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微纳尺度稀土掺杂晶体的量子相干性能及其应用研究进展

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物理学报 2023年第12期72卷 27-45页

作者：郭牧城汪福东胡肇高任苗苗孙伟业肖婉婷刘书萍钟满金南方科技大学深圳量子科学与工程研究院深圳518055 深圳国际量子研究院深圳518048 南方科技大学广东省量子科学与工程重点实验室深圳518055

稀土离子掺杂晶体具有稳定的固态物性和出色的能级跃迁相干特性,在量子信息应用研究,尤其是发展量子存储设备方面独具潜力.除了宏观的块状稀土离子单晶,微纳尺度稀土离子晶体在高度集成的杂化量子系统和微型化量子设备方面也具有广泛的... 详细信息

稀土离子掺杂晶体具有稳定的固态物性和出色的能级跃迁相干特性,在量子信息应用研究,尤其是发展量子存储设备方面独具潜力.除了宏观的块状稀土离子单晶,微纳尺度稀土离子晶体在高度集成的杂化量子系统和微型化量子设备方面也具有广泛的应用前景,且其制备难度较低,在体积、形状和组分调控上更具灵活性.因此,开发高性能的微纳尺度稀土离子晶体系统,并对其量子态进行精密探测与操控,已成为量子信息领域的重要研究方向之一.本文结合稀土离子晶体的高分辨和相干光谱学表征技术,综述了近年来微纳尺度稀土离子晶体在材料制备加工、量子相干性能测量、物理机理探索以及量子器件开发等方面的研究进展,对其在量子存储、量子频率转换、量子单光子源以及量子逻辑门等方面取得的最新研究进展进行了总结.最后,对微纳尺度稀土晶体材料及其信息器件研究过程中可能的改进方向和策略进行了讨论.

关键词：量子信息量子器件稀土离子量子调控

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多能级系统中的动力学解耦

物理学报 2023年第10期72卷 86-94页

作者：张治达易康源陈远珍燕飞南方科技大学深圳量子科学与工程研究院深圳518055 国际量子研究院深圳518055 南方科技大学广东省量子科学与工程重点实验室深圳518055 南方科技大学物理系深圳518055

动力学解耦技术能有效地抑制由低频环境噪声导致的退相干过程,因此在量子信息领域获得了广泛的应用.传统的动力学解耦方案通过对简单的二能级体系,如量子比特,施加特定的π脉冲序列来实现解耦效果.随着量子计算研发的深入,对于像超导量... 详细信息

动力学解耦技术能有效地抑制由低频环境噪声导致的退相干过程,因此在量子信息领域获得了广泛的应用.传统的动力学解耦方案通过对简单的二能级体系,如量子比特,施加特定的π脉冲序列来实现解耦效果.随着量子计算研发的深入,对于像超导量子比特这种天然的多能级系统,研究者不再局限于二能级子空间,而是提出和实现了一系列基于多能级体系的量子调控手段和量子算法.目前对于如何抑制这些体系中的退相干尚缺乏深入研究.本文利用较易在实验中实现的紧邻能级间的π脉冲,构建了多种针对多能级系统的动力学解耦序列.结果表明这些序列可以很好地消除准静态噪声的影响.此外,通过计算滤波函数,还分析了这些序列及其拓展方案对于高斯噪声的抑制作用,并结合控制函数对滤波效果给出了物理解释.研究结果对于多能级体系中的相关噪声研究,包括噪声功率谱密度和关联性的刻画以及退相干的抑制等,均具有启发意义.

关键词：多能级系统噪声退相干动力学解耦滤波函数

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4 K大冷量GM型脉冲管制冷机研究

物理学报 2023年

作者：刘旭明潘长钊张宇廖奕郭伟杰俞大鹏南方科技大学量子科学与工程研究院深圳国际量子研究院

液氦温区GM型脉冲管制冷机由于大冷量、低振动、高可靠性等优点，在凝聚态物理、量子计算等前沿领域具有重要应用。调相机构对脉冲管制冷机性能有着重要影响，先前针对GM型脉冲管制冷机调相机构的研究，主要集中在制冷机获取液氦温度后... 详细信息

液氦温区GM型脉冲管制冷机由于大冷量、低振动、高可靠性等优点，在凝聚态物理、量子计算等前沿领域具有重要应用。调相机构对脉冲管制冷机性能有着重要影响，先前针对GM型脉冲管制冷机调相机构的研究，主要集中在制冷机获取液氦温度后单个调相元件对制冷性能的影响方面。本文围绕4 K GM型脉冲管制冷机，首先基于Sage软件设计并构建了气耦合两级结构的整机仿真模型，分析了一、二级小孔和一、二级双向分别对两级制冷温度的影响，研究了制冷机达到液氦温区温度的调节优化过程。在此基础上，搭建了实验系统，实验样机经优化最低温度可达3.1 K，并可在4.2 K提供0.8 W制冷量，是目前国内公开报道的两级气耦合阀分离型GM脉冲管制冷机的最好结果。该研究不仅可以推进4 K制冷平台国产化进程，对相关前沿基础科学研究和重要科学仪器设备的自主研制也都有支撑作用。

关键词：脉冲管制冷 GM循环液氦温区气耦合两级

用离散变量编码的逻辑量子比特打破盈亏平衡点

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物理 2023年第5期52卷 344-347页

作者：倪忠初徐源俞大鹏南方科技大学量子科学与工程研究院深圳518055

量子计算是这个世纪以来量子物理领域的一个重要研究方向。该研究领域的目标是将信息编码到可以相互转换的量子态上并利用其执行一系列逻辑运算操作,通过量子态的相干叠加和纠缠等,在特定问题上实现对经典计算机运算速度的指数级加速。... 详细信息

量子计算是这个世纪以来量子物理领域的一个重要研究方向。该研究领域的目标是将信息编码到可以相互转换的量子态上并利用其执行一系列逻辑运算操作,通过量子态的相干叠加和纠缠等,在特定问题上实现对经典计算机运算速度的指数级加速。但是量子态本身是非常脆弱的,其与环境产生的不可避免的耦合会导致量子比特的相干寿命受到极大影响。

关键词：量子态量子物理量子计算相干叠加逻辑运算盈亏平衡点计算机运算逻辑量子比特

强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展

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物理学报 2019年第22期68卷 175-218页

作者：刘畅刘祥瑞南方科技大学深圳量子科学与工程研究院深圳518055 南方科技大学物理系深圳518055

拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命.从电学属性来说,人们不再仅仅以导电性的强弱(能隙的有无)把材料划分为导体、半导体和绝缘体,而是进一步通过系统的整体拓扑不变量把材料划分为拓扑平庸的和拓扑不平庸的.拓扑... 详细信息

拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命.从电学属性来说,人们不再仅仅以导电性的强弱(能隙的有无)把材料划分为导体、半导体和绝缘体,而是进一步通过系统的整体拓扑不变量把材料划分为拓扑平庸的和拓扑不平庸的.拓扑绝缘体是最早发现的拓扑非平庸系统,以负能隙的体材料和无能隙的拓扑边缘态为标志.强三维拓扑绝缘体拥有连接导带和价带的狄拉克锥拓扑表面态,而引入铁磁性会使拓扑表面态打开一个特殊的磁性能隙.这些新颖的材料在自旋电子学、非线性光学等广泛的领域有潜在的应用价值,更是将来的拓扑量子计算中不可或缺的核心材料.作为应用最广泛的一种直接观察k空间的实验手段和表面物理的重要分析工具,角分辨光电子能谱(ARPES)在拓扑材料的研究中一直处于举足轻重的地位.从拓扑绝缘体的最初发现到现在,利用ARPES研究强三维拓扑绝缘体和磁性拓扑绝缘体的文章已数以千计,不胜枚举.本文试从材料分类的角度对这两类材料的部分ARPES研究作一综述,侧重于描述利用ARPES研究此类材料的一般方法和过程,力求使读者对这一领域的研究现状有一个基本的概念.本文假定读者具有ARPES的基础知识,因此对ARPES的基本原理和系统构成不作讨论.

关键词：拓扑绝缘体磁性拓扑绝缘体角分辨光电子能谱电子能带

低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

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物理学报 2023年第23期72卷 141-177页

作者：罗天麟丁亚飞韦宝杰杜建迎沈翔瀛朱桂妹李保文南方科技大学材料科学与工程系深圳518055 南方科技大学深港微电子学院深圳518055 南方科技大学物理系深圳518055 深圳国际量子研究院深圳518017

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的... 详细信息

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.

关键词：热输运芯片散热非平衡统计物理

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磁场中拓扑物态的量子输运

物理学报 2021年第2期70卷 1-30页

作者：强晓斌卢海舟南方科技大学物理系深圳量子科学与工程研究院深圳518055 深圳市量子科学与工程重点实验室深圳518055

拓扑物态包括拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体.拓扑物态奇异的能带结构以及受拓扑保护的新奇表面态,使其具有了独特的输运性质.拓扑半金属作为物质的一种三维拓扑态具有无能隙的准粒子激发,根据导带和价带的接触类型分为外尔半金... 详细信息

拓扑物态包括拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体.拓扑物态奇异的能带结构以及受拓扑保护的新奇表面态,使其具有了独特的输运性质.拓扑半金属作为物质的一种三维拓扑态具有无能隙的准粒子激发,根据导带和价带的接触类型分为外尔半金属、狄拉克半金属和节线半金属.本文以拓扑半金属为主回顾了在磁场下拓扑物态中量子输运的最新工作,在不同的磁场范围内分别给出了描述拓扑物态输运行为的主要理论.

关键词：拓扑半金属磁阻霍尔效应量子极限

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玻色编码量子纠错研究进展

中国基础科学 2024年第1期26卷 39-47页

作者：倪忠初徐源俞大鹏南方科技大学量子科学与工程研究院深圳518055 深圳国际量子研究院深圳518048

实现量子纠错优势是构建容错量子计算的关键,而基于超导量子电路系统的玻色编码方案是实现这一目标的重要手段。通过介绍量子纠错的基本原理,阐述和分析3种主要的玻色编码量子纠错方案,并概括这一领域的优势与挑战,梳理当前关键的玻色... 详细信息

实现量子纠错优势是构建容错量子计算的关键,而基于超导量子电路系统的玻色编码方案是实现这一目标的重要手段。通过介绍量子纠错的基本原理,阐述和分析3种主要的玻色编码量子纠错方案,并概括这一领域的优势与挑战,梳理当前关键的玻色编码量子控制技术。特别是最近超越盈亏平衡点的量子纠错研究开辟了纠错量子时代,为未来构建通用容错量子计算机奠定了重要的基础。

关键词：量子计算量子纠错玻色编码超导量子电路系统盈亏平衡点

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石墨烯谐振式力学量传感器研究进展

物理学报 2022年第12期71卷 89-105页

作者：万震李成刘宇健宋学锋樊尚春北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 深圳北航新兴产业技术研究院深圳518057 南方科技大学量子科学与工程研究院深圳518055

传统谐振式传感器的谐振敏感元件大多采用金属、石英晶体、硅等材料制成,但随着谐振式传感器朝着小型化、微型化、实用化的趋势发展,不但要求新型谐振子材料可进行微纳加工,还对其灵敏度和精度提出了更高的要求.石墨烯这种新型二维纳米... 详细信息

传统谐振式传感器的谐振敏感元件大多采用金属、石英晶体、硅等材料制成,但随着谐振式传感器朝着小型化、微型化、实用化的趋势发展,不但要求新型谐振子材料可进行微纳加工,还对其灵敏度和精度提出了更高的要求.石墨烯这种新型二维纳米材料,因具有出色的力学、电学、光学、热学特性,在谐振传感领域有着巨大的应用潜力和研究价值,因此基于石墨烯材料的力学量传感器有望在小型化、高性能和环境适应性等多方面超越硅基力学量传感器.本文针对石墨烯谐振式力学量传感器,介绍了石墨烯材料的基本性质、制备与转移方法,阐述了谐振式传感器的工作原理与应用特点,进而分析了关于石墨烯谐振特性优化与谐振器制备的理论与实验研究;在此基础上,重点总结了石墨烯谐振器在压力、加速度、质量等传感器领域的研究进展,梳理了石墨烯谐振式力学量传感器在薄膜转移、结构制备与激振/拾振等方面的技术问题,同时也明确了石墨烯在谐振传感领域的研究价值和发展潜力.

关键词：石墨烯谐振力学量传感器性能分析