量子系统控制发展综述

详细论述了量子系统控制理论从提出到现在近二十年的发展过程，首先介绍了量子系统可控性的研究及其进展，并简要分析了简单量子系统的开环控制方法，然后把重点放在学习控制和反馈控制等几种典型闭环控制方法的讨论上，分析了它们各自的优缺点，并根据量子控制的发展趋势，对其应用和发展前景进行了预测，从整体上系统地描述了建立一套完整的量子控制系统所需要的五个基本步骤，最后在此基础上提出了制约量子系统控制发展的几个关键性问题。     

量子密码系统中常用量子信号的产生方法

量子密钥分配是量子密码学最成功的应用.如何产生高效的量子信号,是量子密钥分配系统安全运行的关键.文中简要介绍了量子信号的概念,给出了几种产生量子信号的常用方法,并简要分析了这些信号应用于量子密钥分配的可行性.     

基于保真度的量子信令纠缠交换最佳交换速率

为了解决量子信令交换的最佳交换速率问题,提出了基于保真度的量子信令纠缠交换最佳交换速率算法。根据量子信令纠缠交换方案,分析了由量子混合态组成的信令保真度。针对单输入单输出系统（SISO）和多输入多输出系统（MIMO）,讨论了影响量子信令交换速率的各种因素,计算得出最佳交换速率。仿真结果表明,在保真度为97%时,最佳交换速率为100qubit/s,该指标完全能够满足量子通信对信令交换的要求,对于构建未来量子通信系统有着重要的技术支撑作用。     

双量子阱系统伏安特性的数值模拟

本文通过求解薛定谔方程得到由分段线性势垒构成的量子系统的变换矩阵和透射系数的精确解,并利用这一结果计算了双量子阱系统的偏压隧道电流,讨论了双量子阱系统结构变化对其伏安特性的影响。与单量子阱系统的比较表明,双量子阱系统在某些方面,如电流峰谷比,负微分电阻区等优于单量子阱系统。     

二维H型四终端量子点阵列的量子输运

利用一个基于紧束缚模型的散射区格点上能量波动的二终端系统的透射和反射系数的一般计算方法,然后提出了基于实空间格点的H型四终端量子点阵列的系统,将其转化成二终端量子点阵列模型去探讨,通过利用实空间格林函数,计算了H型四终端量子点阵列的透射率,研究其量子输运问题。     

超导电路与体声波谐振器组成的量子iSWAP门方案

高保真度量子门的物理实现是量子计算和量子通信的关键技术之一。根据电路量子声动力学和量子电动力学,提出了由两个具有较长相干时间的超导transmon qubit和一个具有高机械品质因数的薄膜体声波谐振器组成的量子门方案,体声波谐振器起到类似微波光子通道的作用,使两个transmon qubit之间实现量子态交互。该文先用Butterworth van Dyke模型分析体声波谐振器在方案中的等效电路,构建系统的量子化哈密顿量,再用二能级原子 声子混合量子态形式编码系统的量子态,通过调节外磁场来调控系统的输入态,系统的输出态可通过测量模块得到。在Jaynes Cummings模型下,该系统能完成具有高保真度的量子相位交换（iSWAP）门操作。     

量子雷达研究进展

量子雷达是一种利用量子资源提升探测性能的新体制雷达,它能够突破传统雷达的性能极限,具有广阔的应用前景。文中从量子雷达的概念内涵出发,阐述了量子雷达的系统架构,并介绍了在量子雷达体制研究、量子态调制技术、量子态传输与散射特性、量子检测技术等方面已开展的工作,最后提出了量子雷达进一步研究亟需解决的关键问题。     

量子神经元特性研究

量子神经计算是传统神经计算自然演化发展的产物，它有可能成为新的信息处理技术。本文介绍了与量关的量子计算基础，描述了一种量子神经元模型，提出了一种量子学习算法，通过理论推导和仿真证明了算法的收敛性并给出了几种收敛特性曲线.应用量子计算方法分析了该量子神经元模型的量子逻辑运算功能,分析和实验证明了单个量子神经元能实现经典神经元无法实现的XOR函数,并具有与两层前向神经网络相当的非线性映射能力.     

一类X-态量子关联的几何测量

量子不谐和（quantum discord,简称QD）常被用来描述量子体系的量子关联。基于Dakic等人提出的QD几何测量方法[1],我们求解了只含一个变量参数X-态的量子关联,并给出在三种不同量子通道中该体系量子关联的具体形式。最后通过针对减振幅通道中对该X-态的纠缠度以及量子关联的抗消相干能力比较,我们用图示的方法显示出量子关联具有比纠缠更强的抗消相干能力。     

基于非调制自旋链的量子通信

研究在热平衡状态下,外加均匀静态磁场度和自旋粒子间的耦合度对系统的保真度和纠缠度的影响,提出如何利用它们之间的关系来提高自旋系统中量子态的传输质量。研究结果表明采用非调制自旋链作为长程相互作用自旋系统中量子态的传输信道,量子态的保真度随着自旋粒子间耦合系数的增加而增加,外加静态磁场强度在0~1的范围内时,量子态传输的失真较小。因此在热平衡状态下,选取适当的耦合度和外加均匀磁场强度,无需对自旋系统进行任何操作即可实现量子态的高质量传输。     

Nonholonomic control in quantum computers based on ions in a trap

Currently, the scheme of a quantum computer based on ions in traps is accepted as one of the most realistic schemes of a scaled quantum computer. In this article, we show application of the method of nonholonomic control over the quantum evolution to this scheme. We consider this to be the most universal and simplest control method for an arbitrary scheme of a quantum computer. In this case, for arbitrary controlled evolution of the quantum system, it is sufficient to have available two lasers operating at a combined frequency equal to a frequency of internal ion transitions and selected total vibrational mode of the system of ions in a trap with different amplitudes. For each laser, it is sufficient to control only the time of their alternate operation with a sufficient accuracy.     

几类非确定型量子程序的终止验证

程序验证是保证程序正确性的关键技术.由于经典世界和量子世界的本质不同,经典程序验证的技术和工具不能直接应用到量子系统.而量子程序设计语言是描述量子系统的一种新的形式化模型,量子程序的验证问题就显得更为迫切和必要.本文首先讨论了量子通讯中常用的比特翻转、相位翻转、去极化、幅值阻尼、相位阻尼等信道作为特殊的非确定型量子程序从计算基态开始运行时的可达集合和终止集合等程序验证问题.其次,把上述五种量子程序两两组合组成非确定型量子程序,根据这五种量子程序的可达集合之相似点,最终合并成三种非确定型量子程序,重点讨论了这三种非确定型量子程序从计算基态开始运行时的终止和发散等程序验证问题.研究表明：这三种非确定型量子程序从计算基态0开始运行时都是终止的;而从计算基态1开始运行时：比特翻转信道和去极化信道组成的非确定型量子程序的终止和发散与分别刻画它们的两个参数有关;比特翻转信道和相位翻转信道组成的非确定型量子程序的终止和发散只与刻画比特翻转信道的参数有关;幅值阻尼信道和相位阻尼信道组成的非确定型量子程序是发散的,其发散条件与刻画量子信道的两个参数都没有关系.本文的结果可以为量子信息安全中量子通讯协议的验证提供理论和技术支持.     

量子计算与超导量子计算机

量子计算是一种基于量子力学相干叠加原理的新型计算体系,具有超越传统计算体系的优越性能。超导量子计算因为其在规模可扩展性方面的潜力而得到广泛的重视。超导约瑟夫森结是超导量子计算机方案中的关键器件,可用来控制超导体中的宏观波函数。阐述了量子计算的发展和优势,介绍了约瑟夫森结的原理以及三种超导量子比特的特性,并分析了面临的挑战。     

原子-微腔耦合系统的远程量子相干及量子相变

通过原子-微腔耦合体系,在绝热近似条件下得到了系统的有效哈密顿量,实现了海森堡自旋XY模型的量子模拟过程。为了获取量子资源,基于相对熵判据分析了任意两体量子系统的量子相干性。通过严格的解析过程获得了在任意间距下两个微腔原子系统的量子相干度。随两体间距增大,远程量子相干度按幂指数规律逐渐减小。当改变系统参量时,远程量子相干度在量子临界点附近出现了数值突变现象,这为表征量子相变提供了一种可能的序参量。在考虑光场噪声对量子相干性影响后,量子相干度随着时间振荡衰减,并逐渐消失。     

Studies of physical phenomena in semiconductor nanostructures using samples with laterally nonuniform layers: Photoluminescence of tunneling-coupled quantum wells

The previously suggested spectral-correlative method for studying nanostructures is applied to an analysis of photoluminescence of tunneling-coupled and isolated quantum wells in structures with laterally nonuniform layers. This method made it possible to use a single wafer to study the dependences of intensities of photoluminescence lines and their energy positions on the tunneling-barrier width for a system of tunneling-coupled GaAs-InGaAs-GaAs wells and on the quantum-well widths in a system of isolated AlGaAs-GaAs-AlGaAs quantum wells. Good agreement between the results of calculations and experimental data can be attained if it is assumed that a constant transverse electric field affecting the processes of trapping of charge carriers by quantum wells exists in a structure with tunneling-coupled quantum wells. The dependence of photoluminescence parameters on the width of isolated quantum wells is sensitive to the profile of heterointerfaces and to the processes of trapping the charge carriers by quantum wells.     

介观测量仪器对单电子态的量子测量

对于一个实际的测量装置,即被介观测量仪器所测量的两态(量子比特)或多态量子系统做了理论研究.为了正确描述测量引起的反作用,发展了一个保持细致平衡条件的量子主方程的方法,建立的这套方案适用于任意电压和任意温度.     

Impact of additive noise on system performance of a digital X-ray imaging system

The impact of additive noise on the performance of a digital X-ray imaging system was investigated. The X-ray system is uniquely designed for small animal studies with a focal spot of 20 microm and an adjustable source-to-object distance for radiography. The noise power spectrum and the detective quantum efficiency of this system were measured. The additive noise increased rapidly when the exposure time exceeded a certain range, since the charge-coupled devices of the detector had no cooling system. The noise power spectrum for the additive noise and the noise of the entire imaging system were studied and compared at different exposure times. The detective quantum efficiency was also measured at different exposure times. It was observed that for exposure times less than 10 s, the detective quantum efficiency ((DQE)(0)) is approximately 0.26, dropping to 0.13 at 4 lp/mm and to 0.026 at 8 lp/mm. However, when the exposure exceeds a certain limit (10 s in this study), the rapidly increased additive noise caused the system to be no longer quantum noise limited, resulting in a decreased detective quantum efficiency and a degraded system performance. For example, at an exposure of 20 s, the DQE(O) is approximately 0.22, dropping to 0.11 at 3 lp/mm and to 0.022 at 8 lp/mm.     

双线性系统下的量子系统最优控制

借用宏观领域中双线性系统的研究成果,结合量子系统数学模型所具有的双线性系统形式的特点,通过对含有两点边值条件的最优控制器的推导,对量子力学系统进行最优迭代控制器的设计,并通过仿真实验对设计的量子控制系统的状态转移控制进行系统仿真实验,分别对控制参数的不同取值对控制结果的影响进行了详细的分析.     

量子系统实现神经计算的理论分析

该文通过量子系统的演化与人脑信息处理过程的比较研究,发现量子理论与神经网络理论中存在有许多相对应的数学表述,利用其中有关的公式提出一个广义的基于量子系统的Hebb学习规则,并结合量子点系统设计了一个神经计算的理论模型。     

量子神经网络及其在CDMA多用户检测中的应用

量子计算与人工神经网络相结合的量子神经网络(QNN-Quantum Neural Networks)由于利用了量子并行计 算和量子纠缠等特性从而克服了传统人工神经网络的某些固有缺陷,将成为未来信息处理的重要手段。介绍了与量子神经 网络相关的量子计算基础,描述了一种量子神经元模型,分析证明了单个量子神经元具有与两层前向神经网络相当的非线 性映射能力。提出了一种基于量子神经元与量子寄存器的多用户检测方案,计算机仿真结果表明:本文所提出的检测器在 误码率和抗“远近”效应方面均具有良好的性能。