分子振转动量子计算及分子振转动纠缠

随着对于量子计算(机)的深入研究, 人们相继提出了不同量子计算的模型. 近年来, 基于分子振-转激发态的量子计算模型受到了研究者的广泛关注. 研究发现, 基于分子振动和转动模式的量子计算模型可以很方便地实现多量子比特计算, 并且可以获得足够长的退相干时间. 同时, 分子振转动量子计算的数值模拟也发现各种形式的量子逻辑门均可以获得很高的计算保真度. 分子振转动模式之间的纠缠是分子振转动量子计算的一个重要资源, 因此, 分子振转动纠缠动力学的研究也引起了人们的兴趣. 对于分子振转动量子纠缠动力学的研究能够为分子振转动量子计算的进一步研究和应用提供参考. 本文对分子振转动量子计算和分子振动纠缠的研究进展做了简要综述.     

基于原子-腔系统的非绝热和乐量子计算

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主要挑战之一是系统的控制误差.几何相具有仅依赖系统演化路径而与演化速度大小等细节无关的特点,因此基于几何相设计的量子门具有抵抗系统控制误差的抗噪声性.特别是,基于非绝热非阿贝尔几何相设计的和乐量子门具有完全的几何性质,并且不受绝热缓慢演化条件的限制,受到了人们的广泛关注.本文提出了利用原子-腔系统实现非绝热和乐量子计算的方案.以四能级原子的基态作为逻辑量子比特编码空间的基矢,在激光脉冲的操控下,通过公共腔模交换虚光子产生双原子基态和辅助状态之间的跃迁,实现了两比特非绝热和乐受控相位门,它与通过激光脉冲操控单原子实现的任意单比特非绝热和乐门一起组成了非绝热和乐量子计算的通用量子门.     

首个海水量子传输或将开创水下绝密通信

<正>神奇的量子力学将在水下通讯领域发挥重要作用。中国上海交通大学金贤敏团队首次实现纠缠光子在海水中的传输,他们迈出了水下量子通信的第一步,而通过这种方式传递的信息将不可能被第三方截获。光子是一种很好的量子比特的物理实现,因其能在光纤和大气中传输很长距离却不会受到环境干扰。脉冲激光通过非线性晶体进行相应的相位匹配,产生一对下转换光子。这对具有特殊联系的光子就是纠缠光子源。只要对纠缠光子源中的一个光子做操作,另一个光子会相     

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     

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.     

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.     

光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录

据国家自然科学基金委员会2007年2月8日报道．中科大微尺度物质科学国家实验室的工作人员潘建伟和同事杨涛、陆朝阳等，最近通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可直接用于量子计算的簇态，刷新光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。该项研究成果以封面标题的形式发表在最新一期英国胁ture子刊Nature Physics上。审稿人评价其是“光学量子计算领域至今最先进的实验工作”，“为量子计算、量子纠错和量子力学基本问题的研究铺平了道路”。     

量子"非"逻辑操作

虽然电子“非”逻辑门的直接量子等价物是不可能存在的,但是目前科学家们 已经利用光子实现了最好的近似普适“非”变换——     

固态量子存储

实用化量子网络的构建依赖于量子存储器的物理实现, 利用量子存储器还可获得确定性的单光子源和纠缠光源, 为量子计算实现量子比特操作的时间同步. 基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器, 自2008年首次实现单光子存储后, 实验技术迅速突破, 已成为国际上性能最优秀的量子存储器件之一. 本文介绍量子存储器性能的评价指标, 回顾近5年固态量子存储的实验进展, 并讨论固态量子存储器作为一种可灵活编程的介质在光学及基础物理理论检验等领域的应用.     

中国科学技术大学首次实现多自由度量子体系隐形传态

[本刊讯]中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳研究团队成功实现单光子的自旋和轨道角动量的量子隐形传态(quantum teleportation),这是国际上首次实现多自由度量子体系隐形传态。这一研究成果于2015年2月26日以封面标题的形式发表于Nature。量子隐形传态是通过共享量子纠缠态,并借助经典通道实现量子信息传输的过程。1997年,奥地利的宰林格(Anton Zeilinger)小组首次完成了量子隐形传态的实验验证。该工作成功实现     

轨道角动量光子的频率变换

轨道角动量(OAM)光束在精密测量、微小粒子的操控以及基础物理研究等领域具有重要的应用,同时基于OAM编码的光信息处理由于其信道容量大、保密性高等优点已成为经典和量子通信领域的研究热点.基于OAM编码构建高维量子网络是目前量子信息领域的一个重要研究方向,在近几年已取得了许多突破性进展.在量子通信中,作为信息载体的光子需要在低损耗的通信窗口传输,而作为信息存储和处理单元的物理体系其工作波长一般却不在通信窗口,因此需要在两者之间建立量子接口以满足量子信息既可被存储又能长距离传输的基本要求.基于非线性过程的光子频率变换就是建立量子接口的一种行之有效的方法.本文在概述了OAM光束频率变换的发展现状后,着重介绍了量子条件下OAM光子的频率变换研究进展.这些进展迈出了未来构建高维量子信息网络的重要一步.     

高维静态球对称时空的内解

最近几年由于超弦理论(要求时空是1+9维的)发展和Kaluza-Klein理论在宇宙极早期研究中应用(要求时空是1+10维的),促使人们去研究高维时空的物理问题,Eme-lynanov等曾详细评述了高维时空研究的现状.Myers等求得了高维时空的Schwarzchild度规、Reissner-Nordstr(?)m度规和Kerr度规.许殿彦求得了高维时空的Reissner-No-     

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.     

高维时空中的Wyman解

最近几年由于超弦理论发展(要求时空是1+9维)和Kaluza-Klein理论在宇宙极早期研究中应用(要求时空是1+10维),促使人们去研究高维时空的物理问题,Emelyanov等曾详细评述过高维时空研究的现状。 Myers等求得了高维时空的Schwarzchila度规、Reissner-Nordstrm度规和Kerr度规。     

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.     

量子非局域、量子纠缠及其可能揭示的新物理

爱因斯坦等人提出的EPR佯谬和Bell隐变量理论揭示了量子力学两个相互关联的重要特性:非局域性和量子纠缠.它们使得微观量子系统之间可以建立非局域的超越经典的关联.非局域性和量子纠缠是量子力学最本质的特征.这些性质的发现不仅为解决量子力学的基本问题提供了可能,同时也揭示了量子力学不同于其他力学的根本所在,为研究量子力学与经典力学、相对论之间的关系与融合提供了新的洞察.量子非局域性和量子纠缠还提供了研究多体物理(新的拓扑相)的新工具.     

中国物理学家挑战谷歌“量子优越性”

正基于光子的量子计算机完成了普通计算机可能永远完成不了的计算任务。近期,中国科学技术大学潘建伟领衔的团队宣布,他们首次明确演示了"量子优越性"——利用量子力学的反直觉工作原理,处理在经典计算机上慢到可怕的计算任务。该团队利用激光束进行了一项在数学上被证明无法用普通计算机处理的任务。与谷歌2019年首次演示的量子优越性相反,他们的版本几乎是任何经典计算机都难以挑战的。该研究成果于2020年12月3日发表在《科学》杂志上。     

中国科学家利用量子模拟证实“任意子”服从分数统计

1月23日出版的《物理评论快报》上发表了中国科技大学潘建伟教授和他的同事陈增兵、陆朝阳等的研究论文, 在国际上首次通过操纵多光子纠缠态和量子模拟方法, 证实了一种存在于两维空间的奇特粒子“任意子”服从分数统计. 这一研究独辟蹊径地利用量子信息技术来模拟凝聚态物理学里面的重要问题, 在原理上证实了“任意子”独特的分数统计现象和拓扑性质, 在量子计算的实际应用领域迈出了重要一步.........     

多功能固态量子存储器取得新突破

<正>由于不可克服的光纤传输损耗,目前地面上的安全量子通信被限制在百千米量级.如何实现千千米量级的长程量子通信是量子通信领域面临的重要难题之一.目前物理上的解决方案有两种:第一种是基于量子中继~([1]),利用短程的量子纠缠和量子存储器实现长程的量子纠缠,再利用     

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.