量子信息讲座读讲 第一讲 量子计算中的因子分解

因子分解对所有的现行计算机而言是难解的。这是现在通用的公共加密系统的基础。文章介绍了在量子计算机上的进行的Shor量子算法,即利用量子态的相干叠加和纠缠特性以及量子逻辑门实现量子计算的方法;并着重从理论原理和实验实现忱两方面说明利用余因子函数和离散傅里叶变换使这种量子算法对因子分解是有效的。     

量子信息讲座续讲 第一讲 量子计算中的因子分解

因子分解对所有的现行计算机而言是难解的 .这是现在通用的公共加密系统的基础 .文章介绍了在量子计算机上进行的Shor量子算法 ,即利用量子态的相干叠加和纠缠特性以及量子逻辑门实现量子计算的方法 ;并着重从理论原理和实验实现这两方面说明利用余因子函数和离散傅里叶变换使这种量子算法对因子分解是有效的 .     

非对称自旋-轨道耦合系统的多体量子相干含时演化

本文以具有非对称性自旋相互作用的三体自旋系统为研究对象,重点研究了三体量子相干含时演化规律.采用精确量子对角化和基于量子主方程的数值模拟方法,讨论了三体量子系统中多种量子相干组分及其退相干.研究发现,量子相干组分的含时演化与整个系统的初态量子特性紧密相关.当初态为可分离纯态时,在较短时间内,非对称相互作用有利于增加多体量子相干度.这些量子相干度因受噪声影响而逐渐衰减.当初态为类Werner态时,量子相干度的分布满足加和性,即三体量子相干度等于所有两体量子相干度之和.自旋之间非对称相互作用和环境噪声都会引起三体量子相干度大于所有两体量子相干度之和.这些结论有助于多体量子资源的制备.     

量子相干

量子相干不仅是量子力学中的一个基本概念,同时也是重要的量子信息处理的物理资源.随着基于资源理论框架的量子相干度量方案的提出,量子相干度的量化研究成为近年来人们关注的一个热点问题.量子相干作为一种物理资源也十分脆弱,极容易受到环境噪声的影响而产生退相干,因此开放系统中的量子相干演化和保持也是人们广泛关注的课题.另外,量子相干在量子多体系统、量子热动力学、量子生物学等领域也有着潜在的应用价值.本文介绍量子相干度量的资源理论框架和基于该框架定义的相对熵相干性、l1范数相干性、基于量子纠缠的相干性、基于凸顶结构的相干性和相干鲁棒性等量子相干度量函数,概述开放系统中量子相干演化的动力学行为、典型信道的量子相干产生和破坏能力以及量子相干的冻结等现象,同时例举量子相干在Deutsch-Jozsa算法、Grover算法以及量子多体系统相变问题研究等方面的重要应用.量子相干研究仍处于快速发展之中,期望本综述能为该领域的发展带来启示.     

电路量子电动力学中基于超绝热捷径的控制相位门实现

针对绝热算法在系统演化过程中需要较长操作时间的问题,本文提出了电路量子电动力学系统中基于超绝热捷径的两量子比特控制相位门的快速制备方案.首先将量子比特的能级进行编码,针对不同初始态分类讨论,获得系统的有效哈密顿量.通过反绝热驱动,推导出系统有效哈密顿量的修正项,以抑制不同本征态之间不必要的跃迁,从而获得了高保真度的基于超绝热捷径控制相位门.数值模拟验证了本方案的有效性,最终保真度为0.991.所提方案可以加速演化,并且比绝热通道更有效.此外,本方案对谐振器的衰减和超导量子比特的退相干具有鲁棒性.通过对谐振腔的泄漏、量子比特的自发辐射和退相位的影响分析,得到的系统最终保真度始终保持在0.984以上.     

纠缠比特在不同噪声环境和信道下演化规律的实验研究

量子信息技术主要基于量子纠缠,量子纠缠源作为重要的相干叠加态,其相干性很容易受到环境的影响而变得非常脆弱,甚至导致量子信息处理的失败.因此,全面揭示不同噪声环境和不同噪声信道下量子纠缠源演化规律,进而探寻抑制退相干的方法就显得至关重要.本文以量子信息最基本的单元-两比特纠缠对作为研究对象,实验上利用线性光学系统模拟了比特翻转和相移噪声(集体和非集体),研究了纠缠源在不同噪声环境及单、双和混合噪声信道下保真度的变化规律.实验结果表明:对同一种噪声类型,当纠缠比特经过双通道噪声环境时,其纠缠特性破坏得快;当纠缠比特经过非集体环境时,其纠缠特性消失得快.对不同噪声类型比较,结果表明比特翻转噪声相对于相移噪声更容易破坏纠缠特性.所得结论对纠缠退相干的理论和实验研究具有重要的借鉴意义,同时对基于非线性光学系统的量子信息处理技术具有重要的应用价值.     

量子计算算法介绍

量子计算机利用量子力学原理进行计算,具有量子并行计算的优势,能够超越经典计算1990年中期,量子算法取得突破,舒尔(Shor)构造了大数质因子的量子算法,葛洛沃(Grover)构造了无序数据库的量子搜索算法,引起了人们对量子计算的重视,极大地推动了量子计算的研究.文章简单介绍了几个典型的量子算法以及量子算法研究的一些新进展.     

噪声对一种三粒子量子探针态的影响

量子度量学是研究量子测量与统计推断的一门学科,主要利用量子手段来提高参数估计的精度,在量子信息处理与测量中起到关键作用.量子参数估计的一般过程包含四个步骤:探针态的制备、参数化过程、对参数化后的输出态进行测量以及根据测量结果估计待测参数.其中探针态的选取对测量精度起着至关重要的作用.然而在实际的量子探针态的制备过程中,初始探针态会受到环境噪声的影响.目前人们已经研究了W态与Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的量子Fisher信息(QFI)在典型噪声通道下的变化行为.由于W态与GHZ态有着不同的纠缠性质,对于W态与GHZ态的叠加态的QFI动力学研究具有重要的实际意义.故此,本文主要研究典型噪声通道对这两种状态的叠加态的QFI动力学行为的影响,得出了QFI随噪声参数的变化行为.结果表明,叠加态中W态组分可明显对抗相位阻尼噪声对探针态的QFI的影响,而其中的GHZ态组分可明显对抗振幅阻尼噪声的影响,从而为在实际环境中选取高精度的参数估计过程提供参考.     

基于腔QED的隐形传送四比特团簇类态方案

本文提出了一个基于腔QED的隐形传送四比特团簇类态方案,在该方案中选用两个GHZ纠缠对作为量子通道,通过对原子和腔场的大失谐作用以及外加强经典场的辅助,可以制备纠缠的量子通道,完成联合的三粒子测量,成功地实现隐形传送四比特团簇类态。结果还表明,此方案不受腔场退相干和热场的影响.     

三维传输子量子比特的退相干参数表征

超导量子比特的退相干时间是决定超导量子计算能否实现的重要指标之一. 文章以三维传输子量子比特(3D transmon)为研究对象, 在氧化硅衬底上制备了三维传输子量子比特, 并在超低温下(10 mK), 采用拉比振荡(Rabi oscillation)、能量弛豫(energy relaxation)、 拉姆齐条纹(Ramsey fringe)、自旋回波(spin echo)的方法, 对其进行了详细的退相干时间常数表征. 结果显示该量子比特的退相干时间在几百纳秒. 根据几种退相干时间的关系进行计算, 可以看出, 低频噪声目前不是影响量子比特退相干的最主要因素, 而氧化硅中的缺陷可能是样品退相干时间的主要瓶颈. 关键词： 三维传输子量子比特 拉比振荡 拉姆齐条纹 自旋回波     

LA声子对激子qubit纯退相干的影响

在一个抛物量子点中,以激子的真空态和基态作为量子比特(qubit),采用求密度矩阵元的方法,计算了由形变势下声学声子引发的激子量子比特纯退相干.找到了激子量子比特纯退相干因子对时间、温度和量子点受限长度的依赖关系.研究发现,激子量子比特的退相干因子在2.5ps的时间范围内随时间的增加而迅速增加,其纯退相干时间在ps量级;在温度即使为绝对温度0K时由LA声子引发的退相干依然存在,在温度大于3K后退相干因子随温度的增大而开始迅速增大;并同时发现量子点受限长度对退相干因子有重要影响,激子越受限退相干越快.研究结果表明,对激子量子比特使用适当大小量子点,且保持环境低温,并采用低能超快光学操作可以有效地抑制声子对激子量子比特纯退相干的影响. 关键词： 量子点 量子信息 量子比特     

量子Harper模型的量子计算鲁棒性与耗散退相干

运用量子轨迹和量子Monte Carlo仿真的方法，研究耗散退相干对周期驱动的量子Harper (quantum kicked Harper, QKH)模型量子计算的影响.数值仿真结果表明，一定强度的耗散干扰将破坏QKH特征状态的动态局域化以及相空间的随机网结构.以相位阻尼信道噪声模型为例分析了保真度的衰减规律以及可信计算时间尺度.与静态干扰相比，在干扰强度小于某一阈值时，耗散干扰下的可信计算时间尺度随量子比特的增加而快速下降；而在干扰强度大于该阈值时，静态干扰下的可信计算时间尺度下降更快.     

星图上的散射量子行走搜索算法

量子行走是一种典型的量子计算模型, 近年来开始受到量子计算理论研究者们的广泛关注. 本文首先证明了在星图上硬币量子行走与散射量子行走的酉等价关系, 之后提出了一个在星图上的散射量子行走搜索算法. 该算法的时间复杂度与Grover算法相同, 但是当搜索的目标数目多于总数的1/3时搜索成功概率大于Grover算法.     

量子Harper模型的量子计算鲁棒性与耗散退相干

运用量子轨迹和量子Monte Carlo仿真的方法,研究耗散退相干对周期驱动的量子Harper (quantum kicked Harper, QKH)模型量子计算的影响.数值仿真结果表明,一定强度的耗散干扰将破坏QKH特征状态的动态局域化以及相空间的随机网结构.以相位阻尼信道噪声模型为例分析了保真度的衰减规律以及可信计算时间尺度.与静态干扰相比,在干扰强度小于某一阈值时,耗散干扰下的可信计算时间尺度随量子比特的增加而快速下降;而在干扰强度大于该阈值时,静态干扰下的可信计算时间尺度下降更快. 关键词： 量子计算 量子Harper模型 主方程 量子Monte Carlo方法     

退相干条件下两比特纠缠态的量子非局域关联检验

量子纠缠态的量子非局域关联特性在当前量子信息和量子计算协议中起着重要的作用.然而,任何实际的物理系统都不可避免地与周围环境相互作用,使得在量子信道中的传输过程中,量子态会发生相干性退化,进而弱化量子态的量子非局域关联特性.本文利用一种基于Hardy-type佯谬的高概率量子非局域关联检验方案,分别研究了两比特偏振纠缠态在经过振幅阻尼信道(ADC)、相位阻尼信道(PDC)和退极化阻尼信道(DC)后的量子非局域关联检验情况.研究结果表明,DC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较大,而PDC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较小.最后,本文还给出了利用弱测量结合弱测量反转操作克服ADC退相干时,偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验的条件.结果表明,当弱测量的强度增大时,可有效地降低ADC退相干效应对偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验造成的影响.     

磁场引起的近藤单态退相干机制

磁场作为一个环境能够诱导近藤单态的退相干。我们采用格林函数方法,计算磁场下量子点耦合Aharonov-Bohm环系统的退相干特性,数值结果显示磁场引起的近藤单态的退相干是一个突然的过程。     

通过四比特 态实现任意量子态的量子隐形传态方案

提出了一个将四比特|χ〉态作为量子通道实现任意单量子比特和两量子比特的量子态的隐形传送方案.该方案依赖于两个通信站点之间的纠缠.在这个方案里,我们给出了Alice的测量结果以及Bob进行的相应的幺正操作,计算结果表明,该隐形传送方案是完美的,也就是说它的成功概率可达到1.此外,该方案中用到的测量以及纠缠通道的制备在目前的技术下是完全可行的.因此,我们的方案有望在实验上实现.     

基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配研究

针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

3D-Transmon与压电振子的量子耦合系统北大核心

微机械振子在量子信息领域有着重要的应用,可用作量子存储器、量子换能器等.鉴于三维传输子量子比特(3D-Transmon)优良的退相干特性以及AlN压电振子较高的谐振频率,我们利用微纳加工技术,在蓝宝石基片上成功制备了3D-Transmon与AlN压电振子的量子耦合系统.实际测量结果显示,在外加磁场偏置下,量子比特的跃迁频率可调范围为4.1~9.8 GHz,能量弛豫时间T1约为4.7μs,并且测量到了能级免交叉现象.这些结果为今后超导量子比特与微机械振子耦合系统的深入研究提供了重要参考.     

耗散系统中实现原子态量子隐形传态的保真度

本文运用全量子理论并结合数值计算方法,研究了压缩真空库中利用原子纠缠态作为量子通道实现原子态量子隐形传态的保真度,讨论了被传送的原子初态形式以及压缩库的压缩参数r对保真度的影响.研究表明:当只有输入态受噪声影响,则被传送的初始态中基态概率越大的态,保真度越高;而当量子通道受影响时,则基态和激发态概率相等的原子叠加态传送的保真度最大. 关键词： 量子隐形传态 压缩真空库 保真度