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.     

揭秘量子密码、量子纠缠与量子隐形传态

以光子的偏振态为例,对量子力学、量子态、量子密码、量子纠缠和量子隐形传态作简要通俗而又力求准确的介绍。首先通过与经典物理的对比,引进量子力学的基本思想和量子态的基本涵义;接着介绍量子密码的BB84量子密钥分配方案;然后介绍量子纠缠,强调它不违反相对论。在此基础上,介绍了量子隐形传态,强调了经典通信在这个过程中的必不可少。     

青年才俊多担纲,科创才有大作为——访上海交通大学研究员、2012级星友金贤敏

<正>今年对金贤敏来说,可谓是收获的一年。前不久他获得了自然科学基金重点项目(300万)的资助,支持他做光量子芯片研究。9月初,国内外媒体报道上海交通大学自然科学研究院特别研究员、上海市"千人计划"特聘专家、国家"青年千人计划"专家金贤敏领衔的课题组完成世界首个海水量子通信实验,观察到光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性,这是国际首次通过实验验证水下量子通信的可行性,这意味着量     

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     

高维度量子隐形传态首次实现

<正>日前,我国科学家在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态,为发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础,被称为"量子通信领域的一个里程碑"。量子隐形传态,是一种全新的通信方式。它能借助量子纠缠这一特性,将未知的量子态传输到遥远的地点,而不用传送物质本身,是远距离量子通信和分布式     

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”。     

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     

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     

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.     

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.........     

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.     

“一步千里”的跨越

正宛如两条长腿在世界上率先跨出千公里级的量子纠缠分发记录,中国"墨子号"量子卫星从星空中向地球发出的两道光束,再次震惊了全球科技界。因这一史诗级实验成果,"墨子号"登上了《科学》杂志封面。或许难以置信,两个处于纠缠状态的量子就像有"心灵感应",无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会随之改变。爱因斯坦称之为"鬼魅般的远距作用"。中国量子卫星此次实现的就是"千里之外"的"鬼魅感应"。从以往百公里级到千公里级,"墨子号"将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级,被     

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.     

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.     

“量子纠缠”达到新高度

<正>卫星可将纠缠光子对分发至相距1 200公里的两个城市,这为全球量子通信网络开辟了广阔前景。2016年8月,当潘建伟看到长征火箭从中国酒泉卫星发射中心发射时,他几乎喜极而泣。该火箭搭载的量子科学卫星,是中国科技大学(USTC)潘建伟教授与其同事花了5年时间研制并不断完善的成果。为了获得6.5亿元的项目资金,他花了很多精力游说。当最终看到它离开地面,他说:"简直是一种解脱。"     

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.     

更加安全的量子密码技术

在IBM的华生实验室里,量子计算领域的创始者之一班奈特根据量子力学的原理,正在发明一种新的加密技术———量子密码技术,这一技术将使未来的密码使用更安全。在这个实验里,他们让光子在一个昵称为“马莎阿姨的棺材”的光密盒里走了30厘米。光子振荡(偏振化)的方向,代表一连串量子位里的0与1。量子位是构成密码的“钥匙”,可以对信息加密或解密。窃听者之所以刺探不到“钥匙”,是由于海森堡的测不准原理——这是量子物理的基础之一。当我们在测量量子态的某个性质时,会使另一个性质受到扰动。在量子密码系统里,任何窃取者在偷看光子束时都…     

植物也懂量子物理学

<正>人类对量子物理学的研究仅有百年左右,但是科学家近日发现,植物可能也懂得量子物理学,它们已经"研究"量子物理学25亿年了,并通过这一原理促进光合作用的进行。光合作用一直被认为是地球拥有生命的标志性反应。植物在进行光合作用时,可"收获"大约95%的太阳光照,并将其转换为化学能,该过程反应时间仅为千万亿分之一秒,甚至更少。植物可以通过量子物理学来实现这个近乎完美的高效反应。当一个光子在细胞中"激发"分子作用后,会通过最有效的途径参与     

带电子自旋效应的球Raman-Nath方程

近年来,自由电子激光器中的光子量子统计性质已得到了普遍的研究,其中球Raman-Nath方程(SRNE)起重要作用。但是,所有这些工作都忽略了电子的一个重要的量子特性——自旋,而对一般器件来讲,自旋作用与激光场比较是不能忽视的,因此,对自旋效应的探讨应是在光子量子性质的研究中不应回避的。本文给出有电子自旋效应的SRNE,并在忽略电子量子反冲时求解它。这一工作对探讨自旋效应是有益的。