量子系统自测试研究

量子系统自测试研究如何利用量子系统本身来测试其可信性,即根据量子设备的经典输入输出之间的统计关系来确认设备中所制备的量子态和所执行的量子测量.在经典世界中,要实现这种"设备自己测试自己"的目标并不可行,但量子力学中的非局域性却使这种自测试成为可能.量子系统自测试是设备无关量子密码协议的理论基础.综述了量子系统自测试领域的研究进展.具体来说,首先详细介绍了由两粒子最大纠缠态(即单态)及相应量子测量所构成的两方量子系统的自测试,包括测试1对量子态的CHSH方案、Mayers-Yao方案、(2,2,2,2)通用方案、(N,N,2,2)链式Bell方案,和测试2对量子态的双CHSH方案、魔方方案等.在此基础上,简要介绍了两方部分纠缠态及多方量子系统的自测试方案.最后对量子系统自测试未来的发展进行了展望.     

利用四粒子纠缠态对未知的两粒子态的概率的隐形传态

提出一个对两粒子态的概率的隐形传态方案,利用四粒子纠缠态作为量子信道,可以以最大为1/3的概率实现对未知量子态的隐形传输.     

利用V型三能级原子传送N-qubit未知原子态

实现量子态的隐形传送,尤其是多比特的量子态的隐形传送在量子信息领域中具有非常重要的作用.利用全量子理论,对简并V型三能级原子与单模相干态的相反态腔场之间的Raman相互作用进行了详细研究.在此基础上,提出了利用简并V型三能级原子与腔场之间的Raman相互作用来隐形传送N-qubit未知原子态的新方案.     

利用偶极封锁实现量子态转移和量子交换门

基于囚禁在原子芯片上的原子系综,利用偶极封锁实现了量子态转移,并通过引入辅助量子比特实现量子交换门,同时还讨论了上述方案在实验上的可实现性.     

可实现全部超星量子存取结构的量子秘密共享方案

为了实现更多的量子存取结构,通过对超星量子存取结构上部分授权子集分发非目标秘密量子态,提出了一种新型的量子秘密共享方案。与其他同类方案相比,该方案理论上可实现全部的超星量子存取结构,方案中各成员都获得量子备份,具备无条件安全性。     

集体幅值阻尼信道上的量子安全直接通信

针对幅值阻尼信道,提出了一个高效的量子安全直接通信协议.协议利用两粒子量子态编码一个逻辑比特,从而可以抵抗集体幅值阻尼效应.消息分发者直接将秘密编码,接收者执行确定的测量解码消息,测量不存在测量基不匹配的情况.量子态传输过程利用非正交态不可区分性保证其安全性.此外,利用量子计算的基本操作构造了量子线路以实现信道编码和信息编码.     

基于旋转算子的非交互式量子同态加密方案

量子同态加密是量子密码学的一个重要分支,它可以直接对密文量子态进行计算,同时保证计算的正确性和数据的安全性.对量子门T进行量子同态加密会产生额外的相位门S,如果不消除该错误则不能得到正确的输出.使用量子门隐形传态可以非交互地消除相位门错误,但是增加了解密复杂度.本文利用旋转算子实现了T/T^?门的量子同态加密,提出了非交互式量子同态加密方案.该方案解密复杂度为O(1),加密复杂度为O(N),其中N是量子线路中量子门的数量.本文证明了该方案是信息论安全的以及能够实现对任意量子线路的量子同态加密,并且在IBM Quantum Experience上实现了对Toffoli门分解线路的量子同态加密.     

基于波粒二象性的量子光通信系统的研究

结合光子的波粒二象性,提出利用孤子调制承载量子态的方案,着重从调制信道的角度,分别论证了孤子在NLSE光纤和SIT媒介中的传输演变,量子的压缩态和纠缠态可以在孤子的传输演变中产生,从而实现量子的高速调制.这种调制方案,融合了量子和孤子的特性,避免了量子长距离传送所带来的一系列问题,如量子中继等.     

在量子信息分裂中利用局部测量提高量子参数估计

我们利用多体量子纠缠信道在环境噪声中实现了关于量子相位参量的信息分裂.这个量子信息分裂方案是指从一个发送端,人们将含有信息的任意量子态传输到多个接收端,然后利用么正测量在任意一个接收端上还原量子参量信息.我们发现,在退振幅阻尼噪声通道下,合理引入局部测量能提高量子参量估计精度.当环境表现为马尔科夫性时,经过量子信息分裂,量子参量估计精度的动力学演化会呈现单调衰减趋势.当环境具有一定记忆效应时,其演化会呈现振荡起伏行为.     

一类两体非X-型量子态的量子失谐

量子失谐是近年来被发现的除量子纠缠外很重要的一种量子关联,是量子信息中两种表达式的差异.针对两体X-型量子态的量子失谐的研究有很多,但对两体非X-型量子态的研究较少.讨论一类含4个参数的两体非X-型量子态的量子失谐.通过对量子测量进行酉变换,得到经典量子关联.最后运用拉格朗日乘数法来求其量子失谐的极值,给出这类两体非X-型量子态量子失谐的解析解.     

量子计算原理及研究进展

 量子计算机是量子力学与计算问题相结合的产物,是近几年的研究热点,引起了广泛的社会关注。本文回顾量子计算机的发展,介绍了量子算法和量子计算模型,并以离子阱和超导线路为例阐述了量子计算机的物理实现,然后介绍了为了克服消相干而发展出的量子编码,以玻色取样为例讨论了量子霸权。展望未来,近期内可以展示量子霸权,进而实现解决特定问题的量子模拟器,但是普适的量子计算机的研制仍然需要很长的时间。     

An error-free protocol for quantum entanglement distribution in long-distance quantum communication

Quantum entanglement distribution is an essential part of quantum communication and computation protocols. Here, linear optic elements are employed for the distribution of quantum entanglement over a long distance. Polarization beam splitters and wave plates are used to realize an error-free protocol for broadcasting quantum entanglement in optical quantum communication. This protocol can determine the maximum distance of quantum communication without decoherence. Error detection and error correc-tion are performed in the proposed scheme. In other words, if there is a bit flip along the quantum channel, the end stations (Alice and Bob) can detect this state change and obtain the correct state (entangled photon) at another port. Existing general error detec-tion protocols are based on the quantum controlled-NOT (CNOT) or similar quantum logic operations, which are very difficult to implement experimentally. Here we present a feasible scheme for the implementation of entanglement distribution based on a linear optics element that does not need a quantum CNOT gate.     

基于弱测量和量子反弱测量的三能级量子系统稳定研究

利用弱测量和量子反弱测量方法研究了一个V-型三能级量子系统处在振幅耗散退相干环境作用下的问题.得到了相应的最优化条件、保真度以及成功率解析表达式.通过数值模拟,发现到当弱测量和量子反弱测量强度在满足一定条件下,该退相干的三能级量子系统能有效稳定.     

Geometric method in quantum control

In this paper we survey the geometric method in quantum control.By presenting a geometric representation of nonlocal two-qubit quantum operation,we show that the control of two-qubit quantum operations can be reduced to a steering problem in a tetrahedron.Two physical examples are given to illustrate this method.We also provide analytic approaches to construct universal quantum circuit from any arbitrary quantum gate.     

基于量子测量的量子计算模型综述

基于测量的单向量子计算是重要的通用量子计算模型,可以模拟一般量子计算任务。单向量子计算基于量子簇态作为计算资源,利用每个量子位的局部量子测量和经典通信执行一般量子计算。单向量子计算是与量子线路模型等价的量子计算模型。近年来,研究者们对单向量子计算的量子资源、纠缠度量、局部操作简化,以及量子通信等给出一系列研究成果,并基于光学平台开展了一些量子模拟实验。量子簇态与单向量子计算为一般量子计算提供非常好的量子任务处理方式,受到研究者们的广泛关注。该文主要总结基于测量的单向量子计算模型,包括重要的量子资源态、局部信息处理方式,以及与单向量子计算相关的研究;该文对单向量子计算存在的问题和前沿研究方法进行展望,为研究者提供借鉴。     

Twenty years of quantum contextuality at USTC

Quantum contextuality is one of the most perplexing and peculiar features of quantum mechanics. Concisely, it refers to the observation that the result of a single measurement in quantum mechanics depends on the set of joint measurements actually performed. The study of contextuality has a long history at the University of Science and Technology of China (USTC). Here we review the theoretical and experimental advances in this direction achieved at USTC over the last twenty years. We start by introducing the renowned simplest proof of state-independent contextuality. We then present several experimental tests of quantum versus noncontextual theories with photons. Finally, we discuss the investigation of the role of contextuality in general quantum information science and its application in quantum computation.     

Q2Chemistry: A quantum computation platform for quantum chemistry

Quantum computers provide new opportunities for quantum chemistry. In this article,we present a versatile, extensible, and efficient software package, named Q2Chemistry, for developing quantum algorithms and quantum inspired classical algorithms in the field of quantum chemistry. In Q2Chemistry, the wave function and Hamiltonian can be conveniently mapped into the qubit space, then quantum circuits can be generated corresponding to a specific quantum algorithm already implemented in the package or newly developed by the users. The generated circuits can be dispatched to either a physical quantum computer, if available, or to the internal virtual quantum computer realized by simulating quantum circuits on classical computers. As demonstrated by our benchmark simulations, Q2Chemistry achieves excellent performance in simulating medium scale quantum circuits using the matrix product state algorithm. Applications of Q2Chemistry to simulate molecules and periodic systems are given with performance analysis.     

t-bit semiclassical quantum Fourier transform

Because of the difficulty of building a high-dimensional quantum register,this paper presents an implementation of the high-dimensional quantum Fourier transform(QFT)based on a low-dimensional quantum register.First,we define the t-bit semi- classical quantum Fourier transform.In terms of probability amplitude,we prove that the transform can realize quantum Fourier transformation,illustrate that the requirement for the two-qubit gate reduces obviously,and further design a quantum circuit of the transform.Combining the classical fixed-window method and the implementation of Shor’s quantum factorization algorithm,we then redesign a circuit for Shor’s algorithm,whose required computation resource is approximately equal to that of Parker’s.The requirement for elementary quantum gates for Parker’s algorithm is 3 O (logN),and the quantum register for our circuit re- quires t-1 more dimensions than Parker’s.However,our circuit is t2 times as fast as Parker’s,where t is the width of the window.     

圈量子宇宙学的新进展

圈量子宇宙学在国际引力和宇宙学界日益成为一个热门的研究领域.本文将介绍圈量子引力理论的基本想法及其对称约化模型-圈量子宇宙学的基本结构与最新进展.新进展侧重于圈量子宇宙学的动力学构造及其有效理论的研究.     

基于半导体量子点的量子通信

光子源和纠缠光子对的制备是量子信息产生和传输过程的源头,是实现量子通信的重要前提条件.半导体量子点固体系统具有可集成性和可扩展性的优点,并且与现有的半导体光电子学技术密切相关,近年来在单光子源和纠缠光子对制备方面取得了重要的进展,是未来全固态量子通信的重要元器件.从量子通信的基本原理出发,阐述了制备单光子源和纠缠光子对的重要性,介绍如何解析推导出圆形常规半导体量子点中的电子结构,描述了圆形拓扑绝缘体量子点中边缘态具有双重简并的电子结构,能级间隔与量子点的具体形状无关,并且具有自旋轨道锁定的特性,总结了实验和理论上在利用这一独特的电子结构制备单光子源和纠缠光子对方面取得的重要进展.