2016年国家自然科学奖推荐项目公示内容.pdf

2016年度国家自然科学奖推荐项目公示内容 一、项目名称 基于原子分子体系的量子信息处理基础研究 二、中国物理学会推荐意见 量子信息研究对于基础科学和信息技术应用都具有重要意义。在量子信息处 理研究方面，国际上普遍面临着量子算法避错能力差，相干时间短，量子信息存 储能力弱，量子比特制备、纠缠态浓缩及退相干抑制难度大，量子通信协议安全 性低等关键科学问题。量子信息处理的体系较多，该项目基于原子分子体系，开 展了独具特色的量子信息处理研究，在国际上实现了核磁共振算符空间的无退相 干子空间，解决了量子算法在态空间避错能力差的问题；实现了单原子蓝失谐光 阱，解决了传统光阱中单原子相干时间短的问题；实现了冷原子双色电磁诱导透 明，提升了传统原子介质的量子信息存储能力；基于原子及组合体系，提出了量 子比特制备、纠缠态浓缩、退相干抑制以及量子关联表征的多种新方案，为制备 量子比特、抑制退相干开辟了新途径；提出了两路量子密码通信的新协议，提高 了量子通信协议的安全性。 该项目发表的论文被国内外同行广泛引用，产生了良好的社会效益，提升了 我国在量子信息研究领域的国际影响力。8篇代表性论文、20篇主要论文的总他 引次分别为953次和1778次，代表性论文单篇最高他引217次。项目取得的成果推 动了量子信息学科的发展，具有重大科学价值，部分成果曾于2009年获湖北省自 然科学一等奖。 鉴于该项目的学术成就和国际影响，中国物理学会郑重推荐该项目申报国家 自然科学二等奖。 三、项目简介 量子信息的研究对于国家安全及未来信息技术的发展极为重要，是近年来国 际上的重要科学前沿之一。量子信息处理基础研究面临许多极具挑战性的关键科 学问题，如量子算法在态空间避错能力差，单原子相干时间短，原子系综量子信 息存储能力弱，量子比特制备方法少，纠缠态浓缩难度大，量子纠缠中的退相干 效应严重，强耦合环境下的量子关联难以表征，两路量子通信协议安全性低等等， 这些问题极大地制约了量子信息处理的研究进程。该项目基于原子分子体系，开 展了量子信息处理基础研究，系统地解决了量子信息处理研究在量子纠缠体系制 备、量子纠缠与退相干机理以及量子通信安全等方面亟待解决的上述关键科学问 题，获得了重要科学发现，推动了量子信息学科的发展。 1. 实现了基于原子分子的独特量子信息处理实验体系。基于核磁共振体系 在算符空间实现了无退相干子空间，实验演示了其避错能力，解决了核磁共振量 子算法在态空间避错能力差的问题，被国际同行认为是用核自旋体系率先实现无 退相干子空间的重要实验之一；利用空间光调制器实现了单原子蓝失谐光阱，解 决了传统红失谐光阱中单原子相干时间短的问题，为单原子量子逻辑门操控开辟 了新途径；实验实现了冷原子双色电磁诱导透明体系，提升了传统电磁诱导透明 原子系综的量子信息存储能力，被国际同行认为是同时减慢多频光子的方案，为 实现多频慢光子间的量子纠缠奠定了基础。 2. 提出了基于原子、光子及其组合体系的量子纠缠制备与退相干抑制的实 用方案。提出了基于空腔与原子结合体系的实现量子算法的多种新方案，其中基 于超导量子干涉器件的方案被国际同行认为是成功结合超导量子比特与腔量子 电动力学的实验方案之一；提出了基于线性光学元件和投影测量方法实现纠缠态 浓缩的实用方案，研究结果被 Nature 等期刊论文大量引用；给出了耗散因子对 绝热量子逻辑门影响的解析表达式，为在量子纠缠中抑制退相干提供了新思路； 提出了在强耦合环境下表征量子关联的最佳方案，被国际同行认为是最早明确区 分强耦合环境下失协与纠缠异同的重要工作之一。 3. 提出了更安全的两路量子通信新协议。发现了两路量子通信协议中存在 的拒绝服务攻击漏洞，提出了针对“乒乓”协议的攻击方案并给出了修正后的协 议，该拒绝服务攻击方案和修正协议被德国学者称为“蔡氏拒绝服务攻击” ；提出 了基于密集编码的两路量子密码通信协议和单光子两路量子通信协议，提高了通 信光子的利用效率和通信协议的安全性，受到国内外同行的广泛关注。荣获 2008 年《中国物理快报》“最佳引用论文”和 2012 年中国物理学会“最有影响论文”一 等奖。 共发表SCI论文232篇。8篇代表性论文被SCI论文他引852次、总他引953次， 单篇最高SCI论文他引191次、最高总他引217次；20篇主要论文被SCI论文他引 1585次，总他引1778次。被SCI论文他引超过134次的论文有6篇。项目成果于2009 年获湖北省自然科学一