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。     

基于新型超导电荷量子比特的几何量子门

超导量子系统被认为是最可能用于实现大规模量子计算、量子信息、以及量子存储等的物理系统之一.本文在一种特别设计的超导电荷比特的基础上,通过微波腔与超导比特的相互作用,探讨了在此系统中实现几何相单门以及非常规几何相两量子门的途径,并讨论了制备多量子比特最大纠缠态的方法.     

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.     

发展固态量子信息与计算的实验研究

量子计算与量子信息是21世纪基础和应用科学研究的一大挑战. 要实现实用意义上的量子信息和量子计算,必须解决量子比特系统的可拓展性问题.基于现代半导体技术的固态量子系统,其应用和最终产业化的可行性较高. 然而,固态量子体系受周边环境的影响比较严重,控制其退相干,维持其量子状态的难度更高.实验固态量子计算的研究是个新的领域,尚无实用的技术和方法. 文章介绍了中国科学院物理研究所固态量子信息和计算实验室近几年来新开辟的自旋、 冷原子、 量子点(包括原子空位)、功能氧化物和关联体系等固态量子信息的新载体和同量子计算与量子信息相关的科学与技术难题的实验研究.     

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。     

超导量子计算核心器件

算力是数字经济时代新的生产力。量子计算基于量子力学的规律进行计算,人们普遍相信它可以在不久的将来在某些问题上完成经典计算机所无法完成的计算任务,实现量子优越性。作为最有可能实现通用量子计算的平台之一,以约瑟夫森结为核心元件的超导量子比特,在量子控制和量子测量方面具有稳定、可靠、便于设计和扩展等独特的优势,受到科学界甚至产业界的广泛关注,正在高速发展。文章围绕约瑟夫森结这一具有非线性和无耗散特征的超导量子器件,阐述了超导量子比特的基本原理及结构特征,重点介绍超导量子芯片设计、加工方面的前沿进展,并对未来发展方向进行简单的展望。     

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．     

超导量子比特谱

时间晶体的首次构造成功使人们意识到超导量子计算以其拥有的诸多优点在物理学前沿问题的研究应用上走在了其他量子计算方案的前面.作为"物理前沿介绍——超导量子计算"系列的第三篇,本文系统阐述多种超导量子比特的基本组成以及其物理特征,给出一个超导量子比特的"谱"并对新近发现的研究结论和新近提出的设计方案进行讨论,最后对超导量子...     

基于超导量子器件的量子计算

超导量子器件能够展现宏观量子相干性.基于超导量子器件的量子计算是量子信息领域中的一个重要研究方向,同时,超导量子器件物理特性的研究也是目前凝聚态物理和量子光学领域的交叉前沿课题.文章简述了近年来在超导量子计算方面的一些重要结果和进展,并讨论了其研究现状和发展趋势.     

Cavity-assisted quantum computing in a silicon nanostructure

We present a scheme of quantum computing with charge qubits corresponding to one excess electron shared between dangling-bond pairs of surface silicon atoms that couple to a microwave stripline resonator on a chip. By choosing a certain evolution time, we propose the realization of a set of universal single-and two-qubit logical gates. Due to its intrinsic stability and scalability, the silicon dangling-bond charge qubit can be regarded as one of the most promising candidates for quantum computation. Compared to the previous schemes on quantum computing with silicon bulk systems, our scheme shows such advantages as a long coherent time and direct control and readout.     

Toward a superconducting quantum computer: Harnessing macroscopic quantum coherence

Intensive research on the construction of superconducting quantum computers has produced numerous important achievements. The quantum bit (qubit), based on the Josephson junction, is at the heart of this research. This macroscopic system has the ability to control quantum coherence. This article reviews the current state of quantum computing as well as its history, and discusses its future. Although progress has been rapid, the field remains beset with unsolved issues, and there are still many new research opportunities open to physicists and engineers.     

Thermodynamic effects of single-qubit operations in silicon-based quantum computing

Silicon-based quantum logic is a promising technology to implement universal quantum computing. It is widely believed that a millikelvin cryogenic environment will be necessary to accommodate silicon-based qubits. This prompts a question of the ultimate scalability of the technology due to finite cooling capacity of refrigeration systems. In this work, we answer this question by studying energy dissipation due to interactions between nuclear spin impurities and qubit control pulses. We demonstrate that this interaction constrains the sustainable number of single-qubit operations per second for a given cooling capacity.     

Developments in quantum information processing by nuclear magnetic resonance: Use of quadrupolar and dipolar couplings

Use of dipolar and quadrupolar couplings for quantum information processing (QIP) by nuclear magnetic resonance (NMR) is described. In these cases, instead of the individual spins being qubits, the 2 ⁿ energy levels of the spin-system can be treated as an n-qubit system. It is demonstrated that QIP in such systems can be carried out using transition-selective pulses, in CH₃CN, ¹³CH₃CN, ⁷Li (I=3/2) and ¹³³Cs (I=7/2), oriented in liquid crystals yielding 2 and 3 qubit systems. Creation of pseudopure states, implementation of logic gates and arithmetic operations (half-adder and subtractor) have been carried out in these systems using transition-selective pulses.     

清华物理系量子信息研究的新进展

在清华大学物理系成立60周年之际,我们对近年来清华大学物理系量子信息研究的主要进展情况作一介绍,包括量子搜索算法研究,核磁共振量子计算的实验研究,量子通讯的理论与实验研究.在量子搜索算法研究方面,我们提出了量子搜索算法的相位匹配,纠正了当时的一种错误观点,并且提出了一种成功率为100%的量子搜索算法,改进了Grover算法;在核磁共振量子计算实验方面,我们实现了2到7个量子比特的多种量子算法的实验演示;在量子通讯方面,我们提出了分布式传输的量子通讯的思想,应用于量子密钥分配、量子秘密共享、量子直接安全通讯等方面,构造了多个量子通讯的理论方案.在实验室,我们实现了2米距离的空间量子密码通讯的演示实验.     

固态量子比特的量子测量

文章介绍了作者用介观输运器件[如量子点接触（QPC）或单电子晶体管（SET）]测量固态量子比特的原理和特性，特别着重地介绍了作者最近在处理被测量子比特和介观测量仪器之间的关联方面的新进展。     

Loop quantum cosmology: Recent progress

Aspects of the full theory of loop quantum gravity can be studied in a simpler context by reducing to symmetric models like cosmological ones. This leads to several applications where loop effects play a significant role when one is sensitive to the quantum regime. As a consequence, the structure of and the approach to classical singularities are very different from general relativity. The quantum theory is free of singularities, and there are new phenomenological scenarios for the evolution of the very early universe such as inflation. We give an overview of the main effects, focussing on recent results obtained by different groups.     

Controlled quantum state transfer via parity measurement

In this work, a scheme for controlled quantum state transfer is proposed using parity measurement in a cavity-waveguide system. As two special cases, two schemes of controlled quantum state transfer for one qubit and two qubits are investigated in detail. An important advantage is that controlled quantum state transfer can be completed by single-qubit rotations and the measurement of parity. Therefore, the present scheme might be realized in the scope of current experimental technology.     

在腔耦合的超导量子比特中实现几何量子信息处理

用量子空腔耦合的超导电荷比特器件被认为是实现量子信息处理的相当有希望的体系之一.如何在这种可集成的量子体系中实现高保真度的操作是量子信息处理领域的重要课题.文章介绍作者最近提出的在量子腔耦合的超导量子比特中用具有内禀容错功能的几何操作来实现普适量子逻辑门,产生多比特量子纠缠及实现量子纠错编码的一个可行方案.     

Open quantum walks on graphs

Open quantum walks (OQW) are formulated as quantum Markov chains on graphs. It is shown that OQWs are a very useful tool for the formulation of dissipative quantum computing algorithms and for dissipative quantum state preparation. In particular, single qubit gates and the CNOT-gate are implemented as OQWs on fully connected graphs. Also, dissipative quantum state preparation of arbitrary single qubit states and of all two-qubit Bell-states is demonstrated. Finally, the discrete time version of dissipative quantum computing is shown to be more efficient if formulated in the language of OQWs.