超强耦合下电流QED的量子态操控

Recent experiments have observed the ultrastrong coupling between the atom and the microwave photon in circuit quantum electrodynamics. In this so-called ultrastrong coupling, the decoherence in quantum information processing can be effectively avoided. It means that the atom-photon system can preserve good quantum coherence in the scale of dynamical characteristic time and thus the high-fidelity quantum information can be preformed. In the ultrastrong coupling, the dynamics of the atom-photon interaction should be governed by the Rabi model with the counter-rotating terms. Due to the novel properties of the Rabi model, the fundamental physics and their quantum control in circuit quantum electrodynamics with the ultrastrong coupling can not be taken into account by using a simple solvable Jaynes-Cummings model. In this project, we, based on the our obtained conclusions, reveal the exotic quantum effect for the circuit quantum electrodynamics with the ultrastrong coupling, and especially, predict rich quantum dynamics under the strong external driving. In addition, we put forward new ways in quantum state manipulation and quantum measurement. The results achieved in this project not only have an important role in developing quantum optics, but also has a useful application in quantum control of the single atom. We believe our results can promote the current experimental development.

最近关于电流量子电动力学的实验证明了原子与微波光子的超强耦合相互作用。在超强耦合下进行量子信息处理是克服消相干的有力途径，这种抑制效果能使原子-光子系统在动力学特征时间尺度内保持良好的量子相干性，从而实现高保真度的量子信息处理。在超强耦合下，其系统的动力学需要用含有反旋波项的Rabi模型来刻画。但Rabi模型有其特殊性，不能运用原有Jaynes-Cummings模型的方法来研究超强耦合下的基本物理及其量子态操控。本项目研究在已有工作的基础上揭示超强耦合下电流量子电动力学的新奇效应，尤其是在强外场驱动下揭示丰富的动力学特性，并在该系统提出新型的量子态操控和量子测量方案。本项目的结果不但对量子光学的深入发展具有一定的推动作用，而且在单原子量子控制上具有重要的应用价值，从而促进该方面在实验上的进一步发展。

最近关于电流量子电动力学的实验证明了原子与微波光子的超强耦合相互作用。在超强耦合下进行量子信息处理是克服消相干的有力途径，这种抑制效果能使原子-光子系统在动力学特征时间尺度内保持良好的量子相干性，从而实现高保真度的量子信息处理。本项目主要在已有工作的基础上揭示超强耦合下电流量子电动力学的新奇效应，尤其是在外场驱动下揭示丰富的动力学特性，并在该系统提出新型的量子态操控和量子测量方案。主要研究内容和结果分以下四部分。第一部分是研究超强耦合下的单原子动力学。该部分主要解析获得超强耦合下Rabi模型的能谱和波函数, 解释实验所观察的Bloch-Siegert相移问题；发现一种新的Rabi振荡，而且其振荡正比于驱动幅度。第二部分是探索超强耦合在自旋压缩中的应用。在当前实验条件下，通过引入含时的集体原子-光子耦合强度，可以大幅度提高压缩因子。在实验参数下，该最大压缩因子能达到40dB。另外，在高频近似下，揭示自旋压缩来源于含时集体原子-光子耦合诱导的强排斥自旋-自旋相互作用。第三部分是揭示超强耦合诱导的新奇效应。该部分主要讨论超强耦合下多体系统的基态特性，揭示了系统丰富的量子相，包括电超辐射相、磁超辐射相、Z2电磁超辐射相、U(1)电磁超辐射相、反铁磁正常相和反铁磁超辐射相，等等。第四部分是初步讨论自旋-轨道耦合诱导的新奇效应及其调控。通过引入含时的Rabi频率并利用高频技术获得大范围可控的自旋-轨道耦合，并预言由分离相到单动量相的新量子相变。该方案被美国NIST的I. B. Spielman教授实验组证实。本项目的结果不但对量子光学和原子物理的深入发展具有一定的推动作用，而且在量子控制、量子信息和精密测量上具有重要的应用价值，从而促进这几个方面在实验上的进一步发展。