超强耦合电路QED中的新奇物理过程及其在量子信息中的应用

Circuit QED with ultrastrong coupling is a new regime of the cavity-QED theory. Due to its novel Hamiltonian and dissipation processes, a different prospect of underlaying physics emerges in this new model, which is important to the development of quantum optics and quantum information processing. The project proposes to study the analytical solution of the Hamiltonian in the ultrastrong coupling regime, utilizing methods such as perturbation theory and Wei-Norman algebra. Based on the analytical solution obtained under some approximation conditions or some special values of parameters, protocols for quantum information processing will be constructed. The project will also study the properties of the radiation field and nonlinear effect induced by high-order coupling in the model of ultrastrong coupling, utilizing corresponding master equation and input-output relation. Its application in quantum device will be further explored. The project intends to construct fast schemes for entangled states and quantum logical gates. Schemes with operation time of subnanoseconds are in the plan. The project will also explore new theoretical models for the generation of nonclassical photons with high efficiency. The accomplishment of the project will facilitate the progress in the new theory of cavity-QED and has a great significance in the achievement of quantum information processing and manipulation of quantum devices.

超强耦合电路QED是腔QED理论发展出来的一个新领域。由于其全新的哈密顿和耗散方式，超强耦合模型展现出一个全新的物理图像，对量子光学和量子信息处理的发展具有重要意义。本项目拟利用微扰理论、Wei-Norman代数等方法研究超强耦合哈密顿在某些近似条件和特殊参数取值条件下的解析解，并利用这些解析解构造量子信息处理的方案。项目还将在新的参数体系中用相应主方程和输入输出关系研究腔模辐射场性质、高阶耦合导致的非线性效应等，探索其在实现量子器件方面的应用。项目拟从理论上构造电路QED中快速的甚至达到亚纳秒量级的纠缠态和逻辑门实现方案，以及探索实现高效非经典光源的理论模型。本项目的顺利完成将推动新型腔QED理论的发展，对量子信息处理和量子调控技术的实现具有重要意义。

电路QED中超强耦合模型展现出全新物理机理，对量子光学和量子信息处理的发展具有重要意义。本项目研究电路QED系统、腔QED、腔光力系统以及一维自旋量子比特等系统的纠缠态生成演化特性以及量子逻辑门，研究超强耦合模型开放系统的纠缠演化性质、量子相变、光子阻塞效应、辐射场统计性质等。项目共发表SCI论文14篇。代表性研究成果包括：1、提出了超强耦合电路QED系统实现多比特量子纠缠和量子逻辑门方案；2、提出了新型的频率调制方法以调节腔光力系统中有效光力耦合，打破了光力冷却极限；3、发现PT对称势可有效调控腔光力系统中的光子阻塞效应；4、利用辅助系统与光学腔的强耦合实现了在不可分辨边带情况下的机械压缩；5、在无消相干子空间中实现了控制相位翻转门，提出了一种抵抗集体噪声的量子编码；6、提出了使自旋比特系统保持稳定量子关联和相干、加速或抑制系统演化、提高量子探测准确性、以及使量子相变表现拓扑性的方法。项目研究成果对量子信息处理和量子调控技术的发展具有重要意义。