神经网络量子态及其应用

神经网络量子态是由人工神经网络所表示的量子态.得益于机器学习,尤其是深度学习近年来取得的突破性进展,神经网络量子态的研究得到了广泛的关注,成为当前的热点前沿方向.文章将介绍不同的神经网络量子态,其物理性质与典型应用场景,最新进展,以及面临的挑战.     

量子扩散通道中Wigner算符的演化规律

众所周知,量子态的演化可用与其相应的Wigner函数演化来代替.因为量子态的Wigner函数和量子态的密度矩阵一样,都包含了概率分布和相位等信息,因此对量子态的Wigner函数进行研究,可以更加快速有效地获取量子态在演化过程的重要信息.本文从经典扩散方程出发,利用密度算符的P表示,导出了量子态密度算符的扩散方程.进一步通过引入量子算符的Weyl编序记号,给出了其对应的Weyl量子化方案.另外,借助于密度算符的另一相空间表示-Wigner函数,建立了Wigner算符在扩散通道中演化方程,并给出了其Wigner算符解的形式.本文推导出了Wigner算符在量子扩散通道中的演化规律,即演化过程中任意时刻Wigner算符的形式.在此结论的基础上,讨论了相干态经过量子扩散通道的演化情况.     

量子态的非相干光时域测量

提出了利用非相干光实现对量子态的时域高分辨率测量的新方法.以测量Autler-Townes效应为例,通过对信号解析表达式的详细讨论,阐述了利用这种方法测量量子态的物理过程,揭示出被测量的演化规律及测量过程对量子态的影响.研究结果表明利用这种方法既可以有效地、高分辨地测量很小的量子态能级间距和很大的原子能级间距,同时又可以测量相干量子态的横向弛豫速率.通过对时域和频域测量方法的比较表明利用非相干光对量子态的时域测量可以全面揭示量子态演化信息. 关键词： 非相干光 量子态测量 Autler-Townes 效应     

弱测量对四个量子比特量子态的保护

廖湘萍等(Chin.Phys.B 23 020304,2014)指出弱测量和弱测量反转操作可以保护三个量子比特的纠缠,提高保真度.本文将弱测量方法推广至四个量子比特的情况,研究了几种典型四个量子比特量子态的演化.结果表明:在振幅阻尼通道中,弱测量方法能够有效地提高系统量子态的保真度.分析了影响量子态保真度的各种因素,对比了不同量子态的演化特征,划分了量子态保真度提高的敏感区域.最后,对弱测量方法抑制量子态衰减的内在机制做了合理的物理解释.     

一类两体三参量态的量子纠缠特性

讨论了一类三参量量子态的纠缠特性.计算了2(×)n量子系统该类态的concurrence,讨论了其形成纠缠度的下限.并计算了m(×)n量子系统(2≤m≤n)该类态的负值度,得到了解析表达式.研究表明参量θ=π/4时,该类量子态的纠缠达到最大值,并归结为已有文献研究的一类二参量量子态.对于2(×)n量子系统三参量量子态,其concurrence等于负值度,所有的PPT态都是可分离的,所有的NPT态都是纠缠的.对于高维情形,三参量态就没有类似的结论.     

编码于单个中性原子的单量子比特的量子层析

量子态层析和量子过程层析是刻画量子态和量子操作过程准确度的基本工具。本文主要对编码于二能级铯原子的单量子比特及其单量子操作进行了相关实验研究,对编码在铯原子钟态的量子态■进行了量子态层析分析,得到其保真度为0.97±0.02。我们还对单量子比特的门操作R_x(π)、■、R_y(π)、■、■进行了量子过程层析测量,得到量子门操作的平均保真度为0.96±0.03。我们对影响单比特态及其操作过程的保真度的因素进行了分析。     

基于量子算法的量子态层析新方案

在经典信息可有效制备为量子态和量子算法可物理实现的条件下,深入研究了量子算法如何有效改善基于线性回归估计的量子态层析算法的时间复杂度问题.在已有的量子算法基础上,形成了量子态层析的新方案.与现有的经典算法相比,本文所提方案需要引入量子态制备和额外的测量环节,但能显著降低量子态层析的时间复杂度.对于维数为d的待重构密度矩阵,当所用的量子算法涉及的矩阵的条件数κ和估计精度ε的倒数的复杂度均为O(poly log d),且所需同时制备的量子态数目规模是O(d)时,本方案可将量子态层析整体算法的时间复杂度从O(d~4)降为O(dpoly log d).     

基于袋鼠纠缠跳跃模型的量子状态自适应跳变通信策略

自由空间中的量子通信会不同程度上受到雾霾、沙尘等自然环境的干扰.为了研究提升此类干扰下量子通信的性能,本文分析了背景干扰下单量子态信道随时间演化的性能变化,并根据袋鼠纠缠跳跃模型(KEHM),提出了基于KEHM的量子状态自适应跳变通信策略,对其性能参数进行仿真.仿真结果表明,采取量子状态跳变,在背景量子噪声的平均功率与量子信号平均功率的比值为5的情况下,量子误比特率随着量子态跳频率从1增大到15,由0.4524降低到0.1116;当单量子态传输成功率0.95,量子比特率大于200 qubit/s时,不同态跳频率下量子比特的成功传输概率均大于0.97.当发送端信号源平均量子数足够大且接收端接收效率趋近于1时,量子态的通过率也趋近于1;采取量子态跳自适应控制策略,能够进一步降低系统的误码率.     

频率变化场J-C模型中的量子态保真度

利用Jaynes-Cummings模型,考虑场频率受微扰的情况,在旋波近似下研究了二能级原子与单模辐射场相互作用系统中量子态保真度的演化.利用数值计算方法给出量子态保真度随时间的演化曲线.研究了场频率随时间正弦函数形式变化对系统、光场和原子的量子态保真度演化的影响.结果表明:场频率随时间正弦函数形式变化对系统和光场的量子态保真度的演化的影响很小,但对原子的量子态保真度的演化有显著影响.     

利用Cluster State实现远程态制备

量子态是量子信息的载体，因此，从某种意义上说，量子信息过程就是量子态的传递和操作的过程。量子态的远程制备包括量子隐形传态（Telepotation）和远程态制备（Remote State Preparation（RSP））。远程态制备是一种利用纠缠和经典通讯传输量子态的简单方法，相比较量子态telepotation耗费的资源更少（1 ebit and 1 cbit）。Cluster State是一种特殊的量子态，在量子计算方案中有着广泛的应用。我们实验上利用SPDC产生的偏振纠缠双光子，加入时间比特，构造出Cluster State，并利用Cluster State实现了量子态的远程制备。     

量子直接传态

把一个任意量子态在既有噪声又有窃听的信道下安全可靠地传输,是一个广泛而重要的问题.现在已有的方法是先传输大量的Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)纠缠对,然后进行纠缠纯化,获得一对近似完美的纠缠对,再进行隐形传态或者远程态制备来传输量子态.本文给出一种直接安全传输量子态的方法,通过使用量子直接通信,安全地传输大量同样的任意量子态,然后利用单量子态的纯化方法,得到一个近于完美的量子态.这是一种不需要量子纠缠的量子态安全传输方法,避免使用纠缠资源.这种方案是量子隐形传态和远程态制备之外的又一途径.此外,这一方案将原来只是用来传输经典信息的量子安全直接通信扩展到传输任意量子态的新领域,扩大了量子直接通信的用途.这一方案将在未来量子互联网中有重要的应用.     

玻色-爱因斯坦凝聚原子与Schrodinger猫态相互作用系统中的保真度

利用全量子理论及量子信息保真度理论,研究了薛定谔猫态光场与玻色爱因斯坦凝聚原子相互作用系统中,量子态保真度随时间的演化特性.讨论了光场强度和玻色爱因斯坦凝聚原子间的耦合强度对量子态保真度的影响.结果表明:光场强度可调制量子态的保真效果,而原子间的耦合常数主要影响量子态保真度的振荡频率.     

玻色-爱因斯坦凝聚原子与Schrodinger猫态相互作用系统中的保真度

利用全量子理论及量子信息保真度理论,研究了薛定谔猫态光场与玻色爱因斯坦凝聚原子相互作用系统中,量子态保真度随时间的演化特性.讨论了光场强度和玻色爱因斯坦凝聚原子间的耦合强度对量子态保真度的影响.结果表明：光场强度可调制量子态的保真效果,而原子间的耦合常数主要影响量子态保真度的振荡频率.     

一种基于量子线路的支持向量机训练方案

本文针对支持向量机提出一种基于量子态内积的量子线路训练方案.该方案以量子基础力学理论为基础,通过量子化,生成支持向量机训练样本元素对应的量子态;以量子初始基态和对应的量子逻辑门为基础,构建可以实现训练样本元素量子态的量子线路;通过建立量子态内积与SWAP量子逻辑门之间的关系,采用量子态振幅的交换演化操作来实现量子态内积.验证结果表明,该方案不但使得支持向量机完成了正确分类,还针对该方案的量子部分实现了在真实量子计算机上运行,与经典算法相比,多项式程度上降低了算法的时间复杂度,扩展了支持向量机的训练思路.     

多光子激发相干态的Wigner函数

Wigner函数的负性是非经典量子态的重要判据之一.利用Fock态表象下Wigner函数的一般表达式,重构了相干态｜z〉的k光子激发态｜+k,z〉～a^－k｜z〉（k≥1）的Wigner函数,并根据其数值结果讨论了该量子态的非经典特性（这里a^－1为Bose湮没算符的逆算符,其作用相当于Bose产生算符）.结果表明,不论k取奇数还是偶数,相干态的这些k光子激发态都具有非经典特性;而且k的取值越大,这些量子态的非经典特性越明显. 关键词： 非经典量子态 激发相干态 Wigner函数 非经典特性     

连续变量量子态的光学操控

量子态的光学操控是指在光场的传输、存储和频率变换等过程中用光学方法对光场的量子态进行操作与控制.量子态操控是量子通讯及量子态制备和应用的基础.在简要介绍连续变量多组份纠缠态光场制备的基础上,概述基于多组份纠缠态光场的连续变量量子通讯网络及在执行压缩态和纠缠态光场操控方面的实验研究进展.     

脉冲信号作用下介观LC电路的量子效应

讨论了介观LC电路在外加脉冲信号作用下量子态的变化,指出当脉冲信号宽度是某个最小量的整数倍时,系统的量子态保持不变;最小量的值和电路参数有关 关键词： 介观LC电路 脉冲信号 量子态     

频率变化场多光子J-C模型中的量子态保真度

利用多光子J-C模型,考虑场频率随时间以正弦函数形式作小量变化,在旋波近似下,研究了二能级原子通过多光子跃迁与单模辐射场相互作用时的量子态保真度的演化。利用数值计算方法给出了量子态保真度随时间的演化曲线。研究结果表明:场频率随时间正弦函数形式的变化对系统和光场的量子态保真度的演化影响很小,但对原子的量子态保真度的演化具有显著的影响;原子的量子态保真度的演化受场频率变化的调制,场频率振荡的幅值u越大,调制作用越强,在场频率振荡的幅值u大于一定值后,量子态保真度将按场频率周期性的变化规律作周期性振荡;原子初始状态的分布对原子量子态保真度的演化也具有明显的影响。     

凝聚体中的拓扑量子态

探寻拓扑上非平庸的凝聚体物质状态,特别是其电子结构和输运性质,是当前凝聚体物理 学领域非常重要的前沿研究方向。本文讨论的大多数主题都与电子波函数的拓扑性质有关。全文 除简短的引言外,包括拓扑量子现象、各种拓扑相、拓扑性准粒子的异常输运性质、拓扑性集 体激发和耦合激发,以及继续发展的拓扑量子态研究五个章节。这些章节着重反映拓扑量子态研 究的各个侧面,汇总起来方可以凸显凝聚体中拓扑量子态的全貌。     

脉冲信号对介观RLC电路量子态的影响

研究了外加脉冲信号对介观RLC电路量子态变化的影响.结果表明：当电路参数一定时，通过控制脉冲信号参数的变化可以调节介观电路量子态变化的跃迁概率；而当脉冲信号宽度是某个最小量的整数倍时，系统的量子态保持不变.最小量的值与电路参数有关，但与脉冲信号幅度无关.电阻越大，保持系统量子态稳定的脉冲信号最小宽度则越宽. 关键词： 介观RLC电路 脉冲信号 量子态