilization of entangled states of two- and three-qubits. In this successive project, we propose the following further studies: i) applying the polaron transformation, analyze the quantum measurement efficiency in a QND scenario; ii) in non-QND case, characterize the measurement quality in terms of signal-to-noise ration of the output power spectrum; iii) in connection with the recent experiment (Nature 2012), develop more optimal measurement and control schemes; and iv) improve the feedback control scheme of multi-qubit entanglement. Beyond the previous work, these investigations are to be put on quite realistic conditions such as including the cavity photon states in numerical simulations as well as accounting for the amplifier’s noise and the time-delay effect in the feedback action.

超导电路QED系统是固态量子信息和量子计算领域的领先系统，已具备良好的实验基础。在现阶段，它是研究量子测量、量子控制以及特殊量子态的制备和稳定的理想平台。基于这个系统，在前一个基金项目支持下，我们初步探索了利用反馈控制方法确定性地制备和稳定2比特和3比特量子纠缠态。本延续项目将在此基础上进一步研究以下几个重要问题：1）在QND测量条件下，通过极化子变换方法研究量子比特的测量效率； 2）在非QND情况下，研究量子比特Rabi振荡的量子测量效率，给出SNR（信噪比）刻画； 3）结合最近的量子比特Rabi振荡反馈控制实验（Nature 2012），研究更佳的测量方式和控制手段；4）优化和完善多比特纠缠态的稳定性控制。作为对前期工作的继续和深入，以上研究都将在尽可能真实的条件下进行（包括纳入微腔光子自由度的模拟、计入放大器噪声以及考虑反馈延迟效应等因素）。

我们开展了电路QED系统中单量子态的量子弱测量和相关量子物理研究。通常情况下，这个系统中的连续测量可由量子路径方程理论描述。但在实际应用中，量子路径方程对量子态的计算不很有效。为此，我们建立了更为有效的量子贝叶斯方案。和已有工作相比，我们得到的贝叶斯公式对任意参数严格成立。在此基础上，我们研究了电路QED系统中量子弱值问题。我们得到的公式有望用于对未知量子态的成像。