在噪声环境中量子态相干控制的研究

Suppressing decoherence in quantum physics is of great importance, which is also crucial in developing quantum information and quantum optics. In this project, based on the interaction between atoms and environment, we will investigate how a quantum state can be controlled effectively in the noisy environment. The main contents are as follows: (1) Quantum stabilizer codes can be implemented by using the spontaneous emission of Rydberg atoms. The arbitrary initial states can be driven to the wanted quantum states; (2) In the presence of strong dissipation, the dynamics mechanism of many atoms is given. When quantum measurement is used to decrease the influence of noise, the fidelities of quantum states and quantum gates may be improved; (3) In the weak and strong coupling regimes, we build the shortcut passage and explain physical essence in a many-atom system. The decoherence is suppressed effectively by optimizing the parameters of system. The successful implementation of the project will be very useful for exploiting new ideas to perform quantum information processing in noisy environments.

抑制环境的退相干效应是量子物理中需要解决的关键问题之一，本项目拟基于原子和环境的相互作用，提出在噪声环境中有效的控制量子态操作的方法。计划研究：（1）利用里德伯原子的自发辐射过程实现可控的量子稳定子码，从而可以使任意的量子态沿着耗散路径演化为目标量子态；（2）建立强耗散条件下的多原子相互作用模型，采用量子测量的方法修正噪声带来的不利影响，进而提高制备量子态和执行量子门的保真度；（3）在强耦合和弱耦合条件下实现量子态快速转化过程，阐明多原子系统中实现演化加速的机理，优化系统参数使得量子退相干效应得到有效的抑制。本项目的顺利完成将为噪声环境中的量子信息处理技术的实现提供一种新的思路。

环境引起的退相干效应是影响量子态操控的重要因素之一。本项目基于原子-环境的相互作用实现量子态的相干控制。(1)主要研究里德伯原子在自发辐射作用下，多能级原子的动力学行为。采用经典场驱动原子，结合阻塞效应和耗散动力学过程，选择适当的驱动强度和失谐量，能够执行量子稳定子码，从而驱动任意的量子态到稳定的目标量子态上, 且演化时间不需要精确控制；并通过控制噪声环境，在原子之间形成有效的里德伯阻塞效应，基于不同条件的驱动场驱动原子，能获得丰富的动力学演化，且当环境温度差不满足所设计的条件时，仍然能够到较为理想的纠缠态。(2)在强耗散机制下通过量子测量等策略，确定驱动场的波型，能够在多个原子之间获得高维纠缠和多体纠缠。该方法可抑制环境噪声的影响，实现不同类型的量子态操控；并讨论了多个量子比特和量子场作用，实现多量子比特的多体纠缠态和相位门，该方法能够抑制场的衰减和量子比特的自发辐射效应。(3)在不同的耦合条件下，利用里德伯阻塞和反阻塞效应，结合芝诺动力学等过程，对处于不同量子态子空间的原子进行选择性驱动，通过设计原子态的演化加速方案，最终实现了能够抑制噪声扰动以及参数波动的量子门；我们的方法能够推广到不同系统中执行多量子比特相位门和快速的量子态制备。总之，本项目完成的工作对于在噪声环境中探索高保真度的量子态操控和量子门实现具有重要的意义。