(项目管理)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

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：潘建伟中国科学技术大学

起止年限：2011.1 至2015.8

依托部门：中国科学院

、预期目标

1. 总体目标：项目的总体目标是瞄准我国未来信息技术和社会发展的重大需求，开展量子物理和量子信息领域的基础性、战略性和前瞻性探索研究和关键技术攻关，为我国在未来的国际战略竞争中抢占核心技术的制高点打下扎实基础，为我国在量子物理和量子信息及相关领域的发展提供战略性建议，协调和推动我国在该领域的研究和发展；

培养和造就从事量子物理和量子信息研究的高级专门人才。

通过本项目诸多科研课题独立又相互交叉的深入研究，预期在多光子纠缠的制备和应用研究，纠缠光子和原子系综交互界面的可升级的量子存储和量子中继器的研究，超冷原子量子调控的研究，和光-冷原子量子信息处理的相关理论研究等方面做出一些原创性的有重要意义的处于国际领先水平的成果，并在若干方面将研究成果转化为可预期的具有市场价值的产品。这将为构筑具有我国自主知识产权的量子调控技术的科学基础，以及推动我国量子物理和量子信息的实用化做出重要贡献。

本项目预计将在量子物理与量子信息等研究领域内发表高质量学术论文数十篇、出版专著2-3部、申请5-10项发明专利、组织高水平的国内外学术会议、培养30名左右的优秀人才，从而凝聚和培养一支高素质的从事量子物理和量子信息科学技术研究的科研队伍，建立在学术上具有重要国际影响的科研基地，提升我国在这一前沿交叉领域的国际竞争能力，在量子物理和量子信息相关研究领域内继续保持国际领先地位。

2. 五年预期目标:

1）实验实现八光子纠缠的产生和基于纠缠的单向量子计算；

2）实现基于纠缠光子的干涉器件、量子计算器件的研制；（3）将纠缠光子存储到冷原子系综中，实验实现窄带纠缠光子与量子存储器的接口；

（4）延长冷原子系综量子存储的寿命到100毫秒数量级，探索更贴近实用的量子中继器；

（5）实验实现光阱中的玻色-爱因斯坦凝聚，产生等效规范势场；

（6）开发光晶格中单原子分辨和定位技术，探索对单原子的操控技术；

（7）探索冷原子在空心光子晶体光纤中与光场相互作用的特性，开展一维量子光学体系中光子费米化的研究；

（8）在理论上建立利用光子和冷原子进行量子物理和量子信息研究的一系列物理模型及相应的算法和设计，实现对相关实验的理论指导。

三、研究方案

1. 学术思路：

本项目计划以光子与冷原子为主要研究对象，开展量子物理与量子信息等领域的一系列关键问题，关键技术以及面向应用的研究工作。在中国科学技术大学科研团队业已取得的系列量子物理与量子信息理论、实验及相关应用的研究成果基础上，本项目将结合当今先进的激光技术，信息技术和电子学技术，充分发挥多学科交叉互补、实验理论紧密结合的优势，开展对光子和冷原子操控的各个关键环节、关键技术攻关，系统性地理论研究量子物理与量子信息基本原理与应用，实验实现更多光子更多自由度的纠缠和基于多纠缠光子的量子计算演示，研发基于光子与原子相干操控和量子存储技术的可实用化的量子中继器，发展超冷原子的制备和操控技术和量子仿真应用。最终在上述研究的基础上，本项目的开展实现将为中国构筑具有自主知识产权的量子信息技术的科学基础，为推动中国量子信息的实用化做出重要贡献。

2. 技术途径：

在多光子纠缠态制备及其在量子信息中的应用方面，本项目计划在现有技术基础上，着力于提升单光子的收集效率与探测效率，结合高维光子纠缠度的应用来实现多光子多自由度量子比特的快速高精度的操控。以此为基础，系统地研究上述体系在量子精密测量，量子计算，新颖量子基础检测等方面的能力，为其应用于量子信息处理提供重要依据。进一步，把这些已经搭建的实验体系整合成为功能化小型化的量子实验器件，运用于量子精密测量原理的演示、新型量子计算模式的验证以及重要基础物理问题的研究在光子与冷原子的量子存储方面，深入研究量子存储的退相干机制和损耗机制；在理论指导下，实验上采用激光、磁场控制等多种途径提高冷原子的光学厚度，抑制退相

干和原子损耗，增大光子与原子的耦合强度以期提高冷原子系综量子存储的寿命和量子态读出效率。在应用研究方面，我们将优化单个量子存储器性能，提升其稳定性和效率；开发多单元量子存储器件；与多光子纠缠技术结合起来，将纠缠光子的操控和冷原子的操控统一联接起来，为将来实用型量子中继器的开发奠定基础。

在超冷原子的量子调控方面，以玻色-爱因斯坦凝聚为基础，依靠中国科学技术大学科研团队已具有的光子操控和原子操控的技术，通过激光、磁场和超冷原子的耦合，实现对超冷原子量子态的精密操控和调节，为量子仿真凝聚态物理现象打下基础。进一步，开发光晶格中的单格点分辨以及单原子操纵技术，对光晶格格点中的单个原子进行相干操控。同时通过研究原子与光子之间的相互作用，探索利用空心光子晶体光纤中的原子和光子进行量子存储，量子仿真的技术可行性，为今后多用途量子器件的开发打下基础。

3. 创新点与特色：本项目中所选择的研究内容，都是针对量子物理和量子信息中广泛受到关注、具有重要应用前景的关键科学问题。其中每个问题的解决，都具有重要的科学意义和应用前景。这个过程中发展起来的技术不仅在量子物理和量子信息领域中很重要，而且可以广泛应用于原子物理，光学和凝聚态物理等领域产生的众多交叉学科的研究中。因此，本项目的成功将是具有重大价值的科技进展。

（1）在研究对象上，我们采用光子和冷原子作为主要的研究和量子调控对象。光和原子系统优势互补是本项目的一大特色。光子是理想的量子信息载体，具有传输迅捷、性能稳定、易于进行相干操作等一系列优点。量子信息学十余年来的发展，光子始终是研究者们有力的工具，相关技术已相当成熟。原子是当前量子信息理想的存储介质，在量子物理和量子信息技术中可以弥补单纯操作光子的局限性。另外，冷原子体系也成为量子调控的重点。原子操控技术的发展和推广将应用于更大的领域中，产生更多的学科交叉。

（2）从研究手段上，依靠已有的雄厚实验技术，利用经验丰富的研究成员借鉴和吸