高保真度的超导量子比特-金刚石氮空位间量子态传递

The solid hybrid system consisting of superconducting qubits (SQ) and nitrogen-vacancy centers in diamond has many advantages compatibly, which is the excellent candidate for quantum information processing. Limited by the intrinsic properties and external operations, the high fidelity of quantum state transfer between the hybrid systems can be obtained hardly. Based on circuit quantum electrodynamics (QED),this project will solve the above problems by improving the intrinsic properties and optimizing the external manipulations. The main research contents are as follows.(1) Through the quantized cavity field of circuit QED and the classical microwave fields, we propose the simplified and feasible schemes to implement the quantum operations, and then enhance the fidelity of quantum state transfer between the SQs and the electronic spins.(2) By suppressing state storage error caused by the effect of transition frequency broadening associated with spin ensemble,we study the high-fidelity quantum state transfer between the SQs and the spin ensemble.(3)Based on the necessary hyperfine interaction between electron and nuclear spins, and assisted with the coherent adjustments of external fields, we will construct the controllable interqubit coupling, by which we will investigate the high-fidelity quantum state transfer between the SQs and the nuclear spins. According to the currently technical conditions and combining the above fault-tolerant approaches, this project will provide the constructive routes to study the high-fidelity quantum state transfer with the solid hybrid systems, and thus is significant to quantum information processing.

超导量子比特(SQ)-金刚石氮空位的固态杂化体系兼容多种优势，是执行量子信息处理的极好载体。受制于体系内禀性质和外在调控方式的影响，上述杂化体系间量子态传递的保真度通常难以取得理想的结果。本项目基于电路量子电动力学(QED)装置，旨在从改善内在特性和优化外在调控的层面解决该问题。主要研究内容包括：(1)利用量子化的腔场并辅助于经典微波外场，探讨简单易行的操作方案，提高SQ与电子自旋间态传递的保真度；(2)抑制自旋集体频宽效应对量子态存储的错误影响，构建高保真度的SQ与自旋集体间的态传递方案；(3)借助必要的电子-核自旋精细作用，通过相干操控外场构建可调控的量子比特耦合机制，研究新颖的SQ与核自旋间的量子态传递并取得较高的保真度。本项目将依据当前的技术条件并整合上述容错方式，为研究固态杂化体系间高保真度的量子态传递提供建设性的指导思路，因而对量子信息处理具有重要的科学意义。

本项目针对超导量子比特与金刚石氮空位中心构成的固态杂化体系，围绕高保真度的量子态传递问题，提出了一些实际可行的量子信息处理新方案。按照项目任务书的相关要求和研究目标，我们集中开展了以下三方面的研究工作并取得一些代表性的研究结果。. 第一，在外场驱动的超导量子电路体系中，探讨了能级间弱的非谐和性对量子态传递的影响，并提出了通过优化能级结构来消除泄漏错误的物理方法，从而提升量子态传递的保真度。同时，本项目研究了传输线腔场中多个超导量子比特之间的量子态传递。通过优化能级结构，可以明显地消除内禀泄漏错误，取得鲁棒的量子态传递操作。另外，为了更深入地揭示量子泄露对量子态操作的影响，考察了超导人工原子体系中的电磁诱导透明与量子泄露效应之间的联系，这对于深入研究鲁棒的量子态传递具有重要的学术意义。. 第二，研究了超导transmon-类型的量子比特与氮空位中心(NV center)电子自旋系综之间的态传递问题。通过优化量子操作过程从而降低腔场的耗散效应，为提升量子态传递的保真度提供了重要的途径。本项目也探讨了超导电荷量子比特与NV center电子自旋系综之间可控的量子态传递，该方案为建立杂化体系的灵活可控的量子态传递提供了一种潜在的措施。不仅如此，我们考察了光力学腔与NV center电子自旋之间的量子态传递，分析了基于光子态编码的量子信息能够可调控地存储到（提取于）单个电子自旋。. 第三，本项目研究了光学频段/微波频段(超导LC电路)光力学腔与NV center核自旋系综之间的量子态传递。利用力学谐振子的辅助机制，腔光子态编码的量子信息可以可控地存储到核自旋系综或者相反地从核自旋系综中提取出来。该方案适用于较宽的腔场频率范围，对于利用核自旋系综研究量子计算的存储器或者量子通信中的转发器有着潜在的应用。. 总之，本项目基于超导量子电路和金刚石氮空位构成的复合体系，围绕如何取得高保真度的量子态传递，提出了一些实际可行的新方案，相关成果对于理论和实验研究固态杂化体系的量子信息处理具有显著的指导意义。在本项目的资助下，已经发表了12篇SCI收录的学术论文，1篇研究论文发表在中文期刊《许昌学院学报》上。另外，1篇论文目前处于同行评审之中。