量子调控与量子信息

[size=4][font=黑体]简介：量子调控研究是国家中长期科技发展战略规划的重要内容。近日，中科院物理所纳米物理与器件实验室高鸿钧研究组与谢心澄研究员及英国利物浦大学Werner A. Hofer教授合作在单分子自旋态的量子调控研究中取得新进展[/font][/size]量子调控研究是国家中长期科技发展战略规划的重要内容。近日，中科院物理所纳米物理与器件实验室高鸿钧研究组与谢心澄研究员及英国利物浦大学Werner A. Hofer教授合作在单分子自旋态的量子调控研究中取得新进展。他们发现在酞菁铁分子Kondo效应中由于分子中心铁原子在金属表面的吸附位置不同对Kondo效应产生很大影响。相关研究结果发表在9月7日出版的《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 99, 106402 (2007))上。这是首次报道吸附位置对单分子Kondo效应的调控作用，为单分子自旋态的量子调控及其在量子信息中应用研究提供了新思路。 Kondo效应是指磁性杂质中的局域自旋与自由电子强关联相互作用所引起的一系列低温反常现象。近年来，扫描隧道显微镜技术的迅速发展使人们能够精确地测量单个磁性原子或分子在金属表面上的Kondo效应，而在原子尺度上探索影响Kondo效应的因素是实现单分子自旋态量子调控的关键。 物理所高鸿钧研究组利用低温扫描隧道显微镜及扫描隧道谱，在对吸附在金表面的磁性分子酞菁铁的测量中，发现了Kondo温度高于室温的Kondo效应，并发现分子中心铁原子在金表面的吸附位置对Kondo效应影响很大。他们发现酞菁铁分子在金表面存在两种吸附取向，虽然在分子中心测量的扫描隧道谱显示两种分子取向都存在Kondo效应，但是彼此却存在很大差别。这种差别主要表现在两个方面：根据Fano理论拟合的Kondo温度，以及扫描隧道谱在费米面附近的线型。第一性原理计算及实验测量表明，两种取向的分子的中心铁原子吸附在金表面的不同位置：第一种分子取向，铁原子吸附在金表面两金原子之间的桥位置；第二种分子取向，铁原子吸附在金表面金原子的正上方。他们的理论分析表明，分子中心铁原子在金表面的吸附位置不仅影响到局域自旋与自由电子耦合相互作用的强弱，而且还会影响扫描隧道谱测量中隧穿电子的通道。 近年来，高鸿钧领导的研究组对纳米功能结构材料的调控生长、机制与物性等进行了系列研究(如：Phys. Rev. Lett. 97, 246101 (2006)；97, 156105 (2006)；96, 226101 (2006)；96, 156102 (2006)；Adv. Func. Mater. 17, 770 (2007))。根据该工作观察到的吸附位置对单分子Kondo效应，他们提出了调控单分子自旋量子态的可能途径：1)通过基底上不同位置或不同基底的物理化学性质(如：Phys. Rev. Lett. 97, 156105 (2006))；2)通过调节纳米分子体系中非功能性侧链(如：Phys. Rev. Lett. 96, 226101 (2006))。这对量子调控和量子信息研究具有重要意义。 以上工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部和中国科学院的资助。

中国科技网 讯（记者华凌）据物理学家组织网1月15日（北京时间）报道，耶鲁大学研究人员成功开发出一种新方法，既可以观察量子信息，同时还能保持其完整性，这将给量子力学研究提供更大的控制权，以纠正随机错误，并将极大地提升量子计算机的发展前景。该研究结果发表在最新一期《科学》杂志上。 耶鲁大学应用物理与物理研究教授米歇尔和主要研究者弗雷德里克说：“盯着一个理论公式是一回事，能够真正控制一个量子对象是另一回事。这项实验是量子计算过程中必不可少的一次彩排，可以真正积极地理解量子力学。” 在量子系统中，信息是由量子比特来存储的。量子比特可以假定为“0”或“1”两个状态，这两个状态在同一时刻是叠加的。正确认识、解释和跟踪它们的状态对于量子计算非常必要。但通常情况下，监视量子比特会损害其信息内容。 新开发的这种非破坏性的测量系统可以观察、跟踪和记录一个量子位所有状态的变化，同时保持量子比特的信息价值。研究人员说，原则上，这将允许其监视量子比特的状态，以纠正随机错误。 米歇尔说：“具有与量子比特对话的能力，并且听到它在告诉你什么，这就是关键所在。量子计算机一个主要问题是量子比特存储的信息‘寿命’有限，并持续衰减，所以必须予以纠正。” 弗雷德里克说：“只要你知道过程中发生了什么错误，就可以修正。这些错误基本上是可以撤消的。” 该研究团队现在可以成功地测量一个量子比特，未来面临的挑战是一次测量和控制更多的量子比特。他们正在开发基于此目的的超高速数字电子技术。 总编辑圈点： 薛定谔那只既死又活的猫，生动地诠释了量子世界的奇妙之处：量子时刻处于“0”和“1”两个状态，而你对单个量子状态的任何“窥探”都将改变其状态。科学家的新发现如果确实是针对单个量子比特，那么无疑是量子物理领域的一大突破。它在为更精确的量子计算提供测量基础的同时，也为量子密码领域的研究人员提出新的挑战：依靠量子状态不可测来杜绝量子通信被偷窥的方法，或许要更新了。 《科技日报》2013-1-16（一版）

中国科技网讯 据物理学家组织网8月9日报道，美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家开发出了“另类跑车”——速度可以从零迅速提升到每小时161公里，然后在短短几微秒时间内“刹车”的铍离子。这些离子在骤然停顿时可以保持完全静止，“高速行驶”对它们几乎没有影响。科学家认为，这一点对于研制未来的量子计算机将大有帮助。 这些离子在一个离子阱中的行驶速度比以前所能达到的速度加快了100倍，确切来说，单个离子仅用8秒时间就前进了370微米。这项新实验还证明，研究人员可以对离子阱中离子的快速加速和突然停止进行精确控制，并且不会影响到离子的电子能级，这对于研发量子计算机而言非常重要，因为存储在这些能级中的信息需要被传递出去，而信息内容不能遭到破坏。 量子计算机可以解决很多目前相当棘手的重要问题。携带信息的量子位（或量子比特）需要在处理器中四处移动。用离子充当量子位，信息传递可以通过移动离子来实现。在过去，移动离子所用的时间比通过离子进行逻辑运算的时间要长，而新研究让这一难题迎刃而解。 研究人员在《物理评论快报》上描述了实验过程。他们将被囚禁的离子冷却至最低的量子运动能态，然后分别用一个和两个离子进行实验，让它们在一个多区离子阱中移动几百微米的距离。快速加速激发了离子的振荡运动，这是研究人员不希望的，但他们很好地控制了减速，使离子在停下来时恢复到了它们最初的量子态。 快速现场可编程门阵列（FPGA）技术是成功控制离子加速和刹车的法宝。研究人员对施加到离子阱中各种电极上的电压电平和持续时间进行编程，平稳的电源电压可以让离子快速移动，同时也能防止它们出现振荡。 研究人员认为，随着控制精度的提升，离子的运动速度还可以更快，并且在停止后仍然能够回到最初的量子态。但他们还必须努力应对许多实际的挑战，比如抑制环境中的嘈杂电场给离子运动带来的不必要的热量。（陈丹） 《科技日报》（2012-8-11 二版）