双模压缩态量子相干性演化的实验研究

量子相干性作为量子力学一个最显著的特征,被认为是量子信息过程中很重要的一种量子资源.单模压缩态和双模压缩态(Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态)均具有量子相干性,在制备和传输过程中的量子相干性对于实际应用具有重要意义.利用平衡零拍探测重构量子态的协方差矩阵,本文定量分析了量子态制备过程中的不完美以及信道传输损耗对单模和双模压缩态量子相干性的影响.实验证明量子态的压缩和纠缠特性及量子相干性对损耗均是鲁棒的.特别地,压缩和纠缠特性会随着量子态制备过程中热光子数的增大而减小,直至消失,而当压缩和纠缠均已消失时,量子相干性依然存在.实验结果为压缩态、纠缠态光场的量子相干性作为量子资源在量子信息过程中的应用提供了参考.     

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.     

量子相干破坏信道的研究

量子相干态和量子纠缠态在量子计算中具有同等重要的地位,都是量子计算中重要的物理资源。量子相干态可用来制备量子纠缠态,一个量子相干态和一个辅助量子不相干态通过不相干操作可产生量子纠缠态。根据纠缠破坏信道原理提出输入分别是单体最大相干态和二体最大相干态的相干破坏信道,该信道将输入的相干态转化为不相干态,并简单验证了提出的相干破坏信道是否真正破坏了输入的量子相干态的相干性。同时提出量子相干破坏信道可作为检测量子态的相干性一种新的方法。     

用离散变量编码的逻辑量子比特打破盈亏平衡点

量子计算是这个世纪以来量子物理领域的一个重要研究方向。该研究领域的目标是将信息编码到可以相互转换的量子态上并利用其执行一系列逻辑运算操作,通过量子态的相干叠加和纠缠等,在特定问题上实现对经典计算机运算速度的指数级加速。但是量子态本身是非常脆弱的,其与环境产生的不可避免的耦合会导致量子比特的相干寿命受到极大影响。     

几类相干态的量子保真度

在坐标表象下,研究了几类相干态的量子保真度,对于相干态,我们给出了量子保真度的解析表达式,考查了谐振子特征长度 ,平移距离 对保真度的影响;对于相干态 与 的叠加态,考查了初态量子干涉对量子保真度的影响,结论表明：量子保真度呈周期性;与相干态的量子保真度比较而言,当谐振子处于第二类相干态时,量子干涉能抑制量子态失真,当谐振子处于第三类相干态时,量子干涉能抑制量子态失真,也可能加大量子态失真.     

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.     

退相干条件下两比特纠缠态的量子非局域关联检验

量子纠缠态的量子非局域关联特性在当前量子信息和量子计算协议中起着重要的作用.然而,任何实际的物理系统都不可避免地与周围环境相互作用,使得在量子信道中的传输过程中,量子态会发生相干性退化,进而弱化量子态的量子非局域关联特性.本文利用一种基于Hardy-type佯谬的高概率量子非局域关联检验方案,分别研究了两比特偏振纠缠态在经过振幅阻尼信道(ADC)、相位阻尼信道(PDC)和退极化阻尼信道(DC)后的量子非局域关联检验情况.研究结果表明,DC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较大,而PDC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较小.最后,本文还给出了利用弱测量结合弱测量反转操作克服ADC退相干时,偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验的条件.结果表明,当弱测量的强度增大时,可有效地降低ADC退相干效应对偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验造成的影响.     

量子信息讲座续讲 第一讲 量子计算中的因子分解

因子分解对所有的现行计算机而言是难解的 .这是现在通用的公共加密系统的基础 .文章介绍了在量子计算机上进行的Shor量子算法 ,即利用量子态的相干叠加和纠缠特性以及量子逻辑门实现量子计算的方法 ;并着重从理论原理和实验实现这两方面说明利用余因子函数和离散傅里叶变换使这种量子算法对因子分解是有效的 .     

超导量子比特

随着2019年谷歌成功实现了"量子优势",超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件,目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其...     

量子信息讲座读讲 第一讲 量子计算中的因子分解

因子分解对所有的现行计算机而言是难解的。这是现在通用的公共加密系统的基础。文章介绍了在量子计算机上的进行的Shor量子算法,即利用量子态的相干叠加和纠缠特性以及量子逻辑门实现量子计算的方法;并着重从理论原理和实验实现忱两方面说明利用余因子函数和离散傅里叶变换使这种量子算法对因子分解是有效的。     

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.     

关联退极化量子信道中qutrit-qutrit系统的量子相干性演化

为探索量子系统的退相干机制寻找延缓退相干的方法,本文研究了关联量子信道中的退相干过程,计算了关联退极化信道中两体qutrit系统的3种初态:一种特殊初态、最大相干初态和各向同性初态的范数相干性、相对熵相干性及基矢无关相干性.分析得出的解析结果、数值结果和演化图像可以发现:1)完全关联的信道能最大程度地抑制退相干;2)存在一个与关联度无关的最大退相干时间点,但其退相干的演化行为却依赖着关联度;3)信道的关联可以增强子系统间的相干性.基矢无关相干性遵循的不等式关系也在此系统中得以验证.     

分子磁体中的量子隧穿及宏观量子效应

文章介绍了分子磁体中的量子隧穿和宏观量子效应理论和实验研究的新进展．分子磁体既有宏观磁体特性也呈现纯量子行为，例如磁化矢量的量子隧穿．文章作者解释了如何通过量子隧穿实现宏观量子相干(即薛定谔猫态的相干叠加)和量子态位相干涉．对隧穿率计算的瞬子方法，特别是有限温度隧穿理论及其在分子磁体量子隧穿中的应用也做了简要的阐述．     

腔场初始态对两量子比特空间退相干的影响

研究了两个二能级原子与一个单模腔场的相互作用中,腔场的不同初始态对原子间相对位置退相干的影响。从描述原子间相对位置状态的约化密度矩阵出发,假设原子间相对位置为两个高斯波包的叠加态,讨论了当腔场初始态分别为热态、Fock态和压缩态情况下,原子与光场的相互作用对两原子间相对位置相干性的影响。发现腔场的初始态不同,原子间相对位置的退相干情况有所不同。当腔场初始态为热态或Fock态时,原子间相对位置的相干性会周期性的衰减和回复,而当腔场初始态为压缩态时,原子间相对位置会出现部分退相干,且退相干程度与原子间相对位置的大小成余弦变化关系。     

编码于单个中性原子的单量子比特的量子层析

量子态层析和量子过程层析是刻画量子态和量子操作过程准确度的基本工具。本文主要对编码于二能级铯原子的单量子比特及其单量子操作进行了相关实验研究,对编码在铯原子钟态的量子态■进行了量子态层析分析,得到其保真度为0.97±0.02。我们还对单量子比特的门操作R_x(π)、■、R_y(π)、■、■进行了量子过程层析测量,得到量子门操作的平均保真度为0.96±0.03。我们对影响单比特态及其操作过程的保真度的因素进行了分析。     

量子计算机理论中的量子叠加和量子纠缠

讨论了量子计算、量子通讯与量子计算机中的核心问题 量子叠加和量子纠缠. 从量子态表示量子信息为出发点, 指出有关量子信息的所有问题都可采用量子力学理论来处理. 其中信息的演变遵从薛定谔方程, 信息的传输就是量子态在量子通道中的传送, 信息处理就是量子态的幺正变换, 信息提取则是对量子系统实行量子测量.     

基于操作腔外原子比特控制腔内原子比特相干性时间演化

考虑初始处于两类Bell态的两原子比特,将其中一个注入真空态腔中发生共振相互作用的情况,研究基于操作腔外原子比特控制腔内原子比特相干性时间演化.考察对腔外原子比特施Hadamard(H)门,H类门,Y门及位相门四种逻辑门操作及态选择测量前后,腔内原子比特约化密度矩阵非对角元时间演化曲线,讨论两类Bell态之间的关联性.结果表明,对腔外原子比特操作前,腔内原子比特密度矩阵非对角元在任意时刻都为零,总是处于混合态或经典态,因此始终退相干.而对腔外原子比特施H门和H类门操作及基态测量后,腔内原子比特密度矩阵非对角元呈现周期为2π的时间演化,除(2n+1)π/2时刻外,其相干性得到恢复;在nπ时刻,其最大相干叠加态和一般相干叠加态被制备;两类Bell态之间存在R∧(π/2)旋转关联性.而对腔外原子比特施Y门及位相门操作后,腔内原子比特的相干性得不到恢复.发现腔内原子比特的相干性得到恢复的必要条件是,逻辑门操作能够调节腔内原子比特与环境的相互作用,并使两原子比特与场分离的同时,它们之间形成强相干性的纠缠态分布.     

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.     

压缩真空态与压缩单光子态的相干叠加态的非经典性质

通过对量子比特态进行压缩操作,获得压缩真空态与压缩单光子态按一定的权重比例叠加而成的相干叠加态,此相干叠加态与压缩参数和权重因子有关,研究其非经典性和非高斯性.研究结果表明,通过压缩使得量子比特态的光子数分布范围变宽了.特别是从亚泊松分布和Wigner函数负定性情况分析了该量子态的非经典属性,从Wigner函数的边缘分布角度观察了该量子态的非高斯性.发现调节权重因子和压缩参数可以改善该态的非经典性和非高斯性.     

量子相干

量子相干不仅是量子力学中的一个基本概念,同时也是重要的量子信息处理的物理资源.随着基于资源理论框架的量子相干度量方案的提出,量子相干度的量化研究成为近年来人们关注的一个热点问题.量子相干作为一种物理资源也十分脆弱,极容易受到环境噪声的影响而产生退相干,因此开放系统中的量子相干演化和保持也是人们广泛关注的课题.另外,量子相干在量子多体系统、量子热动力学、量子生物学等领域也有着潜在的应用价值.本文介绍量子相干度量的资源理论框架和基于该框架定义的相对熵相干性、l1范数相干性、基于量子纠缠的相干性、基于凸顶结构的相干性和相干鲁棒性等量子相干度量函数,概述开放系统中量子相干演化的动力学行为、典型信道的量子相干产生和破坏能力以及量子相干的冻结等现象,同时例举量子相干在Deutsch-Jozsa算法、Grover算法以及量子多体系统相变问题研究等方面的重要应用.量子相干研究仍处于快速发展之中,期望本综述能为该领域的发展带来启示.