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超导量子电路系统中Floquet调控及量子相变机制的研究

批准号:
12104363
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
程加明
学科分类:
量子模拟
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
程加明

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
我们将借助超导量子电路系统和Floquet调制技术模拟光与原子的强关联相互作用,研究Floquet调制对处于超强耦合或者极强耦合的微波场和超导量子电路的可能影响。通过分析微波光子和超导量子比特在Floquet调制下的动力学行为、量子相变、量子临界行为和量子动力学相变,阐明存在强关联时Floquet调制手段对量子态动力学调控和量子态读出的作用机制。在此基础上,我们将在理论上探讨存在Floquet调制时量子比特状态的快速控制和快速读出方法;通过考查量子电路晶格中微波光子的隧穿、微波光子和超导量子比特的强相互作用之间的竞争机制,揭示Floquet调制的量子电路晶格系统发生量子相变的物理根源,以加深对Floquet相干调控机制的理解,从而为实现超快量子信息处理、寻找新型量子物态和奇异拓扑物理提供新的思路和可行方案。
英文摘要
We will use superconducting quantum circuit system and Floquet manipulation technology to simulate the strong correlation interaction between light and atoms, and study the possible influences of Floquet manipulation on microwave field and superconducting quantum circuit in ultra-strong coupling or deep-strong coupling. Through analyzing dynamic behaviors, quantum phase transitions, quantum critical behaviors and quantum dynamic phase transitions of microwave photons and superconducting qubits under Floquet manipulation, the action mechanism of Floquet manipulation on quantum state dynamical modulations and quantum state readout in the presence of strong correlation is explained. Based on these, we will theoretically discuss methods of fast control and fast readout of qubit state under existence of Floquet manipulation; By examining the competitive mechanisms between microwave photon tunneling and strong interaction of microwave photons and superconducting qubits, we will reveal the physical origin of quantum phase transitions in quantum circuit lattice system under Floquet manipulating so as to deepen our understanding of Floquet coherent modulating mechanism and provide new ideas and feasible solutions for realizing super-fast quantum information processing and hunting for new quantum matters and novel topological physics.
超导量子电路系统可以灵活地调节,结合周期性驱动技术,为模拟超强耦合、极强耦合的光与物质相互作用提供了良好的平台。本项目完成的工作如下:.1、设计了可调复振幅的磁通周期调制方案来保护Fluxonium量子比特在静态磁通远离最佳工作点时的量子相干性。该方案引入了对低频磁通噪音不敏感的调制通道:相对幅度因子和相对相位因子,它们可以在较大的连续区间内调节。在一簇最佳工作点附近或者两簇最佳工作点之间,可以使Fluxonium量子比特在远离静态最佳工作点时的相干时间超过100微秒,有地抑制Fluxonium量子比特对磁通调制振幅噪音的敏感,为长寿命的超导量子比特的构建提供可行的技术方案;.2、构建了反Jaynes-Cummings模型和反Jaynes-Cummings三角模型。反Jaynes-Cummings模型在光与原子相互作用超过某个阀值时会发生量子相变;反Jaynes-Cummings三角模型考虑了腔光子在格点间的跃迁,由于人工磁场的存在该跃迁会引起相位的变化。当光与原子的相互作用较弱时,腔光场处于有能隙的常规相(光场真空态);相反,当光与原子的相互作用足够强时,腔光场的状态受人工磁场的影响,可能处于三种超辐射态:一种没有光子流超辐射态,两种具有相反光子流的超辐射态。我们还设计了实验探测方案来测量相应的常规相、超辐射相以及手征光子流;.3、现有的理论表明,量子临界减缓效应使得量子绝热演化难以快速实现,激发出准粒子并破坏基态,导致精度上限为海森堡极限。基于各向异性的量子Rabi模型,我们发现在三相点附近可以找到能够有效抑制激发的量子绝热演化路径,从而减少绝热演化所需时间导致相关Fisher信息量与绝热演化时间成指数函数关系。该研究工作提升了量子临界增强测量的精度上限,为超海森堡极限的量子测度的实验实现提供了新的可行方案。
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