混合量子电路在量子计算中的应用

【摘要】混合量子电路是为了能够集合各种量子系统的优点,而在一个电路中混合两种或多种物理系统来进行量子计算或研究新奇量子物理现象的复杂量子电路。每个系统都有其自己的优点和缺点。原子和自旋系统是被研究了很久的两个量子系统,它们拥有很长的相干时间,但是进行量子操作的时间也很长。固态量子器件,比如超导量子电路,提供了良好的可操作性和可集成性,但其相干时间往往比较短,同时由于工艺上的原因很难制备出两个参数完全相同的器件。由于量子计算对各方面的要求都很高,所以为了能够将这些系统的不同优点整合到一起,构建一种混合量子电路就变得十分必要。本文对包含了原子、自旋和固态量子器件(包括超导量子电路和纳米机械振子系统)的混合量子电路的现状及发展做出了归纳和总结。讨论了如何将原子物理、量子光学、凝聚态物理以及纳米科学中的不同元素耦合在一起的可行的方法,以及内在的物理机制。本文还研究了两种不同的混合量子电路：其中一个混合量子电路是通过一个当作数据线的超导磁通量子比特来实现自旋系统与传输线共振腔之间的有效强耦合。该超导磁通量子比特与自旋系统和传输线共振腔都有很强的相互作用。这种混合电路可以用来在自旋系统和谐振腔之间传输量子信息。对比与以往自旋系统和谐振腔之间直接耦合的方案,本文提出的方案在实现强耦合的前提下使用更少的自旋,从而使降低自旋集团在晶体样品中的密度成为可能。因此,在这个混合电路中可以实现自旋集团的长时间的量子存储。另一个混合电路包含了两个超导磁通量子比特和一个氮空位色心自旋集团,可以用来实现高保真的量子存储。其中的一个磁通比特被当作是量子处理器,而另一个则和自旋集团一起作为量子存储器。由于量子处理器与量子存储器相互分离,所以在进行量子处理时对量子存储器的影响可以有效地得到抑制,从而实现了量子处理器中的任意量子态的高保真存储。此外,本文还研究了原子与谐振腔阵的混合系统作为量子模拟器来模拟凝聚态物理模型的方法。合理地利用耦合谐振腔阵列,并在每个谐振腔内放置一个A型的三能级原子,就可以实现对不同类型的自旋与自旋的相互作用的同时模拟。本文特别研究了基于该原子腔阵系统来模拟海森堡模型和Kitaev模型的方案,这对理论研究和实验实现凝聚态拓扑量子模型进行了新的尝试,也为利用可控系统来模拟复杂凝聚态物理模型提供了新的可行的方法。
【作者】项泽亮；
【导师】游建强；
【作者基本信息】复旦大学，理论物理学，2013，博士
【关键词】腔量子电动力学；量子计算；量子模拟；固态量子器件；自旋量子比特；混合量子电路；

【参考文献】
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