多量子比特核磁共振体系的实验操控技术

随着量子信息与量子计算科学的发展,量子信息处理器被广泛地用于量子计算、量子模拟、量子度量等方面的研究.为了能在实验上实现这些日益复杂的方案,将量子计算机的潜能转化成现实,需要不断提高可操控的量子体系比特位数,实现更复杂的量子操控.核磁共振自旋体系作为一个优秀的量子实验测试平台,提供了丰富而又精密的量子操控手段.近几年来在此平台上进行了不少的多量子比特实验,发展并积累了一系列的多量子比特实验技术.本文首先阐述了核磁共振体系多量子比特实验中的实验困难,然后结合7量子比特标记赝纯态制备以及其他有关实验,对多比特实验过程中应用到的实验技术进行介绍.最后对核磁共振体系多量子比特实验技术方向的进一步研究进行了总结和展望.     

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.     

超导量子比特

随着2019年谷歌成功实现了“量子优势”,超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件,目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其器件结构,并讨论器件的制备方法和量子态测量技术,最后对基于超导量子比特开展的物理问题的研究做一简单介绍.     

核磁共振量子信息处理研究的新进展

过去的二十年中,量子信息相关研究取得了显著的进展,重要的理论和实验工作不断涌现.与其他量子信息处理系统相比,基于自旋动力学的核磁共振系统,不仅具有丰富而且成熟的控制技术,还拥有相干时间长、脉冲操控精确、保真度高等优点.这也是核磁共振体量子系统能够精确操控多达12比特的量子系统的原因.因此,核磁共振量子处理器在量子信息领域一直扮演着重要角色.本文介绍核磁共振量子计算的基本原理和一些新研究进展.研究的新进展主要包括量子噪声注入技术、量子机器学习在核磁共振平台上的实验演示、高能物理和拓扑序的量子模拟以及核磁共振量子云平台等.最后讨论了液态核磁共振的发展前景和发展瓶颈,并对未来发展方向提出展望.     

通过设计量子库来调控量子比特间的Bell非定域性研究

量子系统间的Bell非定域性是一种比量子纠缠更为严格的量子关联,它在刻画多体量子关联有着不可或缺的作用.类似于量子纠缠,在开放两量子比特和三量子比特系统中的Bell非定域性可能会出现猝死现象.本文建议了一个可供选择的方案即在热库环境中通过增加辅助粒子来调控两量子比特和三量子比特间的Bell非定域性动力学.研究发现：通过调节辅助粒子数目,不仅两量子比特和三量子比特系统的Bell非定域性可以避免猝死现象的发生,而且在长时间极限下它能维持在一个较高水平.论文得到的结果将对多体量子系统间量子关联的调控和避免猝死现象等相关研究有积极的指导意义.     

量子计算纠错取得突破性进展

谷歌团队利用超导量子芯片,实现了两种规模的量子纠错表面码,利用辅助比特进行多次测量和初始化操作进行纠错,表明使用更多量子比特表面码的逻辑比特,其性能表现更好,达到了量子纠错规模化的盈亏平衡点,本文简要回顾量子纠错的机制,讨论谷歌量子纠错结果的意义,以及系列量子纠错进展,最后将展望量子计算的发展方向.     

抛物线性限制势量子点量子比特及其光学声子效应

在抛物量子点中电子与体纵光学声子强耦合的条件下,应用Peaker变分方法得出了电子的基态和第一激发态的本征能量及基态和第一激发态本征波函数.量子点中这样的二能级体系可作为一个量子比特.当电子处于基态和第一激发态的叠加态时,计算出电子在空间的概率分布作周期性振荡.并且得出了振荡周期随受限长度及耦合强度的变化关系. 关键词： 量子点 量子信息 量子比特     

离子阱量子计算规模化的研究进展

离子阱系统是当前实现量子计算最为领先的物理系统之一,已经在数十量子比特的规模下实现了保真度达到容错量子计算阈值的量子态制备、测量、通用量子逻辑门等基本量子操作.未来离子阱量子计算的一个重要研究方向,是在保持量子比特高性能的同时,进一步扩展量子比特的数量,最终达到解决实际问题所需的规模.本文介绍当前离子阱量子计算研究中主流的规模化方案,如离子输运方案和离子-光子量子网络方案等,以及各方案中存在的限制因素,进而探讨如二维离子阵列、双重量子比特等新的规模化方案及其前景.     

基于超导量子比特的电磁感应透明研究进展

超导量子计算是目前被认为最有希望实现量子计算机的方案之一. 超导量子比特是超导量子计算的核心部件. 如何尽可能的增加超导量子比特的退相干时间, 大规模的集成超导量子比特已成为超导量子计算研究的主要方向. 超导量子比特作为宏观的人工原子, 有许多量子光学现象都能够在其中观测到. 利用超导量子比特实现电磁感应透明为研究超导量子比特的退相干机理提供了新手段, 为研究非线性光学、光存储、光的超慢速传输等量子光学效应开辟了新思路. 本文介绍了电磁感应透明的理论基础, 总结了目前针对超导量子比特的电磁感应透明研究进展, 对比了一般气体原子与超导量子比特的电磁感应透明区别, 并对超导量子比特实现电磁感应透明的潜在应用进行了总结和展望.     

基于新型超导电荷量子比特的几何量子门

超导量子系统被认为是最可能用于实现大规模量子计算、量子信息、以及量子存储等的物理系统之一.本文在一种特别设计的超导电荷比特的基础上,通过微波腔与超导比特的相互作用,探讨了在此系统中实现几何相单门以及非常规几何相两量子门的途径,并讨论了制备多量子比特最大纠缠态的方法.     

Quantum simulation and quantum computation of noisy-intermediate scale

In the past years, great progresses have been made on quantum computation and quantum simulation. Increasing the number of qubits in the quantum processors is expected to be one of the main motivations in the next years, while noises in manipulation of quantum states may still be inevitable even the precision will improve. For research in this direction, it is necessary to review the available results about noisy multiqubit quantum computation and quantum simulation. The review focuses on multiqubit state generations, quantum computational advantage, and simulating physics of quantum many-body systems. Perspectives of near term noisy intermediate-quantum processors will be discussed.     

超导量子比特的耦合研究进展

超导量子比特以其在可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势被认为是最有希望实现量子计算机的固态方式之一.量子比特之间的相干可控耦合是实现大规模的量子计算的必要条件.本文介绍了超导量子比特耦合方式的研究进展,包括利用电容或电感实现量子比特的局域耦合,着重介绍一维传输线谐振腔作为量子总线实现多个量子比特的可控耦合的电路量子电动力学体系,并对最新的三维腔与超导量子比特的耦合结构的研究进展进行了论述.对各种耦合体系的哈密顿量进行了比较详细的分析,并按照局域性和可控性对不同耦合机制进行了分类.     

中性原子量子计算研究进展

相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系具备在1 mm2的面积上提供成千上万个量子比特的规模化集成的优势,是进行量子模拟、实现量子计算的有力候选者.近几年中性单原子体系在实验上取得了快速的发展,完成了包括50个单原子的确定性装载、二维和三维阵列中单个原子的寻址和操控、量子比特相干时间的延长、基于里德伯态的两比特量子门的实现和原子态的高效读出等,这些工作极大地推动了该体系在量子模拟和量子计算方面的应用.本文综述了该体系在量子计算方面的研究进展,并介绍了我们在其中所做的两个贡献:一是实现了"魔幻强度光阱",克服了光阱中原子退相干的首要因素,将原子相干时间提高了百倍,使得相干时间与比特操作时间的比值高达105;二是利用异核原子共振频率的差异建立了低串扰的异核单原子体系,并利用里德伯阻塞效应首次实现了异核两原子的量子受控非门和量子纠缠,将量子计算的实验研究拓展至异核领域.最后,分析了中性单原子体系在量子模拟和量子计算方面进一步发展面临的挑战与瓶颈.     

量子计算的研究进展

量子计算由于其强大的并行计算能力和可以有效的模拟量子行为的能力而日益受到人们的关注。本文介绍了量子计算的基本原理、实现量子计算的基本要求、量子计算的根本困难、可能的解决办法，以及当前的几个有希望实现量子计算的物理系统。最后介绍了我们课题组在分布式量子计算和基于固有耦合的编码量子计算的实验与理论方面的工作。     

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     

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.     

固态量子计算的若干重要物理问题研究

量子计算机拥有比经典计算机更为强大的计算能力．人们普遍认为量子计算机最终将会在固态系统中实现．文章介绍了一些有关固态量子计算的研究进展，其中包括超导电荷量子比特方案、几何量子计算、量子点量子比特及量子计算若干基本问题研究．最后给出了固态量子计算的发展趋势．     

Dynamics of a quantum phase transition and relaxation to a steady state

We review recent theoretical work on two closely related issues: excitation of an isolated quantum condensed matter system driven adiabatically across a continuous quantum phase transition or a gapless phase, and apparent relaxation of an excited system after a sudden quench of a parameter in its Hamiltonian. Accordingly, the review is divided into two parts. The first part revolves around a quantum version of the Kibble–Zurek mechanism including also phenomena that go beyond this simple paradigm. What they have in common is that excitation of a gapless many-body system scales with a power of the driving rate. The second part attempts a systematic presentation of recent results and conjectures on apparent relaxation of a pure state of an isolated quantum many-body system after its excitation by a sudden quench. This research is motivated in part by recent experimental developments in the physics of ultracold atoms with potential applications in the adiabatic quantum state preparation and quantum computation.     

Climbing Mount Scalable: Physical Resource Requirements for a Scalable Quantum Computer

The primary resource for quantum computation is Hilbert-space dimension. Whereas Hilbert space itself is an abstract construction, the number of dimensions available to a system is a physical quantity that requires physical resources. Avoiding a demand for an exponential amount of these resources places a fundamental constraint on the systems that are suitable for scalable quantum computation. To be scalable, the effective number of degrees of freedom in the computer must grow nearly linearly with the number of qubits in an equivalent qubit-based quantum computer.     

Quantum computing by optical control of electron spins

We review the progress and main challenges in implementing large-scale quantum computing by optical control of electron spins in quantum dots (QDs). Relevant systems include self-assembled QDs of III–V or II–VI compound semiconductors (such as InGaAs and CdSe), monolayer fluctuation QDs in compound semiconductor quantum wells, and impurity centres in solids, such as P-donors in silicon and nitrogen-vacancy centres in diamond. The decoherence of the electron spin qubits is discussed and various schemes for countering the decoherence problem are reviewed. We put forward designs of local nodes consisting of a few qubits which can be individually addressed and controlled. Remotely separated local nodes are connected by photonic structures (microcavities and waveguides) to form a large-scale distributed quantum system or a quantum network. The operation of the quantum network consists of optical control of a single electron spin, coupling of two spins in a local nodes, optically controlled quantum interfacing between stationary spin qubits in QDs and flying photon qubits in waveguides, rapid initialization of spin qubits and qubit-specific single-shot non-demolition quantum measurement. The rapid qubit initialization may be realized by selectively enhancing certain entropy dumping channels via phonon or photon baths. The single-shot quantum measurement may be in situ implemented through the integrated photonic network. The relevance of quantum non-demolition measurement to large-scale quantum computation is discussed. To illustrate the feasibility and demand, the resources are estimated for the benchmark problem of factorizing 15 with Shor's algorithm.