噪声环境下保持超冷离子相干性与纠缠的实验研究

Effective control of quantum states under artificial confinement is an efficient way towards exploration of basic rules in microscopic world. The ion trap is one of the most promising candidates in this aspect.The team of the applicant has achieved sideband cooling and generated and detected quantum entanglement in a single ultracold ion. Based on these achievements, the project aims to study experimentally how to suppress noises from the bath by ultracold ions. The main contents include: Achievement of three-dimensional sideband cooling of two ions in a linear Paul trap and precise control and detection of quantum states of the ions; Observation of coherence and entanglement of the ions under the influence from the artificial white noise and quantum noise; Exploration of the physical mechanism and connections between the noise and the decoherence suppression in order to find practical schemes to suppress decoherence. The project aims for exploring quantum foundations based on the platform of ion-trap quantum information, which helps for handling core techniques of more robust quantum states and enhancing experimental capability of quantum information research in China. These work will set up a good foundation for future study of ultra-precision measurement and quantum computation using trapped ions.

人工束缚条件下对量子态的有效操控是人们探索微观世界基本规律的有效途径。离子阱是这方面最有希望的候选装置之一。申请人的团队已经实现了线型离子阱中单个离子的边带冷却、量子纠缠的生成和探测等。拟在此基础上开展利用超冷离子探讨如何抑制来自环境的噪声的实验研究。主要内容包括：在线型离子阱中实现两个离子的三维边带冷却和对离子串的量子态进行精确操控和测量；通过逻辑操作，观测人为设计的白噪声和量子噪声对离子的相干性和纠缠的影响；探索噪声与抑制退相干之间的内在联系和物理机理，找到抑制退相干的实用方案。本项目是基于离子阱量子信息平台开展的量子物理的基础性探索，将帮助我们掌控更具鲁棒性的量子态核心技术，提升我国量子信息研究的实验能力，为精密测量物理和超冷离子量子计算的进一步研发打下良好基础。

人工束缚条件下对量子态的有效操控是人们探索微观世界基本规律的有效途径。离子阱是这方面最有希望的候选装置之一。申请人的团队经过过去四年的努力，已经完成了申请该项目时承诺的工作，主要研究成果包括：完成了离子的三维边带冷却；实验上生成了离子的非经典态，包括离子内态的叠加态以及运动态的Fock态、叠加态和混态，并完成了操纵和测量；通过人为地设计和产生噪声，在单自旋层面上首次高精度地检验了非平衡动力学过程中的一个信息热力学等式；通过产生离子的内态与运动态的纠缠，高精度地检验了量子信息与量子热力学中的一个重要关系式——量子朗道尔原理；推广了联合测量的思想，首次在实验上探索了三个不对易的不变量的海森堡不确定关系；利用自己发展的一套估评离子温度的解析方法，在7-10个离子的冷却和结构相变过程中，第一次在实验上展现了热涨落现象在特殊条件下能够起正面作用；通过精准调控驱动与噪声的关系，发现了微尺度下违反热力学第二定律的奇特现象。另外，还提交了3项发明专利。本项目的实施是基于离子阱量子信息平台开展的量子物理的基础性探索，为提升我国量子信息研究的实验能力，为精密测量物理和超冷离子量子计算的进一步研发打下了良好的基础。