金刚石NV色心单自旋体系与超导谐振腔强耦合机制及操控的研究

Solid state systems such as NV centers and superconducting circuits play an important role in quantum information processing and the fundamental investigation of quantum physics. In this project, we propose to investigate the feasibility of strong coupling between single NV centers and superconducting coplanar waveguide cavities, and present new schemes for coherent preparation and control of quantum state with this hybrid system. In the single-quantum-system level, we study the quantum phenomena and underlying physics when the coupling strength between single NV spins and cavity photons is strong. We also propose to make use of the spin and optical properties of the NV centers, and the optical method of coherent manipulation of quantum systems, which can help to realize the strong coupling between single NV spins and cavity photons. Moreover, we will explore and give some new schemes for the coherent interaction and controllable manipulation of two distant NV spins. This work will make some contributions to the filed of quantum control and information with this solid state system of single NV spins and coplanar waveguide cavities.

固态量子系统如金刚石NV色心、超导量子电路等是研究量子信息的重要物理体系，并且在量子物理的基础研究领域发挥着重要的作用。本项目拟研究金刚石NV色心单自旋体系和共面波导谐振腔强耦合的新机制和新方法，探究并提出基于这一混合量子体系进行量子态制备与相干操控的新方案。在单量子态水平上理解NV色心自旋体系和超导腔光子强相互作用过程中的量子现象及过程的物理机理；利用NV色心的内部和外部自由度以及自旋和光学特性，并结合光学操控手段，实现NV色心单自旋比特和超导共面波导腔的强耦合，突破磁耦合的物理极限；探索并提出两个NV色心自旋体系之间可控的相互作用及有效调控的新原理、新方法。此项研究为金刚石NV色心单自旋和共面波导谐振腔强耦合体系在相干量子操控及量子信息处理等方面的应用建立理论基础和基本方法，为发展实用化、可扩展、易操控、相干性好的量子器件提供理论和技术支持。

固态量子系统如金刚石NV 色心、超导量子电路等是研究量子信息的重要物理体系，并且在量子物理的基础研究领域发挥着重要的作用。本项目以金刚石NV 色心单自旋体系和共面波导谐振腔及纳米机械振子强耦合为核心，探究并提出基于这一混合量子体系进行量子态制备与相干操控的新方案和新方法。在单量子态水平上理解NV 色心自旋体系和超导腔光子或纳米机械振子单声子强相互作用过程中的量子现象及过程的物理机理；利用NV 色心的内部和外部自由度以及自旋和光学特性，并结合光学操控手段，实现NV 色心单自旋比特和超导共面波导腔或纳米机械振子的强耦合，突破磁耦合的物理极限；探索并提出两个NV 色心自旋体系之间可控的相互作用及有效调控的新原理、新方法。此项研究为金刚石NV 色心单自旋和共面波导谐振腔以及纳米机械振子强耦合体系在相干量子操控及量子信息处理等方面的应用建立理论基础和基本方法，为发展实用化、可扩展、易操控、相干性好的量子器件提供理论和技术支持。