囚禁离子体系对掺杂富勒烯豆荚模型的量子仿真的研究

囚禁在电磁势阱中的超冷离子是目前最被看好的量子仿真的候选者之一，而掺杂富勒烯体系是固态量子计算的一个重要方案。本项目旨在以囚禁离子体系作为研究对象，从理论上探讨，处在Paschen-Back 区的强梯度磁场下的离子体系，对掺杂富勒烯豆荚模型的量子仿真。主要研究工作包括探讨理想条件和弱的环境耦合条件下的离子的自旋-自旋相互作用模型,及相关的一些量子动力学行为；探讨如何运用 NMR技术,结合离子核自旋和电子自旋两个自由度对豆荚模型中的量子逻辑门操作进行量子仿真,运用量子路径或量子主方程方法数值模拟各种退相干因素的影响，并用于检验实验结果。本项目着眼于理论结合实验进行，将不仅有助于深化我们对固态量子计算本身的认识，而且也可以为实现小规模的离子阱量子仿真提供理论基础。

本项目旨在以囚禁离子体系作为具体的研究对象，从理论上严格探讨，处在Paschen-Back 区的强梯度磁场下的离子体系，对掺杂富勒烯豆荚模型的量子仿真。经过三年的系统研究，我们完成了本项目的既定目标,主要的研究成果包括：从理论上严格探讨了处在Paschen-Back 区的强梯度磁场下的离子体系的量子行为；系统地研究了处于外部梯度磁场中的单离子的运动，以及在足够强的电子-声子耦合机制下系统的量子效应及横场伊辛模型的有效模拟；理论上提出了一系列可行的量子信息处理及量子仿真方案,并严格分析了当前实验技术下的可行性。同时，我们还研究了处于Paschen-Back区以内的掺杂富勒烯豆荚体系的基本性质，提出实现单个核自旋和电子自旋比特的量子逻辑门操作，以及任意两个电子比特之间的条件受控相位门和单向量子计算中的一维和二维簇态的制备方案。除此之外，我们还系统研究了固态体系中的囚禁离子 -- 金刚石氮-空外中心体系的量子特性和相关的量子信息处理。这些研究结果为我们今后相关研究的开展打下了良好的理论基础。本项目着眼于理论结合实验进行，将不仅有助于深化我们对固态量子计算本身的认识，而且也可以为实现小规模的离子阱量子仿真提供理论基础。受本项目资助共发表SCI收录论文21篇，同时项目主持人在项目开展过程中培养了研究生3名，另外项目主持人参加了国内外学术会议5次并多次报道了与本项目相关的一系列研究成果。