《表面等離激元在自然捕獲的稀土離子中的量子存儲》是依託蘇州大學，由延英擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：表面等離激元在自然捕獲的稀土離子中的量子存儲
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：延英
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
量子存儲是量子通訊中的一個關鍵步驟，對量子存儲的研究是量子光學領域的一個熱點。摻雜在體晶中的稀土離子具有優良的光學性能，是被廣泛研究的量子存儲的媒質之一。本課題提出將表面等離激元脈衝存儲於摻雜在晶體中的稀土離子的量子系統中的實驗方案，旨在實驗上驗證表面等離激元脈衝可以像光脈衝一樣進行量子存儲，並探索使存儲性能最最佳化的實驗條件。研究內容包括：（1）採用光子回聲的實驗方案研究表面等離激元的量子存儲的物理機理，並在實驗上驗證量子存儲的可行性；（2）對量子存儲效率和存儲信號保真度給出量化表征，並研究使這些指標最最佳化的實驗條件；（3）研究界面邊界條件，與表面等離激元的耦合，以及晶體的溫度等因素對表面等離激元的量子存儲時間的制約作用，給出它們之間的定量依賴關係。這些研究將為利用表面等離激元進行量子信息傳遞，開發和研製基於表面等離激元的單光子電晶體、單光子路由器等光量子器件奠定基礎。
結題摘要
快速高效地對量子比特操控是容錯量子信息處理和量子計算的首要要求。在容錯量子計算中，絕大多數量子比特被用來進行量子糾錯，在糾錯過程中這些輔助量子比特將被反覆讀出和初始化。在初始化過程中，量子比特的初始態是已知的。針對這些已知態，可以設計出更高效的光脈衝。在依靠頻率分辨的量子比特系統中，量子比特可能由一個系綜來表征，而且量子比特之間的頻率比較接近，這就要求光脈衝不僅要對量子比特中可能存在的頻率失諧具有魯棒性，而且要對量子比特周圍鄰近離子的非共振激發足夠小，以免干擾對量子比特的操控。除量子比特的初始化以外，量子計算另一個很重要的元素是邏輯門操作。對系綜量子比特的邏輯門操作，同樣要求光脈衝滿足上述對魯棒性和非共振激發的要求。我們採用量子絕熱捷徑和逆向求解方法，設計出了可對系綜量子比特進行高保真度初始化操控的非絕熱光脈衝。通過最最佳化脈衝中的多個自由度，可以實現對頻率失諧的魯棒性，同時滿足非共振激發足夠小的條件。我們在稀土離子量子比特系統中，對光脈衝進行了實驗驗證。結果表明，光脈衝對具有170kHz非均勻展寬的系綜量子比特可以進行較好的操控，從初始態|1＞創建|0＞態或任意疊加態的保真度達到98%以上，超過了先前使用的複雜雙曲正割脈衝的保真度（95%），而且作用時間更短，魯棒性更好。另外，我們還基於幾何量子計算方案，開發了具有良好魯棒性的幾何邏輯門脈衝。理論模擬表明該脈衝在±410kHz的頻率失諧範圍內的操控保真度達到99%以上，比同樣頻寬的方波脈衝和高斯脈衝具有更好的魯棒性。我們開發的光脈衝可以套用於稀土離子量子比特、超導量子比特等依靠頻率進行分辨的量子系統中。該光脈衝對稀土離子量子計算的發展起到了積極的推動作用，更重要的是，稀土離子量子計算方案是2018年啟動的歐洲量子技術旗艦計畫的一個組成部分。另一方面，該實驗是量子絕熱捷徑技術在系綜量子系統中的首次套用，因此本項研究成果也將推動量子絕熱捷徑技術的進一步開發和套用。
