基于原子-腔量子电动力学系统的超绝热和乐量子计算研究

Cavity-QED system with atoms is considered as a promising candidate for physically realizing quantum computation. Implementing quantum logic operations with high fidelity is always a key issue in such a system. Besides implementing quantum gates based on usual dynamical process, schemes by using adiabatic process, superadiabatic process, geometric evolution, etc, have been employed to design quantum gates. These schemes have their own intrinsic merits, on the other side with some flaws to be overcome. Here we proposed a new method to realize non-Abelian evolution with superadiabatic pulse, where we only modify the shape of Raman pulse but not by using an additional microwave pulse. This scheme is experimentally more simple and feasible, as well as it can promote the speed and fidelity of quantum operations. We mainly research to realize single qubit gate by using stimulated Raman superadiabatic process with small detuning, to construct universal set of quantum gate by combining superadiabatic and holonomic process, and the optimal analyzation of the shape of pulses. Our research is based on the experimental progress. It can provide theoretical supports to realizing a small scale quantum computation and quantum simulation in cavity QED system with atoms.

基于原子与腔QED的复合系统是最被看好的量子计算的备选物理系统之一，如何在该系统中执行高保真度的量子逻辑操作始终是一个核心研究课题。除了利用通常的动力学过程执行量子逻辑门之外，绝热过程、超绝热过程、几何演化方法等机制也被用于设计量子逻辑操作，并各有优势和缺陷。本项目将提出一种新的仅修饰超绝热脉冲而不添加额外微波驱动的办法，来实现非阿贝尔和乐演化过程，并基于此设计原子与腔QED系统中的通用量子门组。这种方案实验上容易实现，却可同时在量子门操作速度和操作保真度上带来提升。项目重点研究利用小失谐的受激拉曼超绝热过程实现单比特几何量子门，结合超绝热和乐过程的通用量子门组及其物理实现，以及针对误差来源对脉冲波形做最优化分析。本项目着眼于理论结合实验进行，可以为在原子与腔QED系统中实现小规模量子计算和量子模拟提供理论支持。

课题的研究计划是提出一种新的仅修饰超绝热脉冲而不添加额外微波驱动的办法，来实现非阿贝尔和乐演化过程，并基于此设计原子与腔QED系统中的通用量子门组。这种方案实验上容易实现，却可同时在量子门操作速度和操作保真度上带来提升。项目重点研究利用小失谐的受激拉曼超绝热过程实现单比特几何量子门，结合超绝热和乐过程的通用量子门组及其物理实现，以及针对误差来源对脉冲波形做最优化分析。本项目着眼于理论结合实验进行，可以为在原子（类原子）与腔QED系统中实现小规模量子计算和量子模拟提供理论支持。.自立项以来，课题组密切围绕以上课题研究内容开展工作，现主要开.展了四个方面的研究工作：（a)无退相干子空间中的超绝热几何量子计算方案;(b)超导量子比特-腔量子电动力学系统的超绝热和乐量子计算研究，实现了相对简单可行，同时双门保真度达到99.85%以上的容错量子操作;(c)超导芯片空间拓扑结构对量子计算性能影响的研究，提出了一种评价量子芯片性能的定量方案;（d)基于里德堡原子的量子计算和量子精密测量研究。目前已基本完成既定研究目标，取得了一些成果，撰写论文6篇，期中已经发表4篇SCI论文。