可扩展的容错量子计算

消相干是量子计算机的物理实现所面临的一个主要的障碍.在现存的消相干物理因素无法消除的情况下,采用量子编码可以部分地克服这一障碍.但是,为了实现大规模的可扩展的量子计算,用于做容错计算的编码空间也应相应地能够被级联、扩展.我们考虑在某些具有局域噪声行为的系统中,如何级联它们的编码空间,实施容错的量子计算.具体而言,我们提出了"无相互作用子空间"的编码思想,将该思想与"无消相干子空间"量子编码的思想相结合,我们提出了不需要逻辑开关的可扩展的容错量子计算方案.另外,针对实际的物理系统,我们构造了在约瑟芬结电荷qubit系统的可扩展容错量子计算方案.     

多环境影响下的量子导引动力学

本文基于与各自的两层环境相互作用的两量子比特系统,详细考察了强、弱耦合体系下第二层环境的腔个数N和两层环境间的耦合系数κ对量子导引动力学的影响,研究发现:随着N和κ的增加,量子导引不仅可以出现振荡现象,而且存活时间和量值都能得到一定程度地提高。为了抑制环境退相干,我们还讨论了量子弱测量和测量反转操作对量子导引动力学的调制作用,结果表明弱测量方法可以有效地保护量子导引。     

在超强耦合条件下对量子比特纠缠保持的研究

研究了与处于相干态的量子谐振腔相耦合的,具有相互作用的两个量子比特的动力学问题。量子比特与量子谐振腔之间处于超强耦合并且它们之间的失谐量很大。利用绝热近似的方法,可以通过选择量子谐振腔相干态的平均粒子数、量子谐振腔与量子比特的耦合强度、量子谐振腔以及量子比特各自的频率和量子比特之间的相互作用强度这4个参数,来保持量子比特的纠缠。如果量子比特之间的相互作用强度为负数,可以使它们之间的纠缠保持很长时间。这些结果不同于之前的研究,并做出了对应的解释。保持纠缠使得上述结果可能会应用到量子信息处理中。     

三量子比特系统中单个谐振子诱导的量子关联（英文）

我们考虑初始无关联并且与由一个谐振子构成的环境之间互相耦合的三量子比特系统.研究了量子比特与环境的耦合强度以及量子比特的初态对量子关联的影响,我们发现环境可以诱导量子关联,提出并证明了四个命题阐述谐振子如何调控三个量子比特中量子关联的分布,并且给出了产生量子关联的条件.特别地,对于弱耦合,我们不但能够获得很多的量子关联,而且还使量子比特系统和环境始终处于分离态.一般地,量子关联动力学是很复杂的,这是由于环境起着两个互相竞争的作用:一方面诱导出各个比特之间的量子关联;另一方面又使它们发生消相干,从而破坏量子关联.     

库仑势对抛物量子点量子比特消相干的影响

采用Pekar类型的变分方法,在电子与体纵光学声子强耦合的条件下,计算得出了抛物量子点中电子的基态能量和第一激发态能量及其相应的本征波函数.量子点中这样的二能级体系可以作为一个量子比特.由于声子的自发辐射,造成量子比特的消相干,讨论了消相干时间与库仑结合参数,耦合强度,受限长度,色散系数的变化关系. 关键词： 量子点 量子比特 量子信息 消相干     

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.     

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     

运用量子约束动力学对具有耗散的量子位的追踪控制

在有限温度环境内，量子约束动力学及其追踪控制可使退相干系统的相干性稳定一段时间.约束方程产生的控制场能够按量子比特的动力学状态进行控制(量子动力学轨道的反馈控制)；依靠量子比特的这种反馈效应，可使量子位稳定在设定的时间内.同时，在量子位的稳定方面，温度扮演一种消极的角色. 关键词： 量子约束动力学 耗散量子位的控制 追踪控制 量子比特的反馈效应     

三量子比特系统中单个谐振子诱导的量子关联

我们考虑初始无关联并且与由一个谐振子构成的环境之间互相耦合的三量子比特系统。通过研究量子比特-环境的耦合强度以及量子比特初始态对量子关联的影响,我们发现环境可以诱导量子关联,提出并证明了四个命题阐述谐振子如何调控三个量子比特中量子关联的分布。给出了产生量子关联的条件。特别地,对于弱耦合,我们不但能够获得很多的量子关联,而且还使量子比特系统和环境始终处于分离态。一般地,量子关联动力学是很复杂 的,这是由于环境起着两个互相竞争的作用：一方面诱导出各个比特之间的量子关联;另一方面又使它们发生消相干,从而破坏量子关联。     

三量子比特系统中单个谐振子诱导的量子关联

我们考虑初始无关联并且与由一个谐振子构成的环境之间互相耦合的三量子比特系统。通过研究量子比特-环境的耦合强度以及量子比特初始态对量子关联的影响,我们发现环境可以诱导量子关联,提出并证明了四个命题阐述谐振子如何调控三个量子比特中量子关联的分布。给出了产生量子关联的条件。特别地,对于弱耦合,我们不但能够获得很多的量子关联,而且还使量子比特系统和环境始终处于分离态。一般地,量子关联动力学是很复杂 的,这是由于环境起着两个互相竞争的作用：一方面诱导出各个比特之间的量子关联;另一方面又使它们发生消相干,从而破坏量子关联。     

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.     

碳化硅缺陷有望成为器件友好的量子比特——广泛使用的商品级半导体晶片可在室温下进行相干操控

任何量子计算方案的中心元素都是量子比特，这是一种类似于自旋为1／2的电子的双态体系．在计算过程中，量子比特的状态经历着各种变化；计算一旦完成，需要确定量子比特是“朝上”还是“向下”的．不幸的是，量子比特也要与环境相互作用，这会使其量子态遭受破坏，或者退相干．任何有用的量子比特，在进行一系列有价值的量子操作时，都必须抵抗退相干．     

利用Josephson直接耦合来进行DFS编码

Josephson量子系统由于它的工艺成熟和可集成度高,而成为量子计算实现的一个重要方案,但是它的噪声缺点也是相当突出的.DFS和IFS编码方案利用体系的动力学对称性来构造无消相干子空间,是一种利用冗余消除错误的手段.我们试图采用DFS和IFS编码的手段,利用固体系统的可集成度高的优点来克服其消相干的缺点.不同于其他的采用Data Bus进行耦合的方案,我们研究用Josephson结直接耦合的体系,这种体系的特点在于其非近邻的相互作用是与体系结构有关而非态相关的,因此这种体系的编码有新的问题出现,我们研究一些比较简单的具有某些对称性的构型,试图找到某种合适的编码和计算方案.     

Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和内禀消相干对基于两量子比特Heisenberg自旋系统的量子密集编码的影响

通过求解Milburn方程, 研究了内禀消相干条件下包含Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用的两量子比特Heisenberg自旋系统实现的量子密集编码最佳传输容量的演化特性, 分析了不同方向DM相互作用、不同初态、各向异性以及内禀消相干因子等参数对最佳编码容量的影响. 研究表明: 初态的选择对系统密集编码最佳传输容量的影响很大, 不同类型初态下密集编码容量的依赖参数不完全相同; 当系统初态处于c|01>+ d|10> 形式的非最大纠缠时, 引入较弱的DM相互作用z分量可提高最佳编码容量; 相位消相干可抑制最佳编码容量的涨落并使其在长时间演化下趋于稳定. 研究还发现: 内禀消相干下, 通过选取合适的最大纠缠初态, 系统密集编码的最佳传输容量能够保持理想极大值2; 而且无论引入哪个方向的DM相互作用, 基于两量子比特Heisenberg自旋系统的最佳编码容量总可优于经典通信的传输容量.     

在腔耦合的超导量子比特中实现几何量子信息处理

用量子空腔耦合的超导电荷比特器件被认为是实现量子信息处理的相当有希望的体系之一.如何在这种可集成的量子体系中实现高保真度的操作是量子信息处理领域的重要课题.文章介绍作者最近提出的在量子腔耦合的超导量子比特中用具有内禀容错功能的几何操作来实现普适量子逻辑门,产生多比特量子纠缠及实现量子纠错编码的一个可行方案.     

多能级系统中的动力学解耦

动力学解耦技术能有效地抑制由低频环境噪声导致的退相干过程,因此在量子信息领域获得了广泛的应用.传统的动力学解耦方案通过对简单的二能级体系,如量子比特,施加特定的π脉冲序列来实现解耦效果.随着量子计算研发的深入,对于像超导量子比特这种天然的多能级系统,研究者不再局限于二能级子空间,而是提出和实现了一系列基于多能级体系的量子调控手段和量子算法.目前对于如何抑制这些体系中的退相干尚缺乏深入研究.本文利用较易在实验中实现的紧邻能级间的π脉冲,构建了多种针对多能级系统的动力学解耦序列.结果表明这些序列可以很好地消除准静态噪声的影响.此外,通过计算滤波函数,还分析了这些序列及其拓展方案对于高斯噪声的抑制作用,并结合控制函数对滤波效果给出了物理解释.研究结果对于多能级体系中的相关噪声研究,包括噪声功率谱密度和关联性的刻画以及退相干的抑制等,均具有启发意义.     

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     

多个玻色库下的自旋压缩动力学

本文分析了一个具有交换对称性的N量子比特系综中的自旋压缩动力学问题,这些量子比特相互独立且分别与各自独立的和等价的多个玻色环境相互耦合。研究发现,非马尔科夫特性和玻色库个数在自旋压缩中起着重要作用。为了抑制环境退相干,我们还讨论了弱测量方法对自旋压缩的影响,得到一些有意义的结果。     

超短激光脉冲操控双量子比特的量子态

用光与物质相互作用的半经典理论研究了超短激光脉冲与构成双量子比特的二体二能级体系的相互作用,对由不同的激发方式引起的独立双路(Independent Double Path-Ways,IDPW)和相干双路径(Coherent Double Path-Ways,CDPW)进行对比.研究结果表明,与单量子比特相比,双量子比特在超短激光脉冲的作用下,表现出更加丰富的相干性.这种相干特性与体系初态、失谐量和激发的路径都有关.同时,可以利用超短激光脉冲对双量子比特的相干激发,通过调节光脉冲面积来实现量子态的操控.     

囚禁离子与调制热库相互作用时的退相干特征

解析地分析了在囚禁离子中由热库导致量子退相干的控制问题,提出了一个基于热库调制的抑制退相干的一般方法.热库的调制可利用外加的光场与离子相互作用来实现.应用这个方法,适当地选择热库调制参数,可以有效消除量子退相干.计算表明:在高的调制频率下,用这个机制来抑制退相干的效果与宇称激励机制相似.宇称激励机制不仅要求外场是±π脉冲而且要求脉冲既快又强,而热库调制机制仅要求外场频率足够高,因此,热库调制机制优于宇称激励机制.