量子信息量子计算前沿问题及其物理实现

在本项目中我们将研究量子信息中一些关键问题，并将和实验组合作，关注量子调控各种方案的具体物理实现。我们将探索量子信息中局域变换的性质，并将其应用于各种模型中来探索其与量子相变的关系。我们的已有结果表明，这种方法可以有效区分不同量子相，其性质可以和基态的量子纠缠相联系。我们也将关注量子测量中的基本问题，正确定义量子相位测量，并探索具体的量子光学等方面的实现。我们还将在原有工作基础上，探索一般性量子信息量子计算及量子力学基本原理：例如,统计力学基本问题之一是热化问题，及达到热平衡的过程，我们将结合量子纠缠和量子相变理论在此方面探索；量子纠缠基本理论探索，如Bell不等式的各种变现形式也是我们关注的问题。我们还将在原有工作基础上研究各种量子克隆的形式。和实验组合作在量子克隆、量子信息算法实现等方面进行探索。

量子计算和量子信息是利用物质的量子行为而设计的量子信息处理技术，量子纠缠起核心作用。本项目关注量子信息和计算中的前沿问题，其物理实现，及其在凝聚态物理中的应用。在项目执行过程中，产生期刊论文69篇，包括两篇Nature Communications，两篇Physical Review X，一篇Physical Review Letters，一个长篇综述Physics Reports，以及其他Phys.Rev.系列27篇。文章共得到298次SCI的引用，单篇最高引用29次。主要结果分三方面：（1）深入研究量子纠缠理论，并探究其与凝聚态物理系统的关联。基于任伊熵可以测度量子纠缠，我们利用凝聚态模型基态的任伊熵刻画量子相变，并证明不同的量子相具有不同的量子计算能力(Nature Communications. 3, 812 (2012))。针对在格点模型中实现分数量子霍尔态的这一重要凝聚态课题，我们设计了Hofstadter模型的变体，研究在具有可调拓扑能带的格点系统中实现分数量子霍尔态；其中基态纠缠谱成为检验基态是否与分数量子霍尔态相类似的有效方法(Physical Review Letters 111,186804 (2013))。（2）研究超导量子比特仿真理论、量子克隆。我们提出各向异性的拉比模型，很好地描述了超导量子比特超强耦合系统，以及描述特定的半导体和冷原子量子系统(Physical Review X 4, 021046 (2014))。也利用系统基态的局域可变换性和边界态的性质，提出判定量子模拟是否具有量子优势方法，该标准基于系统基态的量子纠缠性质与局域可变性的联系，即局域可变换意味着量子态可被有效模拟(Phys. Rev. X 4, 041028 (2014))。针对遵循量子力学原理的各种近似或者几率型量子克隆这一量子信息和量子模拟中的重要课题，我们与北京大学穆良柱副教授等撰写了长篇综述(Phys. Rep. 544, 241 (2014))。（3）我们采取理论实验结合的方式，在量子计量学这一新兴的量子物理和精密测量的交叉学科取得重要进展。在金刚石-氮空位中心系统成功展示了量子纠缠对量子相位估计精度的提高作用，从而首次在室温固态系统实现了量子计量学的原理演示(Nature Communications 6，6726 (2015))。