时间旅行的量子门

量子计算可以解决经典计算难于求解的问题,在物理原理允许范围内扩大了可有效计算的问题范围,对经典计算的扩展丘奇图灵论题提出了挑战.这里我们讨论一个有趣的问题:通过突破物理原理限制来实现更强大的计算机,进一步扩展量子计算机的能力.我们考虑一种全新的操纵能力,让量子计算可以实现时间穿梭旅行的量子控制门.这是量子门线路图形语言的一个符合直觉的扩展,作为例子,我们展示了一个可以有效求解SAT难题的扩展量子算法.我们的结果有助于更深刻地理解计算和物理原理之间的关系.

基于胶体量子点自组装的柔性衬底激光器

凭借着波长可调、窄的光谱线宽以及高的光强,胶体量子点激光器在柔性光电器件中具有广阔的应用前景.然而,柔性衬底量子点激光器的制备面临很大挑战,这主要是由于基于微纳加工工艺的光学谐振腔通常只能在刚性衬底中加工。本文提出了一种简单的液相自组装方法来制备柔性衬底胶体量子点超颗粒激光器.由于没有添加表面活性剂,该量子点超颗粒具有光滑的球型表面,能够作为高质量的回音壁模式谐振腔提供光反馈.在飞秒脉冲激光的激发下,该量子点激光器的激光阈值低至54μJ/cm^(2).而且,该激光谐振腔的品质因子(Q=963)是采用表面活性剂组装的量子点激光器的两倍.此外,作为不依赖衬,底的发光光源,该量子点激光器能够很方便地沉积在柔性衬底中,如纸或者布等,并实现激光.而且,量子点激光器具有非常高的激光稳定性:在被高能量飞秒脉冲光连续激发400分钟之后,该量子点激光器的激光强度依然能够保持在初始值的85.7%.作为一种具有高强度、能够沉积在柔性衬底中且性能稳定的激光光源,胶体量子点超颗粒激光器在可穿戴设备和医疗诊断中具有潜在的应用前景.

光纤量子隐形传态技术最新进展

量子隐形传态自1993年被提出后,在理论和实验领域均获得了长足发展.量子隐形传态不仅可以帮助探究量子力学的奥秘,也是量子技术的基石,可被应用于量子中继和分布式量子计算等量子网络的重要组成元素中.在实际运用于量子网络前,量子隐形传态尚有许多亟待解决的技术难题,其中包括独立源的量子干涉.解决独立源的干涉问题,意味着要将来自不同光源的光子在各个自由度上都不可区分.如果光子还需要通过被外界环境影响而性质随时变化的光纤,难度又会极大提高.最近,合肥和卡尔加里的2个实验组解决了独立源的干涉问题,同时完成了拥有独立源的量子隐形传态的外场实验,为实现全球化实用量子网络迈出了关键一步.

实用化量子随机数发生器研究进展

量子随机数发生器是一种从量子系统中提取量子力学固有不确定性并输出真随机数的一种仪器或者装置.最常见的一类量子随机数发生器根据光子经过一个分束器后的路径选择来产生随机数,其速率很低,无法满足大多数应用的需求.为了提高速率,提出并实现了一个实用且高速的基于光子相对于外部固定参考的到达时间的量子随机数发生器方案,其原始随机数据符合均匀分布,原始比特率达到了109Mbps.然而,对于某些应用场景,比如高速量子密钥分发系统,这个速率依然不够高.为了满足对超高速率的需求,实验实现了速率高达68Gbps的基于激光相位波动测量的量子随机数发生器方案.激光相位波动被干涉仪转化成亮度信息被高速光电探测器探测,然后量化为产生速率为80Gbps的原始随机数.为了满足干涉仪稳定性的需求,使用主动反馈技术代替了传统的温度控制来实现相位稳定控制.通过对系统建模分析,估算出原始数据中的量子随机性,经过Toeplitz矩阵提取之后得到最终的量子随机数,产生速率可以达到68Gbps.然而,对于一个实用的量子随机数发生器,速率的瓶颈在于非常低的随机性提取速率.为了关闭这个间隙,提出并在高速FPGA中实现了基于Toeplitz矩阵的流水线式的随机性提取算法.同时QRNG的所有组成部分被集成到一个紧凑的模块中.这个包括实时后处理与实时传输的QRNG模块,其最终的比特率达到了3.2Gbps.这一系列的研究进展表明高速量子随机数发生器已经走向了实用化进程.

光量子计算的实验研究进展

自从进入大数据时代,人们对于数据处理速度的需求越来越大,但是经典计算的发展却逐渐达到瓶颈,越来越难以满足这种需求.由于并行性,量子计算在诸多问题的处理上可以达到指数加速效果,有巨大的信息处理潜力,正好能满足人类对于数据处理速度的需求,被公认为是下一代信息技术的核心技术.围绕量子计算,最近实验演示了2种具有指数加速效果的量子算法：求解线性方程组量子算法和机器学习量子算法;其次介绍了最新实现的多自由度量子隐形传态.量子隐形传态是可扩展的线性光学KLM方案的重要组成部分.多自由度量子隐形传态实验打破了国际学术界从1997年以来只能传输粒子单一自由度的局限,为发展可扩展的量子计算奠定了基础.

量子科学实验卫星——“墨子号”

北京时间2016年8月16日凌晨1时45分,"墨子号"量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。该卫星是世界第一颗从事空间尺度量子科学实验的卫星。升空之后,它将配合多个地面站,在国际上率先实现星地高速量子密钥分发、星地双向量子纠缠分发及空间尺度量子非定域性检验、地星量子隐形传态,以及探索广域量子密钥组网等实验。"墨子号"量子科学实验卫星将扩大我国在量子通信领域的国际领先地位,为未来覆盖全球的天地一体化广域量子通信网络建立基础,并将加深人类对量子力学基本原理的理解。

基于双跃迁方法的温度鲁棒金刚石磁测量方法

作为一种具有良好发展前景的室温固态传感器,基于氮-空位(NV)色心的金刚石磁力计在近年来得到了巨大的发展,大量工作展示了其在实现高空间分辨率和高灵敏度方面的潜力。尽管如此,考虑到在大多数应用场景中通常难以避免温度漂移的影响,NV色心零场分裂D对温度的依赖性使得金刚石磁测量方法在实际应用中面临巨大的挑战。在本文中,我们展示了一种基于双跃迁方法的温度鲁棒金刚石磁测量方法,通过在|m_(s)=±1>态未完全退简并的情况下,同时利用|m_(s)=0>次能级和|m_(s)=±1>次能级间的跃迁测量磁场,可以使由温度漂移导致D变化所产生的影响被抵消掉。目前,该方法已经可以使磁测量结果的漂移降低为原来的1/7,通过后续的改进,这种温度鲁棒的金刚石磁测量方法有望在未来被应用于生物磁学和空间科学研究中。

划时代的量子通信——写给世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”

量子通信领域的主要两个研究方向,一个是为经典信息传输做量子加密的"量子密钥分发",另一个是利用量子纠缠传输量子比特的"量子远程(隐形)传态"。文章以"墨子号"量子科学实验卫星的实验任务为线索,首先讲述量子密钥分发中的BB84协议的原理和应用,并系统性介绍量子比特、量子不可克隆定理、量子纠缠、贝尔不等式等概念,以及量子远程(隐形)传态的原理。文末简要介绍"墨子号"量子科学实验卫星和配套地面站的系统构成,以及空间量子通信的发展趋势。

光源相位噪声对高斯玻色采样的影响

高斯玻色采样是实现量子计算优势的主要途径之一,同时也有望应用于加速稠密子图、量子化学等问题.然而,实验中必不可少的噪声却可能阻碍高斯玻色采样的量子优势.此前的研究主要关注于光子损失和光子非全同噪声.本文通过数值模拟研究了另一种噪声——光源相位噪声对高斯玻色采样的影响.采用蒙特卡罗方法近似计算相位噪声下高斯玻色采样的输出概率分布,发现随着探测光子数的增加,相位噪声带来的误差逐渐加大.同时,相位噪声会导致采样出大概率样本的能力,即HOG (heavy output generation)值显著降低.最后发现,在输入平均光子数相同时,有光子损失的高斯玻色采样相比无损失情形对于相位噪声有更大的容忍性.本文的研究有助于大规模高斯玻色采样中更好地抑制相位噪声.

量子图像存储

量子通讯的实现离不开量子存储器。量子存储器是一个能够按照需要存储和读出量子态的系统,而被存储的是非经典的量子态,如单光子、纠缠、压缩态等。多模存储能力是衡量量子存储器工作性能的一个重要指标。空间域的多模存储可以极大地减小对存储器存储时间的要求,因此空间多模存储引起了国内外学者的广泛关注,并在近几年取得了许多重要进展。文章简述了量子存储器的主要性质与评价指标,回顾了近年来量子存储的研究进程,特别介绍了量子图像存储方面的最新实验进展。

45kHz,2kV电光调制电路的设计与应用

根据差分相移量子密钥分发实验对高速电光调制电路的需求,利用固体开关技术和变压器隔离技术,设计出了重复频率为45kHz、输出脉冲电压达到2kV的电光调制电路,该电光调制电路由两部分组成,正负1kV高压脉冲产生电路,其中正1kV高压脉冲的上升沿为50.44ns,下降沿为44.6ns,负1kV高压脉冲下降沿为52.29ns,上升沿为50.44ns。普克尔盒调制电路与光路进行联调,光路的消光比达到23dB,完全满足了消光比为20dB的实验需求。

基于全氟酞菁铜和碗烯双分子体系在银和石墨表面自组装行为的低温扫描隧道显微镜研究（英文）

由于其独特的分子构型和电子结构,碗烯被认为是组成有机分子电子器件的一种重要的结构单元。在不同金属表面上单一组分的碗烯或其衍生物进行自组装的行为,及其所形成自组装薄膜的电子结构已经被广泛研究。这里我们利用低温扫描隧道显微镜(LT-STM),对全氟酞菁铜和碗烯两种组分在高定向热解石墨和银(111)两种不同衬底上的自组装结构进行了报道。在石墨衬底上,全氟酞菁铜和碗烯分子间形成的氢键成为双分子网络结构能够形成的关键;同时,由于这种分子间氢键的存在,碗烯分子大多采取"开口朝下"的空间构型,以保证分子间氢键最大限度的形成。但在银衬底上观察到的碗烯分子则随机采取"开口向上"或"开口向下"两种构型,并没有一种优势构型的存在。我们认为此时银(111)衬底和有机分子间强烈的相互作用限制了碗烯两种构型之间的翻转,使得碗烯分子一旦被吸附就只能保持其原本的构型,从而导致了在结果上两种构型的随机分布。

二维自旋轨道耦合在玻色爱因斯坦凝聚态上的实现

激光诱导的超冷原子自旋轨道耦合为研究量子物理中各种现象提供了一个有效的平台.提出并且在实验上用^87Rb简并气实现了光学拉曼晶格的二维自旋轨道耦合和相应拓扑能带结构.该方案无需锁相和对晶格势的精细调节,并且可以在一维和二维之间可控地转换.研究了转换过程、自旋轨道耦合效应和非平凡拓扑能带等现象.该方案由于具有加热小、拓扑稳定等优点,为运用冷原子研究奇异量子相,包括拓扑超流等,开辟了广阔的前景.