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物理所金刚石氮空位色心量子克隆取得进展
量子计算和量子信息是受到普遍关注的研究前沿。经典信息可以被精确拷贝，但是一个未知的量子态不可以被精确克隆(拷贝)，这就是“量子非克隆原理”。它是量子力学和量子信息的一个基本原理，在量子信息的研究中有广泛的应用。建立在量子密钥分发基础上的安全通信是量子信息的重要应用，它的安全性就是建立在量子非克隆原理之上的，因为如果量子态可以被精确克隆，就可以把传送的量子态原封不动地克隆无穷多份，通过测量这些完全一样的量子态我们就能精确知道这个量子态，从而破解量子密钥分发。虽然量子态不可以被精确克隆，但可以近似地克隆它或者一定概率地克隆它，这就是量子克隆机的概念。
量子克隆一直是量子信息中的重要研究领域，理论和实验方面进展很快。作为一个直接的应用，人们可以用量子克隆机来攻击量子密钥分发，成为测试量子密钥分发安全性的一种手段，从而可以估计出量子密钥分发的容错性。量子密钥分发大都应用所谓的BB84协议，即应用两组基中的四个量子态来作为传输信息的量子态。针对此种BB84态，最优的量子克隆机是所谓的相位量子克隆机。这种量子克隆机可以把所有处于Bloch球面赤道上的态进行克隆，其保真度可以达到最优。相位克隆机要好于普适型的量子克隆机，而后者针对于量子态的任何信息都未知的情况。
在实现量子信息处理的多个可能系统中，金刚石氮空位色心系统是最有希望的候选者之一。最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)范桁研究员、潘新宇副研究员、博士生常彦春、刘刚钦、刘东奇，通过理论和实验结合，在前期工作基础上【Appl. Phys. Lett.99, 051113(2011)】，应用新发展的多相位微波调控技术，实现了具有主动相位控制的量子相位克隆 【Sci. Rep. 3, 1498 (2013)】。
由于具备较好的光子收集效率，良好的集成性等优势，实验中他们选择了金刚石纳米颗粒。为了在纳米颗粒相对较短的退相干时间内完成更多的操作，他们在技术上发展了石英片基底的共面波导天线，使微波传输效率大幅度提升。利用自己设计组装的低成本微波相位测量装置，结合电控机械移相器，实现了对微波和量子态相位的精确控制与测量。以此为基础，进行了本次相位完备相干控制的量子克隆实验，整体的相位保真度达到85.1%，十分接近最优化相位克隆理论值85.4%，超过了普通克隆的上限83.3%。量子态相位的全方位精确控制，是未来量子信息与量子计算领域相位控制器件应用的基础。他们在集成性良好的纳米颗粒上，进行室温下高保真度量子操作，显示了量子信息器件小型化、集成化的良好前景。
相关工作发表在近期出版的Scientific Reports 3, 1498(2013)上。
此工作得到科技部“973”项目、中国科学院和国家自然科学基金的资助。
图一，实验中采用的金刚石纳米颗粒样品，a为样品的AFM扫描图，b为荧光扫描图。为了在纳米颗粒较短的退相干时间内完成更多操作(c图FID，插图为 Rabi振荡)，技术上发展了石英基底的共面波导天线(b插图)。量子克隆的逻辑态被编码到金刚石电子自旋的三个塞曼子能级上(d图为光学探测磁共振谱和对应的能级图)。
图二，a为克隆过程的激光、微波与单光子计数的脉冲码型图，b图为对量子态相位制备与测量过程的检验，c图为克隆输入BB84态的布洛赫球表示，d图上下分别为量子态布居和相位测量过程的图示。
图三，四个不同相位BB84量子态的克隆结果，蓝色线为克隆前量子态的相位，红色线为克隆后相位。插图为三个能级的布居测量结果，理论值分别为25%，50%，25%。
图四，a,b,c,d为四个量子态的密度矩阵的tomography结果，图中非对角元实部虚部采用了对称表示。e图为四个量子态分别的克隆保真度，整体平均值达到85.1%，十分接近优化相位克隆理论值85.4%，超过了普通克隆的上限83.3%。
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