金刚石氮-空位中心系综体系的非马尔可夫量子动力学

Nitrogen-vacancy center spin ensemble in diamond has emerged as one of the most promising candidates for quantum computation and quantum information processing at room temperature. In the present project, we will investigate the Non-Markovian quantum dynamics and quantum correlation in a hybrid quantum system consisting of spin ensembles and superconducting resonators. The major research focuses on the dynamics of collective excitations under the different critical parameters in the single-excitation case, and the difference between quantum dynamics with steady state behavior in long-time limit under the Markovian and Non-Markovian regime. We investigate the corresponding physical picture and mechanism, by comparing the quantum entanglement with quantum discord, which are employed to characterize quantum correlations. The physical condition for the system-environment bound state and the specific relation between them and the microscopic parameters are expected to be found, and we hope to propose a potentially practical scheme for detection of the Non-Markovian effects, and study how to implement quantum coherence control and decoherence-suppression by using the Non-Markovian effects. By combining the experiments, the present project not only help us to get a deeper understanding on the solid-state quantum computation, but also provide fundamental theoretical basis for realization of small-scale quantum information processing based on the Nitrogen-vacancy centers.

金刚石氮-空位中心自旋体系是目前最被看好的室温下量子计算和量子信息处理的候选体系之一。本项目旨在以氮-空位中心自旋系综和超导谐振腔的耦合体系为研究对象，严格分析该杂化体系的非马尔可夫量子动力学及量子关联特征。主要研究工作包括单激发情形下在不同临界参数点附近的集体激发模式的动力学行为，比较体系分别处于马尔可夫区和非马尔可夫区时的量子动力学及长时极限下稳态行为的异同。揭示出量子失谐与量子纠缠在刻画量子关联动力学上的差异，给出相应的物理图像与机制。探索系统与环境形成束缚态的物理条件及其依赖于各微观参数的具体关系式，提出相对容易观测到非马尔科夫效应的可行性较高的方案，以及如何基于非马尔科夫效应开展与量子相干调控及退相干抑制方面的研究。本项目着眼于理论结合实验进行，将不仅有助于深化我们对固态量子计算本身的认识，而且也可以为实现小规模的氮-空位中心体系量子信息处理提供理论基础。

本项目拟计划研究氮-空位中心(NV)自旋系综和超导谐振腔的耦合体系体系的非马尔可夫量子动力学及量子关联特征。经过四年的系统研究，我们完成了本项目的既定目标，主要的研究成果个包括：运用非马尔科夫量子主方程方法研究了NV系综及其杂化体系的非马尔科夫量子动力学，量子关联及纠缠动力学，及量子加速现象，并严格分析了非均匀展宽等因素带来的影响。然后在二维模型中继续研究了如何探测微波光子的拓扑相位以及量子模拟Lieb晶格体系下的平带物理现象。利用压缩库技术实现NV和超导传输线腔耦合体系的量子关联保持；利用耗散辅助思想来实现NV和波导管耦合体系的稳态自旋压缩。基于NV与超导磁通比特的耦合体系，研究了非均匀性展宽对的系综多体纠缠动力学的影响以及纠缠最优化处理。基于超强克尔非线性，我们提出了制备NV的高保真度薛定谔猫态。此外基于自旋-声子的相干操纵方法，理论实现了金刚石与振子耦合体系中的振子内部声子薛定谔猫态制备。此外，我们提出利用光学信号，比如平均光子数、光子涨落、光子关联等可观测物理量在临界点时的突变行为来探测驱动-耗散多体系统中的相变特征。最后，在单个钙离子层面上实验验证了量子信息与量子热力学中的一个重要关系式——量子朗道尔原理，为量子计算所需的最小功耗提供了重要的实验证据。这些研究结果为我们今后相关研究的开展打下了良好的理论基础。本项目着眼于理论结合实验进行，将不仅有助于深化我们对固态量子计算本身的认识，而且也可以为实现大规模的氮空位中心量子信息处理提供理论基础。受本项目资助,申请人共发表SCI收录论文17篇，培养学生及博士后共2名，另外参加国内外学术会议6次并报道与本项目相关的一系列研究成果。