量子机器,量子计算化学,核聚变


在最近的一期《科学》中,报道了量子机器,实际上就是微型机械振子系统,冷却到量子基态,然后用于精密测量或者展示一些量子世界的奇妙现象。这篇报道对这个方向很乐观,估计到明年就将有差不多6个实验组同时实现这个目标。同一期中,也有一个音频采访,讨论了这个有趣的话题。

量子计算机提出了十几年了,但如何能够做出比经典计算机更好的工作,还没有实现。最近有两个实验组分别利用单光子系统NMR系统完成了对氢分子基态能量的计算,精度非常高。这个代表了未来量子计算的一个发展方向,也许意味着量子计算化学的诞生。

另外的一个有趣的进展,是利用192束激光点火,完成核聚变的项目有了很大的进展,相关论文已经在网上公开了,科学杂志也对此作了一个详细的报道。核聚变是人类能源的最终极来源,能够做出可控核聚变,人类才能有光明的未来。

几篇文章


ResearchBlogging.org
最近,我前室友魏朝晖和韩永建合作完成了一篇论文,讨论了单向量子计算的噪声阈值。结果非常有意思,对单向量子计算很有参考价值。首先,把探测器的效率阈值降低到50%。其次,最关键的是对纠缠源的效率不再做限制了,任意低的纠缠效率都可用。这个工作他们做了2年,几经波折,不过最终还是完成了。

Improving noise threshold for optical quantum computing with the EPR photon source

Z.-H. Wei, Y.-J. Han, C. H. OH, L.-M. Duan

We show that the noise threshold for optical quantum computing can be significantly improved by using the EPR-type of photon source. In this implementation, the detector efficiency \eta_{d} is required to be larger than 50%, and the source efficiency \eta_{s} can be an arbitrarily small positive number. This threshold compares favorably with the implementation using the single-photon source, where one requires the combined efficiency \eta_{d}\eta_{s}>2/3. We discuss several physical setups for realization of the required EPR photon source, including the photon emitter from a single-atom cavity.

原来在我隔壁实验室的Rui Zhang去哈佛做博后跟着Hau所做的一个工作,把光脉冲信息相干的储存在BEC中超过1秒钟,并把光能量的储存效率提高了两个量级,物理世界上对此也有报道
Z. -H. Wei, Y. -J. Han, C. H. OH, & L. -M. Duan (2009). Improving noise threshold for optical quantum computing with the EPR photon source arXiv arXiv: 0912.1493v1
Zhang, R., Garner, S., & Hau, L. (2009). Creation of Long-Term Coherent Optical Memory via Controlled Nonlinear Interactions in Bose-Einstein Condensates Physical Review Letters, 103 (23) DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.233602

通过博士答辩


12月5日,我完成了博士论文答辩。值得指出的是,与我一起答辩的,还有我们组的一位留学生,这也应该是交大物理学科第一位留学博士生Patrick,他来自马达加斯加。答辩一切顺利。我念博士期间已经发表和接收了6篇SCI论文,其中有四篇第一作者的论文,均发表在Phys. Rev. A上。论文发表以来已经被正面引用四十余次。非常感谢导师李福利教授多年来对我的帮助、支持和指导,也感谢留学基金委对我留学的资助。

从十年前九月进入西安交大,念本科,硕士,再到博士,今天终于要毕业了。十年大学,宛如一梦。我已经在中科院武汉某个研究所找到一份工作,将会回武汉定居。等月底学校学位会通过后,就准备对交大说再见了。我等待这一天已经很久了,曾经无数次设计过要怎么纪念这天。但是如今真的到了这一天,我却觉得很平静。新的人生阶段即将开始,我期待着。在未来的工作岗位上,将开展怎样的研究,还需要我好好计划和思考一下。

开放系统的Berry相位与量子计算


最近人们对于利用Berry相位实现量子计算抱有非常浓厚的兴趣,因为这类方案可以抵制随机控制误差的影响。之所以具有这种性质,原因在于Berry位相只与控制参数所走的闭合回路的几何特性有关系,而与中间过程无关。

近一两年,人们的研究兴趣扩展到开放系统的Berry位相。因为我们知道,量子计算所面对的物理系统都是开放系统,那么以前推导Berry位相所作的封闭系统假设就需要从新讨论了。对于开放系统的几何位相,我想谈谈这个工作: Phys. Rev. Lett. 96, 020403 (2006) ,它讨论了如何通过控制环境参数,从而令量子系统中产生几何相位。这个工作是对Berry相位理论的一个推广,它把封闭量子系统中几何相位理论推广到了开 放量子系统中去了。在这个工作中,几何相位不是来自于哈密顿参数绝热的在参数空间中沿闭合回路变化,而是完全来自于量子系统所处的环境的参数沿着参数空间 中的闭合回路变化所产生的。我需要指出的是,量子系统与环境耦合时,并不总会出现退相干。当量子系统正好处于库环境的非消相干子空间内时,量子系统就不会 退相干。此时,如果我们绝热的变化压缩真空库的参数,量子系统会随着参数做幺正演化。如果库参数走完一个闭合的回路,那么量子系统中就会出现几何相位。这 是一个具有普遍意义的工作,可以帮助我们理解开放系统中的Berry位相,也启发我们把这个理论用于实现量子计算。

最近我与我导师在这个工作的启发下,提出了一个通过操纵库环境实现几何量子计算的方案:arXiv:0704.0482。这个方案包含两个部分内容:1,如何操纵库环境;2,如何设计合适的参数闭合回路实现量子逻辑门。对于第一个部分的内容,可以参考我在本论坛中的一个帖子。据我所知,这是第一个纯粹通过控制库环境实现量子计算的方案。在以前的方案中,为实现量子计算,需要让量子系统与环境脱耦。而我们的方案正好相反,量子系统与(可控的)环境耦合越强越好。我们基于现有的实验条件做了分析,发现这个方案是有希望实现的。

从纯理论的角度来看,我们的工作也有一定的价值。对于量子计算机来说,包含有三个子系统:存储操纵量子信息的量子系统,输出运算结果的测量系统以及量子环境。以前的理论和实验工作已经证实了,直接操纵量子系统的哈密顿,或者控制探测系统选择合适的测量策略都能够实现量子计算。关于环境在量子计算中的地位,最初人们以为量子系统与环境的耦合总是破坏量子计算的。后来,2000年时有人指出, 利用环境导致的量子芝诺效应,可以让系统限制在无消相干子空间中,约化了的哈密顿量可以用来实现量子计算。至此,人们已经知道环境有可能辅助量子系统完成 量子计算,它并不总是导致坏的结果。我们的这个工作进一步的揭示出,对量子环境的操纵也能间接的控制量子系统,从而实现量子计算。因此,这个工作使我们对 如何实现量子计算理解得更全面了。(这一段是我的个人看法,并未写进论文中,请大家多多批评)

上面的讨论告诉我们,控制与量子系统耦合在 一起的环境可以对量子系统的状态进行相干的操纵,甚至可以实现量子计算。那么对环境的操纵是否会影响多体系统的量子相变呢?或者可以问,对于一个开放系 统,通过对环境的操纵,在多大程度上我们可以影响与之耦合的量子系统的性质和状态?(转自http://limiao.net/forum/)

Slow measurement in quantum computation


In “Effective Fault-Tolerant Quantum Computation with Slow Measurements“, David P. DiVincenzo and Panos Aliferis discussed a very important problem in fault-tolerant quantum computation, does the speed of measurement influences the quantum accuracy threshold greatly? As all investigation on the threshold was based on fast measurement, which is no longer than a few gate operation times, they considered the slow measurement case, that is a measurement takes 1000 gate operations. They found that the slow measurement has a very minimal effect on the quantum accuracy thresold. Their results may be a good news for solid-state quantum computing, where the measurement canot be as short as gate operation times.

Adiabatic Quantum algorithms and QC in DFS via measurement


Here I list two papers recently posted on the arxiv which I thought interesting or important.

Adiabatic quantum algorithms and quantum phase transitions in quant-ph/0608017, Ralf Schützhold, Gernot Schaller from Dresden University of Technology reveal the similarity between adiabatic quantum algorithms and quantum phase transitions. They found that the Grover algorithm was corresponding to the first order of quantum phase transitions. They found that the second or higher order transitions were much better than first order one. With this insight, they proposed a novel adiabatic quantum algorithm for the solution of 3-satisfiability (3-SAT) problems, which is much faster than the Grover algorithm, possibly even with an exponential speed-up.

Universal quantum computation in deocoherence-free subspace with neutral atoms in quant-ph/0607175, P. Xue and Y.F. Xiao from IQOQI and USTC proposed a scheme that realizing universal quantum computation between via measurement in deterministic way. They show how to implement cavity-assisted interaction between neutral atoms and coherent optical pulses. The quantum gates act on decoherence-free subspace. Therefore the dominant source of decoherence — dephasing is highly depressed. The homodyne detection of the coherent state directly measure the relative phase of the signal state, so the photon losses only decrease the fidelity but not lead to a failure of the measurement.

How many quantum computers?


到底有多少种量子计算机的实现方案?这个问题可不好回答。从硬件上来说,我知道的有基于腔QED的,有基于离子阱的,有基于NMR的,有基于超导量子器件的,有基于富乐烯的,有基于硅晶片基底上的量子点阵的,也有全光的,等等许多方案,不一而足。从原理上分,有基于系统演化实现量子计算的,有基于测量实现量子计算的。这些方案谁好谁差,现在还很难分清楚,因为真正实用的量子计算机还没有做出来。

我想要评判那种方案好,关键指标就是退相干小,易于控制,实验上容易实现,误差小,具有扩展性,最好能够与现有的计算机技术接合起来。从这个意义上看,基于硅晶片的量子计算机很有前景。它完全可以与现有的计算机技术接合起来。不过退相干似乎是一个很麻烦的问题。因为随着量子点的增加,相互间的影响也剧增,会大大的增大退相干。退相干最小的应该是全光的量子计算机,可惜这种方案基于探测效率几乎是1的单光子探测器,这个不是很容易实现。最近人们提出用光子传输量子态,利用光子与原子或者离子之间的相互作用控制原子或者离子实现量子计算。由于光子与原子的相互作用可以是很强,而光子传输快,损失小,原子态的退相干在现有的条件下也可以降到很低。所以这种设想是很吸引人的想法。但很可惜把光子由光纤导入原子束缚的光学腔不是很容易的事情。

现在的情形有点象群雄逐鹿,看看谁能够第一个完成量子计算机这个突破。最终不管谁胜出,都会大大的提高人们对上述量子系统的认识和操控能力。这些积累肯定能够刺激出许多新的应用和技术。