基于光子与离子的量子计算机理与方法

Quantum computing, one of the most important technologies in Post-Moore era, has incredible powerful performance outperforming its classical counterpart. Currently, the research is moving from fundamental principles in physics to system techniques across interdisciplinary area. Based on our interdisciplinary background from computer science to physics, this project aims at the scientific problems and the technical challenges in the construction of quantum computers. We choose photonic system and trapped-ion system as our physical experimental platforms and borrow ideas from the latest international research. In the aspects of quantum computation models and quantum algorithms, we focus on non-standard quantum models such as quantum walk and adiabatic quantum computing. The general method of designing quantum algorithms based on these models will be explored. In the aspect of physical implementation, we mainly study qubit techniques and do the experiments on photonic chips and trapped-ion chips. In the aspect of quantum computer architecture, we mainly work on the automation mechanism and method of a quantum computer system. We will design and implement a demo of quantum computer to illustrate related methods. The research of this project will provide fundamental theory, experiment methods and system techniques for making quantum computers.

量子计算具有经典计算无法比拟的超强计算能力，是最重要的后摩尔技术之一。国际上，量子计算目前正逐渐从物理学领域的基础原理研究，向多学科交叉的系统技术研究发展。本项目计划依托申请团队横跨计算机科学与物理学两个学科的优势，针对构建量子计算系统中的科学问题和技术挑战，以光子和离子为物理实验体系，结合国际量子计算发展的最新思路展开研究。在量子计算模型与量子算法层面，重点研究量子漫步、绝热量子计算等非标准量子计算模型，探索量子算法设计的一般规律；在量子计算物理实现技术层面，重点研究光子芯片、离子阱芯片等集成化量子比特实现技术，制备芯片开展实验研究；在量子计算机系统结构层面，重点研究量子计算系统自动化的机理与方法，构建量子计算原理演示系统，对相关方法进行验证和测试。本项目研究将为设计和研制量子计算机提供基础理论、实验方法和系统技术。

本项目聚焦构建量子计算系统中的科学问题和技术挑战，从量子计算模型与量子算法、量子计算物理实现技术和量子计算机系统结构三个层面开展研究，完成了量子漫步和绝热量子计算等非标准量子计算模型及量子算法、基于光子和离子的量子比特物理实现机理与方法、量子计算机系统结构及原理演示系统实现与验证等研究内容，突破了量子计算模型与量子算法设计、量子霸权类问题模拟与评测、光量子计算物理实现技术、离子比特物理实现技术、量子编程语言与编译设计与实现等量子计算领域关键技术，设计实现了专用量子计算原型系统。.项目发表了包括Science子刊在内的一系列高水平研究论文，获得国际同行的高度关注，多项成果登上科技日报头版等国内外科研媒体。项目研究过程中坚持计算机学科和物理学等领域的高度交叉，以可编程和面向实际问题为目标，项目研究成果支撑了面向图论问题的专用量子计算原型系统、面向量子模拟的专用量子计算原型系统等两台系统的研制成功。本项目研究成果将为设计和研制未来可实用的量子计算机提供基础理论、实验方法和系统技术。