几何量子计算和拓扑量子计算——整体性量子现象的新应用

本文概述介绍量子计算的最新进展:几何量子计算和拓扑量子计算,是初步入门的引论性质。作者从量子力学的整体性现象这一观点出发,阐述作为整体现象的量子力学几何相位(亚贝尔和非亚贝尔几何相位),量子体系的拓扑不变性质等的新应用,为先前一本著作[1]所阐述观点的新发展的补充。     

几何量子计算

实现可集成的量子计算的关键步骤是实现保真度足够高的一组普适量子逻辑门，最近几年发展的几何量子计算使用几何位相来实现量子逻辑门，其特点是利用几何位相的整体几何性质来避免某些局域的无规噪声的影响，从而实现较高保真度的量子门，文章先简要介绍常规几何量子逻辑门的概念，然后重点介绍最近提出的非常规几何量子计算：量子计算中使用的逻辑门的总位相既包含有几何位相，又包含有动力学位相，但它仅依赖于一些几何特征，而且，对于任意的量子位输入态，在量子门操作过程中积累的位相要么是零，要么是仅依赖几何特征的位相。     

螺旋光纤系统中非绝热条件几何相移

由于绝热条件几何相位量子逻辑门存在非绝热差错与退相干差错这一冲突，因此在拓扑量子计算中需要设计非绝热条件几何相门，以克服这一不足.证明螺旋光纤系统内光子有效哈密顿量恰好是一个Wang Matsumoto型哈密顿量，因此螺旋光纤系统能自动产生非绝热条件几何相移.同时还证明在螺旋光纤方案中，由极化光子与螺旋光纤相互作用哈密顿量所导致的动力学相位为零（这正是拓扑量子计算所要求的），以及在螺旋光纤系统中可以通过控制极化光子初始波矢，从而较容易获得条件初始态.总之，螺旋光纤系统方案能自动满足Wang与Matsumoto的核磁共振方案中为实现非绝热条件几何相移所提出的全部条件与要求. 关键词： 几何相位 螺旋光纤系统 Wang Matsumoto型哈密顿量 拓扑量子计算     

从分数量子霍尔效应到拓扑量子计算*

分数量子霍尔效应系统是奇异的量子液体,其中的准粒子激发可以带分数电荷,甚至具有非阿贝尔的统计性质。理论研究表明,这些准粒子可以用来实现在硬件上可容错的量子计算,即拓扑量子计算。文章在介绍分数量子霍尔效应及其在拓扑量子计算中的潜在应用基础上,重点回顾了近五年来对填充因子为5/2的分数量子霍尔态中非阿贝尔准粒子的实验探测和部分相关理论诠释。     

量子相变与几何相位

量子相变是凝聚态物理中的重要研究课题，而几何相位的发现是近几十年来量子力学中的重要进展，它们毫无关联地各自发展。但最近的研究表明，它们之间有密切联系：多体体系基态的几何相位在量子相变点附近具有标度性；不可收缩的几何相位可用来作为量子相变的标志等，文章将介绍最近在量子相变和几何相位的关系方面的研究进展，并用XY自旋链模型来详细说明．这些结果应会吸引凝聚态和几何相位领域工作的研究人员的关注和兴趣。     

量子Berry相因子与相位教学

回顾了经典物理和量子力学中的相位问题,着重讨论了量子几何Berry相位及在量子力学中如何进行量子相位教学的问题.     

关于量子几何相位的评注——评三本量子力学教材中一个基本概念

回顾了国内出版的两本量子力学教材和一本参考书中有关贝里相位的章节，指出了其中有关量子几何相位的一些错误概念。     

非绝热几何量子逻辑门的脉冲设计

量子逻辑门是实现量子计算的基本组件之一，而高保真度和高鲁棒性是量子逻辑门必不可少的关键性质。在实现量子逻辑门的各种方法中，利用几何相位的全局特性来构造量子逻辑门是一个有效的方法，它可以对一些局域扰动有比较好的容错性。本文在非绝热几何量子计算的框架下，在三能级系统中构造出了任意的单比特量子逻辑门，并创建出在实验中方便实现的脉冲形式。本文进一步研究了量子系统中存在频率失谐和脉冲振幅偏差的情况，并考虑量子系统与环境之间的退相干效应，以设计出具有更好鲁棒性能的脉冲波形。     

教科书内容的正确和真实至关重要--关于曾谨言著"量子力学"中量子几何相位概念的再评注

对曾谨言所著的量子力学书中量子几何相位的一些错误概念再次提出了批评,同时针对他在《大学物理》上的《介绍几个量子力学基本概念》一文的有关观点进行了逐点分析批驳,并举出Berry论文中有关论述为证．本文着重从“正确”和“真实”两方面去分析．     

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。     

关于Lewis-Riesenfeld相位和量子几何相位

评注了《大学物理》21 23一文关于量子几何相位与Lewis相位论述与《物理学报》48 2018一文的结论有极大不同.指出前者对Lewis导出的相位与量子几何相位关系的错误陈述，而后者的结论是正确的. 关键词： 量子几何相位 不变量方法 Lewis-Riesenfeld相位     

量子绝热定理(II):近似和适用条件

文章首先概述了近年国际文献中关于量子绝热近似和绝热条件的不自洽性的研究.叙述了文献中关于绝热近似不自洽性的论证和争论.然后引入文章作者的观点,从不同于国外文献的角度出发指出应当正确地理解瞬时本征函数的相位问题,从这个相位的正确处理,得出结论:(1)MS不自洽的存在,不因计及几何相位而消除;(2)量子几何相位不自洽是不存在;(3)现时的标准的绝热近似条件不是充分条件.     

量子计算与量子模拟

量子计算和量子模拟在过去的几年里发展迅速,今后涉及多量子比特的量子计算和量子模拟将是一个发展的重点.本文回顾了该领域的主要进展,包括量子多体模拟、量子计算、量子计算模拟器、量子计算云平台、量子软件等内容,其中量子多体模拟又涵盖量子多体动力学、时间晶体及多体局域化、量子统计和量子化学等的模拟.这些研究方向的回顾是基于对现阶段量子计算和量子模拟研究特点的考虑,即量子比特数处于中等规模而量子操控精度还不具有大规模逻辑门实现的能力,研究处于基础科研和实用化的过渡阶段,因此综述的内容主要还是希望管窥今后的发展.     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.     

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过.上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导最子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据.在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象.由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据.本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响.评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用.     

选区外延生长的PbTe-超导杂化纳米线:一个可能实现拓扑量子计算的新体系

半导体-超导体杂化纳米线是用于研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的主要平台之一,而基于Ⅲ-Ⅴ族半导体InAs和InSb的纳米线则是当前此方向研究的主流材料体系.尽管经过多年制备技术的改进和优化,样品中过多的缺陷和杂质仍是阻碍此方向进一步发展的核心问题.近年来,一个新的马约拉纳纳米线候选体系——Ⅳ-Ⅵ族半导体PbTe-超导杂化纳米线吸引了很大关注并获得了快速的研究进展.PbTe的介电常数巨大,且具有晶格匹配的衬底,这些优势使其有潜力突破纳米线样品质量提升的瓶颈,成为马约拉纳零能模的研究和拓扑量子计算实现的理想平台.本文将简单介绍最近几年在PbTe纳米线和PbTe-超导杂化纳米线器件的选区分子束外延生长、输运性质研究方面取得的重要进展,并对这种新的马约拉纳纳米线候选体系的优势、问题及基于其实现拓扑量子计算的前景进行讨论.     

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     

量子绝热定理(Ⅱ):近似和适用条件

文章首先概述了近年国际文献中关于量子绝热近似和绝热条件的不自洽性的研究．叙述了文献中关于绝热近似不自洽性的论证和争论．然后引入文章作者的观点，从不同于国外文献的角度出发指出应当正确地理解瞬时本征函数的相位问题，从这个相位的正确处理，得出结论：（1）MS不自洽的存在，不因计及几何相位而消除；（2）量子几何相位不自洽是不存在；（3）现时的标准的绝热近似条件不是充分条件．     

范德瓦耳斯体系中的量子层电子学

范德瓦耳斯体系中层间耦合的存在使电子波函数扩展分布在各层上,使得空间离散的层自由度成为量子力学自由度.层自由度与电子质心自由度的耦合塑造了动量空间中非平庸的层赝自旋结构,导致丰富的量子几何性质.这些性质为晶格失配的范德瓦耳斯体系所独有,引起各种新颖的输运和光学效应,线性和非线性响应,并为多种器件应用提供新思路,成为量子层电子学研究的前沿课题.本文简要评述了这一范德瓦耳斯材料体系中的新兴研究方向,并结合量子层电子学与非线性电子学、转角电子学、手征电子学等新领域的交叉,对未来一段时间的发展进行展望.