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

1、项目名称称：基于光与与冷原子子的量子子物理和和量子信信息首席科学学家：潘建伟 中国科科学技术术大学起止年限限：20111.1至至20115.88依托部门门：中国科学学院二、预期期目标1. 总总体目标标：项目目的总体体目标是是瞄准我我国未来来信息技技术和社社会发展展的重大大需求，开展量量子物理理和量子子信息领领域的基基础性、战略性性和前瞻瞻性探索索研究和和关键技技术攻关关，为我我国在未未来的国国际战略略竞争中中抢占核核心技术术的制高高点打下下扎实基基础，为为我国在在量子物物理和量量子信息息及相关关领域的的发展提提供战略略性建议议，协调调和推动动我国在在该领域域的研究究和发展展；培养养和造就就从事

2、量量子物理理和量子子信息研研究的高高级专门门人才。通过本项项目诸多多科研课课题独立立又相互互交叉的的深入研研究，预预期在多多光子纠纠缠的制制备和应应用研究究，纠缠缠光子和和原子系系综交互互界面的的可升级级的量子子存储和和量子中中继器的的研究，超冷原原子量子子调控的的研究，和光-冷原子子量子信信息处理理的相关关理论研研究等方方面做出出一些原原创性的的有重要要意义的的处于国国际领先先水平的的成果，并在若若干方面面将研究究成果转转化为可可预期的的具有市市场价值值的产品品。这将将为构筑筑具有我我国自主主知识产产权的量量子调控控技术的的科学基基础，以以及推动动我国量量子物理理和量子子信息的的实用化化做出

3、重重要贡献献。本项目预预计将在在量子物物理与量量子信息息等研究究领域内内发表高高质量学学术论文文数十篇篇、出版版专著22-3部部、申请请5-110项发发明专利利、组织织高水平平的国内内外学术术会议、培养330名左左右的优优秀人才才，从而而凝聚和和培养一一支高素素质的从从事量子子物理和和量子信信息科学学技术研研究的科科研队伍伍，建立立在学术术上具有有重要国国际影响响的科研研基地，提升我我国在这这一前沿沿交叉领领域的国国际竞争争能力，在量子子物理和和量子信信息相关关研究领领域内继继续保持持国际领领先地位位。2. 五五年预期期目标:（1）实实验实现现八光子子纠缠的的产生和和基于纠纠缠的单单向量子子计

4、算；（2）实实现基于于纠缠光光子的干干涉器件件、量子子计算器器件的研研制；（3）将将纠缠光光子存储储到冷原原子系综综中，实实验实现现窄带纠纠缠光子子与量子子存储器器的接口口；（4）延延长冷原原子系综综量子存存储的寿寿命到1100毫毫秒数量量级，探探索更贴贴近实用用的量子子中继器器；（5）实实验实现现光阱中中的玻色色-爱因斯斯坦凝聚聚，产生生等效规规范势场场；（6）开开发光晶晶格中单单原子分分辨和定定位技术术，探索索对单原原子的操操控技术术；（7）探探索冷原原子在空空心光子子晶体光光纤中与与光场相相互作用用的特性性，开展展一维量量子光学学体系中中光子费费米化的的研究；（8）在在理论上上建立利利用

5、光子子和冷原原子进行行量子物物理和量量子信息息研究的的一系列列物理模模型及相相应的算算法和设设计，实实现对相相关实验验的理论论指导。三、研究究方案1. 学学术思路路：本项目计计划以光光子与冷冷原子为为主要研研究对象象，开展展量子物物理与量量子信息息等领域域的一系系列关键键问题，关键技技术以及及面向应应用的研研究工作作。在中中国科学学技术大大学科研研团队业业已取得得的系列列量子物物理与量量子信息息理论、实验及及相关应应用的研研究成果果基础上上，本项项目将结结合当今今先进的的激光技技术，信信息技术术和电子子学技术术，充分分发挥多多学科交交叉互补补、实验验理论紧紧密结合合的优势势，开展展对光子子和冷

6、原原子操控控的各个个关键环环节、关关键技术术攻关，系统性性地理论论研究量量子物理理与量子子信息基基本原理理与应用用，实验验实现更更多光子子更多自自由度的的纠缠和和基于多多纠缠光光子的量量子计算算演示，研发基基于光子子与原子子相干操操控和量量子存储储技术的的可实用用化的量量子中继继器，发发展超冷冷原子的的制备和和操控技技术和量量子仿真真应用。最终在在上述研研究的基基础上，本项目目的开展展实现将将为中国国构筑具具有自主主知识产产权的量量子信息息技术的的科学基基础，为为推动中中国量子子信息的的实用化化做出重重要贡献献。2. 技技术途径径：在多光子子纠缠态态制备及及其在量量子信息息中的应应用方面面，本

7、项项目计划划在现有有技术基基础上，着力于于提升单单光子的的收集效效率与探探测效率率，结合合高维光光子纠缠缠度的应应用来实实现多光光子多自自由度量量子比特特的快速速高精度度的操控控。以此此为基础础，系统统地研究究上述体体系在量量子精密密测量，量子计计算，新新颖量子子基础检检测等方方面的能能力，为为其应用用于量子子信息处处理提供供重要依依据。进进一步，把这些些已经搭搭建的实实验体系系整合成成为功能能化小型型化的量量子实验验器件，运用于于量子精精密测量量原理的的演示、新型量量子计算算模式的的验证以以及重要要基础物物理问题题的研究究。在光子与与冷原子子的量子子存储方方面，深深入研究究量子存存储的退退相

8、干机机制和损损耗机制制；在理理论指导导下，实实验上采采用激光光、磁场场控制等等多种途途径提高高冷原子子的光学学厚度，抑制退退相干和和原子损损耗，增增大光子子与原子子的耦合合强度以以期提高高冷原子子系综量量子存储储的寿命命和量子子态读出出效率。在应用用研究方方面，我我们将优优化单个个量子存存储器性性能，提提升其稳稳定性和和效率；开发多多单元量量子存储储器件；与多光光子纠缠缠技术结结合起来来，将纠纠缠光子子的操控控和冷原原子的操操控统一一联接起起来，为为将来实实用型量量子中继继器的开开发奠定定基础。在超冷原原子的量量子调控控方面，以玻色色-爱因斯斯坦凝聚聚为基础础，依靠靠中国科科学技术术大学科科研

9、团队队已具有有的光子子操控和和原子操操控的技技术，通通过激光光、磁场场和超冷冷原子的的耦合，实现对对超冷原原子量子子态的精精密操控控和调节节，为量量子仿真真凝聚态态物理现现象打下下基础。进一步步，开发发光晶格格中的单单格点分分辨以及及单原子子操纵技技术，对对光晶格格格点中中的单个个原子进进行相干干操控。同时通通过研究究原子与与光子之之间的相相互作用用，探索索利用空空心光子子晶体光光纤中的的原子和和光子进进行量子子存储，量子仿仿真的技技术可行行性，为为今后多多用途量量子器件件的开发发打下基基础。3. 创创新点与与特色：本项目中中所选择择的研究究内容，都是针针对量子子物理和和量子信信息中广广泛受到

10、到关注、具有重重要应用用前景的的关键科科学问题题。其中中每个问问题的解解决，都都具有重重要的科科学意义义和应用用前景。这个过过程中发发展起来来的技术术不仅在在量子物物理和量量子信息息领域中中很重要要，而且且可以广广泛应用用于原子子物理，光学和和凝聚态态物理等等领域产产生的众众多交叉叉学科的的研究中中。因此此，本项项目的成成功将是是具有重重大价值值的科技技进展。（1）在在研究对对象上，我们采采用光子子和冷原原子作为为主要的的研究和和量子调调控对象象。光和和原子系系统优势势互补是是本项目目的一大大特色。光子是是理想的的量子信信息载体体，具有有传输迅迅捷、性性能稳定定、易于于进行相相干操作作等一系系

11、列优点点。量子子信息学学十余年年来的发发展，光光子始终终是研究究者们有有力的工工具，相相关技术术已相当当成熟。原子是是当前量量子信息息理想的的存储介介质，在在量子物物理和量量子信息息技术中中可以弥弥补单纯纯操作光光子的局局限性。另外，冷原子子体系也也成为量量子调控控的重点点。原子子操控技技术的发发展和推推广将应应用于更更大的领领域中，产生更更多的学学科交叉叉。（2）从从研究手手段上，依靠已已有的雄雄厚实验验技术，利用经经验丰富富的研究究成员借借鉴和吸吸收当前前先进技技术，是是本项目目完成的的重要保保证。在在多光子子纠缠方方面，本本项目计计划发展展高效率率的光子子收集系系统和探探测器，高稳定定性

12、的单单光子干干涉Saagnaac环等等关键器器件，进进行更多多光子纠纠缠的研研究，发发展量子子信息处处理和量量子计算算的新技技术。在在光和冷冷原子量量子存储储和量子子中继器器的研究究方面，科研团团队将从从克服量量子退相相干的目目标出发发，结合合暗磁光光阱、蓝蓝失谐光光偶极阱阱、“钟态”原子和和光学腔腔等新开开发技术术，提高高量子存存储的品品质，并并发展多多信息的的存储介介质，开开发更加加贴近于于实用的的量子中中继器技技术。在在利用超超冷原子子进行量量子调控控方面，科研团团队将结结合超冷冷原子获获取和操操控技术术、光晶晶格技术术、Feeshbbachh共振技技术，和和最新发发展的单单原子分分辨与

13、定定位技术术、空心心光子晶晶体光纤纤装载原原子技术术，有效效开展具具有我们们自己特特色的量量子仿真真，量子子调控的的研究工工作，进进一步探探索量子子物理学学的奥秘秘。（3）从从研究方方法上，注重实实验与理理论的紧紧密结合合。理论论计算与与实验分分析将始始终贯穿穿于每一一个课题题、每一一项研究究工作中中。这种种密切结结合，即即能够确确保理论论上掌握握基于光光和冷原原子量子子调控实实现的各各个环节节的条件件、揭示示实际可可行的技技术途径径和发展展具有原原创性的的量子物物理和量量子信息息新技术术，又能能够在实实验上将将各种技技术手段段有机集集成迅速速有效运运用到各各种物理理问题的的研究和和探索当当中

14、。因因此，形形成理论论和实验验互相促促进、多多学科和和多技术术手段交交叉的良良好研究究氛围和和机制，将为本本项目预预期目标标的完美美实现创创造必要要和可靠靠的条件件。4. 取取得重大大突破的的可行性性分析：各课题组组在多光光子纠缠缠，冷原原子量子子存储及及其相关关的理论论已开展展了多年年研究，已有很很好的研研究基础础，开展展了广泛泛深入的的国际学学术交流流和科技技合作，培养和和创建了了完整的的研究梯梯队，取取得了一一系列国国际领先先的研究究成果。完备的的研究队队伍、雄雄厚的技技术储备备、成熟熟的科研研实验平平台和广广泛的国国际合作作等方面面为本项项目的进进一步深深入研究究奠定了了良好的的基础。

15、通过几几个课题题组的继继续发展展和紧密密结合，本项目目极有可可能在更更多光子子纠缠的的产生和和应用、基于光光子和原原子相互互作用的的新型量量子存储储和量子子中继器器的开发发、超冷冷原子的的量子调调控以及及贯穿其其中的机机理研究究和解决决方法等等方面取取得一批批重大突突破和科科技进展展。5项目目组织形形式：项目将参参照“9973”项目的的要求实实施，实实行首席席科学家家负责制制，成立立以首席席科学家家为组长长的项目目执行机机构，把把握学术术方向，协调解解决有关关问题，每年召召集1-2次项项目学术术研讨会会，推进进项目顺顺利实施施；成立立战略研研究小组组，瞄准准国际最最新研究究前沿，为总体体目标的

16、的实现提提供信息息指导；成立顾顾问组，聘请资资深专家家作为项项目顾问问，对项项目的进进展提出出咨询意意见。6. 课课题设置置思路：以光学系系统、冷冷原子系系综、以以及它们们之间的的量子界界面为主主要研究究对象，针对量量子信息息处理、计算、及仿真真等量子子调控的的各个关关键环节节，探索索宏观新新奇量子子现象可可能的微微观物理理机制及及数值计计算方法法，设计计和发展展基于各各种科学学原理的的实验体体系和理理论方案案，开发发满足可可扩展、可升级级、规模模化、集集成化、小型化化、实用用化等要要求的关关键技术术，研制制量子信信息处理理中量子子态制备备、存储储、操纵纵、测量量等模块块的关键键器件和和集成系

17、系统。在在中国科科学技术术大学科科研团队队业已取取得的研研究成果果和技术术的基础础上，结结合当今今先进的的激光技技术，信信息技术术和电子子学技术术，充分分发挥多多学科交交叉互补补的优势势，针对对量子信信息科技技进行系系统全面面的探索索和研发发。科研研项目课课题合理理规划，实验与与理论紧紧密结合合，科研研人员统统筹安排排密切合合作，将将保证本本项目的的顺利实实施和完完成。在在保证项项目系统统性的基基础上，根据项项目的预预期目标标和具体体实验对对象侧重重点的差差别，设设置以下下4个研研究课题题：多光光子量子子纠缠的的制备、操纵和和应用；光与冷冷原子量量子存储储和量子子中继器器的研究究；超冷冷原子量

18、量子调控控及其应应用；光光和冷原原子量子子调控的的理论研研究。7. 课课题间的的有机联联系、与项目目预期目目标的关关系：上面这些些课题，既有各各自的特特点，又又有密切切的融合合交叉。课题之之间的密密切关联联可粗略略地概括括为如下下几点。第一，四个课课题都紧紧紧围绕绕整个项项目的总总目标，即致力力于研发发量子信信息处理理及相关关量子调调控实用用化所需需求的关关键器件件、关键键技术，探索与与之相关关的物理理机制。第二，在各种种实验系系统中，由于光光和冷原原子系综综各自的的优越性性及它们们的互补补性，同同时考虑虑到中国国科学技技术大学学量子信信息领域域完整的的科研团团队已经经积累的的雄厚技技术和丰丰

19、富经验验，课题题的研究究对象聚聚焦于光光学系统统和冷原原子系综综，以及及它们的的结合。各课题题自成系系统，各各有侧重重，相互互独立，又相互互关联，理论上上相互印印证，技技术上相相互支撑撑。第三三，理论论与实验验研究分分工明确确，又紧紧密合作作。量子子现象的的理论阐阐述和实实验验证证，量子子信息的的方案设设计和物物理实现现，共同同为整个个研究项项目的最最终目标标服务。课题11以光学学系统为为研究对对象，研研制小型型化高效效率的多多光子纠纠缠器件件、高效效率的光光子收集集器和探探测器、以及超超纠缠态态的制备备手段；同时探探索这些些技术和和器件在在量子信信息处理理、高精精度测量量、量子子力学基基础检

20、测测等方向向的应用用。课题题2以光光和冷原原子接口口为主要要研究对对象，应应用窄带带纠缠源源、电磁磁诱导透透明、光光晶格和和暗磁光光阱技术术等，进进行可拓拓展可升升级的量量子存储储和量子子中继器器的研制制。课题题3以超超冷原子子和光晶晶格为主主要研究究对象，应用FFesbbachh共振技技术对光光晶格中中的原子子间相互互作用进进行调控控，对量量子相变变、规范范场产生生、一维维空心光光纤内光光子费米米化等重重要现象象进行量量子仿真真；同时时，对光光晶格中中单原子子分辨和和定位(sinnglee attom adddresssinng)等等有重要要作用的的关键技技术进行行开发。课题44利用课课题研

21、究究骨干不不同的科科研背景景和理论论优势，围绕实实验需求求及量子子信息处处理前瞻瞻性的课课题，为为前三个个课题组组提供理理论指导导、协助助和配合合，发展展一套能能高效模模拟光晶晶格仿真真系统的的数值算算法等。课题11、2、3各自自发展出出的实验验技术将将能够被被其它实实验课题题有效借借鉴和应应用，它它们的研研究也将将为课题题4的理理论研究究提供新新的内容容。而课课题4的的研究成成果又能能为课题题1、22、3的的实验研研究揭示示实际可可行的技技术途径径。在关关键器件件的研制制和关键键技术的的开发的的同时，本项目目的4个个课题也也非常重重视量子子力学和和量子信信息学的的前瞻性性课题的的探索和和研究

22、。这样的的研究计计划目标标是争取取让本研研究团队队长期保保持甚至至进一步步提升在在国际上上的地位位。8. 各各课题的的详细信信息如下下：课题1：多光子子量子纠纠缠的制制备、操操纵和应应用研究目标标：通过过对本课课题的研研究，应应掌握相相应光学学系统中中量子比比特的性性质，找找到有效效扩展量量子比特特的方法法，发展展出高效效率的光光子收集集系统，完成更更多光子子和更多多量子比比特的实实验实现现。并且且基于这这些光子子纠缠态态进行量量子高精精度测量量和量子子计算，为论证证光学量量子计算算等方案案的可行行性和可可扩展性性提供理理论和实实验依据据。同时时通过课课题的实实施带动动国际交交流和人人才培养养

23、，为我我国今后后在光学学量子计计算的前前沿研究究上奠定定人才基基础。研究内容容：(11) 多多光子纠纠缠态和和超纠缠缠态制备备、高效效率光子子收集和和探测等等关键器器件的研研制。在在目前六六光子纠纠缠态制制备技术术的基础础上，研研制高效效率的光光子收集集器和探探测器，进一步步制备七七、八，甚至更更多光子子的纠缠缠源和那那些在量量子计算算和量子子模拟中中具有重重要地位位的纠缠缠态，如如多光子子GHZZ态，簇(cllustter)态，以以及无退退相干态态（DFFS，deccoheerennce-freee sstatte）；利用光光子的极极化、路路径等多多自由度度，发展展超纠缠缠态的制制备手段段，

24、实验验实现十十至二十十量子比比特纠缠缠。(22) 纠纠缠光子子在高精精度测量量、量子子计算、及量子子基础检检测的应应用研究究。在制制备的纠纠缠态基基础上，利用纠纠缠态的的德布罗罗意波长长与光子子数成反反比的性性质，进进行超越越经典极极限的高高精度测测量研究究；利用用高维纠纠缠态的的拓扑性性质，进进行拓扑扑纠错码码、基于于簇态和和非簇态态的单向向量子计计算等理理论方案案的实验验演示；利用特特定结构构簇态的的几何性性质，实实验实现现拓扑量量子比特特；利用用高维纠纠缠态进进行渐次次关闭漏漏洞的类类空间隔隔非定域域性检验验和其它它新颖的的量子基基础检验验实验。经费比例例：322% 承担单位位：中国国科

25、学技技术大学学课题负责责人：潘潘建伟学术骨干干：陈腾腾云、梁梁昊、王王坚、江江晓课题2：光与冷冷原子量量子存储储和量子子中继器器的研究究研究目标标：高性性能的量量子存储储器将不不仅为实实用化的的量子通通信提供供基本单单元，同同时也将将是可升升级的量量子计算算机不可可少的组组成部分分。本课课题的主主要研究究目标如如下: 1）开开发基于于EITT的多原原子系综综存储单单元，实实现可以以直接存存储任意意未知量量子态的的通用量量子存储储器；并并基于此此技术实实现参量量下转换换纠缠光光子源的的直接存存储，为为概率光光子纠缠缠源提供供量子存存储接口口。2）在蓝蓝失谐光光阱和光光晶格的的帮助下下，大幅幅提高

26、量量子存储储器的寿寿命；同同时，借借助于原原子和光光学腔的的耦合技技术，提提高光子子态与原原子集体体态之间间的高效效率转化化。3）通过过开展基基于原子子系综量量子存储储器的应应用研究究，实现现光纤连连接的两两团原子子系综间间的量子子隐形传传态，提提升异地地原子间间纠缠的的品质和和产生效效率，获获取单向向量子计计算与量量子存储储器的融融合技术术。研究内容容：(11) 窄窄带纠缠缠光存储储器的研研制。开开发矩形形磁光阱阱技术，囚禁高高密度的的雪茄形形Rb887原子子系综以以产生大大光学厚厚度的量量子存储储介质；在冷原原子团中中建立两两套基于于EITT机制的的存储单单元，分分别用来来存储单单光子极极

27、化态的的两个正正交极化化模，结结合高精精度锁相相技术实实现通用用量子存存储器；利用腔腔增强的的光参量量下转换换方法，制备适适合于量量子存储储的单模模的窄带带极化纠纠缠光子子源；实实现将量量子纠缠缠相干地地存入冷冷原子系系综中并并可控地地和高保保真度地地读出。(2) 长寿寿命量子子存储器器及其读读写接口口的研制制。实现现暗磁光光阱，有有效获得得高密度度的冷原原子系综综；磁光光阱中束束缚的原原子，经经过进一一步冷却却到亚多多普勒温温度；把把暗磁光光阱中的的冷原子子向蓝失失谐偶极极光阱传传输，研研究如何何在蓝失失谐偶极极光阱中中获得合合适的原原子数目目、长囚囚禁时间间、低散散射率和和小光频频移效应应

28、；研究究写光、读光和和原子系系综的空空间模式式匹配及及其对原原子集体体激发态态读出效效率的影影响；研研究原子子钟态能能级和原原子温度度对存储储寿命的的影响；研究冷冷原子光光晶格MMottt绝缘态态，有效效抑制原原子运动动带来的的自旋波波退相干干；研究究环型共共振腔中中冷原子子的耦合合机制，开发锁锁定腔长长的技术术，同时时实现量量子存储储器长存存储寿命命和高读读出效率率。(33) 基基于原子子系综量量子存储储器的应应用研究究。利用用原子系系综产生生的光与与原子纠纠缠态，探索实实现远距距离光纤纤连接的的两团原原子间的的量子隐隐形传态态；研究究如何利利用量子子反馈技技术和长长寿命光光与原子子纠缠态态

29、来提升升纠缠交交换的成成功概率率，进而而提高异异地原子子纠缠态态制备的的效率；在实现现异地原原子团间间的确定定性纠缠缠态制备备的基础础上，利利用四团团原子系系综进行行纠缠纯纯化研究究，提升升异地间间纠缠的的品质；利用长长寿命光光与原子子纠缠，结合自自由空间间量子通通讯技术术，研究究远距离离光与原原子纠缠缠态的分分发技术术；根据据已有的的理论工工作，开开展多节节点多级级次量子子中继器器的可行行性研究究；实验验上制备备光与原原子间的的量子簇簇态，探探索基于于量子存存储的单单向量子子计算技技术。经费比例例：277% 承担单位位：中国国科学技技术大学学课题负责责人：苑苑震生学术骨干干：陈增增兵、金金革

30、、徐徐春凯课题3：超冷原原子量子子调控及及其应用用研究目标标：实验验上获得得玻色-爱因斯斯坦凝聚聚并利用用光晶格格技术，获得BBEC超超流态到到Mottt绝缘缘态的相相变；通通过BEEC与光光和磁场场的相互互耦合，在光偶偶极势阱阱中产生生规范场场；探索索规范场场仿真凝凝聚态物物理中某某些现象象。通过过光晶格格系统中中量子操操纵的基基本方法法，发展展精确有有效的单单原子操操纵的调调控技术术，开发发实现晶晶格内两两两原子子纠缠的的量子比比特门的的技术。并对相相应光晶晶格超冷冷原子系系统在单单原子操操纵技术术下进行行量子计计算的特特性积累累知识，为论证证光晶格格量子计计算以及及量子模模拟方案案的可行

31、行性和可可扩展性性提供理理论和实实验依据据。开展展光子调调控的研研究，将将冷原子子装载入入空心光光纤，探探索冷原原子在空空心光子子晶体光光纤中与与量子光光场的相相互作用用特性，开展一一维量子子光学体体系中光光子费米米化的研研究。同同时通过过课题的的实施带带动国际际交流和和人才培培养，为为我国今今后在利利用超冷冷原子进进行量子子计算以以及量子子仿真的的前沿研研究上奠奠定人才才基础。研究内容容：(11) 利利用光阱阱和光晶晶格中的的BECC产生规规范势场场。建立立玻色-爱因斯斯坦凝聚聚实验装装臵，获得得玻色-爱因斯斯坦凝聚聚体（BBEC），并利利用光晶晶格技术术，实现现BECC超流态态到Moott

32、绝绝缘态的的相变。利用BBEC与与光和磁磁场的相相互作用用，在光光偶极阱阱和光晶晶格中构构造规范范势场的的研究，并对两两者的产产生机制制进行比比较，为为今后利利用超冷冷原子进进行量子子霍尔效效应等方方面的量量子仿真真奠定基基础。(2) 光晶格格中单原原子的分分辨和定定位技术术的探索索。在光光晶格调调控BEEC的技技术基础础上，开开发光晶晶格中的的单格点点分辨的的成像系系统和单单原子操操纵的关关键技术术，并开开发两维维超晶格格技术，将原子子装载到到两维超超晶格中中，探索索模拟四四体相互互作用的的可能性性，并进进一步探探索任意意子的产产生。(3) 利用一一维冷原原子和光光场进行行量子调调控的探探索

33、。将将超冷原原子装载载到空心心光子晶晶体光纤纤中，形形成一维维量子光光学系统统。利用用光子和和原子相相互作用用和EIIT原理理，进行行新型量量子存储储器件的的前瞻性性探索和和研究。利用原原子的多多个能级级，在一一维体系系中引入入光子之之间的相相互作用用，进行行一维量量子光学学系统中中有相互互作用的的玻色子子费米化化等量子子仿真研研究。经费比例例：300%承担单位位：中国国科学技技术大学学、浙江江大学课题负责责人：陈陈帅学术骨干干：陈启启瑾、郑郑坚、颜颜波、单单旭课题4：光和冷冷原子量量子调控控的理论论研究研究目标标：通过过对基于于不同科科学原理理的量子子信息处处理及量量子计算算理论方方案及其其

34、优劣性性的深入入研究，探索各各方案实实验实现现的可能能性，并并开发更更加优化化的实验验方案。研究量量子存储储的各种种物理机机制，设设计更高高品质的的量子中中继器方方案。对对光晶格格量子仿仿真系统统进行场场论研究究，并发发展相应应的高效效蒙特卡卡洛算法法。设计计新颖量量子基础础检测实实验方案案，探索索量子力力学的弱弱测量理理论的一一般数学学形式及及其应用用。挖掘掘量子纠纠错码的的深层数数学机制制。总而而言之，与实验验紧密结结合，为为前三个个课题组组提供理理论指导导和配合合，并且且对量子子信息前前瞻性或或基础性性物理问问题进行行深入研研究。本本课题的的实施，将通过过密切的的国际国国内交流流，同时时

35、将吸引引优秀的的高年级级本科生生和研究究生参与与，为我我国今后后在量子子信息处处理相关关理论方方面奠定定人才基基础。研究内容容：(11) 可可拓展可可升级量量子信息息处理及及量子计计算实验验系统及及实验方方案研究究。对基基于拓扑扑性质的的量子纠纠错码、簇态及及非簇态态单向量量子计算算、制备备超纠缠缠等实验验方案进进行进一一步研究究并探索索进行实实验实现现的可能能性。(2) 量子存存储及退退相干物物理机制制研究。深入研研究基于于光和冷冷原子系系综的量量子存储储物理机机制，特特别是基基于电磁磁诱导透透明(EEIT)技术的的量子存存储，及及相应的的退相干干机制，开发可可升级的的量子中中继器方方案。(

36、3) 量子场场论和光光晶格仿仿真系统统的理论论研究和和高效数数值算法法设计。对光晶晶格仿真真系统的的量子相相变行为为进行保保角场理理论(cconfformmal fieeld theeoryy)的刻刻画。应应用在算算法设计计方面积积累的丰丰富经验验，从数数据库结结构、物物理系统统蕴含的的对称性性、不同同算法中中巧妙技技巧的结结合、以以及深层层的数学学机制，发展和和设计能能模拟量量子场论论和光晶晶格仿真真系统的的高效量量子蒙特特卡洛算算法，特特别是基基于蠕虫虫类更新新的算法法和能克克服费米米系统符符号问题题的图像像蒙特卡卡洛算法法。(44) 弱弱测量理理论应用用及量子子纠错码码数学机机制研究究。

37、研究究量子力力学的弱弱测量理理论在一一般情况况下的数数学形式式，以及及其利用用先选择择和后选选择对信信号的放放大原理理，探索索在光学学和冷原原子系统统的实验验实现。研究量量子纠错错码的普普适数学学机制，设计更更加优化化的纠错错码方案案。经费比例例：111%承担单位位：中国国科学技技术大学学课题负责责人：邓邓友金学术骨干干：郁司司夏、蒋蒋一、刘刘乃乐、吴盛俊俊四、年度度计划20111年1月20011年年12月研究内容容：搭建高功功率激光光系统，多探测测器测量量装置，设计多多通道符符合电子子学系统统。优化化两光子子纠缠源源的亮度度和对比比度；采采用不同同带宽的的干涉滤滤波片优优化光子子干涉的的效果

38、；采用不不同的纠纠缠相干干拓扑结结构，优优化多光光子纠缠缠保真度度。搭建激光光器、真真空腔，实现基基于磁光光阱的冷冷原子装装置,引引入暗磁磁光阱技技术，优优化原子子光学厚厚度和原原子装载载速率。在冷原原子团中中建立两两套基于于EITT机制的的存储单单元，分分别用来来存储单单光子极极化态的的两个正正交极化化模，结结合高精精度锁相相技术实实现通用用量子存存储器；利用腔腔增强的的光参量量下转换换方法，通过优优化泵浦浦光脉冲冲的长度度，有效效的解除除极化纠纠缠光子子的频率率关联，制备适适合于量量子存储储的单模模的窄带带极化纠纠缠光子子源；实实现将量量子纠缠缠相干地地存入冷冷原子系系综中并并可控地地和高

39、保保真度地地读出。实现光阱阱中的玻玻色-爱因斯斯坦凝聚聚；搭建建Fesshbaach共共振的磁磁场和磁磁场控制制装置；搭建光光晶格实实验装置置和用于于产生规规范势阱阱的激光光、磁场场装置。设计单单格点分分辨本领领的光学学成像系系统；建建立空心心光子晶晶体光纤纤的实验验装置，尝试将将冷原子子装载进进入光子子晶体光光纤。对基于空空间拓扑扑结构的的拓扑图图态量子子计算的的实验方方案进行行深入分分析，定定量计算算可升级级对拓扑扑图态的的要求，图态对对各种可可能的量量子比特特错误的的容忍度度。在有有限的光光子纠缠缠对下，探索利利用超纠纠缠构造造更复杂杂的拓扑扑图态。细致分分析窄带带纠缠光光子对之之间可能

40、能存在的的频率关关联等。对利用用重力场场以及磁磁场不均均匀性在在超冷原原子系综综产生规规范场的的实验方方案进行行第一性性原理的的数值模模拟。发发展和设设计连续续虚时的的蠕虫算算法。进进一步完完善和发发展量子子力学的的弱测量量理论，给出一一般情况况下弱测测量理论论的完整整数学表表达形式式。预期目标标：实现最终终计数330万对对，保真真度955%以上上的高亮亮度高保保真度纠纠缠源；在此基基础上，实现可可见度880%的的四光子子纠缠源源；成功功实现八八光子GGHZ纠纠缠态以以及八光光子消相相干自由由空间纠纠缠态的的实验制制备。暗磁光阱阱提高原原子光学学厚度，20以上上；解除除极化纠纠缠光子子的频率率

41、关联，并维持持窄带纠纠缠光子子带宽到到10 MHzz量级；相干存存储纠缠缠光子到到微秒量量级。成成功实验验验证窄窄带纠缠缠源的相相干量子子存储。实现光阱阱中的玻玻色-爱因斯斯坦凝聚聚，并将将凝聚体体装载到到3维光晶晶格中；完成单单格点分分辨的光光学成像像系统的的设计；建成空空心光子子晶体光光纤实验验装置，装载冷冷原子光光学厚度度达到110。构造当前前实验技技术能实实现的并并且具有有拓扑性性质的图图态；为为无频率率关联的的窄带光光子纠缠缠在冷原原子系统统的量子子存储实实验实现现提供具具体参数数; 为为阿贝尔尔等效规规范场的的量子模模拟实验验实现建建议合理理的实验验方案; 完成成连续虚虚时的蠕蠕虫

42、算法法代码的的编写；给出一一般情况况下弱测测量理论论的完整整数学表表达形式式。20122年1月20012年年12月研究内容容：通过操纵纵光子的的多个自自由度探探索多光光子多量量子比特特的制备备；研究究多比特特簇态和和关联空空间纠缠缠态的制制备；并并探索在在其基础础上实现现单向量量子计算算中单比比特量子子门和多多比特的的量子门门的实验验实现；基于关关联空间间纠缠态态实现小小规模演演示性量量子算法法；基于于量子隐隐形传态态的CNNOT门门演示；基于多多光子纠纠缠态实实现用于于单向量量子计算算的拓扑扑量子比比特。通过使用用两团由由光纤连连接的原原子系综综，制备备其中一一团原子子的集体体激发态态，然后

43、后将制备备的原子子的任意意量子态态转化成成光子态态后隐形形传态到到另外那那团远程程原子；使用光光学粘团团的技术术进一步步冷却磁磁光阱中中的冷原原子达到到亚多普普勒温度度，同时时开发和和优化蓝蓝失谐的的偶极光光阱，装装载冷原原子到蓝蓝失谐偶偶极光阱阱，研究究如何在在光阱中中获得合合适的原原子数目目、长囚囚禁时间间、低散散射率和和小光频频移效应应，优化化量子存存储的寿寿命和读读出效率率。研究光晶晶格中冷冷原子的的超流态态到Moott绝绝缘态的的相变，通过FFeshhbacch共振振调节原原子之间间的相互互作用强强度，实实验上观观察由原原子相互互作用的的变化带带来的影影响；定定制单格格点分辨辨的光学

44、学系统，开始搭搭建具有有单格点点分辨能能力的光光晶格实实验系统统；提高高冷原子子在空心心光纤中中的光学学厚度，研究冷冷原子在在空心光光纤中与与激光相相互作用用的特性性。根据实验验室能制制备的多多量子比比特的纠纠缠态以以及相应应的噪声声水平，设计能能超越经经典极限限的高精精度测量量的实验验方案；数值模模拟和计计算相应应量子多多体系统统的相图图及具体体相变行行为，讨讨论这些些系统在在实验室室超冷原原子系统统下的具具体行为为，如光光晶格特特有的势势场下温温度定义义；深入入研究弱弱测量对对微弱信信号的放放大作用用，推导导其对微微弱信号号实现放放大的一一般性原原理；深深入研究究克服费费米系统统的符号号问

45、题的的关键因因素，发发展和设设计图形形蒙特卡卡洛算法法。预期目标标：实验实现现十个比比特以上上的量子子纠缠态态制备；完成关关联空间间纠缠态态制备；基于多多比特关关联空间间非簇态态实现单单比特量量子门；实现单单向双比比特量子子门；实实现在关关联空间间中的DDeuttch算算法演示示；实验验实现基基于量子子隐形传传态的CCNOTT门演示示；实验验实现拓拓扑量子子比特。实验实现现原子的的任意激激发态的的远程量量子隐形形传态到到另外一一团冷原原子，两两团冷原原子之间间用1550米以以上光纤纤连接；冷原子子进一步步冷却到到10-20微微开后装装载到空空心蓝失失谐光阱阱，光学学厚道达达到200以上，量子存

46、存储的寿寿命达到到几十到到一百毫毫秒的量量级。实现3维维光晶格格中BEEC的超超流态到到Mottt绝缘缘态相变变；完成成单格点点分辨光光学系统统的制作作，建成成具有单单格点分分辨能力力的光晶晶格实验验系统；提高空空心光纤纤中原子子的光学学厚度到到1000量级，在此基基础上开开展一维维量子光光学实验验研究。设计实现现能超越越经典极极限的高高精度测测量的实实验方案案；与冷冷原子量量子模拟拟密切相相关的量量子多体体物理系系统的相相变行为为机理分分析；深深入研究究弱测量量对微弱弱信号的的放大作作用；建建立图形形蒙特卡卡洛算法法的框架架。20133年1月20013年年12月研究内容容：利用十个个比特以以

47、上的量量子纠缠缠态，探探索其在在超分辨辨量子精精细测量量中的应应用；提提高十个个比特以以上纠缠缠态的保保真度，以实现现超出经经典极限限的超分分辨量子子精细测测量。搭建环形形光学共共振腔，研究环环型共振振腔与冷冷原子集集体激发发态的耦耦合机制制，开发发锁定腔腔长的技技术，实实现量子子存储器器长存储储寿命和和高读出出效率。同时开开展冷原原子量子子存储在在提高量量子纠缠缠产生效效力方面面的研究究，引入入冷原子子的内态态自由度度和光子子的路径径自由度度，开展展超纠缠缠方面的的研究，更高效效率的利利用原子子比特形形成多比比特纠缠缠，形成成4比特簇簇态，进进行存储储内嵌的的单向量量子计算算。初步利用用激光

48、和和超冷原原子的相相互作用用，探索索产生规规范势的的机理，以BEEC为基基础进行行规范矢矢量势的的产生的的研究，系统性性研究规规范势下下原子的的有效质质量和能能量-动量色色散关系系；在单单格点分分辨的光光晶格实实验系统统中实现现玻色-爱因斯斯坦凝聚聚并将凝凝聚体装装载到22D光晶晶格中；探索利利用空心心光子晶晶体光纤纤中的冷冷原子进进行量子子存储的的技术。探索渐次次关闭探探测器漏漏洞和类类空间隔隔漏洞的的Belll不等等式检测测的实验验方案，并比较较“利用自自由空间间通信”和“微观-宏观量量子纠缠缠态”的优劣劣性以及及它们实实验实现现的可能能性；对对电磁诱诱导透明明(EIIT)机机制进行行系统

49、深深入地理理论分析析和从第第一性原原理出发发进行数数值模拟拟计算；数值模模拟利用用空心光光纤装载载冷原子子的过程程，探索索装载效效率及冷冷原子在在光纤内内寿命的的关键因因素；设设计和发发展基于于蠕虫更更新的图图形蒙特特卡洛算算法；针针对线性性光学和和冷原子子系统的的一些具具体量子子体系研研究量子子信息处处理和量量子测量量过程中中弱测量量带来的的信号放放大方案案。预期目标标：实现十二二个量子子比特的的实验制制备，并并在此基基础上实实现超分分辨测量量，并证证明其超超出了经经典极限限，为量量子超精精细测量量的应用用打下基基础。实现光学学共振腔腔和原子子集体激激发模式式的共振振，共振振腔的品品质因子子

50、约400-500，实现现物理读读出效率率到800%左右右；实现现光子原原子超纠纠缠态，如两体体四维纠纠缠态，实现四四比特簇簇态，实实验实现现存储内内嵌的单单向量子子计算方方案。利用BEEC产生生规范矢矢量势，可控的的调节在在规范势势下原子子的有效效质量和和能量-动量色色散关系系；单格格点分辨辨的光晶晶格实验验中形成成BECC，并装装载到22D光晶晶格，用用单格点点分辨的的成像系系统观测测到BEEC在光光晶格中中的分布布特性；在空心心光子晶晶体光纤纤中可控控的存储储-读出单单光子信信息。设计实现现新型BBelll不等式式检测实实验方案案；为超超长寿命命量子存存储和远远距离量量子中继继器的实实验实

51、现现提供指指导；理理论分析析和数值值计算空空心光纤纤装载冷冷原子的的实验实实现；完完成针对对Ferrmi-Hubbbarrd模型型的图形形蒙特卡卡洛算法法代码的的编写；探索新新的弱信信号测量量方案的的可能性性。20144年1月20014年年12月研究内容容：利用非线线性晶体体，探索索光子数数纠缠态态的实现现；探索索微观-宏观纠纠缠态和和宏观-宏观纠纠缠态的的制备；在微观观-宏观纠纠缠态的的基础上上，利用用纠缠交交换技术术，制备备出宏观观-宏观纠纠缠态。进一步冷冷却冷原原子到BBEC，构建光光晶格体体系，装装载冷原原子到光光晶格，研究冷冷原子光光晶格MMottt绝缘态态，有效效抑制原原子运动动带

52、来的的自旋波波退相干干，研究究量子存存储在冷冷原子光光晶格中中的寿命命和读出出效率；在光子子-原子超超纠缠的的基础上上构建更更多比特特的纠缠缠态，如如使用两两个两体体四维纠纠缠态在在存储器器的帮助助下实现现四体八八比特纠纠缠。进行产生生等效规规范磁场场和等效效规范电电场的研研究，观观测玻色色-爱因斯斯坦凝聚聚体在等等效规范范磁场和和等效规规范电场场中的动动力学行行为；在在2D光晶晶格中研研究超流流态到MMottt绝缘态态的相变变，通过过单格点点分辨观观测超冷冷原子在在光晶格格中的分分布和相相变的动动力学过过程；探探索利用用空心光光子晶体体光纤中中的冷原原子进行行光开关关的技术术，对存存储的信信

53、号光进进行相干干操控。系统分析析和数值值计算影影响量子子存储的的各种物物理机制制和因素素；研究究光和原原子在空空心光纤纤内的相相互作用用，数值值计算进进行光子子或其它它玻色子子费米化化实验实实现的具具体参数数；应用用连续虚虚时蠕虫虫算法研研究多组组分玻色色系统，探索超超固态的的可能微微观物理理机制；应用图图形蒙特特卡洛算算法研究究Ferrmi-Hubbbarrd模型型在二维维及三维维系统中中的行为为。预期目标标：实现微观观-宏观光光子数纠纠缠态以以及宏观观-宏观纠纠缠态的的制备；并实现现实验室室内部的的宏观-宏观纠纠缠态用用来破坏坏Belll不等等式的实实验演示示。实现Rbb原子的的BECC，

54、冷原原子装载载到光晶晶格，实实现量子子存储寿寿命到1100毫毫秒以上上；实现现超纠缠缠和量子子存储帮帮助下的的多比特特纠缠态态，如四四体八比比特纠缠缠态，验验证纠缠缠特性并并研究其其在单向向量子计计算方面面的应用用。利用BEEC和光光场/磁场相相互作用用产生规规范磁场场或规范范电场，实验得得到BEEC在规规范势场场中形成成涡旋态态；实现现2D光晶晶格中MMottt绝缘态态到超流流态的相相变，并并通过单单格点分分辨成像像系统观观测到相相变的动动力学过过程；利利用少数数光子控控制空心心光子晶晶体光纤纤中存储储的信号号光。为实验实实现超长长寿命量量子存储储和超远远距离量量子中继继器提供供理论支支持；

55、为为应用空空心光纤纤相关物物理实验验提供理理论依据据；进行行一些典典型多组组分玻色色系统相相变行为为的数值值模拟；研究理理解二维维及三维维Ferrmi-Hubbbarrd模型型的行为为。20155年1月20015年年8月研究内容容：基于多光光子量子子纠缠态态，进一一步探索索其在量量子计算算、量子子模拟、量子基基础理论论验验等等方面的的应用。探索宏宏观-宏观纠纠缠态和和自由空空间分发发实验相相结合，从而实实现关闭闭探测器器漏洞和和类空间间隔漏洞洞的Beell不不等式破破坏实验验。探索索量子纠纠缠源的的小型化化，功能能化，集集成化。基于原子子系综量量子存储储器的应应用研究究。研究究如何利利用量子子

56、反馈技技术和长长寿命光光与原子子纠缠态态来提升升纠缠交交换的成成功概率率，进而而提高异异地原子子纠缠态态制备的的效率；在实现现异地原原子团间间的确定定性纠缠缠态制备备的基础础上，利利用四团团原子系系综进行行纠缠纯纯化研究究，提升升异地间间纠缠的的品质；利用长长寿命光光与原子子纠缠，结合自自由空间间量子通通讯技术术，研究究远距离离光与原原子纠缠缠态的分分发技术术；根据据已有的的理论工工作，开开展多节节点多级级次量子子中继器器的可行行性研究究。进一步探探索产生生强磁场场的可能能性，以以及利用用玻色-爱因斯斯坦凝聚聚体进行行量子霍霍尔效应应模拟的的可能性性；进一一步的开开发两维维超晶格格技术，将原子

57、子装载到到两维超超晶格中中，探索索模拟四四体相互互作用的的可能性性，并进进一步探探索任意意子的产产生；探探索在空空心光子子晶体光光纤中利利用单光光子进行行信号光光子的控控制开关关的技术术的可能能，争取取实现简简易的量量子器件件功能。探索一一维系统统光子费费米化的的可能性性。协助实现现单向量量子计算算、Beell不不等式验验证等实实验方案案；协助助实现可可扩展可可集成光光与冷原原子系统统的量子子交互界界面；应应用连续续虚时蠕蠕虫算法法和图形形蒙特卡卡洛算法法研究各各种玻色色和费米米系统，设计进进行冷原原子和光光晶格量量子模拟拟实验方方案和提提供相应应实验参参数；构构造量子子纠错码码的深层层数学机

58、机制。预期目标标：实现多光光子纠缠缠态的制制备，操操纵和测测量的小小型化，从而为为光量子子计算机机的应用用提供实实验基础础和依据据；实验验演示关关闭探测测器漏洞洞和类空空间隔漏漏洞的BBelll不等式式破坏实实验。在量子存存储器的的帮助下下实现六六光子纠纠缠，首首次实验验演示原原子系综综纠缠的的纯化，实验演演示基于于纠缠原原子系综综的纠缠缠分发技技术，在在多团原原子系综综纠缠的的基础上上，首次次实现两两个量子子中继器器节点的的连接。得到用超超冷原子子模拟量量子霍尔尔效应的的可能性性；利用用单格点点分辨技技术，实实现单格格点内单单元子的的激光操操控；实实现单原原子的光光开关，实现简简易的量量子存储储器件；找到产产生光子子之间非非线性相相互作用用的实验验机理。协助基于于光和冷冷原子系系统相互互作用的的各种量量子调控控方案的的实验实实现，并并探索进进一步的的实验方方案；构构造量子子纠错码码的深层层数学机机制。一、研究究内容（1）多多光子量量子纠缠缠的制备备、操纵纵和应用用。在实实现量子子计算的的诸多可可能中，线性光光学系统统是最有有前景的