表面等离激元量子信息应用研究进展

近年来表面等离激元得到了越来越多的关注和研究,得益于其能把电磁场束缚在金属-介质界面附近的亚波长尺度范围内.本文回顾了近年来表面等离激元在量子信息领域中的理论和实验研究,包括表面等离激元的基本量子性质、表面等离激元量子回路、在量子尺度下与物质的相互作用及其潜在应用.量子表面等离激元开辟了对表面等离激元基本物理性质研究的新方向,可以应用于高度集成化的量子集成光学回路,同时也可以用来增强光与量子发光体的相互作用.

多量子比特核磁共振体系的实验操控技术

随着量子信息与量子计算科学的发展,量子信息处理器被广泛地用于量子计算、量子模拟、量子度量等方面的研究.为了能在实验上实现这些日益复杂的方案,将量子计算机的潜能转化成现实,需要不断提高可操控的量子体系比特位数,实现更复杂的量子操控.核磁共振自旋体系作为一个优秀的量子实验测试平台,提供了丰富而又精密的量子操控手段.近几年来在此平台上进行了不少的多量子比特实验,发展并积累了一系列的多量子比特实验技术.本文首先阐述了核磁共振体系多量子比特实验中的实验困难,然后结合7量子比特标记赝纯态制备以及其他有关实验,对多比特实验过程中应用到的实验技术进行介绍.最后对核磁共振体系多量子比特实验技术方向的进一步研究进行了总结和展望.

核磁共振中的量子控制

近年来,随着量子信息科学的发展,对由量子力学原理描述的微观世界的主动调控已成为重要的前沿研究领域.为构造实际的量子信息处理器,一个关键的挑战是:如何对处于噪声环境下的量子体系实现一系列高精度的任意操作,以完成目标量子信息处理任务.为此,人们将经典系统控制论的思想方法延伸到量子体系的领域,提出了大量的量子控制方法以及相关的数值技术(如量子优化控制、量子反馈控制等),并取得了丰富的研究成果.核磁共振自旋体系具备成熟的系统理论和操控技术,为量子控制方法的实用性研究提供了优秀的实验测试平台.因此,基于核磁共振的量子控制成为量子控制领域的重要方向.本文简要介绍了量子控制的基本概念和方法;从系统控制论的角度对核磁共振自旋体系的基本原理和重要控制任务做了阐述;介绍了近些年来在该领域发展的相关控制方法及其应用;对基于核磁共振体系的量子控制的进一步的研究做了几点展望.

高功率GaSb基2.6微米InGaAsSb/AlGaAsSbⅠ型量子阱室温工作激光器(英文)

成功制备出2.6μmGaSb基I型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱高功率半导体激光器.利用分子束外延设备(MBE)生长出器件的材料结构.为了得到更好的光学质量,将量子阱的生长温度优化至500℃,并将量子阱的压应变调节为1.3%.制备了脊宽100μm、腔长1.5mm的激光单管器件.在未镀膜下该激光器实现了最大328mW室温连续工作,阈值电流密度为402A/cm^2,在脉冲工作模式下,功率达到700mW.

石墨烯中量子反常霍尔效应研究进展

量子反常霍尔效应是一种存在于二维电子气中,具有无带隙的手性边缘态但体态绝缘的物理现象.不同于强磁场下量子化朗道能级引起的量子霍尔效应,量子反常霍尔效应可通过引入自旋轨道耦合相互作用以及交换场来实现.作者回顾了量子反常霍尔效应的研究进展,评述了石墨烯中的量子反常霍尔效应.通过理论模型预言在石墨烯体系中引入交换场破坏时间反演对称性,通过考虑Rashba自旋-轨道耦合,可在狄拉克点打开一个拓扑非平庸的量子反常霍尔效应体能隙,进一步分析解释其物理根源.讨论了几种实验原型,尝试通过外部操控在石墨烯中实现量子反常霍尔效应.

量子计算与量子模拟中离子阱结构研究进展

离子阱系统是实现量子计算和量子模拟的主要体系之一.世界范围内的各个离子阱研究小组共同推动着离子阱结构的丰富化发展,开发出一系列高性能的三维离子阱、二维离子芯片、以及具有集成器件的离子阱系统.离子阱的结构逐渐向小型化、高通光性和集成化方向发展,并表现出卓越的量子操控能力—对多离子的囚禁能力和精确控制能力越来越高.本综述将总结过去的十几年里离子阱在结构上的演化历程,以及离子阱在量子计算与量子模拟实验研究中的最新进展.通过分析具有代表性的离子阱结构,总结离子阱系统在加工工艺、鲁棒性和多功能性等方面取得的进步,并对基于离子阱系统的可扩展量子计算与模拟作出展望.

基于金刚石NV色心的纳米尺度磁场测量和成像技术

纳米级分辨率的磁场测量和成像是磁学中的一种重要研究手段.金刚石中的单个氮-空位点缺陷电子自旋作为一种量子传感器,具有灵敏度高、原子级别尺寸、可工作在室温等诸多优势,灵敏度可以达到单核自旋级别,空间分辨率达到亚纳米.将这种磁测量技术与扫描成像技术结合,能够实现高灵敏度和高分辨率的磁场成像,定量地重构出杂散场.这种新型的磁成像技术可以给出磁学中多种重要的研究对象如磁畴壁、反铁磁序、磁性斯格明子的结构信息.随着技术的发展,基于氮-空位点缺陷的磁成像技术有望成为磁性材料研究的重要手段.

锑化镓基量子阱2μm大功率激光器

使用固态源MBE系统进行锑化镓基量子阱激光器结构的外延生长，通过优化稳定生长条件，结合标准宽条形激光器制备工艺，获得了在15工作温度下823mW的连续光输出，注入电流0．5A时，峰值波长为1．98μm。在1000Hz，5％占空比的脉冲工作模式下，最大脉冲功率达到1．868W。

天基合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。相比机载、陆基等应用环境,空间没有大气湍流和机械振动,非常适合合成孔径激光雷达应用,而合成孔径激光雷达本身分辨率不随距离变化的优点,也利于空间大尺度距离探测。建立了对非合作目标进行高分辨率成像监测天基合成孔径激光雷达成像模型,对系统中关键参数进行分析,针对地球静止轨道上的目标进行了系统设计,提出系统实现工程化需要进一步突破的关键技术。结合理论分析,设计了缩比模型验证实验,利用转台模拟空间卫星间运动,得到了方位向分辨率1 mm的目标图像,证明了系统分析的合理性和该系统的实用性,对天基合成孔径激光雷达技术的推广具有一定意义。

GaSb衬底上分子束外延生长的低温GaSb薄膜的低缺陷表面（英文）

系统地研究了随着GaSb薄膜生长温度的降低,Sb/Ga(V/III)比的变化对薄膜低缺陷表面质量的影响.为了获得良好表面形貌的GaSb外延层,生长温度与V/III比均需要同时降低.当Sb源裂解温度为900℃时,生长得到低缺陷表面的低温GaS b薄膜的最佳生长条件是生长温度为在再构温度的基础上加60℃且V/III比为7.1.

集体测量估计量子相干性的性能研究

量子相干性作为资源理论提出后,对它的量化和实验测量的研究一直受到大家广泛的关注。目前已有研究证明集体测量可以提高相干性的测量精度,但在具体实验中实验条件对集体测量估计量子相干性的性能影响还尚不清晰。分别数值模拟了在不同探测效率和资源数条件下集体测量估计相干性的误差,并与其他方法进行了比较。分析发现存在一定参数范围使集体测量的方法在探测效率为60%的情况下比探测效率为90%的态层析的方法更优;此外,随着资源数的增多,集体测量的性能几乎不依赖于量子态和相干性的度量方式,误差均以相同尺度在减小。

近场研究表面等离子体在银纳米线上的传输

通过双探针近场光学扫描显微镜在银纳米线上实现近场激发和近场收集表面等离子体,用一个探针在银纳米线的一端近场激发表面等离子体,另一个探针近场探测银纳米线上的表面等离子体强度分布,得到强度分布图.强度分布图显示表面等离子体在银纳米线的一端被有效激发并且有一部分表面等离子体沿着银纳米线和基底的界面传播到了另一端.用有限元法对银纳米线内的传播模式进行数值模拟,结果显示银纳米线内存在两种表面等离子体传播模式,分别为基模和高阶模.沿着银纳米线和基底介质之间传输的基模表面等离子体由于传输环境稳定,散射损耗小,实际传输长度接近模式传输长度,达10μm以上;而高阶模表面等离子体由于部分裸露在空气中受表面缺陷散射的影响,散射损耗大,实际传输长度远小于模式传输长度.研究表明:以能量高度束缚的基模表面等离子体作为载体,不仅可以实现低损耗传输,还可以减小集成器件之间的信号串扰,有效提高信息传输的安全性,在集成光学中具有重要应用.

铷-氙气室原子磁力仪系统磁场测量能力的标定

本文针对微弱磁场精密测量问题,在自主研制的铷-氙气室原子磁力仪系统上,探讨了两种磁场测量的方式,分别实现了对交流磁场与静磁场的测量,并对它们的磁场测量能力进行了实验标定.交流磁场测量原理是基于测量外磁场对87Rb原子极化的影响,实验标定结果为在2100 Hz频率范围内磁场测量的灵敏度约为1.5 pT/√Hz,带宽约为2.8 kHz;静磁场测量原理是基于测量铷-氙气室内超极化129Xe的拉莫进动频率,实验上首先测得超极化129Xe的横向、纵向弛豫时间分别约为20.6和21.5 s,然后通过标定给出静磁场测量精度约为9.4 pT,测量范围超过50μT.相比无自旋交换弛豫原子磁力仪,该磁力仪在同一体系内实现了交流磁场与静磁场的测量,且交流磁场测量具有更大的带宽,静磁场测量可在地磁场下正常工作,将有望应用于地磁测量、基础物理等方面的研究.

50km无特征源的测量设备无关量子密钥分发实验

测量设备无关量子密钥分发协议可以免疫所有测量端的漏洞,极大地推进量子保密通信的实用化进程。美中不足的是,该协议依然对源端有极强的安全性假设。源端设备的非完美性同样会留下多种侧信道,从而威胁系统的实际安全性。针对此问题,提出无特征源测量设备无关量子密钥分发协议。该协议在量子态制备不完美的情况下依然可以提取出安全的密钥,是理论无条件安全性与实际安全性的完美结合。通过三强度诱骗态方法以及自行研制的Sagnac-Asymmetric-Mach-Zehnder编码结构,成功搭建无特征源的测量设备无关量子密钥分发系统,并在长为50.4 km的光纤信道和25 MHz的系统重复频率下达到1.91×10^(-6)的安全密钥分发速率。

全息光刻制备LC-DFB及光栅刻蚀优化（英文）

成功制备出室温激射波长为2μm的Ga Sb基侧向耦合分布反馈量子阱激光器.采用全息曝光及电感耦合等离子体刻蚀技术制备二阶布拉格光栅.优化了光栅制备的刻蚀条件,并获得室温2μm单纵模激射.激光器输出光功率超过5 m W,最大边模抑制比达到24 d B.

基于数值原子轨道基组的第一性原理计算软件ABACUS

随着超级计算机硬件和数值算法迅速发展,使得目前利用密度泛函理论研究上千个原子体系的电子能带和结构等性质变得可行.数值原子轨道基组由于其基组较小和局域等特性,可以很好地与电子结构计算中的线性标度算法等的新算法结合,用来研究较大尺寸的物理体系.本文详细介绍了一款中国科学技术大学量子信息重点实验室自主开发的基于数值原子轨道基组的第一性原理计算软件Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc.大量的测试结果表明:该软件具有很好的准确性和较高的并行效率,可以用于包含1000个原子左右的系统的电子结构和原子结构的研究以及分子动力学模拟计算.

面向多自由度自由空间通信的部分相干厄米高斯光束极化保持特性（英文）

研究了部分相干厄密高斯光束沿不同湍流路径的偏振保持.发现相干长度越大,光束阶数m,n越大,偏振随距离改变越小.当天顶角ξ<π/4,在斜程下行路径中极化的演化与无湍流空间一致.长距离通信时,在水平路径中极化的演化与无湍流空间、斜程路径中差异较大.该结论可更有效的选择传输路径,对多自由度空间通信实现具有指导意义.

三聚氰胺与蜜勒胺在Au(111)表面的自组装和氢键识别(英文)

三聚氰胺和蜜勒胺(即三聚氰胺的三聚体)均为合成石墨型氮化碳(g-C_3N_4)的前驱体分子,具有与不同相g-C_3N_4的结构基元类似的骨架结构。本文利用低温扫描隧道显微镜(STM)对比研究了三聚氰胺与蜜勒胺在Au(111)表面上的自组装结构,并对两种分子可能形成的氢键类型进行识别。研究发现,三聚氰胺在表面上仅有一种氢键方式,形成两种组装结构;而蜜勒胺却可以形成三种类型的氢键,并组装成六种有序结构,而且不同类型的氢键在表面的比例随着分子在表面覆盖度的变化而变化。特别的,有些氢键类型之间可以在探针作用下发生转变。这些研究结果将为利用氢键构建和调控表面功能性纳米结构提供新方法,同时也为研究g-C_3N_4的表面原位合成及相关理化性质打下基础。

基于金刚石氮-空位色心的精密磁测量

磁是一种重要的物理现象,对其进行精密测量推动了许多科技领域的发展.各类测磁技术,包括霍尔传感器、超导量子干涉仪、自旋磁共振等,都致力于提升空间分辨率和灵敏度.近年来,金刚石中的氮-空位色心广受关注.这一固态单自旋体系具有许多优点,例如易于初始化和读出、可操控、具有较长相干时间等,这使得它不仅在量子信息、量子计算等领域崭露头角,而且在量子精密测量上显现出巨大的应用前景.基于氮-空位色心,利用动力学解耦、关联谱等技术,已实现若干高灵敏度、高分辨率的微观磁共振实验,其中包括纳米尺度乃至单分子、单自旋的核磁共振和电子顺磁共振.氮-空位色心也可以用于微波和射频信号的精密测量.本文对围绕上述主题开展的一系列研究工作进行综述.

基于金刚石固态单自旋的纳米尺度零场探测

在单分子层面对物质的特性进行表征在当今科学发展中有着重要意义,例如生物、化学、材料科学等.通用纳米尺度传感器的到来有望实现物质科学的一个长远目标—室温大气环境下的单分子结构解析.近些年来,金刚石中氮-空位(NV)色心作为一种固态自旋逐渐发展成兼具高空间分辨率和高探测灵敏度的纳米尺度传感器.由于其无损、非侵入的特性,在单分子测量方面具有非常出色的表现.到目前为止,NV传感器已经实现了对磁场、电场、温度等诸多物理量的高灵敏度探测,是一种潜在的多元化量子传感器.结合多角度的交叉测量,有助于提升对新物质、新材料、新现象的认识与理解.本文从NV传感器的微观结构出发,简要介绍了在零场这一特殊磁场条件下的几篇探测工作,包括零场的顺磁共振探测和电场探测.