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。     

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。     

基于人造规范势与光晶格中超冷原子气体的量子模拟

超冷原子体系由于其宏观量子特性和高度可调控性为人们提供了一种全新的量子体系,其新颖量子态和奇异物性的研究是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域。超冷玻色和费米气体在人造规范势与光晶格中的拓扑和多体量子效应研究,不仅为精密测量和量子模拟提供了全新的视野,而且为实现各类新奇量子态并探讨其物理机理提供了基础,开辟了冷原子量子系统在拓扑量子信息与量子计算中应用的方向。     

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。     

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。     

0.1meV能量分辨率扫描隧道谱的发展及其在单自旋态探测中的应用

本研究利用低温扫描隧道显微镜研究了吸附在超导体表面上的磁性杂质诱导的束缚态。通过提高扫描隧道谱的能量分辨率,可以观察到对应于不同角动量散射通道的多重束缚态。该工作提供了一种探测单个自旋态以及研究磁性与超导相互竞争等的灵敏实验手段。     

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。     

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。     

试评量子力学解释之论争(下)

玻姆在《量子理论》[27]一书中对EPR实验作了有重大意义的重新表述。他考虑一对自旋1╱2的粒子所构成的单态系统。在两粒子分离之后,用斯特恩—盖拉赫磁铁对其中一个粒子选择任意方向测量自旋,必使另一粒子非定域关联地进入相应方向的反自旋态之中。我们将称这种经玻姆重新表述的实验为EPRB实验。显然,EPRB实验可直接用于级联辐射双光子和湮没辐射光子对的情形中,从而启示人们去做光子对偏振态的非定域关联实验。这样,EPRB实验就成了量子理论基础研究中一项重要的可行性实验了。     

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。     

人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片研究进展

本文基于国家重点研发计划"量子调控与量子信息"重点专项"人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片"项目的研究成果,介绍了项目在光子态的产生及其多维度调控、人工微结构中新奇量子和类量子效应研究、全固态光量子信息处理单元器件以及功能集成的有源光量子芯片等方面取得的最新研究进展,并展示了其相关的应用前景。     

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。     

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。     

量子通信实用化现状分析与探讨

量子密钥分发和量子隐形传态不断取得的新突破,使量子通信实用化问题日益成为关注的焦点。本文简析了量子通信研究的发展历程,并对量子通信的实用化现状进行了概括：实用化量子密钥分发技术已近在眼前,但量子隐形传态的实用化仍尚需时日。针对认识和理解量子通信时的典型误区,本文做了简要澄清。根据量子通信实用化发展态势,为我国量子通信的发展提出了4点对策和建议     

二维新型量子体系的设计、物性探测及调控研究进展

作为一种典型的受限小量子体系,二维量子体系具有丰富的物理规律和新奇的物理效应,是探索低维物理和开展量子调控的理想材料体系。本文重点介绍新型小量子体系的理论研究和计算模拟,二维新型材料体系的构筑、物性探测与调控,新型理论计算方法和前沿实验技术的开发等方面的研究进展。在理论方面,发现二维材料激发态的普适性规律,揭示拓扑/超导体系中的演生超对称,发展第一性原理非线性光学计算方法;在实验方面,在铁基超导薄膜的制备和量子序的研究、准晶石墨烯的电子结构和石墨烯的手征对称性破缺的实现、氧化物薄膜及二维材料的离子调控等方面取得重要进展,并发展高分辨扫描超导量子干涉器等。这些原创性科学研究加深了人们对复合二维量子体系丰富量子态和新奇物理现象的理解,增强了我国在小量子体系制备、物性探测与调控方面的国际影响力。     

量子时空与量子引力的研究

简要介绍了量子时空、圈量子引力,及它们与超弦中M-理论的接触、汇合上的国内外最新研究成果与动向.特别是公布了圈量子引力的时空量子化研究上,在空间体积与曲面面积的离散本征值谱,以及黑洞的熵的计算上取得的突破性创新成果.同时,对量子信息中的信息最小量子单位qubit的来源以及纠缠态的非定域性,用量子时空中激发出的曲面面积量子"1/2"给出的空间叠加态的自旋(零时)关联做出了新解释.     

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     

研究简讯

利用多量子相干实现无消相干子空间量子消相干效应是量子信息处理中的重要问题,也是实现量子计算的主要障碍之一,而无消相干子空间(DFS)是一种克服或减小消相干效应的有效方法。中科院武汉物理与数学所波谱与原子分子物理国家重点实验室魏达秀等在973计划项目“量子通信与量子信息技术”的支持下,提出了用二维核磁共振(NMR)技术和多量子相干实现无消相干子空间的新理论,创造性使用甲基的对称性产生无消相干的Li ouville空间中的自旋态,给出了一种区分磁等价的核自旋和建立无消相干子空间(DFS)的新方法,并在实验上验证了该DFS的避错能…     

量子自旋阻挫体系与量子自旋液体

量子自旋液体是量子磁性系统中的新型物质形态,一般认为这种新物态源于阻挫相互作用。由于强烈的量子涨落导致基态呈磁无序状态,其低能激发不是通常的自旋波,而是分数化的自旋子和演生的规范涨落。经过几十年的积累,量子自旋液体在分类理论、数值计算和材料合成、物性测量等方面取得了丰富的成果。在国内,实验方面在三角晶格上的自旋轨道耦合材料YbMgGaO_4、笼目晶格上的材料ZnCu_3(OH)_6FBr和ZnCu_3(OH)_6FCl、六角晶格上的Kitaev材料α-RuCl_3等阻挫系统的研究中取得突破性进展,部分达到国际领先水平;理论方面,在计算笼目格子海森堡模型的基态、刻画具有自旋轨道耦合的阻挫模型的相图、构造非对易自旋液体模型、建立自旋液体低能有效理论等方面也取得重要进展。由于强关联系统的复杂性,自旋液体领域仍然有很多重大问题尚未完全解决。另一方面,鉴于这一领域的重要性,我们需要集聚力量、协同合作,在材料、实验和理论上取得新的突破,推进相关领域的持续性发展。