光機械系統中的量子信息過程與精密測量

《光機械系統中的量子信息過程與精密測量》是依託清華大學，由尹璋琦擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：光機械系統中的量子信息過程與精密測量
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：尹璋琦
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

光機械振子系統在精密測量和驗證量子力學的基本定理方面具有非常重要的套用前景。本課題研究光與機械振子相互作用的系統中如何製備糾纏態用於量子信息處理，同時如何用這個系統製備聲學雷射實現高精密測量。首先將研究如何在這個系統中製備機械振子之間的糾纏態，著重研究如何在相互遠離的兩個振子之間製備穩定的糾纏態，用於量子信息處理。為此將研究如何設計合適的結構和材料來提高振子與腔模耦合的強度，以及振子的品質因子。還將研究如何利用光機械系統實現高頻率，低功率閾值的聲學雷射器。聲學雷射在固體的結構和缺陷的高精度測量等方面具有很廣的套用潛力。通過本課題的研究將有助於光機械系統的實驗研究和套用。

結題摘要

光力學系統是近年來興起的，研究光與機械振子（聲子）系統的相互作用，並利用這個相互作用來操控光子和機械振子的運動狀態，及新的物理現象。光力學在巨觀量子力學，精密測量和量子信息領域有重要的套用價值。在項目在資助下，我系統的研究了光力學中如何製備巨觀量子態，如何實現精密測量和量子信息處理。我們的理論工作引發了廣泛的關注和討論。 為了研究巨觀量子態，我們首先研究了弱磁場下帶電粒子在光勢阱中的運動問題。據此我們提出了一個實際可行的用離子阱實現時空晶體的理論方案。2012年麻省理工物理系的教授、諾貝爾物理獎獲得者弗蘭克.維爾切克（Franck Wilczek）提出時間維度可能出現自發對稱性破缺，從而形成新的物態“時間晶體”。我們的工作是對其理論有力的支撐，以封面論文的形式發表在PRL上，並引發了國際物理學界廣泛的關注與爭議。我們的合作者據此申請到經費資助在實驗上實現時空晶體。 在2013年我們提出用光束縛的納米金剛石作為光力學系統研究巨觀量子現象。納米金剛石中有氮-空位中心，帶有電子自旋。金剛石色心的電子自旋與金剛石的質心之間可以用梯度磁場來誘導出相互耦合。據我們估算在目前的實驗條件下，我們可以製備金剛石質心運動Fock態以及任意疊加態。也可以用來實現巨觀的薛丁格貓態。把光勢阱去掉後，還可以觀測物質波的干涉實驗。我們的工作很快引起實驗的關注，國內外有很多組已經據此在做實驗，並有初步的報導。在這個理論的基礎上，我們還研究了如何實現室溫質譜儀。由於我們在光束縛納米粒子方向的系統性的工作，還被邀請撰寫綜述，並被MIT TechnologyReview選為熱點文章。 隨後，我們研究了用光力學系統作為量子界面，連線光學光子與微波超導比特，實現量子態在超導比特與光子之間的轉換。並用光子作為媒介，讓超導比特組成量子網路。我們還研究了用光子作為冷卻機制，在較高的溫度下（1K）來實現超導比特的初態製備。 我還實驗組合作，研究了離子阱系統中如何用依賴於自旋的力來做功，我們首次實現了對量子諧振子系統的做功進行直接測量，由此直接驗證了量子Jarzynski恆等式。這個實驗工作已經在《自然 物理學》上線上發表了。我也在腔QED耦合金剛石色心實現量子信息的方向上做了一些工作。