冷原子分子系综的量子调控与量子信息技术

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1、项目名称：冷原子分子系综的量子调控与量子信息技术首席科学家：张卫平华东师范大学起止年限：2011.1 至 2015.8 依托部门：教育部上海市科委二、预期目标本项目的总体目标： 在当前国际、国内量子信息科学与技术的研究迅速发展 的大背景下， 联合我国在量子光学、 原子分子物理与量子信息科学交叉领域的优 势研究力量， 面向国家中长期发展规划中所确定的国家需求的长远战略目标，针 对国家重大科学研究计划- “量子调控”计划的指南方向- 基于原子、分子体 系的量子调控 的核心内容， 瞄准冷原子、分子系综的量子调控与量子信息技术交 叉结合的这一国际科学前沿方向中最新的研究热点以及当前国际上广泛关注的 重

2、大技术前沿的发展方向， 以全新的思维和对重大基础科学问题的深刻理解来探 索量子信息科学、量子光学与原子分子物理的有机融合在开拓相关量子技术方面 的潜在应用。 力争在相关学科的交叉融合点上取得若干重大基础性进展。全面推 进我国在量子光学、 原子分子物理、 量子信息、 精密测量等科学领域的研究水平 进入国际先进行列。 获得具有自主知识产权的关键核心量子技术。继续培养和凝 聚一支能协同攻关， 敢于挑战国际前沿的科研队伍， 并为国家战略发展规划提供 重要的科学与技术依据及储备重要的科研力量。同时为相关的重大技术的发展开 辟新的途径，在涉及国家安全及社会经济发展等潜在的技术应用领域做出应有的 贡献。 五

3、年预期目标 ： 1.实验上制备出量子简并的 87Rb 和40K玻色-费米原子混合系综， 在光晶格中实 现并观测超流到绝缘体的量子相变；通过量子调控，探索超冷玻色-费米系 综新的物质量子态，包括产生超冷极性分子量子态。在这一前沿领域方向， 为我国发展相关的关键技术。2.实现超声分子束的有效减速与冷却，获得高通量、低温度（3mK 甚至亚 -mK ） 的冷分子束源；研制成功集成分子芯片及相关的分子光学器件，为精密测量 与量子信息处理奠定技术基础。为我国发展冷分子及分子光学器件的关键技 术。3.实现光场相位和空间信息的长时间可逆存储、相互作用与高效转换；实现量 子信息在多个能级和多个原子系综之间的高效

4、率可控转移。4.实现可用于量子态操控的多组份原子系综；理论与实验有机结合探索不同新 奇量子态的可控构造、量子操控与探测。5.实现光子 -原子量子界面的量子保真转换与操控；理论与实验有机结合，开 拓基于光子 - 原子量子态调控的新型量子光源、量子仿真、量子信息处理以 及精密测量（包括精密光谱）等技术的探索与研究。争取获得若干项重大理 论创新性进展与一到两项重大实验技术的突破。6.在我国现有的量子信息科学研究基地的基础上，建立与稳定一个科学上立足 于量子光学与原子分子物理领域，技术上向量子信息与精密测量等量子技术 领域交叉，基础与应用有机融合，并与国际水平接轨的新的研究基地。7.培养和稳定凝聚一支

5、能够协同攻关， 面向国际科技舞台， 敢于挑战国际前沿， 思想活跃的量子光学、 原子分子物理与量子信息科学交叉领域的优秀科研队 伍，为国家战略发展储备科研力量。8.继续发展与国际同行的广泛交流与合作，争取组织举办一到两次该领域的国际学术会议。9.在国际一流与重要学术刊物 （如 Physical Review Letters ，Physical Review A，Applied Physics Letters 等）上发表高质量有影响的学术论文5070篇。 培养高质量的博士研究生 15-20名。10. 争取获得具有我国自主知识产权的关键核心技术，申请获得专利若干项。三、研究方案本项目将围绕玻色 -

6、费米原子量子系综以及冷分子系综的制备、量子调控， 原子、分子新奇量子态的可控构造、量子操控和量子探测，光子- 物质量子界面 的量子操控， 基于原子、分子量子态调控的关键量子技术等方面的重大基础科学 问题及关键技术原理， 瞄准总体目标与五年预期目标， 利用我们团队研究成员在 不同方面所具有的优势互补的研究专长，结合我们在执行前期 “量子调控” 计划 项目中所积累的学术基础与技术优势，合理分工、协同攻关来展开与实施。总 体研究方案的设计与构思是以我们前期项目所发展的光子- 物质（原子、分子） 量子操控的基本单元技术与研究平台为基础，以光子、原子、分子作为核心信息 载体，从不同的学术角度与技术需求来

7、研究它们的量子态的构造、相互耦合与作 用、以及光子信息载体与物质（原子、分子）信息载体量子界面的量子调控原理 与技术，开拓与发展具有自己特色与创新的基于原子、分子体系量子调控的关键 量子技术的新思路与新途径。整体的学术思路与技术途径 如下图所示。项目将分成紧密关联的三个层次. 首先， 利用我们已经建立或正在搭建的实 验研究平台， 结合我们已经掌握的光场与原子、分子相干控制的单元技术， 实现 冷原子、分子乃至超冷原子、分子系综的制备、探测以及特性的研究。其次，以 我们自己发展的量子光学与原子分子光学方法以及相关的单元技术，包括光子操 控与量子光源制备等技术为主， 开展冷原子分子系综的量子态操控及

8、新奇量子态 的可控构造的研究与探索。然后，在此基础上进一步发展光子-物质（原子、分子）协同量子调控的原理与技术，并开拓基于光子- 物质量子信息界面的量子信 息处理、量子仿真与精密测量等量子技术。 根据以上总体研究方案的设计思路， 结合我们团队所依托的各研究单位在研 究力量、研究平台与单元技术等方面的各自优势，我们进行如下的学术分工与研 究任务的分解： 山西大学以量子光学与光量子器件国家重点实验室为依托，在彭堃墀院士的 领导下，多年来一直从事量子光学的实验研究，是国内实验量子光学的一个重要 研究基地。特别是他们在我们前期“ 量子调控 ” 计划项目（ 2006CB921100 ）的执行 中，取得了

9、国际水平的研究进展。在量子光源与超冷玻色- 费米混合原子系综的 研究方面积累了国内的技术优势地位。中科院武汉物理与数学所在超冷原子的实 验研究方面也是国内领先单位之一。他们将负责本项目课题1 中的超冷玻色 -费 米混合原子系综的制备、 量子调控、 新的量子态物质， 包括超冷分子的形成等研 究。山西大学以 87Rb和 40K玻色- 费米混合原子系综为研究对象， 通过光学偶极 阱中的蒸发冷却技术实现超冷原子系综，再通过光晶格与Feshbach 共振技术实 现精确的量子调控， 探索超冷原子的量子相变与各种新奇量子现象。武汉物理与 数学所以玻色 (87Rb)- 费米(6Li 、40K)三种元素混合系综

10、进行冷却于囚禁，实现 量子简并，并探索实现超冷分子的有效方法与技术途径。 华东师范大学近几年来在冷原子、 冷分子的相干与量子操控方面的研究发展 得十分迅速。同样，他们通过前期项目（2006CB921100 ）的研究，在原子的量子 操控理论与实验有机结合方面取得了具有自己特色与优势的创新性研究成果。在 该项目（也是本项目推荐的） 首席科学家张卫平教授的直接带领下，从相关研究 人才到实验研究平台等方面都已具备了开展本项目研究的学术优势。由于强有力 的理论研究队伍的支撑以及实验与理论紧密结合的成功经验的积累等方面的优 势，华东师范大学团队一方面将负责本项目中的冷原子、分子量子调控的整体理 论研究与相

11、关的量子技术方案的设计，另一方面他们同时将承担本项目中课题2 与课题 4 的研究任务。课题 2 负责分子冷却与冷分子系综的制备、分子量子调控 等的实验与基础理论研究工作， 其中清华大学将协助有关分子量子器件的方案与 设计的研究。 课题 4 负责开拓基于原子系综的量子态操控、量子信息处理与高精 密测量的原理与技术的实验与理论研究，包括与复旦大学合作，进行光子- 原子 量子界面的量子操控的实验研究。 吉林大学通过前期项目 （2006CB921100 ）的积累，在基于原子系综的信息处 理与相干存储的研究方面进展迅速。 在本项目中，他们将负责课题 3 的研究任务， 进一步开拓基于光与原子耦合体系的相位

12、信息和空间信息的操控；多个原子系综 间的光信息可控转移；基于原子系综 - 光学腔耦合体系的空时可控的长时间信息 可逆存储、相互作用与高效转换等方面的原理与技术研究。本项目的特色及创新性： 本项目的特色体现在（ 1）瞄准国际上具有重大技术应用潜力的科学前沿领 域的最新热点， 针对我国战略发展需求的重大科学计划的具体目标，联合我国在 该前沿领域已储备的优势力量， 以理论队伍与实验队伍紧密结合、协同攻关的方 式来解决对我国科学发展具有重大影响，对高新技术发展具有重要推动作用的重 大科学前沿中的关键科学与技术问题；（2）将自己发展的学术思想与积累的技 术专长有机地融汇到项目的整体方案的构思与技术途径的

13、设计中，具有鲜明的自 主性； （3）重大科学前沿与重大技术前沿的最新研究进展与发展趋势的有机与自然的结合与统一，新颖的方向，明确的目标与前瞻性的思路。本项目有以下创新性 ： 1建立玻色 - 费米原子的量子操控的理论框架，并从理论与实验上探索人工 控制费米超流相变，以及玻色- 费米混合量子物质的新奇量子态的构造、操控等 研究属该前沿领域的创新与突破。 2. 温度3mK 以下的低温冷分子源的制备与获取、 冷分子系综的量子调控研究 与探索、分子芯片及相关分子器件的设计与发展属国内首创。 3. 实现光场相位和空间信息的长时间可逆存储、相互作用与高效转换，以 及基于原子系综 -光学腔耦合体系的空时可控的

14、长时间信息可逆存储是基于原子 系综的量子存储技术的创新。 4 基于光子 -物质量子信息界面的量子信息处理、量子仿真与精密测量等 量子技术的开拓与发展属重大基础理论与实验技术的创新与突破。取得重大突破的可行性分析： 该项目是在广泛深入的了解、 消化和比较国际国内量子信息、量子光学、 原 子分子物理与精密测量交叉领域的实验和理论研究的最新进展，针对这次国家重 大科学研究计划 - “ 量子调控 ” 计划项目的指南所确定的具体方向、目标与要求， 结合我们团队在该前沿领域以及前期项目中所积累的研究优势的基础上，经过全 面、系统、严格的分析而提出的。理论上，由于量子信息科学、量子光学、原子 分子物理、 精

15、密测量科学等交叉领域的迅速发展，已积累了丰富的理论成果， 这 从理论基础上为物理模型的建立与分析提供了可行性保障。实验上，由于近年来 国际量子信息领域， 特别是基于量子光学与冷原子、 分子体系的量子信息的实验 研究的连续突破， 给我们提供了重要的可供借鉴与比较的实例。技术上，量子操 控手段的日益成熟与不断完善， 为本项目研究方案的顺利实施与取得突破提供了 技术的保障。 从研究队伍的结合来看， 我们的团队组合是一个高度凝练而又精干，集理论、 实验、技术三位一体， 且工作在第一线的年轻科研骨干组成的研究队伍。推荐的 首席科学家张卫平教授 是国际级的量子光学与原子分子物理学专家，国际上超冷 原子与光

16、子操控理论的开拓者之一。 所提出的多项实验方案都已为国际一流实验 小组所验证。 并有广泛的国际合作关系， 曾直接与 Rice大学Hulet 实验小组合作， 在国际上首次建议用光学方法探测费米超流相变。回国定居后，仍继续保持与美 国Arizona 大学光学科学中心和 Rice大学的合作，在超冷原子玻色 - 爱因斯坦凝聚 与费米原子系综的量子操控及应用等方面取得了一系列国际前瞻性与创新性的 研究成果。他现在所领导的 华东师范大学量子光学与原子分子物理研究团队聚集 了一批实验、理论与技术三方面全能的优秀人才。特别是近来利用理论的优势， 在向原子量子操控的实验结合的研究开拓中取得了重要的实验进展，实现了从理 论到实验，理论指导实验的跨越式发展。 山西大学彭 堃墀院士 领导下的量子光学队伍一直在国际该领域实验前沿方 向上工作。 在量子信息、 量子光学、 冷原子等交叉方向集聚了一批优秀的研究人 才，也是国内最早从事量子光学与量子信息研究的团队之一。以张靖教授 为代表 的研究队伍在量子光源与玻色- 费米混合原子系综的量子简并的实验研究中取得 了国内外公认的高水平的研究成果。 以印建平教