专题导读 量子信息打造未来产业新赛道

以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术,是引领科技革命和产业变革,培育未来产业新赛道的重要发展方向。全球主要国家及地区在量子信息技术领域纷纷加大政策支持和投资推动力度,体系化布局推进科技攻关、工程研发、应用探索和产业竞争力培育。当前,量子信息技术从基础科学研究逐步走向应用基础研究,前沿科学研究、技术产品研发和应用场景探索等成果不断涌现,进入了技术、应用及产业相互带动和一体化发展的加速期。

Grover量子搜索算法及改进

简单地介绍了量子搜索算法中的相位匹配条件、改进的成功率为 10 0 %的量子搜索算法和量子搜索算法中的主要误差等 .

核磁共振量子计算机与并行量子计算

在本文 ,我们首先回顾了量子计算的发展历史 ,阐述了核磁共振量子计算的原理 .在叙述了利用有效纯态方法进行核磁共振量子计算之后 ,我们阐述了利用混合态进行核磁共振的量子计算的方法 .首先是刘维尔量子计算方法 ,它是由Madi,Brushweiler,Ernst等人 1 998年提出的 ,在这一模式中 ,可以对搜索算法进行加速算法 ,Brushweiler提出了一个指数速度的搜索算法 .我们在 3个比特的量子计算机中实现了这一搜索算法 .我们在这一模式中提出了一个只需要一次搜索即可找标记物的直接拿取算法 ,并且在 7个比特的核磁共振的量子计算机中实现了这一直接拿取算法 .本文提出了在一个核磁共振量子计算机 ,或者更一般地一个系统量子计算机中实现多个量子计算机的并行计算 .我们着重对量子搜索算法和Shor的大数分解算法进行了并行实现 .在并行量子计算中 ,一部分量子比特处在纯态 ,一部分量子比特处在混合态 .如果所有的量子比特都处在纯态上 ,则就是有效纯态量子计算 ,如果所有的量子比特都处在混合态上 ,则就是刘维尔量子计算 .在这两个极限中间 ,相当于 2个到N/ 2个量子计算机的并行计算 .量子搜索方法可以很有效地进行并行计算 ,而Shor算法则只能在小的范围内进行并行计算 .

量子计算机的研发进展与未来展望

量子计算机是直接以量子态进行信息处理的新型计算机。量子态具有叠加性,量子计算机具有并行性,对一个由n个量子比特组成的量子计算机的一次操作就是对其所包括的所有2^(n)个量子态的操作,由此可以完成经典计算机无法完成的任务。量子计算机在大数分解和无序数据库搜索问题上已经显示出超越经典计算机的能力。从2016年开始,以IBM为代表的跨国大公司进入这一领域,量子计算机的研发进入快速发展的新阶段。当前,超导量子计算体系发展迅速,达到近百量子比特的规模,率先实现超越经典计算的量子霸权,而拓扑量子计算体系、量子点量子计算体系、离子阱量子体系是其强劲的竞争体系。今后几年,量子计算机的硬件将继续迅速发展,不同方案将逐步拉开。量子计算机的操作系统已经初步建立,进入发展阶段。量子应用算法开始进入快速和大规模的研发阶段。世界各国均把量子计算机的研发作为国家战略,量子计算机的研发将会大大加速。

广义量子干涉原理及对偶量子计算机

我们综述最近提出的广义量子干涉原理及其在量子计算中的应用。广义量子干涉原理是对狄拉克单光子干涉原理的具体化和多光子推广,不但对像原子这样的紧致的量子力学体系适用,而且适用于几个独立的光子这样的松散量子体系。利用广义量子干涉原理,许多引起争议的问题都可以得到合理的解释,例如两个以上的单光子的干涉等问题。从广义量子干涉原理来看双光子或者多光子的干涉就是双光子和双光子自身的干涉,多光子和多光子自身的干涉。广义量子干涉原理可以利用多组分量子力学体系的广义Feynman积分表示,可以定量地计算。基于这个原理我们提出了一种新的计算机,波粒二象计算机,又称为对偶计算机。在原理上对偶计算机超越了经典的计算机和现有的量子计算机。在对偶计算机中,计算机的波函数被分成若干个子波并使其通过不同的路径,在这些路径上进行不同的量子计算门操作,而后这些子波重新合并产生干涉从而给出计算结果。除了量子计算机具有的量子平行性外,对偶计算机还具有对偶平行性。形象地说,对偶计算机是一台通过多狭缝的运动着的量子计算机,在不同的狭缝进行不同的量子操作,实现对偶平行性。目前已经建立起严格的对偶量子计算机的数学理论,为今后的进一步发展打下了基础。本文着重从物理的角度去综述广义量子干涉原理和对偶计算机。现在的研究已经证明,一台d狭缝的n比特的对偶计算机等同与一个n比特+一个d比特(qudit)的普通量子计算机,证明了对偶计算机具有比量子计算机更强大的能力。这样,我们可以使用一台具有n+log2d个比特的普通量子计算机去模拟一个d狭缝的n比特对偶计算机,省去了研制运动量子计算机的巨大的技术上的障碍。我们把这种量子计算机的运行模式称为对偶计算模式,或简称为对偶模式。利用这一联系反过来可以帮助我们理解广义量子干涉原理,因为在量子计算机中一切计算都是普通的量子力学所允许的量子操作,因此广义量子干涉原理就是普通的量子力学体系所允许的原理,而这个原理只是是在多体量子力学体系中才会表现出来。对偶计算机是一种新式的计算机,里面有许多问题期待研究和发展,同时也充满了机会。在对偶计算机中,除了幺正操作外,还可以允许非幺正操作,几乎包括我们可以想到的任何操作,我们称之为对偶门操作或者广义量子门操作。目前这已经引起了数学家的注意,并给出了广义量子门操作的一些数学性质。此外,利用量子计算机和对偶计算机的联系,可以将许多经典计算机的算法移植到量子计算机中,经过改造成为量子算法。由于对偶计算机中的演化是非幺正的,对偶量子计算机将可能在开放量子力学的体系的研究中起到重要的作用。

量子力学中的密度矩阵与具有相同密度矩阵的系综的可区分性

讨论了密度矩阵的不同定义。建议使用完全密度矩阵、压缩密度矩阵和约化密度矩阵分别描写一个封闭量子体系的、一个系综中平均分子的和一个复合体系中的一个子系统的密度矩阵。强调这与现在人们认为的具有相同压缩密度矩阵的系综是完全等价的结论完全不同,具有相同压缩密度矩阵但是成分不同的系综可以通过系综整体测量来区别。作为一个应用,现在认为现有的核磁共振量子计算中没有纠缠的结论是没有根据的。

量子密钥分发与量子安全直接通信

量子通信具有高安全性等优点,是当前的国际研究前沿,量子安全直接通信和量子密钥分发是两种重要的量子信息方式.量子密钥分发通过量子信道产生随机的密钥,而量子安全直接通信直接在量子信道中传输秘密信息.本文力图利用浅显易懂的语言介绍量子安全直接通信和量子密钥分发的基本原理;重点描述几个典型的量子安全直接通信方案,介绍目前的发展状态并展望未来.

量子直接通信研究进展

量子直接通信是一种在量子信道直接传输机密信息的量子保密通信技术,与经典通信实现在噪声信道下的可靠通信不同,它可实现在既有噪声又有窃听信道下的可靠和安全通信。通过阐述量子直接通信的原理、20年来的主要发展阶段、由理论走向实用化过程中突破的技术难点,分析并展望了量子直接通信的未来发展与应用前景。

混合对称态对 Majorana相互作用的依赖性(英文)

在 IBM2中研究了混合对称态 .发现某些较高自旋的混合对称态随着 Majorana相互作用很快变化 .这个结果改变了传统的关于混合对称态的观点 :最大 F旋态的能量最低 ,F旋越小 ,能量越高 .Fmin或 Fmin- 1的态会成为 yrast或 yrare态 .这些态很难向下衰变 ,因而很稳定 .这个研究的结果表明可能存在一种由于质子和中子自由度的特殊性质而引起的新的同质异能态 .

原子核代数模型中的F-旋混合态、回弯、电磁跃迁问题的研究

在原子核的代数模型框架下，讨论了集体回弯效应、较高自旋的Ｆ－旋混合对称态以及电磁跃迁几率等问题．

原子核相互作用玻色子模型中的若干问题

在原子核的代数模型中，讨论了集体回弯效应，较高自旋的Ｆ旋混和对称态。

量子安全直接通信原理与研究进展

量子安全直接通信是一种在量子信道中直接传输秘密信息的通信模式。量子安全直接通信改变了保密通信的体系结构,将现有保密通信的密钥分发和密文传输双信道结构改变为仅有一条量子直通信道的单信道结构,减少了泄露环节,提高了安全性。量子安全直接通信是对通信理论的发展,将基于Shannon(香农)信息论的噪声信道下可靠通信发展为基于Wyner(怀纳)搭线信道理论的噪声和窃听信道下安全和可靠通信。通过介绍量子安全直接通信的原理及特点、基于单光子和纠缠光子对的两种典型量子安全直接通信协议,综述了近年来量子安全直接通信的重要进展,展望了其发展前景。

一种电子-核子双自旋固体量子计算机实现方案

提出了一种利用电子-核子自旋的半导体固体量子计算机实现方案，通过扫描隧道显微镜的针尖实现单个比特的寻址、操作以及任意两个比特之间的受控非门操作，方案中所涉及到的技术是目前已有的或者是接近于现有的技术水平，所提出的方案有可能利用现有的技术来实现。

量子直接通信新进展与应用展望

量子直接通信是量子通信的重要形式之一,它是指利用量子态作为信息载体直接进行安全通信的技术。量子直接通信具有感知和防止窃听、兼容现有光通信网络、无需额外部署加密设施等特点,天然适合高密级的数据信息传输。介绍近年来量子直接通信的新进展,讨论量子直接通信在近期条件下的实施特点,展望其应用方向。

基于量子隐形传态的量子保密通信方案

量子保密通信包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等主要形式.在量子密钥分发和秘密共享中,传输的是随机数而不是信息,要再经过一次经典通信才能完成信息的传输.在量子信道直接传输信息的量子通信形式是量子安全直接通信.基于量子隐形传态的量子通信(简称量子隐形传态通信)是否属于量子安全直接通信尚需解释.构造了一个量子隐形传态通信方案,给出了具体的操作步骤.与一般的量子隐形传态不同,量子隐形传态通信所传输的量子态是计算基矢态,大大简化了贝尔基测量和单粒子操作.分析结果表明,量子隐形传态通信等价于包含了全用型量子密钥分发和经典通信的复合过程,不是量子安全直接通信,其传输受到中间介质和距离的影响,所以不比量子密钥分发更有优势.将该方案与量子密钥分发、量子安全直接通信和经典一次性便笺密码方案进行对比,通过几个通信参数的比较给出各个方案的特点,还特别讨论了各方案在空间量子通信方面的特点.

量子直接传态

把一个任意量子态在既有噪声又有窃听的信道下安全可靠地传输,是一个广泛而重要的问题.现在已有的方法是先传输大量的Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)纠缠对,然后进行纠缠纯化,获得一对近似完美的纠缠对,再进行隐形传态或者远程态制备来传输量子态.本文给出一种直接安全传输量子态的方法,通过使用量子直接通信,安全地传输大量同样的任意量子态,然后利用单量子态的纯化方法,得到一个近于完美的量子态.这是一种不需要量子纠缠的量子态安全传输方法,避免使用纠缠资源.这种方案是量子隐形传态和远程态制备之外的又一途径.此外,这一方案将原来只是用来传输经典信息的量子安全直接通信扩展到传输任意量子态的新领域,扩大了量子直接通信的用途.这一方案将在未来量子互联网中有重要的应用.

自由落体东移的简单说明

自由落体东移的简单说明@龙桂鲁$清华大学物理系@王新$清华大学电子工程系...