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。     

2018年信息科学热点回眸

 回顾了2018年信息科学的热点，包括：对抗网络成为人工智能领域新的发展热点，更具实用性的离子阱量子计算机问世，谷歌的人工智能虚拟助手能够以真人声音与用户对话，桌面3D金属打印机进入市场，癌症基因组图谱正式完成，加密锚和区块链被联合应用来打击造假者，基因预测逐渐成为主流。     

2013-18 科技期刊亮点

分析三维离子阱内空间电荷效应北京普析通用仪器有限责任公司张华等对三维离子阱内空间电荷效应进行了理论分析。离子阱内存储的大量离子之间会有强烈的库仑相互作用,导致所谓的空间电荷效应,它一直是质谱理论研究和应用领域内非常感兴趣的问题。本研究根据三维离子阱     

离子存储、冷却及在量子频标中的应用

首先回顾了量子频标中离子存储和冷却的基本原理,介绍了用分子动力学计算得到的十二极阱中离子的分布和加热速率的结果.然后在此结果基础上,计算了十二极阱射频加热效应和离子微运动对频标造成的影响.相比传统的四极阱,一方面十二极阱可以降低离子云的加热速率,有利于利用Ramsey脉冲进一步压窄离子谱线线宽;另外,十二极阱内势场中部平坦边缘陡峭,可有效降低离子微运动带来的二级多普勒效应,有利于提高离子频标的准确度和稳定性.该文还介绍了美国JPL实验室高稳定性、高准确度、199Hg+离子钟的工作,以及我们正在开展的基于多极阱中激光冷却的113Cd+离子的高稳定性量子频标的工作.     

乙醇在离子阱质谱中的反应研究

基于离子阱质谱的特殊结构和性质,对乙醇在阱内发生自身化学电离反应(SCI)进行了研究.探讨了乙醇不同进样量与生成产物碎片离子间的变化关系和反应机理.结果显示,阱内乙醇浓度较高时其分子离子加和产物丰度显著增加,这与乙醇分子的结构特点和离子阱结构的特殊性密切相关.同时,还探讨了乙醇离子阱质谱图与通常使用商品化NIST谱库比较获得匹配率低的原因,这在小分子化合物中具有一定代表性.     

施主离子对抛物阱中束缚极化子的影响

从电子-声子相互作用的哈密顿量出发,采用改进的LLP方法研究了无限深抛物阱中束缚极子的极化势和结合能随施主离子位置z0的变化关系.结果表明,电子与施主离子间的距离不同,则极化势随施主离子位置的变化关系也不同.对于给定的阱宽,随着施主离子远离阱中心,束缚极化子的结合能迅速减小;阱宽不同,束缚极化子的结合能减小的程度不同.     

Penning阱中离子运动及存储条件的研究

根据在实验中所采用的Penning离子阱结构及电磁场分布特点，列出阱内离子运动方程并进行求解，对其中各种运动进行详细分析，本文还分析了离子的存储条件.最后对所作的研究进行总结，得到如下结论：阱中离子的运动为简谐振动、回旋运动和漂移运动的叠加，这3种运动是稳定的.     

Penning阱中移动峰图像分析及高分辨率探测方案设计

在用Penning阱探测团簇离子的过程中发现了移动峰.通过分析移动峰,发现V-B2图像并不是一条通过原点的直线,而是在B2轴上有截距.经分析,截距是由离子阱的结构与理想离子阱的结构有偏差引起的,最后对引起截距的因素进行定量分析,求出了结构修正系数.还利用该机制设计出具有高分辨率的探测存储离子的新方法.     

多级差分真空系统设计、研制和调试

线性离子阱-飞行时间质谱是一种具有分析速度快、分辨率高、灵敏度高的多级串联质谱,而差分真空系统则是线性离子阱-飞行时间质谱研制的基础.该文从差分真空系统的原理着手,通过对差分系统材料、测量元件以及排气系统的选择,设计了线性离子阱-飞行时间质谱差分真空系统-四级差分真空系统.理论计算和测试结果均表明,该系统基本满足了线性离子阱-飞行时间质谱的要求,并实现从工作在大气压下的离子源到真空度10-4Pa分析器的顺利过渡,为线性离子阱-飞行时间质谱的研制提供了可靠保证.     

离子阱中有机小分子的分子离子反应

利用离子阱质谱原理和内离子源的特点,确定了小分子醇、醚、胺、醛、酮等有机物在离子阱里的反应为自身化学电离(SCI)反应;总结了反应特点和规律;比较了质谱图与NIST98库中的标准EI质谱的不同;建立了有助于在离子阱中对有机物小分子定性分析的SCI质谱图库.     

量子非局域性的应用与度量

随着量子计算机研究的进一步深入，量子态非局域性的理论日益重要，尤其是如何度量非局域性的大小．本文解释度量非局域性的大小的原则及介绍了一些主要的应用方向．     

基于格密码理论的装备保障信息网络身份认证方案

针对当前装备保障信息网络身份认证方案无法抵抗正在崛起的量子计算机攻击及认证效率较低的问题,基于新的格密码理论,提出了装备保障信息网络在量子计算环境下安全且快速的身份认证方案。该方案采用理想格结构生成方案的主密钥,将装备身份信息输入到原像抽样函数中得出装备身份信息对应的认证密钥,利用无陷门的采样技术产生出装备的认证信息。结果表明：该方案在理想小整数解问题困难性假设的条件下,达到了适应性选择身份和选择消息攻击下的不可伪造性安全;在保证安全的前提下,该方案在达到相同的安全等级水平时在认证速率和验证速率方面均高于传统基于RSA和ECC的认证方案。     

基于共面两囚禁冷离子的信息读写

利用离子阱内共面两囚禁冷离子,在库仑势的条件下,Schrdinger方程的精确解（即离散的本征态和本征能量）表明：径向运动量子数为1/2的整数倍变化;费米子和玻色子交替出现;质心运动磁量子数mc和相对运动磁量子数m使量子态产生一个mcβ+mθ的随机相位因子.并以2个冷H+为例,给出1个用量子态作资源,采用量子编码的方法,提出了在量子信息处理时,利用离散的本征态ψnc,mc,l,m,通过操控相位的变化,从而实现了对信息读写操作.     

量子计算机的核心与发展

分析、对比了经典计算机和量子机的异同，讨论了量子计算机的核心与发展趋势，指出经典计算机和量子计算机的结构结合将是计算机发展的最佳模式。     

量子信息技术

量子特性在信息领域有着独特的功能,在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面有望突破现有经典信息系统的极限。量子信息科学正是由量子力学与信息科学相结合的一门学科。近年来量子信息在理论、实验和应用领域都取得重要突破。量子通信在一定程度上已经实现了商业应用并具有广阔的市场应用前景;量子计算机具有目前的计算机从原理上所不可能具有的无与伦比的威力,但目前尚未真正意义上的量子处理器的技术实现,基于量子光学和固态体系的量子处理器的研究大有可为。     

An Efficient Framework to Utilize Grover Search

This paper proposes an efficient framework to utilize quantum search practically.To the best of our knowledge,this is the first paper to show a concrete usage of quantum search in general programming.In our framework,we can utilize a quantum computer as a coprocessor to speed-up some parts of a program that runs on a classical computer.To do so,we propose several new ideas and techniques,such as a practical method to design a large quantum circuits for search problems and an efficient quantum comparator.     

基于绝热演化通道的任意比特对称Dicke态的制备

根据绝热通道技术及暗态的演化机制,提出多个囚禁离子量子比特的纠缠Dicke态制备方案.该方案实现了处于激发状态的离子数连续可调,可完成任意对称Dicke态的制备.离子阱系统处于暗态,且能按照量子绝热演化进行,对试验参数的涨落不敏感.离子阱系统具有良好的屏蔽性,使离子几乎不受外界环境的影响,对离子比特的量子操作有更高的保真度.     

量子计算及其应用

讨论量子计算机模型及其物理实现方案，量子计算过程，量子计算模型和量子并行算法，分析量子计算的指数级存储容量和指数加速特征，并简述量子计算和量子信息技术在保留通信、密码系统、数据库搜索等重要领域的应用。     

A scalable quantum computer with ions in an array of microtraps

Quantum computers require the storage of quantum information in a set of two-level systems (called qubits), the processing of this information using quantum gates and a means of final readout. So far, only a few systems have been identified as potentially viable quantum computer models--accurate quantum control of the coherent evolution is required in order to realize gate operations, while at the same time decoherence must be avoided. Examples include quantum optical systems (such as those utilizing trapped ions or neutral atoms, cavity quantum electrodynamics and nuclear magnetic resonance) and solid state systems (using nuclear spins, quantum dots and Josephson junctions). The most advanced candidates are the quantum optical and nuclear magnetic resonance systems, and we expect that they will allow quantum computing with about ten qubits within the next few years. This is still far from the numbers required for useful applications: for example, the factorization of a 200-digit number requires about 3,500 qubits, rising to 100,000 if error correction is implemented. Scalability of proposed quantum computer architectures to many qubits is thus of central importance. Here we propose a model for an ion trap quantum computer that combines scalability (a feature usually associated with solid state proposals) with the advantages of quantum optical systems (in particular, quantum control and long decoherence times).