金刚石NV中心与坏腔耦合系统的单光子散射及量子信息处理

Single-photon scattering based on optical microcavities is a complex physical process which is closely related to scattering system, environment and external control parameter, and has wide application prospect in quantum information processing. As high-quality optical microcavity is highly isolated from the external environment, the control of intracavity dynamics and photon scattering process faces great challenges. We want to investigate single-photon scattering based on coupling system composed of bad cavities and nitrogen-vacancy center (NV center) in diamond, analyze the influence of non-Markovian effect on dynamical evolution of system in the case of strong dephasing for NV center, find ways to suppress strong dephasing of NV center by means of external control field and quantum feedback, and finally control single-photon scattering process. Furthermore, we want to investigate universal quantum logic gates and quantum information processing tasks based on coupling system composed of bad cavities and NV center, analyze the influence of system and external control parameters on fidelity of quantum logic gates, search the optimal working regime of system, evolution route and external ancillary system, then construct compact quantum logic gates and realize efficient quantum information processing. The above contents to be investigated may provide elementary theoretical support for photon scattering and quantum information processing based on coupling system composed of bad cavities and NV center, and an alternative proposal for physical realization.

基于光学微腔的单光子散射是与散射系统、环境以及外部调控参量密切相关的复杂物理过程，并在量子信息中有广泛应用前景。由于高品质光学微腔与外界高度隔离，腔内量子态以及光子散射过程的调控都将面临极大挑战。本项目研究基于金刚石NV中心与坏腔耦合系统的单光子散射，分析NV中心存在强相位阻尼时非马尔科夫效应对系统动力学演化过程的影响，探索坏腔中外加控制场和量子反馈抑制NV中心的强相位阻尼，从而调控单光子散射过程；进一步研究基于金刚石NV中心与坏腔耦合系统的普适量子逻辑门以及量子信息处理方案，分析系统和外部控制参量对量子逻辑门保真度的影响，寻找最优的系统工作区域、演化路径以及外加辅助系统，从而构造紧致的量子逻辑门以及实现高效的量子信息处理。这两方面研究内容将为基于金刚石NV中心与坏腔耦合系统的光子散射及量子信息处理奠定初步的理论基础，为实验实现提供一种可能的新途径。

基于坏腔和固态量子比特的单光子散射是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题，本项目探索坏腔条件下抑制固态量子比特的自发辐射和退相位阻尼，从而调控该条件下单光子散射及实现高保真量子信处理，并初步获得一些有意义的结果。首先，我们研究结合受激拉曼绝热技术对单原子比特的任意操作以及基于坏腔的单光子散射，发现坏腔条件下只要临界原子及光子数远小于1，仍可实现杂化光子—固态量子比特控制非门、光子和固态量子比特的控制非门；其次，我们研究微腔中多光子共振条件下，原子比特的相干性、量子回声以及熵压缩性质，发现对腔外原子的幺正和测量操作可远程调控腔内原子的相干性质，并考虑微腔中原子运动时最优熵压缩态的制备和调控；另外，我们还研究光力杂化系统以及原子偶极—偶极相互作用对波导中单光子散射的影响，以及V型三能级原子与光力杂化系统中单光子散射性质调控，发现外加光力系统和原子偶极相互作用可抑制原子自发辐射，并可调控光子散射性质；最后，我们研究引入辅助微腔以及固态量子比特与微腔耦合系统来抑制固态量子比特的相位阻尼，发现不同耦合系统之间的干涉效应可调控单光子散射。我们的理论研究结果对于深入理解坏腔和固态量子比特系统的单光子散射性质，以及实现可扩展量子信息处理和量子计算有重要意义。