利用弱非线性交叉科尔效应实现高效量子计算

量子计算是量子信息科学的基本研究内容，其实现可以通过量子逻辑门或者单向量子计算来完成。我们近期利用非线性交叉科尔效应，给出一类量子控制门的高效实现方案。这一方案所需要的量子资源仅随量子比特数的增长而呈线性增长。在本项目中将以此为基础，继续研究如何利用非线性交叉科尔效应来实现高效量子计算。首先，将研究更多量子逻辑门乃至量子算法的结构，并由此利用非线性效应来高效实现这些量子逻辑门和量子算法，进而讨论它们在大规模量子计算中的应用；其次，在单向量子计算的研究中，将研究二维族态的各种结构，给出相应基于非线性效应的高效制备方案；最后，将研究如何在实际的物理体系实现所需要的非线性交叉科尔效应。这些对量子计算的发展有着直接的意义，甚至对大规模量子计算的实用化、产业化都将有积极的作用。

光学量子信息过程的研究是量子信息科学研究的一个热点，在项目的资助下，我们主要针对光学量子计算的实现和光学量子纠缠态的制备这两个方向开展研究工作，已完成预计目标，共发表学术论文13篇，其中SCI二区3篇，SCI三区3篇，SCI四区2篇，中国科学G辑5篇。并且入选2012年度福建省新世纪优秀人才支持计划，获第十届福建省自然科学优秀学术论文二等奖。培养研究生两名，赴加拿大卡尔加里大学进行学术访问。在线路模式的光学量子计算的研究中，利用交叉相位调制技术：1）提出了光学量子逻辑门、量子线路的新的实现方式，可以应用于量子Grover搜索算法和Shor算法，并能够提高其实现的效率和节省所需要的资源，特别是可以将Grover算法的实现复杂度由原来的多项式降到线性。2）基于线性光学器件，实现了双光子偏振态与单光子两比特量子态的相互变换，并进一步实现了多光子偏振态与单光子高维空间态之间的相互变换。3）给出能够有效处理光子丢失问题的容错量子计算方案。在测量模式光学量子计算的研究中，利用交叉相位调制技术：1）给出任意二维簇态的确定性制备方案，其制备效率和保真度很高，降低了对量子内存的依赖。2）给出了三维簇态的高效制备方式。3）进一步提出一种更高效的任意图态制备方案，所需要的操作数远低于此前的其他方案，仅需一个单光子作为辅助。如果利用多个单光子作为辅助，可以实现并行制备，使得方案的效率随之成倍增长，因而方案更适用于大规模量子计算。4）以控制路径门为基本操作，仅利用一个辅助单光子，有效地实现任意图态的制备，而且同时能够以1/2的概率检测出制备过程是否存在错误。在各类量子纠缠态的制备研究中，利用交叉相位调制技术：1）提出一种高效且确定性的多光子W 态制备方案。2）以双光子纠缠态为初态，提出了任意体对称高维纠缠态的高效制备方案。3）以单体对称高维量子态为初态，给出两体对称高维纠缠态的制备方案。4）针对非对称两体三维量子态，以两个单光子和一个纠缠光子对为初态，给出了其高效制备方案。5）以单体高维量子态为初态，给出了任意体对称和非对称高维量子态的制备方案。总之，我们提出的量子计算方案基于弱非线性交叉克尔效应，具有确定性、高效性的特点，更适用于大规模量子计算，有助于量子计算往实用化的方向发展。