发布时间 : 星期日 文章囚禁单原子（离子）与光耦合体系量子态的操控 - 图文更新完毕开始阅读fc975ec68bd63186bcebbc53
项目名称： 囚禁单原子(离子)与光耦合体系量子态
起止年限：依托部门：的操控
詹明生 中国科学院武汉物理与数学研
究所
2012.1至2016.8 中国科学院
首席科学家：
一、关键科学问题及研究内容
原子（离子）与光耦合体系量子调控研究的目标是对耦合体系的节点量子态的完全控制、节点之间耦合参数的控制、节点组成的量子网络功能的实现、以及将量子网络用于量子计算、量子模拟、量子器件与量子仿生等。
实现耦合体系量子态控制的中心难点是同时做到既要控制量子系统、要对它进行测量、又要使其与不受控制的环境很好地隔离。
基于我们前期工作的基础，本项目拟采取单原子与单离子并重、自由空间单原子（离子）阵列控制与原子（离子）芯片集成技术同步发展、多比特物理实现与量子模拟和量子网络理论相结合。一方面研究对单原子、单离子内外自由度的操纵，利用NMR发展起来的多比特量子计算理论和技术，对原子（离子）阵列进行纠缠与量子逻辑的研究；另一方面同步发展原子芯片和离子芯片技术，将单原子阵列集成到原子芯片上，将线型离子阱集成到离子芯片上。
本项目拟采取原子与离子体系相互借鉴、光学谐振腔与力学谐振腔结合、自由空间与芯片集成同步发展、实验与理论紧密配合的策略。
拟解决的关键科学问题：
1、 环型光阱中囚禁原子阵列量子态的控制：原子的量子态包括内态（电子态
不同的超精细结构能级）和外态（在光阱中的质心平动态），原子阵列量子态控制需要解决如下问题：（1）如何将外态冷却到振动基态？（2）阵列中的每个原子如何独立寻址，即独立地进行态制备（写入）与测量（读出）？（3）内态如何相干制备？如何保证足够长的相干保持时间？（4）如何控制不同阱中原子之间的相互作用？（5）多于两个原子时如何在有限的相干时间内实现较复杂量子模拟和量子计算的任务？本项目拟采用我们自己发展的蓝失谐偶极光阱阵列方案来研究和解决这些问题。
2、 囚禁离子的纠缠与量子模拟：离子在边带冷却下达到运动基态的囚禁；阵
列中各离子的独立寻址；射频脉冲结合激光完成逻辑门操作；信息的写入和读出；退相干的压制；高保真的量子态（单粒子态和多粒子量子纠缠态）的制备；对多体纠缠的研究和认识；量子模拟的实验实现；离子芯片的研
制；在离子芯片上装载、冷却、转移和控制离子的技术。
3、 耦合微纳光学腔阵列：耦合的微腔阵列中慢光的特性和机理；单光子在耦
合的微腔阵列中的受控传输；耦合的微腔阵列中的非线性效应的理论模型；精确调控微腔内原子和光子的相互作用以及微腔-微腔之间的耦合强度的实验手段等问题。
4、 量子网络：如何利用微纳光力系统等人工量子结构搭建量子网络；复杂人
工量子网络上能量的转换和量子态激发的相干传输的机制；如何在实验上利用光力学系统模拟与实现人工量子网络。 主要研究内容:
1. 多维光阱中的原子阵列：利用空间光调制技术设计激光光强分布，结合控制
激光偏振和频率失谐量制备高质量的多维光阱，研究光阱对阱中原子量子态的影响；研究Rydberg阻塞效应形成两原子之间的纠缠的动力学（量子逻辑门）；探索将NMR多比特控制方法用于光阱原子阵列的可能性；研究单原子的量子相干效应及多比特量子模拟；探索在原子芯片上实现单原子囚禁的可能性。
2. 离子阵列与离子芯片：边带冷却和量子态制备；多离子的纠缠和精密测量的
探索；对固态量子比特的相互作用进行模拟；模拟任意子（Anyon），探索任意子的分数统计性质。
3. 耦合微纳光学腔阵列：理论上研究光子在高Q的耦合微纳光学腔阵列的相干
传输特性，微腔阵列中慢光的特征、机理以及参数优化；研究单光子在耦合的光学微腔阵列中的受控传输方案；理论研究耦合的微腔阵列中光和原子相互作用产生的量子多体现象；采用CMOS工艺制备光学微腔阵列，研究微腔之间的耦合，优化微腔的耦合方式；进行原子团和微腔之间非线性效应精确调控的实验。
4. 量子网络：理论上研究量子网络中不同节点间的相干接口，包括微纳量子结
构与光的相干接口理论以及微纳光力系统和超导量子比特的相干耦合；人工光合作用和生命系统中的量子相干效应；人工量子网络的冷原子/分子模拟。实验上研究多节点光力系统量子网络的构建，包括高频微纳共振器及其阵列
的制备，高精细度F-P光腔的搭建，高精度位移与高灵敏度力探测的实现；理论与实验相结合探索纳米共振器的高效光学冷却；光压与机械运动之间的耦合机制、共振器-共振器耦合机制的理论与实验探索。