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．     

Brüschweiler量子搜索算法的改进及其实验实现

量子计算与经典计算相比, 能够极大地提高运算速度, 解决一些经典计算不能解决或很难解决的问题. 对于在无序数据库中进行搜索这类问题, 可以用量子算法, 如Brüschweiler量子搜索算法来解决. 与经典算法相比, Brüschweiler量子算法能够指数次地提高搜索速度. 在Brüschweiler提出的算法中, 数据量子位和观测量子位(辅助量子位)是分开的, 属于不同的量子位. 通过研究, 对Brüschweiler算法作了改进, 使之不需要用辅助量子位, 就可以达到指数次提高搜索速度的目的. 改进后的Brüschweiler量子算法有利于简化实验的设计和实现过程. 同时还利用核磁共振实验, 演示了改进后的Brüschweiler量子算法的实现.     

核磁共振量子信息处理研究的新进展

过去的二十年中,量子信息相关研究取得了显著的进展,重要的理论和实验工作不断涌现.与其他量子信息处理系统相比,基于自旋动力学的核磁共振系统,不仅具有丰富而且成熟的控制技术,还拥有相干时间长、脉冲操控精确、保真度高等优点.这也是核磁共振体量子系统能够精确操控多达12比特的量子系统的原因.因此,核磁共振量子处理器在量子信息领域一直扮演着重要角色.本文介绍核磁共振量子计算的基本原理和一些新研究进展.研究的新进展主要包括量子噪声注入技术、量子机器学习在核磁共振平台上的实验演示、高能物理和拓扑序的量子模拟以及核磁共振量子云平台等.最后讨论了液态核磁共振的发展前景和发展瓶颈,并对未来发展方向提出展望.     

七量子位Deutsch-Josza量子算法的核磁共振实验实现

近年来 ,量子计算机的研究有了很大的发展 ,在目前提出的各种量子计算的方案中 ,核磁共振技术对模拟和演示量子算法以及验证量子计算机的优越性做出了巨大的贡献 .Deutsch Jozsa算法是一种研究较为广泛的量子算法 ,它可以用核磁共振实验予以验证 ,并可根据Cirac等人提出的方案予以简化 .报道了在核磁共振量子计算机上实验实现七位Deutsch Jozsa算法的过程和结果. Recent years, remarkable progresses in experimental realization of quantum information have been made, especially based on nuclear magnetic resonance (NMR) theory. In all quantum algorithms, Deutsch-Jozsa algorithm has been widely studied. It can be realized on NMR quantum computer and also can be simplified by using the Cirac s scheme. In this paper, at first the principle of Deutsch-Jozsa quantum algorithm is analyzed, then we implement the seven-qubit Deutsch-Jozsa algorithm...     

Brǖschweiler量子搜索算法的改进及其实验实现

量子计算与经典计算相比 ,能够极大地提高运算速度 ,解决一些经典计算不能解决或很难解决的问题 .对于在无序数据库中进行搜索这类问题 ,可以用量子算法 ,如Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子搜索算法来解决 .与经典算法相比 ,Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子算法能够指数次地提高搜索速度 .在Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ提出的算法中 ,数据量子位和观测量子位 (辅助量子位 )是分开的 ,属于不同的量子位 .通过研究 ,对Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ算法作了改进 ,使之不需要用辅助量子位 ,就可以达到指数次提高搜索速度的目的 .改进后的Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子算法有利于简化实验的设计和实现过程 .同时还利用核磁共振实验 ,演示了改进后的Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子算法的实现. In recent years, quantum computing research has made big progress, which exploit quantum mechanical laws, such as interference, superposition and parallelism, to perform computing tasks. The most inducing thing is that the quantum computing can provide large rise to the speedup in quantum algorithm. Quantum computing can solve some problems, which are impossible or difficult for the classical computing. The problem of searching for a specific item in an unsorted database can be...     

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.     

量子逻辑网络的核磁共振实现

利用相位相反技术,设计出了实现精确的CN门的脉冲序列;构造了三量子位的双重控制相位旋转门（CCS门）,它是将核磁共振(NMR)实现Grover量子算法从二量子位推广到三量子位的关键逻辑门,而且,依此方法,可以用NMR实现N量子位的Grover量子算法;还给出了量子Toffoli门以及量子态的各种对称操作的逻辑部件。所有这些逻辑操作都是构建量子态工程的工具。文中大部分脉冲序列己经在实验中得到验证,这些结果对于量子计算的理论研究和实验实现都具有现实意义。     

新的summing算法的核磁共振实验实现

本文报导了一种新的summing算法的核磁共振实验实现.实验中我们用到了四个量子位的核自旋体系,其中两个量子位构成输入寄存器,另两个量子位构成输出寄存器.最后的实验结果只需通过测量输出寄存器中核自旋的谱线获得.     

基于相位匹配的量子行走搜索算法及电路实现

量子行走是经典随机行走在量子力学框架下的对应, 理论上可以用来解决一类无序数据库的搜索问题. 因为携带信息的量子态的扩散速度与经典相比有二次方式的增长, 所以量子行走优于经典随机行走, 量子行走的特性值得加以利用. 量子行走作为一种新发现的物理现象的数学描述, 引发了一种新的思维方式, 孕育了一种新的理论计算模型. 最新研究表明, 量子行走本身也是一种通用计算模型, 可被视为设计量子算法的高级工具, 因此受到部分计算机理论科学领域学者的关注和研究. 对于多数问题求解方案的量子算法的设计, 理论上可以只在量子行走模型下进行考虑. 基于Grover算法的相位匹配条件, 本文提出了一个新的基于量子行走的搜索算法. 理论演算表明: 一般情况下本算法的时间复杂度与Grover算法相同, 但是当搜索的目标数目多于总数的1/3时, 本算法搜索成功的概率要大于Grover算法. 本文不但利用Grover算法中相位匹配条件构造了一个新的量子行走搜索算法, 而且在本研究室原有的量子电路设计研究成果的基础上给出了该算法的量子电路表述.     

星图上的散射量子行走搜索算法

量子行走是一种典型的量子计算模型, 近年来开始受到量子计算理论研究者们的广泛关注. 本文首先证明了在星图上硬币量子行走与散射量子行走的酉等价关系, 之后提出了一个在星图上的散射量子行走搜索算法. 该算法的时间复杂度与Grover算法相同, 但是当搜索的目标数目多于总数的1/3时搜索成功概率大于Grover算法.     

Experimental implementation of a fixed-point duality quantum search algorithm in the nuclear magnetic resonance quantum system

In this work, we demonstrated a fixed-point quantum search algorithm in the nuclear magnetic resonance (NMR) system. We constructed the pulse sequences for the pivotal operations in the quantum search protocol. The experimental results agree well with the theoretical predictions. The generalization of the scheme to the arbitrary number of qubits has also been given.     

量子密码实验新进展——13km自由空间纠缠光子分发:朝向基于人造卫星的全球化量子通信

实验实现了纠缠光子对通过地面大气13km的自由空间分发.实验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性依然能够很好保持.文章作者观测了类空间隔Bell-CHSH不等式的破坏,其S值达到2.45±0.09.在这个基础上,我们利用分发的纠缠光子对演示了BB84-Ekert91量子密码协议.这个实验第一次验证了用纠缠光子对进行地面和卫星量子通信的可行性,为未来的基于人造卫星全球化量子通信打下坚实的基础.文章将首先回顾量子密码实验方面的最新进展,然后再详细介绍作者的实验.     

Efficient State Preparation via Ion Trap Quantum Computing and Quantum Searching Algorithm

We present a scheme to-prepare a quantum state in an ion trap with probability approaching to one by means of ion trap quantum computing and Grover's quantum search algorithm acting on trapped ions.     

Experimental quantum deletion in an NMR quantum information processor

We report an NMR experimental realization of a rapid quantum deletion algorithm that deletes marked states in an unsorted database.Unlike classical deletion,where search and deletion are equivalent,quantum deletion can be implemented with only a single query,which achieves exponential speed-up compared to the optimal classical analog.In the experimental realization,the GRAPE algorithm was used to obtain an optimized NMR pulse sequence,and the efficient method of maximum-likelihood has been used to reconstruct the experimental output state.     

Design of quantum VQ iteration and quantum VQ encoding algorithm taking O（√N） steps for data compression

Vector quantization (VQ) is an important data compression method. The key of the encoding of VQ is to find the closest vector among N vectors for a feature vector. Many classical linear search algorithms take $O(N)$ steps of distance computing between two vectors. The quantum VQ iteration and corresponding quantum VQ encoding algorithm that takes $O(\sqrt N )$ steps are presented in this paper. The unitary operation of distance computing can be performed on a number of vectors simultaneously because the quantum state exists in a superposition of states. The quantum VQ iteration comprises three oracles, by contrast many quantum algorithms have only one oracle, such as Shor's factorization algorithm and Grover's algorithm. Entanglement state is generated and used, by contrast the state in Grover's algorithm is not an entanglement state. The quantum VQ iteration is a rotation over subspace, by contrast the Grover iteration is a rotation over global space. The quantum VQ iteration extends the Grover iteration to the more complex search that requires more oracles. The method of the quantum VQ iteration is universal.     

Quantum walk search algorithm for multi-objective searching with iteration auto-controlling on hypercube

Shenvi et al. have proposed a quantum algorithm based on quantum walking called Shenvi-Kempe-Whaley (SKW) algorithm, but this search algorithm can only search one target state and use a specific search target state vector. Therefore, when there are more than two target nodes in the search space, the algorithm has certain limitations. Even though a multi-objective SKW search algorithm was proposed later, when the number of target nodes is more than two, the SKW search algorithm cannot be mapped to the same quotient graph. In addition, the calculation of the optimal target state depends on the number of target states m. In previous studies, quantum computing and testing algorithms were used to solve this problem. But these solutions require more Oracle calls and cannot get a high accuracy rate. Therefore, to solve the above problems, we improve the multi-target quantum walk search algorithm, and construct a controllable quantum walk search algorithm under the condition of unknown number of target states. By dividing the Hilbert space into multiple subspaces, the accuracy of the search algorithm is improved from p_c=(1/2)-O(1/n) to p_c=1-O(1/n). And by adding detection gate phase, the algorithm can stop when the amplitude of the target state becomes the maximum for the first time, and the algorithm can always maintain the optimal number of iterations, so as to reduce the number of unnecessary iterations in the algorithm process and make the number of iterations reach $ t_{\rm f}=(\pi /2)\sqrt{2^{n-2}} $.     

Deterministic Secure Quantum Communication on the BB84 System

In this paper, we propose a deterministic secure quantum communication (DSQC) protocol based on the BB84 system. We developed this protocol to include quantum entity authentication in the DSQC procedure. By first performing quantum entity authentication, it was possible to prevent third-party intervention. We demonstrate the security of the proposed protocol against the intercept-and-re-send attack and the entanglement-and-measure attack. Implementation of this protocol was demonstrated for quantum channels of various lengths. Especially, we propose the use of the multiple generation and shuffling method to prevent a loss of message in the experiment.