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．     

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.     

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。     

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.     

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.     

量子信息、量子计算机的科学与哲学问题研讨会简讯

20 0 0年 12月 15日 ,为纪念量子论诞辰 10 0周年 ,在国家科技会堂举行了量子信息与量子计算机的科学与哲学问题研讨会 .来自中国科学院、北京大学、清华大学、复旦大学、中国科学技术大学、南京大学、国防科技大学等单位的科学家会聚一堂、畅所欲言 ,对量子力学中的哲学问题、量子力学对未来信息科学的影响等热门话题进行了热烈讨论 .中国科学院半导体研究所所长、中国科学院院士郑厚植教授主持了研讨会 .郑厚植教授以“固态量子计算的物理基础———固体中的相干过程和控制”为专题介绍了固体中量子拍频、量子波函数工程、固态量子比特中…     

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.     

IBM量子计算机获重大突破-可进行百万项计算

据美国物理学家组织网报道,IBM研究院的科学家在提高量子计算装置性能方面取得重大进展。他们做到了在减少基本运算误差的同时保持量子比特的量子机械特性的完整性,从而进一步加快研制全尺寸实用量子计算机的步伐。量子计算机利用物质的量子机械行为,计算能力超过目前的任何超级计算机。     

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.     

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。     

Quantum computation and simulation with superconducting qubits

Superconducting circuits based on Josephson junctions are regarded as one of the most promising technologies for the implementation of scalable quantum computers. This review presents the basic principles of superconducting qubits and shows the progress of quantum computing and quantum simulation based on superconducting qubits in recent years.The experimental realization of gate operations, readout, error correction codes, as well as some quantum algorithms are summarized, followed by an introduction of quantum simulation. And then some important applications in fields including condensed matter physics, quantum annealing, and quantum chemistry are discussed.     

Solid-state quantum computation—a new direction for nanotechnology

We review current proposals for six types of solid-state quantum computers. We discuss the general requirements for solid-state quantum computers and describe proposals which employ superconducting junctions, electron orbitals in quantum dots, electron spin resonance, nuclear spins of impurity atoms, and nuclear spins in a crystal lattice. We also describe our proposed nuclear spin quantum computer based on magnetic resonance force microscopy. Finally, we describe our numerical method for modeling quantum transformations with a large number (up to 1000) of qubits.     

Statistical constraints on state preparation for a quantum computer

Quantum computing algorithms require that the quantum register be initially present in a superposition state. To achieve this, we consider the practical problem of creating a coherent superposition state of several qubits. We show that the constraints of quantum statistics require that the entropy of the system be brought down when several independent qubits are assembled together. In particular, we have: (i) not all initial states are realizable as pure states; (ii) the temperature of the system must be reduced. These factors, in addition to decoherence and sensitivity to errors, must be considered in the implementation of quantum computers.     

基于约瑟夫森器件的超导量子比特

超导量子比特利用了超导约瑟夫森隧道结的非线性效应,采用了半导体集成电路的工艺,以其无能耗,大设计加工自由度,易规模化等优点而倍受注目。本文对超导量子比特的基本原理及发展过程作了简要综述。首先简要回顾了量子计算的历史,然后介绍了超导量子比特的设计及其调控,并对各种超导量子比特的消相干进行了讨论。     

Decoherence in solid-state qubits

The interaction of solid-state qubits with environmental degrees of freedom strongly affects the qubit dynamics, and leads to decoherence. In quantum information processing with solid-state qubits, decoherence significantly limits the performances of such devices. Therefore, it is necessary to fully understand the mechanisms that lead to decoherence. In this review, we discuss how decoherence affects two of the most successful realizations of solid-state qubits, namely, spin qubits and superconducting qubits. In the former, the qubit is encoded in the spin 1/2 of the electron, and it is implemented by confining the electron spin in a semiconductor quantum dot. Superconducting devices show quantum behaviour at low temperatures, and the qubit is encoded in the two lowest energy levels of a superconducting circuit. The electron spin in a quantum dot has two main decoherence channels, a (Markovian) phonon-assisted relaxation channel, due to the presence of a spin–orbit interaction, and a (non-Markovian) spin bath constituted by the spins of the nuclei in the quantum dot that interact with the electron spin via the hyperfine interaction. In a superconducting qubit, decoherence takes place as a result of fluctuations in the control parameters, such as bias currents, applied flux and bias voltages, and via losses in the dissipative circuit elements.     

A high-fidelity memory scheme for quantum data buses

A novel quantum memory scheme is proposed for quantum data buses in scalable quantum computers by using adjustable interaction. Our investigation focuses on a hybrid quantum system including coupled flux qubits and a nitrogen–vacancy center ensemble. In our scheme, the transmission and storage(retrieval) of quantum state are performed in two separated steps, which can be controlled by adjusting the coupling strength between the computing unit and the quantum memory. The scheme can be used not only to reduce the time of quantum state transmission, but also to increase the robustness of the system with respect to detuning caused by magnetic noises. In comparison with the previous memory scheme, about 80% of the transmission time is saved. Moreover, it is exemplified that in our scheme the fidelity could achieve 0.99 even when there exists detuning, while the one in the previous scheme is 0.75.     

Prospects for measurement‐based quantum computing with solid state spins

This article aims to review the developments, both theoretical and experimental, that have in the past decade laid the ground for a new approach to solid state quantum computing. Measurement‐based quantum computing (MBQC) requires neither direct interaction between qubits nor even what would be considered controlled generation of entanglement. Rather it can be achieved using entanglement that is generated probabilistically by the collapse of quantum states upon measurement. Single electronic spins in solids make suitable qubits for such an approach, offering long coherence times and well defined routes to optical measurement. We will review the theoretical basis of MBQC and experimental data for two frontrunner candidate qubits – nitrogen‐vacancy (NV) centres in diamond and semiconductor quantum dots – and discuss the prospects and challenges that lie ahead in realising MBQC in the solid state.     

Quantum computing by optical control of electron spins

We review the progress and main challenges in implementing large-scale quantum computing by optical control of electron spins in quantum dots (QDs). Relevant systems include self-assembled QDs of III–V or II–VI compound semiconductors (such as InGaAs and CdSe), monolayer fluctuation QDs in compound semiconductor quantum wells, and impurity centres in solids, such as P-donors in silicon and nitrogen-vacancy centres in diamond. The decoherence of the electron spin qubits is discussed and various schemes for countering the decoherence problem are reviewed. We put forward designs of local nodes consisting of a few qubits which can be individually addressed and controlled. Remotely separated local nodes are connected by photonic structures (microcavities and waveguides) to form a large-scale distributed quantum system or a quantum network. The operation of the quantum network consists of optical control of a single electron spin, coupling of two spins in a local nodes, optically controlled quantum interfacing between stationary spin qubits in QDs and flying photon qubits in waveguides, rapid initialization of spin qubits and qubit-specific single-shot non-demolition quantum measurement. The rapid qubit initialization may be realized by selectively enhancing certain entropy dumping channels via phonon or photon baths. The single-shot quantum measurement may be in situ implemented through the integrated photonic network. The relevance of quantum non-demolition measurement to large-scale quantum computation is discussed. To illustrate the feasibility and demand, the resources are estimated for the benchmark problem of factorizing 15 with Shor's algorithm.     

Fabrication and characterization of superconducting multiqubit device with niobium base layer

Superconducting transmon qubits are the leading platform in solid-state quantum computing and quantum simulation applications. In this work, we develop a fabrication process for the transmon multiqubit device with a niobium base layer,shadow-evaporated Josephson junctions, and airbridges across the qubit control lines to suppress crosstalk. Our results show that these multiqubit devices have well-characterized readout resonators, and that the energy relaxation and Ramsey(spin-echo) dephasing times are up to ～40 μs and 14(47) μs, respectively. We perform single-qubit gate operations that demonstrate a maximum gate fidelity of 99.97%. In addition, two-qubit vacuum Rabi oscillations are measured to evaluate the coupling strength between qubits, and the crosstalk among qubits is found to be less than 1% with the fabricated airbridges. Further improvements in qubit coherence performance using this fabrication process are also discussed.