中性原子阵列的协同效应

中性原子阵列的协同效应

自然界中的协同效应产生了一些最引人入胜的现象，无论是在经典领域还是量子领域，协同效应不能仅通过考虑单独的个体来理解，因为这些现象源于它们之间的相互作用。在基础科学层面，对量子领域许多问题的理解和掌握已经构成了巨大的挑战，但人们对于构建、控制和利用复杂的协同平台以发展新兴量子技术的兴趣却在不断增加。

光-原子体系为观察和利用量子协同效应提供了一个理想的实验平台。量子光，无论是多模式的（自然出现在量子电磁真空中）还是单模式的（被限制在光学谐振器的小体积内），都能在原子之间引发强烈的相互作用。协同效应发生在例如自由空间中的高密度条件下，表现为由于光子在物质成分之间连续散射和再散射导致的材料响应的显著改变。由N个原子共同耦合到电磁环境中带来的两个主要方面是偶极-偶极相互作用，一是源于虚光子的交换和集体辐射，二是源于激发态能量损失到无限多的电磁真空模式中。虽然前者被包括为一个相干效应，后者是一个非相干效应，可观察为集体自发辐射率相比单个独立原子的增加（超辐射）或减少（亚辐射）。

自由空间近场偶极-偶极相互作用被用于结构化的亚波长原子阵列中，它们允许表面激发的跃迁。这种阵列是实现强光-物质相互作用和高保真度光子存储能力的理想的平台。此外，这些平台可以允许光子或激发的传播受到保护，以防止由缺陷引起的无序和散射，在一种被称为拓扑量子光学的方法中。与线性拓扑光子系统相比的一个优势是量子发射体的内在非线性，这可能导致丰富的多体物理动力学。已经提出了通过量子自旋透镜单独寻址单个量子比特发射体的方法，并且基于理论结果，提出了一种使用由许多原子阵列组成的复合量子系统的量子网络方法，显示了为两个远距离阵列产生贝尔纠缠叠加量子态。

自由空间亚辐射特性是量子信息处理到计量学等应用的重要资源。这种协同耗散效应已经被广泛研究，特别是在产生具有极长寿命的稳健多粒子量子态的方向上。亚辐射已经在实验中被用来展示近于完美的超薄反射器，具有在纳米光力学、反共振光谱学和非线性量子光学中潜在的应用。

我们的课题组致力于在亚波长尺寸的中性原子阵列中开展各方面的研究，以探索和利用量子合作效应在量子计算、量子模拟和量子信息处理等领域的潜力。

                                           

拓扑光子学

拓扑光子学

在量子信息领域，我们提出了一种实验上可行的鲁棒量子态转移协议。该协议利用非厄米SSH链作为量子网络节点，将量子态编码为飞行比特，并通过手性波导传输至下一个节点，实现完美的量子态转移。这一过程不仅展示了拓扑边缘模式在量子信息传输中的潜力，也为量子网络的构建提供了新的思路。

 

此外，我们对拓扑带结构的普遍性进行了深入探讨。早期研究认为拓扑带结构是周期性介质中波的普遍属性，但后续的光子准晶体、Anderson绝缘体和光子非晶材料等研究表明，周期性介质结构并非拓扑非平凡相存在的必要条件。我们通过不完全SSH模型证明了在特定对称性条件下，非平凡结构单元可以诱导平凡系统转变为拓扑系统，为拓扑非平凡相的产生提供了新的理论基础。

在全球能源危机和化石燃料减少的背景下，传统化学电池正逐渐被更高效的能源存储和转换设备所取代。量子电池（QB）作为一种新兴概念，利用量子效应进行能量存储和释放，展现出更强的充电功率、更大的容量和优越的功提取能力。我们目前的研究是探索开发拓扑量子电池的可能性，这种电池能够实现完美的充放电过程，并有效抑制能量向环境自发耗散。

玻色编码量子计算

玻色编码量子计算

   

凭借量子物理与生俱来的纠缠与叠加特性，量子计算在求解某些问题时展现出超越经典计算的巨大潜力。然而，量子特性易受退相干影响，从而引发计算错误，这也成为量子计算实用化道路上的最大挑战。为了解决这一问题，研究人员提出了量子纠错方案，以实现容错量子计算。量子纠错可以大致分为两类：一种是传统的离散纠错编码，类似于经典的纠错码，通过使用多个物理比特来增加冗余信息。与传统比特仅受比特翻转噪声影响不同，量子比特还面临相位翻转噪声。因此，为了完全纠正量子比特的错误，必须采用二维纠错编码（如表面码）。然而，这类纠错码需要的物理比特数量随纠错规模的增大而呈二次方增长，导致物理比特的开销较高。

为了降低这种开销，研究人员提出了一种新的编码方案，将信息冗余编码到单个量子谐振子的无限多个能级上，显著减少了物理比特的需求。这种编码方案被称为玻色编码，利用玻色量子态作为逻辑比特。常见的玻色编码包括GKP编码、二项式编码和猫态编码等。

                                                    

    图1 (a)猫态编码示意图. (b)双光子驱动KNR的能级结构图

   我的研究聚焦于猫态编码，如图1(a)所示，它将逻辑比特编码为相干态|±α>，根据正交性原理，X轴被编码为猫态。这种编码方式的比特被称为猫态比特。猫态比特在量子纠错中具有显著优势。猫态可以通过双光子驱动Kerr非线性腔(KNR)来实现，其能级结构如图1(b)所示。猫态子空间与高能级之间存在较大的能隙，这为猫态在编码子空间内提供了保护，从而使得猫态在该子空间内保持稳定。因此，我们可以仅在猫态子空间内分析由退相干引起的错误。在猫态比特的子空间内，XY通道的错误被指数级抑制，而Z通道的错误则线性增长，这种错误结构被称为偏置噪声 (biased-noise)，它能够显著降低纠错开销。当猫态的尺寸较大时，可以认为系统仅受到Z通道噪声的影响，因此，在进行后续的量子纠错编码时，只需要使用一维重复码来纠正单通道错误，这大大减少了所需的物理比特数量，具有重要的应用前景。

尽管猫态比特在编码层面上具有显著优势，但要在量子计算中真正发挥作用，仍然需要高效的态制备和量子门控制。目前，猫态比特的制备及关于Rz门的操作多依赖于绝热方法。然而，考虑到真实物理系统的有限时间，这种绝热过程难免带来非绝热错误。此外，绝热近似需要较长的演化时间，这会使系统暴露在退相干环境中，进一步限制了保真度。

为了充分发挥猫态比特的优势，我们开展了相关研究，提出了一个基于transmon辅助的参量驱动Kerr非线性共振腔(KNR)模型。该模型有效克服了绝热演化带来的问题，并在此基础上进行了深入探讨，将猫态比特扩展为猫态qudit，从而实现高维编码。每个qudit可以携带更多的信息，进一步减少了量子计算和量子纠错中物理载体所需的开销，对于实用化容错量子计算具有重要意义。

 

宇宙学背景中的黑洞

宇宙学背景中的黑洞

克尔-纽曼时空作为唯一的渐近平直的、拥有规则的单连通视界的稳态4维黑洞时空对引力的研究十分重要，对其的研究使人们认识到了奇点、事件视界和霍金辐射等的存在。但是，

1）其拥有强宇宙监督假设希望排除的类时奇点（局部裸奇点）及不稳定的柯西视界，这使得人们更愿意相信柯西视界将会成为时空的类光奇点；

2）在弯曲时空量子场论中，以克尔-纽曼时空为背景的物质场的哈特尔-霍金态不仅拥有来自过去事件视界的热辐射，还拥有来自时空过去类光无穷远处的热辐射，这使得来自过去类光无穷远的热辐射的起源成了问题；

3）从克尔-纽曼黑洞到RN黑洞（角动量为0）再到施瓦西黑洞（角动量与电荷为0），时空的因果结构会发生突变，也即时空结构的变化不是连续的。

综合以上三点，黑洞时空的因果结构是否如同克尔-纽曼时空是一个疑问。当将视野投向宇宙学背景下（至少存在能解释宇宙加速膨胀的暗能量与能解释微波背景辐射的电磁场）的黑洞时，我们发现黑洞可能会有不同的因果结构及特点（黑洞的存在显然会破坏各向同性性）：

1）的确存在加速膨胀的空间均匀时空（子时空）；

2）时空的膨胀由背景电磁场解释而膨胀的加速由暗能量解释；

3）黑洞奇点与“大爆炸”奇点的存在发生平衡，以致于时空经历了减速收缩，静态以及加速膨胀三个阶段；

4）时空中只有一类视界（不同与施瓦西-德西特时空，其不存在哈特尔-霍金态）；

5）不同的因果结构使得其没有来自于过去类光无穷远而仅有来自事件视界的热辐射（不同于克尔-纽曼时空）；

6）从带电黑洞过渡到不带电黑洞的时空时，时空结构不存在突变；

7)当黑洞不存在时，时空成为“大爆炸”时空。

另一方面，仍然存在一些问题值得研究：

1）时空中存在类时奇点，显然违背了强宇宙监督假设，类时奇点（或经过量子化后的时空区域）的存在是否合理？

2）电磁场（在某些耦合情况下，以最小耦合为例）的存在与时空各向同性性相违背，电磁场如何与时空或其他物质场耦合能使得时空存在各向同性解（不存在黑洞时）？