微纳尺度稀土掺杂晶体的量子相干性能及其应用研究进展

稀土离子掺杂晶体具有稳定的固态物性和出色的能级跃迁相干特性,在量子信息应用研究,尤其是发展量子存储设备方面独具潜力.除了宏观的块状稀土离子单晶,微纳尺度稀土离子晶体在高度集成的杂化量子系统和微型化量子设备方面也具有广泛的应用前景,且其制备难度较低,在体积、形状和组分调控上更具灵活性.因此,开发高性能的微纳尺度稀土离子晶体系统,并对其量子态进行精密探测与操控,已成为量子信息领域的重要研究方向之一.本文结合稀土离子晶体的高分辨和相干光谱学表征技术,综述了近年来微纳尺度稀土离子晶体在材料制备加工、量子相干性能测量、物理机理探索以及量子器件开发等方面的研究进展,对其在量子存储、量子频率转换、量子单光子源以及量子逻辑门等方面取得的最新研究进展进行了总结.最后,对微纳尺度稀土晶体材料及其信息器件研究过程中可能的改进方向和策略进行了讨论.

量子计算研究现状与未来发展

量子计算乃至更为广泛的量子信息,是基于量子力学原理发展出来的概念与技术体系,涉及信息的本质及其处理。量子计算利用量子叠加、量子纠缠等资源进行信息编码和处理,已被证明在若干问题上具有相对于经典计算的极大优势,在实用化后将对信息及相关科技产生深远影响。本文概要回顾了量子计算的发展历史,如量子计算思想与概念的形成、重要理论及算法的发展以及应用情况;梳理总结了代表性的量子计算技术路线及其发展态势,如超导量子计算、分布式超导量子计算、光量子计算、囚禁离子量子计算、硅基量子计算及若干其他体系。着眼不同技术路线面临的共性问题,对我国量子计算领域未来发展提出建议:注重战略规划和布局,培养高水平研究团队,加强基础研究、核心技术、关键设备的自主研发。

集成光量子计算的研究进展

基于量子力学的叠加和纠缠等性质,量子计算具备超越经典计算机的强大计算能力.光子作为一种高效信息载体,具有传输速度快、操控性高及相干时间长的优点,是实现量子计算的一个理想物理平台.集成光量子技术,使得我们在微型结构上便能够稳定地实现光量子态的产生、处理和探测.近年来,随着新兴的集成光量子技术的快速发展,集成光量子计算的实验复杂度和规模在不断提高,并成功模拟和解决了复杂的物理和计算问题.为此,本综述总结了近年来集成光量子计算的技术进展,包括各类集成光量子实验平台,并讨论了基于集成光量子平台实现的量子行走实验范例.最后,我们亦简述了基于光量子行走而实现的量子算法和量子模拟的方案.

玻色编码量子纠错研究进展

实现量子纠错优势是构建容错量子计算的关键,而基于超导量子电路系统的玻色编码方案是实现这一目标的重要手段。通过介绍量子纠错的基本原理,阐述和分析3种主要的玻色编码量子纠错方案,并概括这一领域的优势与挑战,梳理当前关键的玻色编码量子控制技术。特别是最近超越盈亏平衡点的量子纠错研究开辟了纠错量子时代,为未来构建通用容错量子计算机奠定了重要的基础。

石墨烯谐振式力学量传感器研究进展

传统谐振式传感器的谐振敏感元件大多采用金属、石英晶体、硅等材料制成,但随着谐振式传感器朝着小型化、微型化、实用化的趋势发展,不但要求新型谐振子材料可进行微纳加工,还对其灵敏度和精度提出了更高的要求.石墨烯这种新型二维纳米材料,因具有出色的力学、电学、光学、热学特性,在谐振传感领域有着巨大的应用潜力和研究价值,因此基于石墨烯材料的力学量传感器有望在小型化、高性能和环境适应性等多方面超越硅基力学量传感器.本文针对石墨烯谐振式力学量传感器,介绍了石墨烯材料的基本性质、制备与转移方法,阐述了谐振式传感器的工作原理与应用特点,进而分析了关于石墨烯谐振特性优化与谐振器制备的理论与实验研究;在此基础上,重点总结了石墨烯谐振器在压力、加速度、质量等传感器领域的研究进展,梳理了石墨烯谐振式力学量传感器在薄膜转移、结构制备与激振/拾振等方面的技术问题,同时也明确了石墨烯在谐振传感领域的研究价值和发展潜力.

自旋波电子学研究进展

近年来,传统的半导体工艺遭遇瓶颈,摩尔定律逐渐失效,亟需寻找下一代新型电子元器件。伴随着自旋波电子学的蓬勃发展,电子自旋作为一种信息传输的媒介引起了人们的广泛关注。自旋波是电子自旋的集体进动模式,是磁振子的宏观体现。自旋波电子学旨在利用自旋波的特性实现低功耗的信息器件制备,为下一代电子元器件的发展和应用提供可靠的理论基础和技术路线。自旋波电子学包含十分丰富的物理学知识和现象,自旋波本身可以被限制和引导,也可以被放大。根据激发方式的不同,自旋波也可以产生不同程度的相干性。聚焦于相干自旋波,着重介绍了自旋波电子学近年来的研究进展,包括磁振子晶体、自旋波与电流的相互转换、交换自旋波的激发和探测、基于自旋波的多体系耦合和基于自旋波的逻辑计算器件等,并对自旋波电子学的发展方向做出了展望。

量子云计算平台的现状与发展

量子计算机的运作需要严苛的物理环境,可以预见,量子云平台将成为未来量子计算应用的主要方式之一。本地用户可以通过互联网去连接作为云服务后端的量子处理器,获得量子计算的体验。通过介绍国内外主流量子云平台的进展,梳理了量子云平台的主流架构,并对未来我国量子云平台的发展进行了展望。

4 K大冷量GM型脉冲管制冷机

液氦温区GM型脉冲管制冷机由于具有大冷量、低振动、高可靠性等优点,在凝聚态物理、量子计算等前沿领域具有重要应用.调相机构对脉冲管制冷机性能有重要影响,先前针对GM型脉冲管制冷机调相机构的研究,主要集中在制冷机获取液氦温度后单个调相元件对制冷性能的影响方面.本文围绕4 K GM型脉冲管制冷机,基于Sage软件设计并构建了气耦合两级结构的整机仿真模型,分析了一、二级小孔和一、二级双向分别对两级制冷温度的影响,研究了制冷机达到液氦温区温度的调节优化过程.在此基础上,搭建了实验系统,实验样机经优化最低温度可达3.1 K,并可在4.2 K提供0.8 W制冷量.该研究不仅可以推进4 K制冷平台国产化进程,对相关前沿基础科学研究和重要科学仪器设备的自主研制也有支撑作用.

非线性光学超构材料

在线性光学范畴下,光学超构材料等人工结构材料的出现与发展使得人们在控制光与物质的相互作用方面拥有更多自由度。例如,利用人工设计的功能单元可在亚波长尺度对光的振幅、相位和偏振进行灵活有效的调控,从而实现超透镜、负折射、隐身衣等新奇光学效应。通过调控超构材料中光的几何相位、局域电磁增强等物理机制,可实现光与物质相互作用的显著增强,为实现非线性微纳光学光源及其应用开启了新的大门。围绕近年来光学超构材料在光学频率转换、超快光开关与光调制、以及非线性相位调控等方面的研究进展进行了总结,并对非线性光学超构材料在未来应用中的前景和所面临的挑战进行了展望。

稀释制冷机及其中的热交换问题

在低温物理和量子信息科学等学科的研究中,持续保持稳定的mK级低温是至关重要的.稀释制冷机是用来获得极低温的制冷装置,它利用了超流态^(4)He与其同位素^(3)He的混合溶液在超低温下的相分离效应.热交换器的性能是决定连续循环工作制冷机性能的关键因素.在极低温下,氦与金属之间存在巨大的界面热阻(即卡皮查热阻),利用多孔的烧结金属颗粒来提高接触面积,可以有效地解决热交换问题.因此,研究极低温下金属颗粒与液氦之间的热交换,并以此为指导研制高性能的银粉烧结换热器具有重要的应用价值.

用离散变量编码的逻辑量子比特打破盈亏平衡点

量子计算是这个世纪以来量子物理领域的一个重要研究方向。该研究领域的目标是将信息编码到可以相互转换的量子态上并利用其执行一系列逻辑运算操作,通过量子态的相干叠加和纠缠等,在特定问题上实现对经典计算机运算速度的指数级加速。但是量子态本身是非常脆弱的,其与环境产生的不可避免的耦合会导致量子比特的相干寿命受到极大影响。

非线性光学超构表面

非线性光学超构表面是一类由空间变化的超构功能基元组成的超薄非线性光学器件。通过合理选择超构功能基元的材料组成、空间对称性,人们可以在亚波长尺度上对超构表面上产生的非线性光波的偏振、相位、振幅等自由度进行多维度光场调控。文章介绍了在非线性光学超构表面上实现谐波、四波混频、太赫兹波辐射的设计与原理,并讨论了如何在非线性光学超构表面上实现非线性光的波束调控、全息成像、光学图像加密等功能。