项目名称： 量子开系统方法及其在量子信息的应用

推荐单位： 中国科学院

项目简介： 量子物理是当代科学发展的基石，多次引发高技术革命。它与信息科学结合，产生了交叉学科-量子信息，为突破计算机芯片的尺度极限提供了全新的解决思路。孙昌璞1987年开始对量子开系统理论等量子物理问题进行了前瞻性、基础性和系统性研究，契合了量子信息的发展， 因而10年后孙昌璞能够在量子信息物理基础方面取得创新性的研究成果。

孙昌璞已发表SCI论文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）。他关于q变形玻色子的工作单篇引用超过300次（SCI 引用256次），是国际上这方面三篇开创性文章之一，入选斯坦福大学统计的《引用最多的数学物理论文》（排名第51），获得美国ISI《经典引文奖》。1995年，美国《科学》专刊评价中国科学发展，提及这个研究。他17年前开始的量子绝热近似和诱导规范场的研究，由于冷原子实验的新进展，2005年后重新引起重视。在此方向上，孙昌璞等提出了通过诱导规范场的斯特恩-盖拉赫效应分离手征分子的物理方案。英国《物理世界》头版报道并评论了这个工作。他2006年关于量子相变动力学敏感性的工作，由于联系了量子测量、量子混沌和凝聚态物理等不同物理领域，引起国际同行的重视。

其主要学术成果包含：1. 提出了q变形玻色子概念并给出杨-Baxter方程新型解的量子群构造，发现其低能集体激发的微观解释，发展了基于集体准自旋波激发的量子存储方案；2、提出了量子绝热近似高阶修正方法和推广的玻恩-奥本海默近似，发现了诱导规范场的可观测效应。基于量子比特绝热操纵，研究了固态量子比特的相干集成、纳米机械冷却和约瑟芬森结量子计算的问题，指出了可变耦合自旋链单粒子谱具有可公度性，从而可实现完美的量子态传输。 3. 建立了量子退相干的因子化模型和自洽的量子测量理论。 发现了处于临界点的自旋链具有量子混沌特性活动力学敏感性，与之耦合的外部系统会发生退相干增强效应,并被最近的实验证实。

主要发现点： 1.核心发现点(量子力学;数学物理;交叉及边缘学科):

A 、Q变形玻色子及其低能集体激发微观解释(代表论文1;2): 孙昌璞等独立地提出q变形玻色子的概念,首先实现了SU（n）量子代数的约当-许温格表示从而在q 是单位根情况下,给出了杨-Baxter方程新型解的量子群构造.通过原子系综的有限低能集体激发(可以用做光子态的量子存储),给出了这种q变形玻色子对易关系的微观解释.由于对抽象的量子群给出了物理学家熟知的二次量子化描述,这个工作当即在国际上引发了一系列量子群物理应用方面的工作，例如唯象地描述变形核的能谱和多原子分子振动谱.

B、高阶量子绝热近似和诱导规范场(代表论文3,4):孙昌璞等结合几何相位因子的概念,针对参数缓变的开系统,提出了量子绝热近似高阶修正方法,并用它解决了密度剧烈变化物质里中微子振荡共振增强问题.他还发现,自旋自由度和空间自由度的分离也可以采用玻恩-奥本海默近似方法处理,其中导致的诱导规范场在实验上具有可观测效应.16年后,在磁约束冷原子实验中,人们关注孙昌璞等预言的这种效应.最近,孙昌璞等在此基础上提出的利用诱导规范场斯特恩-盖拉赫实验分离手征分子的理论方案,得到了英国《物理世界》头版报道并重点评论.

C、量子退相干的普适性和其量子相变增强效应 (代表论文5,6):基于1993年针对量子测量提出的因子化模型,孙昌璞等建立了自洽的量子退相干模型,针对量子计算退相干的环境模型普适性,他们证明,不同环境模型(谐振子或二能级系综等)具有相同的因子化结构,不影响退相干的幅度,但影响退相干因子的位相.他们还发现,自旋链在量子相变的临界点系统具有动力学的不稳定性-量子混沌,与之相纠缠的外部系统会发生退相干增强效应.这个工作发表后立即得到了不同领域物理学家的关注.此理论预言被最近德国小组的 NMR实验证实.

2.其他重要发现点(量子力学;交叉及边缘学科):

A 、准自旋波量子存储(代表论文7,8):基于原子系综集体激发,提出了利用光格子中原子的准自旋波作为量子记忆体的设想，由此克服空间运动导致的量子退相干效应.他发现了这种光与原子系综相互作用系统中的隐藏对称性,从而构造了所有的简并本征函数,得到相应的的绝热选择定则.把这种开放系统对称性分析应用到双光子共振情况,在群速度和吸收色散方面得到与实验一致的理论结果.

B、固态量子比特的量子绝热操纵和量子信息传输(代表论文9,10) 针对量子信息物理实现急需解决的关键问题,孙昌璞等系统研究了约瑟芬森量子比特绝热操纵和各种固态量子比特的相干集成的理论问题.他们证明,自旋之间特定的可变人工耦合可以使得自旋链(或阵列)的单粒子谱具有可公度性,由此可实现完美的量子态传输.为了使作为量子数据总线的纳米机械谐振器量子特性充分表现出来,孙昌璞等基于电荷量子比特与纳米机械谐振器的耦合,提出了一种新的冷却机制,可以克服反馈控制和边带冷却等初态的平均声子数很大时才是有效的困难.

主要完成人： 孙昌璞

提出并选择了正确和适当研究方向，在思想框架，理论方法和有关的应用研究中做出了主要贡献（核心发现点和其他重要发现点贡献70% 以上 ）。