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.     

基于深度学习的量子比特噪声谱解析

作为量子技术中的信息载体,量子比特被广泛应用于量子计算、量子模拟以及量子精密测量等研究领域。然而由于环境中如噪声等因素的存在,量子比特的信息表征会受到一定限制。如何精确地解析出环境中作用于量子比特的噪声谱信息,成了量子比特动力学解耦工作中亟待解决的问题。基于近似解析的传统方法无法精确地从量子比特的时域测量信息中解析出噪声谱。因此,在本文中,我们提出了一种基于深度学习的量子比特噪声谱解析方法。该方法通过不断学习,能够获取量子比特的退相干曲线与其噪声谱之间的潜在映射关系,为后续数值模拟和实验测量中的量子比特噪声谱解析提供了新的技术思路。相比于传统方法,该方法的精确度更高,并且可以推广到其他类型噪声谱的解析工作中。     

三维传输子量子比特的退相干参数表征

超导量子比特的退相干时间是决定超导量子计算能否实现的重要指标之一. 文章以三维传输子量子比特(3D transmon)为研究对象, 在氧化硅衬底上制备了三维传输子量子比特, 并在超低温下(10 mK), 采用拉比振荡(Rabi oscillation)、能量弛豫(energy relaxation)、 拉姆齐条纹(Ramsey fringe)、自旋回波(spin echo)的方法, 对其进行了详细的退相干时间常数表征. 结果显示该量子比特的退相干时间在几百纳秒. 根据几种退相干时间的关系进行计算, 可以看出, 低频噪声目前不是影响量子比特退相干的最主要因素, 而氧化硅中的缺陷可能是样品退相干时间的主要瓶颈. 关键词： 三维传输子量子比特 拉比振荡 拉姆齐条纹 自旋回波     

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.     

LA声子对激子qubit纯退相干的影响

在一个抛物量子点中,以激子的真空态和基态作为量子比特(qubit),采用求密度矩阵元的方法,计算了由形变势下声学声子引发的激子量子比特纯退相干.找到了激子量子比特纯退相干因子对时间、温度和量子点受限长度的依赖关系.研究发现,激子量子比特的退相干因子在2.5ps的时间范围内随时间的增加而迅速增加,其纯退相干时间在ps量级;在温度即使为绝对温度0K时由LA声子引发的退相干依然存在,在温度大于3K后退相干因子随温度的增大而开始迅速增大;并同时发现量子点受限长度对退相干因子有重要影响,激子越受限退相干越快.研究结果表明,对激子量子比特使用适当大小量子点,且保持环境低温,并采用低能超快光学操作可以有效地抑制声子对激子量子比特纯退相干的影响. 关键词： 量子点 量子信息 量子比特     

纠缠比特在不同噪声环境和信道下演化规律的实验研究

量子信息技术主要基于量子纠缠,量子纠缠源作为重要的相干叠加态,其相干性很容易受到环境的影响而变得非常脆弱,甚至导致量子信息处理的失败.因此,全面揭示不同噪声环境和不同噪声信道下量子纠缠源演化规律,进而探寻抑制退相干的方法就显得至关重要.本文以量子信息最基本的单元-两比特纠缠对作为研究对象,实验上利用线性光学系统模拟了比特翻转和相移噪声(集体和非集体),研究了纠缠源在不同噪声环境及单、双和混合噪声信道下保真度的变化规律.实验结果表明:对同一种噪声类型,当纠缠比特经过双通道噪声环境时,其纠缠特性破坏得快;当纠缠比特经过非集体环境时,其纠缠特性消失得快.对不同噪声类型比较,结果表明比特翻转噪声相对于相移噪声更容易破坏纠缠特性.所得结论对纠缠退相干的理论和实验研究具有重要的借鉴意义,同时对基于非线性光学系统的量子信息处理技术具有重要的应用价值.     

电路量子电动力学中基于超绝热捷径的控制相位门实现

针对绝热算法在系统演化过程中需要较长操作时间的问题,本文提出了电路量子电动力学系统中基于超绝热捷径的两量子比特控制相位门的快速制备方案.首先将量子比特的能级进行编码,针对不同初始态分类讨论,获得系统的有效哈密顿量.通过反绝热驱动,推导出系统有效哈密顿量的修正项,以抑制不同本征态之间不必要的跃迁,从而获得了高保真度的基于超绝热捷径控制相位门.数值模拟验证了本方案的有效性,最终保真度为0.991.所提方案可以加速演化,并且比绝热通道更有效.此外,本方案对谐振器的衰减和超导量子比特的退相干具有鲁棒性.通过对谐振腔的泄漏、量子比特的自发辐射和退相位的影响分析,得到的系统最终保真度始终保持在0.984以上.     

基于超导量子比特的电磁感应透明研究进展

超导量子计算是目前被认为最有希望实现量子计算机的方案之一. 超导量子比特是超导量子计算的核心部件. 如何尽可能的增加超导量子比特的退相干时间, 大规模的集成超导量子比特已成为超导量子计算研究的主要方向. 超导量子比特作为宏观的人工原子, 有许多量子光学现象都能够在其中观测到. 利用超导量子比特实现电磁感应透明为研究超导量子比特的退相干机理提供了新手段, 为研究非线性光学、光存储、光的超慢速传输等量子光学效应开辟了新思路. 本文介绍了电磁感应透明的理论基础, 总结了目前针对超导量子比特的电磁感应透明研究进展, 对比了一般气体原子与超导量子比特的电磁感应透明区别, 并对超导量子比特实现电磁感应透明的潜在应用进行了总结和展望.     

多个玻色库下的自旋压缩动力学

本文分析了一个具有交换对称性的N量子比特系综中的自旋压缩动力学问题,这些量子比特相互独立且分别与各自独立的和等价的多个玻色环境相互耦合。研究发现,非马尔科夫特性和玻色库个数在自旋压缩中起着重要作用。为了抑制环境退相干,我们还讨论了弱测量方法对自旋压缩的影响,得到一些有意义的结果。     

电场和温度对施主中心量子点中束缚极化子基态寿命的影响

采用Lee-Low-Pines变换和Pekar类型变分法推导出非对称高斯势施主中心量子点中束缚极化子的基态和激发态能量和波函数,进而构造了一量子比特所需的二能级结构。基于费米黄金规则和偶级近似研究了束缚极化子基态的衰变。引入了一个用两态极化子基态衰变时间来量化量子点量子比特退相干时间的量度法,并与极化子激发态衰变时间量化量子点量子比特退相干度量法进行了对照讨论,揭示了二者的相同物理机理。通过研究电场下材料的介电常数比、电声耦合常数和温度对施主中心量子点中束缚极化子基态寿命的影响,揭示了材料属性与环境因素对量子点量子比特退相干的影响。     

碳化硅缺陷有望成为器件友好的量子比特——广泛使用的商品级半导体晶片可在室温下进行相干操控

任何量子计算方案的中心元素都是量子比特，这是一种类似于自旋为1／2的电子的双态体系．在计算过程中，量子比特的状态经历着各种变化；计算一旦完成，需要确定量子比特是“朝上”还是“向下”的．不幸的是，量子比特也要与环境相互作用，这会使其量子态遭受破坏，或者退相干．任何有用的量子比特，在进行一系列有价值的量子操作时，都必须抵抗退相干．     

多量子比特核磁共振体系的实验操控技术

随着量子信息与量子计算科学的发展,量子信息处理器被广泛地用于量子计算、量子模拟、量子度量等方面的研究.为了能在实验上实现这些日益复杂的方案,将量子计算机的潜能转化成现实,需要不断提高可操控的量子体系比特位数,实现更复杂的量子操控.核磁共振自旋体系作为一个优秀的量子实验测试平台,提供了丰富而又精密的量子操控手段.近几年来在此平台上进行了不少的多量子比特实验,发展并积累了一系列的多量子比特实验技术.本文首先阐述了核磁共振体系多量子比特实验中的实验困难,然后结合7量子比特标记赝纯态制备以及其他有关实验,对多比特实验过程中应用到的实验技术进行介绍.最后对核磁共振体系多量子比特实验技术方向的进一步研究进行了总结和展望.     

金刚石氮空位中心自旋量子调控

量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果;重点讨论1)如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控,2)金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段,3)自旋态相干操控技术在量子传感中的应用;最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.     

运用量子约束动力学对具有耗散的量子位的追踪控制

在有限温度环境内，量子约束动力学及其追踪控制可使退相干系统的相干性稳定一段时间.约束方程产生的控制场能够按量子比特的动力学状态进行控制(量子动力学轨道的反馈控制)；依靠量子比特的这种反馈效应，可使量子位稳定在设定的时间内.同时，在量子位的稳定方面，温度扮演一种消极的角色. 关键词： 量子约束动力学 耗散量子位的控制 追踪控制 量子比特的反馈效应     

3D-Transmon与压电振子的量子耦合系统北大核心

微机械振子在量子信息领域有着重要的应用,可用作量子存储器、量子换能器等.鉴于三维传输子量子比特(3D-Transmon)优良的退相干特性以及AlN压电振子较高的谐振频率,我们利用微纳加工技术,在蓝宝石基片上成功制备了3D-Transmon与AlN压电振子的量子耦合系统.实际测量结果显示,在外加磁场偏置下,量子比特的跃迁频率可调范围为4.1~9.8 GHz,能量弛豫时间T1约为4.7μs,并且测量到了能级免交叉现象.这些结果为今后超导量子比特与微机械振子耦合系统的深入研究提供了重要参考.     

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     

非绝热分子动力学的量子路径模拟

基于近期发展的经典-量子混合模拟非绝热分子动力学的量子路径方案,本文对5个典型势能面模型进行了模拟,包括单交叉模型、双交叉模型、拓展耦合模型、哑铃模型以及双弓模型.由于难以在严格意义上得到退相干速率,数值模拟中,我们比较了三个不同的退相干速率公式,包括冻结高斯波包近似退相干速率、能量分辨速率以及力分辨速率.在模拟过程中,我们恰当地处理了势能面跳跃时的能量守恒和力的反向问题.通过与全量子动力学模拟的精确结果进行对比发现,对于结构较简单的势能面模型,三种退相干速率都能得到较好的结果;然而对于较复杂的势能面模型,由于复杂量子干涉的原因,与其他混合经典-量子动力学方案类似,量子路径方案仍然难以得到较准确的结果.如何发展更加有效的混合经典-量子模拟方案,是未来研究的重要课题.     

中性原子量子计算研究进展

相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系具备在1 mm2的面积上提供成千上万个量子比特的规模化集成的优势,是进行量子模拟、实现量子计算的有力候选者.近几年中性单原子体系在实验上取得了快速的发展,完成了包括50个单原子的确定性装载、二维和三维阵列中单个原子的寻址和操控、量子比特相干时间的延长、基于里德伯态的两比特量子门的实现和原子态的高效读出等,这些工作极大地推动了该体系在量子模拟和量子计算方面的应用.本文综述了该体系在量子计算方面的研究进展,并介绍了我们在其中所做的两个贡献:一是实现了"魔幻强度光阱",克服了光阱中原子退相干的首要因素,将原子相干时间提高了百倍,使得相干时间与比特操作时间的比值高达105;二是利用异核原子共振频率的差异建立了低串扰的异核单原子体系,并利用里德伯阻塞效应首次实现了异核两原子的量子受控非门和量子纠缠,将量子计算的实验研究拓展至异核领域.最后,分析了中性单原子体系在量子模拟和量子计算方面进一步发展面临的挑战与瓶颈.     

多环境影响下的量子导引动力学

本文基于与各自的两层环境相互作用的两量子比特系统,详细考察了强、弱耦合体系下第二层环境的腔个数N和两层环境间的耦合系数κ对量子导引动力学的影响,研究发现:随着N和κ的增加,量子导引不仅可以出现振荡现象,而且存活时间和量值都能得到一定程度地提高。为了抑制环境退相干,我们还讨论了量子弱测量和测量反转操作对量子导引动力学的调制作用,结果表明弱测量方法可以有效地保护量子导引。     

超短激光脉冲操控双量子比特的量子态

用光与物质相互作用的半经典理论研究了超短激光脉冲与构成双量子比特的二体二能级体系的相互作用,对由不同的激发方式引起的独立双路(Independent Double Path-Ways,IDPW)和相干双路径(Coherent Double Path-Ways,CDPW)进行对比.研究结果表明,与单量子比特相比,双量子比特在超短激光脉冲的作用下,表现出更加丰富的相干性.这种相干特性与体系初态、失谐量和激发的路径都有关.同时,可以利用超短激光脉冲对双量子比特的相干激发,通过调节光脉冲面积来实现量子态的操控.