物电学院“量子调控工程与材料重点实验室”在国际顶尖期刊《Nature Communications》上发表实验研究论文

来源: news.scnu.edu.cn

近日，“广东省量子调控工程与材料重点实验室”冷原子物理研究组，在基于冷原子的量子调控领域取得重要实验进展：在国际上首次实验实现了受激拉曼绝热转移的加速，在保持鲁棒性的前提下将受激拉曼绝热操控时间增快了6倍，逼近量子极限，为实现任意量子态的高效、快速、可寻址的操控奠定了基础。实验成果以《Experimental realization of stimulated Raman shortcut-to-adiabatic passage with cold atoms》为题，发表于国际顶尖期刊《Nature Communications》 （《自然·通信》 IF: 11.329）[Nature Commun. 7, 12479 (2016) DOI:10.1038 /NCOMMS12479]。该论文以华南师范大学为第一署名单位，我校年轻教师杜炎雄博士为第一作者，我校朱诗亮教授、颜辉教授以及上海大学陈玺教授为论文共同通讯作者。

量子计算与量子模拟在算法加速以及凝聚态物理研究等方面具有巨大的应用潜力，是国际物理学热点研究之一，也是国家“十三五”规划中的重点领域。该领域的核心目标之一是对量子态进行高保真度的操控。对众多量子体系，常用的一种操控手段则是基于激光与三能级原子相互作用的拉曼过程。拉曼过程可以划分为拉比振荡和绝热演化两大类。基于拉比振荡的拉曼过程具有操作速度快的优点，但对系统参数极其敏感；基于绝热演化的拉曼过程具有很强的鲁棒性，但是操作速度很慢。为了克服以上问题，科学家尝试把量子绝热捷径的概念引入到拉曼过程中。该方案通过施加一个辅助微波场抵消演化过程中的非绝热效应，原则上，系统在任意时间内仍沿着驱动前的哈密顿量的本征态演化。从而，可以实现操作快，鲁棒性好的量子操控。然而，该方案在实际应用过程中会受到微波与拉曼光之间相位差不稳定的影响，导致操作失真。另外，引入微波会使得原来拉曼光寻址操作的优势丧失。

  针对以上问题，我校冷原子研究团队和上海大学陈玺教授合作提出了受激拉曼绝热捷径的新方案。该方案巧妙地采用修正绝热波形的手段代替辅助微波，从而可以避免微波带来的一系列问题。随后，研究团队在我校冷原子实验平台中完成了实验验证（实验装置如图1所示）。这是国际上首次实验实现了三能级系统的绝热捷径过程。实验结果证实了受激拉曼绝热捷径可以实现效率高达99%的量子态传输，并对幅度偏移、相对延时、单光子失谐等系统参数有很强的鲁棒性。由于受激拉曼绝热转移在物理、化学领域都有重要应用，该研究发展的新方法期望有广泛的应用前景。

杜炎雄博士是我校土生土长的青年学者，本科就读于我校物理与电信工程学院2006级理科综合班，此后以优异成绩保研，硕博连读， 师从朱诗亮教授和颜辉教授，于2015年博士毕业并留校任教。杜炎雄博士从大三就进入课题组开展量子信息领域的研究，之前已经在物理学国际权威期刊Physical Review A发表论文6篇。杜炎雄在研究生期间跟随导师搭建了冷原子实验平台，此项重要成果是在经过多年不懈努力搭建成功的实验平台中取得的。

该项研究成果是广东省量子调控工程与材料重点实验室建设以来取得的标志性成果之一。该重点实验室于2013年获批建设以来，除获得国家自然科学奖二等奖等奖项外，目前已在国际顶级期刊发表高水平论文多篇，包括3篇《Nature Communications》和1篇《Phys. Rev. Lett.》。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、教育厅创新强校基金、华师青年教师基金和教育部创新团队等项目的资助。