基于光与冷原子的量子物理和量子信息

项目名称：基于光与冷原子的量子物理和量子信息首席科学家：潘建伟中国科学技术大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标1.总体目标：项目的总体目标是瞄准我国未来信息技术和社会发展的重大需求，开展量子物理和量子信息领域的基础性、战略性和前瞻性探索研究和关键技术攻关，为我国在未来的国际战略竞争中抢占核心技术的制高点打下扎实基础，为我国在量子物理和量子信息及相关领域的发展提供战略性建议，协调和推动我国在该领域的研究和发展；培养和造就从事量子物理和量子信息研究的高级专门人才。通过本项目诸多科研课题独立又相互交叉的深入研究，预期在多光子纠缠的制备和应用研究，纠缠光子和原子系综交互界面的可升级的量子存储和量子中继器的研究，超冷原子量子调控的研究，和光-冷原子量子信息处理的相关理论研究等方面做出一些原创性的有重要意义的处于国际领先水平的成果，并在若干方面将研究成果转化为可预期的具有市场价值的产品。这将为构筑具有我国自主知识产权的量子调控技术的科学基础，以及推动我国量子物理和量子信息的实用化做出重要贡献。本项目预计将在量子物理与量子信息等研究领域内发表高质量学术论文数十篇、出版专著2-3部、申请5-10项发明专利、组织高水平的国内外学术会议、培养30名左右的优秀人才，从而凝聚和培养一支高素质的从事量子物理和量子信息科学技术研究的科研队伍，建立在学术上具有重要国际影响的科研基地，提升我国在这一前沿交叉领域的国际竞争能力，在量子物理和量子信息相关研究领域内继续保持国际领先地位。2.五年预期目标:（1）实验实现八光子纠缠的产生和基于纠缠的单向量子计算；（2）实现基于纠缠光子的干涉器件、量子计算器件的研制；（3）将纠缠光子存储到冷原子系综中，实验实现窄带纠缠光子与量子存储器的接口；（4）延长冷原子系综量子存储的寿命到100毫秒数量级，探索更贴近实用的量子中继器；（5）实验实现光阱中的玻色-爱因斯坦凝聚，产生等效规范势场；（6）开发光晶格中单原子分辨和定位技术，探索对单原子的操控技术；（7）探索冷原子在空心光子晶体光纤中与光场相互作用的特性，开展一维量子光学体系中光子费米化的研究；（8）在理论上建立利用光子和冷原子进行量子物理和量子信息研究的一系列物理模型及相应的算法和设计，实现对相关实验的理论指导。三、研究方案1.学术思路：本项目计划以光子与冷原子为主要研究对象，开展量子物理与量子信息等领域的一系列关键问题，关键技术以及面向应用的研究工作。在中国科学技术大学科研团队业已取得的系列量子物理与量子信息理论、实验及相关应用的研究成果基础上，本项目将结合当今先进的激光技术，信息技术和电子学技术，充分发挥多学科交叉互补、实验理论紧密结合的优势，开展对光子和冷原子操控的各个关键环节、关键技术攻关，系统性地理论研究量子物理与量子信息基本原理与应用，实验实现更多光子更多自由度的纠缠和基于多纠缠光子的量子计算演示，研发基于光子与原子相干操控和量子存储技术的可实用化的量子中继器，发展超冷原子的制备和操控技术和量子仿真应用。最终在上述研究的基础上，本项目的开展实现将为中国构筑具有自主知识产权的量子信息技术的科学基础，为推动中国量子信息的实用化做出重要贡献。2.技术途径：在多光子纠缠态制备及其在量子信息中的应用方面，本项目计划在现有技术基础上，着力于提升单光子的收集效率与探测效率，结合高维光子纠缠度的应用来实现多光子多自由度量子比特的快速高精度的操控。以此为基础，系统地研究上述体系在量子精密测量，量子计算，新颖量子基础检测等方面的能力，为其应用于量子信息处理提供重要依据。进一步，把这些已经搭建的实验体系整合成为功能化小型化的量子实验器件，运用于量子精密测量原理的演示、新型量子计算模式的验证以及重要基础物理问题的研究。在光子与冷原子的量子存储方面，深入研究量子存储的退相干机制和损耗机制；在理论指导下，实验上采用激光、磁场控制等多种途径提高冷原子的光学厚度，抑制退相干和原子损耗，增大光子与原子的耦合强度以期提高冷原子系综量子存储的寿命和量子态读出效率。在应用研究方面，我们将优化单个量子存储器性能，提升其稳定性和效率；开发多单元量子存储器件；与多光子纠缠技术结合起来，将纠缠光子的操控和冷原子的操控统一联接起来，为将来实用型量子中继器的开发奠定基础。在超冷原子的量子调控方面，以玻色-爱因斯坦凝聚为基础，依靠中国科学技术大学科研团队已具有的光子操控和原子操控的技术，通过激光、磁场和超冷原子的耦合，实现对超冷原子量子态的精密操控和调节，为量子仿真凝聚态物理现象打下基础。进一步，开发光晶格中的单格点分辨以及单原子操纵技术，对光晶格格点中的单个原子进行相干操控。同时通过研究原子与光子之间的相互作用，探索利用空心光子晶体光纤中的原子和光子进行量子存储，量子仿真的技术可行性，为今后多用途量子器件的开发打下基础。3.创新点与特色：本项目中所选择的研究内容，都是针对量子物理和量子信息中广泛受到关注、具有重要应用前景的关键科学问题。其中每个问题的解决，都具有重要的科学意义和应用前景。这个过程中发展起来的技术不仅在量子物理和量子信息领域中很重要，而且可以广泛应用于原子物理，光学和凝聚态物理等领域产生的众多交叉学科的研究中。因此，本项目的成功将是具有重大价值的科技进展。（1）在研究对象上，我们采用光子和冷原子作为主要的研究和量子调控对象。光和原子系统优势互补是本项目的一大特色。光子是理想的量子信息载体，具有传输迅捷、性能稳定、易于进行相干操作等一系列优点。量子信息学十余年来的发展，光子始终是研究者们有力的工具，相关技术已相当成熟。原子是当前量子信息理想的存储介质，在量子物理和量子信息技术中可以弥补单纯操作光子的局限性。另外，冷原子体系也成为量子调控的重点。原子操控技术的发展和推广将应用于更大的领域中，产生更多的学科交叉。（2）从研究手段上，依靠已有的雄厚实验技术，利用经验丰富的研究成员借鉴和吸收当前先进技术，是本项目完成的重要保证。在多光子纠缠方面，本项目计划发展高效率的光子收集系统和探测器，高稳定性的单光子干涉Sagnac环等关键器件，进行更多光子纠缠的研究，发展量子信息处理和量子计算的新技术。在光和冷原子量子存储和量子中继器的研究方面，科研团队将从克服量子退相干的目标出发，结合暗磁光阱、蓝失谐光偶极阱、“钟态”原子和光学腔等新开发技术，提高量子存储的品质，并发展多信息的存储介质，开发更加贴近于实用的量子中继器技术。在利用超冷原子进行量子调控方面，科研团队将结合超冷原子获取和操控技术、光晶格技术、Feshbach共振技术，和最新发展的单原子分辨与定位技术、空心光子晶体光纤装载原子技术，有效开展具有我们自己特色的量子仿真，量子调控的研究工作，进一步探索量子物理学的奥秘。（3）从研究方法上，注重实验与理论的紧密结合。理论计算与实验分析将始终贯穿于每一个课题、每一项研究工作中。这种密切结合，即能够确保理论上掌握基于光和冷原子量子调控实现的各个环节的条件、揭示实际可行的技术途径和发展具有原创性的量子物理和量子信息新技术，又能够在实验上将各种技术手段有机集成迅速有效运用到各种物理问题的研究和探索当中。因此，形成理论和实验互相促进、多学科和多技术手段交叉的良好研究氛围和机制，将为本项目预期目标的完美实现创造必要和可靠的条件。4.取得重大突破的可行性分析：各课题组在多光子纠缠，冷原子量子存储及其相关的理论已开展了多年研究，已有很好的研究基础，开展了广泛深入的国际学术交流和科技合作，培养和创建了完整的研究梯队，取得了一系列国际领先的研究成果。完备的研究队伍、雄厚的技术储备、成熟的科研实验平台和广泛的国际合作等方面为本项目的进一步深入研究奠定了良好的基础。通过几个课题组的继续发展和紧密结合，本项目极有可能在更多光子纠缠的产生和应用、基于光子和原子相互作用的新型量子存储和量子中继器的开发、超冷原子的量子调控以及贯穿其中的机理研究和解决方法等方面取得一批重大突破和科技进展。5．项目组织形式：项目将参照“973”项目的要求实施，实行首席科学家负责制，成立以首席科学家为组长的项目执行机构，把握学术方向，协调解决有关问题，每年召集1-2次项目学术研讨会，推进项目顺利实施；成立战略研究小组，瞄准国际最新研究前沿，为总体目标的实现提供信息指导；成立顾问组，聘请资深专家作为项目顾问，对项目的进展提出咨询意见。6.课题设置思路：以光学系统、冷原子系综、以及它们之间的量子界面为主要研究对象，针对量子信息处理、计算、及仿真等量子调控的各个关键环节，探索宏观新奇量子现象可能的微观物理机制及数值计算方法，设计和发展基于各种科学原理的实验体系和理论方案，开发满足可扩展、可升级、规模化、集成化、小型化、实用化等要求的关键技术，研制量子信息处理中量子态制备、存储、操纵、测量等模块的关键器件和集成系统。在中国科学技术大学科研团队业已取得的研究成果和技术的基础上，结合当今先进的激光技术，信息技术和电子学技术，充分发挥多学科交叉互补的优势，针对量子信息科技进行系统全面的探索和研发。科研项目课题合理规划，实验与理论紧密结合，科研人员统筹安排密切合作，将保证本项目的顺利实施和完成。在保证项目系统性的基础上，根据项目的预期目标和具体实验对象侧重点的差别，设置以下4个研究课题：多光子量子纠缠的制备、操纵和应用；光与冷原子量子存储和量子中继器的研究；超冷原子量子调控及其应用；光和冷原子量子调控的理论研究。7.课题间的有机联系、与项目预期目标的关系：上面这些课题，既有各自的特点，又有密切的融合交叉。课题之间的密切关联可粗略地概括为如下几点。第一，四个课题都紧紧围绕整个项目的总目标，即致力于研发量子信息处理及相关量子调控实用化所需求的关键器件、关键技术，探索与之相关的物理机制。第二，在各种实验系统中，由于光和冷原子系综各自的优越性及它们的互补性，同时考虑到中国科学技术大学量子信息领域完整的科研团队已经积累的雄厚技术和丰富经验，课题的研究对象聚焦于光学系统和冷原子系综，以及它们的结合。各课题自成系统，各有侧重，相互独立，又相互关联，理论上相互印证，技术上相互支撑。第三，理论与实验研究分工明确，又紧密合作。量子现象的理论阐述和实验验证，量子信息的方案设计和物理实现，共同为整个研究项目的最终目标服务。课题1以光学系统为研究对象，研制小型化高效率的多光子纠缠器件、高效率的光子收集器和探测器、以及超纠缠态的制备手段；同时探索这些技术和器件在量子信息处理、高精度测量、量子力学基础检测等方向的应用。课题2以光和冷原子接口为主要研究对象，应用窄带纠缠源、电磁诱导透明、光晶格和暗磁光阱技术等，进行可拓展可升级的量子存储和量子中继器的研制。课题3以超冷原子和光晶格为主要研究对象，应用Fesbach共振技术对光晶格中的原子间相互作用进行调控，对量子相变、规范场产生、一维空心光纤内光子费米化等重要现象进行量子仿真；同时，对光晶格中单原子分辨和定位(singleatomaddressing)等有重要作用的关键技术进行开发。课题4利用课题研究骨干不同的科研背景和理论优势，围绕实验需求及量子信息处理前瞻性的课题，为前三个课题组提供理论指导、协助和配合，发展一套能高效模拟光晶格仿真系统的数值算法等。课题1、2、3各自发展出的实验技术将能够被其它实验课题有效借鉴和应用，它们的研究也将为课题4的理论研究提供新的内容。而课题4的研究成果又能为课题1、2、3的实验研究揭示实际可行的技术途径。在关键器件的研制和关键技术的开发的同时，本项目的4个课题也非常重视量子力学和量子信息学的前瞻性课题的探索和研究。这样的研究计划目标是争取让本研究团队长期保持甚至进一步提升在国际上的地位。8.各课题的详细信息如下：课题1：多光子量子纠缠的制备、操纵和应用研究目标：通过对本课题的研究，应掌握相应光学系统中量子比特的性质，找到有效扩展量子比特的方法，发展出高效率的光子收集系统，完成更多光子和更多量子比特的实验实现。并且基于这些光子纠缠态进行量子高精度测量和量子计算，为论证光学量子计算