总述：量子计算是计算机科学、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，是指以量子态为信息载体，进行信息并行计算的下一代计算方案。可以为人类提供后摩尔时间的信息处理技术，有望为密码学，催化化学反应，新材料设计等诸多领域的研究提供新的手段，具有巨大的应用潜力和战略意义。我们拟在离子系统和原子系综中开展相关实验研究。主要研究集中在量子化学模拟，即分子合成能量计算、量子多体物理模拟以及拓扑量子计算。同时实验室正加速开展二维离子芯片的开发，为实现大规模量子计算做技术准备。
离子阱量子计算
离子阱是近年来所崛起的一项新型量子技术，通过搭建线性Paul trap离子阱系统可以实现多离子阵列的有效操控。由于囚禁于电场势阱中的离子可以很好的与周围环境热库隔绝开，通过激光冷却技术制备将其制备到基态后，离子的量子态可以长时间保持相干性。此外，囚禁离子体系中可以实现高保真度的量子态制备、操控及探测，因此该体系被普遍认为是实用化量子计算机的候选方案之一。在宏观线性Paul阱体系中，一方面可以利用量子模拟的方式研究量子多体系统非平衡状态动力学演化及规范场的各种奇异现象，实现自旋量子输运的模拟，探索包括黑洞中信息演化过程在内的宇宙学现象。另一方面，建立离子多体相互作用模型，并在之前理论的基础上引入由退泵浦光引入的耗散过程，进而可以对开放性系统的非厄密体系进行描述；更进一步，实现复杂分子合成过程的量子化学计算，可以为化工过程寻找催化剂提供帮助。同时开展量子算法及量子纠错编码的研究，可以为实现容差量子计算提供支撑。
基于中性原子阵列的量子计算与模拟
中性原子光镊阵列具有相互作用可控，相干时间较长，可扩展性好，一致性高等特点被认为是实现量子计算和模拟的实验平台之一。利用空间光相位调制器，可以获得静态的光镊阵列系统，但是其响应速度慢。再结合AOD的快速移动调节，可以对原子阵列进行重新排布，实现无缺陷的原子阵列。同时阵列格点间距可以按需设置，通过计算和优化可以将阵列间距控制在里德堡阻塞的作用范围内，进而可以利用里德堡原子的长程相互作用演示尹辛模型、纠缠门操作等。该系统可以实现不同原子之间的任意连接，单量子位的编辑和中路读出及纠错等，进而实现逻辑编码的量子计算，大大提高算法的性能。
总述：量子精密测量旨在利用量子效应实现超越经典方法的测量精度，并通过量子操控实现对磁场、惯性、重力、时间等物理量的超高精度测量与传感。量子精密测量可被应用于导航定位、航空航天、守时授时和资源勘探等国家重大工程中，已经成为量子科学的一个重要发展方向，成为世界各强国高度关注的一个热点高技术领域。
原子系综自旋压缩
实验室在宏观原子系综中发展了基于闪频技术的量子非破坏性测量方案，应用于自旋压缩态的制备及突破量子极限的磁场探测；在量子非破坏性测量基础上，采用“预测-测量-回溯”的量子测量框架，获得了千亿量级原子数的自旋压缩，实现了对时变磁场的量子增强测量。以上结果可推广到光机械体系、离子体系、固态量子体系的量子态参数估计与量子传感中。通过制备测量诱导的原子自旋压缩态来提高测量信噪比，同时引入压缩态光场，通过光与自旋信息传递，进一步降低原子噪声从而优化原子间纠缠。这两种机制的同时作用，必然会带来新的物理现象。此外，研究中将过去量子态的概念应用到自旋压缩态制备中，结合时刻t之前与之后的信息来完善对t时刻系统状态的了解，从测量结果中获取更多的信息，从而实现更好的自旋压缩态。这代表了量子测量理论的最新的进展并加以应用。
基于亚铁磁性钇铁石榴石(YIG)的集体自旋激发的混合量子系统
该系统的关键核心是微波腔模和自旋波模之间的相干相互作用。自旋波模式激发的量子，即所谓的磁子，也可以与光学光子、声子和超导量子位分别在腔光磁学、腔磁力学和量子磁学领域进行相干相互作用。一方面我们将开展多铁磁晶体的反PT对称性与同步的研究。多颗铁磁晶体在同一微波腔模式下可以实现相互耗散耦合，为反PT对称系统提供了一个平台。通过在每个YIG球的位置引入局域磁场，可以使得不同静磁模式的频率不再相同。此外，当更强的驱动相互作用来实现克尔效应时，可以观察到同步的动态相变。另一方面我们将开展微波光子量子传感器的研究，在腔光力系统中，磁光效应使得静磁模式和光学腔模式之间的耦合成为可能，结合腔电磁学，可以实现光子与微波光子之间的双向转换，进而为实现微波光子传感器提供可能。
自旋压缩的光钟阵列
随着实验技术的发展，时间测量的精度被逐渐提高，由此对人们的日常生活和科学研究带来了非常广泛的应用，例如在导航，大地测量学，相对论测试，搜索暗物质等方面。基本实现原理是首先减低原子蒸汽的随机运动以及背景噪声等的影响。在此基础上利用光晶格，微波晶格，光镊阵列等方式减小光与原子作用过程中的反冲效应。基于这些实验技术可以获得非常精细的原子跃迁谱线。目前最好的实验记录是在锶原子光晶格中获得了10^-19的不确定度。通过在光钟实验系统中引入自旋压缩有望成为不确定度更好的下一代光钟。
相关理论研究
