《基於Zeeman態編碼的單原子量子比特研究》是依託山西大學，由何軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於Zeeman態編碼的單原子量子比特研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：何軍
- 依託單位：山西大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
量子信息科學以量子比特作為信息單元，量子比特的物理載體是任何可執行么正變換的兩能態量子系統。鹼金屬原子擁有長壽命的超精細基態，其可以作為量子比特的邏輯基矢實現信息的寫入和讀出；利用光與原子的糾纏，可以實現傳遞信息的飛行量子比特（光子）與存儲信息的量子比特（原子）的相互作用；基於單原子量子比特的受控非門（CNOT門）是量子邏輯運算的基本構成單元，巨觀數量的量子邏輯門可以實現量子計算。本項目在我們小組已掌握的單原子冷卻與俘獲的實驗基礎上，實現單原子量子態的製備和探測，進而實現基於單原子量子比特的可控操作。主要內容包括：(1) 魔術波長微米尺度光學偶極阱系統的研究；（2）光學阱中單原子超精細基態以及Zeeman磁量子態的製備及識別實驗技術研究；（3） 基於單原子量子比特的相干操控實驗技術研究及量子比特的退相干機制研究；（4）量子比特的擴展性研究探索。
結題摘要
量子信息需要量子比特來存儲和處理信息，單箇中性原子作為量子比特有著獨特的優勢。基於單原子的量子比特可以產生非經典的單光子源用於保密通訊，單粒子本身作為完美的量子系統可以演示非經典物理效應；基於中性原子的單比特經過擴展後可以實現量子暫存器或量子門套用於量子計算和量子通訊。近年來，隨著對量子信息和量子存儲研究的深入，對單原子的操控及其量子態的研究成為熱門。 我們實驗實現了單原子的俘獲和觀測，實驗可以分辨1-10個原子信號；研究小組已經建立了可以反饋控制的單原子磁光阱實驗裝置，實現了微米尺度1064nm光學阱中單原子的穩定俘獲，並實現了微米尺度光學阱中單原子的進一步光學冷卻和溫度測量；該實驗系統可以進行閉環的初始化工作，提供光學阱中大於99%的單原子裝載機率。實現了光學阱中單原子的超精細態製備和Zeeman態的相干操控，獲得5.4秒的超精細基態壽命；實現了激發態和基態之間的量子態製備和操控。基於在光學阱中俘獲的單原子，我們實驗演示了中性原子的量子比特；同時，基於基態和激發態的量子態操控，我們實驗演示了觸髮式單光子源。我們理論計算出構建銫原子魔術波長光學阱的波長為935nm，在實驗上搭建了相關係統，並在單原子水平上測量了光學阱中的單原子光頻移。 該項目執行的三年期間，圍繞“單原子的高效製備、探測以及量子態的操控”這一主題，依照項目申請書和項目計畫任務書中預定的研究內容，先後進行了以下幾方面的工作：（1）單原子的製備和探測；（2）單原子超精細態的高效製備單原子以及激發態的製備和檢測；（3）基態量子比特的相干操控；（4）激發態量子比特的研究；（5）基於單量子比特的可控單光子源。 單原子量子比特的相干操控，一方面可以擴展實現多比特用於量子信息的存儲，另一方面，則是實現比特間的相互作用，實現量子門。
