基于金刚石氮空位-腔耦合体系的非马尔科夫效应的研究

The nitrogen vacancy (NV) center in diamond is one of the promising candidates for single-spin based quantum information processing and quantum control. Hybrid NV system is a key road toward scalable quantum computation and simulation. To pave the way to hybrid NV quantum information processing, this program is aimed at exploring the non-Markovian behavior of NV-cavity systems in theory, including the study of the optimal problem of non-Markovianity and non-Markovian dynamics; the influence on quantum information processing such as the dynamics of entanglement and the execution efficiency of quantum algorithms; and the quantum control of non-Markovian behavior. This theoretical program not only provides new insight into the non-Markovianity of particular quantum systems, but also helps realize NV-cavity based quantum information processing with current experimental technology.

金刚石晶体中的氮空位（NV）中心是室温下实现单自旋量子信息处理及量子调控的最佳体系之一。为了能够实现可扩展性量子计算和量子仿真，基于NV的混合量子模型是目前重要研究方向之一。本项目旨在以金刚石NV-腔耦合体系作为研究对象，从理论上探讨NV体系在强耦合情形下的非马尔科夫效应。主要研究工作包括探讨NV-腔耦合体系下的非马尔科夫性的最优化度量问题及其动力学特性；探讨非马尔科夫效应对NV-腔耦合体系下量子信息处理的影响，特别是对量子算法执行效率的影响；最后探讨如何实现NV-腔耦合体系的非马尔科夫效应强弱的量子调控。本项目将不仅有助于深入理解具体量子开放体系下的非马尔科夫效应，而且也可以为室温下实现NV-腔耦合体系的量子信息处理提供理论基础。

本项目从理论上研究了开放量子系统的非马尔科夫效应及其对量子信息处理的影响，并将研究方法应用到了金刚石氮-空位（N-V）色心与腔耦合这一具体的开放量子系统中。经过三年的努力，项目已顺利完成，取得了以下主要研究成果：提出了利用熵型不确定性关系目击单个金刚石N-V色心中的电子与核自旋之间纠缠的理论方案；发现了不同的非马尔科夫量子噪声在同一量子信息处理过程中具有截然不同的效应，即非马尔科夫效应具有双面性；建立了非马尔科夫性与量子速率极限之间的定量关系等。这些研究成果有助于深化对开放量子系统中的非马尔科夫效应的认识，也有助于进一步开展基于金刚石N-V色心系统的量子信息处理方面的研究。