基于冷离子的可调控环境下薛定谔猫态的实验研究

The control of quantum systems not only have important scientific interest but also promises powerful technical applications. Great progerss have been achieved in isolating quantum systems from the environment in the last few decades. One of famous example is creation and manipulation of Schrödinger-cat state in different physical systems. Nevertheless, the dynamic of the quantum system coupling to an environment remains largely unexplored. This project aims to investigate the controllable dynamics of mesoscopic Schrödinger-cat state under the engineerd environment. The main research contents includ：Combine the lasr-cooling method and the quantum states control technology to prepare schrodinger state by entangling the internal and motional state of the ion; Realization of measurement on the Schrödinger-cat state by using the quantum interference between the two coherent state wave packets; Engineer the interaction between the enviroment and the ion to exploring the the controllable dynamics of Schrödinger-cat state under the engineerd environment and the physical mechanism of the decohrence process. The prsent project will not only led to a deeper comprehension of the quantum theory but also help to study the decoherence procese and to provide a reference for the large scale quantum computation and quantum simulation.

对量子体系进行操控不仅有着重要的科学意义而且具有极高的技术应用价值。过去几十年，将量子体系与环境隔离并且进行相干操作取得了巨大的成功，比如在不同的物理体系中实现的薛定谔猫态的制备和操控。但是，对于更普遍的存在环境作用下的量子体系的动力学仍有许多问题尚待深入探索。本项目以线形离子阱系统作为研究平台，具体对介观尺度的薛定谔猫态在可调控环境下的动力学过程进行实验研究。主要研究内容包括：结合激光冷却和量子态操控技术，通过实现离子内态和振态的纠缠来制备介观尺度的薛定谔猫态；通过相干态波包的量子干涉来实现对薛定谔猫态的测量；通过调控环境与离子的相互作用，深入研究薛定谔猫态在可控环境下的动力学过程及退相干机制。本项目的研究不仅有助于深化我们对量子力学基本原理的认识，而且有助于深入理解冷离子体系的退相干机制，并将为实现大规模的囚禁离子量子计算和量子模拟提供参考。

对量子体系进行操控不仅有着重要的科学意义而且具有极高的技术应用价值。过去几十年，将量子体系与环境隔离并且进行相干操作取得了巨大的成功，比如在不同的物理体系中实现的薛定谔猫态的制备和操控。本项目的研究不仅有助于深化我们对量子力学基本原理的认识，而且有助于深入理解冷离子体系的退相干机制。主要研究内容包括：结合激光冷却和量子态操控技术，通过实现离子内态和振动态的纠缠来制备介观尺度的薛定谔猫态；通过相干态波包的量子干涉来实现对薛定谔猫态的测量；通过调控环境与离子的相互作用，深入研究薛定谔猫态在可控环境下的动力学过程及退相干机制。通过三年多的努力，基本完成了项目目标，并且在对可控环境和退相干过程的研究中，延伸出了通过单个囚禁离子对不确定关系和量子热力学的研究。实现了离子内外态的纠缠和薛定谔猫态的制备。实验验证了海森堡误差扰动关系，验证了非平衡动力学过程中的量子信息热力学等式以及Jarzynski等式。