单量子态的探测及相互作用

  量子力学诞生不仅加深了人们对微观世界运动规律的认识,而且极大地推动了现代科学和技术的迅猛发展。但是,迄今人们还不能在单粒子的水平彻底认识在复杂环境中的、具有内部相互作用的多粒子系统的全部量子特性,特别是对单量子态精密检测和相互作用的研究还比较薄弱。这不仅影响了以量子力学为核心的当代物理学的实质性发展,而且也影响了其他学科的跨越式进步。近年来,随着实验精度和技术控制能力的不断提高,人们能够构筑一些新型单量子态体系和复杂的量子结构,并直接探测其量子特性。这方面的研究以及它与信息、材料、能源和化学学科的交叉发展孕育着重大的科学突破。

  单量子态,是单光子、单电子、单原子、单分子、凝聚态物质中的准粒子等单粒子系统的量子态,以及多粒子聚集在同一个微观态时所形成的宏观量子态(如玻色-爱因斯坦凝聚态、超导或超流量子态)等。本重大研究计划旨在通过物理、化学等手段制备相关的材料和体系,构筑这样的单粒子量子态和宏观量子态,并直接探测其丰富的量子效应。项目的目标在于理解和掌握量子态的特性及其量子相干过程的基本规律,发展新的量子器件构筑技术和量子探测手段,探索在信息和能源技术中的潜在应用,提升我国在物理、化学、信息等领域基础研究的水平,解决国家重大需求中的一些基础科学与关键技术问题。

一、科学目标

  (1)发展制备相关材料和体系的物理、化学方法和技术,构筑高品质量子结构。开拓与发展新的精密测量方法,在单量子态水平上理解有关现象和物理过程的机理。通过对单量子态探测及量子态间相互作用研究,发现若干新奇量子效应。

  (2)为量子效应在信息、能源与环境等重大科学问题研究中的应用提供坚实的物理基础,为国民经济的跨越式可持续发展和国家安全提供基础性和前瞻性的科学技术储备。

  (3)逐步形成具有国际影响的学派,同时造就出一支高水平的、结构合理的研究队伍,特别是培养一批精于实验科学的优秀青年学者,提升我国实验科学的竞争力和地位。

二、核心科学问题

  1.相关材料的物理、化学制备,构筑单量子态体系

  2.单量子态体系的特性及其精密探测

  3.量子态与环境以及量子态之间的相互作用

  4.量子态相互作用的建模与数值计算

三、2012年度重点资助的研究方向

  2012年度本重大研究计划鼓励科学家在以下资助方向内选择具体科学问题,开展创新性研究。

  1.单量子态体系的构筑

  单电子态、单光子态、单自旋态、单分子的振动和转动量子态、轨道量子态等单量子态的构筑与相关材料的制备;超冷原子、超冷分子体系的新现象、新效应。

  2.单量子态的精密探测的新原理、新方法

  单原子、单分子尺度上的时间、空间和能量高分辨高灵敏的能谱学和光谱学的原理和技术;自旋分辨的能谱、波谱、扫描探针及其综合探测方法;单分子的振动、转动和自旋单量子态的测控及其超快动力学。

  3.量子态间的耦合及与环境的相互作用

  受限体系中的耦合和纠缠量子态的制备与探测;不同分子量子态化学反应和能量传递通道的选控;量子比特的集成和相干操纵;表面等离激元的产生、传输及与单量子态的相互作用;单量子态的外场操控。

  4.凝聚态物质中的宏观量子效应

  宏观量子体系中的新现象、新效应的探索;新型宏观量子体系的制备与表征;多种有序态竞争及量子相变、量子霍耳效应与拓扑激发;表面/界面单量子态的新量子效应与量子输运。

  5.量子态相互作用的建模与数值计算

  单量子态及其相互作用的基本规律及其理论;与单量子态制备、检测与特性相关的理论模型与计算方法;超越单粒子近似的新的计算方法。

  2012年度拟安排项目经费约4 000万元。“重点支持项目”资助强度约为350万~400万元/项,资助期限为4年;“培育项目”平均资助强度约为80万元/项,资助期限为3年。

  2011年度本研究计划共受理申请53项,其中“培育项目”32项,“重点支持项目”21项。经专家评审,有16个“培育项目”、7个“重点支持项目”获得资助,资助总经费3 650万元。本重大计划自启动以来,已资助3批项目。根据已资助项目总体情况,将重点关注:①拓扑绝缘体的研究;②单光子态的制备、探测与操控;③宏观量子效应与信息科学的结合;④单分子、单量子态与化学领域的结合等方面的进展和研究成果。对于有可能取得重大成果的项目将给予进一步重点扶持。对于研究内容与本重大研究计划目标密切关联,但尚未承担本重大研究计划项目的研究团队,欢迎参与本重大研究计划。根据需要,指导专家组将对其申请的方式进行专门辅导。

  2012年度本重大研究计划既资助新申请项目,也加强对已获得资助项目的集成,其中60%的经费用于资助新申请项目,40%的经费用于已获得资助项目的集成。

四、遴选项目原则

  (1)立足实验,密切围绕单量子态体系的材料制备与探测的新概念、新方法;

  (2)能有力推动国内实验工作发展的理论与模拟;

  (3)具有创新学术思想和合理的技术路线;

  (4)具有相关研究的基础条件和工作积累;

  (5)能够加速重大研究计划总体进展和对认识核心科学问题起重要作用。

五、申请注意事项

  (1)申请人在撰写申请书前,应当认真阅读本《指南》。拟开展的研究应当针对本年度重点资助的研究方向,体现重大研究计划“创新性、基础性、前瞻性、交叉性”的研究特征,突出有限目标和重点突破,明确对实现研究计划总体目标和解决核心科学问题的贡献。不符合《指南》的申请将不予受理。

  (2)根据重点资助的研究方向,申请人可自主拟定项目名称、科学目标、研究内容、技术路线和相应的经费预算。

  (3)申请书资助类别选择“重大研究计划”,亚类说明选择“培育项目”或“重点支持项目”,附注说明选择“单量子态的探测及相互作用”(以上选择不准确或未选择的项目申请将不予受理)。根据申请的具体研究内容选择相应的申请代码,即可选择数理科学部、化学科学部、工程与材料科学部和信息科学部相应研究领域的申请代码。

  (4)申请书由数理科学部负责受理。


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