量子信息物理学2020chapt 0 Kai Chen1 print.ppt...

中国科学技术大学陈凯

量子信息导论PHYS5251P

中国科学技术大学微尺度国家实验室/近代物理系

陈凯2020.9


联系方式

E-mail: [email protected]. 63607083Office: 东区理化大楼东附2010室主页:http://staff.ustc.edu.cn/~kaichen助教周清, [email protected]

胡书鸣, [email protected]

mailto:[email protected]

http://staff.ustc.edu.cn/~kaichen




参考书目

Quantum computation and quantum information by M.A. Nielsen and I.L. Chuang, Cambridge University Press尹浩等编著，《量子通信原理与技术》，电子工业出版社，2013.《量子信息物理原理》张永德, 科学出版社


This course is open to all graduate students and undergraduates. The final grades are based on:

final exam (60%),homework and attendance of the class(20%),a report about quantum information (20%, the subject can be arbitrary, which is preferably related to your current research project, recent progress or your own ideas along one specific area on theoretical or experimental quantum information)

Course Description


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6

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2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星发射升空。

量子卫星成功发射


Satellite-based entanglementdistribution over 1200 kilometers

Yin et al., Science 356, 1140–1144 (2017)


Satellite-to-ground quantum key distribution

Liao, S. et al. Satellite-to-ground quantum key distribution. Naturehttp://dx.doi.org/10.1038/nature23655 (2017).Nature 549, 43–47 (07 September 2017)

http://dx.doi.org/10.1038/nature23655


Ground-to-satellite quantum teleportation

Ren, J.-G. et al. Ground-to-satellite quantum teleportation. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature23675 (2017).Nature 549, 70–73 (07 September 2017)

http://dx.doi.org/10.10


“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信

J. Yin et al., Nature 582, 501-505 (2020)


Quantum simulation

Andrew D. King et al., Observation of topological phenomena in a programmable lattice of 1,800 qubitshttps://doi.org/10.1038/s41586-018-0410-xNature 560, 456-460 (23 August 2018)

Programmable simulation of quantum magnets

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0410-x


在超冷原子光晶格中实现大规模高保真度量子纠缠对的同步制备

B. Yang et al., Science 10.1126/science.aaz6801 (2020).

获得了纠缠保真度为99.3%的1250对纠缠原子!

量子模拟


绪论

量子信息概念、历史和展望


经典计算机和信息处理

冯·诺依曼

第一代计算机

苹果笔记本

Roadrunner超级计算机

NASA太空高速互联网

阿里云

联想笔记本


超级计算机

中国“神威·太湖之光”

美国“泰坦” Titan

中国“天河二号”

瑞士“代恩特峰”Piz Daint

全球超级计算机500强榜单


经典计算机和信息处理

“The number of transistors per chip doubles within two years”

(Apr 19, 1965)

Gordon E. Moore,Co-founder of Intel


经典计算机发展状况


IBM最新技术 7nm chip

Beyond silicon: IBM unveils world’s first 7nm chipWith a silicon-germanium channel and EUV lithography(extreme ultraviolet lithography), IBM crosses the 10nm barrier. –July 2015


Wafer of chips with 5nm silicon nanosheet transistorsIBM Research scientist Nicolas Loubet holds a wafer of chips with 5nm silicon nanosheet transistors manufactured using an industry-first process that can deliver 40 percent performance enhancement at fixed power, or 75 percent power savings at matched performance. (Credit: Connie Zhou)

IBM最新技术

05 Jun 2017

20 billion transistors

30 billion transistors


Intel

An Intel wafer. Chipmakers may find it more difficult to justify the huge costs of developing the next generations of chip technology.


华为人工智能芯片—麒麟系列


华为


最新技术

Memory Architecture -3D TSV Memory Packaging


“Information is physical.” 1960s by Rolf Landauer from IBM Research

What is quantum information?

from New Scientist

Quantum information is that kind of information which is carried by quantum systems from the preparation device to the measuring apparatus in a quantum mechanical experiment. by R.F. Werner


Getting inside the mind of God from New Scientist


If we can harness the fuzziness of quantum entities to crunch vast amounts of data instantaneously, the sky will be no limit. Vlatko Vedral is your guideImage: Richard Kail/Science Photo Library

from New Scientist


Spooky action at a distance

from New Scientist

Wave-Particle Duality


“There is plenty of room at the bottom.” (Dec 29, 1959)

“It seems that the laws of physics present no barrier to reducing the size of computers until bits are the size of atoms, and quantum behavior holds dominant sway.”

－－Richard P. Feynman (1985)

Nobel prize 1965 from New Scientist


量子世界(Max Planck) (Albert Einstein) (Louis de Broglie)

互补性和不确定原理

(Neils Bohr) (Werner Heisenberg)

量子测量塌缩


经典和量子比特

经典和量子信息处理中的本质不同在于存贮和处理信息的方式

在经典信息处理中，信息是由宏观的比特来表示通常取值为二进制的值

0 或者 1

在量子信息处理中，信息是由微观的量子比特来表征，通常取值不可数的多值形式

α|0> + β|1>

其中α, β其中为满足下式的任意两个复数

|α|2 + |β|2 = 1.


Information Technology


量子信息处理的概念和内涵

量子信息处理是指以量子力学基本原理为基础、利用量子态的相干特性来编码、传输和操控信息，进而实现量子计算、量子通信、量子精密测量、量子模拟等功能的全新信息处理方式。

由于携带量子信息的载体可以工作在原子分子层次上，从而只需要损耗更少的能量来进行处理、存储和传输。

是经典信息处理的大幅拓展，探索和发展更有效地进行计算、通信、测量等的方式


量子信息的重要科学意义n Roy J. Glauber 由于在量子光学理论及其在量子信息科学应用上的重要贡献获2005年诺贝尔物理学奖

n Anton Zeilinger等由于在量子物理和量子信息领域重要的实验成就获2010年沃尔夫物理学奖

n Serge Haroche和David Wineland由于在量子系统测量与操控及其在量子信息科学应用上的重要贡献获2012年诺贝尔物理学奖

n Peter Zoller和Ignacio Cirac由于在量子信息、量子光学和冷原子物理领域的开创性理论贡献获2013年沃尔夫物理学奖


It’s a “mystery”. THE mystery. We don’t understand it, but we can tell you how it works. (Feynman)

量子信息处理


Peter Shor 算法(1994)

Seth Lloyd

量子信息发展史

Lov Grover算法(1997)


Deutsch普适量子计算

Deutsch－Jozsa算法

Ekert(E91协议)

Cirac，Zoller

量子信息理论

Steane纠错码


量子信息发展史

(Richard Feynman) (Paul Benioff)

(C. Bennett)

“There’s plenty of room at the bottom”

Quantum Turing machine

(G. Brassard)

Quantum key distribution

BB84 (David Deutsch)

Universal QC

Andrew Chi-Chih Yao

Quantum Communication

Complexity


光子原子分子

量子纠缠

量子比特

叠加态

经典比特 0 1

| ⟩| ⟩＋

| ⟩| ⟩ | ⟩| ⟩ ＋

遥远地点之间的惊人关联！

量子叠加光子极化

量子比特与量子纠缠量子物质最基本单元的物理描述

例如光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子

不可分割


Polarization Entanglement Source

l P. G. Kwiat et al., Phys. Rev. Lett. 75, 4337 (1995)

PDC

47


纠缠态方案

Ekert, PRL 67, 661 (1991)

无条件安全的密钥生成

量子通信技术:量子加密术

一次一密，完全随机

无条件安全量子不可分割

量子不可克隆定理

单粒子方案Bennett & Brassard (1984)


量子通信技术:量子隐形传态

初态

纠缠源

纠缠对

经典通信

初态

纠缠对

Bennett et al., PRL 73, 3801 (1993)


ã N比特整数，计算步数ã 利用经典THz计算机分解

300位的大数，需1024步，

150000年。ã 利用Shor算法THz计算机，只需1010步，1秒！

ã RSA将不再安全！

量子并行性使得量子计算机可以同时对

个数进行数学运算，其效果相当于经

典计算机重复实施次操作。0 或 100，01，10 或 11000，001，010……...

0 + 100 + 01 + 10 + 11000 + 001 + 010 + ……...

经典比特量子比特

Shor算法

P. W. Shor

Grover搜寻算法ã 如何在草堆中

找到一根针？

ã 经典搜寻：N 步ã 量子搜寻：N1/2 步

ã 可破译DES密码：

L. K. Grover 1000年 4分钟

量子并行性量子计算与量子通信

个数中搜寻密钥


• 1km M. Aspelmeyer et al., Science 301, 621 (2003)

• 13km C.-Z. Peng et al., PRL 94, 150501 (2005)

远程量子通信：自由空间纠缠光子分发


The DARPA Quantum Network


NIST Quantum Communication Testbed

1 Mbit/s over 4km (2006年)


SECOQC QKD网络拓扑和分布


SECOQC QKD节点组成

成码率：0.6～10kbps (2008年)


Tokyo QKD network (2010年)


合作单位


Tokyo QKD network网络架构

基于JGN2plus（Japan's Gigabit Network ）星形结构


Tokyo QKD Network视频会议演示


商用QKD产品


ID Quantique产品id Quantique (IDQ) 在2001年建于Geneva公司产品

n Centauris Layer 2 Encryptors: High speed multi-protocol encryptorsn Cerberis: A fast and secure solution of high speed encryption combined with quantum

key distribution。典型的基于AES应用

n Clavis2: QKD for R&D Applicationsn 探测器，随机数发生器，短脉冲激光源等


2010 FIFA 世界杯

Durban, South Africa – The first use of ultra secure quantum encryption at a world public event，基于AES 256

2019 SK Telecom Continues to Protect its 5G Network with Quantum Cryptography Technologies


MagiQ1999建立于美国，目前设有Boston总部和纽约Office。大致从2008年起建立了MagiQ Research Labs ，与US Army, DARPA, NASA以及与包括世界500强的多个公司进行联合研究。


MagiQ


任意两节点间的量子电话

任意节点对于另外两个节点的加密

广播

T.-Y. Chen et al., Optics Express Vol. 17, Iss. 8, pp. 6540–6549 (2009).

Physics World的报道

Science的报道

3节点光量子电话网络


5节点星型量子密钥分配网络系统全通型量子通信网络

Chen et al., Optics Express 18, 27217 (2010)


系统集成


实用化城域量子通信网络

合肥全通型城域量子通信网络

Chen et al., Opt. Express 17, 6540 (2009)Chen et al., Opt. Express 18, 27217 (2010)

合肥城域量子通信试验示范网(46个节点, 2012年)

新华社新闻大厦新华社金融信息交易所

>20km

金融信息量子通信验证网(2012)


量子通信产业化


科大国盾量子技术股份有限公司（QuantumCTek Co., Ltd.）


国盾量子


科大国盾量子技术股份有限公司（QuantumCTek Co., Ltd.）


安徽问天量子科技股份有限公司


Free-Space Quantum CommunicationFree-space quantum entanglement distribution (over 100km)

Yin et al., Nature 488, 185 (2012)

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世界首颗量子卫星


“墨子号”量子卫星与地面站通信试验照片公布


“墨子号”量子卫星与地面站量子通信

摘自国盾量子新闻


“墨子号”量子卫星与地面站装置图


美国量子信息国家战略－－以LANL为例

鼓励交叉研究

理论与实验相结合


• Liquid-state NMR• NMR spin lattices• Linear ion-trap

spectroscopy• Neutral-atom optical

lattices• Cavity QED + atoms• Linear optics with single

photons• Nitrogen vacancies in

diamond

• Electrons on liquid He • Small Josephson junctions– “charge” qubits– “flux” qubits

• Spin spectroscopies, impurities in semiconductors

• Coupled quantum dots– Qubits:

spin,charge,excitons– Exchange coupled, cavity

coupled

量子信息处理的物理实现


Spintronics

Cavity QED

Atom Chip

RF-SQUID

CooperPair Box


• Aarhus• Berkeley• Caltech• Cambridge• College Park• Delft• DERA (U.K.)• École normale supérieure • Geneva• HP Labs (Palo Alto and Bristol)• Hitachi• id Quantique • IBM Research (Yorktown Heights and Palo Alto)• Innsbruck• Los Alamos National Labs• McMaster• MagiQ• Max Planck Institute-Munich

• Melbourne• MIT • NEC• New South Wales• NIST• NRC• Orsay• Oxford • Paris• Queensland• Santa Barbara• Stanford• Toronto• USTC• Vienna• Waterloo• Yale• many others…

量子信息，谁在做？


量子计算


量子计算？有争议！


Google量子计算


Google


IBM量子计算


IBM量子计算

https://www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/

A look at IBM’s roadmap to advance quantum computers from today’s noisy, small-scale devices to larger, more advance quantum systems of the future. Credit: StoryTK for IBM

https://www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/


Intel量子计算


Preliminary benchmark test results on IonQ hardware as of December 10, 2018.QubitsQubits are the basic unit of information storage on a quantum computer. After they’re initialized, logical operations—called gates—are performed on them.Maximum loaded 160 qubitsSingle-qubit gates performed on up to 79 qubitsTwo-qubit gates performed on all pairs of up to 11 qubitsError RateGate fidelity is a measure of the accuracy of a single gate. Gates that manipulate one qubit at a time are less complex and less error-prone than gates that operate on two qubits. The following benchmarks were captured on a fully-connected 11-qubit configuration.Average fidelitiesSingle-qubit gates >99%Two-qubit gates >98%*

Best fidelitiesSingle-qubit gates 99.97%Two-qubit gates 99.3%*

Minimum fidelitiesSingle-qubit gates >99%Two-qubit gates >96%*

* not corrected for state preparation and measurement errors.Benchmark: Bernstein-Vazirani AlgorithmThe Bernstein-Vazirani Algorithm is a basic test of the ability of a quantum computer to simultaneously evaluate possibilities that conventional computers must calculate one at a time. The complexity of the test is determined by the maximum length in bits of an oracle—an arbitrary number the computer must determine.10-qubit oracle success rate 73.0%Classical computer success rate ~0.2%


我国量子计算

USTC，清华，浙大，中科院等；阿里巴巴，腾讯，百度，华为等

Yan et al., Science 364, 753–756 (2019)


D-Wave


A chip that traps ions is the basis for a Department of Energy testbed quantum computer.

Adrian Cho Science 2018;359:141-142

美国能源部推进量子计算


Adrian Cho Science 2018;359:141-142

美国能源部推进量子计算


美国推进国家量子计划


美国推进量子网络战略构想


量子计算机竞赛

Google，IBM，微软，Intel等


量子隐形传态

高保密通信量子中继

量子模拟因数分解、搜索等快速实现

量子精密测量

量子雷达，量子导航量子力学基本检验

量子信息能做什么？

量子信息处理

量子成像


寄语同学们习近平主席：科大是一所很值得敬重的大学，同学们应该为能在科大学习感到自豪。同学们要做有理想、有追求的大学生，做有担当、有作为的大学生，做有品质、有修养的大学生。

白春礼: 涵养“先天下之忧而忧”的家国情怀，激扬“敢为天下先”的创造豪情，“功成不必在我”的精神境界和“功成必定有我”的历史担当

红专并进理实交融


课程安排绪论量子信息概念，历史和展望

第一章量子体系量子态， Schmidt分解，混合态，密度矩阵，

量子测量，量子不可克隆定理等。

第二章量子纠缠纠缠和可分型，纠缠判据，纠缠量化，多

粒子推广等

第三章量子关联表现局域实在论，Bell不等式，多体推广，

纠缠与非定域性的关系等

第四章量子通信量子通信方案，通信基本形式包括量子隐形

传态、稠密编码，量子密钥分发等；非理想条件下量子保密

通信方案和实验，数据处理方法，安全性分析；与纠缠关系

第五章量子纠错量子纠错码，原理、构造、应用

第六章量子计算量子算法、应用

新进展：量子成像等（徐飞虎老师）


研究应该做什么比较可选项à

试一个感兴趣的方向，然后看看是否喜欢à

若喜欢，便以此为基础，展开深入研究，竭尽全力！à

有所创新和突破后，逐步拓展研究面à

较全面掌握某个领域

理论还是实验？大合作项目，小独立课题？

抓住最感兴趣的研究à自由创新，原始创新

“新颖”比“正确”重要 -文小刚


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