一、量子計算與模擬
量子(zi)計算概念提出的20 年來，人們在(zai)理(li)(li)(li)論和(he)實驗(yan)研(yan)究(jiu)上碩(shuo)果累(lei)累(lei)。實驗(yan)研(yan)究(jiu)證實了量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)的可行性(xing)和(he)無比(bi)(bi)的優(you)越性(xing)，更激發了大(da)(da)批(pi)科學(xue)家和(he)技術人員參與這一研(yan)究(jiu)的積極(ji)性(xing)，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)是量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)信(xin)息學(xue)研(yan)究(jiu)領(ling)域的重要(yao)分支之一，其根本目標是建造(zao)基于量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)力學(xue)原(yuan)理(li)(li)(li)，能在(zai)許多復雜計(ji)(ji)算(suan)(suan)問題(ti)上大(da)(da)大(da)(da)超(chao)越經(jing)典(dian)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機性(xing)能的新型計(ji)(ji)算(suan)(suan)機。作(zuo)為(wei)經(jing)典(dian)計(ji)(ji)算(suan)(suan)方式(shi)的繼承和(he)發展，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)能有效處理(li)(li)(li)經(jing)典(dian)計(ji)(ji)算(suan)(suan)科學(xue)中(zhong)的許多具有相當計(ji)(ji)算(suan)(suan)復雜度甚至無法完成的難題(ti)，比(bi)(bi)如(ru)大(da)(da)數(shu)的質(zhi)因數(shu)分解，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)人工智能問題(ti)等。本研(yan)究(jiu)方向(xiang)將主(zhu)要(yao)研(yan)究(jiu)基于自旋的量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)的基本理(li)(li)(li)論問題(ti)和(he)相關(guan)實驗(yan)技術，重點關(guan)注量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)的理(li)(li)(li)論實現(xian)方案和(he)實驗(yan)實現(xian)，并(bing)主(zhu)要(yao)在(zai)核磁共振(zhen)平臺、金(jin)剛石色(se)心(NV-center)平(ping)臺和離子阱平(ping)臺上予(yu)以實現。
除了在計算(suan)問(wen)題上的出色(se)表(biao)現，量(liang)子(zi)計算(suan)機的另(ling)一個重要(yao)用途是它(ta)可以有效模(mo)擬其它(ta)量(liang)子(zi)系統的演化(hua)。1982 年(nian)Feynman 在提出(chu)(chu)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)思想(xiang)的(de)(de)時(shi)候，就設想(xiang)使用量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)模(mo)擬(ni)(ni)其(qi)他系統(tong)，實現這類任(ren)務的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)就叫做量(liang)子(zi)(zi)模(mo)擬(ni)(ni)器。與量(liang)子(zi)(zi)算(suan)(suan)(suan)法往往需要(yao)上千(qian)個量(liang)子(zi)(zi)比特才能展示出(chu)(chu)超越(yue)經典計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)的(de)(de)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)能力不同，量(liang)子(zi)(zi)模(mo)擬(ni)(ni)也許僅需要(yao)數十個量(liang)子(zi)(zi)比特即可達(da)到這一目(mu)標。由(you)于(yu)量(liang)子(zi)(zi)系統(tong)的(de)(de)疊(die)加性，使用經典計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)模(mo)擬(ni)(ni)量(liang)子(zi)(zi)系統(tong)需要(yao)指(zhi)數增加的(de)(de)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)資(zi)源，比如存儲一個包含50 個自旋（1/2）的(de)系統就需要250的內存資源(yuan)，而(er)計算這個系統的演化則需要(yao)操作250×250的(de)矩陣，這是目前(qian)的(de)經典(dian)計(ji)算(suan)機難以做到的(de)。而在量子模(mo)擬器(qi)上，只(zhi)需要調控50 個量子比特（qubit）即(ji)可實現(xian)該系(xi)統的模擬。目前，這一方(fang)向已經吸(xi)引了(le)量(liang)子化(hua)學(xue)、材(cai)料學(xue)、凝聚態物理、量(liang)子多體問(wen)題(ti)等領域研(yan)究者的關(guan)注(zhu)。我們將研(yan)究如何模擬化(hua)學(xue)、拓撲系(xi)統中的量(liang)子體系(xi)，并在量(liang)子模擬器(qi)實驗(yan)平(ping)臺將其予以(yi)實現(xian)，從(cong)來(lai)為將來(lai)在大型量(liang)子模擬器(qi)上解決(jue)重要科學(xue)問(wen)題(ti)奠(dian)定基礎。
二、量子(zi)精密測量
量(liang)子(zi)(zi)精密測量(liang)利用(yong)量(liang)子(zi)(zi)效應實現(xian)傳統經典(dian)手段無法達到(dao)(dao)的(de)超高(gao)精度(du)，或者探(tan)(tan)測到(dao)(dao)經典(dian)手段無法觸及的(de)被測對象。采用(yong)一種原子(zi)(zi)尺(chi)度(du)（~0.1 nm）的(de)單自旋量(liang)子(zi)(zi)探(tan)(tan)針，氮-空(kong)位(wei)中心（NV 色(se)心），人們(men)能(neng)夠在納(na)米尺(chi)度(du)對磁場、電場、溫度(du)、應力等(deng)進(jin)行靈敏(min)測量(liang)，將傳統的(de)磁共振技術(shu)在空(kong)間上推進(jin)到(dao)(dao)納(na)米尺(chi)度(du)，靈敏(min)度(du)上提升到(dao)(dao)單分子(zi)(zi)水平。NV色(se)心的(de)光探(tan)(tan)測磁共振性質非常(chang)穩定，在極(ji)端(duan)溫度(du)、壓強和復雜(za)環境下都能(neng)實現(xian)精密探(tan)(tan)測功(gong)能(neng)，因此研(yan)究對象極(ji)為廣泛。我們(men)的(de)研(yan)究目標是發展(zhan)金剛石NV色(se)心的(de)微觀磁共振技術(shu)，將其應用(yong)于基(ji)礎物理、化學(xue)(xue)、材料(liao)科(ke)學(xue)(xue)、生命(ming)科(ke)學(xue)(xue)等(deng)領域，力圖解決(jue)相關學(xue)(xue)科(ke)的(de)重大基(ji)本(ben)問(wen)題。
三、固體量(liang)子器件
基于金剛石(shi)色心的固態(tai)自旋量子器(qi)件
利(li)用(yong)金剛(gang)石中氮-空位缺陷(簡稱NV色心)獨特(te)(te)的光(guang)(guang)(guang)學與(yu)(yu)自(zi)旋特(te)(te)性，基于金剛(gang)石的量(liang)(liang)子(zi)(zi)技(ji)術(shu)成為(wei)當前物理(li)學的一個研(yan)(yan)究熱點。如(ru)何更為(wei)有效的利(li)用(yong)電子(zi)(zi)自(zi)旋(操控快，與(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)相互(hu)作(zuo)用(yong))、核自(zi)旋(相干時間長(chang))、光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(信息傳輸良好載體(ti)(ti))等各自(zi)的優勢，形成一個強(qiang)大的金剛(gang)石固(gu)(gu)態量(liang)(liang)子(zi)(zi)器(qi)件，是我們重點發(fa)展(zhan)的一個方(fang)向。為(wei)此(ci)，我們將從高品質(zhi)金剛(gang)石生(sheng)長(chang)與(yu)(yu)NV色心制備、多功(gong)能光(guang)(guang)(guang)學實(shi)(shi)驗平臺自(zi)主研(yan)(yan)制、微納加工技(ji)術(shu)、自(zi)旋磁(ci)共振方(fang)法、量(liang)(liang)子(zi)(zi)信息科學等不同途(tu)徑來(lai)進(jin)行研(yan)(yan)究，解決關鍵技(ji)術(shu)科學問題，實(shi)(shi)現實(shi)(shi)用(yong)化的金剛(gang)石固(gu)(gu)體(ti)(ti)量(liang)(liang)子(zi)(zi)器(qi)件。
硅基半導體(ti)量(liang)子器(qi)件(jian)
硅基量子(zi)計算近些年(nian)受到國際范圍內科學及(ji)工(gong)業界的(de)廣泛關注，其(qi)優(you)點包括：1，與傳統(tong)半導體微加工(gong)工(gong)藝想兼容(rong)，將來規模化生(sheng)產的(de)成(cheng)本(ben)較低；2，電(dian)子(zi)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)及(ji)核自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)的(de)弛豫時間(jian)和相(xiang)(xiang)干時間(jian)較其(qi)他(ta)體系長(chang)很多(duo)，這樣就保證了進行多(duo)步計算所(suo)需要的(de)時間(jian)，尤其(qi)是在經(jing)過提純(chun)的(de)硅-28材料中，電(dian)子(zi)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)和核自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)的(de)相(xiang)(xiang)干時間(jian)分別達(da)到0.5s和30s [Nat. Nano. 9, 987(2014)]。
該(gai)(gai)課(ke)題將利用該(gai)(gai)體(ti)系的優(you)勢(shi)，基于(yu)已(yi)開發的硅基單原子光(guang)電高分辨探測的實驗手段[Nature 497, 91(2013)]，進行以下幾個方面的科研工作：
硅基單原子的光電量子調控，及原子間的近(jin)距離耦合(he)（圖1b-d）。
硅基單原子與光(guang)(guang)學微(wei)腔的(de)耦合及利用光(guang)(guang)學微(wei)腔的(de)原子間(jian)遠(yuan)距離耦合（圖1a）。
集成的(de)硅基單原子量子集成電(dian)路。
基于單原子及其(qi)他納米結(jie)構的量(liang)子精(jing)密(mi)測(ce)量(liang)。
圖1 基于單(dan)原子的(de)量子精(jing)密測(ce)量
納米電子學量子器件
氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)材(cai)料具有(you)(you)凝(ning)聚態(tai)物(wu)(wu)理(li)里(li)幾乎所有(you)(you)的(de)物(wu)(wu)理(li)現(xian)(xian)(xian)象(xiang)(xiang)。 隨著最(zui)近(jin)三十年材(cai)料生長技術(shu)的(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)，人們(men)可(ke)以(yi)隨心所欲地組合(he)氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)材(cai)料原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，設(she)計(ji)并(bing)制造出(chu)(chu)其(qi)中很多(duo)新(xin)奇物(wu)(wu)理(li)現(xian)(xian)(xian)象(xiang)(xiang)。 在(zai)金宝搏入口188程光磊研究組，我們(men)利用(yong)納米(mi)尺度的(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)顯微鏡針尖(jian)在(zai)氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)“畫板”上“作畫“而(er)制備(bei)(bei)各種量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)器(qi)件，從而(er)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)出(chu)(chu)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)納米(mi)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)學。其(qi)核(he)心技術(shu)為實(shi)驗(yan)組PI在(zai)美國匹茲(zi)堡(bao)大學Levy實(shi)驗(yan)室發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)起來。這些氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)器(qi)件具有(you)(you)傳統半導體量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)器(qi)件所不具備(bei)(bei)的(de)很多(duo)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)關聯現(xian)(xian)(xian)象(xiang)(xiang)，比如(ru)說納米(mi)線具備(bei)(bei)本(ben)征超導特性，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)點具有(you)(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)基態(tai)，或者電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)波導可(ke)以(yi)彈道輸(shu)運電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)。同時，我們(men)也積極發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)在(zai)毫開兒(er)文(mK)溫度下的(de)一些獨特結(jie)構，電(dian)(dian)(dian)學與磁(ci)學納米(mi)成像(xiang)技術(shu)。我們(men)的(de)長期目標是打造一個通用(yong)氧(yang)(yang)化物(wu)(wu)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)平臺(tai)，用(yong)于研究基礎凝(ning)聚態(tai)物(wu)(wu)理(li)問題，實(shi)現(xian)(xian)(xian)基于Majorana零能模的(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)計(ji)算以(yi)及實(shi)現(xian)(xian)(xian)固體量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)模擬。
更多信(xin)息請參見epsilon.ustc.edu.cn .
四、量子物(wu)理基礎
量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)(li)學和(he)廣義相(xiang)對論(lun)(lun)是(shi)當代物理(li)(li)(li)學的(de)(de)(de)(de)兩大基(ji)石，量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)(li)學的(de)(de)(de)(de)核心特(te)(te)征是(shi)線(xian)性，而廣義相(xiang)對論(lun)(lun)是(shi)非線(xian)性理(li)(li)(li)論(lun)(lun)，所以在(zai)(zai)物理(li)(li)(li)過程中必然(ran)存(cun)在(zai)(zai)這(zhe)樣一個特(te)(te)殊的(de)(de)(de)(de)區間，使得(de)其(qi)中之一不(bu)能(neng)夠用來刻畫。通常在(zai)(zai)微觀(guan)尺(chi)度下，引力(li)(li)效(xiao)應(ying)(ying)變得(de)可以忽略，物質運動規律表現出(chu)(chu)來量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)(li)學特(te)(te)性，而在(zai)(zai)宏(hong)(hong)觀(guan)尺(chi)度，如天體(ti)演化卻又能(neng)用引力(li)(li)里理(li)(li)(li)論(lun)(lun)加以描(miao)述，而為(wei)什么宏(hong)(hong)觀(guan)尺(chi)度下量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)效(xiao)應(ying)(ying)不(bu)再存(cun)在(zai)(zai)，是(shi)目前量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)理(li)(li)(li)論(lun)(lun)最為(wei)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)問題。雖然(ran)很多的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)(li)論(lun)(lun)被提出(chu)(chu)，相(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗結果(guo)尚未出(chu)(chu)現，國際上許(xu)多研究組都(dou)利(li)用不(bu)同的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗系(xi)(xi)統對這(zhe)類宏(hong)(hong)觀(guan)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)效(xiao)應(ying)(ying)開展了研究。我們利(li)用單自旋量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)與納米機械系(xi)(xi)統以及低維(wei)系(xi)(xi)統（如自旋波，拓撲(pu)邊緣態(tai)等）的(de)(de)(de)(de)宏(hong)(hong)觀(guan)元激(ji)發相(xiang)互作(zuo)用作(zuo)為(wei)實(shi)驗系(xi)(xi)統開展宏(hong)(hong)觀(guan)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)效(xiao)應(ying)(ying)研究。其(qi)關鍵是(shi)是(shi)實(shi)現自旋單量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)與宏(hong)(hong)觀(guan)的(de)(de)(de)(de)機械運動態(tai)或低維(wei)系(xi)(xi)統磁性元激(ji)發的(de)(de)(de)(de)強耦合(he)，在(zai)(zai)此基(ji)礎上，通過對單電子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)的(de)(de)(de)(de)精(jing)確操控，間接的(de)(de)(de)(de)實(shi)現宏(hong)(hong)觀(guan)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)的(de)(de)(de)(de)產生和(he)控制。當前研究課題包括：
1，人工(gong)力學實現(xian)拓(tuo)撲(pu)物理過程(cheng)
2，基于電(dian)磁束縛(fu)的新型納米力學(xue)系(xi)統(tong)
3，單自旋與二(er)維磁性系(xi)統的(de)相互作用
五、量子技(ji)術
量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)技(ji)(ji)術是(shi)(shi)(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)與工(gong)程(cheng)學(xue)交叉融合的嶄新領(ling)域(yu)。量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)技(ji)(ji)術的目標是(shi)(shi)(shi)基(ji)(ji)于(yu)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)原理(li)來結合工(gong)程(cheng)學(xue)中的控制論，計算機科(ke)(ke)學(xue)，電子(zi)(zi)(zi)(zi)學(xue)方(fang)法等來實現對量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)系統有(you)效控制。這是(shi)(shi)(shi)人類研(yan)究(jiu)微(wei)觀世界并加以利用的必然訴求，也(ye)是(shi)(shi)(shi)諸多(duo)前(qian)沿科(ke)(ke)學(xue)領(ling)域(yu)的核(he)心要素。開展量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)技(ji)(ji)術的研(yan)究(jiu)一方(fang)面(mian)將有(you)助于(yu)人們在更深層次上認識量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)物理(li)的基(ji)(ji)礎科(ke)(ke)學(xue)問題，極大地拓寬量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)的研(yan)究(jiu)方(fang)向，另一方(fang)面(mian)也(ye)有(you)力(li)推(tui)動基(ji)(ji)于(yu)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)原理(li)的量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)信(xin)息科(ke)(ke)學(xue)、量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)精密(mi)測量(liang)(liang)(liang)等諸多(duo)前(qian)沿學(xue)科(ke)(ke)研(yan)究(jiu)。量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)系統自身特(te)有(you)的量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)相干性(xing)、退(tui)相干效應、測量(liang)(liang)(liang)的塌縮性(xing)等特(te)性(xing)都給量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)技(ji)(ji)術研(yan)究(jiu)帶來了(le)與傳(chuan)統經典技(ji)(ji)術完全不同的巨大的挑戰，同時也(ye)提供了(le)傳(chuan)統技(ji)(ji)術所(suo)無(wu)法企(qi)及(ji)的能力(li)與機遇。
