量子相干和量子存储研究进展
编者按：
量子相干是量子态的基本特性，也是量子叠加原理的客观体现，保持长时间的量子相干是实现量子计算的基本要求.量子相干的研究由来已久，近来，特别是量子相干度量的提出，以及将量子资源理论引入到量子相干的研究中来，人们对量子相干的研究热情被极大地激活，并产生了大量的新研究结果，使得人们对量子相干的认识进一步加深，明晰了量子相干与量子纠缠之间的关系.为帮助读者了解这方面的最新进展，推动量子相干方面的研究，本专题邀请了中国科学院物理研究所、中国科学院数学与系统科学研究院、清华大学等量子相干方面的理论和实验的专家专门撰写了相关的综述报告，为进入本领域的研究人员提供参考.
广义上来说，量子存储是将一个未知的量子状态（一般是一个量子叠加态）存储到一个量子系统中，当人们需要使用此量子态时，可以高保真度地获得这个量子态.量子存储在远程量子通信、量子中继、量子网络、量子精密测量以及分布式量子计算中都发挥着关键性的作用.实现量子存储功能有很多候选物理系统，目前不同的物理体系在量子存储方面都有各自的优缺点.现阶段，相对比较成熟的量子存储体系主要包括原子系统（包括冷原子和热原子）和固态系统.在这两种物理系统中中国科学家们都做出了重要贡献.为促进本方向的交流合作，并鼓励更多的学者了解和进入这一重要的领域，本专题特别邀请了中国科学技术大学、上海交通大学、清华大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、山西大学等单位的专家撰文介绍了这方面的最新实验进展.
希望通过本专题的这些文章能够对读者了解量子相干和量子存储的基本理论和最新进展提供帮助.
2019, 68 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.68.20181778
摘要 +
自量子力学诞生以来, 相干性和互补性一直是被广泛而深入研究的两个重要课题. 随着量子信息近年来的发展, 人们引入了若干度量来定量地刻画相干性和互补性. 本文建立两个信息守恒关系式, 分别基于“Bures距离-保真度”和“对称-非对称”, 并且利用它们来刻画相干性和互补性. 具体来说, 首先从信息守恒的观点解释Bures距离和保真度的互补关系, 并由此自然推导出Mach-Zehnder 干涉仪中的Englert“干涉-路径”互补关系. 其次在量子态和信道相互作用的一般框架中讨论“对称-非对称”信息守恒关系, 并揭示其与Bohr互补性和量子相干性的内在联系. 最后, 在Mach-Zehnder干涉仪中探讨相干、退相干及互补性, 刻画两个信息守恒关系之间的密切联系.
2019, 68 (3): 030303.
doi: 10.7498/aps.68.20182207
摘要 +
量子存储器是光子与物质系统之间的接口, 允许存入和读出加载了量子信息的光子, 是构建实用化量子网络的核心器件. 基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器, 较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一. 本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展. 主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储. 在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作. 该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础, 其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.
2019, 68 (3): 030304.
doi: 10.7498/aps.68.20181779
摘要 +
量子相干不仅是量子力学中的一个基本概念, 同时也是重要的量子信息处理的物理资源. 随着基于资源理论框架的量子相干度量方案的提出, 量子相干度的量化研究成为近年来人们关注的一个热点问题. 量子相干作为一种物理资源也十分脆弱, 极容易受到环境噪声的影响而产生退相干, 因此开放系统中的量子相干演化和保持也是人们广泛关注的课题. 另外, 量子相干在量子多体系统、量子热动力学、量子生物学等领域也有着潜在的应用价值. 本文介绍量子相干度量的资源理论框架和基于该框架定义的相对熵相干性、l1范数相干性、基于量子纠缠的相干性、基于凸顶结构的相干性和相干鲁棒性等量子相干度量函数, 概述开放系统中量子相干演化的动力学行为、典型信道的量子相干产生和破坏能力以及量子相干的冻结等现象, 同时例举量子相干在Deutsch-Jozsa算法、Grover算法以及量子多体系统相变问题研究等方面的重要应用. 量子相干研究仍处于快速发展之中, 期望本综述能为该领域的发展带来启示.
2019, 68 (3): 030305.
doi: 10.7498/aps.68.20182133
摘要 +
相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系具备在1 mm2的面积上提供成千上万个量子比特的规模化集成的优势, 是进行量子模拟、实现量子计算的有力候选者. 近几年中性单原子体系在实验上取得了快速的发展, 完成了包括50个单原子的确定性装载、二维和三维阵列中单个原子的寻址和操控、量子比特相干时间的延长、基于里德伯态的两比特量子门的实现和原子态的高效读出等, 这些工作极大地推动了该体系在量子模拟和量子计算方面的应用. 本文综述了该体系在量子计算方面的研究进展, 并介绍了我们在其中所做的两个贡献: 一是实现了“魔幻强度光阱”, 克服了光阱中原子退相干的首要因素, 将原子相干时间提高了百倍, 使得相干时间与比特操作时间的比值高达105; 二是利用异核原子共振频率的差异建立了低串扰的异核单原子体系, 并利用里德伯阻塞效应首次实现了异核两原子的量子受控非门和量子纠缠, 将量子计算的实验研究拓展至异核领域. 最后, 分析了中性单原子体系在量子模拟和量子计算方面进一步发展面临的挑战与瓶颈.
2019, 68 (3): 030306.
doi: 10.7498/aps.68.20181729
摘要 +
能够长时间储存量子信息的量子存储设备是实现大规模量子计算和量子通信的基本要素. 与其他量子计算平台相比, 囚禁离子系统的优势之一在于具有很长的相干时间. 此前, 基于囚禁离子的单量子比特相干时间不到1 min. 研究发现, 在囚禁离子系统中, 限制量子比特相干时间的主要因素是运动能级加热和环境噪声, 其中后者包含环境磁场涨落和微波相位噪声. 在同时囚禁171Yb+离子和138Ba+离子的混合囚禁系统中, 通过实施协同冷却和动力学解耦, 可以实现相干时间超过10 min的单离子量子比特. 这一技术有望用于实现量子密码学和搭建混合量子计算平台.
2019, 68 (3): 030307.
doi: 10.7498/aps.68.20190039
摘要 +
量子技术, 比如量子通信、量子计算, 具有经典技术所不具有的优势. 但是, 作为量子技术基本元素的量子态往往极为脆弱, 很容易受到外界环境的影响而丢失, 而且量子态的制造和量子操作往往是概率性的. 这种概率性使得远距离量子通信和大规模的量子计算很难实现, 除非有量子存储器将这些随机产生的量子态缓存并同步起来. 在过去的十几年中, 量子存储在各种各样的存储方案中得到了研究, 而且已经从最初的原理性演示逐步发展到了如今的近乎可实用化. 现如今, 量子存储领域追求的是可实用化, 而判断一个存储器是否可以实用化的基本标准是: 高存储效率、低噪音、长寿命(或者大的时间带宽积)和室温条件下运行. 通过介绍多个具有代表性的存储方案, 本文给出了量子存储领域的研究现状和发展趋势. 其中基于室温原子系综的宽带量子存储因其装置简单、实用性更强而广受关注. 但是由于噪音问题, 直到最近才在实验室中实现可工作在室温环境中的宽带FORD (far off-resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子存储和梯形量子存储. 本文对多种存储方案的工作原理、优缺点进行了介绍, 对FORD方案之所以能够成功进行了分析, 还对量子存储的降噪方法进行了总结.
2019, 68 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.68.20181614
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量子纠缠是一种重要的量子资源, 在多个空间分离的量子存储器间建立确定性的量子纠缠, 然后在用户控制的时刻将所存储的量子纠缠转移到量子信道中进行信息的分发和传送, 这对于实现量子信息网络是至关重要的. 本文介绍了用光学参量放大器制备与铷原子D1吸收线对应的非经典光场, 而且在三个空间分离的原子系综中确定性量子纠缠的产生、存储和转移. 利用电磁感应透明光和原子相互作用的原理, 将制备的多组分光场纠缠态模式映射到三个远距离的原子系综以建立原子自旋波之间的纠缠. 然后, 存储在原子系综中的纠缠态通过三个量子通道, 纠缠态的量子噪声被转移到三束空间分离的正交纠缠光场. 三束释放的光场间纠缠的存在验证了该系统具有保持多组分纠缠的能力. 这个方案实现了三个量子节点间的纠缠, 并且可以直接扩展到具有更多节点的量子网络, 为未来实现大型量子网络通信奠定了基础.
2019, 68 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.68.20182215
摘要 +
量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统, 是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件. 量子存储协议多种多样, 其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注. 然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性. 本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标, 在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后, 重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究, 取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.
