基于纳米颗粒团簇等离激元的多分子间能量和关联传递研究

Intermolecular energy transport and correlation propagation is not only a basic scientific problem but also widely used in biological detection, sensing, quantum information, and other fields. Intermolecular coherent couplings can greatly affect energy transport and correlation propagation. At present, many studies have been carried out in low-temperature, low-dissipation systems like ion trap and cold atom systems. We have recently found that the tunable coherent coupling between molecules can also be induced in the plasmonic nanoparticle cluster system, which lays a foundation for studying the intermolecular coherent energy transport and correlation propagation in this system and makes it a powerful candidate for quantum computation. This project will combine the basic theory of open many-body master equation to develop a many-body dynamic theory based on strongly dissipative plasmonic systems. By solving and analyzing the evolution of multimolecular dynamics in the plasmonic system, the multimolecular energy transport and correlation propagation laws based on plasmonic nanoparticle cluster will be given. Study the many-body localization problem in the plasmonic nanoparticle cluster system by changing the system structure, increasing the driving field, changing the electromagnetic mode, and so on. The research of this project can not only reveal the laws of energy transport and correlation propagation between multiple molecules but also provide a reliable theoretical basis for experimental quantum information processing using plasmonic systems.

分子间能量和关联传递不仅是一个基本的科学问题，还可广泛应用于生物探测、传感、量子信息等前沿领域。分子间相干耦合能极大地影响能量和量子关联传递，许多相关研究已经在低温低耗散的离子阱、冷原子等系统中展开。我们近期发现强耗散的纳米颗粒团簇等离激元系统也可以诱导多分子间产生可调的相干耦合，且具有量子加速等特性。这为研究该系统中相干能量和量子关联传递奠定了基础，并使其成为量子计算的有力候选者。本项目将结合开放多体系统主方程基本理论，发展等离激元多体系统动力学理论；通过求解和分析等离激元系统中多分子动力学演化，给出基于纳米颗粒团簇等离激元的多分子间能量和关联传递规律；利用改变系统结构、增加外场、变化电磁模式等方法调制分子间耦合，研究纳米颗粒团簇系统中多体局域化问题。本项目的研究不仅可以揭示强耗散系统中多分子间能量和量子关联传递的规律，而且还能为实验上利用等离激元系统进行量子信息处理提供必要的理论依据。

量子多体系统中能量和量子关联传递不仅是一个基本的科学问题，还可广泛应用于生物探测、传感、量子信息等前沿领域。分子间相干耦合能极大地影响能量和量子关联传递，许多相关研究已经在低温低耗散的离子阱、冷原子等系统中展开。近些年来，受拓扑保护的量子光学系统由于其抵抗缺陷影响的能力越发受到人们关注。本项目基于硅纳米柱光子晶体及一维自旋链等系统，研究了如下内容：1）基于硅纳米柱光子晶体的相干能量转移以及拓扑保护的强耦合及远距离纠缠；2）非相干量子操作框架下单体量子相干和真正多体量子纠缠直接的最优循环转化理论；3）多体量子关联在一维自旋链中的远距离分布及其与量子相变的关系；4）三角形伊辛模型中的多体量子关联和量子相变。得到如下成果：1）基于硅纳米柱光子晶体的相干能量转移可以是强鲁棒的，即可以抵抗环境的多种缺陷，这对于量子传感、生物监测及量子信息科学等领域有重要应用，另外，通过设计常规的硅光子晶体结构，可以在距离很远的两个光子晶体corner腔中实现两量子发射体之间强的相干耦合，且能实现鲁棒性很强的两二能级系统间的两体纠缠；2）给出了从单体相干到多体纠缠循环转化过程的关系式，并给出了最优实现方案，从多体纠缠蒸馏量子相干的过程，利用了LICC操作，克服了LQIC的缺陷，保证在完全非相干框架下研究资源转化过程；3）首次证实了远距离的多体量子关联也可以精确地标度临界现象和有限尺寸效应，且发现XY链各项异性可用于调控多体关联长度；4）给出了多体量子关联与三角形伊辛模型的阻挫和非阻挫相以及系统的热鲁棒性之间的制衡关系。本项目的研究成果将完善多体系统中量子关联传递、分布以及相互转化的规律，并为实验中实现受拓扑保护的超快和高效能量转移提供理论依据。