量子十问之六 量子计算,这可是一个颠覆性的新技术

<正>量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时,它就是量子计算机。现在或许还无法准确预测"量子计算机时代"何时到来,但在科学家看来,已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命     

首次观测到超低温度下钠钾基态分子和钾原子碰撞的散射共振

<正>量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力,不仅为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案,也可有效揭示复杂系统的物理规律,为新能源开发、新材料设计等提供指导~([1])。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机,但这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算,实现这一目标仍然需要经过长期不懈的努力。当前,量子计算的短期目标是通过发展专用型量子计算机,即专用量子     

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     

量子计算机

较系统地阐述了量子计算机的发展和现状，着重介绍经典可逆计算机，量子可逆计算机，量子图灵机，量子计算机的构造，应用，以及当前研究热点如量子纠错和消相干问题。     

量子信息讲座第一讲 量子计算机

量子力学和计算机理论，这两个看起来互不相关的领域，其结合却产生了一门富于成效的学科：量子计算机．文章介绍了量子计算机的基本概念和历史背景，它相对于经典计算机的优越性，它的构造和实验方案，以及实现量子计算的困难及其克服途径，最后展望了量子计算机的发展前景     

广义量子干涉原理及对偶量子计算机

我们综述最近提出的广义量子干涉原理及其在量子计算中的应用。广义量子干涉原理是对狄拉克单光子干涉原理的具体化和多光子推广,不但对像原子这样的紧致的量子力学体系适用,而且适用于几个独立的光子这样的松散量子体系。利用广义量子干涉原理,许多引起争议的问题都可以得到合理的解释,例如两个以上的单光子的干涉等问题。从广义量子干涉原理来看双光子或者多光子的干涉就是双光子和双光子自身的干涉,多光子和多光子自身的干涉。广义量子干涉原理可以利用多组分量子力学体系的广义Feynman积分表示,可以定量地计算。基于这个原理我们提出了一种新的计算机,波粒二象计算机,又称为对偶计算机。在原理上对偶计算机超越了经典的计算机和现有的量子计算机。在对偶计算机中,计算机的波函数被分成若干个子波并使其通过不同的路径,在这些路径上进行不同的量子计算门操作,而后这些子波重新合并产生干涉从而给出计算结果。除了量子计算机具有的量子平行性外,对偶计算机还具有对偶平行性。形象地说,对偶计算机是一台通过多狭缝的运动着的量子计算机,在不同的狭缝进行不同的量子操作,实现对偶平行性。目前已经建立起严格的对偶量子计算机的数学理论,为今后的进一步发展打下了基础。本文着重从物理的角度去综述广义量子干涉原理和对偶计算机。现在的研究已经证明,一台d狭缝的n比特的对偶计算机等同与一个n比特+一个d比特(qudit)的普通量子计算机,证明了对偶计算机具有比量子计算机更强大的能力。这样,我们可以使用一台具有n+log2d个比特的普通量子计算机去模拟一个d狭缝的n比特对偶计算机,省去了研制运动量子计算机的巨大的技术上的障碍。我们把这种量子计算机的运行模式称为对偶计算模式,或简称为对偶模式。利用这一联系反过来可以帮助我们理解广义量子干涉原理,因为在量子计算机中一切计算都是普通的量子力学所允许的量子操作,因此广义量子干涉原理就是普通的量子力学体系所允许的原理,而这个原理只是是在多体量子力学体系中才会表现出来。对偶计算机是一种新式的计算机,里面有许多问题期待研究和发展,同时也充满了机会。在对偶计算机中,除了幺正操作外,还可以允许非幺正操作,几乎包括我们可以想到的任何操作,我们称之为对偶门操作或者广义量子门操作。目前这已经引起了数学家的注意,并给出了广义量子门操作的一些数学性质。此外,利用量子计算机和对偶计算机的联系,可以将许多经典计算机的算法移植到量子计算机中,经过改造成为量子算法。由于对偶计算机中的演化是非幺正的,对偶量子计算机将可能在开放量子力学的体系的研究中起到重要的作用。     

量子混沌系统中的自旋压缩性质

量子信息是21世纪的一门新兴交叉学科,现已经成为世界关注的热门研究领域.近年来,量子计算机的研究正成为大家十分感兴趣的课题.在寻找量子计算的实现方案过程中,量子混沌引起了研究人员的极大关注,因为在量子计算机执行一些量子运算法则的过程中可能产生量子混沌,并可能破坏量子计算机的运算操作条件.近期有关量子纠缠与量子混沌之间的关系已经有所报道,而自旋压缩作为另外一种典型的纯量子效应,是否也与量子混沌之间存在一定关系呢?讨论了量子混沌研究中一个非常典型的QKT模型,研究了量子混沌系统中自旋压缩的性质.通过数值模拟计算,给出了两种不同定义的自旋压缩系数与混沌系数κ之间的变化关系,结果发现在经典相空间中,如果在规则区域占优势的情况下,当初始自旋相干态波包位于椭圆形中心时,随着时间的演化,系统压缩行为表现得非常强;而对于经典相空间中混沌区域占优势的情况下,初始自旋相干态波包同样位于椭圆形中心,则系统的压缩行为表现得非常弱,说明自旋压缩对相应的经典混沌非常敏感.通过比较还发现,采用Wineland等定义的自旋压缩系数比采用Kitagawa和Ueda等定义的自旋压缩系数对经典混沌更敏感一些,从而得出用自旋压缩可以刻画量子混沌的结论.     

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．     

广义量子干涉原理及对偶量子计算机

我们综述最近提出的广义量子干涉原理及其在量子计算中的应用.广义量子干涉原理是对狄拉克单光子干涉原理的具体化和多光子推广,不但对像原子这样的紧致的量子力学体系适用,而且适用于几个独立的光子这样的松散量子体系.利用广义量子干涉原理,许多引起争议的问题都可以得到合理的解释,例如两个以上的单光子的干涉等问题.从广义量子干涉原理来看双光子或者多光子的干涉就是双光子和双光子自身的干涉,多光子和多光子自身的干涉.广义量子干涉原理可以利用多组分量子力学体系的广义Feynman积分表示,可以定量地计算.基于这个原理我们提出了一种新的计算机,波粒二象计算机,又称为对偶计算机.在原理上对偶计算机超越了经典的计算机和现有的量子计算机.在对偶计算机中,计算机的波函数被分成若干个子波并使其通过不同的路径,在这些路径上进行不同的量子计算门操作,而后这些子波重新合并产生干涉从而给出计算结果.除了量子计算机具有的量子平行性外,对偶计算机还具有对偶平行性.形象地说,对偶计算机是一台通过多狭缝的运动着的量子计算机,在不同的狭缝进行不同的量子操作,实现对偶平行性.目前已经建立起严格的对偶量子计算机的数学理论,为今后的进一步发展打下了基础.本文着重从物理的角度去综述广义量子干涉原理和对偶计算机.现在的研究已经证明,一台d狭缝的n比特的对偶计算机等同与一个n比特+一个d比特(qudit)的普通量子计算机,证明了对偶计算机具有比量子计算机更强大的能力.这样,我们可以使用一台具有n+log<,2>d个比特的普通量子计算机去模拟一个d狭缝的n比特对偶计算机,省去了研制运动量子计算机的巨大的技术上的障碍.我们把这种量子计算机的运行模式称为对偶计算模式,或简称为对偶模式.利用这一联系反过来可以帮助我们理解广义量子干涉原理,因为在量子计算机中一切计算都是普通的量子力学所允许的量子操作,因此广义量子干涉原理就是普通的量子力学体系所允许的原理,而这个原理只是是在多体量子力学体系中才会表现出来.对偶计算机是一种新式的计算机,里面有许多问题期待研究和发展,同时也充满了机会.在对偶计算机中,除了幺正操作外.还可以允许非幺正操作,几乎包括我们可以想到的任何操作,我们称之为对偶门操作或者广义量子门操作.目前这已经引起了数学家的注意,并给出了广义量子门操作的一些数学性质.此外,利用量子计算机和对偶计算机的联系,可以将许多经典计算机的算法移植到量子计算机中,经过改造成为量子算法.由于对偶计算机中的演化是非幺正的,对偶量子计算机将可能在开放量子力学的体系的研究中起到重要的作用.     

超导量子计算中的玻色量子编码:量子纠错与逻辑比特操控的实验验证

<正>众所周知,量子计算机在某些问题上(比如大数因子分解~([1])和无序数据库搜索~([2]))具有远超经典计算机的运算能力,因此受到了广泛关注。然而,在实际的物理系统中,存储量子信息的量子比特会不可避免地受到环境噪声的影响。所以,     

量子存储式量子计算机与无噪声光子回波

量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码.以往的研究表明,攻破广泛使用的2048位RSA密码所需要的量子比特数目在2000万左右,远远超出了目前的技术水平.近期法国研究人员提出,如使用配备了多模式量子存储的量子计算机,则只需要1.3万个量子比特即可攻破2048位的RSA密码.这一研究把量子存储器的应用推广到量子计算领域,为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线.量子存储式量子计算机需要微波段的量子存储器,这是目前亟待开发的新技术.基于对量子存储过程中原子辐射本质的分析,近期我们提出了无噪声光子回波方案,成功解决了光子回波的自发辐射噪声难题,有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机中.     

基于吸收型量子存储器的多模式量子中继

量子网络的基本资源是远程的量子纠缠态,它可以支持包括量子密钥分发、量子计算机互联、分布式量子精密测量等众多量子信息的应用[1].光子是量子信息传输的最佳载体,然而由于不可避免的信道损耗,目前基于光纤的纠缠分发距离被限制在百千米量级[2].在经典通信中,这个问题可以通过中继放大器对经典信号不断放大来解决.不幸的是,由于量...     

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。     

约瑟夫森效应与超导量子电路的基本物理原理

超导电路器件是为数不多的具有量子化能级、叠加态和纠缠等量子特性的宏观器件。这种具有宏观量子特性的器件为实现超导量子计算与组建超导量子计算机打下了硬件基础,2019年谷歌和2021年我国中国科技大学相继实现"量子霸权(Quantum supremacy)"极大地增加了人们在近期构建超导量子计算机的信心。了解超导量子计算有利于增加对物理学前沿发展方向的把握,对非物理专业的理工科背景读者开阔思路也有一定的好处。不同于经典的超导物理教材力图全面的特点,本文根据超导量子计算物理特征和理解超导量子计算的知识背景要求介绍超导量子电路的核心物理原理,力图化简计算推导难度,突出物理图景,以期对超导量子计算建立一个原理层面上的简洁物理图像。     

光子人工微结构材料中的若干类量子现象

类量子现象又称为量子现象的经典对应(quantum-classical analogies),它是利用经典波动行为与量子波动行为的相似性来模拟和研究量子现象.近年来,光子人工微结构材料中类量子现象研究很活跃,文章对这方面的有关研究进展做了简要介绍.内容主要包括光子晶体和超构材料(metamaterials)中的类凝聚态系统量子现象和类原子系统量子现象,如类石墨烯量子现象、类拓扑绝缘体量子现象、类量子动力学现象、类Rabi振荡现象、类电磁感应透明现象、类Fano共振现象等.     

量子算法与量子计算实验

从量子体系的基本特性出发 ,介绍了量子计算的基本概念和物理背景 ,系统阐述了几种主要的量子算法以及量子计算在实验方面的发展现状。对比经典计算机 ,讨论了量子计算机的优越性、实现量子计算的困难和以期克服的途径。     

量子算法与量子计算实验

从量子体系的基本特性出发,介绍了量子计算的基本概念和物理背景,系统阐述了几种主要的最子算法以及量子计算在实验方面的发展现状。 对比经典计算机,讨论了量子计算机的优越性、实现量子计算的困难和以期克服的途径。     

云量子计算求解原子核问题

正虽然几十年前就提出了量子计算的概念,但量子计算机技术在过去几年才实现。已有几个公司如IBM,Google和Rigetti可提供云量子计算。这些公司的量子芯片与互联网相连。用户只需将程序代码发送到其中一个提供量子计算的设备,计算结果便会返回给用户。橡树岭国家实验室的Eugene Dumitrescu及其合作者通过云服务器,使用量子计算机进行了氘核结合能的计算。这是首次用量子计算机进行关     

量子计算的进展和展望

该文主要介绍了量子计算机研究的历史和现状。强调发展大规模的量子计算和实现强关联多体系统的量子模拟,是当前量子计算研究的主流。文章主体部分主要介绍了量子计算机硬件研究方面的进展,主要聚焦于几个具有qubit可集成性的量子系统:量子点系统、超导约瑟夫森结系统、离子阱系统、腔量子电动力学系统,作为实现量子计算机的最主要的候选系统,上述方向的研究吸引了国际上研究量子计算的最主要的力量。我们调研了在这些系统中,在qubit表征、操控方面最具代表性的进展,以及在实现大规模量子计算道路上的困难,和可能的解决办法。     

量子网络中非局域Toffoli门的腔-QED实现方案

量子计算机能够解决经典计算机难以处理的问题，比如大数分解等。然而，在实际操作中，需要对足够多的量子位进行逻辑操作，而制备和操作大数量的量子位已经遇到了阻力；Grover提出了分布式量子计算的方案，构建由多个只包含少量量子位处理器组成的量子计算机，有效的解决了制备和操作大数量量子位问题。这种方案可以看作解决由传送者和接受者操纵包含多个由少量量子位组成的网点的量子网络问题。因此在分布式量子计算中利用量子纠缠通道，通过局域操作和经典通讯实现非局域的量子操作就显得非常有意义。我们这里给出了一种有效的简单非局域Toffoli门的腔-QED实现方案。