一、量子计算与模拟
量子计算概念提出的20 年来，人们在理论和实验研究上硕果累累。实验研究证实了量子计算的可行性和无比的优越性，更激发了大批科学家和技术人员参与这一研究的积极性，量子计算是量子信息学研究领域的重要分支之一，其根本目标是建造基于量子力学原理，能在许多复杂计算问题上大大超越经典计算机性能的新型计算机。作为经典计算方式的继承和发展，量子计算能有效处理经典计算科学中的许多具有相当计算复杂度甚至无法完成的难题，比如大数的质因数分解，量子人工智能问题等。本研究方向将主要研究基于自旋的量子计算的基本理论问题和相关实验技术，重点关注量子计算的理论实现方案和实验实现，并主要在核磁共振平台、金刚石色心(NV-center)平台和离子阱平台上予以实现。
除了在计算问题上的出色表现，量子计算机的另一个重要用途是它可以有效模拟其它量子系统的演化。1982 年Feynman 在提出量子计算思想的时候，就设想使用量子计算机模拟其他系统，实现这类任务的量子计算机就叫做量子模拟器。与量子算法往往需要上千个量子比特才能展示出超越经典计算机的计算能力不同，量子模拟也许仅需要数十个量子比特即可达到这一目标。由于量子系统的叠加性，使用经典计算机模拟量子系统需要指数增加的计算资源，比如存储一个包含50 个自旋（1/2）的系统就需要250的内存资源，而计算这个系统的演化则需要操作250×250的矩阵，这是目前的经典计算机难以做到的。而在量子模拟器上，只需要调控50 个量子比特（qubit）即可实现该系统的模拟。目前，这一方向已经吸引了量子化学、材料学、凝聚态物理、量子多体问题等领域研究者的关注。我们将研究如何模拟化学、拓扑系统中的量子体系，并在量子模拟器实验平台将其予以实现，从来为将来在大型量子模拟器上解决重要科学问题奠定基础。
二、量子精密测量
量子精密测量利用量子效应实现传统经典手段无法达到的超高精度，或者探测到经典手段无法触及的被测对象。采用一种原子尺度（~0.1 nm）的单自旋量子探针，氮-空位中心（NV 色心），人们能够在纳米尺度对磁场、电场、温度、应力等进行灵敏测量，将传统的磁共振技术在空间上推进到纳米尺度，灵敏度上提升到单分子水平。NV色心的光探测磁共振性质非常稳定，在极端温度、压强和复杂环境下都能实现精密探测功能，因此研究对象极为广泛。我们的研究目标是发展金刚石NV色心的微观磁共振技术，将其应用于基础物理、化学、材料科学、生命科学等领域，力图解决相关学科的重大基本问题。
三、固体量子器件
基于金刚石色心的固态自旋量子器件
利用金刚石中氮-空位缺陷(简称NV色心)独特的光学与自旋特性，基于金刚石的量子技术成为当前物理学的一个研究热点。如何更为有效的利用电子自旋(操控快，与光子相互作用)、核自旋(相干时间长)、光子(信息传输良好载体)等各自的优势，形成一个强大的金刚石固态量子器件，是我们重点发展的一个方向。为此，我们将从高品质金刚石生长与NV色心制备、多功能光学实验平台自主研制、微纳加工技术、自旋磁共振方法、量子信息科学等不同途径来进行研究，解决关键技术科学问题，实现实用化的金刚石固体量子器件。
硅基半导体量子器件
硅基量子计算近些年受到国际范围内科学及工业界的广泛关注，其优点包括：1，与传统半导体微加工工艺想兼容，将来规模化生产的成本较低；2，电子自旋及核自旋的弛豫时间和相干时间较其他体系长很多，这样就保证了进行多步计算所需要的时间，尤其是在经过提纯的硅-28材料中，电子自旋和核自旋的相干时间分别达到0.5s和30s [Nat. Nano. 9, 987(2014)]。
该课题将利用该体系的优势，基于已开发的硅基单原子光电高分辨探测的实验手段[Nature 497, 91(2013)]，进行以下几个方面的科研工作：
硅基单原子的光电量子调控，及原子间的近距离耦合（图1b-d）。
硅基单原子与光学微腔的耦合及利用光学微腔的原子间远距离耦合（图1a）。
集成的硅基单原子量子集成电路。
基于单原子及其他纳米结构的量子精密测量。
图1 基于单原子的量子精密测量
纳米电子学量子器件
氧化物材料具有凝聚态物理里几乎所有的物理现象。 随着最近三十年材料生长技术的发展，人们可以随心所欲地组合氧化物材料原子，设计并制造出其中很多新奇物理现象。 在科大程光磊研究组，我们利用纳米尺度的原子力显微镜针尖在氧化物“画板”上“作画“而制备各种量子器件，从而发展出量子纳米电子学。其核心技术为实验组PI在美国匹兹堡大学Levy实验室发展起来。这些氧化物量子器件具有传统半导体量子器件所不具备的很多电子电子关联现象，比如说纳米线具备本征超导特性，量子点具有电子对基态，或者电子波导可以弹道输运电子对。同时，我们也积极发展在毫开儿文(mK)温度下的一些独特结构，电学与磁学纳米成像技术。我们的长期目标是打造一个通用氧化物量子平台，用于研究基础凝聚态物理问题，实现基于Majorana零能模的量子计算以及实现固体量子模拟。
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四、量子物理基础
量子力学和广义相对论是当代物理学的两大基石，量子力学的核心特征是线性，而广义相对论是非线性理论，所以在物理过程中必然存在这样一个特殊的区间，使得其中之一不能够用来刻画。通常在微观尺度下，引力效应变得可以忽略，物质运动规律表现出来量子力学特性，而在宏观尺度，如天体演化却又能用引力里理论加以描述，而为什么宏观尺度下量子效应不再存在，是目前量子理论最为重要的问题。虽然很多的理论被提出，相应的实验结果尚未出现，国际上许多研究组都利用不同的实验系统对这类宏观量子效应开展了研究。我们利用单自旋量子态与纳米机械系统以及低维系统（如自旋波，拓扑边缘态等）的宏观元激发相互作用作为实验系统开展宏观量子效应研究。其关键是是实现自旋单量子态与宏观的机械运动态或低维系统磁性元激发的强耦合，在此基础上，通过对单电子态的精确操控，间接的实现宏观量子态的产生和控制。当前研究课题包括：
1，人工力学实现拓扑物理过程
2，基于电磁束缚的新型纳米力学系统
3，单自旋与二维磁性系统的相互作用
五、量子技术
量子技术是量子力学与工程学交叉融合的崭新领域。量子技术的目标是基于量子力学原理来结合工程学中的控制论，计算机科学，电子学方法等来实现对量子系统有效控制。这是人类研究微观世界并加以利用的必然诉求，也是诸多前沿科学领域的核心要素。开展量子技术的研究一方面将有助于人们在更深层次上认识量子物理的基础科学问题，极大地拓宽量子力学的研究方向，另一方面也有力推动基于量子力学原理的量子信息科学、量子精密测量等诸多前沿学科研究。量子系统自身特有的量子相干性、退相干效应、测量的塌缩性等特性都给量子技术研究带来了与传统经典技术完全不同的巨大的挑战，同时也提供了传统技术所无法企及的能力与机遇。
