面向量子计算的囚禁离子反馈冷却研究

Laser cooling is an essential procedure in quantum computing with trapped ions, and research on efficient cooling technology of trapped ions are crucial to phycical realization of quantum computing.The basic idea of quantum feedback control is realizing real-time control of quantum system with classcial feedback control theory, then the quantum system can maintain the expected state by continuous measurement and control.Several theoretical and experimental results on feedback cooling of trapped ions have been achieved rencently, however, there are still some issues remianed to be solved ,e.g., there is only few feedback control mechanism used in current feedback cooling schemes, and pure feedback cooling can not realize ground state cooling of tarpped ions under realistic experimental parameters(such as collection efficiency of scattering photons). We will focus on combining feedback control method with current sub-Doppler cooling scheme to study the possibility of suppressing certain drawback of current ground state cooling scheme of trapped ions by introducing new feedback control mechanism,and to find the possible ways to set up a more effective cooling route by taking advantage of quantum feedback control method.

离子的冷却是进行囚禁离子量子计算必不可少的关键技术，研究并掌握高效的离子冷却技术对于量子计算的物理实现具有重要的理论和现实意义。量子反馈控制的基本思想是利用经典反馈控制理论实现对量子系统的实时调控，通过对量子体系的实时监测和控制使其始终保持在期望的状态上。目前，囚禁离子的反馈冷却研究已有了一些理论和实验成果，但是仍然存在反馈作用机制比较单一，以及单纯反馈冷却无法将离子冷却到运动基态等一些基本问题。本项目的目标是面向囚禁离子量子计算物理实现的实验需求，选择将反馈机制与现有亚Doppler冷却方案紧密结合的研究方式，针对目前反馈冷却方案中存在的问题进行深入的理论研究。探讨通过引入新的反馈作用机制抑制乃至消除现有激光冷却方案中特定缺陷的可行性、方法及条件，寻求利用量子反馈的调节作用构建更为有效的冷却路径的可行性方法，相应成果将进一步促进量子态精密控制和囚禁离子量子计算物理实现的相关研究。

离子冷却是进行囚禁离子量子计算必不可少的关键技术,而量子反馈冷却的基本思想是将反馈控制理论与现有冷却技术相结合从而实现更为有效的冷却过程实时调控,达到更好的效果。.本项目面向囚禁离子量子计算的物理实现，深入研究了离子系统的深度冷却；在此基础上研究了囚禁离子的新型反馈冷却机制，得到了多离子体系中更为有效的反馈冷却路径；并将相应的冷却机制推广到原子体系和纳米机械振子系统。同时根据项目的实际研究进展和课题组的实际研究情况，我们还研究了量子计算模型和量子算法；并且开展了囚禁离子冷却的实验研究。.主要成果有：.（1）基于量子相干性原理的囚禁离子亚Doppler冷却方案研究.研究了量子相干性抑制加热跃迁的机理,可以达到比边带冷却更好的效果;而且发现在保证加热路径相干相消的基础上,不同的冷却路径之间也有可能出现相干相涨效应,这使快速冷却成为可能。根据这一理解,针对囚禁离子体系提出了基于量子相干性原理的暗态冷却方案。.（2） 囚禁离子系统新型反馈冷却方案研究.将激光参数引入到反馈机制中，提出了对驻波相位反馈新型反馈方案。将传统的单离子反馈冷却方案推广到多离子情况，通过对单离子运动的反馈实现多离子的冷却，通过反馈机制的引入，得到了更有效的冷却路径，可以实现比激光冷却更好的冷却效果。.（3）新型离子冷却方案向其他系统的推广.在研究离子深度冷却方案的同时，发现离子冷却动力学的某些特征与其他的系统有一定的相似性，成功的将囚禁离子的相干冷却方法推广到腔中的原子体系和纳米机械振子系统中,讨论和探索了这类量子谐振子系统中反馈冷却的可行性，并得到了有意义的成果。.（4）量子计算模型和量子算法的相关研究.研究了绝热量子计算模型中的绝热条件和哈密顿亮构建的方法；还构建了利用非谐阱中的振动态实现三进制的Shor 算法的量子算法，以及极性分子系统中长程海森堡模型的实现的问题。.（5）囚禁离子冷却实验研究.搭建了囚禁离子量子计算实验平台，实现了离子阱中的多离子的Doppler冷却和单离子的亚Doppler冷却，实现了新型离子光电离方案，研究了离子冷却过程中的量子相变问题，研究了芯片离子阱的设计和优化问题。.以上成果比较全面的讨论了囚禁离子量子计算中所涉及的离子冷却的问题，能够促进离子深度冷却的进一步研究，对于囚禁离子量子计算研究的发展乃至其他物理系统冷却机理的深入研究都有较好的推动作用。