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.

玻色编码量子纠错突破盈亏平衡点

量子计算是一种基于量子力学原理进行信息处理的重要技术。由于充分利用量子力学所特有的相干叠加和纠缠等特性,量子计算机具有远超经典计算机的巨大潜力,在大数据分析、密码破译、机器学习与人工智能等领域具有非常重要的应用前景。

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。

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。

超导动态电感探测器的噪声谱分析

动态电感探测器容易频域集成,作为一种新兴的超导探测器件在(亚)毫米及光学波段的天文探测和阵列成像中得到了初步应用.在单像素层面,动态电感探测器的暗噪声水平是关键指标之一.本文详细介绍了一种适用于动态电感探测器的噪声功率谱分析方法,可以较好地平衡噪声频谱分辨率与方差性能,准确且高效地进行噪声谱分析.利用此方法,研究了两种工艺的超导铝动态电感探测器,发现在铝膜上下两层镀氮化硅膜的样品的频率噪声约为裸铝样品的25%—50%.基于这种双层氮化硅工艺,进一步研究了多种几何设计的集总结构铝动态电感探测器在不同微波功率和温度下的噪声特性,实验结果与典型的二能级系统噪声行为相符.本文的研究为动态电感探测器的噪声谱表征提供了一种标准方法,并为研制低噪声的超导铝动态电感探测器奠定了基础.

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.

从工程与技术的视差之见看中国芯片制造产业的发展

突破中国半导体产业面临的限制与封锁,不仅是一个技术性突破的问题,更关系到这一技术背后的科技产业发展问题,需要关注到该产业的工程与技术之间的内在联系。为此,梳理芯片制造产业的特点与发展规律,总结归纳芯片制造的技术内涵,并从整个芯片制造工序出发,以光刻和刻蚀技术难点为例进行分析,基于哲学维度揭示半导体产业的技术与工程之间的差异和协同关系。研究指出,技术方法与工程方法是一种辩证的关系,既相互区别又互相联系,在芯片产业发展中更是表现出相互依存、相互促进的特征;虽然产业工程和技术探索的内容范畴趋同,然而同一内容的不同方面比重不同,两者在执行过程中有着本质区别,最终也会体现在一系列政策考量;技术追求先进性,而工程更多地去追求适用性,因此在工程创新过程中具体选用哪种技术需考虑文化、法律、生态、伦理等因素。据此,要推动中国芯片产业转型升级,需注重产业相关技术创新和工程实践的统筹发展,推动科研院所和产业界的深度融合。

多能级系统中的动力学解耦

动力学解耦技术能有效地抑制由低频环境噪声导致的退相干过程,因此在量子信息领域获得了广泛的应用.传统的动力学解耦方案通过对简单的二能级体系,如量子比特,施加特定的π脉冲序列来实现解耦效果.随着量子计算研发的深入,对于像超导量子比特这种天然的多能级系统,研究者不再局限于二能级子空间,而是提出和实现了一系列基于多能级体系的量子调控手段和量子算法.目前对于如何抑制这些体系中的退相干尚缺乏深入研究.本文利用较易在实验中实现的紧邻能级间的π脉冲,构建了多种针对多能级系统的动力学解耦序列.结果表明这些序列可以很好地消除准静态噪声的影响.此外,通过计算滤波函数,还分析了这些序列及其拓展方案对于高斯噪声的抑制作用,并结合控制函数对滤波效果给出了物理解释.研究结果对于多能级体系中的相关噪声研究,包括噪声功率谱密度和关联性的刻画以及退相干的抑制等,均具有启发意义.

低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.

实现非常规拓扑量子相的弗洛凯调控方案

如何在人工量子系统中实现和探索各种新奇的拓扑相是量子模拟领域的一大重要课题.作为近期备受关注的强力实验手段之一,弗洛凯调控(Floquet engineering)技术已经在超冷原子、光子、超导比特和石墨烯等系统中得到了广泛应用[1].弗洛凯调控通过时间周期的外在驱动以达到操控系统性质的目的,且时间自由度的引入有可能实现静态系统所没有的量子物态,其中一个典型的例子便是反常弗洛凯拓扑相(anomalous Floquet topological phase)[2].它有别于一般拓扑相的显著特点是传统的体-边对应(bulk-boundary correspondence)不成立了,即边界态数目和弗洛凯体态的拓扑数之间不再直接地一一对应.近几年来很多理论和实验工作都在研究如何在量子系统中实现和表征这类新奇的拓扑相[2~4],但一直缺乏系统性的方案.最近,我们基于能带反转面(band-inversion surface,BIS)这一关键概念[5],提出了一套系统性实现、操控和探测弗洛凯拓扑相的量子调控方案,并预言了不同于传统拓扑分类的非常规弗洛凯拓扑相的存在[6].通过与实验团队合作,我们成功地在超冷原子平台上实验实现了该方案[7].

拓扑绝缘体能带结构的角分辨光电子能谱研究

以拓扑不变量定义和区分的拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命.这些材料的拓扑表面态的鲁棒性、背散射禁戒和特殊的输运行为在自旋电子学、非线性光学、拓扑量子计算等广泛的领域有潜在的应用价值.角分辨光电子能谱(ARPES)既能直接观察k空间,又对表面电子态敏感,因此在拓扑材料的研究中一直处于举足轻重的地位.本文试从材料分类的角度对三维拓扑绝缘体和本征磁性拓扑绝缘体这两类材料的部分ARPES研究作一综述,使读者对这一领域的研究现状有一个基本的概念.

通用人工智能发展与伦理困境浅析

当下人工智能领域发展迅速,尤其在专用人工智能方面取得了重大的技术成果之后,伴随着这一技术的不断创新和积累,人们开始对其有了更多的期待。当今通用人工智能技术仍然处于发展的初级阶段,虽然整体上取得了一些技术进步,如神经网络、小样本学习等,但仍然只是探索通往通用人工智能的可能性进路。由于人工智能的快速发展和自身的特征,我们更需要负责任地前瞻性地探讨通用人工智能发展所带来的伦理问题。其中之一就是,通用人工智能的出现势必会对人类社会的价值伦理体系造成巨大的影响,而人工智能的出现挑战了一直以来的人类中心主义的伦理价值体系。于是,以什么视角去看待通用人工智能将是一个重要问题。