中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所波譜與原子分子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的束縛體系量子信息處理研究組近期與新加坡國(guó)立大學(xué)量子技術(shù)中心、清華大學(xué)交叉信息研究院等開(kāi)展合作，在基于金剛石氮空位中心自旋系綜的量子信息及量子模擬的理論研究方面取得一系列新進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2012年的美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊Physical Review A上。

規(guī)范場(chǎng)的量子模擬是目前凝聚態(tài)物理及冷原子物理等領(lǐng)域的前沿課題之一，這是因?yàn)槿斯ひ?guī)范場(chǎng)的有效模擬有助于理解一系列有趣的物理現(xiàn)象，比如超導(dǎo)渦旋、量子磁阻振蕩、量子霍爾效應(yīng)等。然而，由于具體實(shí)驗(yàn)中的各種極端條件的限制，特別是需要超高外場(chǎng)，在普通的固態(tài)體系中直接觀察到這些與規(guī)范場(chǎng)緊密相關(guān)的物理現(xiàn)象往往是困難重重。

束縛體系量子信息處理研究組在理論上提出了利用金剛石自旋系綜和超導(dǎo)量子電路的復(fù)合固態(tài)體系來(lái)量子模擬規(guī)范場(chǎng)的方案。該理論利用室溫下?lián)碛谐L(zhǎng)相干時(shí)間的金剛石自旋系綜作為量子信息的最好載體，用自旋系綜的集體激發(fā)來(lái)充當(dāng)玻色粒子的角色，然后運(yùn)用與空間位置緊密相關(guān)的微波相位的精確調(diào)制技術(shù)，在光子的動(dòng)量空間里成功模擬出一個(gè)超高的人工磁場(chǎng)（圖1），產(chǎn)生了類(lèi)似于作用在帶電粒子上的洛倫茲力的物理效果，為直接觀察到理論上預(yù)言的超高磁場(chǎng)下的單電子的Hofstadter蝴蝶能譜(圖2)提供一種新的可能途徑。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊Physical Review A 86, 012307 (2012)上，其文章中的圖形被美國(guó)物理學(xué)會(huì)挑選為Physical Review A雜志的2012年月度Kleidoscope的圖片。

基于連續(xù)變量的量子信息處理也是當(dāng)前一個(gè)重要的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題。該研究小組的理論研究顯示，在金剛石自旋系綜和超導(dǎo)量子電路的復(fù)合固態(tài)體系中，只要巧妙設(shè)計(jì)外部驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，并結(jié)合超導(dǎo)量子電路體系的良好操控性和擴(kuò)展性，可以基于操控人工庫(kù)環(huán)境的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的自旋系綜之間的微波光場(chǎng)壓縮態(tài)，這為研究大規(guī)模的連續(xù)變量量子信息處理提供了理論基礎(chǔ)。該研究的相關(guān)工作發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊Physical Review A 85, 022324 (2012)上。

以上研究得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：http://pra.aps.org/abstract/PRA/v86/i1/e012307
　　　       http://pra.aps.org/abstract/PRA/v85/i2/e022324

　  圖1：動(dòng)量空間下的干涉模式圖　

 圖2：不同晶格大小下的基態(tài)能譜圖