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    【把论文写在祖国大地上】西安交通大学:打造量子光学排头兵

    发布日期:2020-11-07 00:55 教育教学论文

      量子光学是基于辐射场的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题以及应用的一门学科,现在得到广泛应用的激光技术即源自于此。10月23日,记者来到西安交通大学,采访了在量子光学领域深耕多年的物理学教授、博士生导师李福利。

      李福利的科研领域主要包括介质光学性质的量子调控、原子与量子光场相互作用动力学、量子信息与量子计算等,其研究成果曾获陕西省科学技术奖一等奖、陕西省教学成果奖一等奖、教育部科学技术进步奖二等奖、国家级教学成果奖二等奖、陕西省科学技术进步奖三等奖等多项荣誉。

      “依托西安交通大学物理学院建立的陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室,我们主要从事高维量子态操控与超密编码、高维量子密钥分发、原子系综中高维量子信息存储、单像素光学成像以及光电量子器件等方面的研究,在高维量子态和单光子的产生、调控、存储及测量方面有着深厚的实验和理论基础。”李福利告诉记者。

      最近,他带领科研团队在高维光子量子态操控、高光学厚度冷原子技术与量子信息存储方面取得了重要进展。

      “高维量子体系相较于二维量子体系可编码更多的信息位,在量子信息与量子计算中具有优越性,如信道容量更大、信号安全性更好、抗噪声干扰能力更强等,同时高维量子体系在量子力学基本问题方面也有着更广泛的研究内容。”李福利说。

      据介绍,该研究小组利用光子高维轨道角动量(OAM)量子态以及偏振、路径等多个自由度,实现了在高维空间中光子量子态的操控逻辑门,在单光子水平上量子态的转换率达到93%,通过其组合进而可以实现对于高维量子态的任意幺正变换操作,为实现基于光子高维量子态的量子计算提供了基础。

      “同时,实验室还开展了双光子高维量子态的控制操作研究,并取得了很好的进展。这些工作为量子通信过程中量子态的纠缠制备与变换、纠错以及测量奠定了基础。”李福利说。

      在量子信息存储研究上,李福利表示,冷原子系综具有易操控和相干性好等特性,是进行光与物质相互作用研究的理想媒介。“高光学厚度冷原子技术是提高光与原子相互作用强度的重要技术手段。”李福利介绍,利用该项技术,实验室最近产生了一个长约3cm的“雪茄”型冷原子团,原子团轴向长度约3cm,横截面直径约1.5mm。经测量,87Rb原子D1线跃迁对应的最大光学厚度(OD)在400左右,原子密度达到5x1012cm-3。在此光学厚度下,单光子轨道角动量量子态的存储效率可以到63%左右,存储保线%,这些指标达到了国际先进水平。该系统为量子通信和量子计算中光子存储、延迟、同步和操控提供了理想实验平台。

      为满足国家和陕西省对信息、新能源和空间探测产业的重大战略需求,西安交通大学物理学院承担建设了陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室,专门开展量子信息与量子计算、光电转换量子材料与器件、高精密光学测量中的关键科学和技术问题的研究,为陕西省建立和发展量子信息、新型光伏、先进遥感技术提供坚实的科学与技术基础和人才支撑。

      李福利介绍,量子信息与量子计算研究方向包含人工量子体系的量子信息处理和量子计算等内容,研究团队目前聚集了一批长期从事量子光学领域研究工作的中青年科研骨干。团队近年来主要围绕量子相干调控及其在量子信息和量子计算中的应用研究,承担并完成了包括国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划在内的多项国家级科研项目。

      其中,李福利主持完成的项目“基于腔量子电动力学的量子态制备、操控与量子计算及信息处理”作为代表性研究成果,获得了2015年度陕西省科学技术奖一等奖。

      “量子信息和量子计算可以提供绝对安全的保密通信、巨量信息存储和超高速信息处理。”李福利介绍,该项目围绕实现量子信息和量子计算的关键科学问题,研究了由原子、量子超导电路、金刚石氮空穴色心与微腔构成的分布式量子电动力学系统中纠缠态的制备、量子态的传递、量子逻辑门的实现,以及退相干的物理机制。

      项目研究成果为实现量子纠缠分发、量子隐形传态、分布式量子计算、量子相干性保持提供了重要的理论基础,为人工量子体系在量子计算以及量子通信等方面的应用建立理论基础和基本方法,构建可扩展、可调控的实现量子计算和量子保密通信的物理系统,在国内外产生了重要学术影响,在国际一流物理学刊物上发表论文50余篇,SCI他引704次。

      此外,在光电量子器件研究方向,关于晶体硅太阳电池的研究成果已成功应用于西安黄河光伏科技股份有限公司的晶体硅电池生产线,其生产的太阳电池组件被广泛用于陕西省的光伏电站建设,取得了良好的经济效益和社会效益。

      在成像光谱技术研究方向,西安交通大学的科研团队也取得了一系列成果:建立了多模多维多尺度光信息一体化获取平台和空间、大气、海洋、环境先进遥感平台;在国家863计划及自然科学基金重点项目的资助下,提出了一种高分辨率、高灵敏度的图像、光谱、偏振多维信息一体化获取技术的原理和方法,并自主研发出了国际首台成像、光盘、偏振多维信息一体化获取原理样机,该研究在基于Savart偏光镜强度调制多维信息一体化获取原理研究、装置研制及软件研发方面具有重大创新。目前,实验室正在发展火星全球风场及成分的探测技术。

      “今后,我们将继续围绕国家目标和战略产业,开发新产品、新技术,瞄准学科前沿,不断提高学术水平,引领陕西省量子信息与器件相关的研究方向,促进基础研究水平的提升。”李福利说。


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