用计算机模拟光子行为,光量子玻色—费米模拟系统的设计与实现

柔情只为你懂 2022-10-09 02:29 17阅读 0赞

摘要：

量子计算拥有传统计算机无法比拟的超强计算能力,是最重要的后摩尔技术之一。随着集成电路技术按照摩尔定律不断发展,单个芯片上集成的晶体管数目越来越多,芯片上半导体器件的尺寸也越来越小。当器件的特征尺寸接近单个原子的尺度时,量子效应将不可避免,从而导致晶体管的功能失效。为此,探索后摩尔时代的新使能技术是计算机科学发展的必然要求。量子计算恰是一种利用量子效应的新型计算技术,而且是从计算模型到实现方式都完全不同于传统电子计算机的全新方法。量子算法的研究已经表明,量子计算相比经典计算在很多领域的问题求解上拥有复杂度量级上的根本计算能力优势,因此,量子计算成为世界各国争相投入的前沿领域。自提出以来的三十多年来,量子计算研究在量子算法、物理实现等各个方面都取得了巨大进展,但绝大部分工作仍着重"物理系统",缺少"计算系统"相关的研究探索。量子计算的物理实现方面,已经提出了光子、原子、离子、量子点、超导等多种物理体系实现方案；荣获2012年诺贝尔物理学奖的"单量子系统测量与操控"研究,是量子物理系统发展的重要里程碑成果；许多展示和验证量子算法基本原理的小规模量子物理系统也相继出现。然而,这些研究大都仍停留于"物理系统"层面,缺少"程序控制"等传统计算机中重要的、"计算系统"相关的思想与概念,很多算法实现工作甚至停留在"手工"操控水平。为此,本课题聚焦量子计算系统的可编程性,研究运用计算机科学中的方法与技术实现可编程的量子计算系统。具体地,我们设计实现了基于纠缠光子的可编程玻色-费米量子模拟系统。主要贡献包括:·理论推导了运用纠缠光子模拟全同玻色子和全同费米子的方法。该方法通过控制纠缠光子的纠缠态相位,实现对玻色子和费米子量子系统演化行为的有效模拟；同时,我们针对典型量子演化网络上玻色子和费米子的演化行为进行了定量分析；为玻色子和费米子量子模拟系统的设计与实现提供了理论指导。·设计实现了可编程玻色-费米量子模拟系统。该系统可通过运行含量子语句的程序完成模拟任务,类似的可编程机制只在D-Wave等极少数研究中有出现,为量子计算系统"计算机理"的研究提供了重要的实验平台。·系统评测了所实现的可编程玻色-费米量子模拟系统。评测了系统中的偏振纠缠双光子源,偏振对比度分别达到98.28%(|Ψ+?,水平垂直偏振测量基)、99.65%(|Ψ-?,水平垂直偏振测量基)、98.55%(|Ψ+?,对角反对角偏振测量基)和97.48%(|Ψ-?,对角反对角偏振测量基),CHSH不等式性质达2.72(15-σ不等式违背,0.5秒计数)和2.41(94-σ不等式违背,50秒计数),保真度达94%(|Ψ+?)和92%(|Ψ-?)；评测了全系统的模拟精度,与理论结果的相似度达95.2%(模拟玻色子)和97.1%(模拟费米子)。评测结果表明,所实现系统能在程序控制下以很高精度有效模拟玻色子和费米子的量子演化行为。

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