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发展固态量子信息与计算的实验研究

减小字体 增大字体 作者:不详  来源:www.bob123.com  发布时间:最新发布
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  摘.要量子计算与量子信息是21世纪基础和应用科学研究的一大挑战. 要实现实用意义上的量子信息和量子计算,必须解决量子比特系统的可拓展性问题.基于现代半导体技术的固态量子系统,其应用和最终产业化的可行性较高. 然而,固态量子体系受周边环境的影响比较严重,控制其退相干,维持其量子状态的难度更高.实验固态量子计算的研究是个新的领域,尚无实用的技术和方法.文章介绍了中国科学院物理研究所固态量子信息和计算实验室近几年来新开辟的自旋、 冷原子、 量子点(包括原子空位)、功能氧化物和关联体系等固态量子信息的新载体和同量子计算与量子信息相关的科学与技术难题的实验研究.
  关键词量子比特,量子信息,量子计算,自旋电子,信息存储,纳米器件
  Experimental research program in solid state quantuminformation processing
  CHEN Dong\|MinZHAOHong\|WuLIANG Xue\|JinLIU Bao\|LiPANXin\|YuWANGRu\|Quan
  (Solid State Quantum Information and Computation, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190,China )
  AbstractQuantum information processing and quantum computation pose grand challenges for basic and applied science in this century. Creating scalable quantum systems is essential for the realization of practical quantum computing. Solid state quantum systems that can be produced with micro/nano fabrication technologies should offer better scalability. Strong coupling of the solid state system to the environment, however, makes decoherence of an otherwise pure quantum state a much more serious problem to be overcome. This is a new field that is open for conceptual breakthroughs and technology innovation. This article is a brief account of the recent developments using spin, cold atoms, quantum dots, and other functional materials as new quantum information carriers for quantum manipulation experiments in the Solid State Quantum Information Processing Laboratory in the Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences.
  Keywordsquantum qubit, quantum computation, spintronics,memory materials, nano devices
  
  量子计算与量子信息是当代迅速发展的前沿科学领域,是本世纪基础和应用科学的一大挑战, 将在未来信息技术领域中有着广阔的前景. 要实现实用意义上的量子信息和量子计算,必须解决量子比特系统的可拓展性问题.人们普遍认为,固态量子系统是解决这一问题较为有效的途径,特别是基于现代半导体技术的固态量子系统,其应用和最终产业化的可行性更高. 然而,固态量子体系受周边环境的影响比较严重,控制其退相干,维持其量子状态遇到了更大的挑战. 近几年来,国际上量子信息领域的主要进展是在原子(离子)和分子体系,固态量子计算的研究虽有进展,但尚无重大突破. 实验固态量子计算的研究是个新的领域,尚无实用的技术和方法.中国科学院物理研究所和北京国家凝聚态物理实验室,于2004年5月成立了固态量子信息和计算实验室, 开辟了量子计算与量子信息科学领域中一些关键性的科学与技术难题的研究方向.固态量子信息的新载体有自旋、 冷原子、 量子点(包括原子空位)、功能氧化物和关联体系等 .下面是本实验室近几年来发展的几个研究方向的简介.
  
  1.基于冷原子量子比特链的可扩展的量子计算
  
  以激光冷却、俘获原子为代表的冷原子技术近20年来发展迅速.现代微加工技术可以将实验器件集成在微型芯片 ——原子芯片[1]上,为冷原子实验提供了更好的实验环境,也使得其微型化和集成化成为可能.平面基底上的微结构,包括导线、电极、永磁体、光学腔等器件,提供了比宏观实验更极端的电磁场条件,更有利于实现对冷原子的俘获、约束和操作.同时微型和集成化的系统又大大提高了相关技术的应用前景.原子芯片的应用前景包括物质波干涉仪、微型原子钟、量子信息处理和低维量子气体研究等.但是这些应用通常要求很长的量子相干时间,还要求对少数甚至单个原子的特定量子态进行高效操作.所以,在原子芯片的设计、加工和运用中,都充满了机遇和挑战.
  以原子的冷却和俘获为例,在原子芯片中,导线和基底的紧密接触和基底良好的导热性质,大大提高了导线的散热性能和载流密度,电流密度已经提高到107A/cm2,远远大于普通线圈的载流能力[2,3],微型化的线路使得磁阱能够提供更强的束缚势场.同时在微导线之间,有限电压差也可以产生巨大的静电场,交变电流附近会产生强辐射场.这极大地方便了对于原子自由度的操作.
  目前原子芯片的研究已经取得了一些开创性的成果,如实现了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)[4],钾原子的费米简并[5],准一维铷原子BEC[6]和原子芯片表面相互作用等研究[11].最近J. Schmiedmayer的小组制作出了具有双层结构的原子芯片,并以此实现了尺度比大于1000的准一维BEC.从而推进了多层、复杂原子芯片和相应的原子操作的研究,这对于实现原子在势阱阵列中的隧穿和相干特性,以及量子信息操作很有意义.
  另外,基于原子芯片的腔量子电动力学(CQED)实验也在迅速发展.置于微型Fabry-Perot腔中的原子和腔中的光子有非常强的相互作用,实验上已经实现了光腔中光子和原子的耦合远大于光子在光腔中的寿命和原子的自发辐射寿命[7].光腔同时可以改变原子自发辐射系数的数值,影响了原子激发态的寿命.集成在芯片上的CQED可能会成功延长原子能级的寿命和相干时间,并让其作为量子信息载体——量子比特,最终通过集成化使实现量子计算成为可能.
  物质波干涉仪是另一个原子芯片的重要研究方向[8].通过实现BEC或费米简并的原子团的分束和汇聚,可以实现物质波的干涉,进而通过干涉图像的变化来实现对转动角速度等多种物理量的精密测量.原子芯片的强约束作用,将有助于实现稳定的相干原子波导,大大提高物质波干涉仪的灵敏度[9,10].
  目前我们实验室正在搭建一个原子芯片的玻色-爱因斯坦凝聚实验.我们已经成功地自制了用于激光冷却的半导体激光器系统,稳定地将激光器锁定在铷原子的跃迁频率上.半导体激光器系统如图1所示,其中主激光器采用了分布反馈二极管激光器,它具有集成度高、工作稳定、坚固耐用、体积小等优点.主激光器由饱和吸收光谱稳频的方法锁定在铷原子的跃迁频率上,并驱动一个注入锁定的从激光器.从激光器的电流被6.8G的微波源调制,以获得激光冷却所必需的重抽运光.从激光器的输出由一个1W的半导体锥形放大器放大,输出用于激光冷却.以上系统都是在购买激光管和放大芯片的基础上自制的,成本低并且工作稳定可靠.
  真空系统由一个三级离子泵和一个钛升华泵组成,极限真空能够达到10-11Torr,从而保证原子在磁阱里面的寿命.用于实现玻色-爱因斯坦凝聚的芯片由DBC工艺(陶瓷基片覆铜工艺)制作,DBC基板是在1000℃度左右的高温下把铜片和氧化铝或氮化铝陶瓷基片直接复合而形成的,具有极佳的导热性和优良的载流能力.在DBC基板上再通过刻蚀的方法我们就可以得到原子芯片所需的各种载流导线,并束缚和囚禁原子,通过蒸发制冷实现玻色-爱因斯坦凝聚.下一步的实验将使用硅基片上的微加工工艺,以得到更小的微结构,实现复杂的量子操控.
  我们又开发了实验的时序控制系统,利用两块数字和模拟输出卡实现了16通道数字

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