量子比特

量子比特

量子比特的英文名字為quantum bit,簡寫為qubit或qbit。1983年,Stephen wiesner在他量子貨幣的提案中第一次引入了量子比特的概念。中國科學技術大學教授潘建偉[著名物理學家、中國科學院院士]及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度,在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏,刷新了所有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。

基本信息

概述

量子比特量子比特

參照Shannon資訊理論中比特描述信號可能狀態的特徵,量子信息中引入了“量子比特”的概念。量子比特的英文名字為quantum bit,簡寫為qubit或qbit。

量子比特還沒有一個明確的定義,不同的研究者採用不同的表達方式,例如,從物理學的角度,人們習慣於根據量子態的特性稱為量子比特(qubit或qbit)、糾纏比特(ebit)、三重比特(tribit)、多重比特(multibit)和經典比特(cbit)等等。

這種方式讓人眼花繚亂,並且對量子比特的描述要根據具體的物理特性來描述。為了避免這些問題的困擾,這裡從資訊理論的角度對量子比特做出統一的描述。

研究歷程

1983年,Stephenwiesner在他量子貨幣的提案中第一次引入了量子比特的概念。而“量子比特”這個術語的問世應歸功於Benjaminschumacher,在他論文的致謝辭中,schumacher表示術語“量子比特”是他在同Williamwootters的一次談話時提出的,只是因為它同古代的一種長度測量單位腕尺(cubit)的發音相似。在量子計算中,作為量子信息單位的是量子比特,量子比特與經典比特相似,只是增加了物理原子的量子特性。2006年是一個重要的節點”,國科量子CEO戚巍就曾在一次國科嘉禾LP大會上描述這項業務如何走向產業化的路徑,當時潘建偉團隊里實現了百公里光纖的傳輸,在光纖上實現百公里的密鑰的傳遞,這個就可以借用現在的通信網路實現密鑰的傳輸,這項技術意味著它能夠真正的走出實驗室,走向實用。有一個領域每年以40%的速度在增長,就是數據流量,安全80%來自於密碼,量子保密通信提供了一種,理論上唯一證明的絕對安全的密碼體系。
2015年,通過實現對光子偏振和軌道角動量兩個自由度的量子調控技術和單光子非破壞測量,潘建偉、陸朝陽研究組首次實現單光子多自由度的量子隱形傳態,相關成果被英國物理學會(InstituteofPhysics)新聞網站《物理世界》(PhysicsWorld)選為“國際物理學年度突破(BreakthroughoftheYear)”。此後,研究組進入實現多光子三個自由度的聯合調控這一“無人區”。
2016年4月份歐盟發布了《量子宣言》,然後5月份歐盟量子大會上宣布啟動10億歐元的量子技術旗艦計畫,以保證歐盟在量子技術方面的主導地位。美國國家科學基金會NSF前段時間正式提出,將“量子飛躍:引領下一代量子革命”作為未來重點支持的六大科研前沿之一。
2016年底,潘建偉團隊同時實現了10個光子比特和10個超導量子比特的糾纏,刷新並一直保持著這兩個世界記錄。
2018年7月2日,中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度,在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏,刷新了所有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。該成果以“編輯推薦”的形式發表在《物理評論快報》上,從投稿經國際同行評議到被正式接收,只用了三個星期的時間。

研發目的

第一目的是做衛星和地面之間的量子通信
第二是能夠通過衛星實現遠距離的糾纏光子分發,測試量子糾纏現象,並在遠距離地點之間對量子力學預言的非定域性進行檢驗;
第三個目的是做量子信息的遠距離傳送,學術的語言叫做量子隱形傳態。之所以要做衛星和地面之間的量子通信的原因是,儘管現在用光纖上網,但量子通信的信號在光纖里傳輸一百公里之後,99%的信號都損耗掉了,那么如果想做一千公里的量子通信,哪怕是把目前全世界所有頂尖技術都用上,每三百年也才能傳送一個信號,量子通信就沒價值了。但是上天之後,通過量子衛星則可以傳播幾百K的密鑰,大大提高量子保密通信的密鑰分發數量。

物理性質

物理特性

量子比特量子比特
量子計算機的物理結構是糾纏態原子自身的有序排列,量子比特在系統中表示狀態記憶和糾纏態。量子計算是通過對具有量子算法的量子比特系統進行初始化而實現的,這裡的初始化指的是把系統製備成糾纏態的一些先進的物理過程。在兩態的量子力學系統中量子比特用量子態來描述,這個系統在形式上與複數範圍內的二維矢量空間相同。兩態量子力學系統的例子是單光子的偏振,這裡的兩個狀態分別是垂直偏振光和水平偏振光。

基本性質

在經典力學系統中,一個比特的狀態是唯一的,而量子力學允許量子比特是同一時刻兩個狀態的疊加,這是量子計算的基本性質。

基本特徵

從物理上來說量子比特就是量子態,因此,量子比特具有量子態的屬性。由於量子態的獨特量子屬性,量子比特具有許多不同於經典比特的特徵,這是量子信息科學的基本特徵之一。

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