杂化纳米腔中NV色心间电偶极-偶极相互作用及调控研究

The nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has recently emerged as one of the leading candidates for quantum information processing thanks to its combination of atom-like properties and solid-state host environment.Unfortunately, it is difficult to make these NV qubits (the magnetic sublevels of the ground state) interact with each other in a controlled and scalable fashion. In this project, we start from the situation where the electrostatics and magnetostatics fields are depicted by the experiment allowed parameters of the strength and the direction and the cavity is expressed as an analytic function by the parametes of the quality factor, the mode volum, the resonant frequency and the mode profile. All the possible dipole-dipole interaction between two NV centers in a cavity is analytically expressed. Then we get the effective Hamiltonian, the effective states and the exciting or control method, which map the dipole-dipole interaction to the NV qubit. We study the design method of high Q/V hybrid photonic-plasmonic nanocavity with definite resonance frequency and mode profile. We study the ways to obtain an efficient method to investigate the dipole-dipole interaction in a cavity. By means of numerical simulation, we show quantum entanglement, quantum logic gate and largest entanglement in a long time. These studies are important for implementation of controlled and scalable quantum computation and will give some physical fundamentals to control the dipole-dipole interaction between NV. Our work may predict a range of new quantum phenomena with many dipole-dipole interaction between two system.

金刚石中的带单位负电的氮空位色心（NV）由于具有原子类特性以及固态环境，被认为是实现量子信息处理最好的选择之一。但是，目前以一种可控和可扩展的方式使得NV基态自旋子能级(qubit)相互作用仍然很困难。本项目从实验可行的外场参数以及典型的腔参数出发，研究腔中NV色心间所有可能存在的电偶极-偶极相互作用强度与外加静电磁场参数以及腔参数之间的定量关系，获得腔中NV色心系统有效的哈密顿量和有效的态及其激发和控制方式，建立起将NV色心间的电偶极-偶极相互作用映射到量子比特之间的方法。我们研究具有确定共振频率和模场分布的高Q/V的杂化腔设计方法；研究杂化腔中偶极-偶极相互作用的快速求解方法；进行数值实验，演示远距离NV色心间量子纠缠和量子逻辑门操作以及长时间最大量子纠缠现象，为设计基于NV色心的可控和可扩展量子计算提供理论指导，研究可能展现一些多种耦合通道下的新量子现象。

量子点与腔耦合强度以及偶极-偶极相互作用可用格林函数来表达。本项目利用基于有限元的COMSOL Mutiphysics软件，提出了一种任意微钠结构中光子散射格林函数的准确求解方法，该方法通过计算有结构和均匀空间情况下点电偶极子的辐射场的差得到；准静态情况下，发现散射格林函数在纳米结构辐射模式附近误差较大；进一步改进该方法，将有结构情况下点电偶极子辐射场在小球体内的平均值减去解析的均匀情况下的平均值，得到了一种求解实腔和虚腔模型中的重整化散射格林函数的计算方法；准确获到了准确计算方法；利用相减的Kramers-Kronig关系，发展了一种快速准确计算能级移动和偶极-偶极相互作用势能的方法，该方法不需要计算主值积分和虚频格林函数就能快速得到准确的结果；发展了一套求解任意微纳结构中量子动力学演化的计算平台，该平台可利用格林函数预解算子方法或者求解薛定谔Volterra积分方程方法准确求解一个多能级系统或者两个多能级系统的动力学行为；应用该计算平台，我们研究了二能级系统的自发辐射动力学特性以及两个二能级原子偶极-偶极相互作用下的动力学特性，发现当采用相减的Kramers-Kronig关系所获得的能级移动及偶极-偶极相互作用势能时，格林函数预解算子方法能更快的获得系统的动力学特性；研究了Nakajima-Zwanzig 和 time-convolutionless 主方程的方法在求解独立腔中非耦合双量子比特间的量子关联的动力学的有效性；利用纳米球解析格林函数，研究了偶极子的位置和极化方向对银纳米球附近两个原子间偶极-偶极相互作用的影响；设计了一种新型的低损耗超小模面积的杂化光子-表面等离激元光子波导结构。研究了金属材料的非局域响应特性，发现纳米结构尺寸越小，量子点离纳米结构距离越近，非局域特性对自发辐射率的影响越大。这些研究成果在光与物质相互作用领域具有重要作用。