量子计算新进展: 硬件、算法和软件
1980年, 美国科学家 Paul Benioff和前苏联科学家 Yuri Manin提出了量子计算的概念, 1981年诺贝奖费曼提出了量子模拟, 1985年 David Deutsch证明了量子计算概念的普适性. 至此,完成了建立量子计算概念的第一个阶段. 1986-1993年, 是量子计算机研究的自由探索阶段. 1994年开始, 量子算法取得重大突破, Shor大数分解算法和 Grover 搜索算法两大算法诞生, 极大地推动了量子计算研究在全世界的发展, 量子计算进入到大强度基础研究阶段. 2016年开始, 以 IBM 推出5比特量子云平台为标志的, 量子计算进入到工程研发的第四个发展阶段.
量子计算的发展受到国际的普遍关注, 为了满足广大作者和读者的需求, 进一步促进我国学者在该领域研究的学术交流和国内外影响, 《物理学报》专门组织了量子计算的专题, 邀请活跃在研究一线的学者, 贡献最新研究成果论文或综述文章, 系统全面地反映该领域的研究成果以及最新进展. 本专题得到踊跃相应, 征集到近 20篇高水平的研究论文和综述文章, 内容涵盖发展迅速的超导量子计算、量子硬件系统与模拟、光量子计算、新奇量子系统模拟、量子算法进展等五个方向, 将在《物理学报》陆续发表.
量子计算的发展受到国际的普遍关注, 为了满足广大作者和读者的需求, 进一步促进我国学者在该领域研究的学术交流和国内外影响, 《物理学报》专门组织了量子计算的专题, 邀请活跃在研究一线的学者, 贡献最新研究成果论文或综述文章, 系统全面地反映该领域的研究成果以及最新进展. 本专题得到踊跃相应, 征集到近 20篇高水平的研究论文和综述文章, 内容涵盖发展迅速的超导量子计算、量子硬件系统与模拟、光量子计算、新奇量子系统模拟、量子算法进展等五个方向, 将在《物理学报》陆续发表.
2022, 71 (7): 074207.
doi: 10.7498/aps.70.20220270
摘要 +
本文研究了一个周期驱动的非宇称-时间对称二能级量子系统的非厄米动力学. 通过经典相空间分析方法,解出了该非厄米系统的Floquet态和准能谱, 并解析构造了由该非厄米哈密顿量支配下的量子态的非幺正时间演化算符, 给出了不同参数区域的量子态演化. 本文数值和分析证明, 该非宇称-时间对称二能级Floquet系统, 类似于宇称-时间对称系统, 存在一个准能谱从实数谱到复数谱的相变. 本文还揭示了在量子态的动态演化中存在一种准宇称-时间对称动力学, 即, 该系统的粒子布居概率演化完全满足时间空间对称(宇称-时间对称), 但是由于相位演化违反了宇称-时间对称性的要求, 因此包含相位信息的量子态演化不满足时间空间对称(宇称-时间对称). 这些结果加深了对非厄米物理的理解, 拓展和推广了传统的宇称-时间对称概念.
2022, 71 (7): 070305.
doi: 10.7498/aps.71.20212245
摘要 +
量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码. 以往的研究表明, 攻破广泛使用的2048位RSA密码所需要的量子比特数目在2000万左右, 远远超出了目前的技术水平. 近期法国研究人员提出, 如使用配备了多模式量子存储的量子计算机, 则只需要1.3万个量子比特即可攻破2048位的RSA密码. 这一研究把量子存储器的应用推广到量子计算领域, 为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线. 量子存储式量子计算机需要微波段的量子存储器, 这是目前亟待开发的新技术. 基于对量子存储过程中原子辐射本质的分析,近期我们提出了无噪声光子回波方案, 成功解决了光子回波的自发辐射噪声难题, 有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机中.
2022, 71 (7): 070302.
doi: 10.7498/aps.71.20212197
摘要 +
不确定关系是量子力学的基本特征之一, 随着量子信息理论的蓬勃发展, 不确定关系更是在其中发挥着重要的作用. 特别是将熵引入来描述不确定关系之后, 不确定关系在量子信息技术中涌现出多种应用. 众所周知, 熵不确定度关系已成为几乎所有量子密码协议安全分析的核心要素. 这篇综述主要回顾不确定关系的发展历史和最新研究进展, 从Heisenberg提出不相容测量其结果是不能被预测伊始, 许多学者在该观点的启发下, 做了进一步的相关扩展研究, 将可观测物体与环境之间的量子关联结合起来, 对不确定关系进行各种推广从而得到更普适的数学表达式. 除此以外, 本文还重点介绍了量子存储下的熵不确定度关系及其发展, 也介绍了在某些物理系统中对应的动力学特性. 最后讨论了熵不确定度关系在量子信息领域的各种应用, 从随机数到波粒二象性再到量子密钥分发.
2022, 71 (16): 160302.
doi: 10.7498/aps.71.20220596
摘要 +
鉴于“摩尔定律”已经逼近极限, 众多替代传统计算的方法被提出, 其中量子计算是最受关注和研究最广泛的一种. 由于量子体系的不可封闭性, 外界大量不可控的因素会导致量子耗散和退相干, 为了尽可能避免量子叠加态的退相干, 制备具有鲁棒性的量子比特成为了关键环节之一. 马约拉纳零能模是拓扑和超导复合体系中涌现的准粒子, 具有非阿贝尔统计性质, 它的时空编织受到非局域的拓扑性质保护, 因此, 以马约拉纳零能模构造的拓扑量子比特对量子退相干具有天然的鲁棒性. 虽然经过全球范围内各个实验组艰苦卓绝的探求, 目前关于马约拉纳零能模的实验验证仍然扑朔迷离. 本文回顾了量子计算的发展历程和主要的技术手段, 重点介绍了拓扑超导态/体的理论、可观测的实验现象、以及最新的实验研究进展, 并对此做出了分析和评述. 最后对拓扑超导态/体在量子计算领域的应用前景进行了展望.
2022, 71 (16): 160304.
doi: 10.7498/aps.71.20220433
摘要 +
簇态是量子计算和量子信息处理的重要资源, 因其具有独特的纠缠性质和丰富的结构而受到广泛的关注 . 本文从理论上提出一种基于级联四波混频过程产生四模纠缠态的方案, 利用部分转置正定判据和本征模分解研究其内部纠缠特性 . 此外, 通过调控平衡零拍探测的相对相位和后处理噪声信号, 将输出的纠缠态重构优化, 最终生成三种不同结构的四模簇态 . 该方法可以有效地减少在有限的压缩条件下产生簇态而引入的额外噪声 . 本文理论结果为基于原子系综四波混频过程产生可扩展的连续变量簇态提供可靠方案 .
2022, 71 (16): 160305.
doi: 10.7498/aps.71.20220635
摘要 +
量子计算机在解决某些复杂问题方面具有经典计算机无法比拟的优势. 实现大规模量子计算需建立具有通用性、可扩展性和容错性的硬件平台. 连续变量光学系统具有独特的优势, 是实现大规模量子计算的一种可行途径, 近年来受到了广泛关注. 基于测量的连续变量量子计算通过对大规模高斯簇态(cluster态)的测量和测量结果的前馈来实现计算, 为实现量子计算提供了一条可行的途径. 量子纠错是量子计算和量子通信中保护量子信息的重要环节. 本文简要介绍了基于cluster态的单向量子计算、基于光学薛定谔猫态的量子计算和连续变量量子纠错的基本原理和研究进展, 并讨论了连续变量量子计算面临的问题和挑战.
2022, 71 (16): 160301.
doi: 10.7498/aps.71.20220219
摘要 +
非厄米的引入扩展了传统厄米量子系统中的概念并诱导出许多新奇的物理现象, 比如非厄米系统所独有的非厄米趋肤效应, 这使得对非厄米量子模型的模拟成为大家关注的热点. 相比于量子平台, 经典系统具有成本低廉、技术成熟、室温条件等优势, 而其中的经典电路系统则更加灵活, 原则上可以模拟任意维度、任意格点间跃迁、任意边界条件下的量子紧束缚模型, 已经成为模拟量子物态的有力平台. 本文利用经典电路通过SPICE成功模拟了一个重要的非厄米量子模型——非互易Aubry-André 模型——的稳态性质, 此模型同时具有非互易的格点跃迁和准周期的格点在位势. 以此为例, 详细介绍了如何建立经典电路的拉普拉辛形式与量子紧束缚模型哈密顿矩阵在不同边界条件下的映射, 尤其是如何利用电流型负阻抗变换器构建模型的非互易性. 然后, 根据电路的格林函数, 通过AC电流驱动并测量电压响应的方式, 用SPICE模拟了周期边界条件下的复能谱和相应的能谱缠绕数, 以及开边界条件下的趋肤与局域模式的竞争. 其中, 为了使电路的响应不发散, 本文还解析地给出辅助元件的设置原则. 结果显示, SPICE模拟与理论计算很好地符合, 为进一步的实验实现提供了详细的指导. 由于本文电路设计与测量方案的普适性, 原则上可以直接应用于其他非厄米量子模型的电路模拟.
2022, 71 (13): 133701.
doi: 10.7498/aps.71.20220224
摘要 +
离子阱系统是实现量子计算和量子模拟的主要体系之一. 世界范围内的各个离子阱研究小组共同推动着离子阱结构的丰富化发展, 开发出一系列高性能的三维离子阱、二维离子芯片、以及具有集成器件的离子阱系统. 离子阱的结构逐渐向小型化、高通光性和集成化方向发展, 并表现出卓越的量子操控能力—对多离子的囚禁能力和精确控制能力越来越高. 本综述将总结过去的十几年里离子阱在结构上的演化历程, 以及离子阱在量子计算与量子模拟实验研究中的最新进展. 通过分析具有代表性的离子阱结构, 总结离子阱系统在加工工艺、鲁棒性和多功能性等方面取得的进步, 并对基于离子阱系统的可扩展量子计算与模拟作出展望.
2022, 71 (24): 244207.
doi: 10.7498/aps.71.20221938
摘要 +
量子模拟是利用可控的量子系统来模拟其他未知或难以控制的量子体系, 通过这种方法来处理一些在经典计算机上无法进行仿真的复杂量子体系, 用于如基础物理探索、分子动力学研究、药物研发等相关领域. 集成光学系统是实现量子模拟的一个优秀的实验平台, 能实现如无序系统、拓扑绝缘体、非线性和非厄米体系等凝聚态物理结构的模拟, 或用于实现量子随机行走、玻色取样等以演示量子优越性. 本文介绍多种量子模拟物理模型的理论基础, 结合如硅、玻璃、铌酸锂等波导体系的优势, 综述近年来利用集成光芯片实现量子模拟的研究进展, 包括了在集成光芯片上基于模拟型和数字型这两类量子模拟实现凝聚态物理模型仿真、量子随机行走、玻色取样等, 探讨集成光芯片上的不同的量子模拟技术的实用化前景和发展趋势.
2022, 71 (24): 240303.
doi: 10.7498/aps.71.20221825
摘要 +
量子模拟利用可控性好的量子系统模拟和研究可控性差或尚不能获得的量子系统, 是量子信息科学的主要研究内容之一. 量子模拟可通过量子计算机、量子信息处理器或小型量子设备实现. 非厄米系统近二十年来受到广泛关注, 一方面是因为非厄米量子理论可作为传统厄米量子力学理论的补充和延拓, 且与开放或耗散系统联系紧密. 另一方面, 可构造具有新奇非厄米性质的量子或经典系统, 具有提高精密测量精度等应用价值. 与厄米情况相比, 非厄米量子系统的时间演化不具有幺正性, 对其开展量子模拟研究具有一定的挑战. 本文介绍了非厄米系统量子模拟理论与实验新进展. 理论方面主要介绍了基于酉算子线性组合算法, 简单梳理了各个工作的优势和局限性, 并简要介绍了量子随机行走、嵌入式和空间拓展等量子模拟理论; 实验方面简要介绍了利用核磁共振量子系统、量子光学以及利用经典系统模拟非厄米量子系统的实验. 一方面, 这些新进展结合了量子模拟与非厄米领域的研究, 推动了非厄米系统本身的理论、实验和应用发展, 另一方面拓展了量子模拟和量子计算机的可应用范围.
2022, 71 (24): 240305.
doi: 10.7498/aps.71.20221824
摘要 +
基于量子力学基本原理的信息处理技术, 在计算、传感等领域具有远超经典技术的巨大潜力. 随着实验技术的进步, 量子调控技术得到突飞猛进的发展. 在所有的量子信息处理平台中, 基于固体材料的超导系统, 具有精确的量子调控能力、优异的量子相干性以及适合大规模集成化等优点. 因此, 超导量子系统成为当前最有潜力的量子信息处理平台之一. 目前的超导芯片能集成约一百个量子比特, 已经可以展示量子系统的优势, 但进一步的发展受到系统噪声的制约. 为了突破这一瓶颈, 借鉴经典信息中的纠错技术发展而来的量子纠错技术受到广泛的关注. 本文介绍了超导量子系统中量子纠错的研究进展, 主要包括超导量子系统的基本原理、常用的量子纠错编码方案、纠错相关的控制技术以及近期超导量子纠错的应用. 最后, 总结了超导量子纠错领域面临的七个关键问题.
2022, 71 (24): 240302.
doi: 10.7498/aps.71.20221782
摘要 +
基于量子力学的叠加和纠缠等性质, 量子计算具备超越经典计算机的强大计算能力. 光子作为一种高效信息载体, 具有传输速度快、操控性高及相干时间长的优点, 是实现量子计算的一个理想物理平台. 集成光量子技术, 使得我们在微型结构上便能够稳定地实现光量子态的产生、处理和探测. 近年来, 随着新兴的集成光量子技术的快速发展, 集成光量子计算的实验复杂度和规模在不断提高, 并成功模拟和解决了复杂的物理和计算问题. 为此, 本综述总结了近年来集成光量子计算的技术进展, 包括各类集成光量子实验平台, 并讨论了基于集成光量子平台实现的量子行走实验范例. 最后, 我们亦简述了基于光量子行走而实现的量子算法和量子模拟的方案.
2023, 72 (10): 100305.
doi: 10.7498/aps.72.20222398
摘要 +
动力学解耦技术能有效地抑制由低频环境噪声导致的退相干过程, 因此在量子信息领域获得了广泛的应用. 传统的动力学解耦方案通过对简单的二能级体系, 如量子比特, 施加特定的π脉冲序列来实现解耦效果. 随着量子计算研发的深入, 对于像超导量子比特这种天然的多能级系统, 研究者不再局限于二能级子空间, 而是提出和实现了一系列基于多能级体系的量子调控手段和量子算法. 目前对于如何抑制这些体系中的退相干尚缺乏深入研究. 本文利用较易在实验中实现的紧邻能级间的π脉冲, 构建了多种针对多能级系统的动力学解耦序列. 结果表明这些序列可以很好地消除准静态噪声的影响. 此外, 通过计算滤波函数, 还分析了这些序列及其拓展方案对于高斯噪声的抑制作用, 并结合控制函数对滤波效果给出了物理解释. 研究结果对于多能级体系中的相关噪声研究, 包括噪声功率谱密度和关联性的刻画以及退相干的抑制等, 均具有启发意义.
2023, 72 (10): 100304.
doi: 10.7498/aps.72.20222349
摘要 +
借助于电感型耦合器产生人造规范势(有效磁通), 本文研究了正方形传输子量子比特模型中的量子态输运性质. 理论计算发现, 单粒子本征态与单空穴本征态具有相同的本征能谱, 并且相同能量下, 两者的平均粒子流与平均空穴流受有效磁通正弦调制后互为相反数. 当初态为占据一个格点的单粒子与单空穴时, 如果系统时间反演对称(有效磁通为$4{\rm \pi}$ 的整数倍), 单粒子与单空穴的含时波函数各分量相等, 否则不等. 分析证明, 以上计算结果是由于对体系哈密顿量的粒子-空穴操作等价于对其做时间反演. 此外还发现, 有效磁通为π时, 单粒子或单空穴只在初始比特与两个相邻比特之间输运, 有效磁通为0时, 单粒子或单空穴通过两个相邻比特输运到对角比特, 然后再反向输运; 无论有效磁通如何取值, 两者具有相同的平均(粒子或空穴)流和格点占据概率.
