混合固态系统中实现特殊的快速量子逻辑门的理论研究

Hybrid solid quantum system is consisted of the superconducting qubit (SQ) and the nitrogen-vacancy center ensemble (NVCE). It has been recently considered as one of the most promising candidates for quantum information, due to the SQ has advantage in control flexibility and the NVCE has a long coherence time at room temperature. We study how to fast realize a class of special quantum logic gate in this hybrid solid system. The study mainly focus on: (1) How to construct quantum interface between the SQ and the NVCE, and ensure the realization of fast logic gate. (2) We study the influence of dissipation of the quantum system on the fidelity. (3) How to suppress the decoherence of the system,and improve the efficiency of logic gate. The research of the project has important academic significance for the application of the solid system in quantum computation.

最近，超导比特和氮缺陷色心系综（色心系综）组成的混合固态量子系统被公认为最有潜力的量子信息载体之一。它包含了超导比特具有灵活可控性的特点和氮缺陷色心系综在室温下相干时间长的特性。本项目研究在这种混合固态系统中如何快速实现一类特殊的量子逻辑门。我们的研究内容主要有：（1）如何构建超导比特与氮缺陷色心系综之间的量子接口，保证快速的实现逻辑门；（2）研究量子系统耗散对实现逻辑门保真度的影响；（3）如何抑制量子系统的退相干，从而保证逻辑门更有效率的实现。该项目的研究对于固态系统在量子计算中的应用有重要的学术价值。

混合固态系统是目前量子信息最有潜力的载体之一，尤其是超导量子比特与金刚石氮缺陷色心(简称色心)的耦合结构被广泛关注，原因在于超导量子比特具有可操控性的优势，金刚石色心具有长相干时间和可以被光学调控。量子系统的退相干是目前实现量子逻辑门和量子信息转移的最大障碍。本项目主要致力于加速实现量子逻辑门和快速完成量子信息转移。研究了以下方面的内容：（1）提出了实现两个金刚石色心系综耦合的理论方案，利用该方案可以实现色心系综之间信息快速转移，研究了耦合机制对信息转移的影响。（2）我们提出在固态量子系统中制备宏观两体和三体纠缠态的理论方案，并给出度量该纠缠态的方法。（3）我们提出利用人工原子（固态量子比特）实现量子路由器的理论方案，该路由器的最大优点是可以通过调节人工原子的失谐量和它们之间的间距来操控，不需要引入任何的经典场。