量子逻辑门及其研究进展

量子信息代表了当代量子物理学的最新进展,代表着信息时代最具有潜力的发展方向,量子逻辑门是实现量子计算的最基本的逻辑单元。文章介绍量子信息技术中量子逻辑门的基本特点、方法以及实现量子门的物理实验进展。     

量子与门的实现

在定义了量子逻辑与门之后,利用在博弈游戏中量子策略比经典策略更具优越性这一特点,从理论上提出了一套实现量子与门的新方案:把量子逻辑与门的操作用两个可分辨的量子硬币来实现.     

实现量子或门的新方案

利用量子博弈理论中量子策略比经典策略更具优越性这一结论,为实现量子逻辑或门提供了一套新的方案,该方案的工作机制为用两个单量子硬币理论来解释实现量子或门的过程。     

量子计算中的矩阵方法

量子计算机是由包含连线和基本量子门排列形成的处理量子信息的量子线路建造而成的,本文主要从线性代数中的矩阵出发证明两个基本的逻辑门和量子线路.     

自旋1/2态下的量子逻辑变换

作者利用对自旋算符的量子线性变换理论，提供了一种考察自旋1/2态下的量子逻辑门变换的一种有效方法，并给出了几个基本量子逻辑操作的变换表达式。     

非绝热和乐量子计算新进展

量子计算是基于量子力学规律调控量子信息单元进行计算的一种新型计算模型.众所周知,对噪声不敏感的高保真度量子逻辑门是实现大规模量子计算的关键.几何量子计算是利用几何相位来实现量子逻辑门操作的量子计算策略,其特点是利用几何相位的整体性质避免某些局域噪声对量子操作的影响,从而实现高保真度的量子逻辑门.因此,基于几何相位的量子操控是量子信息处理领域中非常重要的研究课题.该文以基于非阿贝尔几何相位的和乐量子计算为例,介绍非绝热和乐量子计算方案的新进展.     

量子计算机的物理实现

本首先着重讨论量子逻辑门的物理实现,包括单量子位旋转,幺正变换,以及Hadamard变换,以实现单量子位向相干叠加态和纠缠态的转变。接着对量子超距传输,量子计算,光子传声,量子网络以及量子计算机的研制等方面的研究近况作了简要介绍。     

旋转单晶体系下的量子门的实现（英文）

在魔角旋转的固体核磁共振体系中,实现了量子逻辑门.首先,利用魔角旋转去除掉样品中核间的耦合.然后,利用特殊的恢复耦合序列或者条件恢复实现量子门需要的耦合.此方法相比液体中实现量子门有较简单的序列,因为其不需要复杂的去耦序列,另外构成量子门的序列的时间也较短.最后,模拟了一系列量子门,模拟结果与理论预期一样.     

基于低Q腔的集体旋转无退相干子空间中的量子信息处理

基于低Q腔的单光子输入输出过程实现量子信息处理任务.将2个光子的极化态编码为1个逻辑量子比特,编码方式对于集体旋转噪声免疫.提出了实现原子和逻辑量子比特之间的混合控制相位翻转门,2个逻辑量子比特之间的CNOT门,逻辑量子比特的纠缠制备,原子到逻辑量子比特的量子态转移等方案.     

基于真值表演算的四量子电路综合方法

为了能以较小的代价高效地自动构造量子可逆逻辑电路,提出了一种新颖的四量子可逆逻辑综合方法.该方法首先将一个四量子电路的函数表示成真值表的形式;然后利用传统的递归思想,通过对换演算,将四量子电路映射函数的真值表分解成2块相互独立的三量子电路映射函数的真值表;再查找相应的最优三量子电路,直接生成相关电路;最后将对换运算的电路并入该电路,经过局部优化即可生成最终电路.分析结果表明,用该方法综合四量子电路能大幅减少TOF门的数量,平均需要15.74个TOF门,最多只需24个TOF门.同时该算法避免了穷举法所需的时空复杂度太大的问题,便于经典计算机实现.     

强作用腔量子电动力学的研究进展

腔量子电动力学 (Cavity Quantum Electrodynamics,简称 Cavity QED)是研究光子与原子相互作用的一种有力工具。它从根本上揭示了原子与光场作用的动力学过程。强作用腔量子电动力学研究为量子信息科学提供了一种潜力巨大的实现量子逻辑运算的途径。本文简要介绍该研究领域的背景 ,研究现状及发展动态     

Geometric quantum computation using nuclear magnetic resonance

A significant development in computing has been the discovery that the computational power of quantum computers exceeds that of Turing machines. Central to the experimental realization of quantum information processing is the construction of fault-tolerant quantum logic gates. Their operation requires conditional quantum dynamics, in which one sub-system undergoes a coherent evolution that depends on the quantum state of another sub-system; in particular, the evolving sub-system may acquire a conditional phase shift. Although conventionally dynamic in origin, phase shifts can also be geometric. Conditional geometric (or 'Berry') phases depend only on the geometry of the path executed, and are therefore resilient to certain types of errors; this suggests the possibility of an intrinsically fault-tolerant way of performing quantum gate operations. Nuclear magnetic resonance techniques have already been used to demonstrate both simple quantum information processing and geometric phase shifts. Here we combine these ideas by performing a nuclear magnetic resonance experiment in which a conditional Berry phase is implemented, demonstrating a controlled phase shift gate.     

Clifford代数与量子逻辑门

以 Clifford代数为工具 ,讲座量子比特 ( Qubit)与量子逻辑门 (量子非门 ,Hadamard门 ,量子受控非门 ,Toffoli门等 )的有关性质。     

量子通信的理论基础与线路实现

量子通信是目前物理学和信息学科研究的热门领域,文章从量子通信的物理基础出发,研究了通信双方对信息的处理方法和信息的传输过程,从理论上分别计算了在4个Bell基下传输实体的量子态的变化和接收者的幺正变换矩阵;给出了实现通信的量子线路,并以该线路为基础计算了Bell基及对应的幺正变换矩阵和量子门.     

DYL基本门的瞬态特性及应用

针对二值逻辑电路连线多,且每根线携带的信息量少的弊端,研究了多元逻辑电路(DYL)基本门的内部结构和瞬态等效电路图.通过将瞬态等效电路打包并在Multisim软件平台上构建了DYL基本门器件及其等效电路,对DYL线性"与或"门的瞬态特性进行了分析与内部参数估算,同时给出了仿真分析.利用多值逻辑设计原理分析了器件逻辑真值表,采用数字系统分层次的设计方法,设计了DYL二值-四值开关电路.实验结果表明:DYL线性"与或"门固有延迟时间很小,更适合于高速电路的设计.逻辑门电路所实现的多值逻辑功能,大大减少了电路连线,节省了芯片面积.     

Demonstration of an all-optical quantum controlled-NOT gate

The promise of tremendous computational power, coupled with the development of robust error-correcting schemes, has fuelled extensive efforts to build a quantum computer. The requirements for realizing such a device are confounding: scalable quantum bits (two-level quantum systems, or qubits) that can be well isolated from the environment, but also initialized, measured and made to undergo controllable interactions to implement a universal set of quantum logic gates. The usual set consists of single qubit rotations and a controlled-NOT (CNOT) gate, which flips the state of a target qubit conditional on the control qubit being in the state 1. Here we report an unambiguous experimental demonstration and comprehensive characterization of quantum CNOT operation in an optical system. We produce all four entangled Bell states as a function of only the input qubits' logical values, for a single operating condition of the gate. The gate is probabilistic (the qubits are destroyed upon failure), but with the addition of linear optical quantum non-demolition measurements, it is equivalent to the CNOT gate required for scalable all-optical quantum computation.     

非马可夫环境中的量子逻辑操作

研究了非马可夫环境中单量子比特逻辑门的性质,发现量子过程的非马可夫性有助于抑制环境产生的错误,更好地保护逻辑门的质量.同时也发现,当噪声逻辑门的操作时间略小于理想逻辑门所规定的时间时,逻辑操作的质量更好.     

Realization of the Cirac-Zoller controlled-NOT quantum gate

Quantum computers have the potential to perform certain computational tasks more efficiently than their classical counterparts. The Cirac-Zoller proposal for a scalable quantum computer is based on a string of trapped ions whose electronic states represent the quantum bits of information (or qubits). In this scheme, quantum logical gates involving any subset of ions are realized by coupling the ions through their collective quantized motion. The main experimental step towards realizing the scheme is to implement the controlled-NOT (CNOT) gate operation between two individual ions. The CNOT quantum logical gate corresponds to the XOR gate operation of classical logic that flips the state of a target bit conditioned on the state of a control bit. Here we implement a CNOT quantum gate according to the Cirac-Zoller proposal. In our experiment, two 40Ca+ ions are held in a linear Paul trap and are individually addressed using focused laser beams; the qubits are represented by superpositions of two long-lived electronic states. Our work relies on recently developed precise control of atomic phases and the application of composite pulse sequences adapted from nuclear magnetic resonance techniques.     

量子可逆电路综合的启发式快速匹配算法

提出了基于Reed-Muller展开式,使用CNT量子门库,以量子门表达式为启发式规则进行前向模式匹配的量子可逆逻辑电路快速综合算法.与通常所用的穷尽搜索算法相比,该算法利用量子门表达式作为启发式规则进行匹配代换,避免盲目匹配,有效降低了匹配复杂度,减少匹配代换的数量.同时该算法不会出现穷尽搜索中因不能找到有效解而进行回溯的现象,能以较小的时间空间复杂度生成最优或近似最优的量子可逆电路,特别在多量子可逆逻辑电路综合上,能够表现出更好的性能.