基于氮空位中心-超导磁通量子耦合杂化体系的多粒子纠缠态制备研究

The nitrogen-vacancy (NV) center in diamond and superconducting circuit systems are considered as the promising solid physical system for the quantum information and computation field, and are arousing more and more interests in recent years. Combining two or more physical systems, hybrid quantum circuits utilize the advantages of the different systems to creatively explore new quantum phenomena and novel information processing technologies. Building efficient hybrid quantum devices to implement quantum states preparation and manipulation can promote the development of scalable quantum information and computation, which likely has important theoretical significance and potential practical values. The present subject intends to research the following contents: (1) explore the coupling mechanism between NV center system and the superconducting quantum system, and design efficient multiparticle entanglement preparation schemes. (2) take analysis of the influence from decoherence of the flux qubit and the NV centers on the performance of entanglement preparation schemes, and explore the optimal physical design and parameters to improve the experimental feasibility..Such research can provide useful theoretical references for the dynamics research of solid-state quantum systems based on NV centers and superconducting flux qubits, and the entanglement manipulation of solid qubits.

金刚石中的氮空位中心系统和超导线路等固态量子体系是极具潜力的实现量子信息和计算的物理候选者，近年来引起了研究者们越来越多的兴趣。杂化量子体系结合两种或多种物理系统，可以利用不同系统的长处来更好地探索新的量子物理现象和信息处理技术。构建有效的杂化量子体系能够促进可扩展的量子信息与计算的发展，具有重要的理论意义和实用价值。本项目主要内容包括：（1）研究氮空位中心体系与超导量子系统的杂化耦合体系，并设计局域和非局域的相互作用模型实现有效的多粒子量子纠缠态制备。（2）解析氮空位中心和磁通量子比特的消相干效应对纠缠制备方案的影响，探究最优的物理模型设计和参数条件以及在当前的实验条件下方案的综合性能。.本项目的研究能为基于氮空位中心和磁通量子比特的固态量子系统动力学性质以及固态量子比特多粒子纠缠的制备和应用等研究提供有益的理论基础。

量子信息和量子计算利用量子力学中的叠加和纠缠等特性开展通信和运算任务，具有突破现有经典信息系统极限的能力。金刚石中的氮空位中心和超导电路系统的杂化体系，具有寿命长，可扩展性好和易于操控的特点，是研究量子纠缠和量子计算的良好平台。. 本研究首先聚焦金刚石氮空位中心电子自旋纠缠态的制备与操控，利用腔辅助的相互作用过程设计了几种直接测量两量子比特纠缠态的方案。研究对象包括两量子比特纯态和混合态。设计的方案使用的是简单的单比特操作和测量而不需要复杂的联合操作或测量。而且，方案不需要高品质的谐振腔和比特之间的强耦合，这些都将降低这里提出的方案的实验实现难度。理论分析和数值模拟结果证实了方案的高性能和可行性。在此基础上，考虑到超导量子器件的发展以及拓扑绝缘体的优势，本研究还在超导量子体系中利用受拓扑保护的边缘态实现了鲁棒的量子态转移。具体包括基于一维超导磁通比特链系统实现单比特量子态转移和基于一维电路超导共面传输线谐振腔系统实现两比特的纠缠态转移。此外，本研究还利用在位缺陷势构建了两套极其重要的机制——开关机制和功能转换机制，这些机制的存在大大提高了量子态转移方案的实用性和多效性。. 不同纠缠度的量子纠缠态具有不同的应用前景和实际效果，我们关于量子纠缠的直接测量研究对于深入探究和量化不同类型纠缠态的纠缠度具有指导意义。在超导量子体系中探索鲁棒的量子态操控，尤其是受到拓扑性质保护的量子态存储和转移关乎到未来可扩展式量子信息处理的发展。我们的研究结果对将来的固态量子体系和杂化量子体系中实现量子信息和量子计算有一定的借鉴意义。

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