Nonadiabatic geometric quantum computation with optimal control on superconducting circuits

Quantum gates, which are the essential building blocks of quantum computers, are very fragile. Thus, to realize robust quantum gates with high fidelity is the ultimate goal of quantum manipulation. Here, we propose a nonadiabatic geometric quantum computation scheme on superconducting circuits to engineer arbitrary quantum gates, which share both the robust merit of geometric phases and the capacity to combine with optimal control technique to further enhance the gate robustness. Specifically, in our proposal, arbitrary geometric single-qubit gates can be realized on a transmon qubit, by a resonant microwave field driving, with both the amplitude and phase of the driving being timedependent. Meanwhile, nontrivial two-qubit geometric gates can be implemented by two capacitively coupled transmon qubits, with one of the transmon qubits’ frequency being modulated to obtain effective resonant coupling between them. Therefore, our scheme provides a promising step towards fault-tolerant solid-state quantum computation.     

Quantum computation and error correction based on continuous variable cluster states

Measurement-based quantum computation with continuous variables, which realizes computation by performing measurement and feedforward of measurement results on a large scale Gaussian cluster state, provides a feasible way to implement quantum computation. Quantum error correction is an essential procedure to protect quantum information in quantum computation and quantum communication. In this review, we briefly introduce the progress of measurement-based quantum computation and quantum error correction with continuous variables based on Gaussian cluster states. We also discuss the challenges in the fault-tolerant measurement-based quantum computation with continuous variables.     

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.     

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.     

量子隐形传态

量子隐形传态是目前量子信息中人们关注的热门课题之一，它是量子信息理论的重要组成部分，也是量子计算的基础。文章阐述了标准量子隐形传态和概率量子隐形传态的基本理论以及EPR效应，Bell基测量等相关的概念，同时给出一种实现隐形传态的量子电路，并介绍了当前理论与实验的研究进展。     

量子隐形传态

量子隐形传态是目前量子信息中人们关注的热门课题之一,它是量子信息理论的重要组成部分,也是量子计算的基础。文章阐述了标准量子隐形传态和概率量子隐形传态的基本理论以及EPR效应,Bell基测量等相关的概念,同时给出一种实现隐形传态的量子电路,并介绍了当前理论与实验的研究进展。     

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。     

相干时间超过10 min的单离子量子比特

能够长时间储存量子信息的量子存储设备是实现大规模量子计算和量子通信的基本要素.与其他量子计算平台相比,囚禁离子系统的优势之一在于具有很长的相干时间.此前,基于囚禁离子的单量子比特相干时间不到1 min.研究发现,在囚禁离子系统中,限制量子比特相干时间的主要因素是运动能级加热和环境噪声,其中后者包含环境磁场涨落和微波相位噪声.在同时囚禁171Yb+离子和138Ba+离子的混合囚禁系统中,通过实施协同冷却和动力学解耦,可以实现相干时间超过10 min的单离子量子比特.这一技术有望用于实现量子密码学和搭建混合量子计算平台.     

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．     

利用光子回声技术产生光的三体纠缠态的研究

量子纠缠是实现量子通信和量子计算的重要资源,其中多体纠缠更是构建量子网络实现全局量子计算的基础。本文主要研究如何利用经典的光子回声技术实现光量子态的三体纠缠。在自由空间中向掺杂稀土离子的固态离子系综中射入经典光场,当离子体系达到相位重构条件时即可获得三束存在纠缠的量子光场。基于本方案纠缠产生的技术特点,发现其在提高量子中继器的工作效率上有着潜在的应用价值。     

通向通用量子计算机之路

量子计算机对信息的处理和计算与经典计算机相比有很大的优越性 .可编程量子计算器件是建造通用量子计算机的一个重要部分 .文章介绍了可编程量子计算中的一些主要结果 ,其中包括 :建造通用可编程量子计算器件的困难 ;两类解决方案 (概率的和精确的可编程量子计算器件 ,确定的和近似的可编程量子计算器件 ) ;通过量子软件控制的量子测量方案 .最后简要介绍了量子计算机物理实现的几个主要方向和未来的展望     

An overview of quantum error mitigation formulas

Minimizing the effect of noise is essential for quantum computers. The conventional method to protect qubits against noise is through quantum error correction. However, for current quantum hardware in the so-called noisy intermediate-scale quantum (NISQ) era, noise presents in these systems and is too high for error correction to be beneficial. Quantum error mitigation is a set of alternative methods for minimizing errors, including error extrapolation, probabilistic error cancellation, measurement error mitigation, subspace expansion, symmetry verification, virtual distillation, etc. The requirement for these methods is usually less demanding than error correction. Quantum error mitigation is a promising way of reducing errors on NISQ quantum computers. This paper gives a comprehensive introduction to quantum error mitigation. The state-of-art error mitigation methods are covered and formulated in a general form, which provides a basis for comparing, combining and optimizing different methods in future work.     

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.     

飞秒激光直写光量子逻辑门

量子比特在同一时刻可处于所有可能状态上的叠加特性使得量子计算机具有天然的并行计算能力,在处理某些特定问题时具有超越经典计算机的明显优势.飞秒激光直写技术因其具有单步骤高效加工真三维光波导回路的能力,在制备通用型集成光量子计算机的基本单元—量子逻辑门中发挥着越来越重要的作用.本文综述了飞秒激光直写由定向耦合器构成的光量子比特逻辑门的进展.主要包括定向耦合器的功能、构成、直写和性能表征,集成波片、哈达玛门和泡利交换门等单量子比特逻辑门、受控非门和受控相位门等两量子比特逻辑门的直写加工,并对飞秒激光加工三量子比特逻辑门进行了展望.     

Variational quantum simulation of thermal statistical states on a superconducting quantum processer

Quantum computers promise to solve finite-temperature properties of quantum many-body systems, which is generally challenging for classical computers due to high computational complexities. Here, we report experimental preparations of Gibbs states and excited states of Heisenberg $XX$ and $XXZ$ models by using a 5-qubit programmable superconducting processor. In the experiments, we apply a hybrid quantum-classical algorithm to generate finite temperature states with classical probability models and variational quantum circuits. We reveal that the Hamiltonians can be fully diagonalized with optimized quantum circuits, which enable us to prepare excited states at arbitrary energy density. We demonstrate that the approach has a self-verifying feature and can estimate fundamental thermal observables with a small statistical error. Based on numerical results, we further show that the time complexity of our approach scales polynomially in the number of qubits, revealing its potential in solving large-scale problems.     

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.     

Toward a superconducting quantum computer: Harnessing macroscopic quantum coherence

Intensive research on the construction of superconducting quantum computers has produced numerous important achievements. The quantum bit (qubit), based on the Josephson junction, is at the heart of this research. This macroscopic system has the ability to control quantum coherence. This article reviews the current state of quantum computing as well as its history, and discusses its future. Although progress has been rapid, the field remains beset with unsolved issues, and there are still many new research opportunities open to physicists and engineers.     

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     

Fault-tolerant quantum computation via exchange interactions

Quantum computation can be performed by encoding logical qubits into the states of two or more physical qubits, and control of effective exchange interactions and possibly a global magnetic field. This "encoded universality" paradigm offers potential simplifications in quantum computer design since it does away with the need to control physical qubits individually. Here we show how encoded universality schemes can be combined with fault-tolerant quantum error correction, thus establishing the scalability of such schemes.     

固态量子计算

量子计算机拥有比经典计算机更强大的计算能力，人们普遍认为，量子计算机最终将会在固态系统中实现，文章介绍了三种固态量子计算机的方案，它们分别基于固态核振磁共振，超导结和量子点。