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文檔簡介
1、項目名稱:基于光與冷原子的量子物理和量子信息首席科學(xué)家:潘建偉 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)起止年限:2011.1至2015.8依托部門:中國科學(xué)院1 / 35二、預(yù)期目標1. 總體目標: 項目的總體目標是瞄準我國未來信息技術(shù)和社會發(fā)展的重大需求,開展量子物理和量子信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前瞻性探索研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),為我國在未來的國際戰(zhàn)略競爭中搶占核心技術(shù)的制高點打下扎實基礎(chǔ),為我國在量子物理和量子信息及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供戰(zhàn)略性建議,協(xié)調(diào)和推動我國在該領(lǐng)域的研究和發(fā)展;培養(yǎng)和造就從事量子物理和量子信息研究的高級專門人才。通過本項目諸多科研課題獨立又相互交叉的深入研究,預(yù)期在多光子糾纏的制備和應(yīng)用研究,
2、糾纏光子和原子系綜交互界面的可升級的量子存儲和量子中繼器的研究,超冷原子量子調(diào)控的研究,和光-冷原子量子信息處理的相關(guān)理論研究等方面做出一些原創(chuàng)性的有重要意義的處于國際領(lǐng)先水平的成果,并在若干方面將研究成果轉(zhuǎn)化為可預(yù)期的具有市場價值的產(chǎn)品。這將為構(gòu)筑具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的量子調(diào)控技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ),以及推動我國量子物理和量子信息的實用化做出重要貢獻。本項目預(yù)計將在量子物理與量子信息等研究領(lǐng)域內(nèi)發(fā)表高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文數(shù)十篇、出版專著2-3部、申請5-10項發(fā)明專利、組織高水平的國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議、培養(yǎng)30名左右的優(yōu)秀人才,從而凝聚和培養(yǎng)一支高素質(zhì)的從事量子物理和量子信息科學(xué)技術(shù)研究的科研隊伍,建立在學(xué)術(shù)上具
3、有重要國際影響的科研基地,提升我國在這一前沿交叉領(lǐng)域的國際競爭能力,在量子物理和量子信息相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)保持國際領(lǐng)先地位。2. 五年預(yù)期目標:(1)實驗實現(xiàn)八光子糾纏的產(chǎn)生和基于糾纏的單向量子計算;(2)實現(xiàn)基于糾纏光子的干涉器件、量子計算器件的研制;(3)將糾纏光子存儲到冷原子系綜中,實驗實現(xiàn)窄帶糾纏光子與量子存儲器的接口; (4)延長冷原子系綜量子存儲的壽命到100毫秒數(shù)量級,探索更貼近實用的量子中繼器;(5)實驗實現(xiàn)光阱中的玻色-愛因斯坦凝聚,產(chǎn)生等效規(guī)范勢場; (6)開發(fā)光晶格中單原子分辨和定位技術(shù),探索對單原子的操控技術(shù); (7)探索冷原子在空心光子晶體光纖中與光場相互作用的特性,
4、開展一維量子光學(xué)體系中光子費米化的研究;(8)在理論上建立利用光子和冷原子進行量子物理和量子信息研究的一系列物理模型及相應(yīng)的算法和設(shè)計,實現(xiàn)對相關(guān)實驗的理論指導(dǎo)。 三、研究方案1. 學(xué)術(shù)思路:本項目計劃以光子與冷原子為主要研究對象,開展量子物理與量子信息等領(lǐng)域的一系列關(guān)鍵問題,關(guān)鍵技術(shù)以及面向應(yīng)用的研究工作。在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊業(yè)已取得的系列量子物理與量子信息理論、實驗及相關(guān)應(yīng)用的研究成果基礎(chǔ)上,本項目將結(jié)合當今先進的激光技術(shù),信息技術(shù)和電子學(xué)技術(shù),充分發(fā)揮多學(xué)科交叉互補、實驗理論緊密結(jié)合的優(yōu)勢,開展對光子和冷原子操控的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),系統(tǒng)性地理論研究量子物理與量子信息基本原
5、理與應(yīng)用,實驗實現(xiàn)更多光子更多自由度的糾纏和基于多糾纏光子的量子計算演示,研發(fā)基于光子與原子相干操控和量子存儲技術(shù)的可實用化的量子中繼器,發(fā)展超冷原子的制備和操控技術(shù)和量子仿真應(yīng)用。最終在上述研究的基礎(chǔ)上,本項目的開展實現(xiàn)將為中國構(gòu)筑具有自主知識產(chǎn)權(quán)的量子信息技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ),為推動中國量子信息的實用化做出重要貢獻。2. 技術(shù)途徑:在多光子糾纏態(tài)制備及其在量子信息中的應(yīng)用方面,本項目計劃在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,著力于提升單光子的收集效率與探測效率,結(jié)合高維光子糾纏度的應(yīng)用來實現(xiàn)多光子多自由度量子比特的快速高精度的操控。以此為基礎(chǔ),系統(tǒng)地研究上述體系在量子精密測量,量子計算,新穎量子基礎(chǔ)檢測等方面的能力
6、,為其應(yīng)用于量子信息處理提供重要依據(jù)。進一步,把這些已經(jīng)搭建的實驗體系整合成為功能化小型化的量子實驗器件,運用于量子精密測量原理的演示、新型量子計算模式的驗證以及重要基礎(chǔ)物理問題的研究。在光子與冷原子的量子存儲方面,深入研究量子存儲的退相干機制和損耗機制;在理論指導(dǎo)下,實驗上采用激光、磁場控制等多種途徑提高冷原子的光學(xué)厚度,抑制退相干和原子損耗,增大光子與原子的耦合強度以期提高冷原子系綜量子存儲的壽命和量子態(tài)讀出效率。在應(yīng)用研究方面,我們將優(yōu)化單個量子存儲器性能,提升其穩(wěn)定性和效率;開發(fā)多單元量子存儲器件;與多光子糾纏技術(shù)結(jié)合起來,將糾纏光子的操控和冷原子的操控統(tǒng)一聯(lián)接起來,為將來實用型量子中
7、繼器的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。在超冷原子的量子調(diào)控方面,以玻色-愛因斯坦凝聚為基礎(chǔ),依靠中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊已具有的光子操控和原子操控的技術(shù),通過激光、磁場和超冷原子的耦合,實現(xiàn)對超冷原子量子態(tài)的精密操控和調(diào)節(jié),為量子仿真凝聚態(tài)物理現(xiàn)象打下基礎(chǔ)。進一步,開發(fā)光晶格中的單格點分辨以及單原子操縱技術(shù) ,對光晶格格點中的單個原子進行相干操控。同時通過研究原子與光子之間的相互作用,探索利用空心光子晶體光纖中的原子和光子進行量子存儲,量子仿真的技術(shù)可行性,為今后多用途量子器件的開發(fā)打下基礎(chǔ)。3. 創(chuàng)新點與特色:本項目中所選擇的研究內(nèi)容,都是針對量子物理和量子信息中廣泛受到關(guān)注、具有重要應(yīng)用前景的關(guān)鍵科學(xué)問題。
8、其中每個問題的解決,都具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。這個過程中發(fā)展起來的技術(shù)不僅在量子物理和量子信息領(lǐng)域中很重要,而且可以廣泛應(yīng)用于原子物理,光學(xué)和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域產(chǎn)生的眾多交叉學(xué)科的研究中。因此,本項目的成功將是具有重大價值的科技進展。(1)在研究對象上,我們采用光子和冷原子作為主要的研究和量子調(diào)控對象。光和原子系統(tǒng)優(yōu)勢互補是本項目的一大特色。光子是理想的量子信息載體,具有傳輸迅捷、性能穩(wěn)定、易于進行相干操作等一系列優(yōu)點。量子信息學(xué)十余年來的發(fā)展,光子始終是研究者們有力的工具,相關(guān)技術(shù)已相當成熟。原子是當前量子信息理想的存儲介質(zhì),在量子物理和量子信息技術(shù)中可以彌補單純操作光子的局限性。另外,
9、冷原子體系也成為量子調(diào)控的重點。原子操控技術(shù)的發(fā)展和推廣將應(yīng)用于更大的領(lǐng)域中,產(chǎn)生更多的學(xué)科交叉。(2)從研究手段上,依靠已有的雄厚實驗技術(shù),利用經(jīng)驗豐富的研究成員借鑒和吸收當前先進技術(shù),是本項目完成的重要保證。在多光子糾纏方面,本項目計劃發(fā)展高效率的光子收集系統(tǒng)和探測器,高穩(wěn)定性的單光子干涉Sagnac環(huán)等關(guān)鍵器件,進行更多光子糾纏的研究,發(fā)展量子信息處理和量子計算的新技術(shù)。在光和冷原子量子存儲和量子中繼器的研究方面,科研團隊將從克服量子退相干的目標出發(fā),結(jié)合暗磁光阱、藍失諧光偶極阱、“鐘態(tài)”原子和光學(xué)腔等新開發(fā)技術(shù),提高量子存儲的品質(zhì),并發(fā)展多信息的存儲介質(zhì),開發(fā)更加貼近于實用的量子中繼器
10、技術(shù)。在利用超冷原子進行量子調(diào)控方面,科研團隊將結(jié)合超冷原子獲取和操控技術(shù)、光晶格技術(shù)、Feshbach共振技術(shù),和最新發(fā)展的單原子分辨與定位技術(shù)、空心光子晶體光纖裝載原子技術(shù),有效開展具有我們自己特色的量子仿真,量子調(diào)控的研究工作,進一步探索量子物理學(xué)的奧秘。(3)從研究方法上,注重實驗與理論的緊密結(jié)合。理論計算與實驗分析將始終貫穿于每一個課題、每一項研究工作中。這種密切結(jié)合,即能夠確保理論上掌握基于光和冷原子量子調(diào)控實現(xiàn)的各個環(huán)節(jié)的條件、揭示實際可行的技術(shù)途徑和發(fā)展具有原創(chuàng)性的量子物理和量子信息新技術(shù),又能夠在實驗上將各種技術(shù)手段有機集成迅速有效運用到各種物理問題的研究和探索當中。因此,形
11、成理論和實驗互相促進、多學(xué)科和多技術(shù)手段交叉的良好研究氛圍和機制,將為本項目預(yù)期目標的完美實現(xiàn)創(chuàng)造必要和可靠的條件。4. 取得重大突破的可行性分析:各課題組在多光子糾纏,冷原子量子存儲及其相關(guān)的理論已開展了多年研究,已有很好的研究基礎(chǔ),開展了廣泛深入的國際學(xué)術(shù)交流和科技合作,培養(yǎng)和創(chuàng)建了完整的研究梯隊,取得了一系列國際領(lǐng)先的研究成果。完備的研究隊伍、雄厚的技術(shù)儲備、成熟的科研實驗平臺和廣泛的國際合作等方面為本項目的進一步深入研究奠定了良好的基礎(chǔ)。通過幾個課題組的繼續(xù)發(fā)展和緊密結(jié)合,本項目極有可能在更多光子糾纏的產(chǎn)生和應(yīng)用、基于光子和原子相互作用的新型量子存儲和量子中繼器的開發(fā)、超冷原子的量子調(diào)
12、控以及貫穿其中的機理研究和解決方法等方面取得一批重大突破和科技進展。5項目組織形式:項目將參照“973”項目的要求實施,實行首席科學(xué)家負責制,成立以首席科學(xué)家為組長的項目執(zhí)行機構(gòu),把握學(xué)術(shù)方向,協(xié)調(diào)解決有關(guān)問題,每年召集1-2次項目學(xué)術(shù)研討會,推進項目順利實施;成立戰(zhàn)略研究小組,瞄準國際最新研究前沿,為總體目標的實現(xiàn)提供信息指導(dǎo);成立顧問組,聘請資深專家作為項目顧問,對項目的進展提出咨詢意見。 6. 課題設(shè)置思路:以光學(xué)系統(tǒng)、冷原子系綜、以及它們之間的量子界面為主要研究對象,針對量子信息處理、計算、及仿真等量子調(diào)控的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié),探索宏觀新奇量子現(xiàn)象可能的微觀物理機制及數(shù)值計算方法,設(shè)計和發(fā)展
13、基于各種科學(xué)原理的實驗體系和理論方案,開發(fā)滿足可擴展、可升級、規(guī)?;⒓苫?、小型化、實用化等要求的關(guān)鍵技術(shù),研制量子信息處理中量子態(tài)制備、存儲、操縱、測量等模塊的關(guān)鍵器件和集成系統(tǒng)。在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊業(yè)已取得的研究成果和技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合當今先進的激光技術(shù),信息技術(shù)和電子學(xué)技術(shù),充分發(fā)揮多學(xué)科交叉互補的優(yōu)勢,針對量子信息科技進行系統(tǒng)全面的探索和研發(fā)??蒲许椖空n題合理規(guī)劃,實驗與理論緊密結(jié)合,科研人員統(tǒng)籌安排密切合作,將保證本項目的順利實施和完成。在保證項目系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上,根據(jù)項目的預(yù)期目標和具體實驗對象側(cè)重點的差別,設(shè)置以下4個研究課題:多光子量子糾纏的制備、操縱和應(yīng)用;光與冷原子量
14、子存儲和量子中繼器的研究;超冷原子量子調(diào)控及其應(yīng)用;光和冷原子量子調(diào)控的理論研究。7. 課題間的有機聯(lián)系、與項目預(yù)期目標的關(guān)系:上面這些課題,既有各自的特點,又有密切的融合交叉。課題之間的密切關(guān)聯(lián)可粗略地概括為如下幾點。第一,四個課題都緊緊圍繞整個項目的總目標,即致力于研發(fā)量子信息處理及相關(guān)量子調(diào)控實用化所需求的關(guān)鍵器件、關(guān)鍵技術(shù),探索與之相關(guān)的物理機制。第二,在各種實驗系統(tǒng)中,由于光和冷原子系綜各自的優(yōu)越性及它們的互補性,同時考慮到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息領(lǐng)域完整的科研團隊已經(jīng)積累的雄厚技術(shù)和豐富經(jīng)驗,課題的研究對象聚焦于光學(xué)系統(tǒng)和冷原子系綜,以及它們的結(jié)合。各課題自成系統(tǒng),各有側(cè)重,相互獨
15、立,又相互關(guān)聯(lián),理論上相互印證,技術(shù)上相互支撐。第三,理論與實驗研究分工明確,又緊密合作。量子現(xiàn)象的理論闡述和實驗驗證,量子信息的方案設(shè)計和物理實現(xiàn),共同為整個研究項目的最終目標服務(wù)。課題1以光學(xué)系統(tǒng)為研究對象,研制小型化高效率的多光子糾纏器件、高效率的光子收集器和探測器、以及超糾纏態(tài)的制備手段;同時探索這些技術(shù)和器件在量子信息處理、高精度測量、量子力學(xué)基礎(chǔ)檢測等方向的應(yīng)用。課題2以光和冷原子接口為主要研究對象,應(yīng)用窄帶糾纏源、電磁誘導(dǎo)透明、光晶格和暗磁光阱技術(shù)等,進行可拓展可升級的量子存儲和量子中繼器的研制。課題3以超冷原子和光晶格為主要研究對象,應(yīng)用Fesbach共振技術(shù)對光晶格中的原子間
16、相互作用進行調(diào)控,對量子相變、規(guī)范場產(chǎn)生、一維空心光纖內(nèi)光子費米化等重要現(xiàn)象進行量子仿真;同時,對光晶格中單原子分辨和定位(single atom addressing)等有重要作用的關(guān)鍵技術(shù)進行開發(fā)。課題4利用課題研究骨干不同的科研背景和理論優(yōu)勢,圍繞實驗需求及量子信息處理前瞻性的課題,為前三個課題組提供理論指導(dǎo)、協(xié)助和配合,發(fā)展一套能高效模擬光晶格仿真系統(tǒng)的數(shù)值算法等。課題1、2、3各自發(fā)展出的實驗技術(shù)將能夠被其它實驗課題有效借鑒和應(yīng)用,它們的研究也將為課題4的理論研究提供新的內(nèi)容。而課題4的研究成果又能為課題1、2、3的實驗研究揭示實際可行的技術(shù)途徑。在關(guān)鍵器件的研制和關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)的同
17、時,本項目的4個課題也非常重視量子力學(xué)和量子信息學(xué)的前瞻性課題的探索和研究。這樣的研究計劃目標是爭取讓本研究團隊長期保持甚至進一步提升在國際上的地位。8. 各課題的詳細信息如下:課題1: 多光子量子糾纏的制備、操縱和應(yīng)用研究目標: 通過對本課題的研究,應(yīng)掌握相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中量子比特的性質(zhì),找到有效擴展量子比特的方法,發(fā)展出高效率的光子收集系統(tǒng),完成更多光子和更多量子比特的實驗實現(xiàn)。并且基于這些光子糾纏態(tài)進行量子高精度測量和量子計算,為論證光學(xué)量子計算等方案的可行性和可擴展性提供理論和實驗依據(jù)。同時通過課題的實施帶動國際交流和人才培養(yǎng),為我國今后在光學(xué)量子計算的前沿研究上奠定人才基礎(chǔ)。 研究內(nèi)容:
18、(1) 多光子糾纏態(tài)和超糾纏態(tài)制備、高效率光子收集和探測等關(guān)鍵器件的研制。在目前六光子糾纏態(tài)制備技術(shù)的基礎(chǔ)上,研制高效率的光子收集器和探測器,進一步制備七、八,甚至更多光子的糾纏源和那些在量子計算和量子模擬中具有重要地位的糾纏態(tài),如多光子GHZ態(tài),簇(cluster)態(tài),以及無退相干態(tài)(DFS,decoherence-free state);利用光子的極化、路徑等多自由度,發(fā)展超糾纏態(tài)的制備手段,實驗實現(xiàn)十至二十量子比特糾纏。 (2) 糾纏光子在高精度測量、量子計算、及量子基礎(chǔ)檢測的應(yīng)用研究。在制備的糾纏態(tài)基礎(chǔ)上,利用糾纏態(tài)的德布羅意波長與光子數(shù)成反比的性質(zhì),進行超越經(jīng)典極限的高精度測量研究;
19、利用高維糾纏態(tài)的拓撲性質(zhì),進行拓撲糾錯碼、基于簇態(tài)和非簇態(tài)的單向量子計算等理論方案的實驗演示;利用特定結(jié)構(gòu)簇態(tài)的幾何性質(zhì),實驗實現(xiàn)拓撲量子比特;利用高維糾纏態(tài)進行漸次關(guān)閉漏洞的類空間隔非定域性檢驗和其它新穎的量子基礎(chǔ)檢驗實驗。 經(jīng)費比例: 32% 承擔單位: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 課題負責人: 潘建偉 學(xué)術(shù)骨干: 陳騰云、梁昊、王堅、江曉課題2: 光與冷原子量子存儲和量子中繼器的研究研究目標:高性能的量子存儲器將不僅為實用化的量子通信提供基本單元,同時也將是可升級的量子計算機不可少的組成部分。本課題的主要研究目標如下: 1)開發(fā)基于EIT的多原子系綜存儲單元,實現(xiàn)可以直接存儲任意未知量子態(tài)的通用量
20、子存儲器;并基于此技術(shù)實現(xiàn)參量下轉(zhuǎn)換糾纏光子源的直接存儲,為概率光子糾纏源提供量子存儲接口。2)在藍失諧光阱和光晶格的幫助下,大幅提高量子存儲器的壽命;同時,借助于原子和光學(xué)腔的耦合技術(shù),提高光子態(tài)與原子集體態(tài)之間的高效率轉(zhuǎn)化。3)通過開展基于原子系綜量子存儲器的應(yīng)用研究,實現(xiàn)光纖連接的兩團原子系綜間的量子隱形傳態(tài),提升異地原子間糾纏的品質(zhì)和產(chǎn)生效率,獲取單向量子計算與量子存儲器的融合技術(shù)。研究內(nèi)容:(1) 窄帶糾纏光存儲器的研制。開發(fā)矩形磁光阱技術(shù),囚禁高密度的雪茄形Rb87原子系綜以產(chǎn)生大光學(xué)厚度的量子存儲介質(zhì);在冷原子團中建立兩套基于EIT機制的存儲單元,分別用來存儲單光子極化態(tài)的兩個正
21、交極化模,結(jié)合高精度鎖相技術(shù)實現(xiàn)通用量子存儲器;利用腔增強的光參量下轉(zhuǎn)換方法,制備適合于量子存儲的單模的窄帶極化糾纏光子源;實現(xiàn)將量子糾纏相干地存入冷原子系綜中并可控地和高保真度地讀出。 (2) 長壽命量子存儲器及其讀寫接口的研制。實現(xiàn)暗磁光阱,有效獲得高密度的冷原子系綜;磁光阱中束縛的原子,經(jīng)過進一步冷卻到亞多普勒溫度;把暗磁光阱中的冷原子向藍失諧偶極光阱傳輸,研究如何在藍失諧偶極光阱中獲得合適的原子數(shù)目、長囚禁時間、低散射率和小光頻移效應(yīng);研究寫光、讀光和原子系綜的空間模式匹配及其對原子集體激發(fā)態(tài)讀出效率的影響;研究原子鐘態(tài)能級和原子溫度對存儲壽命的影響;研究冷原子光晶格Mott絕緣態(tài),有
22、效抑制原子運動帶來的自旋波退相干;研究環(huán)型共振腔中冷原子的耦合機制,開發(fā)鎖定腔長的技術(shù),同時實現(xiàn)量子存儲器長存儲壽命和高讀出效率。(3) 基于原子系綜量子存儲器的應(yīng)用研究。利用原子系綜產(chǎn)生的光與原子糾纏態(tài),探索實現(xiàn)遠距離光纖連接的兩團原子間的量子隱形傳態(tài);研究如何利用量子反饋技術(shù)和長壽命光與原子糾纏態(tài)來提升糾纏交換的成功概率,進而提高異地原子糾纏態(tài)制備的效率;在實現(xiàn)異地原子團間的確定性糾纏態(tài)制備的基礎(chǔ)上,利用四團原子系綜進行糾纏純化研究,提升異地間糾纏的品質(zhì);利用長壽命光與原子糾纏,結(jié)合自由空間量子通訊技術(shù),研究遠距離光與原子糾纏態(tài)的分發(fā)技術(shù);根據(jù)已有的理論工作,開展多節(jié)點多級次量子中繼器的可
23、行性研究;實驗上制備光與原子間的量子簇態(tài),探索基于量子存儲的單向量子計算技術(shù)。 經(jīng)費比例: 27% 承擔單位: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 課題負責人: 苑震生 學(xué)術(shù)骨干: 陳增兵、金革、徐春凱課題3: 超冷原子量子調(diào)控及其應(yīng)用研究目標:實驗上獲得玻色-愛因斯坦凝聚并利用光晶格技術(shù),獲得BEC超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)的相變;通過BEC與光和磁場的相互耦合,在光偶極勢阱中產(chǎn)生規(guī)范場;探索規(guī)范場仿真凝聚態(tài)物理中某些現(xiàn)象。通過光晶格系統(tǒng)中量子操縱的基本方法,發(fā)展精確有效的單原子操縱的調(diào)控技術(shù),開發(fā)實現(xiàn)晶格內(nèi)兩兩原子糾纏的量子比特門的技術(shù)。并對相應(yīng)光晶格超冷原子系統(tǒng)在單原子操縱技術(shù)下進行量子計算的特性積累知識,為
24、論證光晶格量子計算以及量子模擬方案的可行性和可擴展性提供理論和實驗依據(jù)。開展光子調(diào)控的研究,將冷原子裝載入空心光纖,探索冷原子在空心光子晶體光纖中與量子光場的相互作用特性,開展一維量子光學(xué)體系中光子費米化的研究。同時通過課題的實施帶動國際交流和人才培養(yǎng),為我國今后在利用超冷原子進行量子計算以及量子仿真的前沿研究上奠定人才基礎(chǔ)。研究內(nèi)容:(1) 利用光阱和光晶格中的BEC產(chǎn)生規(guī)范勢場。建立玻色-愛因斯坦凝聚實驗裝臵,獲得玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC),并利用光晶格技術(shù),實現(xiàn)BEC超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)的相變。利用BEC與光和磁場的相互作用,在光偶極阱和光晶格中構(gòu)造規(guī)范勢場的研究,并對兩者的產(chǎn)生機
25、制進行比較,為今后利用超冷原子進行量子霍爾效應(yīng)等方面的量子仿真奠定基礎(chǔ)。 (2) 光晶格中單原子的分辨和定位技術(shù)的探索。在光晶格調(diào)控BEC的技術(shù)基礎(chǔ)上,開發(fā)光晶格中的單格點分辨的成像系統(tǒng)和單原子操縱的關(guān)鍵技術(shù),并開發(fā)兩維超晶格技術(shù),將原子裝載到兩維超晶格中,探索模擬四體相互作用的可能性,并進一步探索任意子的產(chǎn)生。 (3) 利用一維冷原子和光場進行量子調(diào)控的探索。將超冷原子裝載到空心光子晶體光纖中,形成一維量子光學(xué)系統(tǒng)。利用光子和原子相互作用和EIT原理,進行新型量子存儲器件的前瞻性探索和研究。利用原子的多個能級,在一維體系中引入光子之間的相互作用,進行一維量子光學(xué)系統(tǒng)中有相互作用的玻色子費米化
26、等量子仿真研究。 經(jīng)費比例: 30%承擔單位: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué) 課題負責人: 陳帥 學(xué)術(shù)骨干: 陳啟瑾、鄭堅、顏波、單旭課題4: 光和冷原子量子調(diào)控的理論研究研究目標:通過對基于不同科學(xué)原理的量子信息處理及量子計算理論方案及其優(yōu)劣性的深入研究,探索各方案實驗實現(xiàn)的可能性,并開發(fā)更加優(yōu)化的實驗方案。研究量子存儲的各種物理機制,設(shè)計更高品質(zhì)的量子中繼器方案。對光晶格量子仿真系統(tǒng)進行場論研究,并發(fā)展相應(yīng)的高效蒙特卡洛算法。設(shè)計新穎量子基礎(chǔ)檢測實驗方案,探索量子力學(xué)的弱測量理論的一般數(shù)學(xué)形式及其應(yīng)用。挖掘量子糾錯碼的深層數(shù)學(xué)機制??偠灾?,與實驗緊密結(jié)合,為前三個課題組提供理論指導(dǎo)和配合,
27、并且對量子信息前瞻性或基礎(chǔ)性物理問題進行深入研究。本課題的實施,將通過密切的國際國內(nèi)交流,同時將吸引優(yōu)秀的高年級本科生和研究生參與,為我國今后在量子信息處理相關(guān)理論方面奠定人才基礎(chǔ)。研究內(nèi)容:(1) 可拓展可升級量子信息處理及量子計算實驗系統(tǒng)及實驗方案研究。對基于拓撲性質(zhì)的量子糾錯碼、簇態(tài)及非簇態(tài)單向量子計算、制備超糾纏等實驗方案進行進一步研究并探索進行實驗實現(xiàn)的可能性。 (2) 量子存儲及退相干物理機制研究。深入研究基于光和冷原子系綜的量子存儲物理機制,特別是基于電磁誘導(dǎo)透明(EIT)技術(shù)的量子存儲,及相應(yīng)的退相干機制,開發(fā)可升級的量子中繼器方案。 (3) 量子場論和光晶格仿真系統(tǒng)的理論研究
28、和高效數(shù)值算法設(shè)計。對光晶格仿真系統(tǒng)的量子相變行為進行保角場理論(conformal field theory)的刻畫。應(yīng)用在算法設(shè)計方面積累的豐富經(jīng)驗,從數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、物理系統(tǒng)蘊含的對稱性、不同算法中巧妙技巧的結(jié)合、以及深層的數(shù)學(xué)機制,發(fā)展和設(shè)計能模擬量子場論和光晶格仿真系統(tǒng)的高效量子蒙特卡洛算法,特別是基于蠕蟲類更新的算法和能克服費米系統(tǒng)符號問題的圖像蒙特卡洛算法。 (4) 弱測量理論應(yīng)用及量子糾錯碼數(shù)學(xué)機制研究。研究量子力學(xué)的弱測量理論在一般情況下的數(shù)學(xué)形式,以及其利用先選擇和后選擇對信號的放大原理,探索在光學(xué)和冷原子系統(tǒng)的實驗實現(xiàn)。研究量子糾錯碼的普適數(shù)學(xué)機制,設(shè)計更加優(yōu)化的糾錯碼方案。
29、 經(jīng)費比例: 11%承擔單位: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 課題負責人: 鄧友金 學(xué)術(shù)骨干: 郁司夏、蔣一、劉乃樂、吳盛俊 四、年度計劃2011年1月2011年12月研究內(nèi)容:搭建高功率激光系統(tǒng),多探測器測量裝置,設(shè)計多通道符合電子學(xué)系統(tǒng)。優(yōu)化兩光子糾纏源的亮度和對比度;采用不同帶寬的干涉濾波片優(yōu)化光子干涉的效果;采用不同的糾纏相干拓撲結(jié)構(gòu),優(yōu)化多光子糾纏保真度。搭建激光器、真空腔,實現(xiàn)基于磁光阱的冷原子裝置,引入暗磁光阱技術(shù),優(yōu)化原子光學(xué)厚度和原子裝載速率。在冷原子團中建立兩套基于EIT機制的存儲單元,分別用來存儲單光子極化態(tài)的兩個正交極化模,結(jié)合高精度鎖相技術(shù)實現(xiàn)通用量子存儲器;利用腔增強的光參量下
30、轉(zhuǎn)換方法,通過優(yōu)化泵浦光脈沖的長度,有效的解除極化糾纏光子的頻率關(guān)聯(lián),制備適合于量子存儲的單模的窄帶極化糾纏光子源;實現(xiàn)將量子糾纏相干地存入冷原子系綜中并可控地和高保真度地讀出。實現(xiàn)光阱中的玻色-愛因斯坦凝聚;搭建Feshbach共振的磁場和磁場控制裝置;搭建光晶格實驗裝置和用于產(chǎn)生規(guī)范勢阱的激光、磁場裝置。設(shè)計單格點分辨本領(lǐng)的光學(xué)成像系統(tǒng);建立空心光子晶體光纖的實驗裝置,嘗試將冷原子裝載進入光子晶體光纖。對基于空間拓撲結(jié)構(gòu)的拓撲圖態(tài)量子計算的實驗方案進行深入分析,定量計算可升級對拓撲圖態(tài)的要求,圖態(tài)對各種可能的量子比特錯誤的容忍度。在有限的光子糾纏對下,探索利用超糾纏構(gòu)造更復(fù)雜的拓撲圖態(tài)。細
31、致分析窄帶糾纏光子對之間可能存在的頻率關(guān)聯(lián)等。對利用重力場以及磁場不均勻性在超冷原子系綜產(chǎn)生規(guī)范場的實驗方案進行第一性原理的數(shù)值模擬。發(fā)展和設(shè)計連續(xù)虛時的蠕蟲算法。進一步完善和發(fā)展量子力學(xué)的弱測量理論,給出一般情況下弱測量理論的完整數(shù)學(xué)表達形式。預(yù)期目標:實現(xiàn)最終計數(shù)30萬對,保真度95%以上的高亮度高保真度糾纏源;在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)可見度80%的四光子糾纏源;成功實現(xiàn)八光子GHZ糾纏態(tài)以及八光子消相干自由空間糾纏態(tài)的實驗制備。暗磁光阱提高原子光學(xué)厚度,20以上;解除極化糾纏光子的頻率關(guān)聯(lián),并維持窄帶糾纏光子帶寬到10 MHz量級;相干存儲糾纏光子到微秒量級。成功實驗驗證窄帶糾纏源的相干量子存儲
32、。實現(xiàn)光阱中的玻色-愛因斯坦凝聚,并將凝聚體裝載到3維光晶格中;完成單格點分辨的光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計;建成空心光子晶體光纖實驗裝置,裝載冷原子光學(xué)厚度達到10。構(gòu)造當前實驗技術(shù)能實現(xiàn)的并且具有拓撲性質(zhì)的圖態(tài);為無頻率關(guān)聯(lián)的窄帶光子糾纏在冷原子系統(tǒng)的量子存儲實驗實現(xiàn)提供具體參數(shù); 為阿貝爾等效規(guī)范場的量子模擬實驗實現(xiàn)建議合理的實驗方案; 完成連續(xù)虛時的蠕蟲算法代碼的編寫;給出一般情況下弱測量理論的完整數(shù)學(xué)表達形式。2012年1月2012年12月研究內(nèi)容:通過操縱光子的多個自由度探索多光子多量子比特的制備;研究多比特簇態(tài)和關(guān)聯(lián)空間糾纏態(tài)的制備;并探索在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)單向量子計算中單比特量子門和多比特的
33、量子門的實驗實現(xiàn);基于關(guān)聯(lián)空間糾纏態(tài)實現(xiàn)小規(guī)模演示性量子算法;基于量子隱形傳態(tài)的CNOT門演示;基于多光子糾纏態(tài)實現(xiàn)用于單向量子計算的拓撲量子比特。通過使用兩團由光纖連接的原子系綜,制備其中一團原子的集體激發(fā)態(tài),然后將制備的原子的任意量子態(tài)轉(zhuǎn)化成光子態(tài)后隱形傳態(tài)到另外那團遠程原子;使用光學(xué)粘團的技術(shù)進一步冷卻磁光阱中的冷原子達到亞多普勒溫度,同時開發(fā)和優(yōu)化藍失諧的偶極光阱,裝載冷原子到藍失諧偶極光阱,研究如何在光阱中獲得合適的原子數(shù)目、長囚禁時間、低散射率和小光頻移效應(yīng),優(yōu)化量子存儲的壽命和讀出效率。研究光晶格中冷原子的超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)的相變,通過Feshbach共振調(diào)節(jié)原子之間的相互作
34、用強度,實驗上觀察由原子相互作用的變化帶來的影響;定制單格點分辨的光學(xué)系統(tǒng),開始搭建具有單格點分辨能力的光晶格實驗系統(tǒng);提高冷原子在空心光纖中的光學(xué)厚度,研究冷原子在空心光纖中與激光相互作用的特性。根據(jù)實驗室能制備的多量子比特的糾纏態(tài)以及相應(yīng)的噪聲水平,設(shè)計能超越經(jīng)典極限的高精度測量的實驗方案;數(shù)值模擬和計算相應(yīng)量子多體系統(tǒng)的相圖及具體相變行為,討論這些系統(tǒng)在實驗室超冷原子系統(tǒng)下的具體行為,如光晶格特有的勢場下溫度定義;深入研究弱測量對微弱信號的放大作用,推導(dǎo)其對微弱信號實現(xiàn)放大的一般性原理;深入研究克服費米系統(tǒng)的符號問題的關(guān)鍵因素,發(fā)展和設(shè)計圖形蒙特卡洛算法。預(yù)期目標:實驗實現(xiàn)十個比特以上的
35、量子糾纏態(tài)制備;完成關(guān)聯(lián)空間糾纏態(tài)制備;基于多比特關(guān)聯(lián)空間非簇態(tài)實現(xiàn)單比特量子門;實現(xiàn)單向雙比特量子門;實現(xiàn)在關(guān)聯(lián)空間中的Deutch算法演示;實驗實現(xiàn)基于量子隱形傳態(tài)的CNOT門演示;實驗實現(xiàn)拓撲量子比特。實驗實現(xiàn)原子的任意激發(fā)態(tài)的遠程量子隱形傳態(tài)到另外一團冷原子,兩團冷原子之間用150米以上光纖連接;冷原子進一步冷卻到10-20微開后裝載到空心藍失諧光阱,光學(xué)厚道達到20以上,量子存儲的壽命達到幾十到一百毫秒的量級。實現(xiàn)3維光晶格中BEC的超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)相變;完成單格點分辨光學(xué)系統(tǒng)的制作,建成具有單格點分辨能力的光晶格實驗系統(tǒng);提高空心光纖中原子的光學(xué)厚度到100量級,在此基礎(chǔ)上開
36、展一維量子光學(xué)實驗研究。設(shè)計實現(xiàn)能超越經(jīng)典極限的高精度測量的實驗方案;與冷原子量子模擬密切相關(guān)的量子多體物理系統(tǒng)的相變行為機理分析;深入研究弱測量對微弱信號的放大作用;建立圖形蒙特卡洛算法的框架。2013年1月2013年12月研究內(nèi)容:利用十個比特以上的量子糾纏態(tài),探索其在超分辨量子精細測量中的應(yīng)用;提高十個比特以上糾纏態(tài)的保真度,以實現(xiàn)超出經(jīng)典極限的超分辨量子精細測量。搭建環(huán)形光學(xué)共振腔,研究環(huán)型共振腔與冷原子集體激發(fā)態(tài)的耦合機制,開發(fā)鎖定腔長的技術(shù),實現(xiàn)量子存儲器長存儲壽命和高讀出效率。同時開展冷原子量子存儲在提高量子糾纏產(chǎn)生效力方面的研究,引入冷原子的內(nèi)態(tài)自由度和光子的路徑自由度,開展超
37、糾纏方面的研究,更高效率的利用原子比特形成多比特糾纏,形成4比特簇態(tài),進行存儲內(nèi)嵌的單向量子計算。初步利用激光和超冷原子的相互作用,探索產(chǎn)生規(guī)范勢的機理,以BEC為基礎(chǔ)進行規(guī)范矢量勢的產(chǎn)生的研究,系統(tǒng)性研究規(guī)范勢下原子的有效質(zhì)量和能量-動量色散關(guān)系;在單格點分辨的光晶格實驗系統(tǒng)中實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚并將凝聚體裝載到2D光晶格中;探索利用空心光子晶體光纖中的冷原子進行量子存儲的技術(shù)。探索漸次關(guān)閉探測器漏洞和類空間隔漏洞的Bell不等式檢測的實驗方案,并比較“利用自由空間通信”和“微觀-宏觀量子糾纏態(tài)”的優(yōu)劣性以及它們實驗實現(xiàn)的可能性;對電磁誘導(dǎo)透明(EIT)機制進行系統(tǒng)深入地理論分析和從第一性
38、原理出發(fā)進行數(shù)值模擬計算;數(shù)值模擬利用空心光纖裝載冷原子的過程,探索裝載效率及冷原子在光纖內(nèi)壽命的關(guān)鍵因素;設(shè)計和發(fā)展基于蠕蟲更新的圖形蒙特卡洛算法;針對線性光學(xué)和冷原子系統(tǒng)的一些具體量子體系研究量子信息處理和量子測量過程中弱測量帶來的信號放大方案。預(yù)期目標:實現(xiàn)十二個量子比特的實驗制備,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)超分辨測量,并證明其超出了經(jīng)典極限,為量子超精細測量的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。實現(xiàn)光學(xué)共振腔和原子集體激發(fā)模式的共振,共振腔的品質(zhì)因子約40-50,實現(xiàn)物理讀出效率到80%左右;實現(xiàn)光子原子超糾纏態(tài),如兩體四維糾纏態(tài),實現(xiàn)四比特簇態(tài),實驗實現(xiàn)存儲內(nèi)嵌的單向量子計算方案。利用BEC產(chǎn)生規(guī)范矢量勢,可控的調(diào)
39、節(jié)在規(guī)范勢下原子的有效質(zhì)量和能量-動量色散關(guān)系;單格點分辨的光晶格實驗中形成BEC,并裝載到2D光晶格,用單格點分辨的成像系統(tǒng)觀測到BEC在光晶格中的分布特性;在空心光子晶體光纖中可控的存儲-讀出單光子信息。設(shè)計實現(xiàn)新型Bell不等式檢測實驗方案;為超長壽命量子存儲和遠距離量子中繼器的實驗實現(xiàn)提供指導(dǎo);理論分析和數(shù)值計算空心光纖裝載冷原子的實驗實現(xiàn);完成針對Fermi-Hubbard模型的圖形蒙特卡洛算法代碼的編寫;探索新的弱信號測量方案的可能性。2014年1月2014年12月研究內(nèi)容:利用非線性晶體,探索光子數(shù)糾纏態(tài)的實現(xiàn);探索微觀-宏觀糾纏態(tài)和宏觀-宏觀糾纏態(tài)的制備;在微觀-宏觀糾纏態(tài)的基
40、礎(chǔ)上,利用糾纏交換技術(shù),制備出宏觀-宏觀糾纏態(tài)。進一步冷卻冷原子到BEC,構(gòu)建光晶格體系,裝載冷原子到光晶格,研究冷原子光晶格Mott絕緣態(tài),有效抑制原子運動帶來的自旋波退相干,研究量子存儲在冷原子光晶格中的壽命和讀出效率;在光子-原子超糾纏的基礎(chǔ)上構(gòu)建更多比特的糾纏態(tài),如使用兩個兩體四維糾纏態(tài)在存儲器的幫助下實現(xiàn)四體八比特糾纏。進行產(chǎn)生等效規(guī)范磁場和等效規(guī)范電場的研究,觀測玻色-愛因斯坦凝聚體在等效規(guī)范磁場和等效規(guī)范電場中的動力學(xué)行為;在2D光晶格中研究超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)的相變,通過單格點分辨觀測超冷原子在光晶格中的分布和相變的動力學(xué)過程;探索利用空心光子晶體光纖中的冷原子進行光開關(guān)的技
41、術(shù),對存儲的信號光進行相干操控。系統(tǒng)分析和數(shù)值計算影響量子存儲的各種物理機制和因素;研究光和原子在空心光纖內(nèi)的相互作用,數(shù)值計算進行光子或其它玻色子費米化實驗實現(xiàn)的具體參數(shù);應(yīng)用連續(xù)虛時蠕蟲算法研究多組分玻色系統(tǒng),探索超固態(tài)的可能微觀物理機制;應(yīng)用圖形蒙特卡洛算法研究Fermi-Hubbard模型在二維及三維系統(tǒng)中的行為。預(yù)期目標:實現(xiàn)微觀-宏觀光子數(shù)糾纏態(tài)以及宏觀-宏觀糾纏態(tài)的制備;并實現(xiàn)實驗室內(nèi)部的宏觀-宏觀糾纏態(tài)用來破壞Bell不等式的實驗演示。實現(xiàn)Rb原子的BEC,冷原子裝載到光晶格,實現(xiàn)量子存儲壽命到100毫秒以上;實現(xiàn)超糾纏和量子存儲幫助下的多比特糾纏態(tài),如四體八比特糾纏態(tài),驗證糾
42、纏特性并研究其在單向量子計算方面的應(yīng)用。利用BEC和光場/磁場相互作用產(chǎn)生規(guī)范磁場或規(guī)范電場,實驗得到BEC在規(guī)范勢場中形成渦旋態(tài);實現(xiàn)2D光晶格中Mott絕緣態(tài)到超流態(tài)的相變,并通過單格點分辨成像系統(tǒng)觀測到相變的動力學(xué)過程;利用少數(shù)光子控制空心光子晶體光纖中存儲的信號光。為實驗實現(xiàn)超長壽命量子存儲和超遠距離量子中繼器提供理論支持;為應(yīng)用空心光纖相關(guān)物理實驗提供理論依據(jù);進行一些典型多組分玻色系統(tǒng)相變行為的數(shù)值模擬;研究理解二維及三維Fermi-Hubbard模型的行為。2015年1月2015年8月研究內(nèi)容:基于多光子量子糾纏態(tài),進一步探索其在量子計算、量子模擬、量子基礎(chǔ)理論驗驗等方面的應(yīng)用。
43、探索宏觀-宏觀糾纏態(tài)和自由空間分發(fā)實驗相結(jié)合,從而實現(xiàn)關(guān)閉探測器漏洞和類空間隔漏洞的Bell不等式破壞實驗。探索量子糾纏源的小型化,功能化,集成化。基于原子系綜量子存儲器的應(yīng)用研究。研究如何利用量子反饋技術(shù)和長壽命光與原子糾纏態(tài)來提升糾纏交換的成功概率,進而提高異地原子糾纏態(tài)制備的效率;在實現(xiàn)異地原子團間的確定性糾纏態(tài)制備的基礎(chǔ)上,利用四團原子系綜進行糾纏純化研究,提升異地間糾纏的品質(zhì);利用長壽命光與原子糾纏,結(jié)合自由空間量子通訊技術(shù),研究遠距離光與原子糾纏態(tài)的分發(fā)技術(shù);根據(jù)已有的理論工作,開展多節(jié)點多級次量子中繼器的可行性研究。進一步探索產(chǎn)生強磁場的可能性,以及利用玻色-愛因斯坦凝聚體進行量
44、子霍爾效應(yīng)模擬的可能性;進一步的開發(fā)兩維超晶格技術(shù),將原子裝載到兩維超晶格中,探索模擬四體相互作用的可能性,并進一步探索任意子的產(chǎn)生;探索在空心光子晶體光纖中利用單光子進行信號光子的控制開關(guān)的技術(shù)的可能,爭取實現(xiàn)簡易的量子器件功能。探索一維系統(tǒng)光子費米化的可能性。協(xié)助實現(xiàn)單向量子計算、Bell不等式驗證等實驗方案;協(xié)助實現(xiàn)可擴展可集成光與冷原子系統(tǒng)的量子交互界面;應(yīng)用連續(xù)虛時蠕蟲算法和圖形蒙特卡洛算法研究各種玻色和費米系統(tǒng),設(shè)計進行冷原子和光晶格量子模擬實驗方案和提供相應(yīng)實驗參數(shù);構(gòu)造量子糾錯碼的深層數(shù)學(xué)機制。預(yù)期目標:實現(xiàn)多光子糾纏態(tài)的制備,操縱和測量的小型化,從而為光量子計算機的應(yīng)用提供實
45、驗基礎(chǔ)和依據(jù);實驗演示關(guān)閉探測器漏洞和類空間隔漏洞的Bell不等式破壞實驗。在量子存儲器的幫助下實現(xiàn)六光子糾纏,首次實驗演示原子系綜糾纏的純化,實驗演示基于糾纏原子系綜的糾纏分發(fā)技術(shù),在多團原子系綜糾纏的基礎(chǔ)上,首次實現(xiàn)兩個量子中繼器節(jié)點的連接。得到用超冷原子模擬量子霍爾效應(yīng)的可能性;利用單格點分辨技術(shù),實現(xiàn)單格點內(nèi)單元子的激光操控;實現(xiàn)單原子的光開關(guān),實現(xiàn)簡易的量子存儲器件;找到產(chǎn)生光子之間非線性相互作用的實驗機理。協(xié)助基于光和冷原子系統(tǒng)相互作用的各種量子調(diào)控方案的實驗實現(xiàn),并探索進一步的實驗方案;構(gòu)造量子糾錯碼的深層數(shù)學(xué)機制。一、研究內(nèi)容(1)多光子量子糾纏的制備、操縱和應(yīng)用。在實現(xiàn)量子計算的諸多可能中,線性光學(xué)系統(tǒng)是最有前景的系統(tǒng)之一。在前期雄厚的理論和實驗技術(shù)基礎(chǔ)上,本項目將研發(fā)小型化高效率的多光子糾纏器件,
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