重费米子体系中演生量子态及其调控的研究进展

作为典型的强关联电子体系,重费米子材料表现出丰富的量子基态,如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等。相比其他强关联电子体系,重费米子体系的特征能量尺度低,可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控,因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系。本文重点介绍国家重点研发计划项目"重费米子体系中的演生量子态及其调控"执行两年来,在重费米子电子相图、量子相变、超导、强关联拓扑态、微观电子态等前沿科学问题上的研究进展。着重介绍了重费米子超导体CeCu_2Si_2的超导序参量,在重费米子材料YbPtBi中发现的外尔费米子激发,低载流子浓度近藤晶体中的关联拓扑电子态,以及CeTIn_5体系中的局域-巡游转变和重费米子态的微观机理研究等。这些研究成果加深了我们对重费米子体系中丰富的演生量子态及其调控的理解,为项目后期研究的凝练和深化奠定了坚实的基础。     

固态光学微腔与量子体系相互耦合的调控及其量子器件研究

固态光学微腔与量子态组成的耦合量子体系,由于能够满足量子信息处理所要求的可扩展和可集成性,被认为是实现量子计算和量子通信的重要实验平台之一。目前该体系的研究主要围绕新型高品质光学微腔的制备、局域腔模与激子态或声子态的相互作用调控以及新型量子光电子器件的研发等方面开展。虽然该领域的研究取得了一些进展,但仍面临诸多挑战,例如量子点与微腔确定性共振耦合;光学微腔与量子态相互作用的多手段调控;多微腔共振耦合的集成与实用化的量子光源等。为了攻克这些挑战,本项目围绕"微腔与量子态的耦合"这一主题展开研究,旨在发展微腔与量子的相互作用理论,建立具有自主知识产权的数值模拟平台,同时研究高品质固态微腔的制备以及与量子体系的有效耦合调控手段,开发高性能微腔量子器件和量子芯片。     

关联电子系统调控研究进展

关联量子体系中,电荷、自旋与轨道的耦合在电子-电子相互作用驱动下产生了丰富的量子态,这些量子态在能量尺度上相近,对外界参数非常敏感,其合作或竞争导致了电荷自旋分离、赝能隙、条纹相、向列相等大量朗道费米液体理论不能解释的物理现象。本研究针对这些现象,从关联电子新材料探索、新现象和新规律的发现以及关联电子体系的实验和计算方法的发展几个方面进行研究,取得了系列重要进展。新材料方面,发现了新型铜氧化物超导体、新的Cr/Mn基超导体以及新型的量子自旋液体材料;新现象方面,发现了NbTi超导体在超高压下异常稳定的超导电性、铁基超导体的多自由度竞争以及铜氧化物的掺杂Mott绝缘体;新技术和新方法方面,建设了以能量可调的近红外至中红外泵浦太赫兹探测系统为代表的几种针对关联电子研究的实验系统,并发展了基于张量网络态的新算法针对典型强关联系统进行计算。这些进展对促进我国凝聚态物理学科的发展将产生重要推动。     

拓扑量子材料、物性与器件研究

形形色色的拓扑量子新材料和新物态丰富了人们对物质世界的认识,也为量子调控提供了广阔的天地。来自于中国科学院物理研究所、北京大学、北京理工大学和北京计算科学研究中心的研究团队期望通过五年的努力,设计、合成出新颖的性能优越的拓扑量子材料,发现一些重要的拓扑量子新现象,制备出具有潜在应用价值的新型拓扑电子学原型器件。项目执行两年多来,研究人员们设计并合成了三重简并点半金属等新型量子材料,在拓扑量子材料中发现了一些新奇的电子输运、磁电和热电性质,制备并初步研究了Fu-Kane理论所建议的、用于寻找马约拉纳零能模的拓扑超导量子器件。     

量子通信是什么?

"绝对安全"的通信是千百年来人类的梦想之一,量子通信系统的问世,重新点燃了建造"绝对安全"通信系统的希望。那么,究竟什么是量子通信呢?目前,量子通信尚无严格的定义。物理上,量子通信可以被理解为在物理极限下,利用量子效应实现的高性能通信。信息学上,则认为量子通信是利用量子力学的基本原理(如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等)或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性,以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。     

量子通信是什么?

<正>"绝对安全"的通信是千百年来人类的梦想之一,量子通信系统的问世,重新点燃了建造"绝对安全"通信系统的希望。那么,究竟什么是量子通信呢?目前,量子通信尚无严格的定义。物理上,量子通信可以被理解为在物理极限下,利用量子效应实现的高性能通信。信息学上,则认为量子通信是利用量子力学的基本原理(如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等)或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性,以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。     

量子材料中的有序现象及其调控的研究进展

关联体系中多种量子有序态的竞争催生了极其丰富的物理性质和相图,对它们的研究将加深人们对量子材料中基本现象和规律的认识。而对量子序调控机制的研究,将有可能产生新的关键技术和新原理原型器件。本综述介绍了国家重点研发计划项目"关联体系多种量子有序态的竞争与调控"执行两年来,在量子材料的自旋量子纠缠序、向列序、电荷序、轨道序、超导序和拓扑序等多种量子有序态的机理与调控研究中取得的主要进展。着重介绍发现了多种基于有机-无机杂化结构的超导体系和一系列含稀土元素的新型铁基超导体,在自旋液体中发现分数化的激发,对FeSe_(1-x)S_x中向列序与超导序相互作用和Li_(0.8)Fe_(0.2)OHFeSe表面电子结构和超导电性的研究,对重费米子体系中电子的局域行为和巡游行为的相互作用的研究,以及实现了固体离子门电压的调控技术并得到了多种体系的相图等重要发现。这些研究成果加深了我们对量子序的认识,建立了研究和控制量子序的手段,也为未来量子序的应用打下了基础。     

如何使光子改变量子态

正早期量子计算研究都是用光开展的,这是因为光易于操纵,只需几面镜子、几块晶体和光线探测器就能成为一台晶体计算机,但而今几乎所有重大进展都是利用离子、超导电流环或晶体缺陷取得的,因为要进行逻辑运算,必须以一种量子态为基础来对另一种量子态进行修改。而电离子中的量子态会对另一个造成强烈影响,因此逻辑运算会简单得多。但问题在于,能够轻易改变的量子     

基于Dzyaloshinsky-Moriya相互作用和人工的磁斯格明子研究

磁性斯格明子是一种实空间拓扑准粒子,它展现出丰富、新奇的物理性质,为自旋电子学的研究提供了新的方向。另一方面,由于其具有尺寸小、稳定性高、易操控等特性,在未来的存储器件中也有潜在应用价值。本文简单介绍了在国家重点研发计划量子调控与量子信息重点专项(2017YFA0303200)资助下,对基于Dzyaloshinsky-Moriya相互作用和人工的两种磁性斯格明子进行的系统研究。     

我国在国际上首次提出全液态量子器件与计算技术概念

正量子计算机被普遍认为是新一代计算机的重大发展方向,其计算能力主要基于对微观量子态的操纵。量子计算机在物理实现上要走向集成化和小型化,其最为核心的一种逻辑运算器件是依托量子隧穿效应,即电子像沿着隧道一样穿过薄的绝缘层。研究项目负责人、中科院理化所与清华大学双聘教授刘静说,目前几乎所有实现量子隧穿效应的器件均由一个三明治     

光通信波段多频道量子通道的实验研究

安全和高速的信息传递与处理是现代生活的重要基石。量子计算机的出现将使得该基石面临新的机遇与挑战,其将提供全新的信息处理技术,又将彻底瓦解目前使用的信息安全系统,比如加密电邮和电子银行等。量子因特网使用量子通道中传递的光量子信息将量子计算机等节点连接起来,可以帮助我们最大限度地发挥量子计算机的优势,同时保障我们不受到其对信息安全的冲击。实现量子信息高保真、长距离、大容量传递是现阶段量子因特网的核心任务,主要是通过量子纠缠分发后的量子隐形传态这一技术路线来实现,相关工作统称为量子通道研究。现阶段,在纠缠分发之后进行量子隐形传态的实验研究,仅在城域光纤网络中得到了实现,但距离限制在数10 km内,且保真度和容量均无法达到量子密钥分发等量子信息应用的技术需求。可见,现有的量子通道研究在距离、保真度和容量等方面都还有很长的路要走,构建高性能量子通道实验研究平台是发展量子因特网的必经之路。我们拟搭建的高性能量子通道平台包括:光通信波段多频道宽带原子频梳研究系统、光纤网络中频分复用量子隐形传态实验研究系统、光通信波段量子通道基础链路模型等3个子系统,它们之间既相互独立又可有机连接成一个整体。     

NASA实现量子远距城市传输

正研究人员在实验室之外实现了量子远距传输最高速度,他们利用加拿大卡尔加里市地下铺设的光缆网络把一个光子的量子态传输到了6千米之外。研究人员终于把测试范围延伸到了真实世界之中,标志着人类朝实现量子网络的目标又迈进了一大步。如果我们能掌握量子远距传输技术,也许有朝一日便能实现超级安全的信息加密技术,信息发送方在把信息传输给接收方的过程中,没有任何窃听者能破解这些信息。     

关联电子材料的自旋态限域调控与自旋电子器件应用研究进展

关联电子材料具有丰富的自旋序,包括铁磁、反铁磁、亚铁磁、螺旋磁序等,这些自旋序与电子轨道态、电荷空间分布等其他量子态存在强烈耦合,因而可以通过外场来实现不同自旋序的时域和空域调控。相对于存在化学界面的传统异质结构,在关联电子材料中利用外场限域调控,可以实现无化学界面的不同自旋序结构的空间可控排列,从而构筑基于同一材料的新型自旋电子器件。本项目围绕关联电子体系多量子态的调控规律展开,通过自旋电子学与量子物理、表面物理以及电介质物理的交叉,探索具有多场(磁场、电场、光场、应变场)可控性的新型关联自旋电子材料,发展新型的多场调控技术,揭示自旋序与量子态耦合机理,设计新型自旋电子器件,进而实现在同一关联电子材料中集成非挥发性自旋存储与逻辑运算功能。     

开放系统量子计算理论及新型量子计算原理

量子计算被认为是一种对未来产生颠覆性影响的新型计算模式.量子计算的高效来自于两个关键的量子力学现象:量子态的叠加和纠缠.在非理想的(不封闭的)量子环境下,叠加和纠缠会因外界信息的干扰而在短时间内遭到破坏.近年来国际上研制真正实用的量子计算机的努力,很大程度上就是寻找合适的量子比特载体和量子纠缠技术以解决此困难.由于在工...     

外尔轨道及三维量子霍尔效应研究进展

由于体边对应关系，拓扑半金属表面态呈现一种特殊的开放式费米弧结构。在磁场下，处于相对表面的费米弧可通过体态手性朗道能级耦合，形成穿越三维空间的外尔轨道，可在高维度材料中实现超越传统二维体系的量子霍尔效应。重点介绍外尔轨道和三维量子霍尔效应的物理机制、实验验证和潜在应用等方面的研究进展。根据理论预测的外尔轨道模型，在实验上通过变角度探测费米面维度、厚度调控回旋相位和双栅极构型验证表面态耦合等方式研究外尔轨道的输运特性。拓扑边界态与量子霍尔效应的结合在拓扑电子材料研究领域开辟了一个全新的前沿阵地，为量子霍尔效应在三维体系中的发展奠定了重要基础。     

利用最优动力学解耦保持固态系统中电子自旋相干性

将量子力学和计算机科学结合并实现量子计算是人类的一大梦想,而实现这一梦想的关键挑战之一就是如何解决量子体系的退相干问题。如何在一个真实物理体系中保持量子相干,减小环境带来的退相干影响是量子信息和量子操控研究的基本前提和首要任务。近年来,一种被称为动力学解耦的有效对抗退相干效应的策略被提了出来,它是通过一串精心设计的微波脉冲序列来反复翻转电子自旋,从而有效地消去电子自旋与环境中核自旋之间的耦合,保护电子自旋的量子相干性。动力学解耦另外一个突出优势就是它可以很自然地与其它要实现的功能集成起来,如实现高精度的量子逻辑门。由于自旋反转难免会有错误发生,为达到最优效果,最近理论物理学家提出了所需脉冲数目最小化的最优动力学解耦序列和方案。然而在真实固体体系中,最优动力学解耦的可行性和有效性尚未得到实验验证。本研究通过选择合适的固体量子体系,利用精巧的脉冲控制(最优动力学解耦序列),使体系中环境对电子量子比特的不利影响被降到最小,从而大大减少量子体系中量子信息的流失,证明了这一技术的有效性,并成功厘清各种退相干机制在此类固体体系中的影响。     

量子力学的退相干解释及哲学

量子力学表明，自然界原则上存在宏观量子干涉。然而，在现实生活中我们却几乎不曾看到过它们的存在。如何解决这一矛盾？哲学论争由此展开。退相干解释表明，量子态与环境的纠缠导致了去相干。但这一解释是否是一个最后的答案，仍然保留为开放。     

从描述的观点看量子奥秘

量子叠加态是主体对微观现象多种可能状态的描述;"薛定谔猫"的尴尬是主体描述结果不适当客观化带来的尴尬.在微观观测中,现察者只是对作为描述结果的量子态的确定.量子态是对象存在的各种可能状态的几率描述,而非定域性则是在这种几率描述中所涉及的多种可能存在状态在观察确定时刻的描述性关联.量子态的叠加是各种不确定性状态或多种可能状态在描述中的共存.波函数坍缩则是由于观察使本来不确定的概率小于1的多种可能状态的描述变成确定的概率为1的描述.     

量子通信

正量子通信(quantum communication)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种通信方式,是量子论和信息论相结合的新的研究领域,主要涉及量子密钥分配、量子隐形传态和量子密集编码等技术。量子通信因其高效、安全的信息传输特性而成为量子物理和信息科学的研究热点。从1993年量子通信概念和量子隐形传送方案的提出,到1997年未知量子态远程传输的首次实现,到2006年超100公里诱骗态量子密钥     

量子认知的研究回溯、核心应用领域与未来展望

量子认知是当代认知科学哲学体系中的一个新型的边缘分支学科,借助量子力学理论的数学方法对认知科学哲学领域中的现象构建模型,从而研究与描述人类认知,最为核心的应用领域是决策行为。近年来,一种基于量子理论的量子决策模型为解决传统决策模型难以解决的问题提供了新的思路。该模型打破了传统决策模型中经典概率理论的禁锢,为决策理论的发展指明了新的方向。然而,相较于其他较为成熟的认知科学哲学分支,量子认知的研究仍处于起步和发展阶段,还需要深入开展量子认知的基础理论研究、积极探索量子认知的神经生理基础、构建类量子贝叶斯网络以优化决策、发展量子博弈以拓宽量子认知疆域等。