基于超冷囚禁离子核自旋的多体量子关联的实验实现

Quantum precision measurement is an important part in quantum information science, whose technology is of widely practical perspective. Quantum correlation characteristic is the core in realizing practical techniques of quantum precision measurement. However, quantum precision measurement based on multi-particles has not yet achieved due to difficulties in preparing multipartite entanglement. Ultracold ions confined by electromagnetic field can maintain quantum characteristic to the best and 14 ions has been in entanglement. But due to sensitivity to decoherence, there has been no research for multipartite entanglement. The project is to explore quantum precision measurement from few-body to many-body systems based on the nuclear spins of 43Ca+ ions, which can not only avoid nano-techniques in making ion chips and fast moving the ions, but also suppress decoherence the most. The short-term task of the project is to achieve entanglement under week magnetic field, study quantum correlation and develop new approaches for quantum precision measurement; The long-term task is to demonstrate multipartite entanglement under strong magnetic field and achieve ultra-precision measurement by breaking down standard quantum limit.

量子精密测量是量子信息学的重要组成部分，其相关技术有着广泛的应用前景。量子关联特性是实现实用化量子精密测量技术的核心。然而人们至今仍无法基于多粒子关联实施量子精密测量，这是由于多粒子系统中存在多体纠缠态的制备困难和退相干效应等尚未解决的问题。被电磁场束缚在特定孤立空间中的超冷离子能最大限度地被保持量子特性,已经能够实现最多14个离子的纠缠;但由于量子关联对退相干的敏感，尚无对多离子精密测量的实验研究。本项目拟利用43Ca+离子的核自旋探索从少体关联到多体关联的量子精密测量。这样既可以避免离子芯片的微纳加工技术和快速控制离子空间位置的苛刻要求，又能极大地抑制退相干的影响。本项目的近期目标是在弱磁场下实现纠缠，研究量子关联效应，在少体层面充分认清如何将充分的量子资源利用于精密测量，发展量子精密测量的新方法；中长期目标为在强磁场下展现离子的多体纠缠，实现突破标准量子极限的精密测量。

量子精密测量是量子信息学的重要组成部分，其相关技术有着广泛的应用前景。量子关联特性是实现实用化量子精密测量技术的核心。申请人的团队经过过去五年的努力，已经完成了申请该项目时承诺的弱磁场下工作，主要研究成果包括：实现了43Ca+离子的边带冷却，扫出了所有的跃迁谱线；分别实现了40Ca+和43Ca+离子的量子态制备，并基于这些量子态完成了一系列量子精密测量的工作；分别实现了二个和四个Ca+离子的纠缠，其中二个Ca+离子的纠缠保真度在96%，四个Ca+离子的纠缠保真度在72%；项目组完成的两项量子热力学实验工作分别获得美国物理学会的专文评述；项目组完成了基于非循环非绝热的几何量子逻辑门实验，高精度地演示了这种普适的量子逻辑门同时具备的容错和快捷的优良特性；项目组成功探测到由交变电场微弱变化导致的力，指标处于国际先进水平。项目组申请发明专利 6 项，获得发明专利授权3 项。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。