基于光與冷原子的量子物理和量子信息

1、項(xiàng)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)起止年限：2011.1至2015.8依托部門：中國(guó)科學(xué)院1 / 35二、預(yù)期目標(biāo)1. 總體目標(biāo)： 項(xiàng)目的總體目標(biāo)是瞄準(zhǔn)我國(guó)未來(lái)信息技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的重大需求，開(kāi)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(guó)在未來(lái)的國(guó)際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)中搶占核心技術(shù)的制高點(diǎn)打下扎實(shí)基礎(chǔ)，為我國(guó)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(dòng)我國(guó)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(jí)專門人才。通過(guò)本項(xiàng)目諸多科研課題獨(dú)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(jí)的量子存儲(chǔ)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(guó)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(chǎng)價(jià)值的產(chǎn)品。這將為構(gòu)筑具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子調(diào)控技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)，以及推動(dòng)我國(guó)量子物理和量子信息的實(shí)用化做出重要貢獻(xiàn)。本項(xiàng)目預(yù)計(jì)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(qǐng)5-10項(xiàng)發(fā)明專利、組織高水平的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)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(duì)伍，建立在學(xué)術(shù)上具

3、有重要國(guó)際影響的科研基地，提升我國(guó)在這一前沿交叉領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(guó)際領(lǐng)先地位。2. 五年預(yù)期目標(biāo):（1）實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)八光子糾纏的產(chǎn)生和基于糾纏的單向量子計(jì)算；（2）實(shí)現(xiàn)基于糾纏光子的干涉器件、量子計(jì)算器件的研制；（3）將糾纏光子存儲(chǔ)到冷原子系綜中，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)窄帶糾纏光子與量子存儲(chǔ)器的接口； （4）延長(zhǎng)冷原子系綜量子存儲(chǔ)的壽命到100毫秒數(shù)量級(jí)，探索更貼近實(shí)用的量子中繼器；（5）實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)光阱中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，產(chǎn)生等效規(guī)范勢(shì)場(chǎng)； （6）開(kāi)發(fā)光晶格中單原子分辨和定位技術(shù)，探索對(duì)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(chǎng)相互作用的特性，

4、開(kāi)展一維量子光學(xué)體系中光子費(fèi)米化的研究；（8）在理論上建立利用光子和冷原子進(jìn)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(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論指導(dǎo)。 三、研究方案1. 學(xué)術(shù)思路：本項(xiàng)目計(jì)劃以光子與冷原子為主要研究對(duì)象，開(kāi)展量子物理與量子信息等領(lǐng)域的一系列關(guān)鍵問(wèn)題，關(guān)鍵技術(shù)以及面向應(yīng)用的研究工作。在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)業(yè)已取得的系列量子物理與量子信息理論、實(shí)驗(yàn)及相關(guān)應(yīng)用的研究成果基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目將結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)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(bǔ)、實(shí)驗(yàn)理論緊密結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展對(duì)光子和冷原子操控的各個(gè)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(jì)算演示，研發(fā)基于光子與原子相干操控和量子存儲(chǔ)技術(shù)的可實(shí)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(xiàng)目的開(kāi)展實(shí)現(xiàn)將為中國(guó)構(gòu)筑具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子信息技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)，為推動(dòng)中國(guó)量子信息的實(shí)用化做出重要貢獻(xiàn)。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(xiàng)目計(jì)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(cè)效率，結(jié)合高維光子糾纏度的應(yīng)用來(lái)實(shí)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(cè)量，量子計(jì)算，新穎量子基礎(chǔ)檢測(cè)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(jìn)一步，把這些已經(jīng)搭建的實(shí)驗(yàn)體系整合成為功能化小型化的量子實(shí)驗(yàn)器件，運(yùn)用于量子精密測(cè)量原理的演示、新型量子計(jì)算模式的驗(yàn)證以及重要基礎(chǔ)物理問(wèn)題的研究。在光子與冷原子的量子存儲(chǔ)方面，深入研究量子存儲(chǔ)的退相干機(jī)制和損耗機(jī)制；在理論指導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)上采用激光、磁場(chǎng)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(qiáng)度以期提高冷原子系綜量子存儲(chǔ)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(gè)量子存儲(chǔ)器性能，提升其穩(wěn)定性和效率；開(kāi)發(fā)多單元量子存儲(chǔ)器件；與多光子糾纏技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將糾纏光子的操控和冷原子的操控統(tǒng)一聯(lián)接起來(lái)，為將來(lái)實(shí)用型量子中

7、繼器的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。在超冷原子的量子調(diào)控方面，以玻色-愛(ài)因斯坦凝聚為基礎(chǔ)，依靠中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)已具有的光子操控和原子操控的技術(shù)，通過(guò)激光、磁場(chǎng)和超冷原子的耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)一步，開(kāi)發(fā)光晶格中的單格點(diǎn)分辨以及單原子操縱技術(shù) ，對(duì)光晶格格點(diǎn)中的單個(gè)原子進(jìn)行相干操控。同時(shí)通過(guò)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(jìn)行量子存儲(chǔ)，量子仿真的技術(shù)可行性，為今后多用途量子器件的開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。3. 創(chuàng)新點(diǎn)與特色：本項(xiàng)目中所選擇的研究?jī)?nèi)容，都是針對(duì)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(wèn)題。

8、其中每個(gè)問(wèn)題的解決，都具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。這個(gè)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)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(xiàng)目的成功將是具有重大價(jià)值的科技進(jìn)展。（1）在研究對(duì)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(duì)象。光和原子系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是本項(xiàng)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(jìn)行相干操作等一系列優(yōu)點(diǎn)。量子信息學(xué)十余年來(lái)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(dāng)成熟。原子是當(dāng)前量子信息理想的存儲(chǔ)介質(zhì)，在量子物理和量子信息技術(shù)中可以彌補(bǔ)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(diǎn)。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(shí)驗(yàn)技術(shù)，利用經(jīng)驗(yàn)豐富的研究成員借鑒和吸收當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)，是本項(xiàng)目完成的重要保證。在多光子糾纏方面，本項(xiàng)目計(jì)劃發(fā)展高效率的光子收集系統(tǒng)和探測(cè)器，高穩(wěn)定性的單光子干涉Sagnac環(huán)等關(guān)鍵器件，進(jìn)行更多光子糾纏的研究，發(fā)展量子信息處理和量子計(jì)算的新技術(shù)。在光和冷原子量子存儲(chǔ)和量子中繼器的研究方面，科研團(tuán)隊(duì)將從克服量子退相干的目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合暗磁光阱、藍(lán)失諧光偶極阱、“鐘態(tài)”原子和光學(xué)腔等新開(kāi)發(fā)技術(shù)，提高量子存儲(chǔ)的品質(zhì)，并發(fā)展多信息的存儲(chǔ)介質(zhì)，開(kāi)發(fā)更加貼近于實(shí)用的量子中繼器

10、技術(shù)。在利用超冷原子進(jìn)行量子調(diào)控方面，科研團(tuán)隊(duì)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(kāi)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(jìn)一步探索量子物理學(xué)的奧秘。（3）從研究方法上，注重實(shí)驗(yàn)與理論的緊密結(jié)合。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析將始終貫穿于每一個(gè)課題、每一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)的條件、揭示實(shí)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(shí)驗(yàn)上將各種技術(shù)手段有機(jī)集成迅速有效運(yùn)用到各種物理問(wèn)題的研究和探索當(dāng)中。因此，形

11、成理論和實(shí)驗(yàn)互相促進(jìn)、多學(xué)科和多技術(shù)手段交叉的良好研究氛圍和機(jī)制，將為本項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)的完美實(shí)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(chǔ)及其相關(guān)的理論已開(kāi)展了多年研究，已有很好的研究基礎(chǔ)，開(kāi)展了廣泛深入的國(guó)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(duì)，取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的研究成果。完備的研究隊(duì)伍、雄厚的技術(shù)儲(chǔ)備、成熟的科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和廣泛的國(guó)際合作等方面為本項(xiàng)目的進(jìn)一步深入研究奠定了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)幾個(gè)課題組的繼續(xù)發(fā)展和緊密結(jié)合，本項(xiàng)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(chǔ)和量子中繼器的開(kāi)發(fā)、超冷原子的量子調(diào)

12、控以及貫穿其中的機(jī)理研究和解決方法等方面取得一批重大突破和科技進(jìn)展。5項(xiàng)目組織形式：項(xiàng)目將參照“973”項(xiàng)目的要求實(shí)施，實(shí)行首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制，成立以首席科學(xué)家為組長(zhǎng)的項(xiàng)目執(zhí)行機(jī)構(gòu)，把握學(xué)術(shù)方向，協(xié)調(diào)解決有關(guān)問(wèn)題，每年召集1-2次項(xiàng)目學(xué)術(shù)研討會(huì)，推進(jìn)項(xiàng)目順利實(shí)施；成立戰(zhàn)略研究小組，瞄準(zhǔn)國(guó)際最新研究前沿，為總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供信息指導(dǎo)；成立顧問(wèn)組，聘請(qǐng)資深專家作為項(xiàng)目顧問(wèn)，對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)展提出咨詢意見(jiàn)。 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(duì)象，針對(duì)量子信息處理、計(jì)算、及仿真等量子調(diào)控的各個(gè)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(jī)制及數(shù)值計(jì)算方法，設(shè)計(jì)和發(fā)展

13、基于各種科學(xué)原理的實(shí)驗(yàn)體系和理論方案，開(kāi)發(fā)滿足可擴(kuò)展、可升級(jí)、規(guī)?；?、集成化、小型化、實(shí)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(chǔ)、操縱、測(cè)量等模塊的關(guān)鍵器件和集成系統(tǒng)。在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)業(yè)已取得的研究成果和技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)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(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)量子信息科技進(jìn)行系統(tǒng)全面的探索和研發(fā)?？蒲许?xiàng)目課題合理規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目的順利實(shí)施和完成。在保證項(xiàng)目系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)和具體實(shí)驗(yàn)對(duì)象側(cè)重點(diǎn)的差別，設(shè)置以下4個(gè)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(chǔ)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(jī)聯(lián)系、與項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)的關(guān)系：上面這些課題，既有各自的特點(diǎn)，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(diǎn)。第一，四個(gè)課題都緊緊圍繞整個(gè)項(xiàng)目的總目標(biāo)，即致力于研發(fā)量子信息處理及相關(guān)量子調(diào)控實(shí)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(jī)制。第二，在各種實(shí)驗(yàn)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(bǔ)性，同時(shí)考慮到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息領(lǐng)域完整的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)積累的雄厚技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，課題的研究對(duì)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(dú)

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(shí)驗(yàn)研究分工明確，又緊密合作。量子現(xiàn)象的理論闡述和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，量子信息的方案設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)，共同為整個(gè)研究項(xiàng)目的最終目標(biāo)服務(wù)。課題1以光學(xué)系統(tǒng)為研究對(duì)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(cè)器、以及超糾纏態(tài)的制備手段；同時(shí)探索這些技術(shù)和器件在量子信息處理、高精度測(cè)量、量子力學(xué)基礎(chǔ)檢測(cè)等方向的應(yīng)用。課題2以光和冷原子接口為主要研究對(duì)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(jìn)行可拓展可升級(jí)的量子存儲(chǔ)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(duì)象，應(yīng)用Fesbach共振技術(shù)對(duì)光晶格中的原子間

16、相互作用進(jìn)行調(diào)控，對(duì)量子相變、規(guī)范場(chǎng)產(chǎn)生、一維空心光纖內(nèi)光子費(fèi)米化等重要現(xiàn)象進(jìn)行量子仿真；同時(shí)，對(duì)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(jìn)行開(kāi)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(shì)，圍繞實(shí)驗(yàn)需求及量子信息處理前瞻性的課題，為前三個(gè)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(shí)驗(yàn)技術(shù)將能夠被其它實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究揭示實(shí)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(kāi)發(fā)的同

17、時(shí)，本項(xiàng)目的4個(gè)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(jì)劃目標(biāo)是爭(zhēng)取讓本研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期保持甚至進(jìn)一步提升在國(guó)際上的地位。8. 各課題的詳細(xì)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(biāo)： 通過(guò)對(duì)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(kuò)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。并且基于這些光子糾纏態(tài)進(jìn)行量子高精度測(cè)量和量子計(jì)算，為論證光學(xué)量子計(jì)算等方案的可行性和可擴(kuò)展性提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。同時(shí)通過(guò)課題的實(shí)施帶動(dòng)國(guó)際交流和人才培養(yǎng)，為我國(guó)今后在光學(xué)量子計(jì)算的前沿研究上奠定人才基礎(chǔ)。 研究?jī)?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(cè)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(cè)器，進(jìn)一步制備七、八，甚至更多光子的糾纏源和那些在量子計(jì)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(wú)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)十至二十量子比特糾纏。 (2) 糾纏光子在高精度測(cè)量、量子計(jì)算、及量子基礎(chǔ)檢測(cè)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(zhǎng)與光子數(shù)成反比的性質(zhì)，進(jìn)行超越經(jīng)典極限的高精度測(cè)量研究；

19、利用高維糾纏態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)，進(jìn)行拓?fù)浼m錯(cuò)碼、基于簇態(tài)和非簇態(tài)的單向量子計(jì)算等理論方案的實(shí)驗(yàn)演示；利用特定結(jié)構(gòu)簇態(tài)的幾何性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍?；利用高維糾纏態(tài)進(jìn)行漸次關(guān)閉漏洞的類空間隔非定域性檢驗(yàn)和其它新穎的量子基礎(chǔ)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。 經(jīng)費(fèi)比例： 32% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 潘建偉 學(xué)術(shù)骨干： 陳騰云、梁昊、王堅(jiān)、江曉課題2： 光與冷原子量子存儲(chǔ)和量子中繼器的研究研究目標(biāo)：高性能的量子存儲(chǔ)器將不僅為實(shí)用化的量子通信提供基本單元，同時(shí)也將是可升級(jí)的量子計(jì)算機(jī)不可少的組成部分。本課題的主要研究目標(biāo)如下: 1）開(kāi)發(fā)基于EIT的多原子系綜存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)可以直接存儲(chǔ)任意未知量子態(tài)的通用量

20、子存儲(chǔ)器；并基于此技術(shù)實(shí)現(xiàn)參量下轉(zhuǎn)換糾纏光子源的直接存儲(chǔ)，為概率光子糾纏源提供量子存儲(chǔ)接口。2）在藍(lán)失諧光阱和光晶格的幫助下，大幅提高量子存儲(chǔ)器的壽命；同時(shí)，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(guò)開(kāi)展基于原子系綜量子存儲(chǔ)器的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)光纖連接的兩團(tuán)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(jì)算與量子存儲(chǔ)器的融合技術(shù)。研究?jī)?nèi)容：(1) 窄帶糾纏光存儲(chǔ)器的研制。開(kāi)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(chǔ)介質(zhì)；在冷原子團(tuán)中建立兩套基于EIT機(jī)制的存儲(chǔ)單元，分別用來(lái)存儲(chǔ)單光子極化態(tài)的兩個(gè)正

21、交極化模，結(jié)合高精度鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)通用量子存儲(chǔ)器；利用腔增強(qiáng)的光參量下轉(zhuǎn)換方法，制備適合于量子存儲(chǔ)的單模的窄帶極化糾纏光子源；實(shí)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(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)器及其讀寫接口的研制。實(shí)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(guò)進(jìn)一步冷卻到亞多普勒溫度；把暗磁光阱中的冷原子向藍(lán)失諧偶極光阱傳輸，研究如何在藍(lán)失諧偶極光阱中獲得合適的原子數(shù)目、長(zhǎng)囚禁時(shí)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(duì)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(jí)和原子溫度對(duì)存儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)帶來(lái)的自旋波退相干；研究環(huán)型共振腔中冷原子的耦合機(jī)制，開(kāi)發(fā)鎖定腔長(zhǎng)的技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)器長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命和高讀出效率。(3) 基于原子系綜量子存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖連接的兩團(tuán)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(zhǎng)壽命光與原子糾纏態(tài)來(lái)提升糾纏交換的成功概率，進(jìn)而提高異地原子糾纏態(tài)制備的效率；在實(shí)現(xiàn)異地原子團(tuán)間的確定性糾纏態(tài)制備的基礎(chǔ)上，利用四團(tuán)原子系綜進(jìn)行糾纏純化研究，提升異地間糾纏的品質(zhì)；利用長(zhǎng)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(yuǎn)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(kāi)展多節(jié)點(diǎn)多級(jí)次量子中繼器的可

23、行性研究；實(shí)驗(yàn)上制備光與原子間的量子簇態(tài)，探索基于量子存儲(chǔ)的單向量子計(jì)算技術(shù)。 經(jīng)費(fèi)比例： 27% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 課題負(fù)責(zé)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(biāo)：實(shí)驗(yàn)上獲得玻色-愛(ài)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(guò)BEC與光和磁場(chǎng)的相互耦合，在光偶極勢(shì)阱中產(chǎn)生規(guī)范場(chǎng)；探索規(guī)范場(chǎng)仿真凝聚態(tài)物理中某些現(xiàn)象。通過(guò)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(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)晶格內(nèi)兩兩原子糾纏的量子比特門的技術(shù)。并對(duì)相應(yīng)光晶格超冷原子系統(tǒng)在單原子操縱技術(shù)下進(jìn)行量子計(jì)算的特性積累知識(shí)，為

24、論證光晶格量子計(jì)算以及量子模擬方案的可行性和可擴(kuò)展性提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。開(kāi)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(chǎng)的相互作用特性，開(kāi)展一維量子光學(xué)體系中光子費(fèi)米化的研究。同時(shí)通過(guò)課題的實(shí)施帶動(dòng)國(guó)際交流和人才培養(yǎng)，為我國(guó)今后在利用超冷原子進(jìn)行量子計(jì)算以及量子仿真的前沿研究上奠定人才基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容：(1) 利用光阱和光晶格中的BEC產(chǎn)生規(guī)范勢(shì)場(chǎng)。建立玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)裝臵，獲得玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體（BEC），并利用光晶格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)BEC超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)的相變。利用BEC與光和磁場(chǎng)的相互作用，在光偶極阱和光晶格中構(gòu)造規(guī)范勢(shì)場(chǎng)的研究，并對(duì)兩者的產(chǎn)生機(jī)

25、制進(jìn)行比較，為今后利用超冷原子進(jìn)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(kāi)發(fā)光晶格中的單格點(diǎn)分辨的成像系統(tǒng)和單原子操縱的關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)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(jìn)一步探索任意子的產(chǎn)生。 (3) 利用一維冷原子和光場(chǎng)進(jìn)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(jìn)行新型量子存儲(chǔ)器件的前瞻性探索和研究。利用原子的多個(gè)能級(jí)，在一維體系中引入光子之間的相互作用，進(jìn)行一維量子光學(xué)系統(tǒng)中有相互作用的玻色子費(fèi)米化

26、等量子仿真研究。 經(jīng)費(fèi)比例： 30%承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 陳帥 學(xué)術(shù)骨干： 陳啟瑾、鄭堅(jiān)、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(biāo)：通過(guò)對(duì)基于不同科學(xué)原理的量子信息處理及量子計(jì)算理論方案及其優(yōu)劣性的深入研究，探索各方案實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的可能性，并開(kāi)發(fā)更加優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案。研究量子存儲(chǔ)的各種物理機(jī)制，設(shè)計(jì)更高品質(zhì)的量子中繼器方案。對(duì)光晶格量子仿真系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)論研究，并發(fā)展相應(yīng)的高效蒙特卡洛算法。設(shè)計(jì)新穎量子基礎(chǔ)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案，探索量子力學(xué)的弱測(cè)量理論的一般數(shù)學(xué)形式及其應(yīng)用。挖掘量子糾錯(cuò)碼的深層數(shù)學(xué)機(jī)制。總而言之，與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，為前三個(gè)課題組提供理論指導(dǎo)和配合，

27、并且對(duì)量子信息前瞻性或基礎(chǔ)性物理問(wèn)題進(jìn)行深入研究。本課題的實(shí)施，將通過(guò)密切的國(guó)際國(guó)內(nèi)交流，同時(shí)將吸引優(yōu)秀的高年級(jí)本科生和研究生參與，為我國(guó)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?jī)?nèi)容：(1) 可拓展可升級(jí)量子信息處理及量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方案研究。對(duì)基于拓?fù)湫再|(zhì)的量子糾錯(cuò)碼、簇態(tài)及非簇態(tài)單向量子計(jì)算、制備超糾纏等實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行進(jìn)一步研究并探索進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的可能性。 (2) 量子存儲(chǔ)及退相干物理機(jī)制研究。深入研究基于光和冷原子系綜的量子存儲(chǔ)物理機(jī)制，特別是基于電磁誘導(dǎo)透明(EIT)技術(shù)的量子存儲(chǔ)，及相應(yīng)的退相干機(jī)制，開(kāi)發(fā)可升級(jí)的量子中繼器方案。 (3) 量子場(chǎng)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(jì)。對(duì)光晶格仿真系統(tǒng)的量子相變行為進(jìn)行保角場(chǎng)理論(conformal field theory)的刻畫。應(yīng)用在算法設(shè)計(jì)方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，從數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、物理系統(tǒng)蘊(yùn)含的對(duì)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(jī)制，發(fā)展和設(shè)計(jì)能模擬量子場(chǎng)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(chóng)類更新的算法和能克服費(fèi)米系統(tǒng)符號(hào)問(wèn)題的圖像蒙特卡洛算法。 (4) 弱測(cè)量理論應(yīng)用及量子糾錯(cuò)碼數(shù)學(xué)機(jī)制研究。研究量子力學(xué)的弱測(cè)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(duì)信號(hào)的放大原理，探索在光學(xué)和冷原子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。研究量子糾錯(cuò)碼的普適數(shù)學(xué)機(jī)制，設(shè)計(jì)更加優(yōu)化的糾錯(cuò)碼方案。

29、 經(jīng)費(fèi)比例： 11%承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 鄧友金 學(xué)術(shù)骨干： 郁司夏、蔣一、劉乃樂(lè)、吳盛俊 四、年度計(jì)劃2011年1月2011年12月研究?jī)?nèi)容：搭建高功率激光系統(tǒng)，多探測(cè)器測(cè)量裝置，設(shè)計(jì)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(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化多光子糾纏保真度。搭建激光器、真空腔，實(shí)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(tuán)中建立兩套基于EIT機(jī)制的存儲(chǔ)單元，分別用來(lái)存儲(chǔ)單光子極化態(tài)的兩個(gè)正交極化模，結(jié)合高精度鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)通用量子存儲(chǔ)器；利用腔增強(qiáng)的光參量下

30、轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)優(yōu)化泵浦光脈沖的長(zhǎng)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(chǔ)的單模的窄帶極化糾纏光子源；實(shí)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(shí)現(xiàn)光阱中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚；搭建Feshbach共振的磁場(chǎng)和磁場(chǎng)控制裝置；搭建光晶格實(shí)驗(yàn)裝置和用于產(chǎn)生規(guī)范勢(shì)阱的激光、磁場(chǎng)裝置。設(shè)計(jì)單格點(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置，嘗試將冷原子裝載進(jìn)入光子晶體光纖。對(duì)基于空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D態(tài)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行深入分析，定量計(jì)算可升級(jí)對(duì)拓?fù)鋱D態(tài)的要求，圖態(tài)對(duì)各種可能的量子比特錯(cuò)誤的容忍度。在有限的光子糾纏對(duì)下，探索利用超糾纏構(gòu)造更復(fù)雜的拓?fù)鋱D態(tài)。細(xì)

31、致分析窄帶糾纏光子對(duì)之間可能存在的頻率關(guān)聯(lián)等。對(duì)利用重力場(chǎng)以及磁場(chǎng)不均勻性在超冷原子系綜產(chǎn)生規(guī)范場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行第一性原理的數(shù)值模擬。發(fā)展和設(shè)計(jì)連續(xù)虛時(shí)的蠕蟲(chóng)算法。進(jìn)一步完善和發(fā)展量子力學(xué)的弱測(cè)量理論，給出一般情況下弱測(cè)量理論的完整數(shù)學(xué)表達(dá)形式。預(yù)期目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)最終計(jì)數(shù)30萬(wàn)對(duì)，保真度95%以上的高亮度高保真度糾纏源；在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)度80%的四光子糾纏源；成功實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jí)；相干存儲(chǔ)糾纏光子到微秒量級(jí)。成功實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證窄帶糾纏源的相干量子存儲(chǔ)

32、。實(shí)現(xiàn)光阱中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，并將凝聚體裝載到3維光晶格中；完成單格點(diǎn)分辨的光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；建成空心光子晶體光纖實(shí)驗(yàn)裝置，裝載冷原子光學(xué)厚度達(dá)到10。構(gòu)造當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)的并且具有拓?fù)湫再|(zhì)的圖態(tài)；為無(wú)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(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供具體參數(shù); 為阿貝爾等效規(guī)范場(chǎng)的量子模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)建議合理的實(shí)驗(yàn)方案; 完成連續(xù)虛時(shí)的蠕蟲(chóng)算法代碼的編寫；給出一般情況下弱測(cè)量理論的完整數(shù)學(xué)表達(dá)形式。2012年1月2012年12月研究?jī)?nèi)容：通過(guò)操縱光子的多個(gè)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(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算中單比特量子門和多比特的

33、量子門的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)；基于關(guān)聯(lián)空間糾纏態(tài)實(shí)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(shí)現(xiàn)用于單向量子計(jì)算的拓?fù)淞孔颖忍?。通過(guò)使用兩團(tuán)由光纖連接的原子系綜，制備其中一團(tuán)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(tuán)遠(yuǎn)程原子；使用光學(xué)粘團(tuán)的技術(shù)進(jìn)一步冷卻磁光阱中的冷原子達(dá)到亞多普勒溫度，同時(shí)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化藍(lán)失諧的偶極光阱，裝載冷原子到藍(lán)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(zhǎng)囚禁時(shí)間、低散射率和小光頻移效應(yīng)，優(yōu)化量子存儲(chǔ)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(guò)Feshbach共振調(diào)節(jié)原子之間的相互作

34、用強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)上觀察由原子相互作用的變化帶來(lái)的影響；定制單格點(diǎn)分辨的光學(xué)系統(tǒng)，開(kāi)始搭建具有單格點(diǎn)分辨能力的光晶格實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)能超越經(jīng)典極限的高精度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案；數(shù)值模擬和計(jì)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(shí)驗(yàn)室超冷原子系統(tǒng)下的具體行為，如光晶格特有的勢(shì)場(chǎng)下溫度定義；深入研究弱測(cè)量對(duì)微弱信號(hào)的放大作用，推導(dǎo)其對(duì)微弱信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大的一般性原理；深入研究克服費(fèi)米系統(tǒng)的符號(hào)問(wèn)題的關(guān)鍵因素，發(fā)展和設(shè)計(jì)圖形蒙特卡洛算法。預(yù)期目標(biāo)：實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)十個(gè)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(shí)現(xiàn)單比特量子門；實(shí)現(xiàn)單向雙比特量子門；實(shí)現(xiàn)在關(guān)聯(lián)空間中的Deutch算法演示；實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)基于量子隱形傳態(tài)的CNOT門演示；實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍?。?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原子的任意激發(fā)態(tài)的遠(yuǎn)程量子隱形傳態(tài)到另外一團(tuán)冷原子，兩團(tuán)冷原子之間用150米以上光纖連接；冷原子進(jìn)一步冷卻到10-20微開(kāi)后裝載到空心藍(lán)失諧光阱，光學(xué)厚道達(dá)到20以上，量子存儲(chǔ)的壽命達(dá)到幾十到一百毫秒的量級(jí)。實(shí)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(diǎn)分辨光學(xué)系統(tǒng)的制作，建成具有單格點(diǎn)分辨能力的光晶格實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；提高空心光纖中原子的光學(xué)厚度到100量級(jí)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)

36、展一維量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能超越經(jīng)典極限的高精度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)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(jī)理分析；深入研究弱測(cè)量對(duì)微弱信號(hào)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?jī)?nèi)容：利用十個(gè)比特以上的量子糾纏態(tài)，探索其在超分辨量子精細(xì)測(cè)量中的應(yīng)用；提高十個(gè)比特以上糾纏態(tài)的保真度，以實(shí)現(xiàn)超出經(jīng)典極限的超分辨量子精細(xì)測(cè)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(jī)制，開(kāi)發(fā)鎖定腔長(zhǎng)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)器長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命和高讀出效率。同時(shí)開(kāi)展冷原子量子存儲(chǔ)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(kāi)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(jìn)行存儲(chǔ)內(nèi)嵌的單向量子計(jì)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(shì)的機(jī)理，以BEC為基礎(chǔ)進(jìn)行規(guī)范矢量勢(shì)的產(chǎn)生的研究，系統(tǒng)性研究規(guī)范勢(shì)下原子的有效質(zhì)量和能量-動(dòng)量色散關(guān)系；在單格點(diǎn)分辨的光晶格實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)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(jìn)行量子存儲(chǔ)的技術(shù)。探索漸次關(guān)閉探測(cè)器漏洞和類空間隔漏洞的Bell不等式檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的可能性；對(duì)電磁誘導(dǎo)透明(EIT)機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)深入地理論分析和從第一性

38、原理出發(fā)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；數(shù)值模擬利用空心光纖裝載冷原子的過(guò)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(jì)和發(fā)展基于蠕蟲(chóng)更新的圖形蒙特卡洛算法；針對(duì)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(cè)量過(guò)程中弱測(cè)量帶來(lái)的信號(hào)放大方案。預(yù)期目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)十二個(gè)量子比特的實(shí)驗(yàn)制備，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)超分辨測(cè)量，并證明其超出了經(jīng)典極限，為量子超精細(xì)測(cè)量的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。實(shí)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(shí)現(xiàn)物理讀出效率到80%左右；實(shí)現(xiàn)光子原子超糾纏態(tài)，如兩體四維糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)四比特簇態(tài)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)內(nèi)嵌的單向量子計(jì)算方案。利用BEC產(chǎn)生規(guī)范矢量勢(shì)，可控的調(diào)

39、節(jié)在規(guī)范勢(shì)下原子的有效質(zhì)量和能量-動(dòng)量色散關(guān)系；單格點(diǎn)分辨的光晶格實(shí)驗(yàn)中形成BEC，并裝載到2D光晶格，用單格點(diǎn)分辨的成像系統(tǒng)觀測(cè)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(chǔ)-讀出單光子信息。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新型Bell不等式檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案；為超長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離量子中繼器的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)；理論分析和數(shù)值計(jì)算空心光纖裝載冷原子的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)；完成針對(duì)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(hào)測(cè)量方案的可能性。2014年1月2014年12月研究?jī)?nèi)容：利用非線性晶體，探索光子數(shù)糾纏態(tài)的實(shí)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(jìn)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(yùn)動(dòng)帶來(lái)的自旋波退相干，研究量子存儲(chǔ)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(gè)兩體四維糾纏態(tài)在存儲(chǔ)器的幫助下實(shí)現(xiàn)四體八比特糾纏。進(jìn)行產(chǎn)生等效規(guī)范磁場(chǎng)和等效規(guī)范電場(chǎng)的研究，觀測(cè)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體在等效規(guī)范磁場(chǎng)和等效規(guī)范電場(chǎng)中的動(dòng)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(guò)單格點(diǎn)分辨觀測(cè)超冷原子在光晶格中的分布和相變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；探索利用空心光子晶體光纖中的冷原子進(jìn)行光開(kāi)關(guān)的技

41、術(shù)，對(duì)存儲(chǔ)的信號(hào)光進(jìn)行相干操控。系統(tǒng)分析和數(shù)值計(jì)算影響量子存儲(chǔ)的各種物理機(jī)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(jì)算進(jìn)行光子或其它玻色子費(fèi)米化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的具體參數(shù)；應(yīng)用連續(xù)虛時(shí)蠕蟲(chóng)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(jī)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(biāo)：實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的宏觀-宏觀糾纏態(tài)用來(lái)破壞Bell不等式的實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)現(xiàn)Rb原子的BEC，冷原子裝載到光晶格，實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)壽命到100毫秒以上；實(shí)現(xiàn)超糾纏和量子存儲(chǔ)幫助下的多比特糾纏態(tài)，如四體八比特糾纏態(tài)，驗(yàn)證糾

42、纏特性并研究其在單向量子計(jì)算方面的應(yīng)用。利用BEC和光場(chǎng)/磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生規(guī)范磁場(chǎng)或規(guī)范電場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)得到BEC在規(guī)范勢(shì)場(chǎng)中形成渦旋態(tài)；實(shí)現(xiàn)2D光晶格中Mott絕緣態(tài)到超流態(tài)的相變，并通過(guò)單格點(diǎn)分辨成像系統(tǒng)觀測(cè)到相變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；利用少數(shù)光子控制空心光子晶體光纖中存儲(chǔ)的信號(hào)光。為實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)和超遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)；進(jìn)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?jī)?nèi)容：基于多光子量子糾纏態(tài)，進(jìn)一步探索其在量子計(jì)算、量子模擬、量子基礎(chǔ)理論驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閉探測(cè)器漏洞和類空間隔漏洞的Bell不等式破壞實(shí)驗(yàn)。探索量子糾纏源的小型化，功能化，集成化?；谠酉稻C量子存儲(chǔ)器的應(yīng)用研究。研究如何利用量子反饋技術(shù)和長(zhǎng)壽命光與原子糾纏態(tài)來(lái)提升糾纏交換的成功概率，進(jìn)而提高異地原子糾纏態(tài)制備的效率；在實(shí)現(xiàn)異地原子團(tuán)間的確定性糾纏態(tài)制備的基礎(chǔ)上，利用四團(tuán)原子系綜進(jìn)行糾纏純化研究，提升異地間糾纏的品質(zhì)；利用長(zhǎng)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(yuǎn)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(kāi)展多節(jié)點(diǎn)多級(jí)次量子中繼器的可行性研究。進(jìn)一步探索產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的可能性，以及利用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體進(jìn)行量

44、子霍爾效應(yīng)模擬的可能性；進(jìn)一步的開(kāi)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(jìn)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(jìn)行信號(hào)光子的控制開(kāi)關(guān)的技術(shù)的可能，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的量子器件功能。探索一維系統(tǒng)光子費(fèi)米化的可能性。協(xié)助實(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算、Bell不等式驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)方案；協(xié)助實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)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(shí)蠕蟲(chóng)算法和圖形蒙特卡洛算法研究各種玻色和費(fèi)米系統(tǒng)，設(shè)計(jì)進(jìn)行冷原子和光晶格量子模擬實(shí)驗(yàn)方案和提供相應(yīng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)；構(gòu)造量子糾錯(cuò)碼的深層數(shù)學(xué)機(jī)制。預(yù)期目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)多光子糾纏態(tài)的制備，操縱和測(cè)量的小型化，從而為光量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提供實(shí)

45、驗(yàn)基礎(chǔ)和依據(jù)；實(shí)驗(yàn)演示關(guān)閉探測(cè)器漏洞和類空間隔漏洞的Bell不等式破壞實(shí)驗(yàn)。在量子存儲(chǔ)器的幫助下實(shí)現(xiàn)六光子糾纏，首次實(shí)驗(yàn)演示原子系綜糾纏的純化，實(shí)驗(yàn)演示基于糾纏原子系綜的糾纏分發(fā)技術(shù)，在多團(tuán)原子系綜糾纏的基礎(chǔ)上，首次實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子中繼器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)分辨技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單格點(diǎn)內(nèi)單元子的激光操控；實(shí)現(xiàn)單原子的光開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的量子存儲(chǔ)器件；找到產(chǎn)生光子之間非線性相互作用的實(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，并探索進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)方案；構(gòu)造量子糾錯(cuò)碼的深層數(shù)學(xué)機(jī)制。一、研究?jī)?nèi)容（1）多光子量子糾纏的制備、操縱和應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)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(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目將研發(fā)小型化高效率的多光子糾纏器件，