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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

量子计算加速的解法器算法及应用综述

量子计算作为一种基于量子力学原理的全新计算模型,具有强大的并行性和潜在的颠覆性影响力,为解决复杂问题提供了新的思路。本文的主要目标是对量子计算在大规模科学与工程计算领域中数值计算问题的解法器算法和应用进行综述。重点介绍量子计算在线性方程组、特征值问题、微分方程、哈密顿量与图计算、量子机器学习、量子解法器平台以及实际数值模拟等领域的具体应用。针对不同的数值计算问题,详细讨论当前主流的量子计算算法,并总结近年来国内外相关算法的研究进展。最后,对量子计算在数值计算求解相关研究方向的未来发展趋势进行展望。     

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。     

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．     

核磁共振量子计算机与并行量子计算

在本文，我们首先回顾了量子计算的发展历史，阐述了核磁共振量子计算的原理．在叙述了利用有效纯态方法进行核磁共振量子计算之后，我们阐述了利用混合态进行核磁共振的量子计算的方法．首先是刘维尔量子计算方法，它是由Madi，Brushweiler，Ernst等人1998年提出的，在这一模式中，可以对搜索算法进行加速算法，Brushweilet。提出了一个指数速度的搜索算法．我们在3个比特的量子计算机中实现了这一搜索算法．我们在这一模式中提出了一个只需要一次搜索即可找标记物的直接拿取算法，并且在7个比特的核磁共振的量子计算机中实现了这一直接拿取算法．本文提出了在一个核磁共振量子计算机，或者更一般地一个系统量子计算机中实现多个量子计算机的并行计算．我们着重对量子搜索算法和Shor。的大数分解算法进行了并行实现．在并行量子计算中，一部分量子比特处在纯态，一部分量子比特处在混合态．如果所有的量子比特都处在纯态上，则就是有效纯态量子计算，如果所有的量子比特都处在混合态上，则就是刘维尔量子计算．在这两个极限中间，相当于2个到N／2个量子计算机的并行计算．量子搜索方法可以很有效地进行并行计算，而Shor算法则只能在小的范围内进行并行计算．     

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．     

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。     

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用(英文)

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量子干涉器件(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。     

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.     

量子信息与计算

量子信息与计算是物理学目前研究的热门领域,本文简要地介绍量子计算的一些基本概念：量子纠缠、量子位、量子寄存器、量子并行计算和量子纠错,并介绍两种典型的量子信息技术：量子密码和量子传物。     

量子信息研究进展

量子信息论是经典信息论与量子力学相结合的新兴交叉学科,本综述了最子信息领域的研究进展。即包括了为人们所熟知的量子通信与量子计算领域,也包括了刚刚兴起的但却有巨大潜力的量子对策论等领域。本以介绍量子信息论的基本理论框架为主,同时也介绍了量子信息领域的实验研究进展。     

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.     

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