囚禁离子的纠缠和简单量子算法的实验实现

The ion trap is one of the most promising setups to explore the microscopic world under artificial confinement condition by quantum state engineering. Eight ions have been confined as linear crystals in the ion trap of applicant's team. Based on this achievement, the applicant aims in this project to experimentally explore the sideband cooling, the entanglement generation and detection as well as simple quantum algorithms using trapped ions. The main jobs include: Cooling the trapped ions by sideband cooling to the vibrational ground state in one dimension and in three dimentions; Irradiating the ions individually or globally for precise control and detection; Using gate operations to achieve entanglement of two or three ions; Studying simple quantum algorithms and fundamental quantum problems. The project is a preliminary work for quantum information processing in ion trap, which could help us own the core techniques of quantum-state preparation, control and detection, and improve our experimental techniques in quantum information science. The success of the project will pave an avenue towards large-scale quantum information processing in China.

人工束缚条件下对量子态的有效操控是人们探索微观世界基本规律的有效途径。离子阱是这方面最有希望的候选装置之一。申请人的团队已经实现了八个离子呈线型晶体的囚禁。基于此，申请人拟通过本项目探索实验实现线型离子阱中多个离子的边带冷却、量子纠缠态的生成和探测以及简单量子算法等。主要内容包括：利用边带冷却，在线型离子阱中冷却一串离子到量子振动态的基态（包括一维冷却和三维冷却）；对每个离子进行个别寻址，对离子串整体的量子态进行精确操控和测量；通过逻辑操作，实现两到三个离子的纠缠；实验实施简单的量子算法和检验量子力学的基本问题。本项目是离子阱量子信息处理的初期工作，将帮助我们掌握量子态制备、操控和探测的核心技术，提升我国量子信息研究的实验水平，为实现大规模的超冷离子量子信息处理打下良好基础。

人工束缚条件下对量子态的有效操控是人们探索微观世界基本规律的有效途径。离子阱是这方面最有希望的候选装置之一。申请人通过本项目的探索,在实验上操控了16个离子的结构相变，实现了线型离子阱中1-2个离子的边带冷却、量子纠缠态的生成和探测以及简单量子算法等。主要内容包括：利用边带冷却，在线型离子阱中冷却了1-2个离子到量子振动态的基态；对每个离子进行了个别寻址，对离子的量子态进行了精确操控和测量；通过逻辑操作，实现了两个量子比特的纠缠；实验实施了简单的量子算法，检验了量子力学的基本问题-海森堡不确定性的新不等式。本项目发表论文23 篇，获得专利授权2 项，其中发表Nature Communications 1 篇， Science Advances 1 篇， Physical Review A 8 篇。本项目是离子阱量子信息处理的初期工作，将帮助我们掌握量子态制备、操控和探测的核心技术，提升我国量子信息研究的实验水平，为实现大规模的超冷离子量子信息处理打下良好基础。

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