基于回音壁模式光学微腔的可扩展量子信息处理研究

In recent years, the whispering-gallery-mode (WGM) optical microresonators have attracted much attention due to their desirable properties, such as high quality factor, small mode volume, and good scalability, which have great potential for large-scaled quantum information processing (QIP) in the future. In order to realize the QIP with WGM microresonators, one has to overcome the decoherence effect of quantum states, and improve the efficiency of QIP. This subject is mainly focused on the theory of WGM-microresonator-based scalable quantum information processing. We first theoretically study the dynamical model for the generation of quantum states and the implementation of QIP by using the photon-atom coherent interaction in the WGM-cavity-QED systems, and generalize it to the application of quantum repeaters and quantum networks by combining the the decoherence-against processes such as entanglement purification and error-rejecting encoding. We then study the QIP with multiple degrees of freedom (DOFs) by combining the WGM microresonators and the photon systems with several DOFs to improve the efficiency of QIP. Our research may provide the theoretical supports for the realization of large-scaled QIP experiments.

回音壁模式光学微腔通常具有品质因子高，模式体积小，可扩展性强等优点，有望用于未来大尺度的量子信息处理。要将这一想法推向实际，一方面必须克服量子态的退相干问题，另一方面要提高量子信息处理的效率。本课题致力于理论研究基于回音壁模式光学微腔的可扩展量子信息处理。研究利用回音壁模式腔量子电动力学系统中光子-原子的相干相互作用，建立量子态制备与量子信息操控的动力学模型，并结合纠缠纯化、避错编码等克服量子态退相干的方法，将其推广到量子中继及量子网络的应用中。研究回音壁模式光学微腔与光子的多自由度特性相结合进行多自由度量子信息处理的方法，提高量子信息处理的效率。旨在进一步探究和拓展回音壁模式光学微腔在量子信息方面的应用，以期为大规模量子信息处理的实验实现奠定理论基础。

基于实际物理系统的量子信息处理通常需要在保证相干性的基础之上逐步扩大系统的规模，最终实现大规模的量子信息处理。回音壁模式光学微腔具有品质因子高、模式体积小、易于集成扩展等优点，是研究可扩展量子信息处理的重要平台。本项目主要开展了基于回音壁模式光学微腔的可扩展量子信息处理研究，取得了一系列成果，具体包括以下几个方面：1.研究了回音壁模式光学微腔中光子-原子、光子-人工原子相互作用的腔量子电动力学效应，建立了几种量子态演化的动力学模型，并应用于量子逻辑门的构建、量子纠缠态的制备与分析等量子信息处理任务。特别地，我们注重研究了回音壁腔与光子的多自由度特性相结合进行多自由度量子信息处理的方法，提出了高保真的超并行量子逻辑门、超纠缠态高效制备与完全分析的理论方案；2.研究了回音壁模式光学微腔中的光-力耦合、光-磁耦合及其调控，分析了回音壁模式腔光力系统中光力诱导透明和Autler-Townes分裂现象的产生和辨别，讨论了回音壁模式光磁腔中的光子激发和光子闭锁效应、磁子散射诱导的光子混沌效应等；3.研究了回音壁模式光学微腔提供的光与物质相互作用和量子操作在量子密码术中的潜在应用，提出了新颖的实用化量子盲签名协议和电子支付安全评估系统。项目研究成果为可扩展量子信息处理提供了一些实用化的方法，也为基于回音壁腔的量子信息相干操控与实用化量子器件的研制奠定了一定的理论基础。项目完成了预定目标，已经发表（含录用待发表）研究论文14篇，申请发明专利2项。