量子信息技术纵览

量子信息技术经过近三十年突飞猛进的发展,在理论和技术方面已经获得了举世瞩目的成就.本文主要对量子信息技术各个热点研究分支的发展进行了概括性的介绍,涉及到量子密码、量子通信、量子计算、量子模拟、量子度量学、量子信息物理基础等各个领域.此外,也讨论了原子、分子和光物理、固体物理的各个分支(超导约瑟夫森结系统、半导体量子点自旋系统、金刚石氮-空穴色心系统)、离子阱、核磁共振系统等各种物理体系在量子信息技术中的应用和发展.通过对量子信息技术的研究和积累,人们调控微观世界的能力获得了显著的提高.量子密码技术已经接近实用化,长程量子通信的原理性验证也不存在原则上的障碍.量子模拟技术快速发展,已经接近经典计算机可以模拟的极限.同时,量子度量学也获得了快速的发展.本综述不仅反映了国际量子信息技术发展的状况,而且也提炼了近年来中国量子信息科学技术在国际上取得的成就.这些成就表明,中国已经成为量子信息世界版图中一股不可或缺的力量.     

两能级系统中高保真度布居数反转

两能级量子系统中布居数反转的研究是量子调控中的前沿课题之一,在原子、分子物理以及量子信息等领域有着至关重要的意义.本文运用复合绝热通道技术,研究了正余弦函数形式外场驱动的两能级量子系统在有限时间内的跃迁问题,实现了有限时间内该系统的高保真度布居数反转.讨论了外场耦合强度、失谐强度等参数对跃迁概率的影响,发现只要选择合适的控制相位,在很大的参数范围内能够抑制跃迁概率的振荡,保真度能达到1,系统误差小于10?4,从而实现高效、快速、稳定,具有很好的参数鲁棒性的布居数完全反转.接着运用经典哈密顿量分析和验证了该方法的有效性和可行性.该技术适用于任何两能级系统,也能推广到多能级系统中,在量子信息、量子光学以及冷原子系统等领域有着广泛的应用.     

转角双层MoS2莫尔超晶格中接近室温的关联电子态

<正>通过转角或晶格失配构造二维范德华材料莫尔超晶格为凝聚态物理、材料物理、光学等领域的研究注入了新的活力.过去几年的理论和实验工作表明^[1～5],二维材料莫尔超晶格系统是研究和调控强关联与拓扑量子物态的理想平台.具体而言,基于多种二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格,研究者先后实现了包括莫特绝缘体、强关联电子晶体态、近藤晶格、量子自旋霍尔效应、整数与分数量子反常霍尔效应等在内的一系列强关联和拓扑量子物态.     

量子速度极限研究进展

研究量子速度极限不仅有助于理解量子力学基本问题,而且在量子模拟、量子非平衡热力学等领域亦有重要意义.本文首先介绍了封闭系统中两个重要的量子速度极限——Mandelstam-Tamm界和Margolus-Levitin界以及封闭系统的量子速度极限统一界.在开放量子系统中,由于系统与环境相互作用,量子系统一般不能实现正交态演化,研究开放系统量子速度极限需要考虑初态与末态之间测地线的度量方式.本文讨论了基于不同几何度量所建立的量子速度极限以及开放系统的量子速度极限统一界.基于量子力学的规范不变特性,我们建立了一个新的量子速度极限界,将量子系统演化速度与几何相位关联起来,说明量子速度极限对量子热力学、几何操控量子系统动力学演化具有重要意义.此外,基于半经典Wigner函数表示,我们也建立了量子速度极限界.最后,本文回顾了外部环境与量子系统动力学过程对量子系统演化速度极限的重要影响,并对量子速度极限的下一步研究作出展望.     

单相多铁性材料——极化和磁性序参量的耦合与调控

单相多铁性材料是指同时表现出铁电性和磁性的单相化合物, 最近的研究还拓展到具有铁性磁涡旋的体系. 一方面, 多铁性材料同时具有铁电性和磁性; 更为重要的是, 铁电性与磁性之间存在磁电耦合效应, 从而可能实现铁电性和磁性的相互调控. 因此, 多铁性材料是一种新型多功能材料, 在自旋电子学和其他领域有着广阔的应用前景. 从凝聚态物理角度看, 多铁性现象本身也对铁电学、磁学和强关联电子物理提出了很多基本问题和挑战, 成为量子调控研究的一个热点领域. 多铁性物理在最近几年开始复兴, 并取得了很大进展. 综述了多铁性物理这一领域的研究现状和存在的主要问题. 首先, 简单介绍多铁性与磁电耦合效应的概念以及它们之间的联系, 重点阐述实现多铁性的困难, 亦即铁电性和磁性的互斥性. 其次, 详细介绍了单相体系中实现铁电性与磁性共存的一些可能物理机制, 其中重点介绍两个新的物理机制: (ⅰ)非共线螺旋状磁结构引起的铁电性和(ⅱ)电荷有序相导致的铁电性. 这两类系统中磁性和铁电性之间在量子层次上存在很强的耦合和互相调控效应. 随后, 叙述了多铁性系统中存在的元激发—— 电磁振子, 以及铁性磁涡旋效应. 最后, 指出了多铁性材料可能的应用以及尚未解决的问题.     

环形光晶格中的单原子阵列囚禁及旋转控制

利用激光囚禁和操控的单个中性原子和原子阵列,是量子仿真和量子计算的理想候选量子体系,是当前量子调控研究的难点和热点问题.中国科学院武汉物理与数学所波谱与原子分子物理国家重点实验室詹明生和王谨研究组     

基于烷醇酰胺表面活性剂的新型微乳液法制备CdS量子点

量子点是一种三维量子限域的纳米材料,具有优异的发光性能,Ⅱ-Ⅵ族量子点稳定性强,得到广泛的关注和研究.在量子点制备方法中,传统的有机相和水相制备法被广泛应用,但是其存在反应条件苛刻等局限性.微乳液具有纳米级尺寸的内核,是优良的纳米材料微反应器,能够实现温和条件下制备量子点.在已有关于微乳液法制备量子点的研究中,多采用双(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠(AOT)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等常规表面活性剂,较多关注试剂浓度、比例、温度等因素对合成量子点性质的调控,而关于表面活性剂分子结构对合成材料性质的影响研究尚少.本研究采用天然椰油酰胺表面活性剂微乳液体系制备了CdS量子点,通过与传统CTAB微乳液体系对比,探究了表面活性剂结构对制备量子点材料性能的影响,为微乳液法制备纳米颗粒提供了新的思路.     

纳米结构及其自旋量子态调控的前沿进展

在纳米尺度上对物质的结构及其特性实行有效控制,是纳米器件研究中最重要的基础问题之一,其中认识和理解纳米结构单元,利用其结构特点可控制备人工纳米结构,从而调控其单分子自旋量子态,在纳米器件与量子调控中具有潜在的应用前景.     

超对称多重三波相互作用模型的量子可积性

量子完全可积系统是近年来十分活跃的研究领域,经典Yang-Baxter方程和量子Yang-Baxter方程在经典和量子完全可积系统理论中起着核心作用.1973年,Gaudin给出了一类新的完全可积量子模型,正如Faddeev首先注意到的,这些模型可以与经典Yang-     

非绝热和乐量子计算研究进展

量子计算的实际应用依赖于高保真度的量子门,而获得高保真度量子门所面临的两个主要挑战是克服系统的控制误差和环境噪声.几何相仅依赖于系统的演化路径而与演化速度等细节无关,因此基于几何相设计的量子门具有对控制误差的鲁棒性.特别是,基于非绝热非阿贝尔几何相设计的非绝热和乐(holonomic)门具有完全的几何性质并且不受绝热条件的限制,受到了人们的广泛关注.自2012年首次提出以来,非绝热和乐量子计算取得了很大的进展:人们逐步改进了非绝热和乐量子计算的设计理论,使得非绝热和乐门的设计不断优化;发展了抗退相干的非绝热和乐量子计算,使得量子门既能抵抗控制误差又能抵抗退相干;构建了基于各种具体物理系统的非绝热和乐量子计算方案,并且在实验上成功演示了非绝热和乐门.本文回顾了非绝热和乐量子计算的主要理论进展,并简要介绍了物理实现和实验工作.     

多层级量子密码城域网

由量子力学基本原理保证无条件安全的量子密码技术以及网络架构和应用模式研究是其实用化进程中的关键环节. 以“法拉第-迈克尔逊”量子密钥分配系统作为基础设备, 构造了一个多层级量子密码网络. 该网络应用了量子路由器、光开关和可信中继技术3种主流组网技术, 通过芜湖市电信商用光纤, 连接了包含5个政府部门在内的7个用户节点. 该网络可以满足电子政务所需的视频、音频、文字、文件等多种数据的量子保密传输, 向量子密码实际应用迈出了关键的一步.     

量子密钥传输系统的主动相位补偿

量子密钥分配系统的稳定性是影响其实用性能的重要因素之一. 除光纤自身固有的双折射效应外, 环境造成的相位漂移也会严重影响密钥传输系统的性能. Faraday-Michelson (F-M)量子密钥分配系统可以自适应地补偿光纤双折射造成的影响, 但是在实际应用中, 相位漂移仍然会对系统性能产生较大影响. 本文详细分析了在实际中造成F-M系统相位漂移的主要原因, 并提出了一种高效的主动相位搜索和补偿方案. 应用这一方案, Faraday-Michelson系统在脱离光学平台的实际条件下进行了长时间稳定的量子密钥分配. 实验的传输距离大于37 km, 系统平均误码率1.59%, 误码波动标准差0.46%. 结果表明这一主动相位补偿技术在不增加额外器件的条件下, 可用于以双不等臂Mach-Zehnder(AMZ)干涉仪为基础的实际量子密钥分配系统.     

书讯

《量子信息物理原理》作者:张永德出版:科学出版社2006年1月定价:59元本书系统介绍了量子信息论的物理原理.全书内容包括量子测量问题、双态系统、量子纠缠与纠缠分析、Beli型空间非定域性及分析、退相干分析、纯化与相干性恢复、不可克隆定理与量子Zeno效应、量子态超空间转移、量子门与简单量子网络、量子算法、量子误差纠正与保真度、量子信息论等.重点在于阐述物理原理.每章后均附有相关文献和习题,全部习题均给出了详细解答.     

大数据与量子计算

大数据技术的迅猛发展对计算效率提出了更高的要求.由于量子系统的独特性质,量子计算具有经典计算不具有的量子超并行计算能力,能够对某些重要的经典算法进行加速.人们发现,除了大数分解算法,量子计算的更多用途是对量子体系的仿真计算和在数据分析领域的应用.近年来,大数据和量子计算开始融合.虽然实际使用的量子计算机尚未建成,量子计算在大数据的应用在理论上已经取得了一些重要的进展.实验上也有了一些发展.本文首先介绍量子计算的基本原理和Grover量子算法.随后以量子机器学习作为切入点,介绍了量子计算在数据挖掘领域的应用.     

强关联量子杂质体系的精确模拟

对复杂凝聚态体系中的局域量子态的精确描述,以及对量子态在外场、环境调控下的响应与演化机制的深刻理解,对量子功能材料与器件的构筑与设计有着重要的基础性意义.然而,如何精确刻画复杂材料体系中的量子相干、关联、纠缠等特性,对理论研究而言是个传统难题.本文从全新的视角,即"开放量子体系"的角度来研究复杂凝聚态体系中的量子态.简要介绍了近年来我们基于严格的量子耗散理论发展得到的级联运动方程方法,以及该方法在实验高度关注的强关联量子杂质体系的计算模拟研究方面的应用.     

高效率单光子量子存储

<正>量子存储是量子信息领域的关键技术之一,在量子通信和量子计算等方向均有重要应用[1].比如,量子中继是实现长程量子通信的重要方案,而量子存储器则是构成量子中继的基本元件之一.经典信息的基本单元是比特,只有0和1两种状态,而量子信息的基本单元是量子比特,可以处于量子叠加态.光子具有传输速度快、与环境耦合     

“小分子机器”量子结构的构造及其物性

低维量子结构的构筑及调控是物理学向小尺度研究方向延伸的核心问题之一.本文重点围绕高鸿钧及合作者在"小分子机器"量子结构的构造及其物性方面开展的研究,系统地介绍了他们在单原子层次上设计、构造和调控的若干小分子机器量子结构.代表性工作有:(1)构筑了四叔丁基酞菁锌((t-Bu)4-Zn Pc)分子在Au(111)表面上"抛锚"的、带有固定偏心轴的单分子转子及其有序阵列,证实了转动行为的可调控性;(2)实现了单个小分子极限尺度(0.6 nm)的可逆电导转变,进而实现了稳定、重复、可逆的超高密度信息存储中的原理性应用;(3)首次直接证实代表性的"分子机器"轮烷(Rotaxane)分子的构型及其电导的可逆转变,澄清了当时化学界的一个争论热点,该热点也是2016年诺贝尔化学奖的主要成果;(4)通过单个H原子的吸脱附实现了酞菁锰(Mn Pc)分子在Au(111)表面Kondo效应的调控,这种单个自旋量子态的可逆控制,实现了极高密度信息存储(40 TB/cm~2)的原理性应用;(5)在通过"原子手术"Mn Pc分子所创制的一种新"功能体系"上发现了朗德g因子在原子尺度上具有的空间分布不均匀性,这是长期以来一直未解决的问题.这些系统工作为单分子发电机/无线电辐射器及纳米电子器件等的构造组装与应用奠定了基础.     

半导体量子点与谐振腔杂化系统的强耦合

量子比特的可扩展性是实现实用量子计算机的前提.利用微波谐振腔中的光子作为媒介实现非局域量子比特间的长程耦合与信息交换,为固态量子计算提供了一种重要的大规模扩展方案.然而由于外界噪声大、耦合强度弱等各种因素限制,在前期实验中半导体量子比特一直未能实现与微波光子间的有效信息交换,亦即未能实现比特与光子间的强耦合.近年来,随着实验上半导体量子比特的性能优化及高阻抗微波谐振腔的应用,利用微波谐振腔耦合半导体量子比特取得一系列重要突破,电荷和自旋量子比特与腔的强耦合均已实现,量子比特间的耦合距离也得到极大扩展.本文围绕半导体量子点-微波谐振腔杂化系统,简要介绍实现量子比特与微波光子强耦合的原理、实验实现及进展.     

量子点与分子器件中的近藤效应

近藤效应是低温凝聚态物理研究的重要领域, 指的是低温下稀磁合金电阻随温度降低而反常增加的多体现象. 在量子点系统中, 其表现为低温下电导随温度降低而升高. 本文重点描述了量子点系统中平衡近藤效应、非平衡近藤效应, 以及当单态与三重态发生简并时含有偶数个电子的量子点产生的近藤效应的基本特征和物理原理. 并指出基于有机材料的单原子/单分子晶体管为近藤效应的研究提供了全新的途径.     

高维量子逻辑门及高维量子信息处理

量子计算与量子信息处理是涵盖了信息理论、计算机理论与量子力学的交叉学科,在信息、物理以及计算机等众多领域有着非常大的影响.量子特性在信息安全、信息容量以及计算速度的提高等方面都具有独特的优势.量子逻辑门是量子计算与量子信息处理中的一个关键模块,因此,如何构建一个合适的逻辑门也是现阶段热门的研究领域.此外,研究量子信息科学,纠缠光子对也是一个不可或缺的元素.目前有很多种产生纠缠光子对的理论和实验方案,例如参量下转换等方案.高维量子系统可以在很大程度上提高量子信道容量和信息存储空间,通过实现高维度量子逻辑门,能够提高量子计算与量子信息处理的速度.然而,直接由两个高维子系统相互作用构建高维逻辑门是很困难的.在这种情况下,即使要实现一个很小的高维逻辑电路,也会耗费大量二维逻辑门.本文主要介绍了利用纠缠光子对的偏振、频率和空间模式自由度实现的二维以及高维单自由度和多自由度的量子逻辑门方案,并探讨了这些方案在量子信息处理和量子计算等方面的应用以及发展趋势.