本小组主要研究方向为囚禁离子量子信息实验、基于原子体系和固态体系的量子信息理论研究和量子基础理论研究。主要研究兴趣介绍如下:
1. 囚禁离子量子信息实验和理论：
离子阱技术可以实现一个或者多个离子的长达几天到几个月的长时间囚禁。经过激光冷却之后的囚禁离子是一个非常理想的量子体系，其在精密谱测量、量子计算、量子模拟等领域都有着重要的应用，已有十四个超冷离子被成功纠缠，简单的量子算法、量子纠错以及远距传态等也已经在线型离子阱中完成。
目前的工作热点在量子模拟和量子计量。量子模拟是用一个可控的量子体系去模拟另一个难以控制的量子体系，这是费曼当年提出的想法。相比量子计算，量子模拟对量子资源的要求较低，在极少的量子比特上完成的量子操作可以是很好的量子模拟的工作。量子模拟的方案已有很多，最近完成的量子模拟的实验工作包括模拟 Dirac 方程和相对论效应、自旋体系的阻挫现象等。量子计量包括单离子的时间精确计量和纠缠的多离子对量子涨落的压制。超冷离子体系的干净和近乎孤立的环境以及快速、精确的相干操作保证了高品质量子计量的完成。
但实现更多离子的纠缠是对量子技术的挑战，并非想象的那么直接、简单。首先，离子数越多，体系的动力学就越复杂，精确操纵逻辑门的难度增大，可能导致无法产生高保真的纠缠。解决这个问题的途径是使用分区式多阱结构，用多阱结构的离子芯片替代线型阱。由于囚禁于离子芯片中的离子在电信号的驱动下可以相干地来回运动于各个势阱之间，因此不同势阱中的离子的纠缠，甚至不同势阱的振动自由度的纠缠都能够实现。由此可见，线型离子阱是将来纠缠和操纵多个离子的基本单元，而离子芯片是实现多位离子纠缠和量子操作的最有前途的装置之一。
本小组已经建成了一台专门用于量子信息处理研究的线型离子阱，成功地将40Ca+离子冷却到了振动基态，平均振动量子数为 <n>=0.056，离子处于振动基态的布局数达到95%以上; 掌握了平面型离子芯片的制造和囚禁技术，已加工了一套平面型芯片离子阱，成功囚禁了数百个40Ca+离子，可以同时冷却37个离子（≈20 mK），并移动和旋转多个离子，达到了量子信息处理的基本操作要求。以此为工作平台，正致力于完成逻辑门操作和量子模拟，建成一个执行量子算法、完成量子模拟和操纵核自旋的工作平台。另外，基于MEMS技术加工表面电极结构的离子阱，我们正在探索新的阱结构和扩展方式。
理论研究方面，本小组一直结合实验致力于基于囚禁离子的量子动力学、量子逻辑操作、量子模拟的研究。主要研究成果包括免退相干量子逻辑操作的设计、离子核自旋量子计算、强激发区中离子动力学的精确描述和对Dirac方程和Franck-Condon效应的量子模拟。
以上成果已经发表在《Physical Review A》、《Scientific Reports》、《New Journal of Physics》等期刊。
相关工作进展
线型离子阱实物图 真空腔和部分光学设施
线型离子阱实验平台(左)和囚禁的40Ca+离子晶体(右)
左图为边带冷却之后D5/2(m=-1/2)上测得的拉比振荡；右图为S1/2(m=1/2)<-> D5/2(m=-1/2)载波跃迁的 Ramsey光谱。π/2 脉冲的长度为7μs,两个π/2脉冲间隔100μs。
表面型芯片离子阱实验装置(左)以及囚禁的40Ca+离子云、一维和二维离子晶体的EMCCD图像(右)。
2. 基于金刚石色心和超导比特的量子信息处理：
金刚石氮-空位中心体系的电子由于有良好稳定的自旋特性和独特的光波及微波可同时调控的能级结构，是最有希望实现室温下量子计算与量子调控的固态材料之一。因为易于扩展，超导量子比特是目前最有希望成为商用量子计算机的物理体系之一。本小组主要研究成果包括基于金刚石氮-空位中心及掺杂富勒烯等体系，微型光学腔及超导量子线路等体系开展一系列与量子信息、量子模拟和量子测量相关的基础研究工作，具体包括固态体系中单量子态的操控、多比特量子逻辑门与多比特量子动力学及纠缠动力学、复合体系的远距离及宏观纠缠制备、非马尔科夫环境机制影响下的复合体系量子动力学特性及纠缠保持研究，可扩展性二维超导腔列与氮-空位中心系综耦合体系的量子模拟，上述研究涉及量子信息理论、量子力学、凝聚态物理、原子物理、量子光学、量子计量学及量子调控理论等多个学科，是既具有独立性又有学科交叉优势的前沿研究领域。
以上成果发表在《Nature Communications》、《Physical Review Letters》、《Physical Review A/B》、《New Journal of Physics》、《Scientific Reports》、《Applied Physics Letters》、《Optics Express》等期刊上。
相关工作进展
量子模拟人工规范场 非马环境下的NV纠缠保持
----PhysRevA.86.012307(2012) ----PhysRevA.87.022312(2013)
NV复合体系下的莫特-超流相变 多个NV系综宏观纠缠的制备
---PhysRevB.90.195112(2014) ----Scientific Reports 5 7755 (2015)
3. 腔光力系统的量子特性及其应用
腔光力系统是一种由腔和力学振子杂化而成的特殊量子系统。在该系统中，由于力学振子的相关物理特性既可以通过腔的驱动场进行选择，也可以通过腔的输出谱进行直接探测，这使该系统成为操控和观察微纳机械振子量子特性的理想实验平台。该系统不仅可以用来观察微纳机械振子物理特性从经典到量子的过渡，而且可以利用力学振子的力学特性做高精度的精密测量，还可以通过其与光子的相互作用构建量子光学器件。在近年来，这些物理特性使得腔光力系统迅速发展成为当今量子光学最重要的研究热点和实验前沿领域。另一方面，随着半导体加工技术和冷却技术的进一步，其在未来有进一步和生物学融合的趋势，这将为人们利用生命体检验量子力学基本原理性问题提供必要的技术支持。
目前，我们的研究兴趣主要集中在腔光力系统的特有物理性质，如，光力诱导透明效应，光力诱导吸收，输出光子关联和量子纠缠等，以及建立在上述量子特性基础上的基于腔光力系统的精密测量及量子光学器件架构。在过去的研究中，我们首次将光力诱导透明的应用推广到精密测量领域；然后，借助耦合振子系统，将单模光力诱导透明效应推广到了双模光力诱导透明效应；并在双模光力诱导透明的基础上，提出了基于微纳机械振子噪声谱的振子有效温度直接测量的方案，和单边无反转光力诱导透明效应。
以上成果发表在《Physical Review A》、《Scientific Reports》、《Optics Express》等期刊上。
相关工作进展
微小带电体静电荷数与光力诱导透明效应的变化关系
--- Phys Rev A Vol. 86 053806 (2012)
双振子光力诱导透明系统（左）及双模光力诱导透明随库仑力变化（右）
--- Phys Rev A 90 043825 (2014)
基于噪声的温度测量 --- Phys Rev A 91 063827 (2015)
