论文摘要
量子计算与量子通信是作为量子信息科学区别于传统信息科学最显著的两项应用与实践。它们不仅力证了量子力学的正确性,而且作为量子力学与信息科学的交叉产物,它们赋予了传统信息科学新的拓展思路,在特定的应用场景下有着经典方法无法比拟的优势。以“人造量子比特”-约瑟夫森结为主要核心元件的超导量子计算体系以其低噪声,高集成度,优秀的相干性等优势在近年来的量子计算竞争舞台上大放异彩,赢得谷歌,微软,英特尔等多方巨头的关注与持续投入。我国首台上线的量子计算机也是基于超导量子计算系统研制而成。目前报道的主流的量子算法演示仍然以开环的静态量子线路为主,其特点是在量子比特上施加一系列的门操控序列,最后以测量作为结束步骤。但是,仅仅依靠静态量子线路是无法最终实现规模化的量子计算机的。由于各方面的原因,激发态的量子比特的能量和相位都会随时间产生退相干现象,而处于基态的量子比特也会以一定低概率被热激发到激发态。这一自然的退相干以及热激发过程都会给量子计算带来内禀的误码率。唯有实现量子纠错,主动重置等关键算法,推进容错量子计算的实现,规模化量子计算机的实现才具备可能。这就对闭环的,能够根据量子末态实时调整操控门序列的动态量子反馈线路提出了需求。量子计算方面,在本文介绍的主要工作中,针对建设规模化超导量子计算机的需求,原创性地研制了适用于超导量子计算的室温电子学读出系统,具备以1 Gsps的采样率高速采集携带量子信息的中频读出信号的能力,并同时具备以1 84纳秒的低延迟,流水线型地完成最多8个量子比特信息的并行解模后处理,量子态解析,以及量子态编码传输等这一系列操作的能力。相比较国内同行大多依靠采购国内外高速采集卡进行相关实验的状态,该系统的应用不仅很大程度提高了超导量子计算实验设备的集成度,提升了实验中可一次性读取量子比特数目的上限,并且将原先的软件离线处理量子态信息的步骤替换为硬件实时并行处理,数量级地缩短了实验耗时,提升了实验效率。通过在多台超导量子计算系统上长达两年多时间的不间断使用,该读出系统被证明能够全面支持超导量子计算静态线路长时间稳定运行。针对更进一步的规模化量子计算机对动态量子反馈线路的需求,该电子学读出系统配合实验室自研的任意波发生器,可以在600纳秒的时间内完成一次读取,解模,态判断,态信息广播,再根据末态输出操控波形这一系列量子反馈控制的闭环（包括对读出波形长达100纳秒的采样时间）,并演示了主动重置等量子算法。根据已有文献,该系统是目前国内唯一具备量子动态反馈能力的同类电子学系统,并应用于中国首台上线的量子计算机系统中。在量子计算方面积累的电子学反馈技术也可以同样应用于量子通信领域。由于自由空间干涉仪易受到环境干扰,如何保证干涉仪中光信息的相位稳定并在实验中使干涉对比度保持最大是每个实验人员都需要面对的问题。针对2014年最新提出的量子通信方案-差分回环相移量子密钥分发方案,本文创新性地设计了一套适用于128条光路动态可切换的马赫曾德干涉仪的,基于闭环实时反馈的相位稳定系统。该相位稳定系统确保了首次实用性RRDPS-QKD方案的完整呈现。本文工作的创新点在于:1.原创性地研制了适用于超导量子计算的室温电子学读出系统,在硬件上流水线性地实现了量子信息实时解模算法,替换了原先实验中使用的商用高速采集卡配合软件离线后处理的工作方式。不仅提高了超导量子计算实验控制设备的集成度,提升了一次性能够读取的量子比特数目上限,而且数量级地缩短了实验耗时,提升了实验效率。率先填补了国内该领域的空白,同时通过应用该系统于国际上首次演示了超导量子12比特真纠缠,超导量子随机游走等实验。2.原创性地实现了量子态判断算法以及低延迟超高速串行通信协议,配合量子比特操控系统,能够在600纳秒的时间内完成一次基于量子末态测量的反馈闭环,并成功演示了主动重置等量子算法。已经应用于中国首台上线的量子计算机系统中。3.创新性地研制了适用于差分回环量子密钥分发协议的多光路选择干涉仪及实时相位稳定系统,确保了首次实用性RRDPS-QKD方案的完整呈现。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 徐昱
导师: 彭承志,廖胜凯
关键词: 超导量子计算,量子反馈控制,硬件解模算法,高速,反馈稳相控制,量子主动重置算法
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,无线电电子学
单位: 中国科学技术大学
分类号: O413;TN385
总页数: 124
文件大小: 11211K
下载量: 440
相关论文文献
标签：超导量子计算论文; 量子反馈控制论文; 硬件解模算法论文; 高速论文; 反馈稳相控制论文; 量子主动重置算法论文;