基于光与冷原子的量子物理和量子信息Word文件下载.docx
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（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等方案的可行性和可扩展性提供理论和实验依据。
同时通过课题的实施带动国际交流和人才培养，为我国今后在光学量子计算的前沿研究上奠定人才基础。
研究内容：
（1）多光子纠缠态和超纠缠态制备、高效率光子收集和探测等关键器件的研制。
在目前六光子纠缠态制备技术的基础上，研制高效率的光子收集器和探测器，进一步制备七、八，甚至更多光子的纠缠源和那些在量子计算和量子模拟中具有重要地位的纠缠态，如多光子GHZ态，簇（cluster）态，以及无退相干态（DFS，decoherence-freestate）；
利用光子的极化、路径等多自由度，发展超纠缠态的制备手段，实验实现十至二十量子比特纠缠。
（2）纠缠光子在高精度测量、量子计算、及量子基础检测的应用研究。
在制备的纠缠态基础上，利用纠缠态的德布罗意波长与光子数成反比的性质，进行超越经典极限的高精度测量研究；
利用高维纠缠态的拓扑性质，进行拓扑纠错码、基于簇态和非簇态的单向量子计算等理论方案的实验演示；
利用特定结构簇态的几何性质，实验实现拓扑量子比特；
利用高维纠缠态进行渐次关闭漏洞的类空间隔非定域性检验和其它新颖的量子基础检验实验。
经费比例：
32%
承担单位：
中国科学技术大学
课题负责人：
潘建伟
学术骨干：
陈腾云、梁昊、王坚、江晓
课题2：
光与冷原子量子存储和量子中继器的研究
高性能的量子存储器将不仅为实用化的量子通信提供基本单元，同时也将是可升级的量子计算机不可少的组成部分。
本课题的主要研究目标如下:
1）开发基于EIT的多原子系综存储单元，实现可以直接存储任意未知量子态的通用量子存储器；
并基于此技术实现参量下转换纠缠光子源的直接存储，为概率光子纠缠源提供量子存储接口。
2）在蓝失谐光阱和光晶格的帮助下，大幅提高量子存储器的寿命；
同时，借助于原子和光学腔的耦合技术，提高光子态与原子集体态之间的高效率转化。
3）通过开展基于原子系综量子存储器的应用研究，实现光纤连接的两团原子系综间的量子隐形传态，提升异地原子间纠缠的品质和产生效率，获取单向量子计算与量子存储器的融合技术。
（1）窄带纠缠光存储器的研制。
开发矩形磁光阱技术，囚禁高密度的雪茄形Rb87原子系综以产生大光学厚度的量子存储介质；
在冷原子团中建立两套基于EIT机制的存储单元，分别用来存储单光子极化态的两个正交极化模，结合高精度锁相技术实现通用量子存储器；
利用腔增强的光参量下转换方法，制备适合于量子存储的单模的窄带极化纠缠光子源；
实现将量子纠缠相干地存入冷原子系综中并可控地和高保真度地读出。
（2）长寿命量子存储器及其读写接口的研制。
实现暗磁光阱，有效获得高密度的冷原子系综；
磁光阱中束缚的原子，经过进一步冷却到亚多普勒温度；
把暗磁光阱中的冷原子向蓝失谐偶极光阱传输，研究如何在蓝失谐偶极光阱中获得合适的原子数目、长囚禁时间、低散射率和小光频移效应；
研究写光、读光和原子系综的空间模式匹配及其对原子集体激发态读出效率的影响；
研究原子钟态能级和原子温度对存储寿命的影响；
研究冷原子光晶格Mott绝缘态，有效抑制原子运动带来的自旋波退相干；
研究环型共振腔中冷原子的耦合机制，开发锁定腔长的技术，同时实现量子存储器长存储寿命和高读出效率。
（3）基于原子系综量子存储器的应用研究。
利用原子系综产生的光与原子纠缠态，探索实现远距离光纤连接的两团原子间的量子隐形传态；
研究如何利用量子反馈技术和长寿命光与原子纠缠态来提升纠缠交换的成功概率，进而提高异地原子纠缠态制备的效率；
在实现异地原子团间的确定性纠缠态制备的基础上，利用四团原子系综进行纠缠纯化研究，提升异地间纠缠的品质；
利用长寿命光与原子纠缠，结合自由空间量子通讯技术，研究远距离光与原子纠缠态的分发技术；
根据已有的理论工作，开展多节点多级次量子中继器的可行性研究；
实验上制备光与原子间的量子簇态，探索基于量子存储的单向量子计算技术。
27%
苑震生
陈增兵、金革、徐春凯
课题3：
超冷原子量子调控及其应用
实验上获得玻色-爱因斯坦凝聚并利用光晶格技术，获得BEC超流态到Mott绝缘态的相变；
通过BEC与光和磁场的相互耦合，在光偶极势阱中产生规范场；
探索规范场仿真凝聚态物理中某些现象。
通过光晶格系统中量子操纵的基本方法，发展精确有效的单原子操纵的调控技术，开发实现晶格内两两原子纠缠的量子比特门的技术。
并对相应光晶格超冷原子系统在单原子操纵技术下进行量子计算的特性积累知识，为论证光晶格量子计算以及量子模拟方案的可行性和可扩展性提供理论和实验依据。
开展光子调控的研究，将冷原子装载入空心光纤，探索冷原子在空心光子晶体光纤中与量子光场的相互作用特性，开展一维量子光学体系中光子费米化的研究。
同时通过课题的实施带动国际交流和人才培养，为我国今后在利用超冷原子进行量子计算以及量子仿真的前沿研究上奠定人才基础。
（1）利用光阱和光晶格中的BEC产生规范势场。
建立玻色-爱因斯坦凝聚实验装臵，获得玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），并利用光晶格技术，实现BEC超流态到Mott绝缘态的相变。
利用BEC与光和磁场的相互作用，在光偶极阱和光晶格中构造规范势场的研究，并对两者的产生机制进行比较，为今后利用超冷原子进行量子霍尔效应等方面的量子仿真奠定基础。
（2）光晶格中单原子的分辨和定位技术的探索。
在光晶格调控BEC的技术基础上，开发光晶格中的单格点分辨的成像系统和单原子操纵的关键技术，并开发两维超晶格技术，将原子装载到两维超晶格中，探索模拟四体相互作用的可能性，并进一步探索任意子的产生。
（3）利用一维冷原子和光场进行量子调控的探索。
将超冷原子装载到空心光子晶体光纤中，形成一维量子光学系统。
利用光子和原子相互作用和EIT原理，进行新型量子存储器件的前瞻性探索和研究。
利用原子的多个能级，在一维体系中引入光子之间的相互作用，进行一维量子光学系统中有相互作用的玻色子费米化等量子仿真研究。
30%
中国科学技术大学、浙江大学
陈帅
陈启瑾、郑坚、颜波、单旭
课题4：
光和冷原子量子调控的理论研究
通过对基于不同科学原理的量子信息处理及量子计算理论方案及其优劣性的深入研究，探索各方案实验实现的可能性，并开发更加优化的实验方案。
研究量子存储的各种物理机制，设计更高品质的量子中继器方案。
对光晶格量子仿真系统进行场论研究，并发展相应的高效蒙特卡洛算法。
设计新颖量子基础检测实验方案，探索量子力学的弱测量理论的一般数学形式及其应用。
挖掘量子纠错码的深层数学机制。
总而言之，与实验紧密结合，为前三个课题组提供理论指导和配合，并且对量子信息前瞻性或基础性物理问题进行深入研究。
本课题的实施，将通过密切的国际国内交流，同时将吸引优秀的高年级本科生和研究生参与，为我国今后在量子信息处理相关理论方面奠定人才基础。
（1）可拓展可升级量子信息处理及量子计算实验系统及实验方案研究。
对基于拓扑性质的量子纠错码、簇态及非簇态单向量子计算、制备超纠缠等实验方案进行进一步研究并探索进行实验实现的可能性。
（2）量子存储及退相干物理机制研究。
深入研究基于光和冷原子系综的量子存储物理机制，特别是基于电磁诱导透明（EIT）技术的量子存储，及相应的退相干机制，开发可升级的量子中继器方案。
（3）量子场论和光晶格仿真系统的理论研究和高效数值算法设计。
对光晶格仿真系统的量子相变行为进行保角场理论（conformalfieldtheory）的刻画。
应用在算法设计方面积累的丰富经验，从数据库结构、物理系统蕴含的对称性、不同算法中巧妙技巧的结合、以及深层的数学机制，发展和设计能模拟量子场论和光晶格仿真系统的高效量子蒙特卡洛算法，特别是基于蠕虫类更新的算法和能克服费米系统符号问题的图像蒙特卡洛算法。
（4）弱测量理论应用及量子纠错码数学机制研究。
研究量子力学的弱测量理论在一般情况下的数学形式，以及其利用先选择和后选择对信号的放大原理，探索在光学和冷原子系统的实验实现。
研究量子纠错码的普适数学机制，设计更加优化的纠错码方案。
11%
邓友金
郁司夏、蒋一、刘乃乐、吴盛俊
四、年度计划
2011年1月—2011年12月
搭建高功率激光系统，多探测器测量装置，设计多通道符合电子学系统。
优化两光子纠缠源的亮度和对比度；
采用不同带宽的干涉滤波片优化光子干涉的效果；
采用不同的纠缠相干拓扑结构，优化多光子纠缠保真度。
搭建激光器、真空腔，实现基于磁光阱的冷原子装置,引入暗磁光阱技术，优化原子光学厚度和原子装载速率。
利用腔增强的光参量下转换方法，通过优化泵浦光脉冲的长度，有效的解除极化纠缠光子的频率关联，制备适合于量子存储的单模的窄带极化纠缠光子源；
实现光阱中的玻色-爱因斯坦凝聚；
搭建Feshbach共振的磁场和磁场控制装置；
搭建光晶格实验装置和用于产生规范势阱的激光、磁场装置。
设计单格点分辨本领的光学成像系统；
建立空心光子晶体光纤的实验装置，尝试将冷原子装载进入光子晶体光纤。
对基于空间拓扑结构的拓扑图态量子计算的实验方案进行深入分析，定量计算可升级对拓扑图态的要求，图态对各种可能的量子比特错误的容忍度。
在有限的光子纠缠对下，探索利用超纠缠构造更复杂的拓扑图态。
细致分析窄带纠缠光子对之间可能存在的频率关联等。
对利用重力场以及磁场不均匀性在超冷原子系综产生规范场的实验方案进行第一性原理的数值模拟。
发展和设计连续虚时的蠕虫算法。
进一步完善和发展量子力学的弱测量理论，给出一般情况下弱测量理论的完整数学表达形式。
预期目标：
实现最终计数30万对，保真度95%以上的高亮度高保真度纠缠源；
在此基础上，实现可见度80%的四光子纠缠源；
成功实现八光子GHZ纠缠态以及八光子消相干自由空间纠缠态的实验制备。
暗磁光阱提高原子光学厚度，20以上；
解除极化纠缠光子的频率关联，并维持窄带纠缠光子带宽到10MHz量级；
相干存储纠缠光子到微秒量级。
成功实验验证窄带纠缠源的相干量子存储。
实现光阱中的玻色-爱因斯坦凝聚，并将凝聚体装载到3维光晶格中；
完成单格点分辨的光学成像系统的设计；
建成空心光子晶体光纤实验装置，装载冷原子光学厚度达到10。
构造当前实验技术能实现的并且具有拓扑性质的图态；
为无频率关联的窄带光子纠缠在冷原子系统的量子存储实验实现提供具体参数;
为阿贝尔等效规范场的量子模拟实验实现建议合理的实验方案;
完成连续虚时的蠕虫算法代码的编写；
给出一般情况下弱测量理论的完整数学表达形式。
2012年1月—2012年12月
通过操纵光子的多个自由度探索多光子多量子比特的制备；
研究多比特簇态和关联空间纠缠态的制备；
并探索在其基础上实现单向量子计算中单比特量子门和多比特的量子门的实验实现；
基于关联空间纠缠态实现小规模演示性量子算法；
基于量子隐形传态的CNOT门演示；
基于多光子纠缠态实现用于单向量子计算的拓扑量子比特。
通过使用两团由光纤连接的原子系综，制备其中一团原子的集体激发态，然后将制备的原子的任意量子态转化成光子态后隐形传态到另外那团远程原子；
使用光学粘团的技术进一步冷却磁光阱中的冷原子达到亚多普勒温度，同时开发和优化蓝失谐的偶极光阱，装载冷原子到蓝失谐偶极
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