量子课程
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  • 您好! 作为初学者以及外行,想了解一些关于量子计算的知识。从网上看到微软和google合作发布量子教程相关的信息后才了解到原来已经有国产教程发布了,所以为了支持本国量子计算的推广,希望能尽一份微薄之力。 现在的困惑是本地安装了qurator-vscode之后,没法运行,有没有相关的详细一些的教程呢?现在感觉无从着手,不知道该从哪些方面入手,能不能给些建议? 谢谢!
  • 经常听到有人议论,“‘量子技术’太神奇,可以实现时空穿越,将人‘瞬间’转移到别的星球上!”果真如此吗?这一问我们就稍微仔细得讨论这个问题。这些说法主要依据所谓“量子隐形传态”这个经典物理无法做到的神奇过程。 量子隐形传态(图片来源于网络) 量子隐形传态的英文是“Quantum Teleportation”。先说一下,“Teleportation”的含义是“远距传物”,通常在科幻电影或神话小说中出现,人或物在某地突然消失,瞬间在远处重现。现实中当然无法做到,但“量子纠缠”出现后,科学家提出“量子隐形传态”的方案,可以使量子信息或者称量子态在某处消失,随后在远处重现,有点像上述神话中的“远距传物”。具体过程如下: Alice有个粒子C,处于量子态|ψ⟩c她希望将此量子信息|ψ⟩c传送给远处的Bob,但信息载体C本身仍保留在Alice处。设A、B是来自于纠缠源的两个例子,分别传送给Alice和Bob,由于A和B处于纠缠态,因此Alice和Bob就有了一个量子关联的通道,只要一方被测量,另一方的量子态会瞬时发生相应的变化,此时,Alice处拥有两个彼此独立的粒子A和C,她对A、C进行一种所谓的Bell态测量,这种测量可能有四种结果(即四个不同的Bell态),各自概率为1/4。Alice做一次测量,获得其中一个结果(即某个Bell态),随后,它将测量结果经由一个经典通道传送给Bob,Bob获取此经典信息后,对粒子B实施相应的操作,结果粒子B便处于量子态|ψ⟩c上,亦即量子态从C传给了B,这就是所谓的“量子隐形传态”。这个过程中,Alice和Bob可以完全不知|ψ⟩c是什么态,C和B也可以不是同一类的量子客体。 Alice对A、C实施Bell态测量后,ABC整个量子系统究竟发生了什么改变? 1. C的量子态改变了,亦即原来量子态|ψ⟩c消失了,C处于别的量子态; 2. A、B不再处于纠缠态,AB之间量子关联中断了; 3. B处于四种可能的量子态之一,究竟是哪个量子态取决于A、C的Bell态测量的具体结果; 4. A与C处于四种可能的纠缠态,各自概率为1/4。 量子隐形传态(图片来源于网络) 在“量子隐形传态”过程中,量子态|ψ⟩c究竟是怎么被传送到B上呢?我们无法按通常的传送信息方式来想象这个过程,正因为如此,故采用“隐形”来描述这种状况。一般理解说,|ψ⟩c的信息被分成两部分,一部分经由AB的纠缠量子通道传到B,另一部分是测量所得的经典信息经由经典通道传送给B。Bob实质上是将两部分纠结起来,使量子态|ψ⟩c精确地赋予B粒子。单独从量子通道或经典通道获得信息都无法实现量子隐形传态,因此在这个过程中,两个通道是必不可少的。既然必须采用经典通道传输信息,这个过程的实现决不可能超光速。所以,量子隐形传态决不可能是“瞬时”的,不会发生超光速现象。 另一点特别要强调的是,A、B、C都应当是量子客体,它们可以不属同一类,可以分别是光子、原子、电子等,但都遵从量子力学规律。 结论是,量子隐形传态是量子客体之间的一种“非瞬时的”量子信息传送的过程。 这个结论否定了经典客体之间实现这种隐形传送信息的可能性。经典信息的传送必须有物理载体的携带才能实现,这种物理载体可以是声波、电磁波(包括光波)、引力波等。 当然,如果C不是单个粒子,而是由许多粒子构成的复杂量子客体,而量子态可以表为|ψ⟩c,我们同样可以经由量子隐形传态将|ψ⟩c传送给B。 如果C不是量子客体而是无法用量子态描述的经典客体,而A、B是量子客体,那么C所携带的经典里的经典信息仍然无法用此方式传送到Bob处而保持C仍留在原处。 此外,量子隐形传态仅仅传送量子客体C所携带的量子信息(即量子态),量子客体C并未消失,因此不能说,如果B与C是同类物质就可实现量子客体从某处传送到另处。自然客体具有“物质、能量、信息”三要素,只有这三个要素都消失才可以说该客体被消失了。 至此,我们就可很容易地回答本文的命题了,答案是量子技术不可能将人“瞬间”地转移到别的星球!即使是非瞬时地采用此过程也不能将僵尸、棉衣之类的传送到别的星球! “量子隐形传态”是量子纠缠的一种奇妙应用,并被实验所验证。这个过程已成为量子通信等的重要物理基础,已开辟出具有潜在应用价值的新技术。 量子纠缠(图片来源于网络) 量子纠缠是量子技术的重要资源,是量子计算机、量子模拟等重大应用的物理基础。那么,如何产生量子纠缠呢?现在科学家已经掌握许多制备量子纠缠的方法和途径。最常用的是将一束激光照射到非线性晶体上便能产生纠缠光子对。当然,这种纠缠光子源属概率性的。这种参量下转换产生的许许多多光子对中才会有一对光子是纠缠的,人们甚至无法预先知道哪一对是纠缠光子,只能采用能确定纠缠的探测装置来加以识别,但一旦确认该光子对是纠缠的,纠缠也会因此测量而消失。这种后测量制备的纠缠应用是有限的。理想的应当是确定性纠缠源,即每次仅产生一对光子,而且他们必定处于纠缠态。例如,具有合适能级结构的单个量子点,将其激发到某个特定上等级,它会跃迁到某个中间能级,伴随着发射出一个光子,随后又从中间能级跃迁到下能级,发射出另一个光子,而且两个光子处于纠缠态。 量子纠缠(图片来源于网络) 两个独立的粒子不纠缠,通过某种非线性相互作用,两个粒子可以处在纠缠态上,这种非线性作用的途径有许多: 两个纠缠光子分别入射到两个独立量子客体(例如,冷原子系综、固态量子存储器等),可以使这两个量子客体变成量子纠缠; 在上述量子隐形传态中,Alice对相互独立的粒子A和C实施Bell态测量,便使A和C成为纠缠态;量子处理器中的量子受控非门可以使输入的两个量子比特在输出端成为纠缠态,等等。 量子纠缠尽管奇妙无比,用途广泛,但它却有天然的致命伤——量子纠缠十分脆弱,环境会不可避免地破坏其量子特性而使“纠缠”消失掉,即两个纠缠的量子客体最终会演化为不纠缠的状态,非局域关联完全断开。所谓环境不仅包括经典噪声,诸如热运动、吸收、散射等,还包括量子噪声,即真空起伏,即使我们有办法将经典噪声完全隔绝,量子噪声仍无法消除,而且无处不在。这种环境引起的量子性消失,被称为“消相干”(或“退相干”)。“消相干”是“量子相干性”的天敌! 量子器件是一种人造的量子系统,“消相干”是实际量子器件应用的主要障碍,必须采取措施加以克服。例如通用量子计算机必须采用量子纠错和容错来克服消相干的影响,远程量子通信必须采用量子中继来建立远距离的纠缠通道等等。 本文来源:中国科学院量子信息重点实验室-郭光灿原文链接:http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/753
  • 大家知道,爱因斯坦对量子力学的发展做出极其重要的贡献。然而,爱因斯坦并不喜欢“量子世界的概率性”,他不相信上帝会以掷骰子的方式创造世界,尤其不能认同以玻尔为首的哥本哈根学派对量子力学的诠释。因此,他多次与玻尔就量子力学基本问题发生激烈争论,不过每次他都以失败告终。后来,爱因斯坦便改变争论的策略,即从量子力学原理出发,推演出一个十分荒谬的结果,以期来证明,量子力学用于描述世界是“不完备的”,这就是爱因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯谬”。 EPR佯谬(图片来源于网络) 设想有一个量子系统由两个自旋为1/2的粒子构成,每个粒子的自旋要么向上(↑),要么向下(↓),但两个粒子的总自旋为零,这意味他们总是处于自旋相反的状态。现在将粒子A和B分别配置于相距遥远的两个地方,例如,A在地球上,B在月球上。按照量子力学的预言,每个粒子的自旋方向是不确定的,在任何方向上测量会有一半概率向上,一半概率向下。但如果地球上的粒子A被测量并发现其自旋向下,那么月球上的粒子B即便不测量也能确定其自旋必定向上,因为AB自旋总是相反的。可见,地球上A未测量时,月球上B只有一半概率向上,而地球上A一旦被测量,并发现自旋向下,那月球上的B立刻以百分之百概率处于自旋向上的状态。月球上B的状态似乎是瞬时被地球上A的测量所控制,这种控制行为以超光速方式发生。这就是从量子力学原理推演出来的必然结果。 爱因斯坦由此断定,“超光速”行为是绝对不可能发生,他称之为“幽灵般的超距作用”。量子力学造就出这个不可能存在的“幽灵”,由此可见“量子力学是不完备的”,不足以正确地描述真实的世界,为正确地描述世界,必须从量子力学体系之外引进新的参数(俗称为隐参数),来消除“量子世界的概率性”,这个“幽灵”也自然就消失掉!这就是EPR佯谬的故事。 那么量子力学如何应对EPR佯谬?如何解释这个神奇的幽灵呢?首先,在EPR实验中,月球上B虽然测到自旋向上,但仅从这次测量的结果,无法推断出它是以50%还是100%的概率获得此结果的,换句话说,它根本不可能由此知道地球上A是否被测量这个信息,因此这里根本不存在“信息传送”。即使“幽灵”超光速,也不违背狭义相对论“信息传送不能超光速”的原理。 上述EPR实验中,似乎地球上A的测量是“因”,而月球上B的后测量是其“果”,而“幽灵”担负着这个“因果”关联的角色。 但是,如果同时在地球上和月球上分别测量A和B,结果应如何呢?量子力学预言,每次A和B的测量结果自旋总是相反的,而且多次重复这个实验,单独看每个粒子测量的结果系列则是完全随机的,A和B两个随机序列则是完全关联,自旋总是相反的,所以实验结果是完全关联的随机数序列,这时不再存在“因”“果”之别了,“幽灵”并不从某处传到另一处,而是扮演将两个随机序列关联起来的角色! 设想我们有100份EPR粒子对(AB),其中所有A粒子都在地球上,而所有B粒子都在月球,重复前面的实验,结果是地球上所测的100个A粒子自旋向上或向下是完全随机的序列,而是大约一半向上,一半向下。同样的,月球上B粒子的测量结果也是向上,向下完全随机的序列,向上或向下的数量大约各占一半。但是最令人惊奇的是,地球和月球上分别测到的这两个随即序列是完全关联的:第i对EPR粒子中Ai与Bi自旋总是相反的。每对EPR粒子都毫无例外是这个结果。 我们知道,量子世界遵从量子态叠加原理。EPR中的量子系统,是由两个总自旋为零的粒子构成的,这个系统状态同样符合叠加原理。总自旋为零的状态只有两种可能:|↑⟩A|↓⟩B和|↓⟩A|↑⟩B,因此,AB系统的状态应当是|ψ⟩AB=α|↑⟩A|↓⟩B+β|↓⟩A+|↑⟩B (|α|2+|β|2=1),这个特殊的状态称为“纠缠态”。处于纠缠态的粒子,即使空间上分离遥远,仍然存在内在量子关联,对其中一个粒子的任何操作都会瞬时地改变另一个粒子的状态。所谓“幽灵”,就是这种纠缠!一旦两个粒子存在纠缠,它们的量子关联与粒子之间的距离无关,与空间环境无关,任何电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法斩断这种内禀关联。这种量子关联源于量子世界的一种基本属性,称为“非局域性”,这便是“幽灵”的因源! 因此,物理学界对EPR佯谬的解释就出现两种截然不同的观点:爱因斯坦等人认为:“幽灵”不存在,世界是局域的,量子力学不完备,必须以“隐参数理论”代之;玻尔等人认为:量子世界是非局域的,“幽灵”理应存在,量子力学是完备的,无需引入“隐参数”。世界究竟是“局域”还是“非局域”这是个哲学问题,难以断定孰是孰非!多亏欧洲核子研究中心的理论物理专家贝尔(Bell)的贡献才打破了这个僵局。贝尔本人实际上是爱因斯坦的铁杆粉丝,他认为爱因斯坦更聪明,“隐参数理论”应当是正确的。1964年,他推导出一个有关EPR实验的不等式,即著名的“贝尔不等式”。如果能验证这个不等式被违背,则“隐参数理论”就不成立。 1982年,法国学者阿斯派克特首次在实验上证实,贝尔不等式被违背。其后人们采用各种物理系统和实验手段开展实验研究,最终无漏洞地证实,贝尔不等式被违背,量子力学是完备的,非局域性是量子世界的重要基本性质。因此,关于EPR佯谬这场经历了60多年精彩绝伦的学术争论到了该谢幕的时刻了!爱因斯坦如果在天有灵,看到他质疑量子力学完备性而提出的EPR佯谬,终被证明是“佯”而不“谬”,反而揭示出量子世界的非局域性这个最基本性质,不知会有何感想? 阿斯派克特(图片来源于网络) 为便于理解量子世界的非局域性,我们举个不太恰当的例子:在合肥的母亲,当她在深圳的女儿生下头胎婴儿的那一瞬间,她立刻升格为外婆,这就类似于EPR效应。这件事并不需要时间就发生了,尽管母亲并不知道关于她女儿生下婴儿的任何信息。原因在于母女之间的身份关联,女儿成为母亲的瞬间就必然导致自己的母亲变成外婆。 既然“量子世界”确实存在“超光速”的“幽灵”,那么人们自然会问,能否将这个“幽灵”引到我们的经典世界中来,开发出“超光速通信”?许多科学家进行了不懈努力,最终的结论是,这是绝对不会成功的。量子力学的基本原理业已证明,不可能利用纠缠态来实现超光速通信。 本文转载自郭光灿院士《量子十问》,载于中科院量子信息重点实验室。 原文链接:http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/753
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