金刚石氮-空位中心系综对阿贝尔及非阿贝尔规范场的量子模拟的研究

Nitrogen-vacancy center ensemble (NVE) in diamond has emerged as one of the most promising candidates for quantum computation and quantum simulation applications at room-temperature. In the present project, we propose a potentially practical scheme to simulate artificial Abelian and Non-Abelian gauge fields for polaritons using a hybrid quantum system consisting of NVEs and superconducting transmission line resonators. The major research includes, the bosonization of the collective excitations of NVEs in the single-excitation case, the quantum dynamics of the polaritons in a two-photon Raman transition process, and the particle density in the reduced Brillouin zone of momentum space using the method of continuous Fourier transform. We focus on the possibility of controlling the magnitude of the simulated Abelian and Non-Abelian gauge fields by adjusting the phase, strength, and the detuning of the external microwave driving under different experimental parameters. Furthermore, we will strictly consider the influence from the Non-nearest-neighbor tunneling and various decoherence effects, and analyse the relation between the critical points and the size of system, which will be used to check the experimental results. 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 computation and quantum simulation based on the Nitrogen-vacancy centers.

金刚石氮-空位中心体系是目前最被看好的室温下量子计算和量子模拟的候选体系之一。本项目旨在以氮-空位中心系综和超导传输线腔的耦合体系为研究对象，从理论上严格探讨，运用该复合体系对阿贝尔及非阿贝尔规范场进行量子模拟。主要研究工作包括探讨单激发情形下氮-空位中心系综的玻色化处理，双光子拉曼跃迁条件下的激子动力学演化过程，以及运用连续傅里叶变换方法分析粒子密度在约化布里渊区动量空间下的具体分布形式。重点研究在不同的实验条件下利用调节外部微波脉冲的相位，强度及失谐量的方法来控制模拟出的阿贝尔及非阿贝尔规范场的实际大小，并且考虑非最近邻隧穿过程及各种退相干效应对规范场的具体影响，分析临界点与系统尺度的关系并用于检验实验结果。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-空位体系量子计算和量子模拟提供理论基础。

本项目旨在以氮-空位中心系综和超导传输线腔的耦合体系为研究对象，从理论上严格探讨，运用该复合体系对阿贝尔及非阿贝尔规范场进行量子模拟。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：从理论上研究了基于二维超导传输线腔列来量子模拟人工阿贝尔规范场，同时基于二维超导传输线腔列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；系统地研究了金刚石氮空位中心与二维超导腔列体系的量子相变行为，研究了金刚石氮空位中心和光子晶体腔耦合体系的非马尔科夫动力学行为，量子关联保持现象以及量子加速机制，研究了金刚石氮空位中心和光学微型腔耦合体系的多体纠缠动力学行为，研究了如何快速实现多个自旋系综的高保真度薛定谔猫态，以及非均匀性展宽对自旋系综体系的多体纠缠动力学的影响。另外，基于动力学应力调制耦合机制，我们研究了如何在振子与内嵌金刚石氮空位中心耦合体系里实现振子薛定谔态以及如何观测声学电磁诱导透明现象。除此之外，我们还系统研究了囚禁离子体系的量子特性和相关的量子信息处理。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26篇，培养学生4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。