微纳尺度稀土掺杂晶体的量子相干性能及其应用研究进展

稀土离子掺杂晶体具有稳定的固态物性和出色的能级跃迁相干特性,在量子信息应用研究,尤其是发展量子存储设备方面独具潜力.除了宏观的块状稀土离子单晶,微纳尺度稀土离子晶体在高度集成的杂化量子系统和微型化量子设备方面也具有广泛的应用前景,且其制备难度较低,在体积、形状和组分调控上更具灵活性.因此,开发高性能的微纳尺度稀土离子晶体系统,并对其量子态进行精密探测与操控,已成为量子信息领域的重要研究方向之一.本文结合稀土离子晶体的高分辨和相干光谱学表征技术,综述了近年来微纳尺度稀土离子晶体在材料制备加工、量子相干性能测量、物理机理探索以及量子器件开发等方面的研究进展,对其在量子存储、量子频率转换、量子单光子源以及量子逻辑门等方面取得的最新研究进展进行了总结.最后,对微纳尺度稀土晶体材料及其信息器件研究过程中可能的改进方向和策略进行了讨论.     

多模式固态量子存储

量子存储器是光子与物质系统之间的接口,允许存入和读出加载了量子信息的光子,是构建实用化量子网络的核心器件.基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器,较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一.本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展.主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储.在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作.该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础,其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.     

基于拉曼协议的量子存储

量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统,是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件.量子存储协议多种多样,其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注.然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性.本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标,在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后,重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究,取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.     

利用光子回声技术产生光的三体纠缠态的研究

量子纠缠是实现量子通信和量子计算的重要资源,其中多体纠缠更是构建量子网络实现全局量子计算的基础。本文主要研究如何利用经典的光子回声技术实现光量子态的三体纠缠。在自由空间中向掺杂稀土离子的固态离子系综中射入经典光场,当离子体系达到相位重构条件时即可获得三束存在纠缠的量子光场。基于本方案纠缠产生的技术特点,发现其在提高量子中继器的工作效率上有着潜在的应用价值。     

基于掺铒晶体的光量子存储和调控

量子信息技术是20世纪极具代表性的两种科技进步—量子力学和信息科学技术相结合的新兴领域,其发展需要解决量子信号的产生、处理、传输、同步和存储等一系列问题,对材料的特性提出了严苛的要求,然而目前还没有一种材料可以在所有功能上都能满足量子信息应用的需要.掺铒晶体材料在1.5μm具有光学辐射峰,并且具有良好的相干特性,在量子信息技术的若干关键节点都有着巨大的应用前景.本文结合掺铒晶体的性质,回顾其在量子存储、量子频率转换、量子光源以及基于离子间相互作用的量子调控等方面的应用进展,并对可能的发展方向进行讨论.     

金刚石固态量子计算中的高分辨率成像

20世纪90年代中期,随着Shor算法和Grover算法的提出,量子计算领域得到广泛关注.金刚石固态NV色心方案作为量子计算机热门物理实现方案之一,因其在室温下的超长相干时间和可精确操控等独特优势而备受青睐;此外,NV色心还有望通过磁共振成像方式实现单核自旋探测.然而NV色心固态量子计算的一种扩展方式受限于相邻NV色心之间的磁偶极相互作用,要求两个NV色心之间相距只有数十纳米.这一尺度远小于普通远场光学的分辨率,即光学衍射极限,采用传统的共聚焦方法已无法分辨.受激发射损耗(STED)和基态损耗(GSD)等超分辨成像技术能够突破光学衍射极限限制,达到纳米量级的分辨率;同时结合最新的金刚石表面微纳刻蚀技术,可实现NV色心固态量子计算中不同色心的分辨和精确定位.该文从固态金刚石NV色心体系和光学衍射等主要方面对利用STED和GSD高分辨成像技术提高传统共聚焦显微镜对NV色心体系成像分辨率进行简要的介绍,并结合实例介绍一些最新的研究进展.     

基于电磁诱导透明机制的压缩光场量子存储

光场的量子存储不仅是构建量子计算机的重要基础,而且是实现量子中继和远距离量子通信的核心部分.由于存在不可避免的光学损耗,光学参量放大器产生的压缩真空态光场将变为压缩热态光场,不再是最小不确定态.因此,压缩热态光场的量子存储是实现量子互联网的关键.在原子系综中利用电磁诱导透明机制能够实现量子态在光场正交分量和原子自旋波之间的相互映射,即受控量子存储.本文根据量子存储的保真度边界,研究了实现压缩热态光场量子存储的条件.量子存储的保真度边界是通过经典手段能够达到的最大保真度,当保真度大于该边界时,就实现了量子存储.通过数值计算分析了不同情况下压缩热态光场的量子存储保真度边界,以及存储保真度随存储效率的变化关系,得到了实现量子存储的条件,为连续变量量子存储实验设计提供了直接参考.     

固态量子计算的若干重要物理问题研究

量子计算机拥有比经典计算机更为强大的计算能力．人们普遍认为量子计算机最终将会在固态系统中实现．文章介绍了一些有关固态量子计算的研究进展，其中包括超导电荷量子比特方案、几何量子计算、量子点量子比特及量子计算若干基本问题研究．最后给出了固态量子计算的发展趋势．     

基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配研究

针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.     

基于原子系综集体激发的量子存贮

近几年来,人们从理论和实验两个方面探讨了利用自由原子系综作为量子记忆体的可能性. 基于固定于格点上Λ型“原子”系综的准自旋波激发的研究, 提出了实现光子信息量子存贮的新方案. 这个方案的目标是为了克服自由原子系综量子存贮方案中存在的量子态漏损诱导退相干的致命问题. 研究过程中发现了系综型量子记忆体中隐藏动力学的对称性和其绝热暗态演化的选择定则. 为了确切地表述这个工作的意义,还扼要地介绍这个方案建立的前期关于原子系综对称集体激发的系列工作. In this article we reviews a new protocol of quantum memory based on the quasi pin wave excitation of the Λ systems fixed the sites of lattice. This protocol tries to avoid the disadvantage of the quantum memory scheme based on free atom ensemble, the quantum decoherence induced by the quantum leakage of collective state. Especially,we discover a universal dynamic symmetry hidden in various ensemble based quantum storage scheme. To understand the significance of this work exactly, we also give a brief introduction to our systematical studies on collective symmetric excitons in quantum ensemble,which is the necessary to propose the present scheme for quantum memory.     

量子存储研究进展

量子技术,比如量子通信、量子计算,具有经典技术所不具有的优势.但是,作为量子技术基本元素的量子态往往极为脆弱,很容易受到外界环境的影响而丢失,而且量子态的制造和量子操作往往是概率性的.这种概率性使得远距离量子通信和大规模的量子计算很难实现,除非有量子存储器将这些随机产生的量子态缓存并同步起来.在过去的十几年中,量子存储在各种各样的存储方案中得到了研究,而且已经从最初的原理性演示逐步发展到了如今的近乎可实用化.现如今,量子存储领域追求的是可实用化,而判断一个存储器是否可以实用化的基本标准是:高存储效率、低噪音、长寿命(或者大的时间带宽积)和室温条件下运行.通过介绍多个具有代表性的存储方案,本文给出了量子存储领域的研究现状和发展趋势.其中基于室温原子系综的宽带量子存储因其装置简单、实用性更强而广受关注.但是由于噪音问题,直到最近才在实验室中实现可工作在室温环境中的宽带FORD (far off-resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子存储和梯形量子存储.本文对多种存储方案的工作原理、优缺点进行了介绍,对FORD方案之所以能够成功进行了分析,还对量子存储的降噪方法进行了总结.     

Rare-earth quantum memories: The experimental status quo

Rare-earth doped crystals carry great prospect in developing ensemble-based solid state quantum memories for remote quantum communication and fast quantum processing applications. In recent years, with this system, remarkable quantum storage performances have been realized, and more exciting applications have been exploited, while the technical challenges are also significant. In this paper, we outlined the status quo in the development of rare-earth-based quantum memories from the point of view of different storage protocols, with a focus on the experimental demonstrations. We also analyzed the challenges and provided feasible solutions.     

Efficient solid state memories for quantum cryptography

Long distance quantum cryptography requires quantum repeaters which use quantum memories. The latter are designed to store and retrieve photon quantum states on demand. Although quantum memories have been demonstrated in atomic vapors and ultra cold gases, a solid state alternative may better fulfill quantum memories requirements. Rare earth based crystals, which exhibit long coherence lifetimes, are actively studied for this purpose. Memory efficiency, i.e. the probability to retrieve a photon after storage, should be close to unity for practical applications. This can be achieved in highly doped crystals. Although Pr-Pr interactions could be detrimental in this case, we show that in a 3% Pr³⁺ doped La₂(WO₄)₃ crystal ground state hyperfine coherence lifetime is still close to that measured at low Pr concentration. Since the latter determines the memory storage time, this result suggests that highly doped crystals may be useful for efficient quantum memories.     

CRIB技术光量子态存储中初始原子谱对效率和时间的影响

在二能级原子系统里应用光子回声CRIB技术存储光量子态的过程中,最初原子谱分布这个因素不仅影响存储效率而且还影响存储时间,我们研究了两种特殊初始原子谱分布:拉普拉斯分布和高斯分布,并且分析了存储效率和存储时间的关系。     

Light storage protocols in Tm:YAG

We present two quantum memory protocols for solids: a stopped light approach based on spectral hole burning and a storage in an atomic frequency comb. These procedures are well adapted to the rare-earth ion doped crystals. We carefully clarify the critical steps of both. In one case, we show that the slowing-down due to hole-burning is sufficient to produce a complete mapping of field into the atomic system. On the other side, we explain the storage and retrieval mechanism of the Atomic Frequency Comb protocol. These two critical stages of the protocols are implemented experimentally in Tm³⁺-doped yttrium-aluminum-garnet crystal.