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量子几何相位在量子计算机中的应用

来源: 代写收集 时间: 03-18 阅读:

    摘 要:量子计算机具有比经典计算机更为强大的计算能力.而实现量子计算机的关键之一是使用量子几何相位来实现高保真度的普适量子逻辑门.文章先简要介绍量子计算机的基本原理和它的实现所存在的困难以及所采用的方案,然后重点讨论与实现量子计算机方案有关如核磁共振、腔量子电动力学(C-ED)和超导约瑟夫森隧结中的量子几何相位.

    关键词:量子计算机;量子计算;几何相位;核磁共振;腔QED;超导约瑟夫森结

    量子计算机本质上是利用量子力学中的“隧道效应”和“量子几何效应”等效应来实现的超级并行计算机.所遵从的基本原理是量子力学原理:量子力学变量的分立特性、态叠加原理和量子相干原理.它的实现将会引起信息领域乃至其他各个领域的革命性变革,对社会发展将产生不可估量的作用. 量子计算机的实现原则上已不存在不可逾越的障碍,但技术上的实现仍有困难,其中的一个主要问题是如何克服消相干的影响.

    量子计算的优越性在于它利用了量子系统与经典体系的两个本质差别:量子态的叠加和纠缠.但是这两个性质都很脆弱,很容易被称为消相干的过程破坏掉.如何克服消相干的影响已成为能否制造出真正实用的量子计算机的关键.量子计算机由量子逻辑门来操作.但要在消相干下实现大规模的量子计算,每个量子门的保真度必须达到99. 99%.

    而要达到如此高的保真度,量子门本身必须具有内在的容错(fault-tolerant)能力. 近年来,提出了多种方案来实现可容错的量子计算,且每种方案都可克服某些消相干效应的影响,其中一种很有吸引力的方案是利用几何相位[2-4]来实现量子逻辑门,而由这种逻辑门构成的量子计算被称为几何量子计算[5-8].可容错的普适量子门已被证明可用几何相位来实现[9].量子门可表示为幺正算符 U({β}),其中{β}是一组在实现量子门操作中积累的相位.通常每一个相位β都同时含有几何和动力学部分.如果量子门U({β})中的相位β是纯几何相位(即动力学相位为零),则该量子门被称为几何量子门[10]. 由于该几何量子门中的几何相位是一个整体的相位,某些局域的无规涨落的影响可被忽略,因此具有内在的容错优点而受到广泛的重视.几乎所有重要的潜在量子计算模型,如核磁共振[7, 11]、腔QED[12]、超导约瑟夫森结[13-14]、离子阱[15]及半导体量子点[16]等体系,都在最近被仔细研究可用来做几何量子计算.


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