光子晶体在量子信息中的可能应用

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原子尺度下近场微波对分子自旋量子比特的调控

1997年，Gershenfeld和Chuang [ 首次利用液体核磁共振技术试验演示了量子计算。这种技术的最大优点是具有较长的相干时间，当不能实现多量子比特位，随量子比特位数量的增加，量子位的寻 址，信号的读出都将发生困难。把核磁共振技术的优点应用于固态量子系统，结合量子比特系统的电子自 旋共振是非常有潜力的一个方案。基于电子自旋共振和核磁共振之间超精细结构的耦合 , 将原子核磁共振用于量子信息的存储，微波感应的原子可分辨电子自旋共振技术用于单量子比特的控制和读出。 使用正确的脉冲序列，量子信息可通过 SWAP 门在核自旋和电子自旋之间切换。由于核自旋间的偶极相互作用比电子自旋间的偶极相互作少六个量级，一旦量子信息被储存于核自旋中，量子比特间的耦合就被关 闭。 这个复合方案将允许我们在原子尺度下对固态自旋体系做可控性操作。 嵌入氮或磷的 C 60 富勒球可用作这种方案的量子信息载体，而制备有序富勒球序列的方法已经成熟 。用这种方法实现量子计算的唯一障碍在于单自旋读出技术。目前世界有几个研究组在开展单自旋读出技术的实验研究，但都无法用于量子计算 。我们的新颖方案是采用相干的微波脉冲激发，用 STM 及衍生的扫描近场微波技术探测由自旋－轨道耦合产生的自旋共振调制隧穿电流，读出单自旋极化信号。这个研究的关键是要解把 STM 探针和近场微波共振探测器集成到一起

基于光子晶体的量子计算和量子通讯

光子晶体是 一种 新型 的人造周期性介电结构 ，被称为“光子的半导体材料”。它提供一种独特的方式控制光的传播和辐射。光子晶体 最突出的特点是 它的光子带隙和电磁场的布洛赫性质。这两个特性导致了许多新颖的量子光学现象。特别是随着光子晶体构造技术的进步，人们已能将原子（分子）、量子点镶进光 子晶体中， 并显示了有重要意义的 Rabi劈裂。可以预期，光子晶体带隙结构可用于抑制自发辐射的退相干过程。光子晶体独特的色散关系和电磁场的布洛赫性质将完全改变原子间或量子点间的耦 合相互作用方式。这为实现量子点间或原子间的量子纠缠提供了一种全新的方案。此外，在光子晶体中可以较容易地实现微腔链结构，这种结构极有可能为光的储存 带来突破。这在量子信息处理中有非常重要的应用。目前，大家刚意识到光子晶体将在量子信息科学中有极为重要的应用，国际上的相关研究才刚刚起步，这为我们 在这一领域开展原创性研究提供了巨大的机遇。

我们将以光子晶体作为新的量子信息载体平台，以镶于光子晶体中的 二能级系统（如量子点）编码量子比特，研究光子晶体对退相干过程的控制、量子比特间的 耦合作用新机制、 探索在光子晶体中实现量子纠 缠的新方案，分析 在光子晶体微腔链结构中实现可扩展量子比特、量子信息储存的方法和原理，以及通过光子晶体波导实现 量子比特在不同地方准确传递 及量子比特的集成 的新方案。要解决的关键问题是通过光子晶体有效地抑制退相干过程，并在光子晶体中实现耦合的多量子比特系统。

固态自旋量子比特的物理实现与量子纠缠

固态量子系统具有丰富的能级结构以及边界条件，这些限制导致了固态量子结构中电子自旋的动态（自旋极化电流）和静态（自旋磁矩）特性有多种表现形式和紧密 的联系。量子计算不仅要求实现对自旋（磁性）的高速度和高精度的控制，同时也要求发现新的磁性/半导体杂化结构。 如何在固态量子系统中获得少数自旋量子态，并且通过电、磁等手段来测量与控制，是最终实现固态自旋qubit和计算的核心物理问题。
我们将通过研 究固态量子系统中的自旋结构的尺寸效应，并发展测量单自旋态的新方法，从基础物理的角度实现单自旋的制备、测量与控制过程。发展对固态量子系统中的少数自 旋量子态进行测量和控制的新方法，研究通过直接或间接相互作用实现多自旋量子态间的纠缠，探索实现多自旋量子态间的纠缠的新方法。主要内容包括：1）磁性 低维人工结构中的自旋排列与自旋相关输运；2）新型磁性金属/半导体杂化结构与自旋注入；3）量子结构中的边界条件操纵和尺寸效应；4）以量子点为基的电 子自旋态的制备与控制。

超冷原子芯片的量子信息处理

通过使用微加工的成熟技术，现在可以在一块微芯片的表面产生极冷原子。这样的系统为极冷原子物理打开了许多的应用研究，诸如极精确传感器和量子计算等。一 个所谓的原子芯片是由导体、磁性元件和光学元件组成，它们将产生限制和控制原子的场。因为场源非常接近原子，这样可以产生较强的场（特别是磁场）而具有较 低的功耗。这种特点使得系统不仅非常简单（既不需要大的电源也不需要在真空室周围设置大的线圈），而且响应较快（BEC可在低于1秒的时间内产生，而常规 系统产生BEC的时间达到1分钟）。产生的BEC原子可以输运到微磁阱中，这些微磁阱是由表面上精心设计的导体产生。在每个阱中的一个原子或原子系综可被 视为一个量子寄存器。通过聚焦激光束到阱的位置可以寻址每一个量子比特。使用光学方法可对状态初始化，利用拉曼光谱技术或微波光谱技术可以实现单个量子比 特的操作。通过偶极阻塞机理可进行双量子比特门的运算。这个系统随着芯片表面微结构工程技术的发展可不断升级。由于原子芯片既大大受益于快速发展的微电子 技术，同时本身结构极为简单，因此它可能成为另一个量子信息处理的有力竞争者。
原子芯片应用于量子计算的一个主要的困难在于原子与表面的相互作用 而导致相干时间较短，该研究方向最关键的科学问题是如何抑制这种退相干过程。我们的研究围绕这一核问题研究原子与表面的相互作用引起的退相干的动力学演化 过程，找出有效抑制退相干过程的原理和实验技术。另一方面，探索在退相干时间内快速实施量子门操作的方法和技术。

固态量子计算中的理论问题

在研究量子信息与计算理论的同时,注重与实验课题组合作,发展固态体系中量子比特及纠缠态的形成的基本原 理及理论模型, 为实验提供理论依据与指导。研究内容包括：将用海森堡作用(Heisenberg exchange intereaction)作为最基本量子比特之间的相互作用。这种作用将会使量子比特之间产生量子纠缠。同时，用局域磁场来控制单个量子比特的旋转，这 里可假定量子比特用电子或核子自旋来实现。 这是一种最实用也是最可能成功的方案。而且也具有相当的普适性， 因为海森堡相互作用可用来描述多个固态量子系统。我们已经有一些先期的结果表明,海森堡相互作用可直接用来实现转置alpha量子门(SWAP, alpha)，再配以单qubit旋转门，可构成完备的量子计算基本门。考虑到现在每种实验都具有相当的难度， 我们必须进行最优化处理。 最近的研究结果表明，任意的两qubit量子变换至少需要3个CNOT量子门及其它的单qubit旋转门。 考虑到一个CNOT量子门至少需要两个转置alpha量子门来实现，则需要6个转置alpha量子门。但这是直接的替代法，我们的研究发现实际3个转置 alpha量子门已经足够。此外，我们还将研究在固态系统中原子-原子，量子点-量子点间通过交换光子而产生量子纠缠的物理机制，探索有效抑制退相干过程 的方法。