基于约瑟夫森结的强耦合系统的超导量子计算

量子计算是当今物理学研究中最为关注的领域之一。约瑟夫森结器件由于其具有可集成性和规模化的优点而引起人们的极大兴趣。利用超导传输线腔和纳米机械共振腔作为量子计算的"数据总线"，分别与超导约瑟夫森结相耦合，可构成两种不同模式的强耦合系统进行超导量子计算，这是目前量子计算很有发展前途的方案。本项目将从理论上对基于约瑟夫森结的两种强耦合系统中没有解决的超导量子计算问题进行研究。其主要内容包括该两种强耦合系统的量子纠缠态制备、量子纠缠与量子关联的联系、量子纠缠死亡等量子纠缠动力学特性研究；以抑制量子消相干为目标的簇态量子计算方案研究；以提高保真度为目标的量子逻辑门的物理实现研究；基于典型强耦合系统的量子信息传输和存储研究；包含多个约瑟夫森结的强耦合系统的物理机制研究。然后，综合比较两种典型强耦合系统进行超导量子计算的区别和联系，为量子计算提供新的研究思路和方法。

本项目具体针对基于约瑟夫森结的强耦合系统中没有解决的超导量子计算问题进行了广泛而深入的研究。其主要研究成果有：.1、研究了簇态制备和簇态量子计算.提出了一种利用XY-型相互作用在磁通量子比特中制备簇态的方案，仅仅需要2d步就能制备d-维簇态，易于实验实现；提出了一个基于芯片上微腔阵列结构中微波光子编码的实现簇态量子计算的方案，能同时克服消相干和解决扩展性问题。.2、进行了通用量子计算研究.研究了利用超导电荷量子比特进行的通用量子计算问题，该方案能在免消相干子空间中抵抗集体噪声；开展了对具有transmon量子比特集体弛豫的免消相干子空间中的通用量子计算,能极大地降低弛豫；提出了基于量子计算的一种实现控制-非门(C-NOT 门)方案，能够获得很高的保真度；提出基于约瑟夫森结强耦合系统的量子信息传输和存储方案。.3、开展了量子模拟研究.利用超导微腔阵列进行量子模拟研究了一维超导传输线腔链中光的量子相变问题；利用微腔阵列，提出了制备光子体系Mott绝缘相和超流相任意相干叠加态的方案，该方法能用于分布式量子计算，容易扩展到多逻辑量子位情况；模拟了冷极性分子晶体Ising模型，极大地丰富了该研究理论。.4、量子信息中的基本问题研究.研究了多用户远程量子态的制备以及在通用情况和一些特殊情况下的概率远程量子态的制备问题，研究了一种概率量子隐形传态的新方案及其潜在应用；开展了量子成像研究，提出了热光二阶关联成像的方案，研究了光的偏振对热光关联成像的影响，进行了赝热光场光强的随机运动描述研究；研究了量子系统辨识和控制问题，利用Bang-Bang型控制场实现任意纯态转换控制和任意幺正操作问题，研究了先验信息在量子信息处理优化中的作用问题；编著并出版了一部有特色的“量子计算机研究”专著，在国内被广泛使用。