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量子计算新进展：硬件、算法和软件(I) 《物理学报》专题

已有 1133 次阅读 2022-9-18 22:31 |系统分类:论文交流

编者按

1980年，美国科学家 Paul Benioff和前苏联科学家 Yuri Manin提出了量子计算的概念，1981年诺贝奖费曼提出了量子模拟，1985年 David Deutsch证明了量子计算概念的普适性。至此，完成了建立量子计算概念的第一个阶段。1986—1993年，是量子计算机研究的自由探索阶段。1994年开始，量子算法取得重大突破，Shor大数分解算法和 Grover 搜索算法两大算法诞生，极大地推动了量子计算研究在全世界的发展，量子计算进入到大强度基础研究阶段。2016年开始，以 IBM 推出5比特量子云平台为标志的，量子计算进入到工程研发的第四个发展阶段。

量子计算的发展受到国际的普遍关注，为了满足广大作者和读者的需求，进一步促进我国学者在该领域研究的学术交流和国内外影响，《物理学报》专门组织了量子计算的专题，邀请活跃在研究一线的学者，贡献最新研究成果论文或综述文章，系统全面地反映该领域的研究成果以及最新进展。本专题得到踊跃响应，征集到近 20篇高水平的研究论文和综述文章，内容涵盖发展迅速的超导量子计算、量子硬件系统与模拟、光量子计算、新奇量子系统模拟、量子算法进展等五个方向，将在《物理学报》陆续发表，欢迎关注。

客座编辑

龙桂鲁，清华大学教授、北京量子信息科学研究院研究员、国家杰出青年基金获得者、英国物理学会会士、美国物理学会会士。曾任亚太物理学会联合会（AAPPS）理事长；IUPAP物理与发展工作委员会副主席、委员。曾获2013年国家自然科学奖二等奖、汤森路透卓越研究奖、IBM全球杰出学者奖、全国优秀科技工作者等荣誉。

范桁，中国科学院物理研究所研究员，固态量子信息与计算实验室主任。科技部重点领域创新团队负责人，国家自然科学基金创新群体负责人，2021年获得周培源物理奖。Chinese Physics B 和《物理学报》副主编。长期在量子计算和量子信息领域工作，近年来集中于超导量子计算和量子模拟研究，和合作者一起，利用超导量子计算平台，模拟了量子多体系统奇异现象如局域化与热化及陈绝缘体，实现了量子游走，制备了多粒子纠缠态，构建了先进量子计算云平台。发表 SCI 论文300余篇，包括 Science 正刊（2），Nature 和 Science 子刊（4），Phy. Rev. Lett/X (18), npj QI (3), optica（1），Phys. Rep. (2)等，论文被 SCI 引用8000余次（google scholar 超1万次）, h 因子46。

李传锋，中国科学技术大学物理学院教授。获得2012年度中国光学学会王大珩光学奖，2013年度中国青年科技奖，国家杰出青年科学基金获得者（2013），教育部人才计划特聘教授（2014），2020年度中国物理学会饶毓泰物理奖，2020年度国家自然科学奖二等奖。研究领域为量子光学与量子信息，在搭建基于光学的量子纠缠网络及利用量子信息技术研究量子物理等方向取得系列成果。以第一或通讯作者发表 Nature（封面故事）1篇，Nature 子刊19篇，Science 子刊4篇，Phys. Rev. Lett. 47篇。研究成果入选两院院士评选2021年中国十大科技进展新闻及2021年度中国高等学校十大科技进展。

陈险峰，上海交通大学特聘教授，国家“杰出青年”，科技部中青年科技创新领军人才，上海市优秀学术带头人。国家X光电子专业组成员，中国光学学会基础光学委员会副主任。现任上海交通大学物理与天文学院光科学与技术研究所所长。主要研究方向为非线性光学、集成光电子学、光场调控、光量子信息和生物光子学等。在Nature, Nature Photonics, Science Advances, Phys. Rev. Lett. 等国际刊物上发表论文400余篇，被引5000余次。由于在准相位匹配非线性光学和光与纳米结构材料相互作用方面的贡献获得亚太物理协会联合会杨振宁奖（2010年）。

郑超，北方工业大学副教授。内蒙古大学学士（2009年）、清华大学博士（2014年，物理/量子信息，MIT联合培养一年），中国工程物理研究院北京计算科学研究中心博士后（2014-2016）。主要研究方向为利用LCU算法开展对非厄米系统的量子模拟研究，发表30篇学术论文。曾获中国科学院“两刊”优秀作者，《物理学报》“最有影响论文”奖等。

专题文章

非互易Aubry-André 模型的经典电路模拟

成恩宏，郎利君

物理学报. 2022, 71 (16): 160301.

doi: 10.7498/aps.71.20220219

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摘要：非厄米的引入扩展了传统厄米量子系统中的概念并诱导出许多新奇的物理现象，比如非厄米系统所独有的非厄米趋肤效应，这使得对非厄米量子模型的模拟成为大家关注的热点。相比于量子平台，经典系统具有成本低廉、技术成熟、室温条件等优势，而其中的经典电路系统则更加灵活，原则上可以模拟任意维度、任意格点间跃迁、任意边界条件下的量子紧束缚模型，已经成为模拟量子物态的有力平台。本文利用经典电路通过SPICE成功模拟了一个重要的非厄米量子模型——非互易Aubry-André 模型——的稳态性质，此模型同时具有非互易的格点跃迁和准周期的格点在位势。以此为例，详细介绍了如何建立经典电路的拉普拉辛形式与量子紧束缚模型哈密顿矩阵在不同边界条件下的映射，尤其是如何利用电流型负阻抗变换器构建模型的非互易性。然后，根据电路的格林函数，通过AC电流驱动并测量电压响应的方式，用SPICE模拟了周期边界条件下的复能谱和相应的能谱缠绕数，以及开边界条件下的趋肤与局域模式的竞争。其中，为了使电路的响应不发散，本文还解析地给出辅助元件的设置原则。结果显示，SPICE模拟与理论计算很好地符合，为进一步的实验实现提供了详细的指导。由于本文电路设计与测量方案的普适性，原则上可以直接应用于其他非厄米量子模型的电路模拟。

面向量子计算的拓扑超导体材料、物理和器件研究

姜达，余东洋，郑沾，曹晓超，林强，刘伍明

物理学报. 2022, 71 (16): 160302.

doi: 10.7498/aps.71.20220596

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摘要：简单回顾了半导体材料的发展历史，并以基于氮化镓的高电子迁移率晶体管为例，介绍了第三代半导体器件的产热机制和热管理策略。以β相氧化镓为例，简单讨论了新兴的超宽禁带半导体的发展和热管理挑战。然后重点讨论了一些界面键合技术用于半导体散热的进展，同时指出这些器件中大量存在的界面散热的工程难题背后的科学问题：界面传热的物理理解。在回顾了之前界面传热的理论发展后，指出了理解界面传热当前遇到的一些困难、机遇和方向。

基于级联四波混频过程产生四模簇态

董安琪，张凯，荆杰泰，刘伍明

物理学报. 2022, 71 (16): 160304.

doi: 10.7498/aps.71.20220433

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摘要：簇态是量子计算和量子信息处理的重要资源，因其具有独特的纠缠性质和丰富的结构而受到广泛的关注。本文从理论上提出一种基于级联四波混频过程产生四模纠缠态的方案，利用部分转置正定判据和本征模分解研究其内部纠缠特性。此外，通过调控平衡零拍探测的相对相位和后处理噪声信号，将输出的纠缠态重构优化，最终生成三种不同结构的四模簇态。该方法可以有效地减少在有限的压缩条件下产生簇态而引入的额外噪声。本文理论结果为基于原子系综四波混频过程产生可扩展的连续变量簇态提供可靠方案。

连续变量量子计算和量子纠错研究进展

王美红，郝树宏，秦忠忠，苏晓龙

物理学报. 2022, 71 (16): 160305.

doi: 10.7498/aps.71.20220635

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摘要：量子计算机在解决某些复杂问题方面具有经典计算机无法比拟的优势。实现大规模量子计算需建立具有通用性、可扩展性和容错性的硬件平台。连续变量光学系统具有独特的优势，是实现大规模量子计算的一种可行途径，近年来受到了广泛关注。基于测量的连续变量量子计算通过对大规模高斯簇态(cluster态)的测量和测量结果的前馈来实现计算，为实现量子计算提供了一条可行的途径。量子纠错是量子计算和量子通信中保护量子信息的重要环节。本文简要介绍了基于cluster态的单向量子计算、基于光学薛定谔猫态的量子计算和连续变量量子纠错的基本原理和研究进展，并讨论了连续变量量子计算面临的问题和挑战。

量子计算与量子模拟中离子阱结构研究进展

王晨旭，贺冉，李睿睿，陈炎，房鼎，崔金明，黄运锋，李传锋，郭光灿

物理学报. 2022, 71 (13): 133701.

doi: 10.7498/aps.71.20220224

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摘要：离子阱系统是实现量子计算和量子模拟的主要体系之一。世界范围内的各个离子阱研究小组共同推动着离子阱结构的丰富化发展，开发出一系列高性能的三维离子阱、二维离子芯片、以及具有集成器件的离子阱系统。离子阱的结构逐渐向小型化、高通光性和集成化方向发展，并表现出卓越的量子操控能力—对多离子的囚禁能力和精确控制能力越来越高。本综述将总结过去的十几年里离子阱在结构上的演化历程，以及离子阱在量子计算与量子模拟实验研究中的最新进展。通过分析具有代表性的离子阱结构，总结离子阱系统在加工工艺、鲁棒性和多功能性等方面取得的进步，并对基于离子阱系统的可扩展量子计算与模拟作出展望。

熵不确定度关系综述

李丽娟，明飞，宋学科，叶柳，王栋

物理学报. 2022, 71 (7): 070302.

doi: 10.7498/aps.71.20212197

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摘要：不确定关系是量子力学的基本特征之一，随着量子信息理论的蓬勃发展，不确定关系更是在其中发挥着重要的作用。特别是将熵引入来描述不确定关系之后，不确定关系在量子信息技术中涌现出多种应用。众所周知，熵不确定度关系已成为几乎所有量子密码协议安全分析的核心要素。这篇综述主要回顾不确定关系的发展历史和最新研究进展，从Heisenberg提出不相容测量其结果是不能被预测伊始，许多学者在该观点的启发下，做了进一步的相关扩展研究，将可观测物体与环境之间的量子关联结合起来，对不确定关系进行各种推广从而得到更普适的数学表达式。除此以外，本文还重点介绍了量子存储下的熵不确定度关系及其发展，也介绍了在某些物理系统中对应的动力学特性。最后讨论了熵不确定度关系在量子信息领域的各种应用，从随机数到波粒二象性再到量子密钥分发。

量子存储式量子计算机与无噪声光子回波

周宗权

物理学报. 2022, 71 (7): 070305.

doi: 10.7498/aps.71.20212245

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摘要：量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码。以往的研究表明，攻破广泛使用的2048位RSA密码所需要的量子比特数目在2000万左右，远远超出了目前的技术水平。近期法国研究人员提出，如使用配备了多模式量子存储的量子计算机，则只需要1.3万个量子比特即可攻破2048位的RSA密码。这一研究把量子存储器的应用推广到量子计算领域，为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线。量子存储式量子计算机需要微波段的量子存储器，这是目前亟待开发的新技术。基于对量子存储过程中原子辐射本质的分析，近期我们提出了无噪声光子回波方案，成功解决了光子回波的自发辐射噪声难题，有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机中。

周期驱动的二能级系统中的准宇称-时间对称动力学

胡洲，曾招云，唐佳，罗小兵

物理学报. 2022, 71 (7): 074207.

doi: 10.7498/aps.70.20220270

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摘要：本文研究了一个周期驱动的非宇称-时间对称二能级量子系统的非厄米动力学。通过经典相空间分析方法，解出了该非厄米系统的Floquet态和准能谱，并解析构造了由该非厄米哈密顿量支配下的量子态的非幺正时间演化算符，给出了不同参数区域的量子态演化。本文数值和分析证明，该非宇称-时间对称二能级Floquet系统，类似于宇称-时间对称系统，存在一个准能谱从实数谱到复数谱的相变。本文还揭示了在量子态的动态演化中存在一种准宇称-时间对称动力学，即，该系统的粒子布居概率演化完全满足时间空间对称(宇称-时间对称)，但是由于相位演化违反了宇称-时间对称性的要求，因此包含相位信息的量子态演化不满足时间空间对称(宇称-时间对称)。这些结果加深了对非厄米物理的理解，拓展和推广了传统的宇称-时间对称概念。

专题文章网站链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/topics