任意多体高维偏振纠缠态的有效制备

纠缠态与高维量子态是量子信息科学关注的焦点,在光学领域,如何有效制备高维纠缠态是值得探讨的问题．基于交又相位调制技术,利用单光子高维空间态作为辅助,通过纠缠光子对与单光子之间的相互作用,以及多光子的干涉,可以制备出任意系数的两体高维偏振纠缠态．其成功概率由高维偏振量子态,也就是多光子干涉决定．同时,这一方案可以很容易推广到任意多体高维偏振纠缠态的制备．所制备纠缠态的灵活性,将为研究高维纠缠态的性质、多体相互作用等问题提供一定的便利．     

三维非正交未知量子态的确定性分辨

依靠单光子来表示量子态和多轨光学网络来进行幺正变换,我们针对普适的、可编程的量子状态区分给出了一套方案,能对两个未知三维量子态给出最优化的明确分辨.     

基于d维六粒子Cluster态的任意qudit态远程联合制备

提出利用d维六粒子Cluster态的任意高维量子态确定远程联合制备方案.首先考虑了基于d维六粒子Cluster态的任意双粒子qudit态远程联合制备方案,然后提出了基于六粒子Cluster态的任意单粒子qudit态双向远程联合制备方案.在方案中,两个发送方共享需制备量子态信息,第一发送方依据已知需制备量子态信息对纠缠粒子执行半正定算子测量(POVM),第二发送方依据第一发送方测量结果以及已知需制备量子态信息对纠缠粒子选择执行适当的正交投影测量,接收方依据所有发送方测量结果对纠缠粒子执行相应的局域幺正操作,就可以在他的粒子上重建需制备量子态.通信方使用高维Cluster态为量子纠缠信道完成高维量子态远程联合制备,与其他方案相比,具有信道容量高的优点.     

三维非正交未知量子态的确定性分辨

依靠单光子来表示量子态和多轨光学网络来进行幺正变换，我们针对普适的、可编程的量子状态区分给出了一套方案，能对两个未知三维量子态给出最优化的明确分辨     

高效实现针对光子丢失问题的容错量子计算

基于两个基本操作——控制路径操作和纠缠子,首先给出非破坏性多光子奇偶校验的实现.随后,将这些操作用于光学量子计算中光子丢失问题的处理.可以实现奇偶量子态的制备,以及单体操作与两体控制非操作,由此可以实现普适容错量子计算.不管是态制备还是门操作都是确定性的,同时方案的实现复杂度也要远低于此前的方案,对于辅助单光子资源的需求也降到很低的程度.并且实现过程中除奇偶校验外,不需要进行任何单光子探测,因此不会造成任何单光子的损失,最大限度地利用了光子资源.比之此前的线性光学方案,我们方案的确定性、高效性、简单性以及资源的高利用率等特点,使得方案更具可行性和更加适用于大规模量子计算.     

利用部分纠缠态确定性实现量子远程态制备

提出了一种利用局域操作和经典通讯经由任一纠缠纯态与辅助纠缠态远程实现量子态制备的方案.该方案由一个广义测量(即正定算符值测量,简称POVM)、单边经典通讯和相应的幺正操作来完成.首先,讨论了两维部分纠缠态作通道的情形,然后将其推广到高维粒子纠缠态的情况.     

任意单光子两自由度量子态的概率远程制备

量子态远程制备为量子信息的传输提供了一种有效的方法.基于共享的部分超纠缠Bell态,提出了任意单光子极化-时间自由度量子态的远程制备方案.发送方根据待制备的量子态信息对手中光子进行幺正操作,通过单光子投影测量和单向经典通信帮助接收方制备出初始量子态,并给出了该方案的成功概率.     

基于随机梯度下降算法实现对环上量子游走的动态完全控制

寻找如何实现幺正量子操作是量子计算领域的基本问题，主要研究通过环上的离散时间量子游走实现任意幺正量子操作的可能.首先推广引入了特殊的环上的离散时间量子游走模型，并对模型实现任意量子操作的有效性进行了探讨.对于两量子比特的量子系统，给出了通用量子门集合与量子傅里叶变换的构造解.由于高维情况构造解较难精确给出，引入机器学习中常用的随机梯度下降算法，得以在高维系统近似实现所需要的幺正量子操作.此外，如对算法进行进一步微调，可以在位置空间上的实现任意的幺正量子操作以及两结果半正定算子测量.在高维情况下，这意味着通过控制两能级的硬币系统即可控制位置空间上大型系统，从而实现小系统对大系统的间接完全控制.这些任务的完成表明，基于随机梯度下降算法可以实现对整个环上量子游走过程的动态完全控制.     

基于单粒子的量子投票方案

提出了一个量子投票方案。投票者利用局域幺正操作进行投票，计票员可根据测量的结果计算出投票的结果。通过对方案的正确性和秘密性进行分析，表明该方案是安全的。而且，与采用Ⅳ维量子纠缠态的量子投票方案相比，该方案只涉及二维量子态，测量较为简单，这在现有的技术条件下是更易于实现的。     

远程协作实现高维量子态间的精确转换

利用二维远程幺正旋转,Alice和Cindy远程协助Bob将他未知的d维初始量子态精确地转换为目标态.方案中,Alice和Cindy分别根据她们已知的初态和目标态的概率幅和相因子联合设计一理想的正定算符值测量(POVM),它作用于Bob的(2d?1)维直和空间.可用2(d?1)个二维远程幺正旋转实现该远程POVM.值得注意的是,仅需2(d?1)个二维Bell态(ebit)和3(d?1)个二维经典通信(cbit)就可精确地实现该远程态映射.给出了方案的成功概率.该方案可推广到初态和目标态的相因子信息分别被网络中N个不同端点的操控者共同掌握的情形.方案的简单性、精确性以及资源的有效利用等特点,使得其在目前的实验条件下更具可行性和更加适用于大规模量子网络.     

非对称偏振三维纠缠态的预警制备

在量子信息处理过程中,量子纠缠态扮演着极为重要的角色,其特殊的物理性质,使得量子信息具有经典信息所没有的许多新的特征,为信息传输和信息处理提供了新的物理资源.针对非对称偏振三维纠缠态的制备,基于交叉相位调制技术,以纠缠光子对和两个单光子比特作为初态,通过单光子与相干光的相互作用以及双光子干涉来实现.如果通过三个非计数单光子探测器来预警制备三维最大纠缠态,其概率为3/64.而如果采用特殊的分段式光子探测器,其概率可以提高到3/8,达到理论极限值.该方案在理论上是可行的,效率相对较高,而且预警式的制备为其后续在量子信息过程中的使用提供了很大的灵活性.     

量子三元Werner衍生态的几何失协

量子三元Werner衍生态是由量子三元Werner态经幺正算符作用而生成的态.采用文献(DAKIC B,VEDRAL V,BRUKNER C.Necessary and sufficient condition for nonzero quantum discord[J].Phys Rev Lett,2010,105:190502)定义的几何失协方法,研究量子三元Werner衍生态的量子关联(QC).研究发现:量子三元Werner衍生态GD的解析式显示了衍生态GD的对称性,量子三元Werner态的任何衍生态的GD值都不超过量子三元Werner态的GD值.     

Efficient generation of NOON states on two microwave-photon resonators

We present an efficient scheme for the generation of NOON states of photons in circuit QED assisted by a superconducting charge qutrit. It is completed with two kinds of manipulations, that is, the resonant operation on the qutrit and the resonator, and the singlequbit operation on the qutrit, and they both are highfidelity operations. Compared with the one by a superconducting transmon qutrit proposed by Suet al. （Sci Rep 4：3898, 2014）, our scheme does not require to maintain the qutrit in the third excited state with a long time, which relaxes the difficulty of its implementation in experiment. Moreover, the level anharmonicity of a charge qutrit is larger and it is better for us to tune the different transitions of the charge qutrit resonant to the resonator, which makes our scheme faster than others.     

二能级三粒子一般态的概率传输

研究了用六粒子的非最大纠缠纯态传输二能级三粒子的一般态.传输方案没有利用Bell基测量,而是利用幺正变换和局域进行了测量.在经典通讯的帮助下,通过做适当的幺正变换和对辅助量子位的测量,这个三粒子一般态可以一定的成功概率从发送者处传输到接收者处.     

二能级二粒子一般态的概率传输

研究了用4个粒子的非最大纠缠纯态传输二能级二粒子的一般态。传输方案没有利用Bell基测量，而是利用么正变换和局域进行了测量。在经典通讯的帮助下，通过做适当的么正变换和对辅助量子位的测量，这个二粒子一般态可以一定的成功几率从发送者处传输到接收者处。     

基于4粒子纠缠态的未知3粒子态概率量子隐形传态

使用4粒子纠缠态作为量子信道,在对4粒子纠缠态的纠缠系数方面并没有做确切要求的前提下,完成了未知3粒子纠缠态的隐形传态.在传输过程中,发送方对2对粒子进行Bell测量并公布结果,然后再对4粒子中的一个粒子作Hadamard操作之后,也对其进行测量,且将测量结果通过经典信道公布.接收方引进2个辅助粒子并实施一次控制非操作,再进行一组适当的幺正变换,便可实现未知3粒子纠缠态的概率量子隐形传态.     

Realization of quantum error correction

Scalable quantum computation and communication require error control to protect quantum information against unavoidable noise. Quantum error correction protects information stored in two-level quantum systems (qubits) by rectifying errors with operations conditioned on the measurement outcomes. Error-correction protocols have been implemented in nuclear magnetic resonance experiments, but the inherent limitations of this technique prevent its application to quantum information processing. Here we experimentally demonstrate quantum error correction using three beryllium atomic-ion qubits confined to a linear, multi-zone trap. An encoded one-qubit state is protected against spin-flip errors by means of a three-qubit quantum error-correcting code. A primary ion qubit is prepared in an initial state, which is then encoded into an entangled state of three physical qubits (the primary and two ancilla qubits). Errors are induced simultaneously in all qubits at various rates. The encoded state is decoded back to the primary ion one-qubit state, making error information available on the ancilla ions, which are separated from the primary ion and measured. Finally, the primary qubit state is corrected on the basis of the ancillae measurement outcome. We verify error correction by comparing the corrected final state to the uncorrected state and to the initial state. In principle, the approach enables a quantum state to be maintained by means of repeated error correction, an important step towards scalable fault-tolerant quantum computation using trapped ions.     

Experimental realization of the quantum universal NOT gate

In classical computation, a 'bit' of information can be flipped (that is, changed in value from zero to one and vice versa) using a logical NOT gate; but the quantum analogue of this process is much more complicated. A quantum bit (qubit) can exist simultaneously in a superposition of two logical states with complex amplitudes, and it is impossible to find a universal transformation that would flip the original superposed state into a perpendicular state for all values of the amplitudes. But although perfect flipping of a qubit prepared in an arbitrary state (a universal NOT operation) is prohibited by the rules of quantum mechanics, there exists an optimal approximation to this procedure. Here we report the experimental realization of a universal quantum machine that performs the best possible approximation to the universal NOT transformation. The system adopted was an optical parametric amplifier of entangled photon states, which also enabled us to investigate universal quantum cloning.