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222 篇 期刊文献
222 篇 学位论文
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- 3 篇 兵器科学与技术
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34 篇 管理学
- 33 篇 管理科学与工程(可...
3 篇 经济学
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3 篇 医学
2 篇 教育学
2 篇 艺术学
1 篇 文学
1 篇 历史学

主题

24 篇 量子密钥分发
23 篇 量子计算
20 篇 量子纠缠
17 篇 量子信息
17 篇 量子密码
16 篇 量子通信
14 篇 量子模拟
11 篇 量子网络
10 篇 量子信息处理
10 篇 轨道角动量
9 篇 纠缠态
8 篇 单光子源
8 篇 量子密钥分配
8 篇 量子点
7 篇 自发参量下转换
7 篇 核磁共振
6 篇 多光子纠缠
6 篇 线性光学
6 篇 冷原子
6 篇 量子签名

机构

189 篇 中国科学技术大学
65 篇 中国科学院大学
14 篇 北京邮电大学
13 篇 清华大学
11 篇 中国科学院上海微...
9 篇 中国科学院上海微...
9 篇 西安电子科技大学
8 篇 东南大学
8 篇 曲阜师范大学
7 篇 青海民族大学
7 篇 山西大学
6 篇 北京交通大学
6 篇 南京大学
6 篇 上海交通大学
6 篇 中国海洋大学
6 篇 中国科学院信息工...
6 篇 中国科技大学
5 篇 福建师范大学
5 篇 北京电子科技学院
5 篇 华东师范大学

作者

13 篇 龚谦
12 篇 王海龙
10 篇 郭光灿
10 篇 gong qian
7 篇 贾国庆
6 篇 尤立星
5 篇 温巧燕
5 篇 jia guoqing
5 篇 wang hai-long
5 篇 wang hailong
4 篇 薛国强
4 篇 周建钦
4 篇 林秀
4 篇 you li-xing
4 篇 胡学龙
4 篇 杨宇光
3 篇 俞重远
3 篇 卢晓春
3 篇 张亮
3 篇 封松林

语言

522 篇 中文

检索条件"机构=中国科学技术大学物理系和量子通信与量子计算开放实验室!合肥"

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基于光学人工合成维度的量子模拟

基于光学人工合成维度的量子模拟

引用

作者：杨木中国科学技术大学

学位级别：博士

光,凭借其丰富的自由度以及灵活的可调控性在基础物理与技术应用等领域扮演着举足轻重的角色,同时光子体系在量子模拟与量子计算中被认为是一种具有潜力的系统。近年来,利用光的自由度构建人工合成维度来模拟量子拓扑物态等成为了一个... 详细信息

光,凭借其丰富的自由度以及灵活的可调控性在基础物理与技术应用等领域扮演着举足轻重的角色,同时光子体系在量子模拟与量子计算中被认为是一种具有潜力的系统。近年来,利用光的自由度构建人工合成维度来模拟量子拓扑物态等成为了一个研究热点问题。例如光子的偏振自由度可以用来等效人工合成的自旋,光子的离散自由度包括频率、脉冲到达时间、轨道角动量可以用来模拟人工合成的离散的晶格,而光学系统中连续可调参数自由度如光场相位等可以看做是人工合成的动量。这些光子自由度是光子的内在属性,独立于系统的几何维度。因此人工维度的提出大大降低了拓扑物态量子模拟的实验难度,同时为高维拓扑物质量子模拟提供了强大的平台。例如,我们在一个D维的真实系统中,引入d维人工合成维度,那么我们就可以模拟D+d维的物态。人工合成维度这一重要的特性为我们研究超越三维世界的量子拓扑物态提供了工具。此外,真实系统中一些极其苛刻的条件参数在人工合成维度往往对应于某些简单可调的光学参数,因此基于人工合成维度的拓扑物质具有更强的可控性。反过来,基于人工合成维度的光学系统具有拓扑物态的属性,通常会受到拓扑保护,因此人工维度的研究同时也将促进新的拓扑光学器件的诞生。光学人工合成维度是集合光学、凝聚态物理学、拓扑学的一门新兴的前沿交叉学科,这一领域的发展将为上述学科带来耳目一新的观点。本论文一共包含七个章节,第一章为绪论,主要介绍人工合成维度的研究意义以及发展历史。第二章通过一些简单的物理模型和数学语言,介绍了光学人工合成维度的基本概念,包括光学人工合成自旋、晶格以及动量。第三章开始进入到了实验探究阶段,我们首先介绍了如何利用人工合成自旋来构建具有不同自旋关联的EPR粒子对,并通过机器学习方法对非经典关联进行分类。第四章介绍如何构建人工合成轨道角动量维度。我们在简并光学谐振腔内利用光的自旋轨道耦合构建了一维拓扑链模型,并且展示了光学人工合成维度在耦合调控、能谱探测、拓扑数测量等方面的优势。第五章我们在人工合成轨道角动量维度上引入了损耗,构建了一维非厄米晶格,并且探测了系统中的奇异点、体费米弧等重要的拓扑物理现象。第六章我们通过对人工合成轨道角动量维度上的偏振参数调控,实现了动量空间中的自旋纹理相变,并直接观测了实验结果。最后一章第七章中,我们剖析了人工合成维度的应用以及指出了其在未来发展中需要关注的问题,并且给出了面向高维、多光子的发展路线。本文所取得的主要创新成果如下:1.基于人工合成自旋构建具有多种关联属性的光子,结合机器学习算法,首次实现非经典关联同时分类。各种不同的量子关联已经成为量子模拟中非常关键的资源,然而刻画任意给定一个量子态中的非经典关联仍然存在巨大挑战。因为很多数学形式的判据对多体系统而言其计算复杂度非常大,同时缺少一个统一的框架可以通过相同的测量或可观测量的集合实现所有这些非经典关联的同时区分。我们利用人工合成自旋可以构建具有不同自旋关联的光子对,将机器学习技术应用于非经典关联的区分,首次实验实现了多重量子关联的同时分类。实验结果表明基于机器学习算法的分类器能以大于90%的高匹配度同时识别量子纠缠、量子导引和贝尔非定域性等不同的量子关联属性,而且无论在资源消耗还是时间复杂度上都远小于传统判据所依赖的量子态层析方法。2.基于简并腔中的涡旋光子,首次实验实现人工合成轨道角动量维度。光子携带的轨道角动量数目原理上可以无限,是构建人工合成维度的理想载体。早在2015年,基于人工合成光子轨道角动量维度实现量子模拟的方案就已经被提出,这也是光学人工合成维度中第一个研究拓扑学的方案。我们将携带不同轨道角动量的光子束缚在零维的简并光学谐振腔内,通过在腔内引入光子的自旋轨道耦合,人工合成了一维的拓扑晶格,并且展示了光学人工合成维度在耦合调控、能谱探测、拓扑数测量等方面的优势,为高维拓扑量子模拟开创了一种新的方法。3.在简并腔内实现非厄米人工合成轨道角动量晶格,开发波前角分辨能谱探测法,直接探测非厄米奇异点相关物理现象。奇异点是非厄米系统的独特性质,它们存在于与周围环境有能量交换的开放系统中,是拓扑物理重要的研究对象。我们在已经构建的简并腔人工合成轨道角动量维度上,引入偏振非平衡损耗,构建了一维非厄米晶格。我们创造性提出了基于人工轨道角动量维度的复能谱探测方法——波前角分辨能谱探测法。并且利用这一技术探测了系统中的奇异点、体费米弧、宇称时间破缺过程、复能量的反转等重要的拓扑物理现象。此外,我们还演示了基于人工合成轨道角动量维度的非厄米奇异点用于构建高灵敏度的角度传感器。4.在简并腔内构建多种不同类型人工合成维度,观测到二维动量空间中的拓扑自旋纹理相变过程。动量空间中的拓扑自旋纹理结构,例如斯格明子与半子,与贝里联络以及拓扑陈数有关,具有拓扑稳定性以及各种有趣的性质和应用。目前,动量空间中的半子的产

关键词：量子模拟拓扑物质光子自由度人工合成维度

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量子纠缠和消相干的研究

量子纠缠和消相干的研究

引用

作者：蔡建明中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息诞生于量子力学，计算机科学，信息论和密码学的基础思想的融合，而它的迅速发展更是推动了物理学乃至数学、化学、控制学、电子学的多个不同学科分支的进一步交叉。如何在实际的物理体系中相干的操控量子态进而实现量子信息处... 详细信息

量子信息诞生于量子力学，计算机科学，信息论和密码学的基础思想的融合，而它的迅速发展更是推动了物理学乃至数学、化学、控制学、电子学的多个不同学科分支的进一步交叉。如何在实际的物理体系中相干的操控量子态进而实现量子信息处理的研究，极大的促进了腔量子动力学、玻色-爱因斯坦凝聚、以及纳米电子学等领域的发展。量子信息理论发展的主流趋势更是体现了多种学科交叉的特点。用量子信息理论中的概念和方法来研究多体物理，统计物理中的问题，已经引起了人们越来越多的兴趣。量子纠缠和消相干是量子信息中最重要的两个基本概念。量子纠缠是几乎所有量子信息处理任务中都不可缺少的物理资源。如何刻划、度量和操控量子纠缠是量子信息的核心问题。相对于两量子比特纠缠而言，人们对多体量子纠缠的本质和结构的认识远远没有清楚。量子消相干是用来解释量子理论中最基本的量子—经典跃迁问题，同时也是实现量子信息处理的主要困难。它同量子纠缠，尤其是多体量子纠缠有着紧密的联系。为了克服量子消相干，人们提出了各种用多体量子纠缠态来编码信息的方案。而多体量子体系的消相干也会呈现出新颖、有趣的性质。可以说，量子纠缠和消相干的研究，不但是量子力学和量子信息理论的基本问题，而且更是联系不同领域的重要桥梁。作为现代物理的另一大基础理论，相对论与量子信息的结合会为人们理解基础的物理理论问题带来了新的启示。在相对论效应的影响下，量子纠缠和量子消相干将会发生怎样的变化，都是非常有趣的研究课题。本文的工作分为三部分，第一部分对量子纠缠尤其是多体量子纠缠进行了系统的研究；第二部分研究了量子纠缠以及多体量子系统的消相干性质；第三部分讨论了相对论效应对运动的Dirac电子的消相干过程的影响。具体如下： 1．作为量子纠缠理论中最核心的基本问题，量子纠缠度量是量子信息理论中非常重要的研究方向。对于多体量子纠缠，人们从各种不同的角度提出了具有不同物理意义的局域不变量。但是，到目前为止，除了三量子比特纯态的情况之外还没有一致公认的好的多体纠缠的度量。如何度量多体纠缠及理解其物理本质，是量子纠缠理论中最困难的问题之一，也是推动量子信息理论发展和量子纠缠概念在多体物理中应用的关键因素。我们分析了多体量子系统中局域信息和非局域信息之间的互补关系，从多体纠缠态中分层纠缠的观点出发，提出了一种新的基于信息的多体纠缠度量。利用这种多体纠缠度量的性质，我们得到了一系列的多体量子态的相容性条件以及纠缠单调性关系。此外，我们研究了在量子信息理论中非常重要的一类多体纠缠态——图态的分层纠缠的性质，并在此基础上，定义了包括图态在内的最大纯粹多量子比特纠缠态。最后，我们还提出了一种简单的利用双粒子干涉仪在实验上测量特殊的一类混态的量子纠缠度的方案。 2．在量子信息理论中，量子消相干泛指一切使得系统的末态偏离理想态的过程。作为量子信息过程中的重要物理资源，量子纠缠在环境中，由于消相干也会发生解纠缠的过程。近年来，随着量子信息理论研究的深入发展，从最初的研究单体或者少体量子系统的消相干性质，逐步发展到目前，人们越来越关注多体量子体统。一方面，大规模量子计算使得研究如何抑制多体量子系统的消相干更加具有实际的物理意义；另一方面，多体量子系统的消相干行为展示了许多值得研究的新的特征。我们研究了，在不同的量子消相干模型下，两量子比特纠缠态中量子纠缠的衰减行为，并且给出了量子纠缠最稳定的量子态的形式。此外，我们还研究了消相干环境对量子自旋链传输量子态信息的效率的影响，发现随着体系的增大，消相干效应有可能会随着体系的尺寸成指数增长。我们的结果对有效的量子自旋信道提出了新的要求，并且有助于更清楚地认识和抑制多体量子系统的消相干效应。 3．量子力学，相对论和信息论的之间的密切联系是理论物理中的重要内容。量子信息理论和相对论之间的联系吸引了人们越来越多的研究兴趣。相对论效应对测量过程以及量子Von Neumann熵、量子纠缠的影响得到了广泛的研究。而在相对论框架下，研究量子信息的实际应用，如量子隐形传态，也具有重要的实际意义。在常规的量子信息理论中，人们通常都是假设研究的主量子系统是静止的。所以，相对论和开放系统理论的结合，即研究运动量子系统的消相干性质，是非常有意义的课题。我们研究了在背景磁场噪声中运动的Dirac电子的自旋消相干过程，发现相对论效应会明显的改变其消相干性质，在时间比较长之后，相干信息会被保持，也就是说消相干过程停止了。这个有趣的结果，扩展了相对论量子信息的研究范围，在量子力学的基础问题和相对论之间建立了新的联系。

关键词：量子计算量子纠缠量子消相干相对论量子相变多体物理

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铜基金属有机框架改性对氢同位素的吸附与分离研究

铜基金属有机框架改性对氢同位素的吸附与分离研究

引用

作者：胡小宇中国科学技术大学

学位级别：博士

氕(1H)、氘(2H或D)、氚(3H或T)三种氢同位素在化工、能源、医药、核工业等领域发挥关键作用。由于氢同位素具有相似的动力学尺寸和热力学性质,因此分离氢同位素成为现代分离技术的难点之一。过去几十年,包括低温蒸馏在内的工艺技术已实... 详细信息

氕(1H)、氘(2H或D)、氚(3H或T)三种氢同位素在化工、能源、医药、核工业等领域发挥关键作用。由于氢同位素具有相似的动力学尺寸和热力学性质,因此分离氢同位素成为现代分离技术的难点之一。过去几十年,包括低温蒸馏在内的工艺技术已实现大规模氢同位素的分离与富集,但这些工艺技术均具有能耗高和分离因子低等特点。因此,需探索其他可行方法,以开发具有低分离成本和高分离效果的先进同位素分离工艺。近年,量子筛分效应在氢同位素分离方法中得到广泛关注,且合适的微孔材料是量子筛分效应实现的关键。据此,本文将以金属有机框架材料为研究对象,以动力学量子筛分效应和化学亲和力量子筛分效应为指导理论,通过后合成方法制备具有合适孔尺寸和开放金属的金属有机框架材料或其复合材料,提高其吸附和分离氢同位素的性能并研究其吸附分离机理,最终通过静态吸附和静态/动态分离实验验证其工业应用的可行性。主要研究内容如下:(1)Pd 掺杂的 HKUST-1(The Hong Kong University of Science and Technology,HKUST)对氢同位素静态吸附研究:通过双溶剂法制备具有良好Pd分散的Pd掺杂HKUST-1吸附材料(Pd@HKUST-1-DS)。表征结果证实Pd纳米颗粒被限定于HKUST-1孔道内部,且材料具有高比表面、大孔容等物理结构参数和强金属-载体相互作用。在高比表面、大孔容和强金属-载体相互作用的协同作用下,该材料能高效吸附H2和D2。静态吸附实验表明材料在77 K、2 bar 或 298 K、18 MPa 条件下最大吸 H2 量为 3.72 wt.%或 1.63 wt.%,在 77 K、2 bar条件下最大吸D2量为3.49 wt.%。分析结果表明与浸渍Pd/HKUST-1-IM相比,Pd@HKUST-1-DS中的Pd纳米颗粒转移更多的电子于HKUST-1载体,增强了材料的金属-载体相互作用,是提高材料在液氮温度和常温吸附H2和D2能力的主要原因。这项工作为制备高效吸附氢同位素材料提供了一个重要示例。(2)一价铜修饰的HKUST-1对氢同位素静态分离性能研究:通过后合成法制备了具有独特Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)配位结构的Cu(Ⅰ)Cu(Ⅱ)-BTC材料。由于动力学量子筛分效应(KQS)和化学亲和力量子筛分效应(CAQS)的协同作用,其可以显著促进D2/H2同位素分离,在30K时材料的D2/H2选择性为37.9。密度泛函理论计算证实,在骨架中引入Cu(Ⅰ)可以减小孔尺寸,增强氢同位素在Cu(Ⅱ)位点上的相互作用,从而增强了材料的KQS和CAQS效应。这项工作揭示了 Cu(Ⅰ)位点反直觉行为的原因,这有助于深层次的认识量子筛分机制,为设计高效氢同位素系统提供一种新的策略。(3)HKUST-1复合材料对氢同位素动态分离研究:采用原位水热法,合成一种层层相互连接的MOF/沸石复合材料(HKUST-1@silicate-1)。因为材料具有Cu2+金属活性位点,HKUST-1@silicate-1可以通过化学亲和力优先吸附重氢同位素,并能够在液氮温度快速分离1:1 H2/D2混合气,同时不产生正氢和仲氢。此外HKUST-1@silicate-1材料也能快速分离三元H2/HD/D2混合气。这项工作证实了 HKUST-1@silicate-1复合材料具有分析不同组分氢同位素的潜力。

关键词：金属有机框架材料量子筛分效应氢同位素吸附分离

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基于核自旋实现海森堡自旋模型的量子模拟研究

基于核自旋实现海森堡自旋模型的量子模拟研究

引用

作者：周辉中国科学技术大学

学位级别：博士

随着量子系统尺度的增加,经典计算机需要消耗指数增加的资源才能实现对量子系统的精确模拟。针对这一问题,费曼等人创造性地提出了量子模拟的概念,之后量子模拟一直就是量子信息领域的研究热点之一。通过量子模拟可以帮助我们洞察量子... 详细信息

随着量子系统尺度的增加,经典计算机需要消耗指数增加的资源才能实现对量子系统的精确模拟。针对这一问题,费曼等人创造性地提出了量子模拟的概念,之后量子模拟一直就是量子信息领域的研究热点之一。通过量子模拟可以帮助我们洞察量子现象的本质、处理经典计算机不能有效解决、或者实验实现起来比较困难的问题。目前量子模拟的应用已经深入渗透到信息、能源、材料、化工、生物等多个领域。由于具有较长的退相干时间以及成熟的操控技术,核磁共振成为最早被用来进行量子模拟的物理体系之一。本人在博士期间主要围绕“基于核自旋实现海森堡自旋模型的量子模拟研究”这一课题开展工作。海森堡自旋模型作为量子信息和凝聚态物理领域重要的研究模型,围绕其进行量子模拟方面的研究是非常有意义的,本论文主要包括以下内容：第一章阐述了量子计算机兴起的背景,以及量子计算机在量子模拟领域的巨大应用,并介绍了实现量子计算与量子模拟的不同物理体系以及应用前景。第二章介绍了核磁共振的基本原理以及如何完成量子计算与量子模拟任务。第三章介绍了在伊辛模型中如何利用全局控制方法制备量子纠缠态。在量子信息领域中,信息的存储,操作和读出都需要对量子态进行操作。借助于独特的量子关联特性,量子纠缠在量子计算,量子远程通信,量子密码学等领域都有着至关重要的作用,因此说研究纠缠态的制备有着很大的现实意义。在系统尺度增大时,通过单自旋操控来制备纠缠态是一件困难的事情,因此我们尝试把系统作为一个整体进行控制,即全局控制方法制备量子纠缠态。实验中,我们用核磁共振模拟器模拟了一个3自旋的伊辛系统,并成功制备了两种常见的纠缠态：W态和GHZ态,这种方法为制备量子纠缠态提供了新的思路。第四章介绍了利用核磁共振模拟器如何在实验中观测了XY模型基态几何相位。几何相与量子相变都是物理学领域的一个非常重要的研究方向,它们之间有着密切的关联。我们设计了一个绝热周期演化路径来产生几何相,在实验上成功地观测到系统的几何相,发现产生的几何相在系统的量子相变处会发生突变,这加深了我们对于几何相位和量子相变关系的理解。第五章介绍了利用核磁共振模拟器如何探测铁磁伊辛系统中的李杨零点。李杨零点完全决定了系统自由能的解析性质,对于研究多体系统的相变有着重要意义。然而由于本身是非物理实在的,直接观测李杨零点是非常困难。引入一个与系统耦合的探测自旋,此时该探测比特量子相干的零点和该系统李-杨零点存在一一对应的关系,我们可以通过探测自旋观测到被探测系统的李杨零点。在实验上,我们成功模拟了9个自旋伊辛系统,第一次成功观测到李杨零点,并研究了该系统的热力学性质。我们的实验对于研究参数复数域内的其他物理现象提供了一种新的思路和实验的可能性。第六章是总结和展望。

关键词：量子模拟核磁共振海森堡模型量子控制几何相李-杨零点

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高速测量设备无关量子密钥分发系统的集成化研究

高速测量设备无关量子密钥分发系统的集成化研究

引用

作者：李蔚中国科学技术大学

学位级别：博士

量子通信是利用量子物理原理,来实现量子信息处理与传递的一门学科。它的一个重要研究方向是量子加密技术,该技术可以保护通信双方的信息不被第三者窃听。而量子加密技术中最著名应用的是量子密钥分发(quantum key distribution,QKD),... 详细信息

量子通信是利用量子物理原理,来实现量子信息处理与传递的一门学科。它的一个重要研究方向是量子加密技术,该技术可以保护通信双方的信息不被第三者窃听。而量子加密技术中最著名应用的是量子密钥分发(quantum key distribution,QKD),该技术已经实现商用化。QKD的安全性由量子物理正确性来保证,即量子不可克隆原理——任何未知的量子态都不能被精确复制。自1984年,由Bennett和Brassard提出的BB84协议开始,QKD的理论安全性与实验研究都有了长足的发展,其中的代表性工作包括,GLLP(Gottesman-Lo-Lutkenhaus-Preskill,以提出者首字母命名)框架,诱骗态协议,测量设备无关 QKD(measurement-device-independent QKD,MDI-QKD),“京沪干线”量子通信网络以及“墨子号”量子卫星等等。而未来亟需解决的是QKD网络的实用化问题。首先是现实的安全性问题,其次是如何实现距离更远,码率更高,成本更低的QKD网络。现有QKD网络是基于可信中继来实现的,可信中继存在被窃听者攻击甚至控制的风险,这将带来安全性隐患。基于不可信中继的MDI-QKD网络可以解决这一问题,相对昂贵和复杂的探测设备在中心节点,而用户节点只需要发送端设备,发送端可以利用近来发展迅速的微纳光子技术集成在芯片上,降低用户的使用成本。作为第一步,我们进行了两用户的芯片化MDI-QKD实验,并将系统频率提升至1.25 GHz。为此,我们发展了 GHz的高干涉对比度光源技术与GHz调制信号产生技术,并将发送端(除光源外)集成到一个硅基光子学芯片上。最终,我们实现了同样距离下,最高码率的MDI-QKD实验,为将来芯片化MDI-QKD网络奠定了基础。在已有的QKD系统中,隐含假设地认为经典后处理单元是可信的,这一假设在现实中很难保证。同时,隐蔽信道的存在(如存储攻击)也威胁着QKD系统的安全。我们在对抗隐蔽信道和不可信设备的MDI-QKD实验中,利用经典安全多方计算中的可验证私密共享协议,实现了 MDI-QKD通信双方中一方拥有一个不可信量子设备和一个不可信经典设备的情况下的安全通信,还给出了如何实现多方后处理的方案。同时,还发展了滤波光源的干涉技术,以及两级调制偏振态的新技术。该工作为对抗不可信后处理单元的QKD系统提供了蓝本。除了 QKD的研究之外,本人还设计了用于多光子纠缠和玻色采样的多通道符合计数器,解决了商用产品通道数与计数率不够的问题,除此之外,还能实时给出全符合的计数。利用八相时间数字转换器和硬件上符合方案,实现了 32通道,80 MHz计数率的符合计数器。该工作已在十光子、十二光子纠缠和二十光子玻色采样实验中得到应用。

关键词：量子密钥分发测量设备无关量子密钥分发高速硅基光子学不可信设备隐蔽信道符合计数器

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基于冷原子和腔QED的量子模拟和量子计算

基于冷原子和腔QED的量子模拟和量子计算

引用

作者：刘亚峰中国科学技术大学

学位级别：博士

量子力学展现出来了许多奇特的现象和有用的特性,与我们的常识性的经典世界不同,它有着自己许多独特的魅力。通过许多已在实验上实现的物理实在,像凝聚态物质、冷原子物理、核物理、以及腔QED,人们对量子世界有越来越深入的了解。在量... 详细信息

量子力学展现出来了许多奇特的现象和有用的特性,与我们的常识性的经典世界不同,它有着自己许多独特的魅力。通过许多已在实验上实现的物理实在,像凝聚态物质、冷原子物理、核物理、以及腔QED,人们对量子世界有越来越深入的了解。在量子世界中,这些领域都有着自己无法取代的作用和地位。随着研究的深入,一些基于量子力学的技术,已经开始尝试着应用到我们的日常生活中,量子信息技术就是对通信技术一次伟大的革新。相较于经典通信的易窃听、传输慢,量子世界的通信手段以其在保密性和传输效率方面的优势,吸引着人们进行更深入的研究。冷原子作为一个新兴的研究方向,以其易操控,无杂质,方便测量的特性吸引着人们越来越多的注意。在它不到20年的历史里,许多在凝聚态中无法实现的量子力学现象变成了可能。我们的工作就是通过玻色爱因斯坦凝聚体的特性,可以产生多原子的纠缠态,从而制备出EPR态,实现量子信息在冷原子领域的应用。腔量子电动力学(QED)是量子信息处理中的一个重要平台,通过研究光场与原子的相互作用,可以实现量子信息中所需要的各种硬件。对腔QED系统的研究,使量子信息中很多理论预测得到了验证。我们的工作是通过腔QED的纠缠特性实现宇称测量门操作。 1.光晶格中通过相干特性产生分离玻色爱因斯坦凝聚体间的纠缠 EPR态作为量子信息中一个重要的态矢,它在实现各种量子信息方案中起到了无法替代的作用,如贝尔不等式的验证,量子隐形传输等。我们的工作就是通过光晶格中玻色爱因斯坦凝聚体的相干特性,制备出EPR态,在此基础上扩展到N个晶格,可以制备出GHZ态。并在此基础上,检验了这个EPR态的特征。由于处于弱相互作用区域,这个方案具有可重复操作,成功率高,耗散小等特点。 2.基于线性光学的N个分离原子的宇称测量宇称测量是量子信息科学一项重要的实验技术,通过宇称测量可以实现各种受控门的操作。我们通过N个独立囚禁原子的腔,来实现这个方案。与直接通过原子间相互作用的方法不同,我们使用的是从腔中逃逸光子的相干特性。通过多个腔的级联,这个方案可以重复使用,直到宇称测量的成功率达到我们预期的效率。 3.冷原子系统的数值模拟计算作为多体系统一个重要的数值处理手段,密度矩阵重整化群(DMRG)在低维系统中求解的可靠度,已经被人们广泛接受。在多体强关联系统中,平均场理论无法再对系统进行正确的描述。为了探寻这个复杂系统的内部性质,得到可以和实验进行比较的结果,史蒂文.怀特(Steven White)于1992年发明这个算法,时至今日,这个算法已经被拓展到了准一维系统和含时DMRG,在多体问题的计算中,与蒙特卡洛算法一起,作为研究这个系统的主要工具。

关键词：冷原子腔QED 纠缠态玻色爱因斯坦凝聚密度矩阵重整化群

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星载量子密钥分发与超导量子计算中的集成控制系统研究

星载量子密钥分发与超导量子计算中的集成控制系统研究

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作者：林金中国科学技术大学

学位级别：博士

作为量子力学与信息科学的交叉学科,量子信息处理得到越来越迅速的发展,其中的量子通信与量子计算是量子信息处理中发展最快的两个方向:一方面,量子通信利用量子不可克隆原理从物理上保证无条件安全的量子保密通信,在光纤介质和自由空... 详细信息

作为量子力学与信息科学的交叉学科,量子信息处理得到越来越迅速的发展,其中的量子通信与量子计算是量子信息处理中发展最快的两个方向:一方面,量子通信利用量子不可克隆原理从物理上保证无条件安全的量子保密通信,在光纤介质和自由空间介质中均突破百公里量级的传输距离;另一方面,量子计算利用量子态的叠加与纠缠原理实现经典计算无法比拟的处理优势,根据理论推算,当量子比特数达到50位时,基于量子比特的量子计算机在特定方面的计算能力就能超越目前的经典超级计算机。星座式全天候量子通信网络是自由空间量子通信的长期发展目标。目前的地面实验已验证卫星平台下量子通信的可行性。在卫星平台上实现量子通信,在空间和体积的约束条件下,要求实现小型化的终端设备,需要集成化的量子密钥分发控制系统。在本论文工作中,针对载人航天小型化量子密钥分发控制的具体需求,采用SOC集成控制技术,设计了一套包含随机数制备,时间同步,量子光源编码调制,激光调制收发,密钥提取算法等功能的小型化量子密钥分发集成控制系统。该控制系统在一块集成PowerPC 405硬核处理器的FPGA中实现。提高功能集成度的同时,减少了各试验功能间的控制交互。系统在地面通过严格环境测试,功能性能测试。在轨运行期间,时间同步精度、激光器温控精度等指标要求达到系统设计指标,为后续的小型化星载量子密钥分发系统研制打下了良好的技术基础。量子信息的另一个方向的延伸是具有强大计算能力的量子计算。超导量子比特作为最有可能的量子计算方案之一,其在保真度,退相干时间,可集成度等几个方面都有不错的表现。基于半导体工艺的样品加工方式使得超导量子比特在突破技术瓶颈后,比特数能大规模扩展。这就给超导量子比特的测控系统提出了多方面的性能要求,包括微波调制信号的制备,多通道调制信号的一致性,可扩展性,反馈速度和空间约束等多个方面。本论文进一步利用集成控制方案进行超导量子计算控制系统的设计。超导量子计算中量子比特控制是通过微波信号的方式实现的,而任意波形发生器是生成微波调制信号常用的一种方案。但是由于具有该功能的商业设备底层的控制逻辑不可定制,控制的灵活性不够;且由于其体积过大,在超导量子比特样品通道数增加的时候,有限的试验空间不利于试验的开展。同时,为了更好的量子比特保真度的和退相干时间,信号源的采样速度,垂直分辨率要求分别达到1GSPS和13位。以任意波形发生器为原型,针对集成度,采样率,垂直分辨率等指标进行改进。本文设计了一套高集成度的,采样率和垂直分辨率分别达到2GSPS、16位的任意波形发生器,并应用于量子计算样品控制。在可扩展性方面,当量子计算样品量子比特数增加时,对控制通道的数量要求也同步线性增加,但对各通道的同步输出精度依然要求在100ps以内。在本论文工作中利用同源时钟技术,设计了一套可扩展多通道同步控制系统,同步抖动精度达到20ps,各同步通道延时独立可调,满足量子计算试验控制现在与未来一段时间内的同步精度需求。本论文工作中,完成了多通道量子比特信号分发控制与数据获取系统、高速高精度波形发生器,高精度同步控制系统等研制工作。建立了一套可扩展的超导量子比特控制与测量设备,并在此基础上完成了 10比特超导量子样品控制实验。本论文工作的创新点在于:1.将SOC集成控制与软硬件协同应用于载人航天量子密钥分发控制系统,首次实现基于载人航天系统的小型化量子密钥分发试验终端。系统通过一系列环境测试与在轨测试,完成了 400-700公里距离基于空间平台的量子密钥分发。2.研制了可任意扩展通道数的超导量子比特室温电子学控制系统,实现采样率为2GHz,垂直分辨率为16位的多通道任意波形发生器,并完成10量子比特样品的控制测试。3.研制了同步精度为20ps,同步通道数达40通道的可扩展同步控制系统,达到量子计算对高精度同步的技术要求。

关键词：星地量子密钥分发超导量子计算多通道高精度同步任意波形发生器集成控制系统

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连续变量系统中量子信息的处理与传输研究

连续变量系统中量子信息的处理与传输研究

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作者：杨传生中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学是一门信息科学与物理学的交叉学科。量子信息科学的研究不仅具有学术上的价值，在商业上也存在巨大的应用前景，其中最为重要的应用为量子计算和量子网络。量子计算和量子通信从本质上与它们的经典对应完全不同，这是由量... 详细信息

量子信息科学是一门信息科学与物理学的交叉学科。量子信息科学的研究不仅具有学术上的价值，在商业上也存在巨大的应用前景，其中最为重要的应用为量子计算和量子网络。量子计算和量子通信从本质上与它们的经典对应完全不同，这是由量子物理异于经典物理的特性所决定的，如相干叠加性、不可克隆性等。虽然不会完全取代经典计算机，但是在解决某些特定的问题方面，如解决大数分解问题，求解线性方程组等，量子计算机表现出远超经典计算机的计算能力。相比于经典通信，量子通信从物理原理上被证明是安全的。因此虽然量子通信网络不会取代经典的互联网，但其在军事、金融等等对保密通信极为重视的领域具有巨大应用价值。　　在学术兴趣和商业价值的双重驱动下，物理学家们在最近几十年开发出形形色色的（人工的或自然的）量子系统进行量子信息科学的研究。目前比较成熟的物理系统有超导量子线路系统、离子阱系统、量子点系统及NV色心系统等等。在这些实际物理系统中实现可扩展容错量子计算机的最困难的障碍就是开放量子系统不可避免的噪声，它会使得量子相干性消失从而破坏计算过程。对此，人们提出许多量子纠错方案以解决这个问题，但是大部分方案都需要大量的量子资源。其中，基于猫态量子比特的连续变量系统量子计算十分有吸引力。通过冗余编码，猫态量子比特可以实现对光子数丢失的错误进行纠正。而且，它也是目前唯一通过量子纠错方式延长了物理比特寿命的编码方式。另一方面，噪声同样会使量子网络中的存储和传输过程产生不可避免的退相干。因此，人们提出利用量子中继器解决传输过程中的损耗问题，从而建立远距离的量子纠缠。对于量子节点的损耗问题，可以借鉴量子计算机方面的研究成果，比如利用猫态量子比特进行编码。但是目前主流的量子比特的特征频率均在微波段，而为了降低量子信道中的耗散，巡游光子一般都在通信波段。这就需要实现两中不同信息载体之间的转换接口，以结合两种体系的优点。　　综上，由于连续变量系统，如超导微波腔，具有相干时间长，更为重要的是能够通过冗余编码而极大地简化量子纠错等重要优势，将集中讨论其在量子计算和量子通信中的应用。本论文具体的研究工作如下:　　1.连续变量系统中基于猫态量子比特的控制相位门方案。　　如前文所述，连续变量系统中的猫态量子比特编码方式可以大大简化检错纠错过程。目前，虽然已有实验在猫态量子比特上实现了高保真度的任意单比特量子门，但是两比特控制门还未被实现过。在这个研究中，以超导量子线路系统为基础，提出了基于广义猫态量子比特的两比特控制相位门的实现方案。首先展示了如何在超导量子系统中设计传输子辅助系统与两个微波谐振腔之间的色散相互作用。随后在此色散相互作用的基础上给出了两比特控制相位门具体的实现方案。在给出微波腔非线性问题的解决方案后，利用数值仿真计算了在考虑实际物理参数后的门操作保真度。发现，当用于编码量子比特的相干态数目d增加的时候，门操作保真度将会提高。当d=8时，控制相位门的平均保真度可以达到0.9955.　　2.微波存储光子与巡游光学光子间的可控量子接口方案。　　微波光子的寿命不断提高，目前已经达到ms的量级，而且在实验上还可以通过量子纠错进一步增加物理比特的寿命。因此可以让微波光子承担量子节点中存储器的角色，这也使得在相应系统中的量子接口有重要的意义。在这个研究项目中，以一种被首先应用于频率转换的系统为基础提出了微波光子与巡游光学光子间可控的量子接口方案。在该系统中，掺杂了稀土离子的YSO晶体可以媒介光学腔与微波存储器之间的有效相互作用。重要的是，该相互作用可以通过外加驱动光进行调节。在有效模型的基础上，给出了对应于写入过程的保真度。并且针对不同的物理要求，可以通过优化输入波包或这调节驱动光以提高写入过程的保真度。发现，在实际的物理参数范围内，对于高斯输入波包，写入过程的保真度经过数值优化后可以达到0.974η，其中η为系统中光学腔的耦合效率。

关键词：连续变量系统量子信息处理信息传输控制相位门可控量子接口

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连续变量量子密钥分发信号处理关键技术研究

连续变量量子密钥分发信号处理关键技术研究

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作者：孙秀男中国科学技术大学

学位级别：博士

量子密码学是一门具有革命性的综合性新兴前沿交叉学科。量子密码学是在“一次一密”通信系统中融合量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术,利用不确定性原理和不可复制定理,融合现代密码学信息加密和传输方式,突破传统加密... 详细信息

量子密码学是一门具有革命性的综合性新兴前沿交叉学科。量子密码学是在“一次一密”通信系统中融合量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术,利用不确定性原理和不可复制定理,融合现代密码学信息加密和传输方式,突破传统加密依赖于假设窃听者的有限运算能力的相对安全,实现信息传输网络空间的信息论安全,开辟网络空间量子信息安全科学的理论和实验研究领域。连续变量量子密钥分发(Continuous-variable Quantum Key Distribution,CV-QKD)技术利用表示在无限维希尔伯特空间的连续变量编码密钥信息。CV-QKD单个脉冲可以编码多比特信息,从而有可能产生较大的安全码率。基于光纤的CV-QKD技术能够更好的融合经典通信网络,在城域内可以方便的连接到千家万户。CV-QKD系统安全码率受限于探测系统数据采样率、相干态制备速率和数据后处理速率,系统安全距离受限于协商效率。项目计划研发一套工作频率为20MHz、传输距离为25 km的CV-QKD实验系统样机。主要工作集中在样机电子学系统的设计和研发,具体工作包括探测系统数据采集(Data Acquisition,DAQ)、相干态调制发生器和密钥后处理三个模块。DAQ模块主要负责探测器输出信号的采集、上传和恢复。设计了一种采样率为1 Gsps的探测系统DAQ板卡系统平台,测试结果表明DAQ板卡的有效位在9 bits左右,并且具有良好的积分非线性和微分非线性,同时完成了与光学和探测器系统的联合测试。设计了一种基于数学变换方法的高斯随机数(Gaussian Random Numbers,GRN)发生器硬件实现,可生成最高频率为40 MHz、精度为16bits 的 GRN,通过数模转换器(Digital to analog converter,DAC)输出相干态调制电压。针对密钥后处理中纠错部分,采用一种扩展5G协议中低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Codes,LDPC)提升因子的方式。通过数学分析编解码算法过程,在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片上优化编解码算法的结构与硬件资源,实现算法的硬件加速处理。结果表明当码率为22/68,高斯白噪声信道信噪比(Ratioof Signal to Noise,RSN)阈值为0.7时,理论协商效率为85%,理论安全距离可以达到30 km,理论安全码率为200kbps。在200MHz系统时钟下,硬件编码吞吐率为125Gbps,解码吞吐率为472 kbps。在CV-QKD信号处理关键技术研究中具有以下创新点:1、为CV-QKD探测系统专门开发了高精度、高采样率、大缓存深度的DAQ系统。研发了一套DAQ硬件、数字逻辑和上位机软件系统,实现对探测器输出数据的采集、接收、转存、上传和分析的功能。基于子母卡可扩展的硬件结构降低了设计难度、缩短实验周期、减少硬件实现成本。2、提出一种实现真随机高斯调制的硬件结构,满足高斯调制相干态CV-QKD实验系统的需求。在FPGA内实现均匀分布真随机数源转换为高斯分布随机数的算法。生成稳定高速的GRN,可以进一步提升CV-QKD系统重复频率,提高安全密钥率。GRN具有更好的独立性,增强了 CV-QKD实验系统密钥安全性。3、提出了一种利用FPGA实现超长LDPC的编码算法和解码算法,通过数学推导优化算法结构和硬件资源,实现高速并行处理。完成了 CV-QKD实验系统样机数据后处理中纠错码的硬件设计,脱离计算机完成纠错,与潜在窃听者建立物理隔离。

关键词：高速数据采集高斯调制发生器 FPGA LDPC编解码算法印刷电路板数字逻辑连续变量量子密钥分发

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量子资源理论及其实验研究

量子资源理论及其实验研究

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作者：吴康达中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息兴起于20世纪80、90年代,是信息学和量子物理学的交叉学科。量子信息学将信息编码成量子态,并研究如何以完全不同于经典机制的“量子”方式处理和操纵这些信息来获得经典信息学不具备的绝对安全性和超快计算速度等优势。从量子... 详细信息

量子信息兴起于20世纪80、90年代,是信息学和量子物理学的交叉学科。量子信息学将信息编码成量子态,并研究如何以完全不同于经典机制的“量子”方式处理和操纵这些信息来获得经典信息学不具备的绝对安全性和超快计算速度等优势。从量子通信到量子计算,当需要对比不同方案的资源消耗及优劣时,我们需要一个量化的量子资源理论作为强有力的框架来量化一个所需的量子效应,开发新的探测协议,并优化其在特定量子信息过程中的优化应用。广义上来说,量子资源理论就是研究信息在某些特定操作下是如何定量转化的。迄今为止,人们对量子纠缠、量子相干性、纯度、热力学和非对称性等量子资源进行了深入的研究。量子相干性,量子叠加性的物理本质,是区分量子物理学和经典物理学的最基本的性质。它使得量子信息科学及其衍生出的量子技术拥有相应的经典信息学和技术所无法比拟的优越性,比如量子通讯的理论安全性;量子计算的超快速度;量子精密测量超越经典极限的精度等。近年来,量子资源理论激发了人们对局域化系统中长期存在的非经典性概念的深入研究,其中量子相干性资源理论的发展引起了人们极大的关注。迄今为止,相干性资源理论已经在单物理系统和分布式系统中得到了广泛的研究,其中涉及到单个系统和分布式系统中不同类型非相干操作下的量子态的转换。许多相干性的度量方式也被提出来,其中最常用的是相对熵下的相干性、相干性的l1-范数和相干的鲁棒性。目前,量子相干性资源理论的研究都是偏数学化、理论性的,缺乏相应的实验工作验证信息转换协议,以及该资源理论的操作意义和潜在应用等。本论文将在实验上实现量子相干性资源理论的相关的协议,探讨非相干操作意义及量子相干性资源理论在各种量子信息任务中的应用。取得的主要成果有:1.在实验上利用了光子量子比特在单拷贝情形下实现了基于辅助比特的量子相干性蒸馏。2.首次提出了一种将相干性和量子关联两种不同资源的无损失循环转化线路,并利用光量子比特在实验上实现了一次循环转化。3.从理论上完全解决了量子比特在非相干操作下的转化问题,并基于该理论实验实现高保真度的全光学的严格非相干操作。4.从理论上提出一种新的基于分布式系统中的量化相干性的非马尔可夫目击者,并在全光学系统中进行了实验演示。5.首次利用单光子的多个自由度设计出可分离以及包含非局域相互作用的两种量子集体测量,并实验上演示了其在减少热力学中测量反作用力中的效果。

关键词：量子资源理论量子相干性量子测量

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