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222 篇 期刊文献
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10 篇 轨道角动量
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8 篇 单光子源
8 篇 量子密钥分配
8 篇 量子点
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7 篇 核磁共振
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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
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3 篇 卢晓春
3 篇 张亮
3 篇 封松林

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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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开放量子系统中的拓扑现象及动力学

开放量子系统中的拓扑现象及动力学

引用

作者：李天宇中国科学技术大学

学位级别：博士

1980年,von Klitzing,Dorda和Pepper实验上发现两维电子气在低温强磁场的条件下会出现整数化的霍尔电导平台,这就是著名的整数量子霍尔效应。在此后的研究中,人们发现量子化的霍尔电导与材料能带的拓扑性质息息相关,从而揭开了拓扑物相... 详细信息

1980年,von Klitzing,Dorda和Pepper实验上发现两维电子气在低温强磁场的条件下会出现整数化的霍尔电导平台,这就是著名的整数量子霍尔效应。在此后的研究中,人们发现量子化的霍尔电导与材料能带的拓扑性质息息相关,从而揭开了拓扑物相研究的序幕。在经典的Ginzburg-Landau相变理论中,相变由系统的局域序参量刻画,相变时伴随着系统对称性的破缺。但在拓扑相变中,这一图像不再成立,拓扑相变时通常不发生对称性破缺。随着拓扑物态理论和实验的发展,人们对这个领域的理解日臻完善。近年来超冷原子,单光子等量子模拟平台高速发展,由于其强大的量子模拟能力,具有拓扑特性的人工拓扑体系得以实现,而开放体系中的拓扑现象尤其受到广泛关注。在自然界中,开放系统无处不在,因为系统与环境的耦合通常不可避免。一般而言,开放量子系统由量子主方程描述,而在特定前提下,体系的动力学性质往往可以由非厄米等效哈密顿量刻画。非厄米量子系统通常可以通过开放系统引入。近几年来,非厄米量子系统中的拓扑得到了广泛研究,其预言的丰富物理现象已在多个实验平台得以证实。体边对应是拓扑物相研究中最基本的原则之一。它描述的是开边界下的拓扑边缘态与体系能带的拓扑不变量关联,而后者需通过周期边界条件下的布洛赫能带论计算得到。而在一大类非厄米量子系统中,传统的体边对应关系不再成立。在这类系统中,非厄米趋肤效应占有支配作用。这时我们需要引入广义布里渊区的概念,在广义布里渊区积分得到的拓扑数可以正确反映拓扑边缘态的个数。研究者们由此发展出了一套非布洛赫能带理论,通过该理论我们能够正确地得到体系开边界下能谱的信息,从而重构体边对应关系。本论文聚焦这一拓扑物态领域的前沿问题,主要研究具有非厄米趋肤效应的开放量子系统。取得的主要成果如下:1、我们在二维量子行走中展示了非厄米趋肤效应,并得到了系统的体边对应关系。我们展示了系统中拓扑边缘态的出现与通过非布洛赫带理论计算得到的Floquet缠绕数是对应的,在计算中我们应用了依赖于时间的广义布里渊区。此外,我们发现在实空间中,非布洛赫拓扑不变量与准能带相关联,可通过非厄米局域指标得到,其由非幺正Floquet算子的双正交本征波函数定义。2、我们介绍了有趋肤效应的非厄米拓扑模型的淬火动力学,并展示了通过淬火动力学来探测非布洛赫拓扑不变量。将系统的动力学演化过程投影到广义布里渊区,在广义的动量-时间域上将会出现斯格明子结构,这种结构的存在与否和系统哈密顿量的非布洛赫拓扑不变量相关。斯格明子结构依赖于动力学过程的不动点,而不动点的存在与初始和演化哈密顿量的广义布里渊区是否一致相关。我们发现动力学斯格明子的整体结构在不动点不严格存在时仍然存在,因此可作为动力学探测非布洛赫拓扑系统的一般方法。我们将这个理论应用到非幺正量子行走实验上,详细地展示了通过非布洛赫淬火动力学可以探测非布洛赫拓扑不变量。3、我们讨论了如何在开放量子系统中设计实现耗散型准晶,此时体系的准周期性质完全通过耗散引入。体系短时间的动力学由非厄米AAH模型支配,而该非厄米准晶模型的相变会深刻影响体系趋于稳态时的长时动力学行为。这一结果基于体系Liouvillian超算符与非厄米哈密顿量本征谱的严格对应关系。可以证明,这一对应关系在只有线性损耗的二次型费米子开放体系中均成立。4、我们对非厄米拓扑Anderson绝缘体的局域化和拓扑性质进行了探究,展示了由随机无序引起的Anderson局域化和非厄米趋肤效应之间的竞争。无序和非厄米性会显著地影响量子系统拓扑和局域化的性质,导致新奇量子物态的出现。这两种不同的局域化机制引起了李雅普诺夫指数的非单调变化。我们探讨了无序引起的拓扑相变,并展示了它们的双正交临界性。

关键词：开放量子系统拓扑物态非厄米哈密顿量量子行走淬火动力学

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纠缠光子的制备和应用

纠缠光子的制备和应用

引用

作者：牛孝灵中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学是量子力学和信息科学结合的产物,自上世纪末出现以来,就吸引了众多物理学者的目光.在量子信息学中,量子纠缠无疑是其区别于经典信息学的重要特征之一,是量子信息过程中不可或缺的资源,在量子密码术、量子通信、量子计算中... 详细信息

量子信息科学是量子力学和信息科学结合的产物,自上世纪末出现以来,就吸引了众多物理学者的目光.在量子信息学中,量子纠缠无疑是其区别于经典信息学的重要特征之一,是量子信息过程中不可或缺的资源,在量子密码术、量子通信、量子计算中都起到非常重要的作用. 光量子信息处理方法作为一种量子信息处理方法,因纠缠光子的易制备和易操控的优点而广为人们所使用.然而,随着量子信息理论的发展,人们所关注的对象从两量子比特发展到多量子比特,相应的,光量子信息处理的领域也从双光子发展到多光子.本博士论文从制备适用于多光子量子信息处理实验的飞秒脉冲泵浦高亮度双光子纠缠源开始,主要完成了光子纠缠态制备、度量、干涉等以下几个工作: 1.自发参量下转换过程制备高亮度的偏振纠缠光子源纠缠光子对是光学量子信息处理过程中最为重要的资源,而高亮度的纠缠光子则是多量子比特光学量子信息处理过程中必不可少的.我们在实验上利用Beam-like方法制备出了双光子偏振纠缠态,其亮度大约是同行在同等泵浦条件下的三倍.该纠缠源的高保真度和高亮度,使得许多需要多光子资源的量子信息过程的实现成为可能.它可以大大降低六光子实验的实现难度,并为八光子实验提供可能. 2.提出一种使用随机产生的双光子纠缠光源制备可预知多光子纠缠源的方案在目前的实验条件下,能够制备的双光子纠缠光源多具有随机性（例如SPDC过程）.要想知道纠缠态是否产生,必须要对制备的态进行测量.这对一些多光子实验将产生非常严重的影响,因此,能够先验地得知纠缠态何时产生而不需要对态进行任何破坏性测量的可预知纠缠态制备就具有非常重要的意义.我们提出了一种使用N + 1个SPDC源和线性光学元件来制备N光子可预知GHZ型偏振纠缠态的方案,对N + 2个理想的可分辨光子数计数器进行时间符合测量,可以预知纠缠态是否成功制备.该方案虽然不能完全消除SPDC高阶项带来的影响,但因其消耗的资源较少,在没有高阶项影响的系统中有较大优势. 3.实验上直接测量双光子混态concurrence（共生）的上下限对纠缠该怎样描述,怎样量化,这一直是困扰着物理学工作者的一大难题.我们在实验上利用对态的两份拷贝进行对称反对称投影的方法直接测量得到了两量子比特混态concurrence的上下限,测量结果基本上符合量子态层析术得到的结果.而且,在扩展到多光子时,我们使用的方法只需要线性增加双光子干涉的个数,而量子态层析术需要指数增加的实验资源.同时需要注意到的是,在超过2维×2维的情况下,即使通过量子态层析术得到态的密度矩阵,也没有办法通过其计算态的concurrence数值. 4.观察六光子聚束效应在光学量子信息处理上,很多操作需要通过光子干涉来实现,而干涉本质上是由光子的时间空间不可区分性造成的.多光子聚束现象是一种研究光子的时间不可区分性的有效方法,我们在实验上观察到了六光子聚束现象,用来描述SPDC过程产生的三对光子的不可区分性.测量得到了17±2的增强因子,这虽然比理论值20要小,但却已经高过所有其它的可能值,足以证明我们观察到了真正的六光子态.

关键词：量子纠缠自发参量下转换可预知纠缠态共生光子聚束多光子干涉

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量子通信中CVQKD实验的电子学系统研制

量子通信中CVQKD实验的电子学系统研制

引用

作者：张思洁中国科学技术大学

学位级别：博士

随着通信工程的快速发展,信息安全受到越来越多的关注。在如今这个大数据、信息化的时代,信息泄漏事件时有发生。现有的依靠数学复杂性而形成的密码系统远远不能满足社会的安全需求。而在信息领域,量子特性拥有着独特的功能,在确保信息... 详细信息

随着通信工程的快速发展,信息安全受到越来越多的关注。在如今这个大数据、信息化的时代,信息泄漏事件时有发生。现有的依靠数学复杂性而形成的密码系统远远不能满足社会的安全需求。而在信息领域,量子特性拥有着独特的功能,在确保信息安全、增大信息容量等方面有望突破现有经典信息系统的极限。近年来,量子信息在理论、实验和应用领域都取得重要突破。其中,量子保密通信是以量子物理定律作为安全保障,并结合了经典密码学以及经典通信理论的交叉学科。作为量子力学和电子信息科学、计算机科学相结合的一个新型研究领域和实用化技术,量子保密通信在一定程度上已经实现了商业应用,而且具有广阔的市场应用前景,尤其是在军事、金融、信息密保等领域。在量子通信领域中,量子密钥分发(QKD)能够使两个远端的通信方Alice和Bob实现在理论上的无条件的安全通信。QKD实验系统主要包括光学系统(激光器、幅度调制器、相位调制器、可调光衰减器、电控偏振控制器等)、探测器系统(同步光探测器、单光子探测器、零差探测器等)和电子学系统。本论文作者在博士期间的主要工作是集中在QKD实验系统中的电子学系统的研制工作上,包括对高斯调制的连续变量QKD(CVQKD)实验系统中光学系统组件的控制和调节、对高斯调制CVQKD中探测器系统的数据获取和数据后处理、以及随机数的产生等,还有对测量设备无关的QKD(MDIQKD)实验系统中幅度调制器和相位调制器的控制。根据CVQKD实验的设计目标,电子学系统分为光源控制系统和主控系统。光源控制系统主要负责对光学组件直接调控。为100kHz的同步光激光器提供支持;为调制器提供的驱动电压脉冲的重复频率为20MHz,平坦区域宽度为10ns,脉冲延迟调整步长值为10ps,延迟范围为50ns,且脉冲信号的上升沿和下降沿均小于2ns;而且能够产生多路0V～5V范围内的稳定的电压,为不同的光学组件(调制器、激光器、电可变衰减器、电偏振控制器、甄别器等)提供驱动。光源控制系统的性能满足其设计要求。CVQKD实验的主控系统主要负责数据获取、数据后处理、随机数的产生等。实现了系统所需的时钟800 MHz和400 MHz的高频时钟的产生,并且质量较好,占空比基本为50%,具有可忽略不计的晃动。用于高速数据采集的ADC动态性能良好,信噪比好于55.31 dB、信噪失真比好于52.71 dB、有效分辨率高于8.46 bit,且能达到9.07 bit(200 MHz)。系统所产生的高斯随机数验证符合高斯分布,期望值μ为32771,标准差。为12383,而且数据率能够满足系统需求。通过ASIC芯片获得的两路随机数验证符合均匀分布,且远大于系统所需的数据率。并成功地实现了基于FPGA的千兆以太网通信。对于CVQKD实验来说,本论文所研制的电子学系统各项性能指标均能满足高斯调制的CVQKD实验要求。根据MDIQKD实验对调制信号的需求,研制的电压脉冲发生器在输出脉冲频率为75 MHz,负载为50 Ω的情况下,最大输出幅度高达8 V,输出脉冲的上升和下降时间低至500 ps。而且能够使强度调制器达到最佳性能,消光比实现10000:1量级,最终系统的时间态误码率约为0.034%,相位态误码率约为28%,满足了实验的设计要求。本文首先介绍了 QKD相关的理论基础、相关协议和实验进展,接着介绍了基于高斯调制的CVQKD实验系统,重点介绍了整套电子学系统的各个部分(包括光源控制系统和主控系统)的详细设计情况。然后介绍了 MDIQKD实验系统的结构,并详细阐述了电子学系统中的电压脉冲发生器模块的具体设计细节。最后给出了以上这些电子学模块的重要指标测试情况。本论文在量子通信中的电子学系统的研制方面有以下创新点:1、针对高斯调制的CVQKD实验系统,对高速数据采集、千兆以太网通信、高速并行高斯真随机数生成等关键技术进行研究,完成了电子学主控系统的设计,研发了一套多功能的光源控制系统来实现对激光器、调制器、电可调光衰减器、电控偏振控制器等光模块的控制和调节。2、在高斯调制CVQKD电子学系统的设计中,发送方Alice和接收方Bob的主控系统和光源控制系统采用了一致性设计,节约电子学的研发成本,缩短了研发周期,有利于后期维护。并且在随机数生成部分,利用国产的小体积、低功耗随机数发生器ASIC芯片,降低了系统的空间占用与功耗。3、针对MDIQKD实验系统的调制器对调制信号的需求,专门研发了一款多通道、高速、高带宽、高驱动能力、实时可调的电压脉冲发生器,提高了系统集成化,保障实验顺利完成并取得了很好的科研成果。

关键词：量子密钥分发连续变量 FPGA 高速数据采集高斯随机数测量设备无关电压脉冲发生器

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子空间量子计算的核磁共振实验研究

子空间量子计算的核磁共振实验研究

引用

作者：姚淅伟中国科学技术大学

学位级别：博士

本文的内容是关于核磁共振量子计算。量子计算是量子力学和计算机信息科学之间的新兴交叉学科,近20年来得到了快速的发展。与传统的计算机相比,基于量子力学理论的量子计算机呈现出新的特性及随之而来的优势。随着计算机处理器的... 详细信息

本文的内容是关于核磁共振量子计算。量子计算是量子力学和计算机信息科学之间的新兴交叉学科,近20年来得到了快速的发展。与传统的计算机相比,基于量子力学理论的量子计算机呈现出新的特性及随之而来的优势。随着计算机处理器的微型化趋势,芯片中的逻辑门尺寸正在接近原子尺寸,空间尺度越小,量子效应越明显。目前的理论和实验都已经显示,量子效应能被控制利用并带来通讯和计算的新模式,在某些情况下比经典情形更具有优势,信息通过物理的方法储存、传输和处理,因此,信息的产生、处理和提取实际上是一个物理的过程,信息的研究应该和相关过程的物理规律相联系。信息作为物理中一个基本概念的重要意义正在被发掘,量子信息和计算的理论把这种探索置于坚实的基础之上,并引出一些关于自然世界深刻的思考,推动产生出令人激动的自然新图景。量子密码术,量子隐形传态,量子纠错,量子计算等应用的共同点是都把量子态的叠加和纠缠等量子特性作为信息处理的基础. 量子算法的出现说明了建造量子计算机的实际意义,与经典计算机相比,处理量子信息的量子计算机能更有效地计算一些有重要意义的特殊问题。日前研究者们已经使用线性离子阱,光学系统,液体核磁共振等方法建造了少量子位数的演示性量子计算机.由于要操作和控制的量子体系在实验环境中的脆弱性,使得建造更多量子位的量子计算机非常困难。从现有的实验情况看,液体核磁共振（Nuclear MagnetiC Resonance,NMR）技术是目前最成功的量子信息处理手段之一,它为量子信息的研究提供了一个有效的测试平台。该领域研究过程中积累的丰富量子相干控制技术和研究成果,不仅为下一代的量子信息处理平台的发展提供可借鉴的经验,同时也增进了人们对量子信息科学的理解。在丰富的量子信息研究内容中,有一类研究如何利用大的量子系统中包含的维数较低的子空间进行量子信息处理的问题。这类嵌入式的子空间量子信息处理方式对研究核磁共振Berry相位、容错避错量子计算、无噪声量子信息存储以及简化量子过程重构等课题都是很有意义的。本文的工作主要围绕子空间量子计算相关内容开展,包括以下具体内容: 利用液体核磁共振实现子空间量子计算。在实验中以C13标记丙氨酸的三个碳核自旋作为量子位,制备出α碳自旋标记的羧基碳、甲基碳两量子位子空间等效纯态,随后在该子空间里实现了Deutsch-Jozsa量子算法.实验中使用量子态重构方法重构了所制备的两量子位子空间等效纯态所在的整个体系的密度矩阵,并测量了量子态保真度,结果表明实验成功制备出子空间等效纯态。子空间内进行的Deutsch-Jozsa算法实验的结果也与理论预期很好地吻合,说明该子空间算法实验执行成功。使用强调制脉冲方法制备子空间等效纯态。使用计算机数值搜索方法优化参数获得强调制脉冲,使量子门操作在保持选择性的情况下操作时间明显减少,因此减少了在环境干扰下系统的弛豫和量子退相干对量子门的影响。实验同时制备出2个两量子位子空间有效纯态,由实验重构出的核自旋量子系统状态与理论预期吻合。强调制脉冲门操作脉冲不仅削弱了自旋系统在内部哈密顿量作用下的明显演化,而且避免施加多个低功率脉冲在不同核自旋时引起的偏共振,实验结束时不需额外的校正。当核磁共振量子位数目增加时,系统同核自旋数目和门操作脉冲数目会随之增加,强调制脉冲能有效地保证量子门执行准确度. 在核自旋量子系统中实现两量子位子空间量子过程测量重构。量子过程重构由演化过程的—系列特定初、末态表征开放量子系统的未知动力学过程.通过它可给出量子门保真度,以便于实际量子计算中进行误差分析和相应操控.同无辅助位方法相比,具有标记位的子空间量子过程重构以付出适当的辅助量子位资源为代价,显著地缩减了试验输入的次数.对量子过程的快速准确的跟踪测量有助于及时了解量子调控的执行情况,这具有重要意义。实验中使用溶于重水的C13标记丙氨酸样品,以三个C13核自旋作为三个量子位,其中一个作为辅助位来标记另外两个量子位组成的子系统的量子态演化.考虑所用样品体系中羧基碳和甲基碳的核自旋J偶合强度很弱,在标记量子位和输入量子态选择合理,避免实验脉冲序列中使用最弱的J偶合演化等要求下,设计出初始输入态集合及相应脉冲序列操作的完整实验方案。实验执行结果与理论计算符合,完成对两量子位子空间内CNOT量子门的测量重构. 对固体自旋填充富勒烯量子计算进行探讨。量子计算机的研究发展对特定计算问题具有重要的意义,由于可控性和扩展性优势便于大规模应用的固体量子计算方案受到研究者越来越多的关注。在目前已有固体方案中,有一类基于自旋填充的富勒烯量子计算方案引起研究者比较多的兴趣。在已提出的填充富勒烯的自旋方案里,单原子N,P填充富勒烯被作为量子载体。这一方案具有很多优点,但同时也存

关键词：量子计算核磁共振子空间量子信息处理

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量子密钥分配系统探测端的攻防研究

量子密钥分配系统探测端的攻防研究

引用

作者：钱泳君中国科学技术大学

学位级别：博士

密码学是一个可以为使用者提供隐私，身份认证和保密性的一个学科。密码学的应用无处不在，国防，军事，外交，银行，个人隐私等领域都需要用到密码。现如今应用最广泛的密码系统主要是非对称（公钥）密码系统，它的安全性基于计算复杂... 详细信息

密码学是一个可以为使用者提供隐私，身份认证和保密性的一个学科。密码学的应用无处不在，国防，军事，外交，银行，个人隐私等领域都需要用到密码。现如今应用最广泛的密码系统主要是非对称（公钥）密码系统，它的安全性基于计算复杂度。然而，计算能力的提高，特别是量子计算机研究的蓬勃发展，给公钥密码的安全性带来了巨大的挑战。量子密码学，这一密码学和量子物理学结合的交叉学科可以应对这个问题。它的安全性基于量子力学原理。利用量子密钥分配，同时结合一次一密的加密方式，就可以实现无条件安全的保密通信。　　量子密钥分配协议安全性已经得到了严格的证明。然而在实际系统中，当前器件的实际特性不一定能和理论模型完全相符，这些不相符的地方有可能带来实际安全性漏洞，从而有可能被窃听者利用，进而用于攻击实际量子密钥分配系统。尽管设备无关类协议可以移除设备所有漏洞保证安全性，但是在当前技术下还无法完美实现;测量设备无关协议可以移除探测端所有的漏洞并且能够用当前的技术实现，但是它的实验难度较大，密钥率比传统诱骗态BB84协议低，在QKD系统大规模商用之前，上述两个难题还需要解决;目前大规模使用的量子密钥分配系统仍是基于制备-测量型协议的系统，研究基于现有大规模系统的实际安全性，仍然具有重大意义。　　本人在博士期间工作主要是针对实际量子密钥分配系统探测端的攻防研究具体包括以下几个方面:　　1.实际系统概率探测器致盲攻击及其防御研究　　针对探测器漏洞有一种非常典型的攻击——致盲攻击，有研究者指出致盲攻击可以通过监控大的光电流抵御。我们提出一种概率致盲攻击模型，原始的致盲攻击是这种模型的一个特例。同时，由于当前设备精度限制，监控电流的手段有可能失效。因此，我们通过定量地计算设备监控界，在设备监控范围外去除攻击者窃取的信息，最终得到安全的密钥。同时讨论影响攻击者攻击时的参数范围。这种防御策略对刻画和改进实际量子密钥分配系统的安全性具有指导意义。　　2.基于探测器雪崩过渡区漏洞的攻击　　单光子探测器是量子密钥分配系统中不可或缺的一部分，针对应用最广泛的门控模式InGaAs/InAlAs雪崩光电二极管的单光子探测器，我们提出了一种攻击——雪崩过渡区攻击。随后我们在即插即用的量子密钥分配系统中进行了攻击实验，实验结果显示攻击者Eve引入的误码仅为0.48％。另外，前人提出的传统防御措施，如监控光强，电流，后脉冲对于这种攻击方式均无效。基于实验我们也提出了可能的防御措施。该攻击模型也为提高探测端实际安全性评估提供了思路。　　3.实际系统探测器控制攻击的防御措施　　探测器控制攻击是针对实际系统探测端漏洞的一大类攻击。我们提出可变衰减探测器模型，基于此模型我们得到防御判据，通过在单光子探测器前添加一个可以随机调制衰减值的可变衰减，同时通过监控不同衰减下的计数率和误码率等参数，根据防御判据可以有效地防御探测器控制攻击。实验结果表明在有致盲光和无致盲光的探测器控制攻击下，利用该防御模型窃听者均无法隐藏其攻击行为。这种防御措施和内部电路无关，属于方案层的防御手段。可以提高现有大规模实用化系统的实际安全性。

关键词：量子密码量子密钥分配实际安全性探测端漏洞量子攻防

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开放量子系统非马尔科夫动力学与延迟选择实验

开放量子系统非马尔科夫动力学与延迟选择实验

引用

作者：孙君中国科学技术大学

学位级别：博士

量子力学从原子尺度上描绘了我们存在的自然界。它的理论包含了很多与人们日常经验相违背的概念与语言,比如量子纠缠,量子导引,互补性原理。薛定谔方程描绘的是孤立量子系统的演化。然而现实中大多数的量子系统都不是完全孤立的,它们都... 详细信息

量子力学从原子尺度上描绘了我们存在的自然界。它的理论包含了很多与人们日常经验相违背的概念与语言,比如量子纠缠,量子导引,互补性原理。薛定谔方程描绘的是孤立量子系统的演化。然而现实中大多数的量子系统都不是完全孤立的,它们都会与外界环境相互作用,这些非孤立的系统被称作开放系统。开放系统与环境的相互作用会引入退相干和耗散效应,这对于系统的量子特性(比如纠缠)是不利的。在量子信息和量子计算理论中,量子相干性和量子纠缠都是信息处理的基本资源。然而,量子系统与环境的相互作用最终会导致存储在量子态中的信息的完全流失。这种现象被称为退相干,它是成功地实现量子信息处理过程中的一个难对付的绊脚石。如何防止退相干过程带来的负面效应成为了当今量子力学中的最重要的问题之一。它不仅仅影响到量子信息和量子计算领域,很多其他的物理领域也难逃魔掌。解决这一问题的关键是在能够完成量子态存储和量子态操控所必须的时间内保护系统的相干性不被它周围的环境所影响。这也正是开放量子系统非马尔科夫动力学所要研究的问题。光的波粒二象性问题要追溯到爱因斯坦用光的量子特征解释光电效应以及德布罗意波的物质波理论。不确定原理是量子力学理论的核心。惠勒延迟选择实验的提出回答了爱因斯坦与波尔关于实在论与互补性的争论,自此它推动了量力学理论与相关实验技术的进展。本文阐述了开放量子系统非马尔科夫动力学以及延迟选择理想实验的理论背景与实验进展,并简要地概括了作者在这两个领域所做的以下两篇工作：1.离散Q比特非马尔科夫动力学实验。虽然系统与环境相互作用会导致退相干,但是往往利用量子调控可以让流失到环境中的信息回流到系统中。本文提出了一个离散Q比特开放系统的模型,通过局域操控可以改变系统与环境之间的相互作用。我们在线性光学体系内实验验证了这一模型并证明了如何通过仅仅局域地调控开放系统实现一个马尔科夫过程向非马尔科夫过程转变。2.波动性与粒子性经典叠加的延迟选择实验方案。类似于Ionicioiu提出的量子延迟选择方案,本文提出了一个在一次干涉实验中,波动性与粒子性处于经典叠加态的延迟选择方案。通过调节相应的参数可以观察到波动行为向粒子行为转变的实验现象。这一方案同时说明了一个问题,随着探测仪器的分辨率越来越高，一次测量过程中人们可以选择在粒子时间分布的波包内某一时刻进行探测,选择不同的时刻会影响最终测量的结果。

关键词：开放量子系统非马尔科夫动力学退相干量子信息处理波粒二象性延迟选择实验

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囚禁离子的超分辨成像研究

囚禁离子的超分辨成像研究

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作者：钱忠华中国科学技术大学

学位级别：博士

近几十年来,量子计算、量子通信和量子精密测量的飞速发展引领了第二次量子革命。随着实验技术的进步,人们对于单个或多个量子比特的操控手段日益丰富,操控精度日益提高,借助量子技术,有望大幅提高现有计算速度,增加通讯的安全性,提高... 详细信息

近几十年来,量子计算、量子通信和量子精密测量的飞速发展引领了第二次量子革命。随着实验技术的进步,人们对于单个或多个量子比特的操控手段日益丰富,操控精度日益提高,借助量子技术,有望大幅提高现有计算速度,增加通讯的安全性,提高物理量的测量精度。对于原子、离子、分子和固态量子体系而言,远场光学通常用于量子比特的操纵、探测和成像。例如在离子阱系统中,用远场聚焦的阵列光斑对任意位置的单离子寻址,实现任意两离子或多离子间的量子纠缠;利用态依赖的荧光技术探测离子内态;通过多普勒冷却过程,利用物镜收集散射的荧光直接成像。对于量子系统而言,成像分辨率是一个非常重要的指标。它决定了系统中能够分辨的两个量子比特的最小距离,从而决定了单个原子或离子的位移探测精度。但是根据阿贝衍射极限,分辨率受限于波长和物镜的数值孔径,极限分辨率在半波长量级。为了克服衍射极限带来的分辨率限制,我们提出了基于基态耗尽的量子系统超分辨成像方案。其原理类似于生物领域的受激辐射损耗显微镜,利用空心光(中间光强为零)选择性地耗尽量子比特的基态。当离子位于空心光中心时,由于光强为零,量子态保持不变,而在其他区域,量子态将会被极化,这样量子比特的空间位置将会被编码在量子态上。本文的研究内容主要包括以下四个部分:(1)研究了基于数字微镜设备的全息光束整形技术。该方法的关键在于波前像差的纠正和光束的整形。我们利用多步相移法测量出了整个光学系统的像差,并将修正后的波前相位叠加到待整形光束的相位上,将计算出的全息图投影在数字微镜设备上生成了不同阶次的拉盖尔-高斯光束和厄米-高斯光束;(2)研究了单离子的超分辨成像技术。我们建模分析了影响成像分辨率的两个因素:耗尽光强和耗尽时间,以及极限分辨率的限制因素。我们在离子阱系统中演示了超越衍射极限的成像效果,用数值孔径为0.1的物镜实现了 175 nm的空间分辨率,相比传统的荧光成像方法分辨率提高了 1 3倍;(3)利用(2)发展的超分辨成像技术,我们研究了离子的动力学特性。我们拍摄了单个离子的久期运动的二维轨迹图像,空间分辨率超越了衍射极限,时间分辨率达到50 ns,轨迹的重构精度达到10 nm;(4)提出了基于贝叶斯优化的波前感知与修正方法,并通过模拟仿真和实验验证了算法的有效性。该算法以8阶Zernike系数作为输入,以点扩散函数的斯特列尔比作为输出,通过迭代优化找到符合条件的输入作为最优解,其张成的相位即为系统像差。我们研究了小像差和大像差情况下的算法收敛性和对初始相位的敏感度,验证了该算法在收敛速度和鲁棒性上具有一定优势,作为(1)算法的改进。我们发展出一套冷原子体系的二维超分辨成像工具,该方法可以扩展到多离子、光晶格、光镊和腔量子电动力学体系中,用来实现单原子或多原子的分辨,以实现更高的时空探测精度。也可以用来提高物理量如位移、电场力的探测灵敏度。

关键词：超分辨成像离子阱态探测光束整形贝叶斯优化

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量子密码术和量子纠缠度量的有关研究

量子密码术和量子纠缠度量的有关研究

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作者：曹娅中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息物理与信息科学相结合时导致一门新兴交叉学科-量子信息学的诞生。量子信息与计算科学在基础科学研究方面有着深远的意义，它的目标之一就是增进人们对量子力学基础的理解;随着实验技术的发展，量子信息与量子计算研究从最初的... 详细信息

量子信息物理与信息科学相结合时导致一门新兴交叉学科-量子信息学的诞生。量子信息与计算科学在基础科学研究方面有着深远的意义，它的目标之一就是增进人们对量子力学基础的理解;随着实验技术的发展，量子信息与量子计算研究从最初的学术兴趣对象，变成对计算机科学，密码技术，通信技术以及国家安全，商业应用都有潜在重大影响的领域，引起国内外的广泛关注。其中量子纠缠作为量子通信和量子计算的重要资源，吸引了众多物理学家的巨大兴趣。针对量子纠缠的研究十分广泛，从最基本的定义到量子纠缠的应用以及量子信息处理方案的实验实现等等。我们以量子纠缠为重要研究对象，开展了以下两个方面的研究。第一方面研究了如何利用不同类型纠缠态实现安全高效量子密钥分发。通过使用EPR对控制有序重排协议来进行量子密钥的分发，我们提出了使用N量子比特和N-qutrit的推广的控制有序编码协议，并且具体的通过3-qubit和2-qutrit最大纠缠基态来表示它们。更为重要的是我们对使用qutrit的方案用量子协变克隆机来进行安全性的分析。尽管推广的方案的使用需要进一步的研究，推广的控制有序重排编码协议有更强的能力和更高的效率。此外，我们使用非最大的纠缠W类态概率的进行控制有序重排编码协议，这个协议具有完全的效率。我们比较了这个协议与原始协议的相似处和不同之处。最后我们使用这类W态来进行信息的密钥分离，这个方案具有抗退相干性。第二个方面研究量子纠缠定量上的度量和定性上的分类。我们提出一种推广几何纠缠度的方式，称之为修订的几何纠缠度。通过修订的几何纠缠度，我们定量了两粒子量子系统两参数类态，两粒子高维的最大纠缠混态，各项同性的态包括n粒子d能级的情况和多粒子束缚纠缠态。结果表明修订的几何纠缠度是合理的纠缠度量。除了用修订的几何纠缠度来研究了两粒子高维特殊态系的纠缠程度，我们进一步用它研究多方系统和连续变量系统的纠缠程度。给出了一些多部分对称纯态包括GHZ、W态的修订几何纠缠度，这也包括了多部分噪声中推广的Smolin态。同时，我们得出了连续变量两模式压缩热态的修订几何纠缠度。令人满意的是我们仍得到了关系E≤E最后我们推广几何纠缠度的概念到连续变量系统中来，给出纠缠单调子高斯几何纠缠度。定性的研究上，我们从两种角度(代数和几何)对四量子比特进行SLOCC等价类的划分，给出23类，构成四层偏序的分类结构，给出判断任意给定态所属类的方法，并重新从2×2×2，4×4角度对4-qubit进行分类，计算给出了4-qubit的一些纠缠单调子。最后阐述分析了不同三量子比特纯态分类的不同方法，得出我们的结论。本文分为四章：第一章介绍量子密码术的研究进展和量子纠缠的相关概念。第二章给出推广的控制有序重排密钥方案，使用W态的概率控制有序重排方案和密钥分离方案。第三章，我们提出修订的几何纠缠度，并讨论了离散和连续变量的的纠缠态系。第四章，我们讨论了四量子比特纯态的分类。第五章是全文总结。

关键词：量子密码量子纠缠纠缠度量量子信息学

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碳化硅色心的制备与量子调控

碳化硅色心的制备与量子调控

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作者：李强中国科学技术大学

学位级别：博士

碳化硅是一种广泛应用于微电子、航天航空、大功率器件等行业的宽禁带半导体材料。碳化硅具有成熟的单晶生长、微纳加工和掺杂等技术。近几年,碳化硅色心因具有近红外荧光辐射、长自旋相干时间以及易于集成等优点吸引了越来越多的关注,... 详细信息

碳化硅是一种广泛应用于微电子、航天航空、大功率器件等行业的宽禁带半导体材料。碳化硅具有成熟的单晶生长、微纳加工和掺杂等技术。近几年,碳化硅色心因具有近红外荧光辐射、长自旋相干时间以及易于集成等优点吸引了越来越多的关注,并得到快速发展。与金刚NV色心一样,碳化硅色心可以在量子计算、量子通信、量子精密测量等方面有重要的应用价值,并且基于碳化硅色心的量子器件在基于光纤传输的量子网络、活体生物结构探测、大规模集成、与现有半导体工艺兼容性等方面更具有优势。本人研究生期间主要进行碳化硅色心的制备、相干操控以及应用的实验研究。本文所取得的主要研究成果如下:1.室温高亮单光子源的制备,及其在量子信息方面的应用。我们实验上实现了基于4H-碳化硅中碳硅反空位(CSiVC)色心的可见光波长的室温单光子源、基于3C-碳化硅的近C-波段通信波长的高温稳定的单光子源和基于氮化镓的覆盖可见光和近红外波长的室温单光子源。并将上述室温单光子源应用于基础物理研究,我们实验上利用单光子源和线性光学器件构造开放系统,并实现了其哈密顿量满足反PT-对称的非幺正的洛伦兹变换,实现了超流系统中玻色子-波戈留波夫准粒子的动力学演化的实验模拟。2.碳化硅中单个硅空位色心的可控制备及其缺陷系综的相干操控。我们实验上通过电子束曝光、离子注入以及真空退火等技术,实现了单个硅空位色心的可控制备,硅空位色心的产率高达80%,是目前固态系统中己报道的最高记录。并研究了单色心在室温环境下的光学性质;进一步制备高浓度硅空位色心系综的碳化硅样品,并实现高灵敏度的磁场量子精密测量。3.碳化硅中硅空位色心纳米级精度的深度控制。我们实验上通过反应离子刻蚀实现了对碳化硅表面纳米级精度的选择性刻蚀,并证明该过程对近表面硅空位色心的影响很小;利用反应离子刻蚀和共聚焦显微成像实现了对不同能量和种类的离子注入所产生的硅空位色心深度分布的重构;研究了深度对浅层硅空位色心的自旋和光学性质的影响,为其在体外自旋探测和磁共振成像方面的实际应用打下基础。4.碳化硅中单个双空位色心的可控制备以及室温下的自旋相干操控。我们实验上可控制备了基于4H-碳化硅的单个双空位色心阵列,并首次实现了单个双空位色心的电子自旋在室温环境下的相干操控,其ODMR对比度以及单色心荧光强度均为目前室温下碳化硅中单个自旋缺陷的最高纪录,可以与金刚石NV色心相媲美,这也是继金刚石NV色心之后发现的第二个在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子亮度的固态色心;还实现了单色心电子自旋与近邻29Si核自旋的耦合,这将有助于制备光-电子自旋-核自旋的复合纠缠态,促进碳化硅色心体系在量子信息的应用方面的发展。

关键词：碳化硅色心自旋量子比特自旋相干操控量子传感量子模拟

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动力学退耦合方法在生成簇态和自旋压缩态中的应用

动力学退耦合方法在生成簇态和自旋压缩态中的应用

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作者：张纪英中国科学技术大学

学位级别：博士

由量子力学和信息科学相结合而产生的量子信息科学主要包括量子计算、量子度量学、量子模拟、量子通信和量子密码这五个领域。因为量子信息科学包含量子物理的特性,所以其在很多方面都表现出了巨大的优势,如具有强大并行计算能力的量子... 详细信息

由量子力学和信息科学相结合而产生的量子信息科学主要包括量子计算、量子度量学、量子模拟、量子通信和量子密码这五个领域。因为量子信息科学包含量子物理的特性,所以其在很多方面都表现出了巨大的优势,如具有强大并行计算能力的量子计算的计算速度远快于经典计算,能胜任很多经典计算所不能完成的任务;量子度量的精度在一些领域也已经突破了经典物理极限,甚至逼近了海森堡极限(量子力学极限)。在这篇论文中,我们介绍了量子信息科学包含的五个主要领域的基本知识,其中重点介绍了量子计算。量子退相干现象是实现量子计算所必须要克服的一个主要障碍,我们介绍了克服量子退相干的三种方法：量子纠错码、消相干子空间和动力学退耦合,其中重点介绍了第三种方法。应用动力学退耦合的方法我们有效的消除了量子比特之间的次近邻相互作用因而大大提高了生成的簇态的保真度。另外,应用动力学退耦合方法的思想我们成功的将单轴自旋压缩态转变成了压缩性质更加优良的双轴自旋压缩态。我们还可以将制备自旋压缩态过程中的非线性噪声有效的消除掉。具体如下： 1.通过分析已经提出的制备链状簇态的方法,我们发现量子比特间的长程相互作用会导致生成簇态的保真度大大的降低。为了解决这一问题,我们提出了应用动力学退耦合方法来消除量子比特间次近邻相互作用的方案,其中我们分别在XY和Ising模型中研究了这一问题。我们提出的方法最终将不想要的次近邻相互作用有效的抑制掉了,因而大大提高了生成簇态的保真度。 2.我们提出了一个将单轴自旋压缩哈密顿转变成双轴自旋压缩哈密顿的方案,其中我们是依据Trotter-Suzuki近似展开理论完成的上述方案。和Liu等人提出的将单轴自旋压缩转变成双轴自旋压缩的方法[Y. C. Liu et al., Phys. Rev. Lett.107,013601(2011)]相比,我们将外加脉冲对数从1000多减少到了50,这在实验上更容易实现。另外,和文章[C. Shen et al., Phys. Rev. A87,051801(2013)]中的方法相比,我们的方法不依赖于系统中的粒子数而且需要的演化时间也比较短。我们在文章中也给出了Trotter-Suzuki近似展开方案的误差分析。 3.我们提出了一个在制备单轴自旋压缩态过程中既可以保护又可以加强压缩性质的方法,此方法是借助于外加脉冲序列来实现的。这里,“保护”是指系统演化过程中不受平方项的非线性噪声的影响,“加强”是指可以将单轴自旋压缩态转化成双轴自旋压缩态。保护自旋压缩是通过将二次项的噪声算符转化成总角动量算符的平方,进而应用总角动量算符的平方的守恒性实现的。加强自旋压缩也是借助于总角动量算符的平方的守恒性。通过数值模拟结果我们发现此方法的效果非常好,当外加脉冲足够多时,外加脉冲就能够将非线性噪声完全抑制掉,并同时将单轴自旋压缩态转化成双轴自旋压缩态。

关键词：量子计算量子退相干动力学退耦合簇态自旋压缩态

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