基于耦合腔阵列的量子模拟与量子调控

An array of coupled cavities can be constructed by the photons hopping between the adjacent cavities. The model of coupled-cavity array can be realized in various physical systems, and the parameters of which are easily controlled. It affords a feasibility to test quantum many-body phenomena and to realize tasks in quantum information processing (QIP), which has attracted a lot of attentions. The researches on this project focus on the quantum simulation and quantum manipulation based on coupled-cavity array. The project mainly consists of the following parts: We will study the quantum many-body phenomena under the atom and field interaction. For example, we analyze the entanglement of ground state and the phase transition of the doped system, and characterize the phase transition by the fidelity susceptibility and reduced fidelity susceptibility. Based on coupled-cavity array, we will investigate the transfer mechanism and design the quantum-state transfer scheme to achieve high-efficiency and controllable quantum-state transfer in the subspace of one-excitation or two-excitation. Combining the latest development of experiment and theory, we will analyze the novel quantum effect and realize some applications of quantum information process including the generation of quantum entangled state, quantum-eraser operation by using quantum manipulation. This project will enrich and develop the many-body theory of coupled-cavity array and accelerate its application in QIP.

近邻腔间的光子跃迁将各个单腔耦合起来，从而构成耦合腔阵列。描述耦合腔阵列的模型可以在各种不同的物理系统中实现，而且模型中的参数容易调控，为检验量子多体理论以及实现量子信息处理任务提供了可能性，因而受到了广泛的关注。本项目开展的研究是基于耦合腔阵列的量子模拟和量子操控，主要包含以下几个方面：研究耦合腔阵列在原子和光场相互作用下的量子多体现象，分析加入掺杂后系统的基态纠缠、相变等问题，并利用保真率和约化保真率来标记相变；研究系统的传输机制，设计耦合腔阵列中的量子态传输方案，在系统处于单激发或者双激发子空间中实现高效、可控的量子态近距离传输；结合最新的实验和理论进展，分析新颖的量子效应，利用量子调控实现诸如量子纠缠态生成、信息快速擦除等量子信息的应用。本项目的工作将丰富和发展耦合腔阵列的多体理论，并促进其在量子信息中的应用。

研究课题主要集中在基于耦合腔阵列的量子信息传输、以及多体系统模拟和相变信号的探测，讨论连续变量中的纠缠蒸馏问题以及量子失协的动力学行为等。. 量子态在耦合腔阵列中的传输是量子信息中一个重要的问题，我们考虑了一个单光子在一维耦合腔中的散射情况。我们讨论了在一维耦合腔阵列中，置入一个或者多个三能级原子后，对于入射的单个偏振光子的反射、透射以及偏振转换的影响。随后我们拓展到一个额外的局域和非局域腔中置入原子对单光子的散射。该研究对量子器件，特别是基于光在短距离传播的光量子器件的设计，提供了理论基础。. 耦合腔阵列系统可以为量子多体系统的模拟提供一个很好的平台，通过量子模拟，我们可以检验量子多体系统的量子理论。我们分析了一个基于耦合腔阵列模拟的自旋系统，当系统处于耗散环境时，通过对自旋链两端两个辅助的自旋的探测，测量这两个辅助自旋的局域和非局域观测量，我们可以标记几个不同自旋模型中量子拓扑相的相变。该部分工作一定程度上回答了处于耗散下量子多体系统相变标记的有效性。. 纠缠尤其是连续变量纠缠是一种十分脆弱的量子状态，它极容易因为外界的系统干扰而发生破坏。为了克服这样的问题，人们提出了纠缠蒸馏的办法。譬如利用单光子和双光子擦除实现对纠缠光源的非高斯操作后，人们可以得到更高纠缠度的纠缠光源。基于该方案，我们研究了热噪声和探测器效率对连续变量纠缠蒸馏的影响。随后我们提出利用光子擦除的逆过程——光子增加同样可以实现纠缠蒸馏。和以前光子抽取的方案比较，该方案可以得到更高纠缠度的纠缠光，更为重要的是，当双模压缩光的压缩参量远小于1的时候，该方案同时也可以显著地提高蒸馏的成功概率。. 量子信息中，作为一种更为普适的量子关联，量子失协能够描述量子纠缠不能涵盖的非经典关联，所以近年来量子失协的研究就受到人们的高度关注。我们通过数值计算，分析非X态的两粒子的量子失协、几何失协以及量子失协在通过耗散通道后的一些动力学行为。与X态相类似，我们同样在一些耗散通道下观测到非X态的量子关联“凝固”以及突变等有趣的现象。