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[科技专项] 国家重大科技专项:量子信息与量子计算关注贴

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 楼主| i2000s 发表于 2013-9-29 11:30 | 显示全部楼层


“We can make 120 quantum chips at a time, on an eight-inch wafer,” Colin Williams director of partnerships at D-Wave told TechWeekEurope. Williams joined D-Wave from NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) which built earlier chips for D-Wave. The newer generations are now built by a silicon fab in Minnesota – which presumably means it is Cypress Semiconductor.

http://nextbigfuture.com/2013/09 ... -production-of.html
D-wave的一位头介绍,目前他们已经掌握了在八寸半导体晶片上一次性生产120个量子计算机芯片的能力。此人曾在NASA的空气推进实验室工作,后转入D-wave从事早起量子计算机的研制工作。附图是量子计算机发展现状和展望路线图。

iew 发表于 2013-10-9 11:15 | 显示全部楼层

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中国科大首次实现光子轨道角动量的量子存储

2013-10-09

中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展:该实验室史保森教授领导的研究小组在国际上首次实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储与释放,证明了建立高维量子存储单元的可行性,迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。这项研究成果在线发表在《自然·通讯》上。

量子通信系统中作为载体的单光子所携带的信息量的大小与所处编码的空间维数有关。目前光子主要编码在一个二维空间,因而一个光子携带的信息量是一个比特。如果能将光子编码在一个高维空间(如轨道角动量空间),则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加(可由一个比特提高到个比特,其中d是空间维数),极大地提高量子通信的效率。此外,利用光子的高维编码态还可以提高量子密钥传输的安全性,并且在量子力学的一些基本问题的研究方面也有非常重要的应用。远距离量子通信的实现和量子网络的构成必须借助于量子中继器,而量子存储单元是构成量子中继器的核心,实现光子携带信息在存储单元中的存储与释放是实现中继功能的关键。虽然这方面的研究已取得重大进展,但到目前为止实验存储的单光子均为高斯脉冲,且被编码于二维空间,只能实现一个比特的存储。因而,能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键。尽管人们已成功实现携带高维空间信息的光脉冲在不同存储体系中的存储,但到目前为止,所有光脉冲均为经典强光或衰减的弱相干光,能否实现和如何实现在单光子条件下高维量子态的存储仍然是量子信息领域中一个急待解决的热点问题。

史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解决以上问题,并在具有空间结构的光脉冲存储方面所取得系列进展(PRA,87,013835,013845,053830,(2013))。最近他们首次成功地实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储与释放,证明了高维量子态的存储是完全可行的。该小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团,利用其中一个冷原子团通过非线性过程制备标记单光子,并通过螺旋相位片使该光子携带一定的轨道角动量,具有特殊的空间结构。而后利用电磁诱导透明效应将其存储于另一个作为存储介质的冷原子团中,实验结果清楚地证明了单光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储。同时该小组借助于精心设计的Sagnac干涉仪,通过量子层析技术和干涉技术成功地证明了单光子轨道角动量的叠加性也可以在存储过程中很好地保持,而态的叠加特性是量子信息之所以不同于经典信息的根本之处。

该研究成果在正式发表前曾提交到学术网站arxiv,立刻引起人们的广泛关注(arxiv:1305:2675):MIT的TechnologyReview网站以“第一个存储单光子形状的量子存储器在中国揭开面纱”为题进行了积极评价,(http://www.technologyreview.com/ ... -unveiled-in-china/)副标题为:“世界上第一个可以存储单光子空间结构的量子存储器在中国诞生”。随后多家网站进行了转载和评述。目前该项工作在线发表在《自然·通讯》,并得到审稿人的高度评价:“这是一项令人印象非常深刻的工作,它为快速发展的量子存储研究制定了一个非常高的标准。事实上作者可以将这项工作分成两篇论文,但作者将这项工作中所展示的单光子的产生、存储、释放及轨道角动量的操控等方面的技术能力结合在一起,代表了量子技术发展中一个令人激动的分水岭。这项工作将在量子信息和量子原子光学领域产生重大影响,也应该是其它物理领域读者非常感兴趣的工作。因而我非常高兴地推荐它的发表,并且期待作者做出更多的工作。”

这项工作得到国家基金委、中科院和科技部的支持。

http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201310/t20131009_157821.html
iew 发表于 2013-11-11 10:58 | 显示全部楼层
山东省量子通信技术实用化取得重大进展

日期:2013年11月08日      来源:山东省科技厅

    近日,济南量子保密通信试验网建成投入使用,山东省50个省直机关事业单位、金融机构实现了语音电话、传真、文本通信和文件传输等量子保密传输业务,这是我国第一套实用化的大型量子通信城域网,也是世界上规模最大、功能最全的量子保密通信试验网络。这是继金融信息量子通信验证网开通运营、量子保密“南北干线”国家重点项目获得国家发改委立项支持后,山东量子通信技术实用化又一重大突破。济南量子通信试验网总投资1.22亿元,包括三个集控站,50个用户节点,可以为用户提供高效率、绝对安全的保密通信。

    近年来,山东省高度重视量子通信这一全球最前沿的信息安全技术的研发及应用,引进了中国科学技术大学量子通信研发团队,成立了山东量子科学技术研究院有限公司,与中国科学院共建了中国科学院量子技术与应用研究中心,并投资建设了济南量子通信试验网和量子通信研发平台,完成了国内第一个高速量子通信应用实验。

    济南量子通信试验网的建成,标志着量子通信技术在山东省开始步入实用化阶段,有利于促进量子通信产业链的形成,为量子通信技术在山东省产业化奠定了基础。

http://www.most.gov.cn/dfkj/sd/zxdt/201311/t20131107_110215.htm

点评

相关报道:http://iat.ustc.edu.cn/index.php/index/info/113 http://www.saict.org/xwzx/tpxw/05/3323.shtml  发表于 2013-11-14 00:22

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 楼主| i2000s 发表于 2013-11-21 11:50 | 显示全部楼层
国际最长量子态保持时间记录刷新:39分钟!
http://www.cbc.ca/news/technolog ... g-forward-1.2426986
实验采用稀土金属元素的原子核作为量子位信息的记录体,可以在常温下长时间保持量子态稳定性。利用原子核作为信息载体的缺点是很难实现原子核之间的直接耦合,从而难以实现大规模的原子核量子计算;优点是状态稳定,基本不受温度影响。
lemoncap 发表于 2013-11-27 03:08 | 显示全部楼层
mail666 发表于 2012-12-24 20:05
那请问,类似于心心相印的量子A和量子B是如何产生的,人类可以制造出来吗?

一般A和B是光子,是确定状态的激发态原子的cascade跃迁过程产生,因为守恒率,主要是角动量守恒,两个光子的总角动量和各个分量是守恒的。
这个 cascade 过程有点像粒子物理中的协同产生,也是因为某些量子守恒率。

不过,就此说EPR实验就证明了超光速的心灵感应,这...比较扯淡吧? 到底是 Spooky Action in the distance 还是“逻辑结果”,好像很多人也没有搞清楚。同时EPR到底说明了什么,物理界还是有争论的。
lemoncap 发表于 2013-11-27 03:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 lemoncap 于 2013-11-27 05:00 编辑
mail666 发表于 2012-12-13 23:02
请问,量子到底是个神马东东,是灵魂的一种吗?是隶属于科学还是神学?


波动力学,没有那么神乎其神的东西,把量子吹得神神秘秘的人感觉是量子力学没学好,或是习题做的不够多:)如量子不可克隆,感觉就是连全同粒子这个量子力学的假设都没了。
网上有个王国文写的“贝尔不等式的谬误与祸害”可参考一下。王国文文不一定对,不过对贝尔不等式及实验到底说明了神马,这是有广泛争议的。
 楼主| i2000s 发表于 2013-11-27 11:34 | 显示全部楼层
lemoncap 发表于 2013-11-26 14:36
波动力学,没有那么神乎其神的东西,把量子吹得神神秘秘的人感觉是量子力学没学好,或是习题做的不够多 ...

要摒除这些悖论,你可以相信QBism:
http://arxiv.org/abs/1311.5253v1
The most recent submit about QBism.
lemoncap 发表于 2013-11-27 12:42 | 显示全部楼层
本帖最后由 lemoncap 于 2013-11-27 12:44 编辑
i2000s 发表于 2013-11-27 11:34
要摒除这些悖论,你可以相信QBism:
http://arxiv.org/abs/1311.5253v1
The most recent submit about  ...

谢谢,很好,慢慢读。本人倒是一直有些想法特别是光子的本质等问题。可否认为光子是有一定空间延展的EM波包,集中于波前范围,横向也有一些延展,这样,单光子干涉悖论(所谓自身干涉悖论)也就不存在了。
 楼主| i2000s 发表于 2013-11-28 04:24 | 显示全部楼层
lemoncap 发表于 2013-11-26 23:42
谢谢,很好,慢慢读。本人倒是一直有些想法特别是光子的本质等问题。可否认为光子是有一定空间延展的EM波 ...

基本可以可以认为光子是具有一定空间分布的电磁波量子化之后的产物。但是波包这个词一般对应coherent state之类的趋近经典状态的光子态。对于一般所讲的单光子,一般不会这么讲。
lemoncap 发表于 2013-11-28 23:53 | 显示全部楼层
i2000s 发表于 2013-11-28 04:24
基本可以可以认为光子是具有一定空间分布的电磁波量子化之后的产物。但是波包这个词一般对应coherent sta ...

哪单光子态到底对应什么呢?光是一个量子化的算符感觉不够完备啊? 个人比较看好完备的矢量微分方程描述。
其实波包图景下当时对光电效应解释的难点就都解决了。
 楼主| i2000s 发表于 2013-11-29 02:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 i2000s 于 2013-11-28 13:12 编辑
lemoncap 发表于 2013-11-28 10:53
哪单光子态到底对应什么呢?光是一个量子化的算符感觉不够完备啊? 个人比较看好完备的矢量微分方程描述。 ...

你很认真~不错。

单光子物理上是光粒子化后的最小能量单元。它当然具有空间的概率分布,你说的矢量微分方程之类的只是其中的一种比较普遍的数学描述,对于物理意义的解释并没有任何矛盾。如果非得用数学形式描述,可以用一个creation算符跟一个矢量mode函数的乘积表示,大概也就是你所说的意思。可以参考一些场的量子化的书籍。

波包(wavepackage, wave packet或wave envelope)这个词谨慎使用,因为它有时候在科学文献里表示这个光子是具有多重空间模态的叠加状态,只是一种特殊形态;当然有时候就是指一个广义的光子态。至于光电效应,Lamb和Scully在爱因斯坦因此获得Nobel prize之后的1969年就证明不使用电磁场的量子化仍能解释光电效应的功函数方程(这就是关于爱因斯坦错误的拿了Nobel prize的一个典故),但要完整的展现光的性质,光子的概念还是有必要的。关于这一效应的讨论可以参考近期的一些文献。传统的习题和教科书,甚至是早期Nobel prize委员会的结论都可能是误导人的,知识总是在不断地被去伪存真。学习基本理论之后,多读读近期的文献往往会有更多的收获。以下的链接大概可以提供些参考:http://physics.stackexchange.com ... ned-without-photons
lemoncap 发表于 2013-11-29 05:16 | 显示全部楼层
i2000s 发表于 2013-11-29 02:07
你很认真~不错。

单光子物理上是光粒子化后的最小能量单元。它当然具有空间的概率分布,你说的矢量微分 ...

很好,多谢,Lamb-Scully paper 还是今天头一次知道到。基本上与我以前的逻辑大致一致。
正则的场的量子化主要问题是其基的选择,一般是不显含时间的平面波(甚至是箱归一化的)。这就看不出实际光子的方向性、定向性、波前分布和瞬时局域性。其实当时物理学家对天线理论熟悉点很多事情就好办了。
 楼主| i2000s 发表于 2014-1-11 13:41 | 显示全部楼层
从斯诺登揭秘的NSA档案,NSA有一个研究组(据说隶属美国马里兰大学联合量子实验室JQL)专门从事量子计算机及其破解RSA等加密算法的研究。研究经费大约八千万美元。如果他们成功,世界上绝大多数密码将可以被美国政府掌握!

参考报道:
NSA seeks to build quantum computer that could crack most types of encryption:
http://www.washingtonpost.com/wo ... 11492df2_story.html
According to documents provided by former NSA contractor Edward Snowden, the effort to build “a cryptologically useful quantum computer” — a machine exponentially faster than classical computers — is part of a $79.7 million research program titled “Penetrating Hard Targets.” Much of the work is hosted under classified contracts at a laboratory in College Park, Md.


http://www.theregister.co.uk/201 ... ing_quantum_system/
The latest document stash from whistle-blower Edward Snowden shows that the NSA has budgeted $79.7m for the development of a quantum computer capable of "owning the net."

"The Owning the Net (OTN) Project provides the technological means for NSA/CSS to gain access to and securely return high value target communications," one document provided to the Washington Post states.
iew 发表于 2014-1-24 19:34 | 显示全部楼层
中国科大等实现麦克斯韦妖式量子算法冷却

  文章来源:中国科学技术大学 发布时间:2014-01-24 【字号: 小  中  大 】   

  中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组在量子冷却的研究中取得重要进展。研究组与哈佛大学和清华大学的理论组合作提出了一种新型的麦克斯韦妖式的量子算法冷却,并在光学系统中利用量子模拟技术实验演示了这种量子冷却方法的工作原理。这项研究成果1月19日在线发表在《自然• 光子学》杂志上。

  现代低温物理学的发展主要得益于有效冷却方法的发展,尤其是激光冷却技术的发展使人类可以达到十亿分之一度的极低温(nK),从而可以研究一些奇特的量子物理现象,如玻色-爱因斯坦凝聚等。在这种极低温下,热运动带来的消相干极小,系统能够处于量子状态,然而要实现量子计算、量子模拟等量子信息过程,通常需要系统初始时处于能量最低的量子态,即基态,这就需要量子冷却。一般说来,量子冷却的研究目标就是要降低量子态的平均能量,直至系统处于基态。研究组的理论合作者提出了一种量子冷却的新方法,通过引入一个辅助量子比特,实现与待冷却系统的控制耦合。通过对辅助量子比特的测量,实现待冷却系统高能量部分和低能量部分的区分。将高能量部分剔除后就可以实现系统的量子冷却,这就像一只量子的麦克斯韦妖可以轻而易举地除去量子态中能量高的部分,因此这种方法被称为麦克斯韦妖式量子算法冷却。

    李传锋研究组与其合作者利用偏振依赖的干涉装置搭建成冷却模块,其中入射光子的路径信息作为辅助量子比特,而光子的偏振信息模拟待冷却系统,最后通过对路径信息的探测后选择即可降低光子偏振态的平均能量。研究组还利用光纤将不同的冷却模块连接起来从而形成了一个光学冷却网络,通过多次调用冷却模块来实现量子系统的逐步冷却。研究组在实验上实现并比较了蒸发冷却和循环冷却两种不同的量子冷却策略,实验结果和理论预言吻合得非常好,保真度达到97.8%以上。

    该成果提供一种新的途径用以量子模拟经典方法难以实现的物理系统和化学系统的低温性质。另一方面,由于平均能量接近基态能量的量子态与真实基态有很高的重合度,并可通过量子算法估计的方法以很高的概率来得到量子基态,因此这项工作还可以用来为普适的量子计算和量子模拟提供初始量子态资源。  

    这项工作得到科技部、国家基金委和中科院的支持。


http://www.cas.cn/ky/kyjz/201401/t20140124_4028742.shtml
iew 发表于 2014-2-16 20:09 | 显示全部楼层

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中国科大研制出光学量子模拟器用以研究相变机制

2014-02-16

中国科学技术大学郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室李传锋教授研究组成功研制出光学量子模拟器,并首次在纯量子模型中证实描述相变过程的Kibble-Zurek(KZ)理论的绝热—脉冲近似成立。此成果发表在1月24日的《物理评论快报》上。

  量子计算机拥有经典计算机所无法比拟的巨大优势。受技术所限制,人们尚无法实现通用的普适量子计算机。 然而随着量子信息技术的飞速发展,目前人们已经可以利用一些量子系统实现某些特殊的量子计算功能。这类实现特殊任务的量子计算机就是量子模拟器。该研究组研制的量子模拟器就是面向量子相变中的KZ机制这一特殊问题。

  连续相变的标准模型认为二阶相变过程中会伴随对称破缺,然而对称破缺点附近的相变动力学我们却知之甚少。著名高能物理和宇宙学专家Kibble教授在研究早期宇宙的相变问题时发现相变残留的拓扑缺陷和相变动力学特征有关,因此通过观测拓扑缺陷便可研究相变动力学。随后,量子退相干理论的奠基人Zurek教授进一步研究发现,这一宇宙学中的机制在凝聚态的连续相变中也成立。由此这一理论被称为Kibble-Zurek理论,此理论的核心是绝热—脉冲近似,在此近似下连续相变的动力学过程可以分成绝热—脉冲—绝热三个过程,从而可以得出相变残留的拓扑缺陷的密度与动力学中猝变速度的关系。在经典的相变中,KZ理论已为多项实验所证实,然而在量子系统中的KZ机制还没有任何实验验证。

  李传锋研究组研制出的光学量子模拟器由九级干涉装置组成,这是迄今为止世界上干涉级次最高的光学装置,它是首个真正意义上的光学量子模拟器。此前已有的光学量子模拟实验需要事先知道被模拟系统的量子态,因此实质上是量子态制备过程。研究组利用这个光学量子模拟器以极高的精度(九级干涉装置的总可见度达到97.5%)首次证实在纯量子的模型中绝热—脉冲假设是成立的。本成果为进一步验证KZ理论在量子相变中的有效性,以及为进一步研制解决更复杂问题的量子模拟器打下了坚实的基础。

   审稿人认为该量子模拟器“具有极高的干涉可见度”,给出的实验结果“以令人惊讶的精度与理论结果一致”,因此,“此装置是进行更复杂量子模拟的非常有前途的出发点”。而且,“他们的工作会促发量子光学领域对非平衡量子相变动力学的兴趣。” Zurek等人在庆祝Kibble 80岁生日而撰写的关于KZ理论的综述性文章(arXiv:1310.1600)中,专门用一节的篇幅介绍本成果。

  上述研究得到了科技部、基金委和中国科学院的支持。

(中国科学院量子信息重点实验室)

http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201402/t20140216_190001.html

iew 发表于 2014-2-16 20:12 | 显示全部楼层
基于自旋的量子计算与弱磁信号灵敏探测取得重要进展

2014-02-16

    杜江峰教授研究组的这些工作把对自旋量子体系的操控能力提升到了一个新的水平,而且这些工作中发展出来的方法可被应用到多种重要量子比特体系,譬如量子点、离子阱、超导量子比特等。因此这些重要进展为量子计算、弱磁信号灵敏探测等前沿领域打下了坚实基础。   

   我校杜江峰教授研究组经过三年多努力,搭建了一系列具有国际领先水平的光探测磁共振实验平台,开展基于掺杂金刚石单自旋的量子计算与弱磁信号灵敏探测等前沿科学研究,取得了一系列重要的进展。相关成果发表在2014年《自然》、《自然 • 物理》和《物理评论快报》上。
 
  精确操控量子比特是量子计算的核心问题之一。对于电子自旋量子比特而言,核自旋热库噪声和驱动场噪声使得实现精确操控极具挑战性。杜江峰教授研究组利用两种新颖的方法,有效抑制了这两种噪声,实现了对单电子自旋的精确操控,相关成果发表在1月9日和2月7日的《物理评论快报》上。此外,杜江峰教授与德国斯图加特大学合作,实验实现了固态自旋体系中的量子纠错,该工作发表在1月29日的《自然》上。这些成果对未来量子计算实用化以及灵敏探测具有重要意义。 
 
  电子自旋会感受到周围环境中的核自旋热库噪声。这种磁场涨落噪声对电子自旋的影响不仅表现为破坏量子态,而且会极大制约操控量子系统的品质。杜江峰研究组荣星等发挥磁共振领域中脉冲操控优势,将一种用于对抗梯度磁场涨落噪声的动力学纠错逻辑门,拓展为抑制更为普遍的磁场涨落噪声。实验结果表明外磁场噪声被有效地抑制到六阶,量子相干时间被延长至690±40微秒,这比自由感应衰减时间长了两个数量级,也远远超过了普通脉冲控制下量子相干时间,达到了T1rho(660±80微秒)极限。该工作首次成功将对电子自旋的精确操控水平突破T2极限,推进到了T1水平,极大延长了可对电子自旋量子比特的进行操控的时间,使得更为复杂精确的操控成为可能,从而为基于电子自旋的量子计算及灵敏探测提供了关键技术。[Phys. Rev. Lett. 112, 050503 (2014)]
 
  此外操控电子自旋的驱动场也会引入额外的噪声。当环境中自旋热库噪声被有效抑制之后,驱动场噪声将成为制约操控品质的一个重要因素。杜江峰研究组周经纬等利用快速的微波频率调制,首次实验实现时域上超过100 次的Landau-Zener (LZ)隧穿,并且观测到多次隧穿形成的一种新型拉比振荡现象。理论与实验结果表明,这种新型的拉比振荡可以有效抑制驱动场引入的噪声,从而为实现精确操控提供了一种崭新的手段。该工作不仅将有助于深入理解与LZ隧穿和拉比振荡相关的重要物理过程,而且对于量子控制技术在量子计算、生物化学等领域的应用具有重要的价值。[Phys. Rev. Lett. 112, 010503 (2014)]
 
  量子纠错也是一种可以有效对抗噪声的方案,而且是实现容错量子计算的关键。杜江峰教授与德国斯图加特大学合作,将核磁共振中的最优控制方法拓展到光探测磁共振,实现了一个电子自旋和三个核自旋构成的复杂量子系统的高精度操控,从而实现了固态自旋体系中量子纠错。这项工作为基于固态自旋体系的量子计算实用化打下了坚实的基础。[Nature advance online publication 29 January 2014. doi:10.1038/nature12919 ]
 
  精确的量子操控和有效抑制环境噪声还对弱信号的灵敏检测意义重大。杜江峰研究组石发展等利用掺杂金刚石中氮-空位固态单电子自旋量子干涉仪,把微观自旋体系产生的弱磁信号转为干涉仪的相位,并利用多脉冲动力学解耦技术和外加磁场来有效抑制环境噪声,成功实现了室温大气环境下单核自旋对的探测及其原子尺度的结构分析。该工作表明动力学解耦技术结合单自旋探针是单分子结构解析和谱学分析的有力工具,可帮助我们在纳米甚至原子尺度获取物质组成和结构信息,为物理生物等各领域开展微观研究提供新的方法。[Nature Physics 10, 21 (2014)]
 
  杜江峰教授研究组的这些工作把对自旋量子体系的操控能力提升到了一个新的水平,而且这些工作中发展出来的方法可被应用到多种重要量子比特体系,譬如量子点、离子阱、超导量子比特等。因此这些重要进展为量子计算、弱磁信号灵敏探测等前沿领域打下了坚实基础。
 
  上述研究得到了国家基金委、科技部、中国科学院的支持。

http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201402/t20140216_189998.html
 楼主| i2000s 发表于 2014-2-17 10:34 | 显示全部楼层
本帖最后由 i2000s 于 2014-2-17 00:33 编辑

目前,在Github上已经有一个关于量子信息、计算及量子智能的开源社区对公众开放。近期到今年5月,量子光学和量子信息专题学习小组正在同步开展学习活动:http://iciq.github.io/Entangle/QuantumOpticsGroup.html
主站用英文写成,但是同样欢迎加入中文文字信息。所有人均拥有编辑权限。下设“路线图项目”、会议及研讨会信息汇总、开放学习组、开源项目、大众讲座、资源链接等内容板块。开源项目将可以加入ICIQ github项目组下。
欢迎补充有关领域开源项目和开放活动信息,并将该开源社区网站(http://iciq.github.io/)告知有关人员。
iew 发表于 2014-2-20 01:29 | 显示全部楼层
我校超导量子器件课题组在量子计算研究中取得重要进展

发布时间:[2014-02-19] 作者:[科学技术处] 来源:[新闻中心] 字体大小:[ 小 中 大 ]

最近,南京大学物理学院量子信息和量子计算研究人员在超导量子比特研究中取得重要进展,率先在超导量子比特中实验实现了几何相的朗道-基纳(Landau-Zener)干涉。该研究成果于2014年1月14日发表在国际物理学顶级刊物《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 112, 027001)。

量子信息和量子计算的最基本要求之一是实现高保真度的量子逻辑门。目前实现量子逻辑门普遍采用的方法是通过外加直流或交流场控制量子比特的动力学相位,实现量子态的任意旋转,完成所需逻辑操作。但是,量子比特和环境或控制系统都有耦合,因此会对量子比特的能级产生扰动。该扰动噪声会严重影响量子逻辑门的保真度。如何克服外界干扰实现高保真度的量子逻辑门以及量子调控是量子信息领域的重要课题。

一个引人注目的方案是利用纯几何相位来构建量子逻辑门,被称几何量子逻辑门。由几何量子逻辑门构成的量子计算被称为几何量子计算。量子演化中的相位包含了几何相位和动力学相位两种。相比于动力学相位,几何相位只和演化路径所围空间立体角有关,和路径上局域起伏无关,因此利用几何相位来构建的逻辑门具有内在的抗噪声特性,可以提高逻辑操作的保真度。

物理学院于扬课题组和朱诗亮课题组实验和理论紧密结合,并和美国堪萨斯大学韩思远(Siyuan Han)教授合作,利用朗道-基纳(Landau-Zener)效应,率先在超导相位量子比特中实验实现了几何Landau-Zener干涉。他们发现Landau-Zener隧穿后的量子态随纯几何相位振荡,并比动力学Landau-Zener隧穿抗噪声更强。该实验为实现几何量子逻辑门以及更进一步的几何量子调控提供了新的高效方案,对实现容错量子计算有重要意义。特别是,在基础理论方面,量子干涉一直是物理学的重要现象,从杨氏双缝干涉到迈克尔逊-莫雷干涉实验,都极大地推动了物理学发展。几何Landau-Zener干涉的实验实现为干涉这个大家族增添了新的成员。正如审稿人所说,该工作不但对量子信息,而且对凝聚态物理的研究都很有意义。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、江苏自然科学基金的资助。

http://news.nju.edu.cn/show_article_12_34185

iew 发表于 2014-2-21 19:03 | 显示全部楼层
国科大成功实现互不信任终端之间的安全比特承诺

  文章来源:中国科学技术大学 发布时间:2014-02-21 【字号: 小  中  大 】   

  最近,中国科学技术大学教授潘建伟及同事张强、彭承志等在国际上首次实现了无条件安全“比特承诺”,在解决如何在相互不信任的通信终端之间直接建立信任的问题上实现了突破。该实验研究成果于近日发表在《物理评论快报》上,被评价为“密码学界的重要进展”和“该领域的先驱实验”。美国物理学会《物理·焦点》栏目也对该成果进行了专题报道。

  随着电子商务,特别是网络金融的迅猛发展,越来越多的缺乏相互信任的通信者(例如:互联网终端)之间需要进行合作,所以确保各终端之间建立信任成为保证未来互联网经济健康发展的基础。事实上,如何在互不信任的终端之间建立信任并实现通信是密码学的一个重要研究分支,而实现安全的“比特承诺”(Bit Commitment)就是这类研究必须解决的奠基性课题。

  实现“比特承诺”是指成功建立如下通信机制:甲乙双方为互不信任的终端,甲方可以对某未发生事件做出是或否的预测(即0或1),然后该预测将在事件发生后的某个确定时刻对乙方公布。比特承诺的核心在于确保乙方不能在甲方预测公布前窃听到相关信息,同时也必须保证甲方不能在做出预测后修改结果。这样,甲乙双方都可以确信对方遵守了承诺,从而建立信任并实现通信。

  为实现安全“比特承诺”,各国科学家在过去几十年中进行了不懈努力。其中,经典密码学有两种解决方案,即使用第三方公共平台或者利用计算复杂性假设。然而,这两种方案都被证实存在安全隐患,即无法实现“无条件安全”。1997年,加拿大科学家Mayers和Lo分别独立证明,即使是量子保密通信本身也无法保证无条件安全“比特承诺”的建立

  2012年,剑桥大学的Adrian Kent教授提出,只有同时利用量子力学和狭义相对论,才能实现无条件安全比特承诺。潘建伟小组通过其自主开发的高速量子保密通信技术和自由空间高速光通信技术,结合西班牙科学家A. Cabello和M. Curty的理论分析,成功地实验验证了Kent教授的理论方案,将互不信任终端之间互相欺骗的几率降低到6%以下,在世界上首次实现了互不信任终端之间的安全“比特承诺”。这一奠基性的研究成果可以被广泛应用于互联网金融、公共随机数产生、设计零知识证明协议、安全计算等领域,开拓了量子通信新的研究方向。   

   上述研究得到了中国科学院、教育部、国家自然科学基金委、科技部“973”项目,以及山东省量子通信公共研发平台等项目的支持。

http://www.cas.cn/ky/kyjz/201402/t20140221_4037553.shtml
iew 发表于 2014-3-23 07:15 | 显示全部楼层

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中国科大成功实现不同颜色独立光子间的量子纠缠

  文章来源:中国科学技术大学 发布时间:2014-03-21 【字号: 小  中  大 】   

  中国科学技术大学教授潘建伟及同事包小辉、江晓等在国际上首次实现了不同颜色独立光子间的量子纠缠,解决了量子网络中如何在不同频率终端间进行纠缠连接这一难题。该工作于近日以编辑推荐论文的形式发表在《物理评论快报》上,美国物理学会《物理•观点》栏目也对该成果进行了专题报道。

  量子纠缠是量子信息科学中的重要资源。以往实验上有很多方法可产生纠缠光子,如利用非线性晶体内的参量下转化过程、原子体系内的四波混频过程等。不过通过这些方法只能局域地产生光子间的量子纠缠。然而在量子网络等应用中需要将来自不同光源的独立光子纠缠起来,进而实现多个终端间的纠缠连接。

  目前双光子干涉是实现独立光子间量子纠缠的最主要方法。不过双光子干涉对入射光子有着非常严格的要求,即只有当两个光子具有同样的颜色(频率)时,才可以通过双光子干涉来产生量子纠缠。然而在量子网络中很多原因会导致不同终端发射的单光子具有不同的颜色,比如在量子点等人工物理体系中,每个量子点所处的环境因具有微小差别就会导致不同量子点的发光频率具有较大的差异。此外,即使原本频率一致的单光子也会由于平台(星载或机载终端等)的高速运动导致其频率发生移动。因此,如何在不同频率的独立光子间建立量子纠缠成为了可升级量子网络进一步发展所急需解决的关键问题之一。

  潘建伟小组在此研究工作中首次提出可采用时间分辨测量与主动相位反馈相结合的方法来实现不同频率光子间的量子纠缠,并利用该小组近年来发展的窄带量子光源平台对此理论方案进行了实验演示。他们通过研究发现,入射光子间的频率差异会导致不同时间探测到的光子对具有不同的随机相位,进而导致两个单光子无法纠缠起来。为此,他们发展一套高精度的时间分辨探测系统及高速相位反馈系统。时间分辨探测系统主要用于实现对光子到达时间的精确测量,进而对随机相位涨落进行跟踪测量;高速相位反馈系统主要用于实现对纠缠光子态的内部随机相位进行反馈控制。

  通过采取这些技术手段,潘建伟小组成功地实现了将频率相差为80MHz的两个独立光子纠缠起来,该频率差别超过了每个入射光子各自频率宽度的16倍之多。这一研究成果将在未来可升级量子网络中有重要应用,可用于解决不同量子点间、不同NV色心间、以及不同物理体系间等因具有不同的跃迁频率而难以进行纠缠连接的困难。

    上述研究得到了中国科学院、教育部、基金委、科技部重大研究计划以及中组部“青年千人”等项目的支持。

http://www.cas.cn/ky/kyjz/201403/t20140321_4067064.shtml
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