光纤耦合双光学腔系统的相干动力学

为了研究量子相干性在腔量子电动力学系统中的动力学和分布特性,基于两个各自捕获原子系综的光学腔建立了双光学腔系统,腔与腔之间由光纤耦合.利用相对熵度量的量子相干性,引入量子相干非平衡性的概念,分析了系统中相干动力学和光纤-腔耦合强度对相干性分布的影响.结果表明:在强耦合极限下,光纤-腔耦合强度的增加有利于保持两腔中的原子的整体相干性;光纤-腔耦合强度、原子-腔耦合强度以及原子数三个参数之间满足特定条件时,腔内的原子相干性可以传输至另一个腔.考虑腔、光纤及原子都存在耗散的情形,对比了不同耗散速率和非耗散情形下的相干性演化,发现耗散使得耦合双腔系统的相干性以及各个腔中的原子相干性发生衰减.     

非对称自旋-轨道耦合系统的多体量子相干含时演化

本文以具有非对称性自旋相互作用的三体自旋系统为研究对象,重点研究了三体量子相干含时演化规律.采用精确量子对角化和基于量子主方程的数值模拟方法,讨论了三体量子系统中多种量子相干组分及其退相干.研究发现,量子相干组分的含时演化与整个系统的初态量子特性紧密相关.当初态为可分离纯态时,在较短时间内,非对称相互作用有利于增加多体量子相干度.这些量子相干度因受噪声影响而逐渐衰减.当初态为类Werner态时,量子相干度的分布满足加和性,即三体量子相干度等于所有两体量子相干度之和.自旋之间非对称相互作用和环境噪声都会引起三体量子相干度大于所有两体量子相干度之和.这些结论有助于多体量子资源的制备.     

关联退极化量子信道中qutrit-qutrit系统的量子相干性演化

为探索量子系统的退相干机制寻找延缓退相干的方法,本文研究了关联量子信道中的退相干过程,计算了关联退极化信道中两体qutrit系统的3种初态:一种特殊初态、最大相干初态和各向同性初态的范数相干性、相对熵相干性及基矢无关相干性.分析得出的解析结果、数值结果和演化图像可以发现:1)完全关联的信道能最大程度地抑制退相干;2)存在一个与关联度无关的最大退相干时间点,但其退相干的演化行为却依赖着关联度;3)信道的关联可以增强子系统间的相干性.基矢无关相干性遵循的不等式关系也在此系统中得以验证.     

初态对线型分子体系量子速度极限度量的影响

量子速度极限(QSL)的实用性研究关系到更高效量子技术的实现,研究不同分子体系中QSL问题可为基于分子体系的量子信息技术提供理论支持.采用代数方法讨论了不同的初始态对QSL度量方式的影响,研究发现初始态和分子参数均会影响QSL的度量方式,对分子体系无论Fock态还是相干态,量子Fisher信息度量方式优于Wigner-Yanase信息度量方式.广义几何QSL度量更适合描述强相干态下的分子动力学演化.     

从离散Wigner函数的角度探讨量子相干性度量

量子相干性是量子信息处理的基本要素,在量子计算中扮演着重要的角色.为了便于讨论量子相干性在量子计算中的作用,本文从离散Wigner函数角度对量子相干性进行了探讨.首先对奇素数维量子系统的离散Wigner函数进行了分析,分离出表征相干性的部分,提出了一种可能的基于离散Wigner函数的量子相干性度量方法,并对其进行了量子相干性度量规范的分析;同时也比较了该度量与l_1范数相干性度量之间的关系.重要的是,这种度量方法能够明确给出量子相干性程度与衡量量子态量子计算加速能力的负性和之间不等式关系,由此可以解析地解释量子相干性仅是量子计算加速的必要条件.     

基于超导量子器件的量子计算

超导量子器件能够展现宏观量子相干性.基于超导量子器件的量子计算是量子信息领域中的一个重要研究方向,同时,超导量子器件物理特性的研究也是目前凝聚态物理和量子光学领域的交叉前沿课题.文章简述了近年来在超导量子计算方面的一些重要结果和进展,并讨论了其研究现状和发展趋势.     

与双模场依赖强度耦合下多光子通道中原子比 特周期量子回声产生和调控

旋波近似条件下,运用全量子理论研究了与双模相干光场依赖强度耦合多光子通道中原子比特周期量子回声的产生和控制. 采用数值计算的方法,讨论了双模相干光场平均光子数分布形式、分布范围及原子跃迁时吸收(或发射)的光子数k对原子比特态保真度演化的影响,获得了产生和控制原子比特周期量子回声的系统参量;根据纠缠理论,分析了原子比特态保真度演化与原子约化熵演化的关联. 结果表明:在k=1的双光子过程中,调控光场平均光子数呈对称或不对称分布,当它的取值在一定范围内,原子比特保持良好的相干性和保真度,产生周期量子回声; 对于k≥2的多光子过程,原子比特与双模相干光场始终处于最大纠缠,因此导致了原子比特始终处于部分失真状态,不产生周期量子回声. 本研究揭示了周期量子回声产生的物理实质是原子比特与光场周期性退纠缠.     

双量子比特系统在Ising自旋链环境下的相干性冻结

本文研究双量子比特系统与Ising自旋链相耦合时的退相干动力学,解析地推导出相干性的演化规律。我们发现对一类特殊的初态,采用相对熵来度量的双量子比特系统的量子相干性在演化过程中存在冻结现象。同时,在弱耦合的情形下,量子相干性在Ising链的临界点附近存在突变现象。     

半导体量子结构中量子力学新效应

量子力学波函数的相位、相干性与退相干,正成为当前物理学研究的一个热点,半导体材料及其低维量子结构,以其制备工艺的精良和物理研究的透彻而成为最佳研究对象,对于半导体量子结构中载流子相位和关联的实验研究,主要遵循两路线：（1）使系统特征尺度与相干长度可比,研究介观系统与小量子系统输运过程中量子相干效应;（2）发展超短脉宽激光器与超快探测技术,研究与相干时间可比的时间尺度内的动力学,文章结合笔者的研究工作,着重介绍半导体及其量子结构中超快光学过程研究,包括电声子散射的量子动力学,直流与THz交流电场驱动的半导体超晶格激子态、吸收光谱与四波混频谱,动力学Fano共振和多体相互作用中超越平均场近似的重要性。     

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.     

金刚石氮空位中心自旋量子调控

量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果;重点讨论1)如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控,2)金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段,3)自旋态相干操控技术在量子传感中的应用;最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.     

量子通信

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科。文章综述了量子通信领域的研究进展，既包括人们所熟知的量子隐形传态、密集编码和量子密码学，也包括刚刚兴起但却有巨大潜力的量子通信复杂度和远程量子通信等领域。文章介绍了量子通信的基本理论框架，同时也涉及了这个领域最新的实验研究的进展。     

Quantifying coherence with dynamical discord

Quantum coherence and discord are two kinds of manifestations of nonclassicality. By calculating the coherence and discord in the specific bipartite quantum systems, we show quantitative connections between the coherence and the discord in the bipartite quantum systems created from local systems with the help of incoherent operations. We show that the coherence bounds the dynamical discord, and under particular conditions of the initial quantum states, the coherence of single systems is equal to the dynamical discord. We extend these results to the multipartite quantum systems.     

Protecting quantum coherence of two-level atoms from vacuum fluctuations of electromagnetic field

In the framework of open quantum systems, we study the dynamics of a static polarizable two-level atom interacting with a bath of fluctuating vacuum electromagnetic field and explore under which conditions the coherence of the open quantum system is unaffected by the environment. For both a single-qubit and two-qubit systems, we find that the quantum coherence cannot be protected from noise when the atom interacts with a non-boundary electromagnetic field. However, with the presence of a boundary, the dynamical conditions for the insusceptible of quantum coherence are fulfilled only when the atom is close to the boundary and is transversely polarizable. Otherwise, the quantum coherence can only be protected in some degree in other polarizable direction.     

Electron Spins in Quantum Dots as Quantum Bits

The creation, coherent manipulation, and measurement of spins in nanostructures open up completely new possibilities for electronics and information processing, among them quantum computing and quantum communication. We review our theoretical proposal for using electron spins in quantum dots as quantum bits, explaining why this scheme satisfies all the essential requirements for quantum computing. We include a discussion of the recent measurements of surprisingly long spin coherence times in semiconductors. Quantum gate mechanisms in laterally and vertically tunnel-coupled quantum dots and methods for single-spin measurements are introduced. We discuss detection and transport of electronic EPR pairs in normal and superconducting systems.     

Witnessing Quantum Speedup through Mutual Information

Achieving dynamical speedup of evolution in an open quantum system plays a key role in many technological applications. However, how to detect quantum speedup is unclear. In this work, a method to witness quantum speedup through the measure of the mutual information is presented. It is shown that the speed of evolution of a quantum system, can be witnessed by calculating the mutual information variation, whose increase is a clear signature of dynamical speedup. The result is explained by considering the time evolution of two qubits under a one‐sided noisy channel, finding out that the mechanism for the quantum speedup is closely associated with the total exchange of information between the system and its environment, which can be expressed by the variation of mutual information. Quantitatively, the average speed of evolution is shown proportional to the average variation of the mutual information in an interval of time. The conclusion can not only explain why the quantum entanglement (or quantum coherence) and the classical correlation are neither necessary nor sufficient to speed up the quantum evolution, but also give a vital way of detecting quantum speedup in realistic environments.     

Classical behaviour of various variables in an open Bose-Hubbard system

Quantum dispersions of various sets of dynamical variables of an open Bose-Hubbard system in a classical limit are studied. To this end, an open system is described in terms of stochastic evolution of its quantum pure states. It is shown that the class of variables that display classical behaviour crucially depends on the type of noise. This is relevant in the mean-field approximation of open Bose-Hubbard dynamics.     

Classical behaviour of various variables in an open Bose-Hubbard system

Quantum dispersions of various sets of dynamical variables of an open Bose-Hubbard system in a classical limit are studied. To this end, an open system is described in terms of stochastic evolution of its quantum pure states. It is shown that the class of variables that display classical behaviour crucially depends on the type of noise. This is relevant in the mean-field approximation of open Bose-Hubbard dynamics.     

相干时间超过10 min的单离子量子比特

能够长时间储存量子信息的量子存储设备是实现大规模量子计算和量子通信的基本要素.与其他量子计算平台相比,囚禁离子系统的优势之一在于具有很长的相干时间.此前,基于囚禁离子的单量子比特相干时间不到1 min.研究发现,在囚禁离子系统中,限制量子比特相干时间的主要因素是运动能级加热和环境噪声,其中后者包含环境磁场涨落和微波相位噪声.在同时囚禁171Yb+离子和138Ba+离子的混合囚禁系统中,通过实施协同冷却和动力学解耦,可以实现相干时间超过10 min的单离子量子比特.这一技术有望用于实现量子密码学和搭建混合量子计算平台.