基于半导体量子点-光学微腔耦合系统量子信息处理的研究

Quantum information processing and quantum computation pose grand challenges for basic applied science in this century. Creating scalable quantum systems is essential for the realization of practical quantum information and quantum computation. Solid system based on semiconductor quantum dot is considered to one of the most important physical carriers due to the fact that it can be accessed and scaled more easily, and it has a long coherence time. The main content of this project is focused on theoretical study on quantum information processing based on semiconductor quantum dot and optical microcavity-coupling system. Including the realization and purification (concentration) of scalable multipartite quantum entanglement, the implementation of multiqubit quantum logic gates, the construction and the physical realization of multi-bit quantum algorithms, and the establishment and realization of the stable quantum repeater among multiple nodes for long distance quantum communication neworks and distributed quantum computation. The goal of this project is to seek the efficient controlling method of improving the efficiency of quantum information processing and seek the efficient way of reducing the influence of quantum decoherence, providing some useful theoritical foundations and experimental datas for largle scale and practical quantum information processing.

量子计算与量子信息是2l世纪基础和应用科学研究的一大挑战。要实现实用意义上的量子信息和量子计算，必须解决量子比特系统的可拓展性问题。基于半导体量子点的固态系统，因具有稳定的量子相干性、易操作、和可集成等特性，被认为是实现固体量子信息处理器或量子计算机最重要的物理载体之一。本项目基于半导体量子点-光学微腔耦合系统,进行有关量子信息处理方面的理论研究。具体内容包括：多体可扩展的量子纠缠的实现及其纯化（浓缩）、多比特量子逻辑门的实现、量子算法最优化量子线路的构建及物理实现、以及远距离量子通信网络和分布量子计算中多节点之间稳定的量子中继器的建立及其实现等问题。本项目旨在通过对半导体量子点-光学微腔耦合系统量子特性的研究，探寻有益于提高量子信息处理效率的有效的操控方法以及降低消相干影响的有效途径，为规模化、实用化量子信息处理的实现提供理论基础和实验依据。

量子计算与量子信息是2l世纪基础和应用科学研究的一大挑战。要实现实用意义上的量子信息和量子计算，必须解决量子比特系统的可拓展性问题。近年来，基于半导体量子点的量子计算与量子信息在理论、实验和应用领域都取得重要突破。本项目按照原预定计划进行，在四年的研究期间内共发表与本项目相关的学术论文56篇，全部为SCI收录。获得吉林省自然科学奖三等奖1项（第一负责人）、吉林省自然科学学术成果奖二等奖2项（第一负责人），正在申请中专利1项。取得的主要研究成果如下：. 1）基于半导体量子点-光学微腔耦合系统和光学选择定则，提出光学控制的电子自旋的量子相位门和受控非门的隐型传送方案以及确定性的光子的受控非门和纠缠交换方案；提出实现反事实的远距离节点间的纠缠分布和系数未知的、部分纠缠的三光子W态的纠缠浓缩；构造了实现三比特量子纠错的最优化的量子线路，并提出具体的物理实现过程；提出在远距离的三个空间分离的量子点自旋之间实现确定性的Toffoli门，即控制-控制-非门，为基于固态比特的量子通讯和量子计算网络的构建开辟了新的道路；提出有效实现电子比特和光子比特的W态的制备方案，对基于大尺度的固态量子计算以及大规模光子比特的光量子计算是非常有意义的。2）提出实现反事实的量子离物传输、量子信息转移和量子计算，打破了传统的量子隐形传送理论，为新型量子计算和量子信息处理开辟了新的途径。3）基于原子与腔场相互作用，提出量子态制备与操纵、量子计算和量子信息处理的有效方案和新方法，为腔量子电动力学实验提供了理论依据和实验参考。4）基于腔光力系统的量子纠缠与纠缠压缩。提出一个在宏观水平上制备移动镜子和原子系综之间鲁棒纠缠的方案，同时研究了此系统中的纠缠转移情况。数值模拟结果表明：两体宏观纠缠的临界温度可以达到170K，打破了液氦和液氮冷却的限制，极大地节约了实验成本。本方案能够用于实现连续变量量子信息处理、量子存储和量子极限的位移测量；基于混合原子光机械系统，通过机械振子的非线性和腔冷却过程，提出制备稳态机械模压缩的理论方案。数值模拟表明该方案对光学腔耗散是鲁棒的，稳态压缩在高耗散腔的条件下仍然可以被制备；研究了双腔光机械系统的物理性质，通过辅助光学腔的相干干涉，机械振子的稳态压缩在高的不可分辨边带极限下可以被制备，为不可分辨边带极限条件下实现机械模压缩提供了理论参考。