項(xiàng)目名稱(chēng)： 量子開(kāi)系統(tǒng)方法及其在量子信息的應(yīng)用

推薦單位： 中國(guó)科學(xué)院

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 量子物理是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的基石，多次引發(fā)高技術(shù)革命。它與信息科學(xué)結(jié)合，產(chǎn)生了交叉學(xué)科-量子信息，為突破計(jì)算機(jī)芯片的尺度極限提供了全新的解決思路。孫昌璞1987年開(kāi)始對(duì)量子開(kāi)系統(tǒng)理論等量子物理問(wèn)題進(jìn)行了前瞻性、基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性研究，契合了量子信息的發(fā)展， 因而10年后孫昌璞能夠在量子信息物理基礎(chǔ)方面取得創(chuàng)新性的研究成果。

孫昌璞已發(fā)表SCI論文150余篇（《Phys. Rev》文章70余篇，《 Phys. Rev. Lett.》9篇），被引用1600余次（他引1200余次）。他關(guān)于q變形玻色子的工作單篇引用超過(guò)300次（SCI 引用256次），是國(guó)際上這方面三篇開(kāi)創(chuàng)性文章之一，入選斯坦福大學(xué)統(tǒng)計(jì)的《引用最多的數(shù)學(xué)物理論文》（排名第51），獲得美國(guó)ISI《經(jīng)典引文獎(jiǎng)》。1995年，美國(guó)《科學(xué)》專(zhuān)刊評(píng)價(jià)中國(guó)科學(xué)發(fā)展，提及這個(gè)研究。他17年前開(kāi)始的量子絕熱近似和誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)的研究，由于冷原子實(shí)驗(yàn)的新進(jìn)展，2005年后重新引起重視。在此方向上，孫昌璞等提出了通過(guò)誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)的斯特恩-蓋拉赫效應(yīng)分離手征分子的物理方案。英國(guó)《物理世界》頭版報(bào)道并評(píng)論了這個(gè)工作。他2006年關(guān)于量子相變動(dòng)力學(xué)敏感性的工作，由于聯(lián)系了量子測(cè)量、量子混沌和凝聚態(tài)物理等不同物理領(lǐng)域，引起國(guó)際同行的重視。

其主要學(xué)術(shù)成果包含：1. 提出了q變形玻色子概念并給出楊-Baxter方程新型解的量子群構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)其低能集體激發(fā)的微觀解釋?zhuān)�發(fā)展了基于集體準(zhǔn)自旋波激發(fā)的量子存儲(chǔ)方案；2、提出了量子絕熱近似高階修正方法和推廣的玻恩-奧本海默近似，發(fā)現(xiàn)了誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)的可觀測(cè)效應(yīng)。基于量子比特絕熱操縱，研究了固態(tài)量子比特的相干集成、納米機(jī)械冷卻和約瑟芬森結(jié)量子計(jì)算的問(wèn)題，指出了可變耦合自旋鏈單粒子譜具有可公度性，從而可實(shí)現(xiàn)完美的量子態(tài)傳輸。 3. 建立了量子退相干的因子化模型和自洽的量子測(cè)量理論。 發(fā)現(xiàn)了處于臨界點(diǎn)的自旋鏈具有量子混沌特性活動(dòng)力學(xué)敏感性，與之耦合的外部系統(tǒng)會(huì)發(fā)生退相干增強(qiáng)效應(yīng),并被最近的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 1.核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)(量子力學(xué);數(shù)學(xué)物理;交叉及邊緣學(xué)科):

A 、Q變形玻色子及其低能集體激發(fā)微觀解釋(代表論文1;2): 孫昌璞等獨(dú)立地提出q變形玻色子的概念,首先實(shí)現(xiàn)了SU（n）量子代數(shù)的約當(dāng)-許溫格表示從而在q 是單位根情況下,給出了楊-Baxter方程新型解的量子群構(gòu)造.通過(guò)原子系綜的有限低能集體激發(fā)(可以用做光子態(tài)的量子存儲(chǔ)),給出了這種q變形玻色子對(duì)易關(guān)系的微觀解釋.由于對(duì)抽象的量子群給出了物理學(xué)家熟知的二次量子化描述,這個(gè)工作當(dāng)即在國(guó)際上引發(fā)了一系列量子群物理應(yīng)用方面的工作，例如唯象地描述變形核的能譜和多原子分子振動(dòng)譜.

B、高階量子絕熱近似和誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)(代表論文3,4):孫昌璞等結(jié)合幾何相位因子的概念,針對(duì)參數(shù)緩變的開(kāi)系統(tǒng),提出了量子絕熱近似高階修正方法,并用它解決了密度劇烈變化物質(zhì)里中微子振蕩共振增強(qiáng)問(wèn)題.他還發(fā)現(xiàn),自旋自由度和空間自由度的分離也可以采用玻恩-奧本海默近似方法處理,其中導(dǎo)致的誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)上具有可觀測(cè)效應(yīng).16年后,在磁約束冷原子實(shí)驗(yàn)中,人們關(guān)注孫昌璞等預(yù)言的這種效應(yīng).最近,孫昌璞等在此基礎(chǔ)上提出的利用誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)分離手征分子的理論方案,得到了英國(guó)《物理世界》頭版報(bào)道并重點(diǎn)評(píng)論.

C、量子退相干的普適性和其量子相變?cè)鰪?qiáng)效應(yīng) (代表論文5,6):基于1993年針對(duì)量子測(cè)量提出的因子化模型,孫昌璞等建立了自洽的量子退相干模型,針對(duì)量子計(jì)算退相干的環(huán)境模型普適性,他們證明,不同環(huán)境模型(諧振子或二能級(jí)系綜等)具有相同的因子化結(jié)構(gòu),不影響退相干的幅度,但影響退相干因子的位相.他們還發(fā)現(xiàn),自旋鏈在量子相變的臨界點(diǎn)系統(tǒng)具有動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定性-量子混沌,與之相糾纏的外部系統(tǒng)會(huì)發(fā)生退相干增強(qiáng)效應(yīng).這個(gè)工作發(fā)表后立即得到了不同領(lǐng)域物理學(xué)家的關(guān)注.此理論預(yù)言被最近德國(guó)小組的 NMR實(shí)驗(yàn)證實(shí).

2.其他重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)(量子力學(xué);交叉及邊緣學(xué)科):

A 、準(zhǔn)自旋波量子存儲(chǔ)(代表論文7,8):基于原子系綜集體激發(fā),提出了利用光格子中原子的準(zhǔn)自旋波作為量子記憶體的設(shè)想，由此克服空間運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的量子退相干效應(yīng).他發(fā)現(xiàn)了這種光與原子系綜相互作用系統(tǒng)中的隱藏對(duì)稱(chēng)性,從而構(gòu)造了所有的簡(jiǎn)并本征函數(shù),得到相應(yīng)的的絕熱選擇定則.把這種開(kāi)放系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)性分析應(yīng)用到雙光子共振情況,在群速度和吸收色散方面得到與實(shí)驗(yàn)一致的理論結(jié)果.

B、固態(tài)量子比特的量子絕熱操縱和量子信息傳輸(代表論文9,10) 針對(duì)量子信息物理實(shí)現(xiàn)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題,孫昌璞等系統(tǒng)研究了約瑟芬森量子比特絕熱操縱和各種固態(tài)量子比特的相干集成的理論問(wèn)題.他們證明,自旋之間特定的可變?nèi)斯ゑ詈峡梢允沟米孕��?或陣列)的單粒子譜具有可公度性,由此可實(shí)現(xiàn)完美的量子態(tài)傳輸.為了使作為量子數(shù)據(jù)總線的納米機(jī)械諧振器量子特性充分表現(xiàn)出來(lái),孫昌璞等基于電荷量子比特與納米機(jī)械諧振器的耦合,提出了一種新的冷卻機(jī)制,可以克服反饋控制和邊帶冷卻等初態(tài)的平均聲子數(shù)很大時(shí)才是有效的困難.

主要完成人： 孫昌璞

提出并選擇了正確和適當(dāng)研究方向，在思想框架，理論方法和有關(guān)的應(yīng)用研究中做出了主要貢獻(xiàn)（核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)和其他重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)貢獻(xiàn)70% 以上 ）。