項目名稱： 量子開系統(tǒng)方法及其在量子信息的應用

推薦單位： 中國科學院

項目簡介： 量子物理是當代科學發(fā)展的基石，多次引發(fā)高技術革命。它與信息科學結合，產(chǎn)生了交叉學科-量子信息，為突破計算機芯片的尺度極限提供了全新的解決思路。孫昌璞1987年開始對量子開系統(tǒng)理論等量子物理問題進行了前瞻性、基礎性和系統(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）。他關于q變形玻色子的工作單篇引用超過300次（SCI 引用256次），是國際上這方面三篇開創(chuàng)性文章之一，入選斯坦福大學統(tǒng)計的《引用最多的數(shù)學物理論文》（排名第51），獲得美國ISI《經(jīng)典引文獎》。1995年，美國《科學》專刊評價中國科學發(fā)展，提及這個研究。他17年前開始的量子絕熱近似和誘導規(guī)范場的研究，由于冷原子實驗的新進展，2005年后重新引起重視。在此方向上，孫昌璞等提出了通過誘導規(guī)范場的斯特恩-蓋拉赫效應分離手征分子的物理方案。英國《物理世界》頭版報道并評論了這個工作。他2006年關于量子相變動力學敏感性的工作，由于聯(lián)系了量子測量、量子混沌和凝聚態(tài)物理等不同物理領域，引起國際同行的重視。

其主要學術成果包含：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造，發(fā)現(xiàn)其低能集體激發(fā)的微觀解釋，發(fā)展了基于集體準自旋波激發(fā)的量子存儲方案；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)了誘導規(guī)范場的可觀測效應。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、納米機械冷卻和約瑟芬森結量子計算的問題，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量理論。 發(fā)現(xiàn)了處于臨界點的自旋鏈具有量子混沌特性活動力學敏感性，與之耦合的外部系統(tǒng)會發(fā)生退相干增強效應,并被最近的實驗證實。

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

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): 孫昌璞等獨立地提出q變形玻色子的概念,首先實現(xiàn)了SU（n）量子代數(shù)的約當-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造.通過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),給出了這種q變形玻色子對易關系的微觀解釋.由于對抽象的量子群給出了物理學家熟知的二次量子化描述,這個工作當即在國際上引發(fā)了一系列量子群物理應用方面的工作，例如唯象地描述變形核的能譜和多原子分子振動譜.

B、高階量子絕熱近似和誘導規(guī)范場(代表論文3,4):孫昌璞等結合幾何相位因子的概念,針對參數(shù)緩變的開系統(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里中微子振蕩共振增強問題.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,其中導致的誘導規(guī)范場在實驗上具有可觀測效應.16年后,在磁約束冷原子實驗中,人們關注孫昌璞等預言的這種效應.最近,孫昌璞等在此基礎上提出的利用誘導規(guī)范場斯特恩-蓋拉赫實驗分離手征分子的理論方案,得到了英國《物理世界》頭版報道并重點評論.

C、量子退相干的普適性和其量子相變增強效應 (代表論文5,6):基于1993年針對量子測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,針對量子計算退相干的環(huán)境模型普適性,他們證明,不同環(huán)境模型(諧振子或二能級系綜等)具有相同的因子化結構,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系統(tǒng)具有動力學的不穩(wěn)定性-量子混沌,與之相糾纏的外部系統(tǒng)會發(fā)生退相干增強效應.這個工作發(fā)表后立即得到了不同領域物理學家的關注.此理論預言被最近德國小組的 NMR實驗證實.

2.其他重要發(fā)現(xiàn)點(量子力學;交叉及邊緣學科):

A 、準自旋波量子存儲(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自旋波作為量子記憶體的設想，由此克服空間運動導致的量子退相干效應.他發(fā)現(xiàn)了這種光與原子系綜相互作用系統(tǒng)中的隱藏對稱性,從而構造了所有的簡并本征函數(shù),得到相應的的絕熱選擇定則.把這種開放系統(tǒng)對稱性分析應用到雙光子共振情況,在群速度和吸收色散方面得到與實驗一致的理論結果.

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) 針對量子信息物理實現(xiàn)急需解決的關鍵問題,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題.他們證明,自旋之間特定的可變人工耦合可以使得自旋鏈(或陣列)的單粒子譜具有可公度性,由此可實現(xiàn)完美的量子態(tài)傳輸.為了使作為量子數(shù)據(jù)總線的納米機械諧振器量子特性充分表現(xiàn)出來,孫昌璞等基于電荷量子比特與納米機械諧振器的耦合,提出了一種新的冷卻機制,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研究方向，在思想框架，理論方法和有關的應用研究中做出了主要貢獻（核心發(fā)現(xiàn)點和其他重要發(fā)現(xiàn)點貢獻70% 以上 ）。