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。     

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     

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     

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…     

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.........     

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     

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     

用控制非(CNOT)门组合法制备核自旋系综的有效纯态

核磁共振（NMR）是研究量子计算的实验方法之一，大多数用核自旋系综实现的量子算法的初始态均为有效纯态，因而制备出有效纯态是进行核磁共振量子计算的基础，迄今为止，如何制备有效纯态已提出了多种方案，根据控制非（CNOT）门组合法的理论，分析了奇数位和偶数位量子体系制备有效纯态的特点，并设计了制备4量子位核自旋体系有效纯态的脉冲程序，在实验上获得了实现，这种方法减少了实验的复杂程度，并具有较高的信噪比。     

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     

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.     

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     

超导与量子计算

基于量子力学态叠加性和纠缠性的量子计算，以其指数级增长的庞大计算空间和更高级的信息抽象能力，为计算提供了新的范式。这一新技术有可能解决一些经典计算无法解决的计算难题，同时解决经典计算的功耗问题。超导效应作为一种宏观量子效应，为量子态相干操控提供了绝佳的无损耗环境，而约瑟夫森结为构建量子比特提供了必要的能级分立性和非线性。经过二十余年的高速发展，基于超导量子电路的量子计算技术已经在退相干时间、量子态操控和读取、量子比特间可控耦合、中大规模扩展等关键技术上取得大量突破，成为构建通用量子计算机和量子模拟机最有前途的候选技术路线之一。文章就这一技术做一个简要的介绍和梳理，以令读者了解整个技术脉络为目标，尽可能不涉及复杂的符号和公式。最后，还简要讨论了超导量子计算发展的未来，并指出其中部分关键技术难点。     

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.     

潘建伟院士

2012年8月9日，国际权威学术期刊《自然》以封面标题的形式，发表了中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟团队的研究新成果：他们在国际上首次成功地实现了百千米量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。团队的领军人物、中国科学院迄今最年轻的院士潘建伟兴奋地说：“由于自由空间信道的损耗小，借助卫星将有可能实现在全球尺度上进行超远距离量子通信的梦想。”这个“量子梦”已在他心中做了十多年。如今，这个梦想在潘建伟和其他团队成员的努力下，正一步步变为现实。     

《辐射和光场的量子统计理论》

本书内容大致分为两部分：一是有关光场和电子场（相对论性）的量子化，光子的基本性质（如自旋、宇称、动量和角动量、能量等），狄拉克方程的物理内涵和正反电子对的概念，量子电动力学的基本方程组，洛伦兹条件问题，散射算符和费曼图，原子对光子的吸收，电多极辐射和磁多极辐射，原子在强光下的拉比振荡，共振荧光等；二是光场的相干态和挤压相干态，光场的量子统计描述，光学测量与光场的相关函数，原子和光场与库的作用，耗散与涨落的量子统计理论（主方程和量子朗之万方程），激光的量子理论等．     

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.     

量子纠缠与时空结构

众所周知，自然界中存在着四种基本相互作用，分别为强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用与引力相互作用。然而，前三者可以在量子力学的框架下自洽，只有特殊的引力相互作用尚未与其他相互作用统一。因此，追求引力的量子化是现代物理学最迫切和首要的目标。物理学家们发现，可以利用量子场论的方法来研究引力理论。在这过程中，我们发现量子纠缠、几何以及时空定域性之间的关系，这似乎暗示了通往量子引力的研究方向。通过量子纠缠，我们希望进一步探索量子引力领域，为引力的量子化找到一个突破口，从而发现时空的本质。文章简要回顾量子纠缠熵的历史发展，并讨论纠缠熵与几何之间的关系。     

基于有限测量信息估算未知量子态的相干度

正量子相干即量子叠加性是量子力学最本质的特征,也是进行量子计算、量子密钥分发、量子精密测量等量子信息过程的重要资源~([1]).多粒子体系中的量子纠缠被认为是一种特殊形式的量子相干~([2]).在量子信息与热力学~([3])、量子信息与生物学~([4])等的交叉研究领域中,量子相干也与多种微观机制存在紧密联系,因此量子相干在理论和实际应用中都具有重要的研究价值.量子相干的起源可追溯至200多年前的光学干涉及衍射实验,量子相干概念的正式提出至今也已有100多年的     

书讯

《量子信息物理原理》作者:张永德出版:科学出版社2006年1月定价:59元本书系统介绍了量子信息论的物理原理.全书内容包括量子测量问题、双态系统、量子纠缠与纠缠分析、Beli型空间非定域性及分析、退相干分析、纯化与相干性恢复、不可克隆定理与量子Zeno效应、量子态超空间转移、量子门与简单量子网络、量子算法、量子误差纠正与保真度、量子信息论等.重点在于阐述物理原理.每章后均附有相关文献和习题,全部习题均给出了详细解答.