极强耦合条件下电路QED系统中量子信息处理的研究

由于超导量子比特大的偶极矩和固态腔小的腔模体积，电路量子电动力学(QED)系统中的耦合强度可以达到与玻色子频率可比拟甚至大于的程度。在这一极强耦合参数范围，传统的旋波近似不再适用，系统展现出一种新的物理图像。本项目研究极强耦合条件下电路QED系统中的量子信息处理，主要包括极强耦合条件下实现两超导量子比特超快控制相位门和iSWAP门以及超导量子比特纠缠态的制备和可控耦合。研究了由超导电荷量子比特和磁通量子比特通过大约瑟夫森结耦合的物理模型中的纠缠特性，研究了该方案中电荷比特和磁通比特的最大纠缠态的制备和保持，给出了方案在实验上的可行性参数，结果显示可制备宏观爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）态和实现快速纠缠过程。研究了两超导电荷量子比特与压缩相干态相互作用的纠缠特性。研究结果对于理解和发展宏观量子纠缠、量子非定域性等量子力学基本原理具有重要的理论意义。 2100433B

由于超导量子比特大的偶极矩和固态腔小的腔模体积，电路量子电动力学(QED)系统中的耦合强度可以达到与玻色子频率可比拟甚至大于的程度。在这一极强耦合参数范围，传统的旋波近似不再适用，系统展现出一种新的物理图像。本项目拟研究极强耦合条件下电路QED系统中的量子信息处理。利用广义旋波近似和Van Vleck微扰理论等方法研究多个超导量子比特与传输线腔的极强耦合，利用光刻技术和外加驱动场技术控制超导量子比特与传输线腔相互作用，制备多比特纠缠态。通过对超导量子比特、传输线腔以及外加驱动场的控制，实现多个超导量子比特间的可控耦合。研究极强耦合条件下实现两比特超快量子逻辑门的方案，给出方案在实验上的可行性参数。本项目拟从理论上给出多个超导量子比特极强耦合模型系统的解析解，并将这些解析解用于构造超快量子逻辑门、制备纠缠态，实现超快的量子信息处理。本项目的研究内容具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

光子系统是易于操控和传输的信息载体，在量子通信中有非常重要的应用。在远程量子通信中，需要应用量子中继器抑制环境噪声对光子信号的影响，提高通信的保真度和安全性。光子系统具有极化、空间模式、频率、时间-能量和轨道角动量等多个自由度。将光子系统的多个自由度同时应用于量子通信能够提高远程通信的信道容量和安全性。本项目主要研究高容量量子中继器中光子系统多个自由度的量子操控问题，研究内容主要包括：研究基于腔量子电动力学非线性光学作用的杂合量子纠缠门，服务于量子中继中飞行光子比特量子态与固态存储比特量子态之间的转移；研究光子系统两自由度和三自由度的超纠缠纯化，提高量子中继器的容量，服务于高容量安全量子通信；研究光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移，用于链接远距离通信节点，提高量子中继器的效率。通过本项目研究，力争在高容量量子中继器中光子系统多自由度的量子操控方面做出一些创新性的研究成果。

光子系统在量子通信中有非常重要的应用。在远程量子通信中，量子中继器能够链接距离较远的通信节点，抑制环境噪声对光子信号的影响，提高远程量子通信的保真度和安全性。光子系统的多个自由度同时应用于量子通信能够提高远程通信的信道容量和安全性。本项目主要研究高容量量子中继器中光子系统多个自由度的量子操控问题。研究内容主要包括：基于腔量子电动力学非线性光学作用的光量子纠缠门、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠纯化和浓缩、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移。通过本项目研究获得了以下成果：一、利用金刚石NV色心-光学腔系统中的腔量子电动力学原理构建了鲁棒的两光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制相位门和三光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制交换门，能够将影响保真度的主要因素转化为可探测的光子信号，用于构建高容量量子中继器。二、利用线性光学元件构造了未知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案和超纠缠GHZ态浓缩方案；利用线性光学元件构造了已知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案；利用腔量子电动力学设计了预报式纠缠纯化方案；这些方法能够抑制远程量子通信中噪声对超纠缠光子系统的影响。 三、在光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移方面，重点研究了超纠缠态测量这一核心问题。利用线性光学元件，通过引入时间序列设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。通过辅助其他自由度纠缠态设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。四、针对信道噪声问题，利用线性光学元件和光子系统两个自由度设计了抗联合噪声的量子密钥分发方案。

以超导电路量子电动力学的测试系统为物理平台，以微弱微波信号测试和超导电子学测量为主要实验手段，研究在毫开级低温情况下人工约瑟夫森原子与量子化微波光场相互作用导致的各种新奇物理效应，如量子纠缠、微波波段电磁感应透明、及微波激射等。发展并在实验上实现对人工超导原子宏观量子态及微波量子化光场态的单量子检测和操纵。.以此为基础，研究以微波量子作为耦合超导量子比特的数据总线，建构量子计算网络的有效途径；寻求基于宏观量子态检测和调控技术的微波光量子器件：如微波单光子源、微波光子纠缠源、微波单光子探测器等有效实现方式，并研究这些器件在高水平军用电子对抗中的可能应用。