发布时间:2013-04-20 22:06 原文链接: 物理所金刚石氮空位色心量子克隆取得进展

  量子计算和量子信息是受到普遍关注的研究前沿。经典信息可以被精确拷贝,但是一个未知的量子态不可以被精确克隆(拷贝),这就是“量子非克隆原理”。它是量子力学和量子信息的一个基本原理,在量子信息的研究中有广泛的应用。建立在量子密钥分发基础上的安全通信是量子信息的重要应用,它的安全性就是建立在量子非克隆原理之上的,因为如果量子态可以被精确克隆,就可以把传送的量子态原封不动地克隆无穷多份,通过测量这些完全一样的量子态我们就能精确知道这个量子态,从而破解量子密钥分发。虽然量子态不可以被精确克隆,但可以近似地克隆它或者一定概率地克隆它,这就是量子克隆机的概念。

  量子克隆一直是量子信息中的重要研究领域,理论和实验方面进展很快。作为一个直接的应用,人们可以用量子克隆机来攻击量子密钥分发,成为测试量子密钥分发安全性的一种手段,从而可以估计出量子密钥分发的容错性。量子密钥分发大都应用所谓的BB84协议,即应用两组基中的四个量子态来作为传输信息的量子态。针对此种BB84态,最优的量子克隆机是所谓的相位量子克隆机。这种量子克隆机可以把所有处于Bloch球面赤道上的态进行克隆,其保真度可以达到最优。相位克隆机要好于普适型的量子克隆机,而后者针对于量子态的任何信息都未知的情况。

  在实现量子信息处理的多个可能系统中,金刚石氮空位色心系统是最有希望的候选者之一。最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)范桁研究员、潘新宇副研究员、博士生常彦春、刘刚钦、刘东奇,通过理论和实验结合,在前期工作基础上【Appl. Phys. Lett.99, 051113(2011)】,应用新发展的多相位微波调控技术,实现了具有主动相位控制的量子相位克隆 【Sci. Rep. 3, 1498 (2013)】。

  由于具备较好的光子收集效率,良好的集成性等优势,实验中他们选择了金刚石纳米颗粒。为了在纳米颗粒相对较短的退相干时间内完成更多的操作,他们在技术上发展了石英片基底的共面波导天线,使微波传输效率大幅度提升。利用自己设计组装的低成本微波相位测量装置,结合电控机械移相器,实现了对微波和量子态相位的精确控制与测量。以此为基础,进行了本次相位完备相干控制的量子克隆实验,整体的相位保真度达到85.1%,十分接近最优化相位克隆理论值85.4%,超过了普通克隆的上限83.3%。量子态相位的全方位精确控制,是未来量子信息与量子计算领域相位控制器件应用的基础。他们在集成性良好的纳米颗粒上,进行室温下高保真度量子操作,显示了量子信息器件小型化、集成化的良好前景。

  相关工作发表在近期出版的Scientific Reports 3, 1498(2013)上。

  此工作得到科技部“973”项目、中国科学院和国家自然科学基金的资助。


图一,实验中采用的金刚石纳米颗粒样品,a为样品的AFM扫描图,b为荧光扫描图。为了在纳米颗粒较短的退相干时间内完成更多操作(c图FID,插图为 Rabi振荡),技术上发展了石英基底的共面波导天线(b插图)。量子克隆的逻辑态被编码到金刚石电子自旋的三个塞曼子能级上(d图为光学探测磁共振谱和对应的能级图)。


图二,a为克隆过程的激光、微波与单光子计数的脉冲码型图,b图为对量子态相位制备与测量过程的检验,c图为克隆输入BB84态的布洛赫球表示,d图上下分别为量子态布居和相位测量过程的图示。


图三,四个不同相位BB84量子态的克隆结果,蓝色线为克隆前量子态的相位,红色线为克隆后相位。插图为三个能级的布居测量结果,理论值分别为25%,50%,25%。


图四,a,b,c,d为四个量子态的密度矩阵的tomography结果,图中非对角元实部虚部采用了对称表示。e图为四个量子态分别的克隆保真度,整体平均值达到85.1%,十分接近优化相位克隆理论值85.4%,超过了普通克隆的上限83.3%。

相关文章

“即插即用”纳米颗粒,靶向多种生物目标

美国加州大学圣迭戈分校工程师开发出一种模块化纳米颗粒,其表面经精心设计,可容纳任何选择的生物分子,从而可定制纳米颗粒以靶向肿瘤、病毒或毒素等不同的生物实体。研究论文30日发表在《自然·纳米技术》上。与......

“即插即用”纳米颗粒可靶向多种生物目标

美国加州大学圣迭戈分校工程师开发出一种模块化纳米颗粒,其表面经精心设计,可容纳任何选择的生物分子,从而可定制纳米颗粒以靶向肿瘤、病毒或毒素等不同的生物实体。研究论文30日发表在《自然·纳米技术》上。这......

中国科大团队在人工神经元突触的量子成像取得重要进展

近日,中国科大郭光灿院士团队孙方稳课题组和国家同步辐射实验室/核科学技术学院邹崇文课题组合作,制备了基于二氧化钒(VO?)相变薄膜的类脑神经元器件,并利用金刚石中氮-空位(NV)色心作为固态自旋量子传......

颠覆认知!Nature子刊:中国科大团队对药物递送屏障的重大发现

从脉管系统到肿瘤的有效纳米治疗运输对于最小化副作用的癌症治疗至关重要。2023年9月14日,中国科学技术大学王育才、江维及新加坡国立大学DavidTaiLeong共同通讯在NatureNanotech......

源自皮肤细胞的纳米颗粒可治肺病

美国俄亥俄州立大学的一项新研究显示,由成人皮肤细胞设计的治疗性纳米载体可抑制小鼠受损肺部的炎症和组织损伤,这意味着人们有望治疗因感染或创伤而严重受损的肺。这是一种局部治疗,可经鼻腔给药并留在肺里。相关......

研究发现氧化锌纳米颗粒可导致味觉感知异常

近日,南方医科大学口腔医院教授邵龙泉团队研究发现舌-脑转运的氧化锌纳米颗粒可导致味觉感知异常。相关研究以封面文章的形式发表于AdvancedHealthcareMaterials。在南方医科大学口腔医......

Nature子刊:量子计算研究中实现随机混态的纠缠相变观测

随机量子态指的是在整个希尔伯特空间中均匀分布的量子态,由于希尔伯特空间的维数随着比特数指数增长,在实验上制备和观测多比特的随机量子态是较为困难。同时,随机态在黑洞物理等领域备受关注。有一些理论工作预测......

不会“冻结”的新型量子态磁体造出

科技日报讯(实习记者张佳欣)一个国际研究小组将一种特殊材料冷却到接近绝对零度后发现,该材料中原子的一个核心性质——它们的排列,并没有像往常那样“冻结”,而是保持在“液体”状态,类似于水无论多冷都不会结......

生物基平台化合物首次成功制备金刚石纳米线

金刚石纳米线是一种一维的金刚石基纳米碳材料,具有与碳纳米管相媲美的强度,但其应用一直受限于产物结构的无序性。近日,北京高压科学研究中心研究人员以生物基平台化合物脱水粘酸(2,5-呋喃二甲酸)作为反应单......

金刚石热沉片的应用领域有哪些?

金刚石,带隙宽、热导率高、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀、抗辐照,优越的性能使其在高功率、高频、高温领域等方面发挥重要作用,可以说,金刚石是目前最有发展前途的半导体材料之一,其经典......