【優秀文獻】中國科學技術研究院量子信息科學普及與發展數學論文_科學論文_127 范例論文標題：中國科學技術研究院量子信息科學普及與發展數學論文_科學論文編輯：瀟瀟 摘要本文介紹了中國科學技術大學量子信息科學研究的蓬勃發展，重點介紹了量子信息基礎理論、量子密碼學、量子糾纏、量子隱形傳態、量子處理器及其應用。量子信息。 等研究成果。 關鍵詞 量子信息 ~ 量子糾纏 ~ 量子通信 ~ 量子估計 1 引言 在 20 世紀 80 年代，電子計算機根據摩爾定理蓬勃發展，運算速度每 18 個月翻一番，物理學家提出了毫無根據的問題：摩爾定理是否會結束，他們的研究推論是：摩爾定理必然失敗，量子計算機有望成為后摩爾時代新的估算工具。 當時信息領域的科學家們忽視并關注了這一點，因為當時摩爾定理正處于輝煌的頂峰。 然而，物理學家們經過不懈的努力，終于誕生了量子信息這一新興的跨學科學科。 1994年，Shor提出了一種量子并行算法1，~并證明它可以用來實現大數的分解~從而輕松攻克目前廣泛使用的RSA公共密碼系統。 這一新興學科的巨大威力震驚了整個國際學術界~并引起政界、軍事界和政界的高度關注。 從此量子物理論文范文，量子信息科學迎來了快速發展的新時代。 今天它仍然方興未??艾：我們在20世紀90年代投資了這個新興產業，當時量子信息在國際上突然流行起來。 躋身該領域研究行列，并于1997年和1998年先后在《Phys.
萊特牧師。 ”提出了“量子防錯編碼原理”和“量子概率克隆原理”，引起了國際學術界的高度關注。1999年，中國科學技術大學開始建立第一個國外量子技術重點實驗室。這個極具前瞻性的戰略安排，開創了我校量子信息研究的新局面，此前，我回國組建的研究團隊只有一臺筆記本電腦，而我們坐在板凳上，默默耕耘了15年。2001年，我校作為首席科學家單位承擔了科技部“國家重點基礎研究發展計劃”項目“973”項目：“量子通信” “量子信息技術”，由來自國外17個單位的50余名學術骨干組成。研究團隊除了取得一系列重要成果外，還培養了許多優秀的年輕學術骨干。 在隨后實施的國家重點基礎研究計劃“量子調控”中，研究團隊衍生出五位首席科學家。 本世紀初，我校從中國科學技術大學千人計劃引進了土耳其杰出青年學術帶頭人潘建偉博士。 他隨即在“合肥微尺度國家實驗室”成立了“量子化學與信息”研究組，開始從事多光子研究。 在糾纏領域，不斷產出國際領先水平的成果。 本課題組與中國科學技術大學量子信息重點實驗室共同推動了我國量子信息的發展，成為我校數學學科特色鮮明、成果豐碩的新增長點。 本文將簡要介紹我院在量子信息領域的主要研究成果。
2 量子信息領域首個國家級獎項2（1提出了可以有效抑制環境噪聲的量子防錯編碼原理，2.量子相干性在環境影響下必然會消失，這種退相干效應是關鍵量子計算機和量子計算機信息系統實際應用的主要障礙，量子編碼是有效克服退相干的有效途徑，國際學術界提出了基于獨立退相干的量子糾錯編碼，我們發現存在“ “退相干”，在集體退相干過程中不會出現。“相干保持態”，也稱為“非退相干子空間”——DFS，并基于這一發現，提出了量子防錯編碼原理，該原理已成為量子防錯編碼原理之一。迄今為止，三種原理不同的量子編碼，日本三大知名實驗室和NIST的三個研究小組分別否認了這種編碼在光子、離子和核系統中的正確性。 所有三個實驗均發表于《》、3，我們的論文被引用為原創作品。 2(2提出了可以有效提取量子信息的概率克隆原理，4.量子不可克隆定律為量子信息提取設置了難以逾越的障礙。因此，學術界提出了不精確克隆的量子通用克隆原理其克隆效率為1，但保真度始終大于1。我們提出概率量子克隆原理，可以以一定的概率精確克隆量子信息，即克隆效率始終大于1，但保真度為1。國際學術界稱之為“段果量子克隆機”——最大的克隆效率稱為“段果邊界”。我們也實驗成功地研制出了這兩類量子克隆機，驗證了理論預測的正確性。5、～被國際學術界譽為“該領域最激動人心的最新進展之一”，6、。
2(3)腔量子電熱，QED，提出了一種可以有效抑制腔損耗影響的新型量子處理器解決方案。 7.腔QED是一種理想的量子處理器。 然而，腔損失導致量子信息泄漏并阻礙其實際運行。 為此，腔體的Q值必須非常高，這是現有技術無法實現的。 我們提出了一種新的解決方案，可以抑制空腔損耗的影響，并證明可以用現有技術實現。 英國倫敦師范大學著名學者教授的研究小組很快就通過實驗否定了這一方案的正確性8。 我們的論文已成為該研究方向后續工作中必須引用的原創論文。 迄今為止已被SCI引用260余次。 2003年，上述成果以“量子信息技術基礎研究”為題入選國家自然科學獎二等獎。 3 量子密碼3（1實現上海至南京125km商用光纖的量子密鑰分發，9.量子密碼是量子信息領域最有可能實際應用的技術。日本人稱“量子加密”為新技術“改變人類的未來”，量子加密原理已在實驗室外成功論證，國際學術界目前正在研究走向實用化過程中的關鍵科技問題，光纖量子最關鍵的問題密鑰分發研究中的一個觀點是：當今廣泛發展的不等臂MZ干涉儀實際上是安全的，但穩定性較差，無法在商用光纖上運行。改進的返回光學系統似乎解決了穩定性問題~但其存在漏洞我們解決了穩定與安全相統一的難題。
通過實驗研究了光纖系統不穩定的數學癥結，從理論上提供了穩定條件，進而設計了滿足穩定條件的邁克爾遜-法拉第干涉儀，并在實驗室外實現了150km量子密鑰分發。 上海至上海之間125公里商用光纖已實現量子密鑰分發和加密圖像傳輸。 這是迄今為止國際上報道的最遠距離實用光纖量子密鑰分發。 3(2)本地量子保密通信網絡在上海試驗成功。 借助我們自主發明的量子網絡路由器和雙向傳輸、抗干擾的調頻量子密鑰分發系統，我們于2007年3月在上海完成了世界上第一個多通道量子密鑰分發系統。 4個節點、無中繼、同時任意互操作的安全通信網絡，取得了很好的通信效果。 本次測試在中國電信公司商用通信光纖線路上實施。 節點寬度 當距離為 43~32~40~32km 時，對應的誤差分辨率分別為 7.7%、4.1%、6.6%、2.4%。 測試表明，系統無需人工干預即可運行。 可全年穩定運行。 3（3無共享參考系的量子通信的實驗實現，10.在1km光纖中，借助偏振光和時間模式兩者糾纏的光子對，實現了BB84量子秘密，具有更強的抗干擾性密鑰傳輸的改進方案，這種量子密碼不受光纖扭曲、旋轉或光纖本身缺陷的影響，通信雙方不需要精確的同步時間，從而大大增加了通信的復雜度。
無論外部環境如何變化，光纖通信雙方總有辦法獲得必要的密碼。 據悉，我們還對量子通信方案的絕對安全性進行了理論論證，避免了現有光纖量子通信的安全風險。 “Phys. Rev. Lett.”審稿人認為該結果“非常出色”且“具有特殊價值”。 4 量子糾纏源的制備與操控 量子糾纏是量子信息領域最重要的資源。 當兩個或多個粒子處于糾纏態時，如果對其中一個粒子執行操作，其他糾纏粒子的量子態將立即發生相應變化，無論它們位于何處。 因此，這些基于量子非定域性的本征通道在糾纏粒子之間形成了量子網絡，可以實現量子通信，即傳輸量子信息，還可以進行分布式量子評估。 自從量子信息作為一門新學科誕生以來，量子糾纏就成為國際學術界研究的熱點。 我校成功研制高色溫光子糾纏源：連續糾纏光子源~12.8對/秒，對比度95%，脈沖糾纏光子源~14000對/秒，對比度87%，居世界領先水平。 4(1)量子信息傳輸的獨特現象。 兩個糾纏的光子形成一個量子通道。 通過操縱每個光子，可以實現許多新穎的信息傳輸功能。 1997年，所謂的“量子隱形傳態”在實驗上實現了“~未知的量子信息被傳送到遠處的糾纏光子，但原本攜帶量子信息的化學載體卻留在原地，沒有被傳送。
我們進一步研究了量子信息傳輸的許多有趣現象： 1、實驗上實現了單光子量子態的遠程操控——即局部操控一個糾纏光子——并在遠處制備了另一個糾纏光子。 在，11,,,2，在本地對糾纏光子執行任意相位旋轉操作 - 該操作可以傳輸到遠處 - 在另一個光子狀態上旋轉，12,,,3，在實驗中演示當糾纏通道為破壞，糾纏凈化可以通過單光子局域操作而不是離域操作來實現，13，。 4(2 多光子化學研究進展，14，多光子量子態具有許多重要的性質——例如，N個光子態干涉呈現的德布羅意波長減小到1/N——這可以使相位檢測達到海平面桑伯極限的精度用于光學刻蝕，其精度可以提高到1/N，光子越來越多的量子態包含更豐富的量子現象，但制備也更困難，我們在理論上提出一種所謂的“NOON態投影探測方法”——可用于制備和識別多光子量子態——通過實驗演示了四光子和六光子德布羅意波長——并結合了眾所周知的雙光子紅-祖-曼德爾，洪曲-，干涉擴展到多光子場~實驗否定了這些方法是多光子化學中重要且有效的實驗方法。4(3五光子糾纏態的實驗實現，15，第一篇實現發現了五光子糾纏態，并證明借助這種糾纏態，可以實現終端開放的量子隱形傳態，即將未知的量子態隱形傳輸到終端的三光子糾纏態。 然而，根據三個顆粒的配合，可以在任何顆粒上制備。
借助這種五光子糾纏態，量子糾纏濃度和糾纏交換也得到了實驗證明，這是實現量子中繼研究的重要一步。 4(4 六光子圖態糾纏的實驗實現，16、通過多光子操控技術的進一步發展，本工作在實驗中實現了基于光子比特“焊接”技術的量子計算機測試平臺，并成功制備了國際薛定諤貓態具有大量糾纏光子和團簇態，可直接用于量子估計，該成果作為封面標題發表在2007年2月1日出版的日本《雜志》上~審稿人評論“迄今為止在光學量子估計領域最先進的實驗工作”和“一項杰出成就——為量子估計、量子糾錯和量子熱學等基本問題的研究鋪平了道路”。法國數學會稱贊該工作》對于量子計算機5（1）兩個量子比特復合系統中量子態隱形傳輸的實驗實現，17、復合系統在國際上首次成功實現了量子態隱形傳輸~成功實現首次操縱六光子糾纏態~這為實用量子信息研究創造了新的起點。 對容錯量子估計、量子中繼、通用量子糾錯等重要研究方向具有非常深遠的影響～《網站特刊》，并在《研究》上對這項工作做了專題報道《》雜志的《花絮》專欄~稱贊實驗結果是“大規模量子通信研究的重大進展”。
該工作榮獲“2006年度中國十大科技進步新聞”。 5(2 光子和原子量子位嵌入式存儲的量子隱形傳態的實驗實現，18、嵌入式存儲的量子位隱形傳態是實現大規模量子通信和基于探測的量子估計的關鍵。雖然量子態的隱形傳態和存儲量子比特的原理已經被證明，但要實現嵌入式存儲的量子比特隱形傳態還存在一定的困難，首次將光學量子比特態隱形傳輸到原子比特上，實現了嵌入式存儲的量子比特隱形傳態實驗中，將未知的偏振光子態通過7m的距離傳送到原子比特，并成功存儲8μs，狀態可轉換為光量子態，進行進一步的量子信息處理。狀態到原子狀態以及嵌入式可讀存儲的實現，使得有效且可擴展的量子網絡有望在不久的將來實現。 6 量子信息處理器研究進展 量子計算的最終實現取決于化學可擴展量子信息處理器的成功研制，可用于高效存儲和處理量子信息。 目前的研究水平距離這個目標還很遙遠，但科學家們正懷著堅定的信心朝著這個目標邁進。 我們在固體化學、量子光學和核磁共振量子估計化學等基礎研究方面取得了一系列重要的理論和實驗進展。 .6(1 理論上提出了一種基于腔QED的新型量子信息處理器方案，19，通過對腔泄漏光子進行單光子探測，可以實現不同腔內原子之間的糾纏。具有效率高、抗噪聲能力強、輪詢方便等優點。
“Phys. Rev. Lett.”審稿人稱贊道：“在尋找隨意形成量子態的方案中，這可能是一篇里程碑式的文章。” 此外，利用高Q腔內單個原子與腔外單個原子之間的相互作用，設計了一種高度可行的基于光子的量子估計方案。 它以原子為中介，實現光子之間的受控相位門操作，該方案按照目前的技術水平和抗噪聲能力是可以實現的，學術界給予了很高的評價。 6(2提出了固態容錯量子估計的新方案，20、固態量子估計被國際學術界認為是最有希望成功研究的方法之一~固體中量子位之間的固有耦合態是其優勢的關鍵，易于擴展和集成~然而，在量子計算過程中，往往需要打破量子比特之間的這些固有耦合，這是固態量子計算遇到的新困境，我們提出提出了“無交互子空間，IFS”的新概念，可以通過編碼實現邏輯位之間的解耦，同時否認在實際固態模型中實現邏輯位的任意受控操作的可行性進一步，得到學術界認可的無退相干子空間，DFS與IFS結合～提出了一種新的固態容錯量子估計方案～并在實際固態模型中證明了其可行性。 這為固態量子估計開辟了新的研究方向。 6(3 實驗實現量子控制非門的不可見傳輸，21 因此，基于量子光學系統實現量子估計化學是另一種有前途的途徑，其優點是量子相干性好。
然而，此類方案的缺點是化學可擴展性差。 分布式量子估計方案是克服這一缺點的有效途徑，即以僅有少數量子比特的系統作為節點，利用糾纏通道將節點連接成量子網絡，實現量子估計。 該方案的可行性取決于能否在相距較遠的節點之間實現兩位量子控制門操作的關鍵問題。 特別是，在光子與節點量子位之間非強耦合的條件下實現確定性受控非門操作更為關鍵。 我們在實驗中利用糾纏光子對將一個節點的兩位受控門操作通過糾纏量子通道隱式傳輸到遠處的另一個節點~實現了兩個節點之間確定性的受控門操作~該操作的平均保真度達到0.84。 “Phys. Rev. Lett.”審稿人認為“這是實現分布式量子估計的重要一步”。 6(4 實驗實現獨立光子之間的量子邏輯門，22，光子之間的相互作用很弱~實驗上實現兩個獨立光子之間的受控非門運算相當困難。借助五光子糾纏技術——首次實現獨立光子之間無損且可擴展的量子邏輯門——這是線性光量子計算研究中最基本、最重要的一步。作為這些量子邏輯門的一個重要應用實例——它正在進一步在實驗中使用它6(5 混合態量子幾何相的實驗研究，23、幾何相是量子理論中的重要概念，但目前尚不清楚哪些幾何相是量子混合態。
借助核磁共振、核磁共振和實驗技術，我們完成了不同噪聲的量子混合態的制備——觀察到任意量子態的幾何相位。 這項工作引起了國際學術界的高度關注。 6(6 借助光子比特實現Shor的量子分解算法，24，我們在世界上首次設計了一套帶有光子比特的線性光網絡~實驗演示了15=3×5的質因數分解~并證實量子計算多體純糾纏的存在~驗證了量子加速的癥結，這項工作贏得了國際學術界的關注和認可，麻省理工學院院士Seth Lloyd評價說，這個實驗“邁向光學量子估計的必要一步”。日本化學學會發布了題為“量子估計的重大突破”的新聞稿，并稱贊“這項創造性工作將有助于進一步應用化學物理建模和超快搜索”。科技新聞刊物《New》以《量子估計威脅我們的絕密數據》為實驗做了簡短的報道~稱“能夠運行肖爾算法的量子計算機的出現具有極其深遠的意義：它意味著在未來的量子計算機可以輕松破解我們的CCB賬戶~商業和電子商業數據所使用的加密。”此外，許多其他科學期刊和網站，例如美國的《新聞》和德國的《新聞》也進行了報道這項工作。 6(7 首次證明“量子開關”可以局部識別，量子信息處理提供了實用技術，25.此前物理學家證明了量子門操作可以被精確識別，但這種方法需要量子糾纏作為基礎資源，而量子糾纏的獲取、保存和傳輸都非常困難~所以實驗很難實現。
借助酉變換的基本性質，我們證明了量子門的識別過程不需要花費糾纏資源。 只能采用本地操作和傳統方法來完成識別功能。 這一成果是量子信息處理過程中量子門運算的識別。 它為量子通信的通信識別提供了非常好的工具。 審稿人評論說它“為我們理解量子運算做出了重要貢獻”。 7 量子信息應用研究進展 7 (1) 該理論借助糾纏光子對進行了實驗檢驗，26。在量子化學中，隱變量理論仍在挑戰量子熱的完整性。 該違規行為否認這些隱藏變量不存在。 量子熱學已經完成。 但這個推論只適用于類似太空的風暴。 - 該理論進一步闡明了與環境無關的隱變量NCHV與量子熱電容不相容，但前幾年只有兩個關于NCHV的實驗進行了統計測試。 我們對NCHV完成了“全有或全無”類型的非統計實驗測試——實驗結果有力地說明了量子熱7(2)的正確性，首次借助核磁共振實現量子博弈實驗。 27、實驗驗證，在量子博弈中，如果兩個玩家選擇量子策略，就會得到多贏的結果，而在經典博弈中，任何理性參與者都不可能獲勝，這個有趣的研究結果引起了人們的關注。引起國際學術媒體的廣泛關注，美國和加拿大數學會發表了許多報告和評價。
7(3 實驗實現高精度量子相位探測，28、應用雙卡光子數態和獨創的多光子投影探測方法~實驗測得的相位精度超過相應標準量子極限。該方法最有前途逼近海森伯極限的方法。法國著名數學網站以《測量精度突破標準量子極限》為題做了專題報道。7(4“量子游戲機”實驗研制成功，29，是一種宏觀展示量子熱異常行為的奇妙機器，其功能可以抑制“銀行家”的誤導，可能會成為未來量子信息產業必備的商業機器。報道~美國數學網站也給出了題為“ 《物理學家打造量子游戲機》 8 結論 量子信息技術已成為各國戰略競爭的焦點之一。 在國家重大利益的競爭中，我們必須義無反顧地肩負起這一歷史責任，為我國在這一新興領域贏得重要一席之地。 面對這一巨大的挑戰和難得的機遇，我們將以量子通信網絡和量子計算機為研究目標，努力奮斗，永不放棄。
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