量子调控研究

量子调控研究
一、量子计算的物理实现和关键量子器件
量子计算具有很强的并行处理数据能力，采用适当量子算法可以解决现有电子计算机无法实现的某些难解问题，如大数因子分解和量子体系演化的模拟等。

目前量子计算无法实现的主要瓶颈是尚未找到适合于制作量子计算机的物理体系。

本方向重点研究基于量子点和线性光学的量子计算，以及关键的量子器件。

申请者可选择以下部分内容：
1．基于量子点量子计算的物理实现
2．连续变量线性光学的量子计算
3．冷原子系综的量子信息存储和处理
4．可控单光子源
5．单光子探测原理和技术
二、关联电子态研究和新型信息载体探索
关联电子系统中电荷、自旋、轨道等自由度和有序相之间存在复杂的共存与竞争关系，通过调节外界参量，可以实现不同有序相之间的转换和调控，由此导致新的量子临界现象。

这些新的量子态具有许多非寻常的特性。

研究这些新奇量子态的性质，寻找新的信息载体，探索新的信息传输过程和调控机制，可以为开发下一代信息技术打下物理基础。

申请者可选择以下部分内容：
1．在半导体、铁磁/半导体、稀磁半导体/半导体结构中自旋产生、注入和调控的物理原理，发展适合器件应用的自旋极化产生与注入的有效方法，探索自旋电子器件。

2．关联系统中多种有序相之间的竞争和量子相变，包括电子或
原子的电荷密度、自旋和轨道自由度的相互作用与竞争所导致的非常
规超导态及赝能隙效应；冷原子系统中的玻色－爱因斯坦凝聚(BEC)及BCS-BEC转变；电荷与自旋的量子霍耳效应；超流体、金属与绝缘
体之间的相变；重费米子体系中的量子相变现象等。

研究低维电子系统中由于量子涨落和量子相干导致的基态简并、阻挫、纠缠、序竟争
和量子相变，探索实现量子调控的可能途径。

3．探索和制备具有新奇量子特性的新材料，发展新的实验测试
手段。

要注重和加强过渡金属氧化物、镧系和锕系化合物, 巨热电效应材料、巨光学非线性材料、超导、半金属（half metal）材料等新材料的探索。

4．发展有效的解析和数值研究方法，紧密结合实验研究，探索
微观关联系统的物理规律，预测材料的结构和物理性质及其相互关
系，预言新的实验现象，为新奇量子现象的探索和新型功能材料的开发应用提供科学依据，指导新材料和新器件原理的探索。

三、受限小量子体系的行为及调控
发现受限小量子体系中的新现象和新效应, 探索对受限小量子体系进行能级和波函数调控的方法和规律,建立受限小量子体系的量子调控理论,为未来的信息技术提供科学基础。

申请者可选择以下部分内容：
1．通过物理和化学方法对小量子体系进行结构调整，构筑特定
构型和性能的新体系。

2．通过结构调控和外场调控，实现对能级、波函数的量子调控，并研究体系的量子输运特性。

3．操纵分子体系的自旋态以调控自旋极化磁学等性质。

4．研究小量子体系的发光性质、光谱特性和分子体系光电效应
中的电荷输运及能量转化动力学。

5．耦合体系以及体系与环境间相互作用的调控，探索信息控制
检测、存储与读取的方法。

四、人工带隙材料
通过物理和化学的手段，人工制造带隙材料，实现可控制的诸如具有矢量特性的光子态和张量特性的声子态等，研究微结构导致的新现象以及交互作用带来的新效应，研制各类新型器件，针对未来信息技术目标，为实现人工带隙材料的能带和带隙调控奠定科学基础。

申请者可选择以下部分内容：
1．人工带隙材料的设计和制备，包括基于光子带隙的光子调控
材料、基于声子带隙的声子调控材料、基于极化激元带隙的极化激元调控材料等。

2．人造材料结构与物理特性的关系，“晶格”周期、“缺陷”、无序、界面以及单元结构等对波传播的作用等。

3．利用人工带隙材料实现对材料物理特性的调制。

4．基于人工带隙材料的原型器件。

五、委托南京大学固体微结构国家重点实验室围绕以下研究方向
组织项目
1．量子信息学
研究超导量子比特中宏观量子干涉现象，超导量子比特的设计与加工。

环境因素对宏观量子干涉的影响，超导量子比特的消相干机制、量子比特的集成以及利用超导量子比特演示量子算法。

2．关联电子
揭示电荷、自旋、轨道自由度之间的竞争导致的丰富的物态及其
量子相变规律，研究通过外参量实现不同状态间的转换与调控方案。

研究关联电子系统中，在一定条件下具有的拓扑简并的量子基态及其
激发态可能具有的拓扑稳定性，探讨作为量子信息载体的可能性以及控制内禀噪声的量子计算新方案，将量子计算作为广义关联系统，提出减少量子退相干的新方案，设计新型量子比特。

3．受限小量子
实现小量子系统电子自旋寿命的最大化和纳米尺度上自旋关联
的检测，研究自旋载流子在异质结中的传输，揭示电子自旋系统中的新规律、新效应，研究铁磁-超导异质结上的Andreev反射，探讨传统自旋电子学的扩展。

4．人工带隙材料
研究介电体超晶格中的光子带隙、声子带隙、微波与超晶格振动耦合产生的极化激元带隙以及电磁波与金属电子耦合产生的表面等
离极化激元带隙，发现其新规律、新效应、新应用。

基于多重准位相匹配理论、对产生纠缠光子的多个光参量过程，
实现全固态集成，研制高效新光源。

六、委托中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室围绕
以下研究方向组织项目
1．量子计算的物理实现
（1）基于半导体量子点的量子计算。

实现单自旋的制备、控制
和测量；探索电子自旋回波等相干控制机理与技术；自组织单电子点中光学波函数的制备与相干操作，两自旋量子比特的耦合等。

（2）基于固态微腔的量子计算。

高品质微球腔制备、腔模与外
部激光器的锁定，单原子注入腔的核心技术，腔模与原子的强耦合，
单个量子比特的任意操作，两个微球腔的耦合和基于微球腔的量子芯片设计和制备等。

（3）基于多光子纠缠态的线性光学量子计算。

高性能多光子量
子纠缠的制备和调控，适合于单向量子计算的光子Cluster态的制备、测量和特性等。

（4）量子计算物理基础。

消相干机制和有效克服的办法，量子
编码和容错量子计算，分布式量子计算模型，单向量子计算的原理，
多体系的量子纠缠及量子调控原理和方法，核磁共振量子计算等。

2．量子通信
（1）城域网量子密钥分配系统。

包括高性能光纤量子密钥分配
系统，量子路由器，城域网和广域网的构造和网络协议等。

（2）基于原子系综的量子中继原理和方法。

包括光子与原子系
综之间的量子信息转换，量子纠缠的纯化、交换和存储等。

（3）基于纠缠的远程量子通信。

包括研究高亮度的多光子纠缠源，基于纠缠的量子密钥分配和量子通信等。

3．分子尺度的量子行为和调控
（1）通过各种物理与化学手段，实现对分子尺度物质的结构控制，特别利用高分辨检测与操纵技术，实现对特定化学键的选择性剪裁，构筑特定构型和性能的新分子。

（2）通过结构调控和外场调控，实现对单分子能级、波函数的
调控。

研究单分子－电极体系中的量子输运特性和分子体系与环境间
相互作用的调控。

构筑具有双能级结构的核（或电子）自旋态的单分子体系及其并联耦合体系，调制并联耦合单分子间的波函数叠加状
态，探讨基于分子间量子纠缠态的量子比特制作及其运算原理。

研究光电转化过程中电子转移和能量传递的机制，实现特定的单分子光化学效应；突破荧光淬灭效应的限制，探索可控电泵单分子光源和单光子光源。

（３）发展分子尺度上的表征、检测与调控方法和技术，实现从
空间、能量、时间三个方面来对分子量子体系进行高分辨、高灵敏表征、检测和调控。

基于激光冷却和冷原子阱技术，以及高灵敏的荧光
检测方法，实现高效率单原子捕获与检测。

（４）针对不同实验分子体系的复杂性、分子－电极接触结构的不确定性、以及电荷输运的多体量子特性等导致的理论计算挑战，对分子量子体系的形成过程、电子结构和输运性质等进行理论与计算研究，澄清分子尺度结构的特异物理性质与量子效应之间的关系。