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.     

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     

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     

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     

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.     

量子计算赋能百业

一百年前,第一次量子技术革命开始兴起,几十年来促成了半导体、电子显微镜、激光、集成电路芯片等重大发明,推动信息技术时代的发展.当前,以量子计算为代表的新兴非冯?诺伊曼计算架构涌现,第二次量子技术革命正在进行,以变革性的方式实现信息编码、存储、传输和操纵,将催生可确保无条件安全的量子通信,计算能力随量子比特数呈指数增加的...     

量子直接通信

量子通信作为量子信息研究的主要内容,是目前量子信息领域最具应用前景的一个部分.量子密码通信的目的是在合法的通信者之间实现绝对安全的通信过程.量子密钥分配(Quantum Key Distribution,QKD)是量子通信的一个重要研究内容.     

让光子在空间起舞:星地量子通信的原理与应用

正量子通信是一种以量子为信息载体,并利用其特性来实现信息传递的全新通信方式。它具有绝对保密和高效率等优点,近年来已迅速成为国际信息科学的研究热点,中国也正在该领域悄然崛起。随着当今世界信息技术的迅猛发展,以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限,而以量子效应为基础的量子通信,则正在逐步成为引领未来科技发展的重要领域,即将开启一次新的技术革命。量子通信是一种利用量子力学基本原理、量子系统特有属性以及量子测量方法来实现信息传递的通信技术。目前     

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.     

光谱烧孔介质中位相编码的时域全息

光谱烧孔(spectral holeburning)可望使存储密度比光盘提高10~3倍以上而引起各国科学家的重视。它在原来三维空间存贮基础上增加了频率维,突破了三维空间光斑衍射的极限对存储密度的限制。永久光谱烧孔(penistent holeburning)介质中的全息光存储已被证明在超快速光学数据处理和存储领域的光明应用前景。 对于非均匀展宽的吸收光谱烧孔介质,光学信息的存入有两种方法:一种是用单一波长激光进行烧孔写入信息,改变激光波长可以写入多个信息;另一种是全息方式存储,多个信息一次被写入非均匀线宽内。存贮密度取决于非均匀线宽与均匀线宽之比。时域光存贮基于三脉冲光子回波(three-pulse photon echo),即按照与参考光的一定时间延迟关系将携带二进制信息数据脉冲串写入介质,读出过程则是分析相对于读出光同一延迟时刻的光子回波信号的瞬态特性。     

一类普适的量子密码相干光源

提出了普适量子密码相干光源的概念. 在量子密码领域, 弱相干态(WCP)和标记单光子态(HSPS)是目前最为常用的量子光源. 但是, 利用这两种光源和诱骗态(Decoy)方法相结合进行量子密钥分配时, 在密钥传输的最大安全距离及中短距离密钥生成率上各有优劣. 本文证明了利用标记配对相干态(HPCS)进行诱骗态编码, 在保证密钥最大安全传输距离的同时, 还可以提高中短距离的密钥率. 另外还证明了这种特性并不局限于所使用的具体密码协议, 对于BB84协议和SARG协议, HPCS+Decoy方案均可以提供比较理想的密钥生成率. 最后, 给出了一个有效可行的基于HPCS源的“1信号+2诱骗”的诱骗态编码方案.     

三方量子超密编码的核磁共振实验实现

报道了使用液相核磁共振(NMR)实验技术, 利用三个量子位实现三方量子超密编码的实验过程. 实验表明: 根据龙桂鲁等人和Crudka 等人提出的多方量子超密编码的方案, 三量子位的量子超密编码只需要传送两个量子位便可以完成传送三个经典位信息的任务. 因此, 量子超密编码具有比经典通信更强大的信息传递能力.     

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.     

电路QED晶格及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体研究进展

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态.与传统绝缘体类似,拓扑绝缘体也具有体能隙以及绝缘的体态.不同之处在于,拓扑绝缘体的表面或边界处存在导电的边界态.这些特殊的边界态受拓扑保护,因此对局域的无序和微扰免疫.这些特性使得拓扑绝缘体在量子信息处理和量子计算等方面有着重要的潜在应用.基于此,本文对拓扑绝缘体的发展进行大致梳理,并且对电路QED晶格以及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体的最新研究进展进行概括和总结.     

高维球对称时空中荷电玻色子的束缚态

黑洞周围的量子引力束缚态与量子宇宙及真空理论研究有重要联系,所以近年来许多作者进行了广泛的研究。最近,由于超弦理论和Kaluza-Klein超引力理论的发展,促使人们去研究高维时空中的物理问题。Emel'yanov等曾详细地评述过高维时空的研究现状。Myers等得到了高维时空的Schwarzchild度规,Reissner-Nordstrm(R-N)度规和Kerr     

超导纳米线单光子探测器件的单光子响应

单光子探测技术是量子通信系统中量子密钥分发实现的关键技术之一. 超导纳米线单光子探测技术是一种新型的单光子探测技术, 相对于传统的半导体单光子探测器件具有高计数率、低暗计数等明显的优势. 介绍了基于低温超导NbN超薄薄膜的超导纳米线单光子探测器件以及实验室超导单光子探测系统. 对超导纳米线单光子探测器件的单光子响应脉冲特性进行了细致的分析和研究, 讨论了测试系统带宽等参数与脉冲波形的关系. 并利用电路模拟对超导单光子探测电信号波形进行了分析, 模拟结果和实验结果具有很好的一致性. 通过这些工作进一步理解超导单光子探测机理, 为未来建立量子通信用超导纳米线单光子探测系统打下良好的基础.     

t 比特半经典量子Fourier 变换

针对目前大维数量子寄存器生成的困难性, 研究了基于小维数量子寄存器实现大维数量子Fourier 变换的方法. 首先, 定义了t 比特半经典量子Fourier 变换, 从几率幅的角度证明该变换可以实现量子Fourier 变换, 且所需2 位量子门的规模显著降低, 并设计了该变换的量子实现线路. 然后基于t 比特半经典量子Fourier 变换, 将经典固定窗口法与Shor 算法实现方法相融合, 重新设计了Shor 整数分解量子算法的实现线路, 与Parker 等人的实现线路相比, 计算资源大体相同(所需的基本量子门均为相似文献   

量子密码通信原理及应用前景探究

文章主要介绍量子密码通信研究的历史,量子密钥生成和分发的基本原理以及相关的实验进展.首先介绍了经典密码学的基本原理及其保密方式,经典密码通信对更高安全性的追求,为量子密码通信的出现以及研究做了一个铺垫.根据量子力学中的海伯森不确定性原理,量子不可克隆原理,任何人都不可能窃听量子密码通信中的信息而不被发现.文章主要围绕BB84协议与B92协议,以及EPR佯谬的基本原理来展开讨论.在此基础之上介绍了当前世界范围内相应的实验研究及研究成果,并详细介绍了量子密码通信在国内的有关实验吸研究成果.最后展望了量子密码通信的发展前景和今后的发展方向.     

一种定量分析量子秘密共享方案安全性的新方法

由于量子加密的无条件安全性和窃听的可检测性,在过去的二十多年里,量子加密引起了国内外科学界和工业界的研究热潮,并已成为计算机科学和物理中的一个重要研究方向.量子加密将量子力学和经典密码学相结合,利用量子物理的客观规律来保证通信的安全.量子秘密共享     

量子点的水相合成及其生物成像分析研究进展

半导体量子点具有宽的激发光谱、窄而对称的发射光谱、高的量子产率以及良好的光稳定性, 因而受到物理、化学、材料科学、生命科学等多个领域研究者的广泛关注. 与有机相合成法相比, 量子点的水相合成方法简单, 合成后不需要将量子点进行相转移, 是有机相合成的重要补充, 已经成为半导体量子点的重要合成方法之一. 本文介绍了量子点常用的一些水相合成方法, 如溶胶法、水热法、微波辅助法及微生物合成法. 在此基础上, 阐述了量子点在细胞成像分析及活体成像分析中的应用, 并对基于量子点的磁性荧光双功能纳米材料在成像分析中的应用及量子点生物毒理效应研究进行了简要的评述.