0830_潘建偉_基于光與冷原子的量子操縱：可拓展的量子通信、量子計算與量子模擬

1、基于光與冷原子的量子操縱：可拓展的量子通信、量子計算與量子模擬,潘建偉中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室2011年6月19日,疊加態(tài),量子 構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元能量的最基本攜帶者 不可分割,光子,原子,分子,量子力學測不準原理,量子比特,經(jīng)典比特,0,1,光子極化,,,＋,量子不可克隆定理,量子與量子疊加,,,“遙遠地點之間的詭異互動”——愛因斯坦,量子糾纏,兩光子極化糾纏態(tài),量子糾纏,利用量子糾纏研究量

2、子力學非定域性檢驗、量子通信、量子計算、量子模擬和精密測量…,單粒子方案 Bennett & Brassard (1984) 糾纏態(tài)方案Ekert, PRL 67, 661 (1991),一次一密，完全隨機,量子不可分割,量子不可克隆定理,量子通信：量子密鑰分發(fā),,初態(tài),糾纏對,Bennett et al., PRL 70, 1895 (1993),量子通信：量子隱形傳態(tài),Zukowski et al., PRL 71,

3、4287 (1993),如何在草堆中找到一根針？經(jīng)典搜尋： 步量子搜尋 ： 步可破譯DES密碼：,使得利用經(jīng)典THz計算機分解 300位的大數(shù)，需1024步， 150000年利用Shor算法THz計算機， 只需1010步，1秒！這意味著RSA將不再安全！,量子并行性使得量子計算機可以同時對 2N個數(shù)進

4、行數(shù)學運算，其效果相當于經(jīng)典計算機重復實施 2N次操作,量子并行性,0 或 100，01，10 或 11000，001，010……...,0 + 100 + 01 + 10 + 11000 + 001 + 010 + ……...,經(jīng)典比特,量子比特,,Shor算法,P. W. Shor,Grover搜尋算法,L. K. Grover,1000年 4分鐘！,256個數(shù)中搜尋密鑰,量子計算,一個由N個二能級系

5、統(tǒng)組成的量子系統(tǒng)由一個2N維希耳伯特空間描述——若要用經(jīng)典計算機來模擬其演化， 需要內(nèi)存大小為2N， 且需要計算2N× 2N維矩陣元的系數(shù)！無法進行有效模擬！,費曼,普適的量子模擬器可以設(shè)計由N個量子比特構(gòu)成的程序化量子裝置，來模擬量子系統(tǒng)的狀態(tài)及其演化,利用超冷等離子體模擬慣性約束聚變利用超冷原子模擬凝聚態(tài)物理探索二維體系相變過程研究（分數(shù)）量子霍爾效應(yīng)模擬高

6、溫超導可控的量子化學過程……,量子模擬,精密測量,𝛥𝜑～ 1 𝑛,𝛥𝜑～ 1 𝑛·𝑁,V. S.,誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)理論Wang, PRL 94, 230503 (2005)Lo et al., PRL 94, 230504 (2005)光纖誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)超過100公里Rosenberg et

7、 al., PRL 98, 010503 (2007) (Los-Alamos國家實驗室-NIST聯(lián)合實驗組)Peng et al., PRL 98, 010505 (2007)光纖誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)達到200公里 Liu et al., Opt. Express 18, 8587 (2010),實用化光纖量子密鑰分發(fā),實用化城域量子通信網(wǎng)絡(luò),歐洲SECOQC網(wǎng)絡(luò)Peev et al., New J. Phys.

8、 11, 075001 (2009),日本Tokyo QKD網(wǎng)絡(luò),合肥全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)Chen et al., Opt. Express 17, 6540 (2009)Chen et al., Opt. Express 18, 27217 (2010),蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)Xu et al., Chin Sci Bull 54, 2991 (2009)Wang et al., Opt. Lett. 35, 2454 (2010

9、),量子隱形傳態(tài),光子比特的隱形傳態(tài)（最遠距離～600米） Bouwmeester et al., Nature 390, 575 (1997)Marcikic et al., Nature 421, 509 (2003)Pan et al. Nature 421, 721 (2003)Ursin et al., Nature 430, 849 (2004)終端開放的量子隱形傳態(tài)Zhao et al., Nature 430

10、, 55 (2004)復合系統(tǒng)量子隱形傳態(tài)Zhang et al., Nature Physics 2, 678 (2006),光量子計算,線性光學量子計算 （理論）Knill et al., Nature 409, 46 (2001) Shor量子算法的光學實現(xiàn)：15=?×?Lu et al., PRL 99, 250504 (2007)基于簇態(tài)的單向量子計算 （理論）Raussendorf et al., P

11、RL 86, 5188 (2001)Nielsen, PRL 93, 040503 (2004)Browne et al., PRL 95, 010501 (2005) 6光子簇態(tài)的制備Lu et al., Nature Physics 3, 91 (2007)用簇態(tài)和非簇態(tài)實現(xiàn)量子計算Chen et al., PRL 99, 120503 (2007)Gao et al., Nature Photonics 5, 117

12、 (2011)8光子糾纏態(tài)的制備Yao et al., submitted (2011),光量子模擬,用多光子圖態(tài)證實任意子服從分數(shù)統(tǒng)計Han et al., PRL 98, 150404 (2007) （理論）Lu et al., PRL 102, 030502 (2009) （實驗） 用多光子糾纏態(tài)計算氫分子能譜Lanyon et al., Nature Chemistry 2, 106 (2010)用多光子模擬He

13、isenberg自旋系統(tǒng)Ma et al., Nature Physics 7, 399 (2011),精密測量,4光子德布羅意波長Walther et al., Nature 429, 158 (2004),10比特超糾纏態(tài)制備及相位測量Gao et al., Nature Physics 6, 331 (2010),|𝛹 1234 = |𝐻 𝑎3 |𝐻

14、 𝑎4 |𝑉 𝑏3 |𝑉 𝑏4 + 𝑒 𝑖4𝛥𝜑 |𝑉 𝑎3 |𝑉 𝑎4 |𝐻 𝑏3 |𝐻 𝑏4,光量子信息處理面臨的困難,P,P,

15、P,光纖存在固有的光子損耗、與環(huán)境的耦合會使糾纏品質(zhì)下降 單光子和糾纏光子對的產(chǎn)生是概率性的,安全的量子通信難以向更遠距離拓展 純光的量子計算和量子模擬難以升級,資源消耗～1/PN,解決方案之一：星地光量子傳輸,克服地表曲率、沒有障礙物的阻礙只有5-10公里的水平大氣等效厚度大氣對某些波長的光子吸收非常小大氣能保持光子極化糾纏品質(zhì)外太空無衰減和退相干,自由空間量子通信實驗進展,13公里自由空間量子通信實驗Peng et a

16、l., PRL 94, 150501 (2005),16公里自由空間量子隱形傳態(tài)Jin et al., Nature Photonics 4, 376 (2010),144公里自由空間量子密鑰分發(fā)Schmitt-Manderbach et al., PRL 98, 010504 (2007),100公里自由空間雙向量子糾纏分發(fā)Ren et al., submitted (2011),正在開展的工作：星地量子通信,,,,,,,,,,

17、,,,星地高速量子密鑰分發(fā)，連接地面城域網(wǎng)絡(luò)星地量子糾纏分發(fā)，實現(xiàn)空間尺度量子隱形傳態(tài)、 空間尺度量子力學非定域性檢驗,解決方案之二：量子中繼,克服退相干：糾纏純化Bennett et al., PRL 76, 722 (1996)Pan et al., Nature 410, 1067 (2001)Pan et al., Nature 423, 417 (2003)克服光子損耗：糾纏交換Zukowski et al.

18、, PRL 71, 4287 (1993)Pan et al., PRL 80, 3891 (1998)Pan et al., Nature 421, 721 (2003),量子中繼器方案Briegel et al., PRL 81, 5932 (1998),克服概率性事件導致的資源指數(shù)消耗： 沒有量子存儲 資源消耗～ 1/PN 借助量子存儲 資源消耗～ 1/P,P,P,,DLCZ原子系綜量子中繼

19、器Duan et al., Nature 414, 413 (2001),,量子中繼實驗進展,高品質(zhì)的原子－光子糾纏 Chen et al., PRL 99, 180505 (2007),光子與原子比特間的量子隱形傳態(tài) Chen et al., Nature Physics 4, 103 (2008),量子中繼實驗進展,穩(wěn)定的量子中繼器方案Zhao et al., PRL 98, 240502 (2007) 量子中繼器的實驗

20、演示 Yuan et al., Nature 454, 1098 (2008),量子中繼實驗進展,適合存儲的窄帶糾纏源Bao et al., PRL 101, 190501 (2008)量子存儲時間提高到1毫秒 Zhao et al., Nature Physics 5, 95 (2009)解除頻率關(guān)聯(lián)的極化糾纏光子存儲Zhang et al., accepted by Nature Photonics (2011),sto

21、rage time=200 ns,V=81%,正在開展的工作：長壽命高讀出效率的量子存儲,長壽命量子存儲器及其讀寫接口將對磁場不敏感的能級作為存儲能級利用光晶格束縛原子 延長退相干時間，存儲壽命達到100ms利用光學腔技術(shù)增大光子與原子的耦合強度 讀出效率達到90%,,,哈密頓量相關(guān)參數(shù)可控原子內(nèi)部態(tài)作為量子比特，易操縱和讀取成熟的冷卻和捕獲技術(shù),

22、光晶格形成周期性勢阱,光晶格與真實晶格的類比,Feshbach 共振調(diào)節(jié)原子間相互作用,冷原子量子調(diào)控,超晶格中產(chǎn)生多原子糾纏態(tài),一維超晶格,高分辨單格點單原子測量、操控技術(shù)，操控多原子糾纏態(tài)進行量子計算和模擬,BEC裝載到光晶格中,正在開展的工作: 基于光晶格的量子計算和量子模擬,,,形成冷原子簇態(tài)進行單向量子計算 研究四體（多體）交換相互作用 拓撲量子計算……,帶電粒子的哈密頓量可以用規(guī)范勢表示,對冷原子模擬出此類哈密頓量，就

23、可以利用中性冷原子模擬帶電粒子的行為理論方案：超冷原子與空間不均勻的Raman耦合，合成規(guī)范勢場,利用超冷原子模擬帶電粒子的行為,實驗進展：規(guī)范勢與合成磁場 Lin et.al., PRL 102, 130401 (2009) Lin et.al., Nature 462, 628 (2009),自旋-軌道耦合Lin et.al., Nature 417, 83 (2011),電場的產(chǎn)生Lin et.al.

24、, arXiv: 1008.4864 (2010),正在開展的工作：模擬規(guī)范場,光阱中的Rb-87 BEC,轉(zhuǎn)變溫度：~100nK BEC原子數(shù): 2.0×105原子密度: ~1013/cm3 BEC等效溫度：10nK,耦合強度：?=4.25Er,Raman耦合等效規(guī)范勢的形成,,1維自旋-軌道耦合的形成：,,正在開展的工作：模擬規(guī)范場,當前進展：規(guī)范勢和自旋軌道耦合的產(chǎn)生,,正在開展的工作

25、：模擬規(guī)范場,近期：研究自旋軌道耦合BEC的一些基本特性和規(guī)范勢引起的新效應(yīng)自旋軌道耦合的BEC在不同動量態(tài)和能態(tài)之間的隧穿和馳豫過程自旋軌道耦合的BEC在動量空間的Josephson效應(yīng)規(guī)范勢引起的BEC在勢阱中集體模式震蕩頻率的偏離,遠期：利用BEC和空間多維Raman激光耦合產(chǎn)生非阿貝爾等效規(guī)范場，觀測中性超冷原子在非阿貝爾規(guī)范場中的行為， 模擬帶電粒子的自旋軌道耦合導致的相變問題,自旋-軌道耦合BEC的條紋相,自旋-軌道耦

26、合BEC的玻色子配對及分數(shù)渦旋相,鉀源 鋰源,制備6Li和40K的量子簡并混合,,在交叉光阱中蒸發(fā)冷卻 ? 形成簡并混合氣體,正在開展的工作: 基于光晶格的量子計算和量子模擬(費米子),把鋰鉀分子BEC裝入光晶格,對異核費米費米混合在光晶格中 的BEC-BCS交叉區(qū)域進行研究,開發(fā)新型的冷卻機制,研究低溫下的量子相變過程 模擬晶體中的電子，研究凝聚態(tài)物 理基礎(chǔ)現(xiàn)象，掌握高溫超導機制,隔離熵零原子蒸發(fā)熵高

27、原子,? 低溫原子,把鋰鉀簡并混合氣體絕熱裝入光晶格,控制鋰鉀在光晶格中填充的時候總數(shù)比1:1 排斥相互作用下 研究超流-Mott絕緣相變過 吸引相互作用下研究費米配對過程,達到3%費米溫度,正在開展的工作: 基于光晶格的量子計算和量子模擬(費米子),金屬、絕緣 單帶超流、反鐵磁序 ? 高溫超導 獲取完整的低溫量子相圖，填補低溫 區(qū)域相圖的空白（費米Hubbard模型 ）,模擬高溫超導,量子通信的發(fā)展目標,廣域量子通信網(wǎng)絡(luò),通

28、過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)＋通過中繼器連接的城際量子網(wǎng)絡(luò)＋通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遠距離量子通信,,5年目標：解決大城域量子通信和基于中繼的城際量子通信問題，達到實用化要求；解決地面關(guān)鍵技術(shù)，并初步開展星地量子實驗10年目標：實現(xiàn)高速率的實用化星地量子通信，構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)絡(luò),量子計算和量子模擬的發(fā)展目標,實現(xiàn)更多光子的糾纏，并在量子存儲輔助下實現(xiàn)可升級的量子計算和量子模擬,實現(xiàn)基于冷原子量子調(diào)控的可升級量子計算和量子模擬,5年目標：實

29、現(xiàn)10-20個量子比特的相干操縱，實現(xiàn)量子計算機的基本功能，對低復雜度的體系進行量子模擬10年目標：實現(xiàn)50-100個量子比特的相干操縱，驗證有現(xiàn)實意義的大數(shù)的量子分解算法，并對中等復雜度的量子體系進行量子模擬,,光與冷原子量子調(diào)控：研究的前沿,起先我和黃克孫，后來，和黃克孫以及拉亭杰， …后來李政道加入了。這個領(lǐng)域當時主要只有我們在搞，到50年代后期這個問題就做不下去了。原因是當時理論上是能夠做的，我們都做得差不多了，而當時還不能做