2012CB922100-G

项目名称：囚禁单原子(离子)与光耦合体系量子态的操控首席科学家：詹明生中国科学院武汉物理与数学研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、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。二、预期目标总体目标：在多种可能实现量子模拟与量子计算的物理体系中，我们集中研究囚禁原子（离子）与光耦合体系的方案。在已经具备单原子、单离子、原子芯片、悬臂式力学谐振腔等关键技术的基础上，本项目拟将单原子（离子）做成原子（离子）阵列，将光学和力学微腔耦合成微腔阵列，通过对阵列中耦合量子态的制备、测量与调控以实现量子网络功能，由量子网络实现量子模拟、量子计算与量子仿生。将阵列集成到原子（离子）芯片上，实现量子器件。五年预期目标：在已经具备单个原子、单个离子的囚禁和初步的原子和离子阵列的控制的基础上，集中突破原子和离子的量子态（内态和外态）完全操纵关键技术。建立完善的原子和离子与光耦合体系的量子态研究平台，培养与凝聚一支过硬的研究队伍，形成研究基地，为未来量子信息发展的长期目标打下扎实的基础。5年具体目标是：1.实现由36个单原子组成的Rydberg环阵列的集体激发和量子纠缠控制；2.实现36个囚禁离子的量子纠缠，掌握离子芯片的制造和操纵关键技术；3.进行一项少体（36）体系量子模拟（如任意子）实验，一项多位（36位）量子计算实验演示；4.系统研究耦合微腔阵列中的非线性和量子效应，建立相关理论模型，给出调节非线性的实验手段和相关实验参数；5.采用CMOS工艺制备光学微腔阵列，微腔数目大于10，其中每个微腔的Q因子至少达10000；6.在理论上提出量子态和能量在人工量子网络中的高效传输方案；7.在实验上构筑先进的极低温高精度微纳光力系统研究平台，实现不少于2个节点的光力学量子网络。三、研究方案本项目的总体实验研究方案要点是：用位相调制产生多维红失谐或蓝失谐光阱从而囚禁单个Rb原子阵列，用线型阱结合激光冷却来囚禁Ca离子，用激光诱导荧光（LIF）灵敏检测单原子（离子）。用微型波导在芯片上囚禁冷原子。用平面芯片集成技术发展新型可扩展的离子芯片。用磁共振力显微镜的悬臂与光读出系统组成力学微腔，研究光力耦合与冷却。本项目的学术思想、技术途径有如下的特色和创新点：采用空间光调制器（SLM）制备环型光格阵列并使原子阵列随着光格旋转和用蓝失谐激光囚禁单个原子（见下图），这两点是申请人发展起来的新方法，具有自己的特色和创新之处。一方面，用SLM实时产生的不同形状的格点可在计算机控制下随意变换，因而便于对其中的单个原子的外态控制；另一方面，蓝失谐光阱中的原子囚禁在最小光强处，因而光子散射小，原子的消相干时间相对于红失谐光阱将会有大的延长。我们已进行了外态控制和内态制备的部分工作。左图为单原子光阱阵列实验装置示意图。中图为我们实验制备的空间光格强度分布图像，其中上图为环型阱、中间为4格点、下图为10格点，格点间相距几个微米，红失谐的激光每个格点上可囚禁一个原子。右图为中空瓶型光阱的理论和实测图像，单个原子可囚禁在蓝失谐的阱中。用纠缠态抑制环境涨落。处于纠缠状态的多粒子体系，在理论上可以达到海森堡极限。但是，目前在实验上能稳定产生纠缠的多粒子体系很少，因为随着体系规模的增大，来自环境的退相干随之快速增强。我们将通过精确操纵离子的纠缠态，利用Mach-Zehnder干涉仪的原理，展现对磁场大小和变化的超精密测量；将探讨运用免退相干编码的方式纠缠离子，有效地压制退相干的破坏，展现纠缠态带来的超精密测量。任意子的量子模拟。任意子不同于波色子和费米子，具有分数的统计性质。理论预言在分数型量子霍尔体系和自旋晶格体系中存在任意子。利用任意子的性质能够完成容错的拓扑型量子计算。我们将纠缠6个离子，产生Kitaev自旋模型的基态和激发态，展现任意子的分数统计性质。探索压制退相干效应，完成容错的拓扑型量子操作。可扩展的平面型离子芯片。不同于多层离子芯片的结构，我们将采用光刻蚀的方法在基片上制作表面离子芯片。在外加电场的控制下，囚禁在电极表面的离子将在一维方向上从一个势阱移动到另一个势阱，完成纠缠和信息传递。这个方案极大地简化了离子芯片的结构，降低了芯片的设计和加工难度。另外，这个方案很容易扩展，单独制作的离子芯片通过拼接可以向两维扩展。利用现有的光刻蚀的技术，可以实现大规模小型化的复杂阱结构加工。这为我们下一步设计﹑加工更复杂的离子芯片结构打下基础。在耦合的微腔阵列方面，首先建立耦合的微腔阵列中光子传输的理论模型，研究光子在微腔阵列中的传输特性，包括慢光的特性、机理，优化微腔的结构参数。根据优化的结构参数，采用CMOS工艺在原子芯片上制备高Q的光学微腔阵列。将光耦合到微腔阵列中，观察其透射谱和脉冲相应特性，分析其损耗机制。研究微腔阵列的各种参数对光子传输特性的影响，和理论研究相比较，最终确定耦合的微腔阵列的结构参数。建立描述耦合的微腔阵列中非线性效应的理论模型，给出调控非线性的实验手段和相关实验参数。人工量子网络：理论上除密切结合微纳光力系统的实验，探索新的冷却机制外，还将关注人工量子网络中各种量子器件的相干接口、人工光合作用以及生命系统中的量子相干效应以及利用超冷原子和分子体系对人工量子网络的模拟。实验上搭建一个由两个微纳光力系统组成的简单微纳光力耦合网络，并利用该实验平台解决微纳光力系统耦合机制方面问题；进一步扩展微纳光力系统网络的节点（不少于2个节点），重点解决多节点微纳光力耦合网络的构筑问题；研究多节点微纳光力耦合网络中的各个子系统之间的耦合，并结合理论研究为利用微纳光力系统构筑人工量子网络奠定基础。一些理论工作将配合实验来开展。提出量子模拟的方案，设计量子逻辑操作的激光脉冲和重聚束脉冲，以及发展合适的分析方法处理实验数据等。探索量子力学的基础问题（如实在性问题、非局域性问题、纠缠、退相干、测量等），开展数学与量子物理的交叉研究。运用泛函分析与拓扑斯理论的前沿研究成果和方法，系统研究量子系统的测量环境相关性与实在性描述的各类数学模型及其在量子信息中的应用。课题设置：本研究项目将设4个课题。课题设置及各个课题的相互关系见下表和图所示：课题编号课题名称特点主要物理与技术问题侧重点项目特点与课题间相互关系1单原子阵列微型光阱中单原子内外态的操控Rydberg环项目特点：原子光阱与离子阱两种方案一同研究；单个原子（离子）节点控制与耦合腔网络集成；微观与宏观体系结合，量子向经典过渡；理论与实验结合。课题间关系：1、2集中研究单个原子（离子）及阵列；3、4发展耦合谐振腔；1与3结合将原子与微腔集成于芯片上；4以1和3为基础（关系图如下）。2单离子阵列线型离子阱中少数离子内外态的操控直链离子纠缠3光学微腔阵列微腔之间及腔与原子之间的耦合光子与原子在芯片上的集成4人工量子网络量子网络中的能量传输，经典与量子过渡，量子仿生宏观物体的量子态分课题叙述如下：1.环型光阱中的单原子阵列研究目标：实现微光阱中单原子的进一步激光冷却，使其达到Lamb-Dicke区；实现微光阱中单原子的内态制备和两原子的Rydberg阻塞；实现由3-6个单原子组成的Rydberg环阵列的集体激发和量子纠缠控制；进行一项少体体系（如任意子）量子模拟实验和一项多位（3-6位）量子计算实验演示。主要研究内容：（1）对光阱中原子外态的操控：单原子平均能量的测量以及进一步激光冷却，运动基态以及特定外态的单原子制备，原子的外态与内态的耦合与纠缠，单阱中多原子的受控碰撞相互作用及其物理效应的探测；（2）微型光阱中单个原子的内态制备和操控：原子阵列中单个原子的写入与读出，原子内态的相干Raman激发以及高速旋转的单原子的内态退相干机制研究，单原子Rydberg激发的实现；（3）Rydberg原子阵列的研究：Rydberg集体激发下的多体问题研究：两原子之间的纠缠与量子条件动力学（量子逻辑门），三体Förster共振问题，从环形晶格中的多原子集体的费米集体激发到多原子的纠缠及其测量，以及晶格中集