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电路量子电动力学系统中的多比特量子拉比模型与多体纠缠态

Multi-qubit Quantum Rabi Model and Multi-partite Entangled States in a Circuit QED System.

作者信息

Li Jialun, Wang Gangcheng, Xiao Ruoqi, Sun Chunfang, Wu Chunfeng, Xue Kang

机构信息

Center for Quantum Sciences and School of Physics, Northeast Normal University, Changchun, 130024, China.

Science and Mathematics, and Pillar of Engineering Product Development, Singapore University of Technology and Design, 8 Somapah Road, Singapore, 487372, Singapore.

出版信息

Sci Rep. 2019 Feb 4;9(1):1380. doi: 10.1038/s41598-018-35751-3.

DOI:10.1038/s41598-018-35751-3
PMID:30718592
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6362268/
Abstract

Multi-qubit quantum Rabi model, which is a fundamental model describing light-matter interaction, plays an important role in various physical systems. In this paper, we propose a theoretical method to simulate multi-qubit quantum Rabi model in a circuit quantum electrodynamics system. By means of external transversal and longitudinal driving fields, an effective Hamiltonian describing the multi-qubit quantum Rabi model is derived. The effective frequency of the resonator and the effective splitting of the qubits depend on the external driving fields. By adjusting the frequencies and the amplitudes of the driving fields, the stronger coupling regimes could be reached. The numerical simulation shows that our proposal works well in a wide range of parameter space. Moreover, our scheme can be utilized to generate two-qubit gate, Schrödinger states, and multi-qubit GHZ states. The maximum displacement of the Schrödinger cat states can be enhanced by increasing the number of the qubits and the relative coupling strength. It should be mention that we can obtain high fidelity Schrödinger cat states and multi-qubit GHZ states even the system suffering dissipation. The presented proposal may open a way to study the stronger coupling regimes whose coupling strength is far away from ultrastrong coupling regimes.

摘要

多比特量子拉比模型是描述光与物质相互作用的基本模型,在各种物理系统中起着重要作用。本文提出了一种在电路量子电动力学系统中模拟多比特量子拉比模型的理论方法。借助外部横向和纵向驱动场,推导了描述多比特量子拉比模型的有效哈密顿量。谐振器的有效频率和量子比特的有效分裂取决于外部驱动场。通过调整驱动场的频率和幅度,可以达到更强的耦合区域。数值模拟表明,我们的方案在很宽的参数空间范围内都能很好地工作。此外,我们的方案可用于生成两比特门、薛定谔态和多比特GHZ态。通过增加量子比特的数量和相对耦合强度,可以提高薛定谔猫态的最大位移。应该指出的是,即使系统存在耗散,我们也能获得高保真的薛定谔猫态和多比特GHZ态。所提出的方案可能为研究耦合强度远离超强耦合区域的更强耦合区域开辟一条途径。

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