级联动力学退耦合与无消相干子空间实现量子计算

量子计算与量子信息过程中一个最主要的障碍量子消相干问题.克服量子消相干的策略,一般可以分为两大类方式:量子编码和动力学控制.近年来,无消相干子空间的量子编码以其能够有效的避免消相干过程得到了人们的广泛关注,在理论和实验上都取得了较大的进展.另外,利用强快脉冲实现量子系统与环境的动力学退耦合也可以有效的压缩消相干过程,动力学退耦合的噪声控制形式也得到了广泛研究.本文利用强快脉冲实现量子比特与环境的部分退耦合,然后用两个量子比特编码到无消相干子空间,从而可以克服系统与环境的一般耦合带来的消相干.另外,我们考虑了量子比特之间的相互作用,两个量子比特的耦合会导致量子信息在量子比特之间的非控制流动,使量子计算失败.我们利用对两个量子比特实行非同步的脉冲控制,使编码的量子态在比特间固有相互作用影响下保持稳定.我们给出了一维比特串结构的量子计算机模型,每个计算单元内包括三个逻辑比特,每个逻辑比特采用不同的脉冲控制保护量子比特态的稳定.通过调节控制脉冲,有顺序的"打开"不同的相互作用,可以得到普适的逻辑门组,从而实现了可扩展、容错的普适量子计算机.     

基于无消相干子空间的量子避错码设计

针对量子系统的联合消相干模型,可以找到一些不受消相干错误影响的系统状态,这种状态被称为相干保持态,所有相干保持态构成的空间就称为无消相干子空间(decoherencefreesubspace,缩写为DFS).利用DFS的特性可以实现自动容错的量子避错码.首先提出一种DFS的定义,并且以定理的形式证明其他DFS的定义都是等价的.然后给出了DFS的存在性定理.最后利用群论的方法设计一种构造DFS的简单方法 关键词： 相干保持态 无消相干子空间 量子避错码 容错量子计算     

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.     

多光子DFS在实际应用中的局限

无消相干子空间(DFS)是量子计算和量子通信中克服集体消相干的一种卓有成效的方法.尤其是在光子进行量子通信中,DFS明显优于其他方案.我们的研究指出,现有的自发参量下转换方法制备的多光子DFS态并不能够克服"集体消相干",它在应用中有很大的局限.文章给出了可能的解决办法.     

利用比特配对来保持量子计算中的相干性

提出了一种简单高效的方案，用以克服量子计算中的消相干，该方案本质性地利用了消相干过程中的合作效应及相干保持态．文章阐明了该方案的主要思想．     

量子Turbo码

量子纠错编码技术在量子通信和量子计算领域起着非常重要的作用.构造量子纠错编码的主要方法是借鉴经典纠错编码技术,目前几乎所有经典纠错编码方案都已经被移植到量子领域中来,然而在经典编码领域纠错性能最杰出的Turbo码却至今没有量子对应.提出了一种利用量子寄存器网络构造量子递归系统卷积码的简单实现方案,同时利用量子SWAP门设计了一种高效的量子交织器门组网络方案.最后仿照经典Turbo码的设计原理提出串行级联的量子Turbo码,同时提出了可行的译码方法.量子Turbo码不仅丰富了量子纠错码研究的领域,同时为解释 关键词： 量子递归系统卷积码 量子Turbo码 量子纠错编码 量子信息     

多逻辑比特表面码结构设计及其逻辑CNOT门实现

量子计算因具有并行处理能力,相比于经典计算有着指数级的加速,但量子系统具有脆弱性,极易受到噪声的影响,量子纠错码是克服量子噪声的有效手段.量子表面码是一种拓扑稳定子码,由于其结构上的最近邻居特点和较高的容错阈值,表面码在大规模容错量子计算方面具有巨大的潜力.目前已有的基于边界的表面码均为编码一个逻辑比特的表面码,本文主要研究基于边界如何实现多逻辑量子比特的编码,包括设计表面码的结构,根据结构找出对应的稳定子和逻辑操作,进一步根据稳定子设计出基于稳定子实现的编码线路;在研究基于测量和纠正的单量子比特间CNOT实现原理和基于融合操作和分割操作的单逻辑量子比特表面码间CNOT门实现原理的基础上,优化了基于融合操作和分割操作的单逻辑量子比特表面码间CNOT门实现方案,将其扩展到所设计的多逻辑量子比特表面码上实现了多逻辑量子比特表面码之间的CNOT操作,并通过仿真验证量子线路的正确性.本文设计的多逻辑比特表面码克服了单比特表面码不能密铺于量子芯片的缺点且提高了某些逻辑操作的长度,提高了容错能力.基于联合测量的思想降低了对辅助比特的要求且减小了实现过程中对量子资源的需求.     

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.     

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.     

多粒子纠缠的保护方案

量子纠缠是量子信息的重要物理资源. 然而当量子系统与环境相互作用时, 会不可避免地产生消相干导致纠缠下降, 因此保护纠缠不受环境的影响具有重要意义. 振幅衰减是一种典型的衰减机制. 如果探测环境保证没有激发从系统中流出, 即视为对系统的一种弱测量. 本文基于局域脉冲序列和弱测量, 提出了一种可以保护多粒子纠缠不受振幅衰减影响的有效物理方案, 保护的对象是在量子通信和量子计算中发挥重要作用的Cluster态和Maximal slice态.     

基于非相干光反馈与注入的级联混沌系统研究

提出了基于延迟非相干光反馈与非相干光注入的级联混沌同步方案,与相干方案相比,该方案不需要频率完全匹配.数值研究结果表明,在其他参量匹配的情况下,发送机与接收机能实现完全同步.通过混沌键控方法,实现了信息的编码与解码.由于该级联方案具有非相干,宽带宽和多信息点传输的特点,所以在物理实现上很有吸引力,在全光中继通信方面也存在着很大的潜力.     

费米型级联运动方程的绝热截断方案

研究开放量子系统的量子耗散动力学对于理解许多新奇量子现象背后的机制和实现量子器件的精确量子态控制具有重要意义. 级联运动方程方法已成为研究这类量子耗散动力学最常用的数值方法之一. 然而，在处理强电子关联系统时，准确描述强关联效应需要高的级联截断层数. 这导致级联运动方程方法需要耗费大量物理内存和计算时间. 为了解决该问题，将具有最快耗散速率的耗散模式与其他较慢的耗散模式分离，提出了一种级联运动方程的绝热截断方案. 在单杂质安德森模型上进行的数值测试表明，与传统的方案相比，该截断方案显著地降低了级联运动方程收敛需要的截断层数. 此外，该截断方案缓解了长时间耗散动力学中的数值不稳定性.     

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     

离子阱中量子逻辑门的实现

在实际建造量子计算机时,需要寻找合适的量子系统,实现量子逻辑门,并同时要克服消相干问题.人们提出了许多物理系统,比如:腔QED模型、囚禁离子系统、核磁共振系统、量子点等等.     

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.     

一般泡利信道量子容量的逼近

量子编码定理证明信道在没有辅助资源的情况下其量子容量等于规整化相干信息的最大值。一般泡利信道是最普遍使用的信道模型,其量子容量目前无法准确计算,只能用多信道相干信息去逼近。本文应用量子图态级联编码,得到一般泡利信道在该编码输入下的多信道相干信息的公式,能够有效计算一般泡利信道量子容量的逼近值和信道传输量子信息的噪声容限。计算速度比Monte Carlo算法提高三个数量级。     

量子纠缠消相干对确定型远程制备的影响

研究了两种典型的量子纠缠消相干现象对确定型量子态远程制备方案的影响.首先对该确定型远程制备方案进行了分析,得到该方案确定性和比特消耗情况; 然后通过分析制备过程中纠缠消相干现象对系统的影响得出: 在极化消相干过程中,该系统保真度与目标量子比特在Bloch球上的经度选择无关,仅与目标比特的纬度和消相干的大小有关;在相位消相干中,该系统的保真度不会受到消相干的影响,仅与目标量子态的纬度相关. 关键词： 远程制备 纠缠消相干 通信消耗 保真度     

从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模

作为马约拉纳费米子的“凝聚态版本”,马约拉纳零能模是当前凝聚态物理领域的研究热点.马约拉纳零能模满足非阿贝尔统计,可以构建受拓扑保护的量子比特.这种由空间上分离的马约拉纳零能模构建的拓扑量子比特不易受局域噪声的干扰,具有长的退相干时间,在容错量子计算中具有重要的应用前景.半导体/超导体纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台.本文综述了高质量半导体纳米线外延生长、半导体/超导体异质结制备以及相应的马约拉纳零能模研究方面的进展,并对半导体/超导体纳米线在量子计算中的应用前景进行了展望.     

利用非稳定子态容错实现密集旋转操作

Non-Clifford操作不能在量子纠错码上自然横向实现, 但可通过辅助量子态和在量子纠错码上能横向实现的Clifford操作来容错实现, 从而取得容错量子计算的通用性. 非平庸的单量子比特操作是Non-Clifford操作, 可以分解为绕z轴和绕x轴非平庸旋转操作的组合. 本文首先介绍了利用非稳定子态容错实现绕z轴和绕x轴旋转的操作, 进而设计线路利用魔幻态容错制备非稳定子态集, 最后讨论了运用制备的非稳定子态集模拟任意非平庸单量子比特操作的问题. 与之前工作相比, 制备非稳定子态的线路得到简化, 成功概率提高, 且在高精度模拟任意单量子比特操作时所消耗的非稳定子态数目减少了50%. 关键词： 容错量子计算 非稳定子态 魔幻态 Clifford操作     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.