西安交大量子光学团队在量子科学相关研究领域取得系列重要进展

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量子科学作为现代物理学的两大基石之一,引领了上世纪诸如半导体、光通信、核能等革命性技术的发展。以精准操控光子、电子、原子等量子系统为特征的量子科技的迅猛发展,开启了量子科学的“二次革命”。针对具有量子特性器件的研发,将产生一系列冲击传统技术体系的重大颠覆性技术创新,引领新一轮信息技术革命和产业变革方向。量子信息技术已经成为培育未来产业、构建新质生产力、推动高质量发展的重要方向之一。

西安交通大学物理学院量子光学研究团队面向量子信息研究国际前沿,主动对接国家需求,在量子信息科技领域产出了一系列有国际影响力的研究成果,承担了国家重大、重点项目。近日,团队李蓬勃、高宏、张沛教授课题组分别在磁振子-斯格明子混合量子系统、矢量结构光场与物质相互作用、高维量子纠缠等方面研究相继取得重要突破,连续在国际物理顶级期刊《物理评论快报》( Physical Review Letters)发表3篇文章。

提出磁振子-斯格明子二能级系统量子相互作用新机制

李蓬勃教授课题组在基于磁振子-斯格明子量子耦合的混合量子系统研究方面取得重要进展,从理论上提出了磁振子-斯格明子二能级系统量子相互作用的新机制。

不同物理体系之间的相干和耗散相互作用是量子科学和技术的基本问题。这些不同类型的相互作用是基于混合量子系统进行量子信息处理的理论基础。Jaynes-Cummings (JC)模型描述了两能级量子系统和量子化单模场之间的相干相互作用,它是量子体系中光-物质相互作用的经典理论模型,奠定了量子光学的基础。探索基于不同物理自由度相互作用的新量子系统和新理论方法具有重要的科学意义和研究价值。

李蓬勃教授课题组与合作者通过开展磁振子和斯格明子相互作用的全量子理论研究,提出了一种全新的理论模型——利用磁偶极相互作用,可以实现磁振子和斯格明子二能级体系之间的强耦合。当量子化的自旋波(磁振子)被激发时,斯格明子量子比特感受到磁振子的磁场会发生变化,从而能够实现由JC模型描述的磁振子和斯格明子量子比特在单量子水平上的直接相干耦合。为了控制和增强磁振子和斯格明子量子比特的相干耦合,可以利用磁振子克尔效应,通过参量驱动增大磁振子的零点涨落,从而实现指数型的相互作用增强。此外,磁振子-斯格明子混合量子系统对支持磁子模式的磁性材料的几何形状没有具体限制,因此,球形、薄膜或块状磁性材料均可用于构建该混合量子系统。

磁振子-斯格明子混合量子系统耦合机制示意图

基于磁振子和斯格明子构建的全磁混合量子系统可以实现磁振子和斯格明子中量子化的螺旋度自由度之间的直接强耦合,并能够控制和增强该相互作用,具有潜在的应用价值和科学意义。例如,可以实现长程的斯格明子量子比特之间以及斯格明子量子比特与其他量子体系之间的相干耦合,并且利用量子库工程的方法,能够实现斯格明子量子比特之间以及斯格明子量子比特与其他量子体系之间的非互易响应,这为相关量子技术的应用提供了便利。这项工作为研究微磁结构的各种量子效应和量子信息处理提供了一个很有前途的量子平台。

物理学院为该论文的第一完成单位,博士生潘雪峰为论文第一作者,李蓬勃教授为论文唯一通讯作者。参与此工作的还有西安交通大学黑鑫磊博士、李福利教授,日本理化学研究所的Franco Nori教授,以及日本早稻田大学的张溪超助理教授和Masahito Mochizuki教授。

近年来,李蓬勃教授课题组开展了新型混合量子系统的物理机制等基础性研究,提出了基于内禀磁耦合、双声子参量驱动、空间相位调制等方法增强、调制自旋-声子相互作用的新机制,同时基于磁偶极相互作用,提出了单量子水平自旋-磁振子-声子三体耦合、磁振子-斯格明子量子耦合等新方案,为构建强耦合条件下的混合量子系统开辟了新的途径。在物理科学领域代表性期刊Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A、Phys. Rev. B、Phys. Rev. Applied和Phys. Rev. Research等发表一系列重要学术论文。研究工作得到国家级青年人才项目、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持计划、日本科学技术振兴机构科学项目、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

基于冷原子介质实现矢量结构光场不可分离度测量新机制

高宏教授课题组在矢量结构光场与物质相互作用研究方面取得重要进展,在理论与实验上利用冷原子介质实现了矢量结构光场不可分离度测量的新机制,同时建立了矢量结构光场的偏振空间特性与原子态干涉图案之间的直接联系。

量子纠缠是微观粒子之间的一种关联关系,也是量子信息科学的核心。经典光场的不可分离度是可以类比量子纠缠态的重要概念,其表现为同一系统下不同自由度之间的关联特性,例如偏振态与空间模式。矢量结构光场具有空间不均匀的偏振分布,同时也是光子自旋与轨道角动量相互耦合的新型光场模式。不同于单一偏振且无不可分离特性的标量光场,矢量结构光场具有可自由调控的不可分离度。探索矢量结构光场的不可分离度与冷原子介质的映射关系对于光场调控、量子通讯和精密测量等领域具有重要的科学意义和研究价值。

高宏教授课题组与合作者通过开展矢量结构光场与冷原子介质相互作用的理论与实验研究,提出了一种测量矢量结构光场不可分离度的全新方法——利用冷原子介质中的空间电磁诱导透明效应,建立了矢量结构光场不可分离度与冷原子介质吸收特性的直接联系。在外加横向磁场作用下,矢量结构光场与原子能级耦合构造出闭环形式的原子跃迁通道,而正交自旋态所携带的轨道角动量赋予了原子跃迁通道不同的相位差,因此产生了空间分布的相长与相消干涉,改变了冷原子介质对矢量结构光场的吸收特性。结果表明,干涉图案的条纹对比度与矢量结构光场不可分离度存在映射关系,因此可以通过单次吸收图案直接得到矢量结构光场的不可分离度,突破了传统光学方案至少需要四次探测的局限性。此外,本工作还实现了矢量结构光场中的自旋与轨道角动量关联特性到原子空间自旋极化中的转移,这将为包括自旋电子学、量子存储器、计量学和原子时钟等领域提供新的理论和实验手段。

矢量结构光场与冷原子介质相互作用示意图

物理学院为该论文的第一完成单位,西安交通大学物理学院助理教授王金文为论文第一作者兼通讯作者,高宏教授与格拉斯哥大学Sonja Franke-Arnold教授为论文共同通讯作者。参与此工作的还有湖州师范大学陈云博士,英国格拉斯哥大学的Niclas Westerberg博士,以及匈牙利维格纳物理研究中心Thomas W. Clark博士等。

近年来,高宏教授课题组在光与物质相互作用、量子光学和量子信息领域进行了深入的研究,主要包括高光学厚度冷原子的产生,并应用于高效、高维量子信息存储;新型结构光场的产生、传输及检测;原子介质中的量子相干机制与光场作用下的精密测量等。在物理科学领域代表性期刊Phys. Rev. Lett.、Photonics Res.、Phys. Rev. A、Appl. Phys. Lett.以及Opt. Lett.等发表一系列重要学术论文。研究工作得到了国家自然科学基金委、国家留学基金委、中国博士后科学基金、陕西省博士后科学基金以及中央高校基本科研业务费等项目经费的大力支持。

实现高维量子导引不对称结构的判定与观测

张沛教授课题组在高维量子导引的不对称结构研究方面取得重要进展,在理论上揭示了高维量子导引不对称性的复杂性,并利用路径-偏振高维量子纠缠系统实现了对多种不对称导引结构的实验观测。

爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)导引是一类特殊的量子关联性,描述了作用在纠缠粒子对中一个粒子上的局域测量能够非局域地影响另一个粒子状态的能力。与贝尔非定域性和量子纠缠不同,EPR导引从定义上具有独特的非对称性,甚至能够进一步导致单向导引,被认为是单方设备无关量子信息处理的重要资源。高维量子系统中的EPR导引已经在各种光子自由度中得到证明。然而,迄今为止单向导引仅在qubit-qubit或qubit-qutrit系统中得到了实验证明。考虑到高维量子系统中更复杂情况,表征和观测其中的非对称导引特性对于基础量子理论具有重要意义,并在理论和实验上仍具有挑战。

此前,张沛教授课题组基于双光子OAM自由度高维纠缠系统,利用多测量设置方法揭示高维纠缠体系中更高的EPR导引强度,实现从高噪声环境中提取高维导引[Phys. Rev. Lett. 128, 240402 (2022)],并提出了一种高鲁棒性和高准确性的EPR导引维度判定方法,为单方设备无关情况下对共享量子态的维度进行可靠而准确的认证提供了有效途径[Optica 9, 473 (2022)]。基于以上成果,在本工作中研究团队通过发展新的理论判据,通过制备高保真度的路径-偏振高维纠缠态揭示了高维量子系统中更普适的不对称导引结构。

(a)高维单向量子导引新结构 (b)基于路径-偏振自由度高维纠缠系统的实验观测装置

张沛教授团队与合作者在理论上提出了新的概念——真高维单向导引,即在一个导引方向上量子态显示出更高的导引维度,而在另一个方向上则不能。然后,通过发展两种导引维度的新判据,提供了一种方法来度量两个导引方向上导引维度的不对称性。这些不对称导引结构明显区别于对称导引和标准单向导引,例如,从Alice到Bob是三维可导引的,但相反从Bob到Alice是二维可导引的。在实验上,与中国科学技术大学柳必恒教授团队合作,利用光子的路径和偏振自由度产生了双光子三维(qutrit-qutrit)混态实现了这些不对称导引结构的实验观测。该研究工作突出了高维量子系统的复杂性和丰富性,在非对称高维量子信息任务中具有潜在的应用前景。

物理学院为该论文的第一完成单位,西安交通大学20级博士生瞿睿(现新加坡国立大学博士后)和中国科学技术大学博士生张超为论文的共同第一作者,张沛教授和中国科学技术大学柳必恒教授为论文的共同通讯作者。

近年来,张沛教授课题组开展了高维量子纠缠、高维量子通信、量子精密与光场调控等基础研究,主要包括:基于光场轨道角动量自由度的高维量子纠缠态产生,并实现高维量子导引特殊结构的验证;高维量子密钥分发的理论方案与实验验证;新型结构光场的产生、传输及检测等。在物理科学领域顶级期刊Phys. Rev. Lett.、Light-Sci. Appl.、Optica等发表一系列重要学术论文。研究工作得到国家级青年人才计划、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持计划、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

西安交大物理学院量子光学团队面向国家量子科技发展战略需求,凝聚高端人才,建立了高水平量子科学技术研究平台。近年来围绕光量子物理、量子信息与量子计算、量子精密测量中的关键科学技术问题展开深入研究,取得了具有重要影响和显示度的成果。近三年来在Physical Review Letters、Light: Science & Applications等量子物理与量子信息领域国际代表性刊物上发表高水平学术论文200余篇,先后承担包括国家自然科学基金重点项目、国家重大科学研究计划、国家重点研发计划在内的重要科研项目30余项,为国家发展新质生产力、开辟量子技术新赛道提供了交大力量。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.193601

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.193803

文章链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.210202

责编: 爱集微
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