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虚拟专题:量子信息

专题:单量子态探测及其相互作用
核磁共振量子信息处理研究的新进展
孔祥宇, 朱垣晔, 闻经纬, 辛涛, 李可仁, 龙桂鲁
2018, 67 (22): 220301. doi: 10.7498/aps.67.20180754
摘要 +
过去的二十年中,量子信息相关研究取得了显著的进展,重要的理论和实验工作不断涌现.与其他量子信息处理系统相比,基于自旋动力学的核磁共振系统,不仅具有丰富而且成熟的控制技术,还拥有相干时间长、脉冲操控精确、保真度高等优点.这也是核磁共振体量子系统能够精确操控多达12比特的量子系统的原因.因此,核磁共振量子处理器在量子信息领域一直扮演着重要角色.本文介绍核磁共振量子计算的基本原理和一些新研究进展.研究的新进展主要包括量子噪声注入技术、量子机器学习在核磁共振平台上的实验演示、高能物理和拓扑序的量子模拟以及核磁共振量子云平台等.最后讨论了液态核磁共振的发展前景和发展瓶颈,并对未来发展方向提出展望.
利用超导量子电路模拟拓扑量子材料
喻祥敏, 谭新生, 于海峰, 于扬
2018, 67 (22): 220302. doi: 10.7498/aps.67.20181857
摘要 +
近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.
半导体上转换单光子探测技术研究进展
白鹏, 张月蘅, 沈文忠
2018, 67 (22): 221401. doi: 10.7498/aps.67.20180618
摘要 +
近年来,量子通信技术取得了卓越的进步和发展,而作为接收端的单光子探测器在其通信系统中则起着至关重要的作用.本文聚焦于当前主流的半导体单光子探测器,就其器件原理、工作模式、优势和劣势等方面进行了相关评述.在此基础上,着重介绍了本课题组所提出的一种新型半导体近红外上转换单光子探测技术(USPD)的研究进展.从USPD的器件基本原理、器件结构、性能指标等方面阐述了其优越性和可行性,并给出了USPD最新的空间光耦合实验结果.半导体上转换单光子探测技术的关键特性在于它不是采用InP雪崩层结构实现信号的放大,而是利用成熟的硅单光子雪崩二极管(Si-SPAD)器件来实现信号的放大和采集,从而规避InP结构在暗计数率和后脉冲效应方面的问题.USPD利用半导体材料,通过外加电场将近红外光子上转换为短波近红外或者可见光子,再用商用Si-SPAD进行探测的方法,也为我们提供了一种单光子探测的新思路,打开了另一扇单光子探测的窗口.
单分子尺度的光量子态调控与单分子电致发光研究
张尧, 张杨, 董振超
2018, 67 (22): 223301. doi: 10.7498/aps.67.20181718
摘要 +
分子尺度上的光电相互作用研究可以为发展未来信息和能源技术提供科学基础.扫描隧道显微镜不仅可以用来观察和操纵纳米世界中的原子和分子,而且其高度局域化的隧穿电流还可以被用来激发隧道结中的分子,使之发光,以研究局域场下的分子光电特性.本文综述了中国科学技术大学单分子光电研究组近期在锌酞菁分子电致发光方面取得的科学进展,包括:1)利用有效的电子脱耦合与纳腔等离激元调控技术,实现了隧穿电子激发下的单个锌酞菁分子的电致荧光,并通过发展相关的光子发射统计测量方法,表征了单个分子在隧穿电子激发下的电致荧光具有单光子发射特性;2)发展了具有亚纳米空间分辨的荧光光谱成像技术,实现了对酞菁分子间相干偶极相互作用特征的实空间观察;3)对分子与纳腔等离激元之间的相干耦合作用进行了亚纳米精度的操控,在单分子水平上观察到了法诺共振和兰姆位移效应.这些研究结果不仅为研发基于有机分子的电泵纳米光源与单光子光源等分子光电器件提供了新的思路,而且为在单分子尺度上研究分子光电特性、分子间能量转移以及场与物质之间的相互作用规律等提供了新的表征方法.
冷原子系综内单集体激发态的相干操纵
安子烨, 王旭杰, 苑震生, 包小辉, 潘建伟
2018, 67 (22): 224203. doi: 10.7498/aps.67.20181183
摘要 +
原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.
量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射
李天信, 翁钱春, 鹿建, 夏辉, 安正华, 陈张海, 陈平平, 陆卫
2018, 67 (22): 227301. doi: 10.7498/aps.67.20182049
摘要 +
半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿(QD-cRTD)的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到107以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.
新型超导量子比特及量子物理问题的研究
赵士平, 刘玉玺, 郑东宁
2018, 67 (22): 228501. doi: 10.7498/aps.67.20180845
摘要 +
近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.
专题:冷原子-分子物理
轨道Feshbach共振附近类碱土金属原子的杂质态问题
石悦然, 卢倬成, 王璟琨, 张威
2019, 68 (4): 040305. doi: 10.7498/aps.68.20181937
摘要 +
$ ^{3}{\rm P}_0 $态的杂质原子与处于基态的背景费米海相互作用, 并在费米海表面产生分子态或极化子态. 本文使用试探波函数的研究方法, 首先对分子态和吸引极化子态进行介绍, 并重点描述了分子态与吸引极化子态间的转变. 其次归纳总结了排斥极化子态的相关性质, 如有效质量、衰变率等. 然后考虑双费米面情况, 介绍在闭通道中引入另外一个费米面对系统产生的影响. 最后简要介绍二维173Yb费米气体中的杂质态问题.">近年来, 碱土金属原子和类碱土金属原子体系的研究成为冷原子物理的研究热点之一. 特别是最近在173Yb原子中发现的轨道Feshbach共振, 使得研究有强相互作用的碱土金属和类碱土金属原子系统成为可能, 极大扩展了此类原子体系的研究范围. 本文介绍了173Yb费米气体在轨道Feshbach共振附近的杂质态问题. 在此问题中, 位于$ ^{3}{\rm P}_0 $态的杂质原子与处于基态的背景费米海相互作用, 并在费米海表面产生分子态或极化子态. 本文使用试探波函数的研究方法, 首先对分子态和吸引极化子态进行介绍, 并重点描述了分子态与吸引极化子态间的转变. 其次归纳总结了排斥极化子态的相关性质, 如有效质量、衰变率等. 然后考虑双费米面情况, 介绍在闭通道中引入另外一个费米面对系统产生的影响. 最后简要介绍二维173Yb费米气体中的杂质态问题.
超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量
鹿博, 韩成银, 庄敏, 柯勇贯, 黄嘉豪, 李朝红
2019, 68 (4): 040306. doi: 10.7498/aps.68.20190147
摘要 +
量子精密测量是基于量子力学的基本原理对特定物理量实施测量, 并利用量子效应提高测量精度的交叉科学. 随着超冷原子实验技术的发展, 超冷原子为量子精密测量提供了一个优异的研究平台. 利用发展成熟的量子调控技术, 人们可以基于超冷原子系综制备一些新奇的非高斯多粒子纠缠态. 基于多体量子干涉, 利用这些非高斯纠缠态作为输入, 可以实现超越标准量子极限的高精度测量. 本文简要综述这一研究领域的进展.
基于量子Fisher信息的量子计量进展
任志红, 李岩, 李艳娜, 李卫东
2019, 68 (4): 040601. doi: 10.7498/aps.68.20181965
摘要 +
量子计量是超冷原子气体研究中的一个热点领域. 超冷原子体系独特的量子性质(量子纠缠)和量子效应有助于大幅度提高待测物理量的测量精度, 这已经成为量子精密测量中的共识. 量子Fisher信息对该领域的发展起了非常重要的作用. 本文首先介绍量子Fisher信息的基本概念和量子计量的主要内容; 然后简要回顾这些理论在提高测量精度方面的应用, 特别是多粒子量子纠缠态的产生及其判定; 再介绍线性和非线性原子干涉仪的相关进展; 最后论述量子测量过程中的统计方法的研究进展.
超冷极性分子
鹿博, 王大军
2019, 68 (4): 043301. doi: 10.7498/aps.68.20182274
摘要 +
目前对超冷原子的研究已经从最初的原子分子物理扩展到了物理的很多分支. 极性分子可以将电偶极相互作用引入到超冷体系, 同时分子又与原子类似, 可以灵活地被光和其他电磁场操控, 因而很多理论工作都预言了超冷极性分子在超冷化学、量子模拟和量子信息等领域会有重要的应用. 但由于超冷基态分子的制备非常困难, 如何把超冷物理从原子发展到分子还是一个方兴未艾的课题. 过去的10年间, 各种分子冷却技术都取得了很大突破, 本文回顾了这些进展, 并着重介绍了基于异核冷原子的磁缔合结合受激拉曼转移这一技术, 该技术在制备高密度的基态碱金属超冷极性分子上取得了较大的成功. 本文也总结了超冷极性碱金属分子基本碰撞特性研究的一些实验结果.
光晶格中超冷原子系统的磁激发
赵兴东, 张莹莹, 刘伍明
2019, 68 (4): 043703. doi: 10.7498/aps.68.20190153
摘要 +
囚禁在光学晶格中的旋量凝聚体由于其长的相干性和可调控性, 使其成为时下热点的多比特量子计算的潜在候选载体, 清楚地了解该体系的自旋和磁性的产生和调控就显得尤为重要. 本文主要从理论上回顾了光晶格原子自旋链的磁性的由来和操控手段. 从激光冷却原子出发, 制备旋量玻色-爱因斯坦凝聚体, 并装载进光晶格, 最后实现原子自旋链, 对整个过程的理论研究进行了综述; 就如何产生和操控自旋激发进行了详细探讨, 其中包括磁孤子的制备; 讨论了如何将原子自旋链应用于量子模拟. 对光学晶格中的磁激发研究将会对其在冷原子物理、凝聚态物理、量子信息等各方向的应用起指导性作用.
用光晶格模拟狄拉克、外尔和麦克斯韦方程
朱燕清, 张丹伟, 朱诗亮
2019, 68 (4): 046701. doi: 10.7498/aps.68.20181929
摘要 +
相对论性量子力学波动方程, 如狄拉克、外尔和麦克斯韦方程, 是描述微观粒子运动的基石. 最近的实验和理论研究表明, 冷原子系统中几乎所有参数都可精确调控, 因此冷原子系统被认为是实现量子模拟的理想平台, 可以用来研究高能和凝聚态物理中的一些基本问题. 本文介绍了设计原子光晶格哈密顿量的思路和方法, 主要涉及激光辅助跳跃的理论. 基于这些方法, 物理学界提出了利用光晶格体系模拟相对论性量子力学波动方程, 包括狄拉克、外尔和麦克斯韦方程等, 并且预言了一些在基本粒子物理中很难观察到, 但在冷原子体系可能观察到的物理现象. 本文综述了国际上此领域的研究进展.
专题: 量子相干和量子存储研究进展
相干与信息守恒及其在Mach-Zehnder干涉中的应用
傅双双, 骆顺龙, 孙源
2019, 68 (3): 030301. doi: 10.7498/aps.68.20181778
摘要 +
自量子力学诞生以来, 相干性和互补性一直是被广泛而深入研究的两个重要课题. 随着量子信息近年来的发展, 人们引入了若干度量来定量地刻画相干性和互补性. 本文建立两个信息守恒关系式, 分别基于“Bures距离-保真度”和“对称-非对称”, 并且利用它们来刻画相干性和互补性. 具体来说, 首先从信息守恒的观点解释Bures距离和保真度的互补关系, 并由此自然推导出Mach-Zehnder 干涉仪中的Englert“干涉-路径”互补关系. 其次在量子态和信道相互作用的一般框架中讨论“对称-非对称”信息守恒关系, 并揭示其与Bohr互补性和量子相干性的内在联系. 最后, 在Mach-Zehnder干涉仪中探讨相干、退相干及互补性, 刻画两个信息守恒关系之间的密切联系.
多模式固态量子存储
杨天书, 周宗权, 李传锋, 郭光灿
2019, 68 (3): 030303. doi: 10.7498/aps.68.20182207
摘要 +
量子存储器是光子与物质系统之间的接口, 允许存入和读出加载了量子信息的光子, 是构建实用化量子网络的核心器件. 基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器, 较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一. 本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展. 主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储. 在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作. 该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础, 其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.
量子相干
李保民, 胡明亮, 范桁
2019, 68 (3): 030304. doi: 10.7498/aps.68.20181779
摘要 +
量子相干不仅是量子力学中的一个基本概念, 同时也是重要的量子信息处理的物理资源. 随着基于资源理论框架的量子相干度量方案的提出, 量子相干度的量化研究成为近年来人们关注的一个热点问题. 量子相干作为一种物理资源也十分脆弱, 极容易受到环境噪声的影响而产生退相干, 因此开放系统中的量子相干演化和保持也是人们广泛关注的课题. 另外, 量子相干在量子多体系统、量子热动力学、量子生物学等领域也有着潜在的应用价值. 本文介绍量子相干度量的资源理论框架和基于该框架定义的相对熵相干性、l1范数相干性、基于量子纠缠的相干性、基于凸顶结构的相干性和相干鲁棒性等量子相干度量函数, 概述开放系统中量子相干演化的动力学行为、典型信道的量子相干产生和破坏能力以及量子相干的冻结等现象, 同时例举量子相干在Deutsch-Jozsa算法、Grover算法以及量子多体系统相变问题研究等方面的重要应用. 量子相干研究仍处于快速发展之中, 期望本综述能为该领域的发展带来启示.
中性原子量子计算研究进展
许鹏, 何晓东, 刘敏, 王谨, 詹明生
2019, 68 (3): 030305. doi: 10.7498/aps.68.20182133
摘要 +
相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系具备在1 mm2的面积上提供成千上万个量子比特的规模化集成的优势, 是进行量子模拟、实现量子计算的有力候选者. 近几年中性单原子体系在实验上取得了快速的发展, 完成了包括50个单原子的确定性装载、二维和三维阵列中单个原子的寻址和操控、量子比特相干时间的延长、基于里德伯态的两比特量子门的实现和原子态的高效读出等, 这些工作极大地推动了该体系在量子模拟和量子计算方面的应用. 本文综述了该体系在量子计算方面的研究进展, 并介绍了我们在其中所做的两个贡献: 一是实现了“魔幻强度光阱”, 克服了光阱中原子退相干的首要因素, 将原子相干时间提高了百倍, 使得相干时间与比特操作时间的比值高达105; 二是利用异核原子共振频率的差异建立了低串扰的异核单原子体系, 并利用里德伯阻塞效应首次实现了异核两原子的量子受控非门和量子纠缠, 将量子计算的实验研究拓展至异核领域. 最后, 分析了中性单原子体系在量子模拟和量子计算方面进一步发展面临的挑战与瓶颈.
相干时间超过10 min的单离子量子比特
汪野, 张静宁, 金奇奂
2019, 68 (3): 030306. doi: 10.7498/aps.68.20181729
摘要 +
能够长时间储存量子信息的量子存储设备是实现大规模量子计算和量子通信的基本要素. 与其他量子计算平台相比, 囚禁离子系统的优势之一在于具有很长的相干时间. 此前, 基于囚禁离子的单量子比特相干时间不到1 min. 研究发现, 在囚禁离子系统中, 限制量子比特相干时间的主要因素是运动能级加热和环境噪声, 其中后者包含环境磁场涨落和微波相位噪声. 在同时囚禁171Yb+离子和138Ba+离子的混合囚禁系统中, 通过实施协同冷却和动力学解耦, 可以实现相干时间超过10 min的单离子量子比特. 这一技术有望用于实现量子密码学和搭建混合量子计算平台.
量子存储研究进展
窦建鹏, 李航, 庞晓玲, 张超妮, 杨天怀, 金贤敏
2019, 68 (3): 030307. doi: 10.7498/aps.68.20190039
摘要 +
量子技术, 比如量子通信、量子计算, 具有经典技术所不具有的优势. 但是, 作为量子技术基本元素的量子态往往极为脆弱, 很容易受到外界环境的影响而丢失, 而且量子态的制造和量子操作往往是概率性的. 这种概率性使得远距离量子通信和大规模的量子计算很难实现, 除非有量子存储器将这些随机产生的量子态缓存并同步起来. 在过去的十几年中, 量子存储在各种各样的存储方案中得到了研究, 而且已经从最初的原理性演示逐步发展到了如今的近乎可实用化. 现如今, 量子存储领域追求的是可实用化, 而判断一个存储器是否可以实用化的基本标准是: 高存储效率、低噪音、长寿命(或者大的时间带宽积)和室温条件下运行. 通过介绍多个具有代表性的存储方案, 本文给出了量子存储领域的研究现状和发展趋势. 其中基于室温原子系综的宽带量子存储因其装置简单、实用性更强而广受关注. 但是由于噪音问题, 直到最近才在实验室中实现可工作在室温环境中的宽带FORD (far off-resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子存储和梯形量子存储. 本文对多种存储方案的工作原理、优缺点进行了介绍, 对FORD方案之所以能够成功进行了分析, 还对量子存储的降噪方法进行了总结.
多个量子节点确定性纠缠的建立
刘艳红, 吴量, 闫智辉, 贾晓军, 彭堃墀
2019, 68 (3): 034202. doi: 10.7498/aps.68.20181614
摘要 +
量子纠缠是一种重要的量子资源, 在多个空间分离的量子存储器间建立确定性的量子纠缠, 然后在用户控制的时刻将所存储的量子纠缠转移到量子信道中进行信息的分发和传送, 这对于实现量子信息网络是至关重要的. 本文介绍了用光学参量放大器制备与铷原子D1吸收线对应的非经典光场, 而且在三个空间分离的原子系综中确定性量子纠缠的产生、存储和转移. 利用电磁感应透明光和原子相互作用的原理, 将制备的多组分光场纠缠态模式映射到三个远距离的原子系综以建立原子自旋波之间的纠缠. 然后, 存储在原子系综中的纠缠态通过三个量子通道, 纠缠态的量子噪声被转移到三束空间分离的正交纠缠光场. 三束释放的光场间纠缠的存在验证了该系统具有保持多组分纠缠的能力. 这个方案实现了三个量子节点间的纠缠, 并且可以直接扩展到具有更多节点的量子网络, 为未来实现大型量子网络通信奠定了基础.
基于拉曼协议的量子存储
史保森, 丁冬生, 张伟, 李恩泽
2019, 68 (3): 034203. doi: 10.7498/aps.68.20182215
摘要 +
量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统, 是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件. 量子存储协议多种多样, 其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注. 然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性. 本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标, 在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后, 重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究, 取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.
特邀综述
基于光量子态避错及容错传输的量子通信
邓富国, 李熙涵, 李涛
2018, 67 (13): 130301. doi: 10.7498/aps.67.20180598
摘要 +
量子通信以量子态为信息载体在远距离的通信各方之间传递信息,因此量子态的传输和远距离共享是量子通信的首要步骤.信道噪声不仅会影响通信效率还可能被窃听者利用从而威胁通信安全,对抗信道噪声是实现安全高效量子通信亟需解决的问题.本文介绍基于光量子态的两类对抗信道噪声的实用方法量子态的避错传输和容错的量子通信,包括对抗噪声的基本原理和两种方法的代表性方案,并从资源消耗和可操作性的角度分析了方案的实用价值.
总论
量子计算与量子模拟
范桁
2018, 67 (12): 120301. doi: 10.7498/aps.67.20180710
摘要 +
量子计算和量子模拟在过去的几年里发展迅速,今后涉及多量子比特的量子计算和量子模拟将是一个发展的重点.本文回顾了该领域的主要进展,包括量子多体模拟、量子计算、量子计算模拟器、量子计算云平台、量子软件等内容,其中量子多体模拟又涵盖量子多体动力学、时间晶体及多体局域化、量子统计和量子化学等的模拟.这些研究方向的回顾是基于对现阶段量子计算和量子模拟研究特点的考虑,即量子比特数处于中等规模而量子操控精度还不具有大规模逻辑门实现的能力,研究处于基础科研和实用化的过渡阶段,因此综述的内容主要还是希望管窥今后的发展.