量子信息科学在中国科学技术大学的兴起和发展

文章介绍了中国科学技术大学的量子信息科学研究是如何兴起和发展的;着重介绍了在量子信息的基础理论、量子密码、量子纠缠、量子隐形传态、量子处理器和量子信息的应用等方面所取得的研究成果.     

量子通信研究进展与应用

量子通信利用量子信道进行信息的编码、传输和处理,具有安全性高和信道容量高等特点。量子保密通信以信息安全为主要目的,包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等模式。利用量子纠缠,量子隐形传态根据事先已经分发的纠缠粒子对实现不传输实物粒子而传输未知粒子的状态,量子密集编码通过传输一个粒子而实现两个粒子信息的传输,这些是经典通信无法实现的任务。文章简单介绍量子通信的内容和进展情况。     

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.     

量子关联简介

量子纠缠作为一种非局域的关联,是一种重要的资源而被广泛应用于量子信息处理。然而,最近的研究结果发现,可分态中也可以存在非经典的关联,量子纠缠只是量子关联的一部分;非纠缠的量子关联在一些量子通信和量子计算任务中扮演着重要的角色。文章简要综述了量子关联的基本概念,描述了几种常见的量子关联度量,并介绍了量子关联在量子信息处理中的作用以及一些最新动态。     

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 .     

量子图像存储

量子通讯的实现离不开量子存储器。量子存储器是一个能够按照需要存储和读出量子态的系统,而被存储的是非经典的量子态,如单光子、纠缠、压缩态等。多模存储能力是衡量量子存储器工作性能的一个重要指标。空间域的多模存储可以极大地减小对存储器存储时间的要求,因此空间多模存储引起了国内外学者的广泛关注,并在近几年取得了许多重要进展。文章简述了量子存储器的主要性质与评价指标,回顾了近年来量子存储的研究进程,特别介绍了量子图像存储方面的最新实验进展。     

量子信息引论

文章在阐述量子信息的发展背景之后,介绍了量子纠缠、量子计算、量子密码、量子因特网、量子克隆、量子对策论等方面的内容,既阐述了相关的基本概念,也论及最新的研究进展。     

清华物理系量子信息研究的新进展

在清华大学物理系成立60周年之际,我们对近年来清华大学物理系量子信息研究的主要进展情况作一介绍,包括量子搜索算法研究,核磁共振量子计算的实验研究,量子通讯的理论与实验研究.在量子搜索算法研究方面,我们提出了量子搜索算法的相位匹配,纠正了当时的一种错误观点,并且提出了一种成功率为100%的量子搜索算法,改进了Grover算法;在核磁共振量子计算实验方面,我们实现了2到7个量子比特的多种量子算法的实验演示;在量子通讯方面,我们提出了分布式传输的量子通讯的思想,应用于量子密钥分配、量子秘密共享、量子直接安全通讯等方面,构造了多个量子通讯的理论方案.在实验室,我们实现了2米距离的空间量子密码通讯的演示实验.     

一类基于级联结构的量子好码

借助经典级联码的思想，详细阐述了通过适当选择量子码作为外码和内码，构造一般意义量子级联码的过程.在此基础上，通过选择量子RS码作为外码，一组特殊结构的量子码作为内码，具体构造出了一类量子级联码，证明了其是量子好码.在量子纠错码领域中，这是首次利用经典坏码构造出量子好码.     

量子无线广域网构建与路由策略

提出了一种基于多阶量子隐形传态的量子路由方案, 在量子移动终端之间没有共享纠缠对的情况下, 仍然可以完成量子态的无线传输. 该量子路由方案可以用来构建量子无线广域网, 其传输时延与所经过的链路距离和基站数目无关, 传输一个量子态所需的时间与采用量子隐形传态所需的时间相同. 因此, 从数据传输速率的观点来看, 该方案优于基于纠缠交换的量子路由方案. 关键词： 量子通信 多阶量子隐形传态 量子路由 量子无线广域网     

量子通信

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科。文章综述了量子通信领域的研究进展，既包括人们所熟知的量子隐形传态、密集编码和量子密码学，也包括刚刚兴起但却有巨大潜力的量子通信复杂度和远程量子通信等领域。文章介绍了量子通信的基本理论框架，同时也涉及了这个领域最新的实验研究的进展。     

量子开系统理论及其应用

量子物理是当代科学发展的基石,多次引发高技术革命.它与信息科学结合, 产生了交叉学科——量子信息,为突破计算机芯片的尺度极限提供了全新的解决思路.自1987年起,文章作者及其合作者对量子开系统理论、量子退相干及其相关的量子物理基本问题进行了系统的探索,契合了最近10年量子信息研究的快速发展.文章首先结合上世纪70年代末彭桓武先生关于量子开系统（阻尼谐振子的量子化）的重要研究工作, 介绍了量子开系统的基本概念及其研究的科学意义,同时简略介绍了文章作者及其合作者在量子开系统理论及其在量子信息应用方面的系列研究工作.     

Towards Quantum Control with Advanced Quantum Computing: A Perspective

We propose the combination of digital quantum simulation and variational quantum algorithms as an alternative approach to numerical methods for solving quantum control problems. As a hybrid quantum–classical framework, it provides an efficient simulation of quantum dynamics compared to classical algorithms, exploiting the previous achievements in digital quantum simulation. We analyze the trainability and the performance of such algorithms based on our preliminary works. We show that specific quantum control problems, e.g., finding the switching time for bang-bang control or the digital quantum annealing schedule, can already be studied in the noisy intermediate-scale quantum era. We foresee that these algorithms will contribute even more to quantum control of high precision if the hardware for experimental implementation is developed to the next level.     

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.     

基于提高精度的量子雷达方案及其进展

定位测量一直是人们关注的问题,将量子技术应用于定位任务有望展示出经典定位方案无 法达到的优势。目前,已有部分量子雷达方案被提出,展示了科研工作者从量子信息角度对定位 测量的新思考。本文总结了部分已有的量子雷达方案,介绍了相关方案的概念和分类,并着重对 量子定位、量子照明和三维增强雷达三种方案的基本原理进行论述,同时分析了各方案的优势以 及亟待解决的问题。     

一种基于分层的量子分组传输方案及性能分析

大规模量子通信网络中,采用量子分组传输技术能有效提升发送节点的吞吐量,提高网络中链路的利用率,增强通信的抗干扰性能.然而量子分组的快速传输与路由器性能息息相关.路由器性能瓶颈将严重影响网络的可扩展性和链路的传输效率.本文提出一种量子通信网络分层结构,并根据量子密集编码和量子隐形传态理论,给出一种基于分层的量子分组信息传输方案,实现端到端的量子信息传输.该方案先将量子分组按照目的地址进行聚类,再按聚类后的地址进行传输.仿真结果表明,基于分层的量子分组信息传输方案能够有效减少量子分组信息在量子通信网络中的传输时间,并且所减少的时间与量子路由器性能与发送的量子分组数量有关.因此,本文提出的量子分组信息传输方案适用于大规模量子通信网络的构建.     

A Spatial Domain Quantum Watermarking Scheme

This paper presents a spatial domain quantum watermarking scheme. For a quantum watermarking scheme, a feasible quantum circuit is a key to achieve it. This paper gives a feasible quantum circuit for the presented scheme. In order to give the quantum circuit, a new quantum multi-control rotation gate, which can be achieved with quantum basic gates, is designed. With this quantum circuit, our scheme can arbitrarily control the embedding position of watermark images on carrier images with the aid of auxiliary qubits. Besides reversely acting the given quantum circuit, the paper gives another watermark extracting algorithm based on quantum measurements. Moreover, this paper also gives a new quantum image scrambling method and its quantum circuit. Differ from other quantum watermarking schemes, all given quantum circuits can be implemented with basic quantum gates. Moreover, the scheme is a spatial domain watermarking scheme, and is not based on any transform algorithm on quantum images. Meanwhile, it can make sure the watermark be secure even though the watermark has been found. With the given quantum circuit, this paper implements simulation experiments for the presented scheme. The experimental result shows that the scheme does well in the visual quality and the embedding capacity.     

量子开系统理论及其应用

量子物理是当代科学发展的基石,多次引发高技术革命.它与信息科学结合,产生了交叉学科——量子信息,为突破计算机芯片的尺度极限提供了全新的解决思路.自1987年起,文章作者及其合作者对量子开系统理论、量子退相干及其相关的量子物理基本问题进行了系统的探索,契合了最近10年量子信息研究的快速发展.文章首先结合上世纪70年代末彭桓武先生关于量子开系统(阻尼谐振子的量子化)的重要研究工作,介绍了量子开系统的基本概念及其研究的科学意义,同时简略介绍了文章作者及其合作者在量子开系统理论及其在量子信息应用方面的系列研究工作.     

基于拉曼协议的量子存储

量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统,是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件.量子存储协议多种多样,其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注.然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性.本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标,在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后,重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究,取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.     

Implementation of Quantum Fourier Transform and Its Applications via Quantum-Dot Spins and Microcavity

A scheme for implementing discrete quantum Fourier transform is proposed via quantum dots embedded in a microcavity, and then some of its applications are investigated, i.e., Deutsch 3ozsa. algorithm and Shor＇s quantum factoring. In particular, the detailed process of implementing one~qubit Deutsch Jozsa algorithm and the factorization of N = 15 are given. The microcavity mode is only virtually excited in the whole interaction, so the effective decoherent has slight effect on the current scheme. These schemes would be an important step to fabricate a solid quantum computer.