【优秀文献】中国科学技术研究院量子信息科学普及与发展数学论文_科学论文_127 范例论文标题：中国科学技术研究院量子信息科学普及与发展数学论文_科学论文编辑：潇潇 摘要本文介绍了中国科学技术大学量子信息科学研究的蓬勃发展，重点介绍了量子信息基础理论、量子密码学、量子纠缠、量子隐形传态、量子处理器及其应用。量子信息。 等研究成果。 关键词 量子信息 ~ 量子纠缠 ~ 量子通信 ~ 量子估计 1 引言 在 20 世纪 80 年代，电子计算机根据摩尔定理蓬勃发展，运算速度每 18 个月翻一番，物理学家提出了毫无根据的问题：摩尔定理是否会结束，他们的研究推论是：摩尔定理必然失败，量子计算机有望成为后摩尔时代新的估算工具。 当时信息领域的科学家们忽视并关注了这一点，因为当时摩尔定理正处于辉煌的顶峰。 然而，物理学家们经过不懈的努力，终于诞生了量子信息这一新兴的跨学科学科。 1994年，Shor提出了一种量子并行算法1，~并证明它可以用来实现大数的分解~从而轻松攻克目前广泛使用的RSA公共密码系统。 这一新兴学科的巨大威力震惊了整个国际学术界~并引起政界、军事界和政界的高度关注。 从此量子物理论文范文，量子信息科学迎来了快速发展的新时代。 今天它仍然方兴未艾：我们在20世纪90年代投资了这个新兴产业，当时量子信息在国际上突然流行起来。 跻身该领域研究行列，并于1997年和1998年先后在《Phys.
莱特牧师。 ”提出了“量子防错编码原理”和“量子概率克隆原理”，引起了国际学术界的高度关注。1999年，中国科学技术大学开始建立第一个国外量子技术重点实验室。这个极具前瞻性的战略安排，开创了我校量子信息研究的新局面，此前，我回国组建的研究团队只有一台笔记本电脑，而我们坐在板凳上，默默耕耘了15年。2001年，我校作为首席科学家单位承担了科技部“国家重点基础研究发展计划”项目“973”项目：“量子通信” “量子信息技术”，由来自国外17个单位的50余名学术骨干组成。研究团队除了取得一系列重要成果外，还培养了许多优秀的年轻学术骨干。 在随后实施的国家重点基础研究计划“量子调控”中，研究团队衍生出五位首席科学家。 本世纪初，我校从中国科学技术大学千人计划引进了土耳其杰出青年学术带头人潘建伟博士。 他随即在“合肥微尺度国家实验室”成立了“量子化学与信息”研究组，开始从事多光子研究。 在纠缠领域，不断产出国际领先水平的成果。 本课题组与中国科学技术大学量子信息重点实验室共同推动了我国量子信息的发展，成为我校数学学科特色鲜明、成果丰硕的新增长点。 本文将简要介绍我院在量子信息领域的主要研究成果。
2 量子信息领域首个国家级奖项2（1提出了可以有效抑制环境噪声的量子防错编码原理，2.量子相干性在环境影响下必然会消失，这种退相干效应是关键量子计算机和量子计算机信息系统实际应用的主要障碍，量子编码是有效克服退相干的有效途径，国际学术界提出了基于独立退相干的量子纠错编码，我们发现存在“ “退相干”，在集体退相干过程中不会出现。“相干保持态”，也称为“非退相干子空间”——DFS，并基于这一发现，提出了量子防错编码原理，该原理已成为量子防错编码原理之一。迄今为止，三种原理不同的量子编码，日本三大知名实验室和NIST的三个研究小组分别否认了这种编码在光子、离子和核系统中的正确性。 所有三个实验均发表于《》、3，我们的论文被引用为原创作品。 2(2提出了可以有效提取量子信息的概率克隆原理，4.量子不可克隆定律为量子信息提取设置了难以逾越的障碍。因此，学术界提出了不精确克隆的量子通用克隆原理其克隆效率为1，但保真度始终大于1。我们提出概率量子克隆原理，可以以一定的概率精确克隆量子信息，即克隆效率始终大于1，但保真度为1。国际学术界称之为“段果量子克隆机”——最大的克隆效率称为“段果边界”。我们也实验成功地研制出了这两类量子克隆机，验证了理论预测的正确性。5、～被国际学术界誉为“该领域最激动人心的最新进展之一”，6、。
2(3)腔量子电热，QED，提出了一种可以有效抑制腔损耗影响的新型量子处理器解决方案。 7.腔QED是一种理想的量子处理器。 然而，腔损失导致量子信息泄漏并阻碍其实际运行。 为此，腔体的Q值必须非常高，这是现有技术无法实现的。 我们提出了一种新的解决方案，可以抑制空腔损耗的影响，并证明可以用现有技术实现。 英国伦敦师范大学著名学者教授的研究小组很快就通过实验否定了这一方案的正确性8。 我们的论文已成为该研究方向后续工作中必须引用的原创论文。 迄今为止已被SCI引用260余次。 2003年，上述成果以“量子信息技术基础研究”为题入选国家自然科学奖二等奖。 3 量子密码3（1实现上海至南京125km商用光纤的量子密钥分发，9.量子密码是量子信息领域最有可能实际应用的技术。日本人称“量子加密”为新技术“改变人类的未来”，量子加密原理已在实验室外成功论证，国际学术界目前正在研究走向实用化过程中的关键科技问题，光纤量子最关键的问题密钥分发研究中的一个观点是：当今广泛发展的不等臂MZ干涉仪实际上是安全的，但稳定性较差，无法在商用光纤上运行。改进的返回光学系统似乎解决了稳定性问题~但其存在漏洞我们解决了稳定与安全相统一的难题。
通过实验研究了光纤系统不稳定的数学症结，从理论上提供了稳定条件，进而设计了满足稳定条件的迈克尔逊-法拉第干涉仪，并在实验室外实现了150km量子密钥分发。 上海至上海之间125公里商用光纤已实现量子密钥分发和加密图像传输。 这是迄今为止国际上报道的最远距离实用光纤量子密钥分发。 3(2)本地量子保密通信网络在上海试验成功。 借助我们自主发明的量子网络路由器和双向传输、抗干扰的调频量子密钥分发系统，我们于2007年3月在上海完成了世界上第一个多通道量子密钥分发系统。 4个节点、无中继、同时任意互操作的安全通信网络，取得了很好的通信效果。 本次测试在中国电信公司商用通信光纤线路上实施。 节点宽度 当距离为 43~32~40~32km 时，对应的误差分辨率分别为 7.7%、4.1%、6.6%、2.4%。 测试表明，系统无需人工干预即可运行。 可全年稳定运行。 3（3无共享参考系的量子通信的实验实现，10.在1km光纤中，借助偏振光和时间模式两者纠缠的光子对，实现了BB84量子秘密，具有更强的抗干扰性密钥传输的改进方案，这种量子密码不受光纤扭曲、旋转或光纤本身缺陷的影响，通信双方不需要精确的同步时间，从而大大增加了通信的复杂度。
无论外部环境如何变化，光纤通信双方总有办法获得必要的密码。 据悉，我们还对量子通信方案的绝对安全性进行了理论论证，避免了现有光纤量子通信的安全风险。 “Phys. Rev. Lett.”审稿人认为该结果“非常出色”且“具有特殊价值”。 4 量子纠缠源的制备与操控 量子纠缠是量子信息领域最重要的资源。 当两个或多个粒子处于纠缠态时，如果对其中一个粒子执行操作，其他纠缠粒子的量子态将立即发生相应变化，无论它们位于何处。 因此，这些基于量子非定域性的本征通道在纠缠粒子之间形成了量子网络，可以实现量子通信，即传输量子信息，还可以进行分布式量子评估。 自从量子信息作为一门新学科诞生以来，量子纠缠就成为国际学术界研究的热点。 我校成功研制高色温光子纠缠源：连续纠缠光子源~12.8对/秒，对比度95%，脉冲纠缠光子源~14000对/秒，对比度87%，居世界领先水平。 4(1)量子信息传输的独特现象。 两个纠缠的光子形成一个量子通道。 通过操纵每个光子，可以实现许多新颖的信息传输功能。 1997年，所谓的“量子隐形传态”在实验上实现了“~未知的量子信息被传送到远处的纠缠光子，但原本携带量子信息的化学载体却留在原地，没有被传送。
我们进一步研究了量子信息传输的许多有趣现象： 1、实验上实现了单光子量子态的远程操控——即局部操控一个纠缠光子——并在远处制备了另一个纠缠光子。 在，11,,,2，在本地对纠缠光子执行任意相位旋转操作 - 该操作可以传输到远处 - 在另一个光子状态上旋转，12,,,3，在实验中演示当纠缠通道为破坏，纠缠净化可以通过单光子局域操作而不是离域操作来实现，13，。 4(2 多光子化学研究进展，14，多光子量子态具有许多重要的性质——例如，N个光子态干涉呈现的德布罗意波长减小到1/N——这可以使相位检测达到海平面桑伯极限的精度用于光学刻蚀，其精度可以提高到1/N，光子越来越多的量子态包含更丰富的量子现象，但制备也更困难，我们在理论上提出一种所谓的“NOON态投影探测方法”——可用于制备和识别多光子量子态——通过实验演示了四光子和六光子德布罗意波长——并结合了众所周知的双光子红-祖-曼德尔，洪曲-，干涉扩展到多光子场~实验否定了这些方法是多光子化学中重要且有效的实验方法。4(3五光子纠缠态的实验实现，15，第一篇实现发现了五光子纠缠态，并证明借助这种纠缠态，可以实现终端开放的量子隐形传态，即将未知的量子态隐形传输到终端的三光子纠缠态。 然而，根据三个颗粒的配合，可以在任何颗粒上制备。
借助这种五光子纠缠态，量子纠缠浓度和纠缠交换也得到了实验证明，这是实现量子中继研究的重要一步。 4(4 六光子图态纠缠的实验实现，16、通过多光子操控技术的进一步发展，本工作在实验中实现了基于光子比特“焊接”技术的量子计算机测试平台，并成功制备了国际薛定谔猫态具有大量纠缠光子和团簇态，可直接用于量子估计，该成果作为封面标题发表在2007年2月1日出版的日本《杂志》上~审稿人评论“迄今为止在光学量子估计领域最先进的实验工作”和“一项杰出成就——为量子估计、量子纠错和量子热学等基本问题的研究铺平了道路”。法国数学会称赞该工作》对于量子计算机5（1）两个量子比特复合系统中量子态隐形传输的实验实现，17、复合系统在国际上首次成功实现了量子态隐形传输~成功实现首次操纵六光子纠缠态~这为实用量子信息研究创造了新的起点。 对容错量子估计、量子中继、通用量子纠错等重要研究方向具有非常深远的影响～《网站特刊》，并在《研究》上对这项工作做了专题报道《》杂志的《花絮》专栏~称赞实验结果是“大规模量子通信研究的重大进展”。
该工作荣获“2006年度中国十大科技进步新闻”。 5(2 光子和原子量子位嵌入式存储的量子隐形传态的实验实现，18、嵌入式存储的量子位隐形传态是实现大规模量子通信和基于探测的量子估计的关键。虽然量子态的隐形传态和存储量子比特的原理已经被证明，但要实现嵌入式存储的量子比特隐形传态还存在一定的困难，首次将光学量子比特态隐形传输到原子比特上，实现了嵌入式存储的量子比特隐形传态实验中，将未知的偏振光子态通过7m的距离传送到原子比特，并成功存储8μs，状态可转换为光量子态，进行进一步的量子信息处理。状态到原子状态以及嵌入式可读存储的实现，使得有效且可扩展的量子网络有望在不久的将来实现。 6 量子信息处理器研究进展 量子计算的最终实现取决于化学可扩展量子信息处理器的成功研制，可用于高效存储和处理量子信息。 目前的研究水平距离这个目标还很遥远，但科学家们正怀着坚定的信心朝着这个目标迈进。 我们在固体化学、量子光学和核磁共振量子估计化学等基础研究方面取得了一系列重要的理论和实验进展。 .6(1 理论上提出了一种基于腔QED的新型量子信息处理器方案，19，通过对腔泄漏光子进行单光子探测，可以实现不同腔内原子之间的纠缠。具有效率高、抗噪声能力强、轮询方便等优点。
“Phys. Rev. Lett.”审稿人称赞道：“在寻找随意形成量子态的方案中，这可能是一篇里程碑式的文章。” 此外，利用高Q腔内单个原子与腔外单个原子之间的相互作用，设计了一种高度可行的基于光子的量子估计方案。 它以原子为中介，实现光子之间的受控相位门操作，该方案按照目前的技术水平和抗噪声能力是可以实现的，学术界给予了很高的评价。 6(2提出了固态容错量子估计的新方案，20、固态量子估计被国际学术界认为是最有希望成功研究的方法之一~固体中量子位之间的固有耦合态是其优势的关键，易于扩展和集成~然而，在量子计算过程中，往往需要打破量子比特之间的这些固有耦合，这是固态量子计算遇到的新困境，我们提出提出了“无交互子空间，IFS”的新概念，可以通过编码实现逻辑位之间的解耦，同时否认在实际固态模型中实现逻辑位的任意受控操作的可行性进一步，得到学术界认可的无退相干子空间，DFS与IFS结合～提出了一种新的固态容错量子估计方案～并在实际固态模型中证明了其可行性。 这为固态量子估计开辟了新的研究方向。 6(3 实验实现量子控制非门的不可见传输，21 因此，基于量子光学系统实现量子估计化学是另一种有前途的途径，其优点是量子相干性好。
然而，此类方案的缺点是化学可扩展性差。 分布式量子估计方案是克服这一缺点的有效途径，即以仅有少数量子比特的系统作为节点，利用纠缠通道将节点连接成量子网络，实现量子估计。 该方案的可行性取决于能否在相距较远的节点之间实现两位量子控制门操作的关键问题。 特别是，在光子与节点量子位之间非强耦合的条件下实现确定性受控非门操作更为关键。 我们在实验中利用纠缠光子对将一个节点的两位受控门操作通过纠缠量子通道隐式传输到远处的另一个节点~实现了两个节点之间确定性的受控门操作~该操作的平均保真度达到0.84。 “Phys. Rev. Lett.”审稿人认为“这是实现分布式量子估计的重要一步”。 6(4 实验实现独立光子之间的量子逻辑门，22，光子之间的相互作用很弱~实验上实现两个独立光子之间的受控非门运算相当困难。借助五光子纠缠技术——首次实现独立光子之间无损且可扩展的量子逻辑门——这是线性光量子计算研究中最基本、最重要的一步。作为这些量子逻辑门的一个重要应用实例——它正在进一步在实验中使用它6(5 混合态量子几何相的实验研究，23、几何相是量子理论中的重要概念，但目前尚不清楚哪些几何相是量子混合态。
借助核磁共振、核磁共振和实验技术，我们完成了不同噪声的量子混合态的制备——观察到任意量子态的几何相位。 这项工作引起了国际学术界的高度关注。 6(6 借助光子比特实现Shor的量子分解算法，24，我们在世界上首次设计了一套带有光子比特的线性光网络~实验演示了15=3×5的质因数分解~并证实量子计算多体纯纠缠的存在~验证了量子加速的症结，这项工作赢得了国际学术界的关注和认可，麻省理工学院院士Seth Lloyd评价说，这个实验“迈向光学量子估计的必要一步”。日本化学学会发布了题为“量子估计的重大突破”的新闻稿，并称赞“这项创造性工作将有助于进一步应用化学物理建模和超快搜索”。科技新闻刊物《New》以《量子估计威胁我们的绝密数据》为实验做了简短的报道~称“能够运行肖尔算法的量子计算机的出现具有极其深远的意义：它意味着在未来的量子计算机可以轻松破解我们的CCB账户~商业和电子商业数据所使用的加密。”此外，许多其他科学期刊和网站，例如美国的《新闻》和德国的《新闻》也进行了报道这项工作。 6(7 首次证明“量子开关”可以局部识别，量子信息处理提供了实用技术，25.此前物理学家证明了量子门操作可以被精确识别，但这种方法需要量子纠缠作为基础资源，而量子纠缠的获取、保存和传输都非常困难~所以实验很难实现。
借助酉变换的基本性质，我们证明了量子门的识别过程不需要花费纠缠资源。 只能采用本地操作和传统方法来完成识别功能。 这一成果是量子信息处理过程中量子门运算的识别。 它为量子通信的通信识别提供了非常好的工具。 审稿人评论说它“为我们理解量子运算做出了重要贡献”。 7 量子信息应用研究进展 7 (1) 该理论借助纠缠光子对进行了实验检验，26。在量子化学中，隐变量理论仍在挑战量子热的完整性。 该违规行为否认这些隐藏变量不存在。 量子热学已经完成。 但这个推论只适用于类似太空的风暴。 - 该理论进一步阐明了与环境无关的隐变量NCHV与量子热电容不相容，但前几年只有两个关于NCHV的实验进行了统计测试。 我们对NCHV完成了“全有或全无”类型的非统计实验测试——实验结果有力地说明了量子热7(2)的正确性，首次借助核磁共振实现量子博弈实验。 27、实验验证，在量子博弈中，如果两个玩家选择量子策略，就会得到多赢的结果，而在经典博弈中，任何理性参与者都不可能获胜，这个有趣的研究结果引起了人们的关注。引起国际学术媒体的广泛关注，美国和加拿大数学会发表了许多报告和评价。
7(3 实验实现高精度量子相位探测，28、应用双卡光子数态和独创的多光子投影探测方法~实验测得的相位精度超过相应标准量子极限。该方法最有前途逼近海森伯极限的方法。法国著名数学网站以《测量精度突破标准量子极限》为题做了专题报道。7(4“量子游戏机”实验研制成功，29，是一种宏观展示量子热异常行为的奇妙机器，其功能可以抑制“银行家”的误导，可能会成为未来量子信息产业必备的商业机器。报道~美国数学网站也给出了题为“ 《物理学家打造量子游戏机》 8 结论 量子信息技术已成为各国战略竞争的焦点之一。 在国家重大利益的竞争中，我们必须义无反顾地肩负起这一历史责任，为我国在这一新兴领域赢得重要一席之地。 面对这一巨大的挑战和难得的机遇，我们将以量子通信网络和量子计算机为研究目标，努力奋斗，永不放弃。
1994,20,2,段林国GC. 物理。 莱特牧师。 , 1997, 79:1953; 物理。 牧师，1998，57：737； 1998,57:2399,3，Kwiat P Getal。 , 2000, 290:498; 详细。 , 2001, 291:1013; 维奥拉·莱塔尔. , 2001, 293:2059, 4, 段明明, 郭广昌. 物理。 莱特牧师。 ，1998，80：4999，5，黄YF，LiWL，LiC等。 物理。 修订版 A，2001 年，64：，6，A. . 物理。 , 2000, 41:404, 7, 郑SB, 郭GC. 物理。 莱特牧师。 ，2003 年，85：2392，8，塞塔尔。 物理。 莱特牧师。 ，2001，87：，9，HanZF，MoXF，GuiYZ 等。
应用。 Rev. A, 2005, 86:;MoXF, ZhuB, 。 选择。 莱特。 ，2005，30：2632，10，，，JC 等。 物理。 莱特牧师。 ，2006， 96：， 11，，LiJ，。 物理。 Rev. A, 2005, 72:, 12，，LiJN，GuoGC。 物理。 Rev. A, 2005, 71:, 13, 王志文, 周新峰, 黄一峰等。 物理。 莱特牧师。 ,2006,96:,14,,,. 物理。 莱特牧师。 ，2006，97：，15，赵Z，陈亚，张安等。 ,2004,430(54-58):02643;赵Z,杨涛,陈亚等.
物理。 莱特牧师。 ，2003，90：，16，LuCY，周XQ，Gü。 ，2007，3：91，17，张Q，A，塞塔尔。 ,2006,2:678,18,陈亚,陈S,袁. ,2008,4:103,19,段林明,HJ. 物理。 莱特牧师。 ，2003，90：，20，周XX，周ZW，郭G等。 物理。 莱特牧师。 ，2002，89：;周ZW，于B，周XX等。 物理。 莱特牧师。 ，2004，93：，21，黄一峰量子物理论文范文，任新峰，张玉瑟尔。 物理。 莱特牧师。 ,2004,93:,22,包新华,,张庆等。
物理。 莱特牧师。 ，2007，98：，23，DuJ，邹普，石金属。 物理。 莱特牧师。 ，2003，91：，24，露西，DE，杨特塔尔。 物理。 莱特牧师。 ,2007,99:,25,周XF,张YS,郭GC. 物理。 莱特牧师。 ,2007,99:,26,黄YF,LiCF,张. 物理。 莱特牧师。 , 2003, 90:, 27, DuJ, LiH, XuX 等。 物理。 莱特牧师。 ，2002，88：，28，SunFW，LiuBH， 等。 , 2008, 82:24001, 29, 张P, 张YS, 黄. ,2008,82:30002 转发于