多量子比特与玻色场耦合系统量子相变研究

In this project, we intend to study the quantum phase transition behavior of multi-qubit and Bosonic field coupled system. On the one hand, the study of the quantum phase transition behavior of the system is conducive to the understanding of the correlation and interaction mechanism of the multi-qubit in the Bosonic field environment. On the other hand, this study also helps to understand the general nature of the quantum phase transition by using the quantum information system. The existing literature mostly confined to research on single qubit case. Discussing the multi-qubit system is the main task of this project. The analytical method in this study is the modified general rotating-wave approximation and the coordinate-momentum representation based analysis. The numerical method，which we developed to discuss the physical quantities of the phase change regime，is based on the exact diagonal method and the finite frequency scaling. This study will explore the fundamental issue, such as symmetry breaking mechanism of the quantum phase transition in multi-qubit bosonic field coupled system, its transition type and its universal basic problem etc.. At the same time, we also try to understand the behavior of multi-qubit quantum system via perspective of quantum phase transition .

本项目拟研究多量子比特与玻色场耦合系统的量子相变行为。一方面，对系统量子相变行为的研究有利于认识多个量子比特在玻色场环境中的关联和相互作用机制。另一方面，这一研究也有助于利用量子信息体系来认识量子相变的一般性质。现有的文献大多局限于对单个量子比特情形的研究。讨论多个量子比特系统是本项目的主要任务。本研究在解析方法上利用我们先前得到的改进的广义旋转波近似和坐标-动量表象解析分析。我们发展的数值方法利用数值对角化结合有限频率标度性来讨论相变区域的物理量。本研究将探索多量子比特与玻色场耦合系统的量子相变的对称性破缺机制，相变类型，普适性等基本问题。同时我们也将从量子相变的角度理解多比特系统的量子行为。

量子比特是量子计算和量子通信的基本单元。实际应用中如果想让量子比特发挥作用，则必须考虑其与其它物理自由度的耦合。近来这方面有不少理论和实验进展。理论方面，刻画量子比特与玻色场耦合的量子Rabi模型获得了严格解，并发现了有限自由度的量子相变。实验方面，所谓的超强耦合技术越发进步，耦合强度不断增大。而我们考虑一般的量子计算或者量子信息过程不能只是单个比特参与，必须多个比特参与才有使用意义。因此，本项目考虑了多量子比特与玻色场耦合的物理系统。本项目系统研究了多量子比特与玻色场耦合系统的量子相变行为。在此框架下，本项目深入研究了各向异性量子拉比模型的普适性、有偏置量子拉比模型和两比特量子拉比模型的近似解和动力学、多模光场的非马尔可夫动力学、量子拉比模型的超导量子电路量子模拟、量子拉比模型的极化子图像等。在本项目资助下，我们一共发表SCI论文6篇。本研究属于基础研究。一方面，对多比特系统量子相变行为的研究有利于认识多个量子比特在玻色场环境中的关联和相互作用机制。另以方面，对于这样一个具有典型代表性系统的研究也有助于进一步认识一般的量子相变及其普适性的规律。