拓扑量子纠错的实验演示及锂钾玻色费米双超流系统的实验实现

摘要

本文主要阐述了两个方面的工作。第一部分主要研究了多光子纠缠系统中实现拓扑量子纠错。纠缠是量子计算的核心资源。在所有的系统中，线性光学系统由于其操纵简单，环境耦合小，退相干时间长等优点一直受到研究者的青睐。由于量子系统不可避免的和环境耦合，退相干效应使得量子比特的制备和操作产生错误。所以量子计算方案需要考虑容错性。拓扑量子纠错利用了簇态的拓扑性质，只需要最近邻相互作用的纠缠粒子，就可以达到约为1％的容错阈值，比之前的工作提高了三个数量级。而簇态是一种具有高纠缠度的多体量子态，能够作为通用资源实现单向量子计算。我们在发展了高亮度八光子纠缠源的基础之上，制备了具有拓扑性质的簇态，实验上成功演示了拓扑量子纠错。我们制备的八光子拓扑簇态的纠缠目击测量期望值为-0.105±0.023，超过了经典极限4.5倍标准偏差。利用八光子簇态，我们实验演示了拓扑量子纠错可以完全纠正一个单比特错误，而且在所有比特有等概率出现错误的情况下，能够有效的降低错误概率。我们的工作为实现大规模的容错量子计算翻开了新的篇章。
　　本文的第二部分主要讲述了玻色费米超冷原子混合气体的实验装置搭建工作。该套装置可以将41K-6Li的混合稀薄气体冷却至量子简并。冷却的过程包括塞曼冷却器，二维磁光阱，三维磁光阱，UV磁光阱，灰色光学黏团，光泵浦，磁传输，光塞磁阱中的蒸发冷却和光阱中的蒸发冷却，运用了大部分已知的最先进的冷却技术。在光塞磁阱中，我们能够获得1.4×105个41K原子，温度为72.4％Tc;和5.5×105个6Li原子，温度为25％TF。在光阱中，我们取得了更好的蒸发冷却效果，最终获得了1.8×105个41K原子，基本没有热原子成分;和1.5×106个两自旋态混合的6Li原子，温度为7％TF，世界上首次实现了异核玻色费米双超流。基于此，我们将玻色费米双超流转动起来，并且观察到了玻色费米相互耦合的量子化涡旋阵列。我们还观测了涡旋的产生和演化，发现了很多不寻常的现象。这些结果会为相关的理论工作提供实验的支持，无疑会促进相关理论的发展。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 线性光学量子计算

1．2 超冷原子量子模拟

1．3 超流与超导

1．4 文章结构

第二章 多光子纠缠基本理论

2．1 量子比特

2．2 量子比特的制备和操纵

2．3 量子纠缠

2．4 纠缠光子对的制备

2．5 纠缠焊接

第三章 拓扑量子纠错

3．1 背景介绍

3．1．1 簇态量子计算

3．1．2 拓扑簇态量子计算

3．1．3 拓扑纠错方案

3．1．4 简化的拓扑簇态

3．2 实验实现

3．2．1 八光子拓扑簇态的制备

3．2．2 拓扑纠错的实验演示

3．3 总结

第四章 冷原子基本理论

4．1 玻色子和费米子基本性质

4．1．1 半经典原子分布

4．1．2 玻色爱因斯坦凝聚

4．1．3 费米简并气

4．2 Feshbach共振和BEC-BCS渡跃

第五章 超冷原子实验装置介绍

5．1 空调和净化系统

5．2 真空装置

5．2．1 设计思路

5．2．2 真空器件

5．2．3 清洗烘烤和组装

5．3 激光伺服系统

5．3．1 饱和吸收光谱

5．3．2 激光锁频系统

5．3．3 Fabry-Perot腔

5．3．4 光路结构

5．4 原子成像系统

5．4．1 原理介绍

5．4．2 高场成像

5．4．3 成像系统设计和搭建

5．5 水冷系统

5．6 射频微波系统

5．7 时序控制系统

5．7．1 硬件系统

5．7．2 软件系统

第六章 41K-6Li玻色费米混合系统的实验制备

6．1 41K-6Li的减速和抓捕

6．1．1 6Li自旋翻转的塞曼冷却器

6．1．2 41K加强型二维磁光阱

6．1．3 双组份三维磁光阱

6．1．4 压缩磁光阱

6．2 41K-6Li的亚多普勒冷却

6．2．1 锂钾系统中亚多普勒冷却方案

6．2．2 6Li的UV磁光阱的实验实现

6．2．3 41K的Gray Molasses的实验实现

6．3 41K-6Li的大范围磁转移

6．3．1 磁阱的原理

6．3．2 D1线的光泵浦

6．3．3 磁传输系统

6．4 光塞磁阱中蒸发冷却

6．4．1 光塞磁阱蒸发冷却的原理

6．4．2 光塞磁阱蒸发冷却的实现

6．4．3 光塞磁阱蒸发冷却的结果

6．5 光阱中蒸发冷却

6．5．1 光阱

6．5．2 科学腔的线圈设计

6．5．3 光阱中蒸发冷却的实现

6．5．4 光阱中蒸发时序

6．5．5 光阱中的41K和6Li单组分超流

第七章 41K-6Li双超流系统中涡旋态的观测

7．1 研究动机

7．2 量子化的涡旋

7．3 涡旋的结构

7．4 三维谐振阱中的涡旋

7．5 实验设计

7．6 实验结果

7．6．1 双超流的制备

7．6．2 双超流涡旋态的观测

7．7 总结

第八章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果