光子系统两自由度超并行量子计算研究

A quantum computer has a powerful capability for the computation with quantum superposition states. It can decompose a big number with an exponential speedup, improve the speed of the search on a databus and the similutaion on a quantum system largely. There are several degerees of freedom (DOF) for a photonic system in which each can act as a qubit (a two-level system), such as the polarization, spatial-mode, AOM, frequency, and so on. Most of the previous proposals for the quantum computing is based on some a DOF of a photonic system. It is interesting to complete the hyperparallel quantum computing fully with two DOFs of a photonic system as it can improve its parallel speed and it requires less resource. Moreover, it is robuster again the noise for the photon loss and is relatively easier for storage. This topic attracts much attention recently. In this project, we will investigate the universal hyperparallel quantum gates based on both the polarization DOF and the spatial-mode DOF of a multi-photon system, the hyperparallel hybrid quantum gates based on the photons with two DOFs and solid systems, the transformation, intergation, and decomposation of the quantum states from the different DOFs of photonic systems. We will study the speedup on quantum althograms from a hyperparallel quantum computer as well. We hope that we will obtain some interesting outcomes on hyperparallel quantum computing and hyperparallel quantum althogorams from this project.

利用量子叠加态进行计算的量子计算机具有神奇的量子并行功能，可以指数地加快大数质因子分解算法的速度，平方根地加速无序数据库的搜索，指数地加快量子体系的仿真计算。光子系统具有多个可以当作量子比特的自由度，如极化、空间模式、角动量、频率等。已有的模型通常基于光子某一个自由度进行量子计算。充分利用光子系统两个自由度进行量子计算，具有更强的并行性，且需要的量子资源少、具有更强抵抗光子数损耗噪声的特征、相对而言更易于存储，因此基于光子系统两自由度的超并行量子计算机具有很好的研究价值，且相关研究才刚刚起步。本项目主要研究基于光子系统极化与空间模式两自由度的超并行普适量子门，两自由度光子与固态系统超并行杂化量子门，不同自由度量子态之间的转化、集成与分解，以及超并行量子计算机对部分量子算法的影响。力争在超并行量子计算机和超并行量子算法方面有一些创新性的研究成果，推进光子系统两自由度超并行量子计算的发展。

量子计算可以指数地加快大数质因子分解算法的速度，平方根地加速无序数据库的搜索。光子系统具有多个可以当作量子比特的自由度，已有的模型通常基于光子某一个自由度进行量子计算。充分利用光子系统两个自由度进行量子计算，需要的量子资源少、具有更强抵抗光子数损耗噪声的特征、相对而言更易于存储，因此基于光子系统两自由度的超并行量子计算机具有很好的研究价值。.我们的研究成果主要集中于以下三个方面：1、提出了可预报是否成功的量子中继器方案，在量子中继器实用中可通过预报剔除失败事件，提高中继效率。2、提出了超并行量子计算的概念，并构建了基于光子极化模式与空间模式两自由度的第一个超并行控制非门，具有节省资源、加速计算、降低光子耗散噪声影响等优点。3、构建了电路紧致的固态量子计算逻辑门和快速的超导量子比特逻辑门，可简化量子电路、加快量子计算速度。.我们超额完成了预订的目标，已经发表SCI检索论文55篇，其中包含Nature出版集团刊物npj Quantum Information 1篇、美国物理学会期刊Phys. Rev. A/E/Applied 15篇、美国光学学会期刊Optics Express 6篇、英国物理学会期刊New J. Phys. 1篇、Annalen der Physik和Annals of Physics各4篇。其中有3篇是本领域内的高被引论文。在国内重要学术会议上作学术报告8次，参加国际学术会议4人次，培养硕士、博士研究生10 名。