量子信息技術前沿研究（精彩發(fā)言）

目錄

• 1、劉伍明：激光冷卻原子、分子的科學和技術

• 2、駱順龍：經(jīng)典關聯(lián)與量子關聯(lián)

• 3、郭國平：量子計算

• 4、高克林：原子光頻標

【精彩發(fā)言】

1、劉伍明：激光冷卻原子、介子的科學和技術

我講的題目是《激光冷卻原子、分子的科學和技術》，這個問題源于量子力學建立之初。20世紀20年代物理學體系中引進自旋開始，根據(jù)自旋是整數(shù)還是分數(shù)就把量子世界一分為二—玻色子和費米子。玻色子能夠在極低溫度下凝聚在基態(tài)，形成玻色一愛因斯坦凝聚。每兩個費米子結合可以形成庫拍對，其物理性質(zhì)類似于玻色子，同樣可以形成玻色一愛因斯坦凝聚。實驗上實現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚，實際上就是做一個低溫的物理過程。通過努力，我們現(xiàn)在可以用物理的辦法把系統(tǒng)降溫到開爾文甚至毫開爾文的量級。由于波粒二象性的存在(一個粒子在室溫下表現(xiàn)出粒子特性，而在接近零溫極限時表現(xiàn)出波動性)，現(xiàn)在做的超導、量子點、離子和分子都必須在低溫下進行研究。若要把研究的對象當作一個波來考慮，就必須在低溫下才能做，有的甚至需要降到10-8甚至10-9才能滿足要求，這個實現(xiàn)起來是極富有挑戰(zhàn)性的。但是從2001年實現(xiàn)玻色子凝聚，2004年又實現(xiàn)了分子凝聚，再到后來我們實現(xiàn)了超導中自旋上下不匹配的自旋極化超流?？茖W研究的步伐從未因為困難而停滯過。

強關聯(lián)問題，由于其長程關聯(lián)問題和指數(shù)墻問題，從20世紀一直到現(xiàn)在都是困擾著理論學和計算學的科學難題。為了解決這個難題，我們在兩個方面做了嘗試。首先是利用激光束縛冷原子的方法，實驗上模擬強關聯(lián)體系。2009年實現(xiàn)用兩束光裝載冷原子，人為加人人造的規(guī)范場來模擬強關聯(lián)系統(tǒng)。最簡單的例子就是在二維電子器件中引人磁場，使得器件中的粒子在電場和磁場的作用下沿著某個平面做旋轉(zhuǎn)運動，使二維電子器出現(xiàn)一個個的能級。其次的辦法是利用冷分子。分子系統(tǒng)比原子更為復雜，其除了像原子一樣具有平動和轉(zhuǎn)動動能以外，更有分子內(nèi)部結構運動能量、質(zhì)心轉(zhuǎn)動能等更多更復雜的內(nèi)部結構。而其好處正是由于其內(nèi)部的復雜性，更容易產(chǎn)生由于長程關聯(lián)作用而出現(xiàn)的新型量子態(tài)。若能解決此系統(tǒng)的量子調(diào)控問題，就有效地解決了強關聯(lián)體系的長程關聯(lián)問題。中國很早就在這個領域開展了研究工作，上海光機所的王育竹先生、北大的王義遒先生早在1979年和1999年分別在冷分子領域做了深人研究并作出了突出的貢獻。

總而言之，現(xiàn)在大家把激光冷卻原子作為一個實驗平臺。首先要在這個實驗平臺上模擬一個可調(diào)控的量子系統(tǒng)，進行一系列復雜的量子仿真。其次就是和別的領域相結合，比如與光物理、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計物理和量子信息等學科有機地結合。再次就是一些潛在的應用，這個應用是非常直接的。我們“973”的項目在這項工作中的目標就是探索新物態(tài)和實現(xiàn)量子仿真，一方面發(fā)展一些物理理論，例如把相互作用、無序、規(guī)范場加人后產(chǎn)生新物態(tài)。技術方面的應用就更直接，例如制造原子十涉儀、空間原子鐘（我們的原子鐘能保證10-12的精度，甚至能達到10-13）、原子陀螺儀等。

全世界范圍內(nèi)大概有200個左右的實驗組在這個領域進行研究。比較集中的還是在美國，有60多個，中國現(xiàn)在發(fā)展了15個組從事激光冷卻原子的研究，能做出玻色一愛因斯坦凝聚的有7個。我們自己在這個領域也做了十幾年的工作，主要是以下三個方面的內(nèi)容：第一個是相十性，第二個是原子輸運，第三個就是量子仿真和量子相變。

相十性方面，我們最早在2001年就開始做了。在2011年相十性工作獲得了諾貝爾獎之后，我們做了完整的理論計算闡述了那個問題。而后，我們發(fā)展了一套新的技術—共振技術。就是通過改變作用在原子上面的磁場來改變原子之間的相互作用，進而可以產(chǎn)生可以同時調(diào)節(jié)強度以及頻率的原子激光。后來我們發(fā)現(xiàn)了一些新的量子態(tài)，比如像龍卷風一樣的渦旋態(tài)。朗道獲諾貝爾獎的主要原因之一就是發(fā)現(xiàn)量子化的渦旋，緊接著他的學生認為超導體和一個超流體的渦旋形狀應該是三角格子。而我們的工作是將其推廣和發(fā)展，發(fā)現(xiàn)除了三角格子外，還可以是平方格子。如果是平方格子，這時的渦旋就應該是分數(shù)渦旋。我們最近一段時間的工作是發(fā)現(xiàn)自旋極化超流態(tài)，以及研究所謂的超逆流凝聚態(tài)等。

第二個方面，我們就是做一些原子輸運研究，最初我們做的時候比較簡單，2002年的時候，我們把原子放在一個光晶格里面，原子在周期勢阱里面就要滿足布洛赫定理。我們知道，自旋1/2電子在超導和超流里面會出現(xiàn)約瑟夫森效應。現(xiàn)在我們考慮一個高自旋體系，比如自旋為1或2，來考慮一個高自旋的量子隧穿問題。我們發(fā)現(xiàn)，在高自旋體系中如果是鐵磁態(tài)，同樣能發(fā)現(xiàn)阿貝爾的約瑟夫森效應，如果體系處于反鐵磁態(tài)，則隧穿效應不可逆，我們觀察到了非阿貝爾的約瑟夫森效應(該理論計算出的結果有待實驗證實)。進一步我們還模擬出了光學腔中的光子約瑟夫森效應，通過兩個相互弱藕合的光學微腔模擬超流同路，來實現(xiàn)交流和直流約瑟夫森效應的模擬，為研究強藕合原子微腔系統(tǒng)中的多體問題提供新穎的思路。

第三個方面，我們做量子仿真，在這個方面就可以“為所欲為”。其一，產(chǎn)生光晶格，通過調(diào)節(jié)對打激光數(shù)量以及角度可以產(chǎn)生出不同緯度的光晶格。其二，把約瑟夫森效應放進來，改變原子的相互作用。其三，調(diào)整不同的量子態(tài)，不同的組份。其四，可以改變幾何結構?，F(xiàn)在這幾個實驗都可以做出來，例如三角格子、六角格子、平方格子。我們除了做了這些以外，最近又做了一個三角Kagome格子，關于這個格子，我們發(fā)現(xiàn)一般情況下它就是一個金屬到絕緣體的變化，在它的幾何結構發(fā)生形變以后，我們發(fā)現(xiàn)了兩個新的量子態(tài)—片絕緣體態(tài)和近藤金屬態(tài)，而且我們在有機化合物中真實地發(fā)現(xiàn)了該幾何構型的存在。

我們剛才講的這些復雜量子系統(tǒng)的量子仿真和不同量子態(tài)之間的關聯(lián)基本上都滿足朗道的那一套理論。關于拓撲量子相變，自然界發(fā)現(xiàn)的很少，現(xiàn)在大家公認的也就一種。在數(shù)學方面文小剛把它分了200多種，但是到現(xiàn)在仍沒有一個體系。怎樣才能應用到實踐?首先我們想到可以在光晶格鐘模擬。目前我們做了實驗，精度很高。這里面大家目前選的這一種原子鐘能級頻率主要是這個。下一步就是想精度更高，想到10-17或者10-18的精度。另外就是希望能夠?qū)σ恍碗s的系統(tǒng)，諸如銅基超導體已經(jīng)用了20多年了，卻沒有一個人能解釋清楚，我們這代人當年都往這里邊沖，最后都“犧牲”了。問題就出在這是一個超導相和反磁鐵相的共存體系，就是一個材料隨著溫度的降低就會出現(xiàn)所謂的波散，銅氧化物也會出現(xiàn)這樣的情況。這是因為磁性和超導共存，理論上難以計算，現(xiàn)在我們借助數(shù)字計算的方法，通過編程以及軟件包開發(fā)的手段逐步對這樣一類復雜的系統(tǒng)慢慢進行考慮。我們中國科學家的研究得到了國際同行的認可，例如我曾應邀在2010年第22屆國際原子物理大會上作了大會報告，這是國際上規(guī)模最大的原子分子物理大會，兩年一次，這也是自1949年以來中國人第一個在這個會議上做報告。在這次會議上有6位諾貝爾獎獲得者作報告，大會規(guī)模雖大，但報告人數(shù)有限，僅僅有20多人，我也有幸成為其中之一。

總而言之，激光冷卻原子分子科學技術是集物理科學、信息科學等綜合發(fā)展的科學，該領域在世界范圍內(nèi)正蓬勃有序的發(fā)展。我們工作的重心是在以上幾個方面，并且我們也很想把新技術、新方法應用到高、精、尖科技當中，尤其是現(xiàn)代軍事方面。我相信我們研究的技術成果能為冷原子的發(fā)展、軍事現(xiàn)代化建設、國家科學綜合國力的提升作出貢獻。

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2、駱順龍：經(jīng)典關聯(lián)與量子關聯(lián)

關聯(lián)是個很一般的概念和很復雜的對象，有著非常廣泛而又不同的含義，有著異常豐富的結構。但在數(shù)學和物理上談關聯(lián)，我們通常有非常具體確切的描述。例如，在概率統(tǒng)計中，關聯(lián)通常指協(xié)方差和關聯(lián)系數(shù)，在通訊的數(shù)學理論中，關聯(lián)通常指Shannon互信息，而在量子信息論中，關聯(lián)通常指von Neumann（量子）互信息。關聯(lián)的分類、刻畫和量化是非常重要而又基本的課題，也是我們近年來研究的一個重點。我們在經(jīng)典關聯(lián)與量子關聯(lián)的刻畫和關系方面做了些工作。

人們通常將量子優(yōu)越性歸結為糾纏。但是請注意，在EPR態(tài)中，經(jīng)典關聯(lián)和糾纏都等于邊緣態(tài)(約化態(tài))的嫡，因而是等量大小的，并且糾纏不能獨立于經(jīng)典關聯(lián)而存在，因此，很多量子優(yōu)越性可能是經(jīng)典關聯(lián)與糾纏(甚至更廣泛的量子關聯(lián))共同作用的結果，而并不應僅僅歸功于糾纏。

現(xiàn)在量子信息論中兩體關聯(lián)的分類有兩種通常的方案。其一是可分/糾纏，另一個是經(jīng)典/量子。前一分類方案在近20年里已被廣泛而深人地研究。很多人甚至將糾纏與量子關聯(lián)等價起來，只是近年來人們才越來越意識到糾纏只是一種特殊的量子關聯(lián)，量子關聯(lián)的概念比糾纏要廣，特別地，很多可分態(tài)里也有量子關聯(lián)。這就誘導出關聯(lián)分類的第二種方案，即經(jīng)典/量子(關聯(lián))。這個分類方案是基于量子測量，與量子不可克隆也有深刻的聯(lián)系。在該方案里，經(jīng)典關聯(lián)就是通過測量能提取的信息，而量子測量通常定義為在測量過程中被破壞的信息，即全部關聯(lián)與經(jīng)典關聯(lián)的差。通俗地說，能通過物理測量手段讀出來的就是經(jīng)典的，讀不出來的就是量子的。

在用嫡的概念量化關聯(lián)的框架中，經(jīng)典關聯(lián)總是小于或者等于邊緣態(tài)的嫡，經(jīng)典關聯(lián)能獨立于量子關聯(lián)而存在，但量子關聯(lián)不能獨立于經(jīng)典關聯(lián)而存在。量子關聯(lián)的研究還處于初期，還有不少爭議。現(xiàn)階段量子關聯(lián)的概念主要指量子失協(xié)（quantum discord），是2001年由Zurek和Vedral等引進的，到2008年，人們發(fā)現(xiàn)其對量子計算可能用，近年來也有些實驗探討量子關聯(lián)，中科大郭光燦院士組在Nature Communications上有一篇很有影響的開創(chuàng)性論文。2011年我們在International Journal of Quantum Information編輯了兩期關于量子關聯(lián)的專刊。Reviews of Modern Physics不久要發(fā)表Vedral等關于量子關聯(lián)的綜述長文，對我們的工作有比較系統(tǒng)的論述和引用。相信無論在理論上還是實驗上，經(jīng)典關聯(lián)與量子關聯(lián)及其相互關系在未來會得到更多研究，并且會產(chǎn)生更大成果。

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3、郭國平：量子計算

我自己是做量子計算實驗研究的，我先簡單介紹一下量子計算。通常我們說的量子信息包括了兩大部分，第一是量子信息的傳輸，如量子保密通信;第二是量子信息處理，如量子計算。但是廣義上來講的量子信息，它實際上應該指信息的量子化，應該超過目前為止我們對量子信息的理解。今天我們講的量子計算是嚴格意義上的量子計算編碼，處理和讀取都是量子化的，但是如果只是當中的某一步量子化，我個人認為也應該算是廣義的量子信息。

我們知道，量子計算最早是R. P. Feynman提出的，當時提出并不是考慮它有多快，主要是為了解決計算過程的發(fā)熱問題，所以提出了一個可逆的信息處理過程。這個概念提出來以后很長一段時間沒有受到太多的關注。量子計算到底有什么優(yōu)勢?當時對量子計算的需要并不是特別迫切，只有有特別的優(yōu)勢，才會引起人們的關注。后來Peter Shor提出量子算法，有了量子算法的量子計算機就可以快速地處理大數(shù)因式分解問題，而這個大數(shù)因式分解問題是目前很多密鑰體系的安全基礎。因此，量子計算機就可以比較容易破解這類密碼。這樣一來，量子計算才引起大家的廣泛關注。后來印度人Grove提出一個新的量子搜索算法，可以簡化信息搜索處理的難度，讓大家看到了量子計算有更多的優(yōu)勢，這才會引起大家的興趣，或者說產(chǎn)生了研究量子計算機的迫切性。

經(jīng)典電子計算機的操作實際上就是一個輸人和一個輸出，有一個程序上的操作，這就是經(jīng)典計算機最典型的模型。量子計算實際上跟經(jīng)典計算機模型也沒有太大的出人，經(jīng)典計算機也有初始化，這里我們一直說把輸人的狀態(tài)變成一個初始的量子態(tài)，有一個初態(tài)制備的過程，所謂量子計算的核心實際上就是所謂的么正操作，這之后得到一個機器的狀態(tài)，而且是量子的狀態(tài)，然后需要進行測量。這個測量之后，量子的信息轉(zhuǎn)化為我們所熟悉的經(jīng)典值，所以大概過程是從經(jīng)典掩碼到量子，經(jīng)過計算再測量，通過測量返同到經(jīng)典值。

量子計算是有一些基本條件的，一臺量子計算機像經(jīng)典計算機一樣有一個基本的要求，最重要的一點就是保持量子相十性，這個相十時間最少應該高于單次邏輯門操作時間的104倍。么正操作要封閉以保持長的相十時間，測量、控制要跟外界有相互作用，所以我們必須兩者兼顧，取得一個平衡，既保持相十性，又能有效操作和讀出。另外，經(jīng)典計算里面也會有錯碼。量子計算也有各種各樣的量子糾錯碼，做量子計算機與經(jīng)典計算機一樣有它的標準模型和基本要求，比如找到一個二能級體系，要使它能夠在量子計算輸人函數(shù)時完成信息的編碼和態(tài)的初始化，這里除了。0和1的相互轉(zhuǎn)動，X方向上的轉(zhuǎn)動，還要求有一個。σ z，或者σ r這樣不正交的轉(zhuǎn)動。另外，還要可以完成2比特的門操作。

在這個之外還有單向的基于測量的量子技術以及基于任意子的拓撲量子計算等概念。不過，目前我們連真正的任意值還沒有找到。單向的量子計算，就是先制備一個包含幾百個粒子的狀態(tài)，然后對其中的一個粒子進行測量，根據(jù)測量結果，再決定下面的測量粒子和操作過程，后續(xù)的操作依賴上一步的測量結果，最后可能幾百個粒子做的糾纏態(tài)可以完成幾個粒子，或者十幾個粒子量子比特的量子信息處理或量子計算過程，最后，還有絕熱量子計算，它始終保持在基態(tài)，現(xiàn)已證明絕熱量子計算跟標準量子計算摩西是等價的。

目前，號稱已實現(xiàn)商業(yè)化量子計算機的Dave公司發(fā)表了一篇絕熱退火的文章，是關于8位的一個絕熱退火的過程，類似于絕熱量的計算，但也不完全相同。不過，據(jù)公開的信息判斷，Dave公司那個量子計算跟我們所說的嚴格的絕熱量子還是有差別，量子的相十性在他們的運算過程中是不被強調(diào)的，個人認為，Dave的量子計算機是具有某些量子化特性但不全量子化的信息處理過程。

標準量子計算機，如果去掉量子化的部分，跟經(jīng)典的標準計算機沒有什么區(qū)別，經(jīng)典計算機所能做的它都能做。量子計算機加人量子之后，對于處理某些問題，如大數(shù)因式分解等具有一定的優(yōu)勢，但不是所有問題都有優(yōu)勢，可能還有一些新的我們還沒有發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢，但這還需要進一步的工作。真正全量子化的量子計算機未必能夠在近期做出來，那么近期我們也許可以先實現(xiàn)量子模擬。量子模擬也是很有意義的，比如要精確求解一個三體問題很難，現(xiàn)在計算機當然也可以完成，但是如果五體問題，十體問題，100體的呢，假設100個電子相互作用，對于這樣的問題，經(jīng)典計算機就不好做了。這種情況下，所謂量子模擬，如果我們用100比特模擬它們之間的相互作用，就是某一種物理過程的相互作用，根據(jù)模擬的過程和結果就可以知道這100個粒子相互作用一段時間之后會變成什么樣子。因此，即使現(xiàn)有量子計算機的比特不是那么多，或者在真正的大規(guī)模集成量子計算機做出來之前，量子計算或者量子模擬的研究也是可以解決一些實際問題的。

標準的量子計算模型事實上目前來看還是在摸索的階段，大家也不知道哪個物理體系特別好，哪個物理體系一定適合。就像當年經(jīng)典計算機的電子管還沒有做出來之前的那段狀態(tài)，更不要說到了晶體管這個階段。目前大家在不同的物理體系上面，或者同一個物理體系采用不同的方法可以做單比特的門，2比特的但是，如果把各個技術放到一起，這個目前還是很有困難的，可能在某一個體系，某一種方法做某一個事情，或某一點上，做得很好，但是把所有的技術融合在一起，目前還是很有困難的。

我們國家在量子通信，特別是量子密碼分發(fā)方面研究比較多，但量子計算方面，總體來看我們沒有像量子通訊那樣具有比較高的國際競爭力。我個人選擇半導體體系做量子計算有幾點考慮。我堅信信息的量子化過程不可避免?，F(xiàn)在的CPU或者信息處理都是基于晶體管做的，半導體晶體管集成起來就得到我們所說的芯片，或者說CPU是信息處理的基礎。摩爾定律告訴我們，晶體管越做越小，小到一定的程度，量子效應就無可避免，現(xiàn)在半導體芯片技術繼續(xù)發(fā)展必然會有一個量子化的過程，目前我們還在想各種辦法避免和克服這些逐漸顯現(xiàn)的量子效應。但越往后發(fā)展，量子效應越強，避免和克服這些量子效應的出路在哪里呢?我們?yōu)槭裁床环催^來充分利用這些量子效應呢?開發(fā)利用這些量子效應，這正好與量子信息領域的量子計算概念不謀而合。半導體產(chǎn)業(yè)和技術的發(fā)展正好為半導體量子計算的誕生奠定了良好的技術和產(chǎn)業(yè)基礎，而且半導體柵型量子點量子計算的操作是全電學的，與我們熟悉的經(jīng)典計算機運作模型類似。

信息的量子化的趨勢是無可避免的，就看你怎么樣量子化，或者在某一個時間到底量子化到什么程度。我們應該抱著一個樂觀開放的心態(tài)來迎接、參與、推動信息的量子化過程。

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4、高克林：原子光頻標

我從三個方面介紹光頻的精密測量研究。

第一個就是精密光頻測量的發(fā)展。我們知道精密譜測量與科學的發(fā)展是緊密相關的。舉一個例子來說:我們?nèi)祟愓J為理解最清楚的就是氫原子，因為氫原子只有一個電子，但是我們開展氫原子光頻的測量是從1920年開始的，而且到現(xiàn)在還在繼續(xù)。也就是說，我們?yōu)榱肆私庀嚓P的物理規(guī)律而對它的測量精度要求是沒有止境的。精密測量與物理學發(fā)展的關系有:氫原子的精密光譜是量子力學的奠基石之一;氫原子蘭姆位置和電子反常磁矩的測量導致量子電動力學和CPT守恒最早和最精密的檢測;原子頻標在地面上和火箭上的對比實驗，導致了廣義相對論預言的重力紅移的證實。由此可見:精密譜的測量精度的提高推動了當代科學技術的發(fā)展，同時推動了科學的發(fā)展。

我們知道，目前在所有的可測物理量中，頻率的測量是最精準的。如秒的定義在1967年為133Cs原子基態(tài)兩個超精細能級之間的躍遷所對應的輻射的9,192,631,770個周期所持續(xù)的時間。這是由于微波的測量技術發(fā)展得比較好?，F(xiàn)在由于光頻測量的迅速發(fā)展，大家正考慮未來的秒定義可能是原子光頻躍遷(光鐘)?，F(xiàn)在光頻測量的精度能達到多少?光梳的傳輸精度到達10-19量級，原子光鐘頻率不確定度是10-18(18位有效數(shù)值)。所以，頻率的測量是精密測量的前沿。

近年來，控制原子和激光的技術有了新的發(fā)展，出現(xiàn)了冷原子和超窄線寬以及飛秒光梳，導致了光頻的精密測量的飛速發(fā)展。光頻標準的精度超過了我們現(xiàn)在所用的微波標準。正在幫助人們實現(xiàn)更精準的時間標準的夢想。

那么，什么是原子光頻標?它由三部分組成:一是非常穩(wěn)定的原子體系，這就是冷原子?，F(xiàn)在用在原子頻標的原子有兩種，第一種就是囚禁的單個離子，第二種就是囚禁在光晶格里的冷原子團。二是探測冷原子光頻躍遷的激發(fā)源—激光器。因原子光頻的線寬往往小于赫茲量級。所以，激光的線寬應小于光頻的線寬。三是如何知道光頻標的特性，由于現(xiàn)在的標準在微波，我們需要一把很精準的尺子，這就是飛秒光梳。

光頻標的發(fā)展以囚禁離子為例(因我從事囚禁離子的工作)。世界上現(xiàn)在已開展的有：Hg,Sr,Yb,Ba,Ca,In,A1。其中精度最高的是A1離子。由于光頻標的精度已超過微波頻標，大家都在開展光頻標的比對，即兩個高精度光頻的測量。除了美國標準局的A1離子，2012年日本用兩個原子，一個是一維光晶格中銘- 87原子，一個是二維光晶格中的銘-88原子。兩個光頻標的比對測量精度到達10-17量級。

有了如此高精度的原子頻標，我們能做什么呢?首先，可能用來定義我們的時間頻率標準。在基本物理方面，在更高精度上檢驗物理定律和物理規(guī)律。例如，基本物理常數(shù)是不是不隨時間變化;相對論效應在更高精度上是否仍然成立。研究在更細微的物理里面有什么新的效應和新的現(xiàn)象，由此導致新的物理。而高精度光鐘在全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)和重力場測量等中的應用，會推動社會和經(jīng)濟的發(fā)展。

說了原子光頻標的意義和國際發(fā)展，我向大家匯報一下我們小組從事了10多年(確切地說，本人從事囚禁離子工作27年，開展單離子-光頻標12年)的囚禁冷卻Ca離子光頻標的工作。

首先，我們選擇了Ca離子體系，主要是因為它的能級比較簡單，而且所有的能級躍遷可用固體激光到達。Ca離子的量子態(tài)的制備和在量子信息和光頻標中都有一定的特色。

我們采用非標準的微型射頻(Paul)離子阱囚禁Ca離子。單個Ca離子的熒光信號用一般的光電倍增管測量。需要很好的抑制本底和噪聲，同時利用量子跳躍的方法。囚禁離子需要對囚禁場和外場的精密控制和調(diào)節(jié)。光頻標中最關鍵的是對激光的調(diào)控。對不同用途的激光我們有不同的要求，如冷卻用的激發(fā)光(397nm)和同泵光(866nm )。因為冷卻原子的激發(fā)態(tài)(P)能級是兆赫茲( 20MHz )，我們的激光線寬小于千赫茲( kHz)就行。還有激光的漂移的抑制，我們先采用腔和原子的光電流同時鎖定的方法，滿足了冷卻離子實驗要求，后來采用初穩(wěn)腔和比較腔的穩(wěn)頻方法，滿足光頻的鎖定實驗。而光頻躍遷的線寬為赫茲量級，這樣對激發(fā)光(729 nm)是一個挑戰(zhàn)。為此，我們設計和加工了一個由超低膨脹系數(shù)材料制備的細度極高的光學超穩(wěn)腔，把這個腔放在真空容器內(nèi)，然后進行溫度的精密控制以及振動抑制，通過細致的調(diào)節(jié)，把729nm的激光鎖定在腔的共振峰上。鎖定的激光頻率與離子的光頻躍遷頻率有一點差距，再用一套聲光移頻系統(tǒng)把它調(diào)到光頻上。穩(wěn)定鎖定時間從最開始的幾秒鐘，然后幾分鐘，再到幾天。你要測量窄線寬激光，只有通過有同樣精度的激光進行比對測量。為此，我們建立了半導體穩(wěn)頻的激光，兩者的拍頻測量結果為小于10Hz。

建立了囚禁用射頻離子阱和較穩(wěn)定的冷卻用激光系統(tǒng)，我們開展了單個離子的囚禁冷卻實驗。用電子束轟擊原子束使其電離，產(chǎn)生的離子由一定的電磁場囚禁，掃描激光的波長實現(xiàn)離子的冷卻。多個離子采用適當?shù)募訜岱绞剑苟嘤嗟碾x子逃離。剩下單個離子，單離子的信號非常弱，但可用量子躍遷的方法測量。經(jīng)過這么多年的努力，我們現(xiàn)在對離子可以控制得較好，囚禁的單離子可在阱中保存巧天。

如何測量單個囚禁和冷卻離子的光頻率呢?我們應有一個基準，這就是國際標準值(SI)。我們現(xiàn)在沒有艷原子頻標，只有氫原子鐘，而中國計量院現(xiàn)在有世界時，可否利用GPS比對的方法開展遠距離的比對測量呢?我們嘗試了這種方法。在2011年6月和7月進行了兩次分別為15天和17天的測量，由此給出了對氫鐘的校準。而原子的光頻率是應考慮物理和環(huán)境對它的影響的。在目前條件下，我們考慮所有可能的效應，主要包括運動、磁場、電場、溫度和引力的影響，為此得到了系統(tǒng)誤差表。加上統(tǒng)計誤差，給出了40 C a離子的光頻躍遷的頻率值，有效數(shù)為巧位。

這對我們是非常大的挑戰(zhàn)，因為目前對于多電子的原子體系，理論上很難計算得到頻率的準確值。所以，現(xiàn)在都得靠實驗，而頻標是通過比較大家的測量值取得一致后得到的。國際上已經(jīng)在2009年推薦了它的頻率測量值，這個值是來源于奧地利和日本兩家的實驗結果。我們的測量結果同這個推薦值是一致的。2012年我們向國際計量委員會推薦了我們的測量結果，最新的消息是我們的推薦值被國際接受了。經(jīng)過大家的努力，我們建立了一個光頻標，但我們的工作還是初步的。進一步的工作是什么?第一，我想還是關鍵技術的攻關:最重要的還是激光的穩(wěn)頻問題，這是很有挑戰(zhàn)性的。同時，激光的問題很多取決于電子學電路控制精度。第二，誤差分析，需物理思路和對外場的精確控制能力。第三，譜的精密測量。

人們?yōu)榱颂接懘笞匀坏囊?guī)律，對精密的追求是沒有止境的。究竟光頻測量的極限在哪里呢?能否考慮:把量子態(tài)的控制和我們的精密測量真正掛鉤，探討激光線寬的極限實現(xiàn);還有一些更細微的頻率漂移機理，能不能找到更合適的原子體系?如何把全球的光頻標連接起來，這些都是我們要討論的問題。

我談一點自己的想法?？煞窠⒁怨忸l作為“秒”的新定義?大家說可能2019年討論秒的新定義，我想也許可能還要早一點。所以，我們應更加努力地工作，爭取中國在時間/頻率標準方面有一定的話語權。另外，我們現(xiàn)在應建立時間/頻率傳遞系統(tǒng)。能否考慮單離子光頻標和冷原子光頻標各自的優(yōu)點和如何借鑒，由此突破原子光頻標的極限，并探索一些更細微的東西?