超构表面在量子光学中的研究与应用

超构表面是利用二维平面微纳结构调控光场的光学元件。近年来,超构表面在量子光学中的研究和应用受到越来越广泛的关注。超构表面能够实现量子器件的小型化和集成化,提高量子光源的发光效率和光源质量。结合量子光学和超构表面两个领域,介绍了量子等离激元、运用超构表面优化量子光源、运用超构表面测量和操纵量子态、量子光学的应用,以及量子发光体的量子真空调控这5个方面的最新研究进展,最后进行总结和展望。     

限域量子态调控研究

电子、激子和声子等量子态在固体中的行为早已被人们所熟知. 然而,当体系的尺寸只有纳米量级的时候,已有的固体理论常常不能适用,需要新的低维物理理论的建立. 我们系统研究了低维体系限域量子态（包括电子、激子和声子）的行为对环境、应力、压力及光的响应和性质的调控. 较早认识到低维体系之显著的表面-体积比对量子态性质调控之有效性,系统地揭示了低维体系的一系列由表面和应力决定的新颖性质,证明了低维体系的表面和应力效应同量子限域效应同等重要. 本文概况了如下五个方面的结果：（1）一种使用应力效应调控电子能带结构的方法和（2）一种使用表面效应调控电子能带结构的方法（这两个方法都可将低维体系能带从间接能隙调控至直接能隙能带结构）;（3）一种低维体系表面掺杂方法,该方法将在低维体系掺杂中取代传统方法;（4）量子点表面诱导的光致异构现象;（5）基于表面自催化半导体低维结构的形成机理. 希望我们的研究工作有助于促进低维体系在光电子、纳电子、环境、能源、生物和医学等领域的应用.     

超导量子比特

随着2019年谷歌成功实现了"量子优势",超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件,目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其...     

表面单分子量子态的探测和调控研究进展

单分子体系是一种典型的受限量子体系,且由于其能级分立、轨道局域、化学拓展性强,因而具有丰富的电子态、光子态以及自旋态,这些分子体系中由量子力学决定的物态使得利用单分子作为未来量子信息的载体成为可能.对单分子尺度量子态的探测和调控研究有利于我们“自下而上”精确构建量子器件.由于单分子体系的尺寸限制,宏观的表征手段难以对其进行精确地调控和探测.扫描隧道显微镜具有高精度的实空间定位能力,高分辨的成像和谱学能力,可以实施原位的分子操纵,还可以与多种外场和局域场表征技术联用,是目前精确探测和调控分子尺度量子态特性的重要工具.本文撷取这一领域较为代表性的进展,介绍了基于扫描隧道显微学技术的表面吸附单分子及其相关结构中的量子态研究现状.首先介绍了表面单分子体系量子态的制备手段,然后分别重点介绍了单分子的局域磁自旋态以及单分子作为单光子源的光学特性.对于石墨烯分子结构我们将其视为一种大分子的单分子体系,分别从其拓扑电子态和自旋态的表征和调控两方面做了介绍.最后总结并对单分子量子态研究未来的发展做了展望.     

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.     

光子高阶轨道角动量制备、调控及传感应用研究进展

光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量(与光波的圆偏振相关), 还可以携带轨道角动量(与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子态构建一个高维的Hilbert空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自Allen等于1992年确认光子轨道角动量的物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量子纠缠态操控、旋转Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.     

从随机到取向--分子转动动力学的超快调控

分子取向物理是研究如何操控分子空间排列方向以及如何制备具有特定方向的分子。近十多年来,分子取向物理学取得巨大进展,人们通过各种技术对分子取向物理进行研究,使人们对分子取向的认识达到一个全新的高度。文章首先介绍了分子的量子态及其分布,转动量子态选择方法和分子的转动动力学,然后概述通过制备和调控转动态的相干布居来控制分子取向的方法。实验和理论表明,分子的不同转动态在相同激光条件作用下产生的转动波包不一样,从而导致分子的准直和取向程度随时间演化完全不一样。通过选择合适的转动量子态能够很好地提高分子取向程度。取向分子作为相互作用靶,为原子分子动力学、精密测量物理、立体化学反应和表面碰撞过程等提供了更加丰富多彩的研究内容。     

量子信息光学

介绍了一门新的学科分支－量子信息光学。它是量子光学与信息科学相结合的产物。光场的量子效应在实现大容量的信息传输，超高精度的信息检测以及不可破译、不可窃听的量子密码术方面有着极其重要的应用前景，在光子学的发展中将发挥独特的作用。该文阐述了量子信息光学中若干物理问题和研究方向，包括超低噪声光源、量子信息复制、量子态工程、量子非破坏性测量和量子密码术。     

基于纠缠态表象的复脊波变换理论

本文基于连续变量量子态构造小波变换的研究结果, 从经典信息的连续脊波变换出发, 利用有序算符内ket-bra型积分, 构造连续复脊波变换对应的量子算符和表象表示, 采用表象的内积运算与态矢投影展开, 研究量子光学态的复脊波变换理论. 关键词： 有序算符内积分技术 复脊波变换 纠缠态表象 相干态     

基于超表面的量子态制备与操控研究进展

单光子和多光子量子态的制备与操控对量子信息技术的发展和应用至关重要。在实现量子器件小型化和集成化的基础上对量子态进行有效制备和操控是目前量子信息技术研究领域的前沿问题。作为一种平面光学人工微结构阵列,超表面能够在亚波长尺度上实现对光场振幅、相位和偏振态等多个维度的有效控制,为微纳光学器件的设计提供了一种全新方式。近期研究表明,高效率超表面是实现小型化和集成化量子器件的理想平台。总结了近年来可见光和近红外波段高效率超表面的设计原理及其应用方向,并在此基础上对超表面在提高单光子发射器性能方面和在多光子纠缠态制备与操控方面的重要工作进行了总结。     

第十届全国量子光学学术报告会在福建省武夷山市召开

20 0 2年 8月 15日至 8月 18日 ,第十届全国量子光学学术报告会在风景秀丽的福建省武夷山市召开。本届会议由中国物理学会量子光学专业委员会主办 ,福建师范大学物理系承办。来自全国各地的中国科学院直属院所及高等院校等四十一个单位的 12 6位专家、学者和研究生参加了这次会议 ,是历届参会人数最多的一次。会议有 12个特邀报告 :1.“原子自发辐射的非马尔科夫理论” ;2 .“超冷原子光学与高精密原子测量仪” ;3.“玻色———爱因斯坦凝聚在上海光机所” ;4 .“高效率高安全度连续变量量子保密通讯” ;5 .“区分纠缠与可分离量子态的矩阵…     

拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应

拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料.因其相对论性能带色散关系,拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应,例如费米弧表面态和手征反常.近年来,因在拓扑量子计算的潜在应用,拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注.本文从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展:1)超导电流对拓扑量子态的模式过滤; 2)拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控.对于前者,利用约瑟夫森电流对电磁场的响应,拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示,高阶拓扑半金属相被证实,有限动量配对及超导二极管效应被实现.对于后者,通过交流约瑟夫森效应,狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现,纯电学栅压调控的拓扑相变被实现.本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.     

中国物理学会量子光学专业委员会成立

量子光学是50年代后期才成长起来的年青学科,研究的对象是光场的相干和统计性质以及光与物质相互作用的量子特征.它是一门基础学科但又与新技术的发展有着密切联系.我国量子光学的研究队伍正在成长.1990年10月中国物理学会决定成立量子光学专业委员会,同年11 月在成都召开的第四届全国量子光学学术讨论会上,通过协商组成了量子光学专业委员会,并推举出正、副主任及正、副秘书长.主任为北京大学曹昌祺教授,副主任为中国科学院上海光学精密机械研究所王育竹研究员(量子光学开放实验室主任)、谭维翰研究员、山西大学彭堃墀教授和中国科学技术大…     

冷原子系综内单集体激发态的相干操纵

原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.     

超透镜聚焦光环的产生及其在冷分子光学囚禁中的应用

超表面可以对入射光场的相位、偏振、幅度等自由度进行精确调控,为发展下一代基于量子态片上实验平台提供了一种新途径,具有重要的应用前景.本文提出了一种新型的超表面结构,即具有不同占空比的硅结构光栅单元构成的超透镜,在焦平面上可形成聚焦光环.研究了在焦平面上环形光场的强度分布和不同数值孔径超透镜的聚焦特性.采用这种超透镜聚焦光环来构建一个氟化镁(MgF)分子的光学存储环,计算了MgF分子在聚焦光场中所受的光学势和偶极力,对MgF分子束在存储环运动过程进行了Monte-Carlo模拟.研究结果表明,设计的超表面结构具有很好的聚焦特性,聚焦光环的光场强度比入射光增强了55.1倍;同时可以实现对MgF分子的装载并囚禁在表面存储环内.     

首次实现莫尔量子点阵列与微腔光子的强耦合

"魔角"石墨烯在电子能态调控上不断给人们带来惊喜,开辟了凝聚态物理研究的新篇章.类似的,将两种单层过渡金属硫族化合物(TMDCs)叠加起来,也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构,称为莫尔超晶格.莫尔超晶格可以调控激子的能级,并且晶格周期可由转角连续调控,提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台.     

频率变化场J-C模型中的量子态保真度

利用Jaynes-Cummings模型,考虑场频率受微扰的情况,在旋波近似下研究了二能级原子与单模辐射场相互作用系统中量子态保真度的演化.利用数值计算方法给出量子态保真度随时间的演化曲线.研究了场频率随时间正弦函数形式变化对系统、光场和原子的量子态保真度演化的影响.结果表明:场频率随时间正弦函数形式变化对系统和光场的量子态保真度的演化的影响很小,但对原子的量子态保真度的演化有显著影响.     

弱测量对四个量子比特量子态的保护

廖湘萍等(Chin.Phys.B 23 020304,2014)指出弱测量和弱测量反转操作可以保护三个量子比特的纠缠,提高保真度.本文将弱测量方法推广至四个量子比特的情况,研究了几种典型四个量子比特量子态的演化.结果表明:在振幅阻尼通道中,弱测量方法能够有效地提高系统量子态的保真度.分析了影响量子态保真度的各种因素,对比了不同量子态的演化特征,划分了量子态保真度提高的敏感区域.最后,对弱测量方法抑制量子态衰减的内在机制做了合理的物理解释.     

双自旋系统中的量子失协问题研究

利用量子失协的几何度量方案研究了双自旋海森堡模型中的量子关联特性, 得到了一般情形下两量子态量子失协度的解析表达式, 讨论了量子位之间的耦合强度、温度和外加磁场强度等对量子关联大小的影响, 并给出了对应的量子关联调控方案. 此外还发现在低温下量子失协存在突变的现象. 结果表明, 在双自旋的海森堡模型体系下, 可以通过对系统参数(如温度、耦合强度、磁场强度等)的调节来实现对量子关联大小的有效调控, 这将会对在量子信息科学中精确控制量子失协和实现量子态的隐形传输以及量子逻辑门的设计提供一定的借鉴和指导意义.     

神经网络量子态及其应用

神经网络量子态是由人工神经网络所表示的量子态。得益于机器学习,尤其是深度学习近年来取得的突破性进展,神经网络量子态的研究得到了广泛的关注,成为当前的热点前沿方向。文章将介绍不同的神经网络量子态,其物理性质与典型应用场景,最新进展,以及面临的挑战。