广义量子干涉原理及对偶量子计算机

我们综述最近提出的广义量子干涉原理及其在量子计算中的应用。广义量子干涉原理是对狄拉克单光子干涉原理的具体化和多光子推广,不但对像原子这样的紧致的量子力学体系适用,而且适用于几个独立的光子这样的松散量子体系。利用广义量子干涉原理,许多引起争议的问题都可以得到合理的解释,例如两个以上的单光子的干涉等问题。从广义量子干涉原理来看双光子或者多光子的干涉就是双光子和双光子自身的干涉,多光子和多光子自身的干涉。广义量子干涉原理可以利用多组分量子力学体系的广义Feynman积分表示,可以定量地计算。基于这个原理我们提出了一种新的计算机,波粒二象计算机,又称为对偶计算机。在原理上对偶计算机超越了经典的计算机和现有的量子计算机。在对偶计算机中,计算机的波函数被分成若干个子波并使其通过不同的路径,在这些路径上进行不同的量子计算门操作,而后这些子波重新合并产生干涉从而给出计算结果。除了量子计算机具有的量子平行性外,对偶计算机还具有对偶平行性。形象地说,对偶计算机是一台通过多狭缝的运动着的量子计算机,在不同的狭缝进行不同的量子操作,实现对偶平行性。目前已经建立起严格的对偶量子计算机的数学理论,为今后的进一步发展打下了基础。本文着重从物理的角度去综述广义量子干涉原理和对偶计算机。现在的研究已经证明,一台d狭缝的n比特的对偶计算机等同与一个n比特+一个d比特(qudit)的普通量子计算机,证明了对偶计算机具有比量子计算机更强大的能力。这样,我们可以使用一台具有n+log2d个比特的普通量子计算机去模拟一个d狭缝的n比特对偶计算机,省去了研制运动量子计算机的巨大的技术上的障碍。我们把这种量子计算机的运行模式称为对偶计算模式,或简称为对偶模式。利用这一联系反过来可以帮助我们理解广义量子干涉原理,因为在量子计算机中一切计算都是普通的量子力学所允许的量子操作,因此广义量子干涉原理就是普通的量子力学体系所允许的原理,而这个原理只是是在多体量子力学体系中才会表现出来。对偶计算机是一种新式的计算机,里面有许多问题期待研究和发展,同时也充满了机会。在对偶计算机中,除了幺正操作外,还可以允许非幺正操作,几乎包括我们可以想到的任何操作,我们称之为对偶门操作或者广义量子门操作。目前这已经引起了数学家的注意,并给出了广义量子门操作的一些数学性质。此外,利用量子计算机和对偶计算机的联系,可以将许多经典计算机的算法移植到量子计算机中,经过改造成为量子算法。由于对偶计算机中的演化是非幺正的,对偶量子计算机将可能在开放量子力学的体系的研究中起到重要的作用。     

腔QED中超导量子干涉仪概率克隆机的物理实现

提出一个量子概率克隆机的物理实现方案,该方案首先将高Q腔中的两个超导量子干涉仪分别作为初始比特和目标比特,腔模作为测量比特,通过腔模和经典微波脉冲与超导量子干涉仪的多种相互作用实现量子概率克隆机的幺正演化;然后将腔模态映射到另一个超导量子干涉仪上,通过对该超导量子干涉仪磁通量的测量完成状态坍缩,从而以最优的成功概率实现量子态的精确克隆.本方案采用双光子拉曼共振过程加快单比特门的操作速率,并且总操作时间远小于自发辐射和腔模衰变时间,因而在实验上是可行的.     

核磁共振量子计算机与并行量子计算(续)

2　核磁共振量子计算机2 .1　量子计算机物理实现的基本要求量子计算可以分三个步骤 ;第一是对体系进行初始化 ,将其制备成计算所需要的输入状态 ;第二是对量子体系进行操作 ,也就是对之进行幺正变换 ,让它按照实际要求进行演化 ,这就是量子计算的过程 ,是整个量子计算的核心 ;第三是正确读出运算结果 .因此 ,对做量子计算的物理体系的要求是 :(1 )有一个合适的 2能级体系来作为量子比特 ,这些量子比特可以被很好地表征 ;(2 )能够将体系进行初始化到一个所需要的量子态上 ,如| 0… 0〉 ;(3 )各量子位之间应存在合适的相互作用类型 ,而且可以…     

量子存储式量子计算机与无噪声光子回波

量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码.以往的研究表明,攻破广泛使用的2048位RSA密码所需要的量子比特数目在2000万左右,远远超出了目前的技术水平.近期法国研究人员提出,如使用配备了多模式量子存储的量子计算机,则只需要1.3万个量子比特即可攻破2048位的RSA密码.这一研究把量子存储器的应用推广到量子计算领域,为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线.量子存储式量子计算机需要微波段的量子存储器,这是目前亟待开发的新技术.基于对量子存储过程中原子辐射本质的分析,近期我们提出了无噪声光子回波方案,成功解决了光子回波的自发辐射噪声难题,有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机中.     

核磁共振量子计算机与并行量子计算

在本文，我们首先回顾了量子计算的发展历史，阐述了核磁共振量子计算的原理．在叙述了利用有效纯态方法进行核磁共振量子计算之后，我们阐述了利用混合态进行核磁共振的量子计算的方法．首先是刘维尔量子计算方法，它是由Madi，Brushweiler，Ernst等人1998年提出的，在这一模式中，可以对搜索算法进行加速算法，Brushweilet。提出了一个指数速度的搜索算法．我们在3个比特的量子计算机中实现了这一搜索算法．我们在这一模式中提出了一个只需要一次搜索即可找标记物的直接拿取算法，并且在7个比特的核磁共振的量子计算机中实现了这一直接拿取算法．本文提出了在一个核磁共振量子计算机，或者更一般地一个系统量子计算机中实现多个量子计算机的并行计算．我们着重对量子搜索算法和Shor。的大数分解算法进行了并行实现．在并行量子计算中，一部分量子比特处在纯态，一部分量子比特处在混合态．如果所有的量子比特都处在纯态上，则就是有效纯态量子计算，如果所有的量子比特都处在混合态上，则就是刘维尔量子计算．在这两个极限中间，相当于2个到N／2个量子计算机的并行计算．量子搜索方法可以很有效地进行并行计算，而Shor算法则只能在小的范围内进行并行计算．     

基于单光子双量子态的确定性安全量子通信

量子通信是量子科学技术的一个重要研究领域,是一种利用量子力学原理,能够在合法各方之间安全地传输私密信息的通信方式.基于单光子的确定性安全量子通信通常需要在发送方和接收方之间来回两次传输单光子态,并利用局域幺正变换加载信息.本文提出了一种单向传输单光子态的确定性安全量子通信方案.发送方利用单光子的极化和time-bin两自由度构成的两组共轭基矢量来编码经典逻辑比特.接收方通过设计合适的测量装置可以在发送方辅助下确定性地获取比特信息并感知窃听,从而实现信息的确定性安全传输.另外,我们的协议使用线性光学元件和单光子探测器,可以在当前的量子通信装置上实现.     

非简并双光子Jaynes-Cummings模型腔场谱中的量子干涉

研究了两模二项式光场与二能级原子在高Q腔中发生双光子相互作用过程的腔场谱,给出了弱初始场条件下腔场谱的数值计算结果,讨论了两模腔场谱间的量子干涉.结果表明:两模腔场谱间的量子干涉随着频差的增大而呈现出周期性的衰减振荡,其振荡周期约为0·16g(g为原子与光场的相互作用强度系数),频差大于1·6g时干涉效应已经很弱.量子干涉还与初始场强度有关,随着初始场最大光子数的增加,量子干涉效应逐渐增强,但当光子数大于4时,干涉效应迅速减弱,当最大光子数大于6时,量子干涉现象几乎消失.     

量子计算机理论中的量子叠加和量子纠缠

讨论了量子计算、量子通讯与量子计算机中的核心问题 量子叠加和量子纠缠. 从量子态表示量子信息为出发点, 指出有关量子信息的所有问题都可采用量子力学理论来处理. 其中信息的演变遵从薛定谔方程, 信息的传输就是量子态在量子通道中的传送, 信息处理就是量子态的幺正变换, 信息提取则是对量子系统实行量子测量.     

利用费曼路径积分理论分析多光子干涉

将费曼路径积分理论引入量子力学教学,用来分析光子干涉现象.对非简并的两光子和三光子干涉的关联函数进行了推导,并对干涉结果进行了模拟.模拟结果显示,非简并的多光子干涉是多光子聚束和量子拍效应叠加的结果.     

量子信息讲座第一讲 量子计算机

量子力学和计算机理论，这两个看起来互不相关的领域，其结合却产生了一门富于成效的学科：量子计算机．文章介绍了量子计算机的基本概念和历史背景，它相对于经典计算机的优越性，它的构造和实验方案，以及实现量子计算的困难及其克服途径，最后展望了量子计算机的发展前景     

General Quantum Interference Principle and Duality Computer

In this article, we propose a general principle of quantum interference for quantum system, and based on this we propose a new type of computing machine, the duality computer, that may outperform in principle both classical computer and the quantum computer. According to the general principle of quantum interference, the very essence of quantum interference is the interference of the sub-waves of the quantum system itself. A quantum system considered here can be any quantum system: a single microscopic particle, a composite quantum system such as an atom or a molecule, or a loose collection of a few quantum objects such as two independent photons. In the duality computer, the wave of the duality computer is split into several sub-waves and they pass through different routes, where different computing gate operations are performed. These sub-waves are then re-combined to interfere to give the computational results. The quantum computer, however, has only used the particle nature of quantum object. In a duality computer, it may be possible to find a marked item from an unsorted database using only a single query, and all NP-complete problems may have polynomial algorithms. Two proof-of-the-principle designs of the duality computer are presented: the giant molecule scheme and the nonlinear quantum optics scheme. We also propose thought experiment to check the related fundamental issues, the measurement efficiency of a partial wave function.     

Duality Computing in Quantum Computers

In this letter, we propose a duality computing mode, which resembles particle-wave duality property when a quantum system such as a quantum computer passes through a double-slit. In this mode, computing operations are not necessarily unitary. The duality mode provides a natural link between classical computing and quantum computing. In addition, the duality mode provides a new tool for quantum algorithm design.     

Allowable Generalized Quantum Gates

In this paper, we give the most general duality gates, or generalized quantum gates in duality quantum computers. Here we show by explicit construction that a n-bit duality quantum computer with d slits can be simulated perfectly with an ordinary quantum computer with n qubits and one auxiliary qudit. Using this model, we give the most general form of duality gates which is of the form ∑i=0^d-1piUi,and the pi ＇s are complex numbers with module less or equal to 1 and constrained by｜∑iPi｜≤1.     

半导体量子器件物理讲座：第五讲 弹道输运器和量子干涉器件

当器件的尺度小型与电子的平均自由程相当时,电子的输运可以看作弹道输运。文章介绍了隧穿热电子晶体管输运放大器和电子能谱仪两种工作模式下的工作原理以及用共振隧穿热电子晶体管做成的记忆器,如果器件的尺寸进一步减小,电子的波动特性也必须考虑,文章介绍了研究这种器件中的输运特性的方法及量子干涉晶体管和量子反射晶体管的工作原理。     

Duality Computing in Quantum Computers

In this letter, we propose a duality computing mode, which resembles particle-wave duality property when a quantum system such as a quantum computer passes through a double-slit. In this mode, computing operations are not necessarily unitary. The duality mode provides a natural link between classical computing and quantum computing. In addition, the duality mode provides a new tool for quantum algorithm design.     

量子Zeno效应新论

本文根据量子力学的基本原理和量子测量理论给出了量子Ｚｅｎｏ效应的简要证明，阐明了该效应的物理基础，指出了该效应与系统ＣＰ破坏的关联。     

SPECIAL LINE-SHAPES OF TWO-PHOTON TRANSITIONS IN A Y-TYPE FOUR-LEVEL SYSTEM BASED ON QUANTUM INTERFERENCE

The experimentally observed special line-shape induced by the interaction between two counter-propagating equal-frequency fields and an Y-type four-level system with two mixed upper levels has been analyzed theoretically. Serious line-shape variations of the two-photon transitions due to the quantum interference are discussed and predicted.     

计算的量子飞跃

利用量子力学的迭加和纠缠等特性进行的量子计算是计算技术的巨大飞跃。它能够比经典计算远为有效地解决一些问题。例如最为著名的Ｓｈｏｒ的算法原则上能够以多项式的时间因子化大的合数,从而使得经典计算机难以计算的这一问题得以解决。文章介绍了至今所发现的主要量子算法的基本原理和步骤,并且概述了量子计算的优越性、现状和发展前景,同时讨论了量子计算在物理学上的应用和意义。     

量子信息讲座 第五讲 量子克隆与量子复制

量子态不可克隆体现了量子力学的固有特性,它是量子信息科学的重要基础之一．文章简要介绍了量子不可克隆定理的物理内容以及量子复制机的基本原理,通过幺正坍缩过程我们构造了一种概率量子克隆机,并论证所有线性无关的量子态都可以被概率量子克隆机克隆