光子晶体中的量子纠缠动力学演化及其保护机理研究

Quantum entanglement is fundamental in quantum computation, quantum communication and quantum coherence engineering. However, quantum entanglement can be easily destroyed by the outer enviroment , which is the severest obstacle to application. So the effect of environment on quantum entanglement system becomes a central topic, the key of which is to eliminate or suppress the dissipation effect on the quantum entanglement system imposed by its surrounding environment. Photonic Crystals(PCs) can manipulate the spontaneous emission and restrain the decoherence of quantum system. In this project, we will systematically investigate the quantum entanglement based on photonic crystals platform and present a time evolution operator theory beyond Markovian approximation and two dispersion models. According to this theory, we will research the dynamic evolution process of two qubit quantum entanglement in PCs, and try to find out the theoretical methods and experimental scheme to control or suppress the disentanglement.Additionally, we will research noval approaches and new mechanism to preserve entanglement in PCs. Furthermore, we will design a quantum-confined photonic-crystal-slab structure for three-dimensional dynamic manipulation of quantum entanglement. Research results will reveal the profound nature of the entanglement and should have significant implications for quantum information processing.

量子纠缠是实现量子计算、量子通信及量子相干调控的核心资源，而环境作用引起的量子纠缠耗散是限制其应用的主要因素，所以通过研究量子纠缠动力学演化过程，找到引起纠缠耗散的原因，进而研究出减缓或控制纠缠耗散的机制尤为重要。光子晶体是一种全新的光学材料，它可以有效的调控量子系统的辐射及抑制量子系统的退相干。本项目将以光子晶体为平台，系统而深入的研究量子纠缠问题，突破马尔科夫近似和两个色散模型的理论框架，发展出一套普适的时间演化算符理论。基于这套理论，研究两量子系统在光子晶体环境中的纠缠动力学演化过程，发现引起纠缠耗散的原因，进而找到减缓或控制纠缠耗散的理论方法和实验方案；探索基于光子晶体为平台的纠缠保持的新机理和新方法；设计一种基于光子晶体薄板的量子受限结构，并利用此结构研究纠缠动态操控的机制。这些研究将利于我们更深入理解和拓宽利用量子纠缠，对未来量子信息的应用具有重要意义。

量子态相干保护、自发辐射寿命操控和量子纠缠耗散抑制是由光子与量子辐射系统以及光子与量子纠缠系统之间的局域耦合相互作用强度决定，局域耦合相互作用强度确定以及调控成为微纳量子光学研究的一个关键问题。局域耦合相互作用强度正比于光子的局域态度或光子的取向局域态度，依量子态以及纠缠系统中量子比特的取向是随机或固定而定。因此，局域耦合相互作用强度或光子局域（或方向性局域）态密度的准确计算是微纳量子光学研究的基础，对该问题的研究一直是国际上的热点。在本项目的执行过程中，我们发展了平面波展开法、时域有限差分法和表面积分法用于计算微纳结构中局域及方向性局域态密度。另外，本项目基于光子晶体平台，突破马尔科夫近似和两个色散模型的理论框架，建立了一套普适的基于单边傅里叶变化的时间演化理论用于研究单个量子比特或者量子纠缠比特在光子带隙中以及光子带边的量子态、量子纠缠态的动力学演化特性，并在研究过程中设计出了一种基于光子晶体薄板的量子受限结构，研究了此结构中光子带隙以及局域态密度的动态变化。