冷原子分子系综的量子调控与量子信息技术 - 图文

项目名称： 冷原子分子系综的量子调控与量子信息

起止年限：依托部门：技术

张卫平 华东师范大学 2011.1至2015.8 教育部 上海市科委

首席科学家：

二、预期目标

本项目的总体目标：在当前国际、国内量子信息科学与技术的研究迅速发展的大背景下，联合我国在量子光学、原子分子物理与量子信息科学交叉领域的优势研究力量，面向国家中长期发展规划中所确定的国家需求的长远战略目标，针对国家重大科学研究计划--“量子调控”计划的指南方向--基于原子、分子体系的量子调控的核心内容，瞄准冷原子、分子系综的量子调控与量子信息技术交叉结合的这一国际科学前沿方向中最新的研究热点以及当前国际上广泛关注的重大技术前沿的发展方向，以全新的思维和对重大基础科学问题的深刻理解来探索量子信息科学、量子光学与原子分子物理的有机融合在开拓相关量子技术方面的潜在应用。力争在相关学科的交叉融合点上取得若干重大基础性进展。全面推进我国在量子光学、原子分子物理、量子信息、精密测量等科学领域的研究水平进入国际先进行列。获得具有自主知识产权的关键核心量子技术。继续培养和凝聚一支能协同攻关，敢于挑战国际前沿的科研队伍，并为国家战略发展规划提供重要的科学与技术依据及储备重要的科研力量。同时为相关的重大技术的发展开辟新的途径，在涉及国家安全及社会经济发展等潜在的技术应用领域做出应有的贡献。

五年预期目标：

1. 实验上制备出量子简并的87Rb和40K玻色-费米原子混合系综，在光晶格中实

现并观测超流到绝缘体的量子相变；通过量子调控，探索超冷玻色-费米系综新的物质量子态，包括产生超冷极性分子量子态。在这一前沿领域方向，为我国发展相关的关键技术。 2. 实现超声分子束的有效减速与冷却，获得高通量、低温度（3mK甚至亚-mK）

的冷分子束源；研制成功集成分子芯片及相关的分子光学器件，为精密测量与量子信息处理奠定技术基础。为我国发展冷分子及分子光学器件的关键技术。 3. 实现光场相位和空间信息的长时间可逆存储、相互作用与高效转换；实现量

子信息在多个能级和多个原子系综之间的高效率可控转移。 4. 实现可用于量子态操控的多组份原子系综；理论与实验有机结合探索不同新

奇量子态的可控构造、量子操控与探测。 5. 实现光子-原子量子界面的量子保真转换与操控；理论与实验有机结合，开

拓基于光子-原子量子态调控的新型量子光源、量子仿真、量子信息处理以及精密测量（包括精密光谱）等技术的探索与研究。争取获得若干项重大理论创新性进展与一到两项重大实验技术的突破。 6. 在我国现有的量子信息科学研究基地的基础上，建立与稳定一个科学上立足

于量子光学与原子分子物理领域，技术上向量子信息与精密测量等量子技术领域交叉，基础与应用有机融合，并与国际水平接轨的新的研究基地。 7. 培养和稳定凝聚一支能够协同攻关，面向国际科技舞台，敢于挑战国际前沿，

思想活跃的量子光学、原子分子物理与量子信息科学交叉领域的优秀科研队伍，为国家战略发展储备科研力量。 8. 继续发展与国际同行的广泛交流与合作，争取组织举办一到两次该领域的国

际学术会议。

9. 在国际一流与重要学术刊物（如Physical Review Letters，Physical Review

A，Applied Physics Letters等）上发表高质量有影响的学术论文50－70篇。培养高质量的博士研究生15-20名。 10. 争取获得具有我国自主知识产权的关键核心技术，申请获得专利若干项。

三、研究方案

本项目将围绕玻色-费米原子量子系综以及冷分子系综的制备、量子调控，原子、分子新奇量子态的可控构造、量子操控和量子探测，光子-物质量子界面的量子操控，基于原子、分子量子态调控的关键量子技术等方面的重大基础科学问题及关键技术原理，瞄准总体目标与五年预期目标，利用我们团队研究成员在不同方面所具有的优势互补的研究专长，结合我们在执行前期“量子调控”计划项目中所积累的学术基础与技术优势，合理分工、协同攻关来展开与实施。 总体研究方案的设计与构思是以我们前期项目所发展的光子-物质（原子、分子）量子操控的基本单元技术与研究平台为基础，以光子、原子、分子作为核心信息载体，从不同的学术角度与技术需求来研究它们的量子态的构造、相互耦合与作用、以及光子信息载体与物质（原子、分子）信息载体量子界面的量子调控原理与技术，开拓与发展具有自己特色与创新的基于原子、分子体系量子调控的关键量子技术的新思路与新途径。整体的学术思路与技术途径如下图所示。

项目将分成紧密关联的三个层次. 首先，利用我们已经建立或正在搭建的实验研究平台，结合我们已经掌握的光场与原子、分子相干控制的单元技术，实现冷原子、分子乃至超冷原子、分子系综的制备、探测以及特性的研究。其次，以我们自己发展的量子光学与原子分子光学方法以及相关的单元技术，包括光子操控与量子光源制备等技术为主，开展冷原子分子系综的量子态操控及新奇量子态的可控构造的研究与探索。然后，在此基础上进一步发展光子-物质（原子、分

子）协同量子调控的原理与技术，并开拓基于光子-物质量子信息界面的量子信息处理、量子仿真与精密测量等量子技术。

根据以上总体研究方案的设计思路，结合我们团队所依托的各研究单位在研究力量、研究平台与单元技术等方面的各自优势，我们进行如下的学术分工与研究任务的分解：

山西大学以量子光学与光量子器件国家重点实验室为依托，在彭堃墀院士的领导下，多年来一直从事量子光学的实验研究，是国内实验量子光学的一个重要研究基地。特别是他们在我们前期“量子调控”计划项目（2006CB921100）的执行中，取得了国际水平的研究进展。在量子光源与超冷玻色-费米混合原子系综的研究方面积累了国内的技术优势地位。中科院武汉物理与数学所在超冷原子的实验研究方面也是国内领先单位之一。他们将负责本项目课题1中的超冷玻色-费米混合原子系综的制备、量子调控、新的量子态物质，包括超冷分子的形成等研究。山西大学以87Rb和40K玻色-费米混合原子系综为研究对象，通过光学偶极阱中的蒸发冷却技术实现超冷原子系综，再通过光晶格与Feshbach共振技术实现精确的量子调控，探索超冷原子的量子相变与各种新奇量子现象。武汉物理与数学所以玻色(87Rb)-费米(6Li、40K)三种元素混合系综进行冷却于囚禁，实现量子简并，并探索实现超冷分子的有效方法与技术途径。

华东师范大学近几年来在冷原子、冷分子的相干与量子操控方面的研究发展得十分迅速。同样，他们通过前期项目（2006CB921100）的研究，在原子的量子操控理论与实验有机结合方面取得了具有自己特色与优势的创新性研究成果。在该项目（也是本项目推荐的）首席科学家张卫平教授的直接带领下，从相关研究人才到实验研究平台等方面都已具备了开展本项目研究的学术优势。由于强有力的理论研究队伍的支撑以及实验与理论紧密结合的成功经验的积累等方面的优势，华东师范大学团队一方面将负责本项目中的冷原子、分子量子调控的整体理论研究与相关的量子技术方案的设计，另一方面他们同时将承担本项目中课题2与课题4的研究任务。课题2负责分子冷却与冷分子系综的制备、分子量子调控等的实验与基础理论研究工作，其中清华大学将协助有关分子量子器件的方案与设计的研究。课题4负责开拓基于原子系综的量子态操控、量子信息处理与高精密测量的原理与技术的实验与理论研究，包括与复旦大学合作，进行光子-原子量子界面的量子操控的实验研究。

吉林大学通过前期项目（2006CB921100）的积累，在基于原子系综的信息处理与相干存储的研究方面进展迅速。在本项目中，他们将负责课题3的研究任务，进一步开拓基于光与原子耦合体系的相位信息和空间信息的操控；多个原子系综间的光信息可控转移； 基于原子系综-光学腔耦合体系的空时可控的长时间信息可逆存储、相互作用与高效转换等方面的原理与技术研究。

本项目的特色及创新性：

本项目的特色体现在（1）瞄准国际上具有重大技术应用潜力的科学前沿领域的最新热点，针对我国战略发展需求的重大科学计划的具体目标，联合我国在该前沿领域已储备的优势力量，以理论队伍与实验队伍紧密结合、协同攻关的方式来解决对我国科学发展具有重大影响，对高新技术发展具有重要推动作用的重大科学前沿中的关键科学与技术问题； （2）将自己发展的学术思想与积累的技术专长有机地融汇到项目的整体方案的构思与技术途径的设计中，具有鲜明的自主性； （3）重大科学前沿与重大技术前沿的最新研究进展与发展趋势的有机与

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