Quantum

量子算法与物理实现研讨会

时间地点

• 2019年10月19、20日: 9 am--5 pm.

• 南京大学 计算机科学与技术系 （南京大学仙林校区常州楼）111报告厅 在线地图

联系人与联系方式

• 姚鹏晖 pyao@nju.edu.cn
• 张利剑 lijian.zhang@nju.edu.cn

会议主旨

   量子计算是基于量子力学规律利用量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子力学中特有的量子叠加与量子纠缠现象使得在信息处理上相比经典计算具有更大的潜力。然而如何利用这些独特的性质来设计高效的量子算法是一个极其困难的事情。一方面，这些现象违反直觉，需要极其巧妙的算法设计。另一方面，在实验室中高精度地实现量子计算，在技术上是极大的挑战。从量子算法诞生以来，研究者一直致力于寻找具有量子计算优势的问题，实现“量子霸权”。近几年量子信息科学在理论和实验上的取得的一系列成果，让人们看到的量子计算在实际应用的曙光。一方面，理论上越来越多超越经典计算的量子算法被发现；另一方面，实验上量子计算机的研制在规模和精度上的不数进展。当前量子计算在理论和技术上瓶颈突破阶段，亟需不同背景的专家们通力合作，推动量子信息学科的进步。
   此次研讨会意在提供一个跨学科、跨行业的交流台，促进不同专业的量子计算理论与技术的专家们就当前量子计算领域的理论进展、技术进步和业界应用深入的交流，共同促进量子信息学科的发展。

日程安排

10月19日
9:00 am -- 9:50 am	马小松 南京大学	Title: Harnessing Single Photons in Quantum Technology Abstract:Quantum technology employs the ‘spooky’ phenomena of quantum physics such as superposition, randomness and entanglement to process information in a novel way. Quantum photonics provides a promising path for both delivering quantum-enhanced technologies and exploring fundamental physics. In this talk, I will introduce our recent work on quantum delayed-choice experiment based on multiphoton entangled states, which shows that a photon can not only be a particle or wave, but the superposition of them, even under Einstein’s locality condition. In the second part of my talk, I will present our recent endeavors in developing functional nodes for quantum information processing based on integrated optics architecture and their potential applications in a metropolitan fiber network.
茶歇
10:15 am -- 11:05 am	苏晓龙 山西大学	Title: 基于光场量子态的量子计算和量子纠错 Abstract:基于光学模的连续变量量子信息处理，以光场量子态为量子资源，结合各种量子操控手段，完成信息的传输和处理，是量子信息处理的一种有效途径。量子逻辑门序列是进行量子计算的基础。我们以连续变量六组份cluster纠缠态光场为资源，实验实现了一个包含单模压缩门和可控位相门的量子逻辑门序列。实验结果表明，输出态之间存在量子纠缠，且量子纠缠依赖于两个逻辑门。这证实了量子逻辑门序列的特性。输出态的保真度高于未使用cluster纠缠态作为辅助态时的保真度。这个实验展现了通过逻辑门序列实现高斯量子计算的可行性。 量子纠错是量子计算和量子通信中比不可少的一个重要环节。我们实验实现了一个针对单个随机误差的五波包编码的连续变量量子纠错方案。连续变量五组份纠缠的五个子模被用作五个编码信道。特别是，在我们的编码方案中，输入态被编码到五个编码信道中的其中三个信道中，而其余两个信道不包含输入态的信息。因此，输出的量子态免疫于不包含输入态的量子信道中的误差。如果误差发生在这两个信道中，我们不需要执行纠错操作，而且此时输出态的保真度接近1。我们实验演示了输入态为真空态和单模压缩态时量子纠错方案的执行情况，实验得到的保真度均高于相应的经典极限。近期，我们提出了基于连续变量八组份cluster态实现拓扑纠错的方案。研究表明，我们可以实现拓扑量子关联对任意一个光学模式的相空间平移误差的拓扑保护。
11:10 am -- 12:00 pm	许金时 中国科学与技术大学	Title: 面向高维多模式的光量子模拟 Abstract:量子模拟是用一个可控的量子系统来模拟另一个量子系统的性质和演化。线性光学系统能够有效地屏蔽环境对系统的影响，并且能够方便地实现高维多模式的编码和操作，是量子模拟一个很重要的方向。在这个报告中我将首先介绍利用对光子多空间模式的编码和操作，模拟马约拉纳零模交换性质及探测非阿贝尔拓扑Berry相位的实验工作。另一方面光子轨道角动量数目原理上可以无限，是量子模拟很好的信息载体。轨道角动量简并腔可以同时容纳很多轨道角动量，因此提供了一个同时操控多维度的量子平台。我将介绍利这一方向的实验进展，包括实现了超过46阶轨道角动量简并光学腔的搭建以及新型轨道角动量简并腔的设计等。
午餐
2:00 pm -- 2:50 pm	王大伟 浙江大学	Title:Synthesis of Anti-symmetric Spin Exchange Interaction in Superconducting Circuits Abstract:According to quantum mechanics, chiral states cannot be non-degenerate eingenstates of a parity-conserving Hamiltonian. This is in contradiction to the existence of chiral molecules—a fact known as as the Hund paradox. The origin of molecular and biological chirality is conjectured to be related to parity-breaking interactions or environmental decoherence, but a quantum superposition of two chiral molecular states with distinctive optical activities has never been observed. To make progress in addressing these questions, it would be helpful to construct an artificial quantum system that breaks the parity symmetry and that can be prepared in a superposition of two chiral states. Here we report the synthesis of the parity-breaking antisymmetric spin exchange interaction in all-to-all connected superconducting circuits, which allows us to show various chiral spin dynamics in up to five-spin clusters. We also demonstrate the entanglement of up to five qubits in Greenberger–Horne–Zeilinger states based on a three-spin chiral logic gate. Our results are a step towards quantum simulation of magnetism with antisymmetric spin exhange interaction and quantum computation with chiral spin states.
2:55 pm -- 3:45 pm	戴汉宁 中国科学与技术大学	Title: Mass Production of Entanglement in a Defect-free Ultracold Atom Lattice Abstract:Scalable, coherent many-body systems are of fundamental interest, which could ultimately enable a quantum machine outperforming conventional computers. A paradigmatic quantum simulator is composed of neutral atoms in optical lattice with great potential for quantum technologies. However, previous experiments achieved neither sufficient number of qubits nor qualified two-qubit gates for future applications. Here we report the creation of a defect-free quantum simulator with ten-thousand atoms and mass production of high-fidelity entangled pairs. In a two-dimensional (2D) plane, we cool the Mott-insulator samples by immersing them into removable superfluid reservoirs and a record-low entropy per particle of 0.0019 $k_B $ is achieved ($k_B$ is the Boltzmann constant). The atoms are then rearranged into a 2D lattice free of defects. Afterwards, we realize parallel two-qubit gates for entangling 1250 atom pairs with a fidelity of 0.993(1). This experiment opens an avenue for large-scale quantum simulation and computation.
茶歇
4:10 pm -- 5:00 pm	鲁大为 南方科技大学	Title: Experimental Implementation of Efficient Quantum Pseudorandomness on a 12-spin System Abstract:Quantum pseudorandomness, also known as unitary designs, comprises a powerful resource for emergent quantum technologies. Although in theory pseudorandom unitary operators can be constructed efficiently, realizing these objects in realistic physical systems is a challenging task. Here, we demonstrate experimental generation and detection of quantum pseudorandomness on a 12-qubit nuclear magnetic resonance system. We first apply random sequences to the interacting nuclear spins, leading to random quantum evolutions that can quickly form unitary designs. Then, in order to probe the growth of quantum pseudorandomness during the time-evolutions, we propose the idea of using the system’s multiple-quantum coherence distribution as an indicator. Based on this indicator, we measure the spreading of quantum coherences and find that substantial quantum pseudorandomness has been achieved at the 12-qubit scale. This may open up a path to experimentally explore quantum randomness on forthcoming large-scale quantum processors.

10月20日
9:00 am -- 9:50 am	李绿周 中山大学	Title: 量子生成对抗网络 Abstract:量子机器学习近年来得到了较大关注。我们考虑如何基于量子计算技术提升生成对抗网络（GAN）的性能。具体来说，我们提出一个量子生成对抗网络模型（QGAN)，该模型是一种经典-量子混合架构，其中以参数量子电路作为生成器，以经典神经网络作为区分器。所提出的QGAN具有以下特征或潜在优势：1.具有内在的生成离散数据的能力，而经典GAN由于梯度消失问题并不擅长生成离散数据。2.避免了目前大多数量子机器学习算法所面临的输入/输出瓶颈问题（即要么需要花费大量时间把经典数据编码为量子态，要么输出的只是问题解的量子态编码而不是经典可读取的形式）。3.可以把蕴含在训练集中的概率分布显示地学习出来，进而可以作进一步的应用。
茶歇
10:15 am -- 11:05 am	李科 哈尔滨工业大学	Title: Quantum de Finetti Theorem under One-way Adaptive Measurements Abstract:I will talk about a version of the quantum de Finetti theorem: permutation-invariant quantum states are well approximated as a probabilistic mixture of multi-fold product states. The approximation is measured by distinguishability under one-way adaptive measurements. I will also talk about its applications: (i) a quasipolynomial-time algorithm which detects multipartite entanglement with amount larger than an arbitrarily small constant (measured with a variant of the relative entropy of entanglement), and (ii) a proof that in quantum Merlin-Arthur proof systems, polynomially many provers are not more powerful than a single prover when the verifier is restricted to one-way adaptive measurements.
11:10 am -- 12:00 pm	魏朝晖 清华大学	Title: The Experimental Detection and Quantification of Entanglement Abstract:We define a property called nondegeneracy for Bell inequalities, which describes the situation that in a Bell setting, if a Bell inequality and involved local measurements are chosen and fixed, any quantum state with a given dimension and its orthogonal quantum state cannot violate the inequality remarkably at the same time. We prove that for an arbitrary quantum dimension, based on the measurement statistics only, we can give an analytic lower bound for the entanglement of formation of the unknown bipartite quantum state by choosing a proper nondegenerate Bell inequality, making the whole process semi-device-independent. We provide specific examples to demonstrate the existence of nondegeneracy and applications of our approach.
午餐
2:00 pm -- 2:50 pm	李颖 中国工程物理研究院	Title:Error-resilient Quantum Computation on Near-future Quantum Computers Abstract:Computation is meaningful only if it produces correct outcomes. On a scalable quantum computer with millions of qubits, by protecting the quantum information using error correction codes, we can realise quantum computation with reliable outcomes. In this talk, I will present two alternative approaches that can reduce computation errors without encoding; therefore, they are practical for near-future quantum computers with a limited number of qubits.
2:55 pm -- 3:45 pm	翁文康 南方科技大学 华为量子计算软件与算法首席科学家	Title: 专用量子计算机的应用算法 Abstract:在不久的将来，我们可以预期学术界和工业界在量子计算机的研发上有持续的突破。比如对于 50 个量子比特以上的量子芯片，能够达到非常高精度的调控技术。很有可能对于一些特定的计算任务，这些量子芯片能够执行到一个程度，是经典计算机无法有效模拟的。可是，这些芯片的量子比特个数还是远远不足以实现教科书里面的量子算法。当前的一个重大的问题就是，如何开发针对近期量子芯片的应用，去解决一些实际的科学或者工程问题？此外，对于一般用户，我们预期这些算力强大的专用量子机能够通过互联网，作为一种云服务去访问。这种形式的量子计算云服务也引发出不少学术问题，比如说，如何验证互联网背后的服务器是否带有真正的量子计算机而不是一个经典模拟器？ 在这次报告中，我将汇报最近的几个相关的科研成果和分享我对这些问题的看法。
茶歇
4:10 pm -- 5:00 pm	Panel Discussion

Short Bios

	Professor Xiao-Song Ma joined School of Physics at Nanjing University in 2015. He obtained his B.S. from Nanjing University in 2003, M.S. from Leiden University in 2005 and Ph.D in Physics at University of Vienna in 2010. He was a postdoc fellow in the Institute of Quantum Optics and Quantum Information in Vienna from 2010 to 2012, and a Marie Curie fellow in Yale University from 2012 to 2015. His research area covers long-distance quantum communication, experimental investigations on the foundation of quantum physics and integrated photonics for quantum-enhanced technology.
	苏晓龙，理学博士，山西大学光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室教授、博士生导师。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，山西省青年拔尖人才，山西省高等学校优秀青年学术带头人。获2009年全国优秀博士论文提名奖、2010年山西省自然科学一等奖（排名第三）。 主要从事量子光学和量子信息的实验与理论研究，近期的研究兴趣集中在连续变量多组份纠缠态的实验产生、量子网络和量子计算等方面。
	许金时，中国科学技术大学特任教授，博导。主要从事基于光的量子信息和量子物理的实验研究，获得2011年度全国百篇优秀博士论文奖；入选2012年教育部新世纪优秀人才支持计划；获得2013年国家自然科学基金优秀青年基金的资助；获得2014年安徽省自然科学技术一等奖（排名第二）及2014年全国高校自然科学技术一等奖（排名第二）。现任国际期刊Scientific Report编委。 【研究方向】 量子模拟光学实现的实验研究 量子信息及量子物理基础问题的研究 固态量子光源的实验研究
	王大伟，浙江大学物理系百人计划研究员。 【研究方向】 量子光学：研究光与原子的相互作用，包括反旋转波项的作用、电磁感应透明、超辐射、集体兰姆位移、原子气体的非线性光学。 量子模拟：利用量子光学系统模拟凝聚态物理，尤其是拓扑绝缘体的性质，例如在超辐射晶格中模拟Haldane模型。 量子信息：研究光与原子的宏观纠缠态，多量子比特所形成的手性自旋态，并探索这些态在量子测量和量子计算中的应用。
	戴汉宁，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授，入选国家高层次青年人才计划（2018年）。2007年7月毕业于中国科学技术大学，获学士学位。2013年毕业于中国科学技术大学，获博士学位。2011-2013年在德国海德堡大学联合培养， 2013-2018年在德国海德堡大学物理所从事博士后研究工作，2018年3月至今任中国科学技术大学特任教授，主要从事光晶格中的量子计算与量子模拟实验研究。近年来一直致力于超冷原子量子调控与模拟方面的研究，已在Nature Physics (2篇)、Nature Photonics (1篇)、Physical Review Letters (2篇)、PNAS (1篇)、Physical Review A (2篇) 等国际学术期刊上发表多篇篇研究论文。 【研究方向】 超冷原子量子调控：光晶格量子气体显微镜 精密时频技术：基于光晶格的冷原子光钟
	鲁大为，南方科技大学物理系副教授，深圳市量子科学与工程研究院副研究员，国家高层次青年人才入选者。2007年本科毕业于中国科学技术大学少年班，随后保送本校读博，并于2012年取得博士学位，师从杜江峰院士。毕业后，加入滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）Laflamme教授研究组从事博士后研究工作，并于2017年8月全职加入南方科技大学。主要从事基于核磁共振和金刚石色心体系的量子计算实验研究，在量子控制、量子模拟、量子算法等领域取得了一系列研究进展，共发表论文三十余篇，其中包括在物理学顶级刊物Phys. Rev. Lett.上发表的十余篇实验论文。目前担任包括Phys. Rev.Lett.，Nat. Commun.等在内的数十种期刊审稿人。 【研究方向】 基于自旋磁共振体系的量子信息处理和相干控制 高量子比特系统的发展、表征和操控 量子模拟、量子纠缠和量子态重构
	李绿周，博士，中山大学数据科学与计算机学院教授、博士生导师、院长助理；CCF高级会员，CCF理论计算机科学专委会常务委员。2009年6月毕业于中山大学计算系，获博士学位。长期从事量子计算与量子信息方面的研究，过去十余年主要从计算机科学的角度出发，围绕“量子计算相对于经典计算有何优势与本质不同”这一中心问题展开研究，在量子计算模型方面进行了比较深入的思考，解决了量子自动机的等价性、最小化等公开问题。已在Journal of Computer and System Sciences, Information and Computation, Theoretical Computer Science, IEEE transaction on Fuzzy Systems, Physical Review A 等国际著名学术期刊发表论文近50篇，SCI收录近40篇。曾获得2009年度中国计算机学会优秀博士学位论文奖，2012年度中山大学青年教师授课大赛一等奖。
	李科，哈尔滨工业大学教授，博士生导师。国家特聘专家（青年）。博士毕业于中国科学技术大学，之后先后在新加坡国立大学、IBM沃森研究中心和麻省理工学院和加州理工学院从事博士后研究。主要从事概率统计与量子信息的交叉研究。在PRL上发表了多篇论文。博士期间解决了量子信道容量中一个重要猜想。 【研究方向】 量子力学框架下的非交换概率、统计和信息论
	魏朝晖，清华大学交叉信息研究院助理教授。博士毕业于清华大学计算机科学与技术系。之后在新加坡国立大学量子技术中心从事博士后研究。从事量子信息、量子计算和量子密码学相关研究，在物理学和信息论权威期刊 PRL、IEEE Transaction on Information Theory 上发表多篇论文。 【研究方向】 量子信息、量子计算、计算复杂性、量子机器学习、量子编程
	李颖，中国工程物理研究员研究生院研究员。博士生导师。国家特聘专家（青年）。博士毕业于新加坡国立大学量子技术中心，之后在牛津大学从事博士后研究。主要从事量子计算、量子光学相关研究。在PRL,PRX上发表多篇论文。 【研究方向】 容错量子计算，量子编码，量子算法，量子模拟
	翁文康，博士毕业于美国伊利诺伊大学 (UIUC) 进修物理学博士，师从诺贝尔物理学奖得奖者 Anthony Legget。毕业后三年多的时间在哈佛大学 (Harvard) 进行有关量子信息和物理化学的博士后研究工作。 2013年9月回国并在清华大学 (Tsinghua) 交叉信息研究院任职助理教授。2016年1月任职南方科技大学 (SUSTech) 物理系副教授。 2018年正式加入华为数据中心技术实验室，任量子计算软件与算法首席科学家。翁文康的学术工作主要集中于量子算法的设计和量子模拟的研究，并取得了一系列重要的成果。其中以（共同）第一作者、或（共同）通讯作者身份在Nature Photonics，Physical Review Letters，PNAS，Nature Communications，Science Advances等国际著名刊物发表学术论文，并获邀为 Ann. Rev. Phys. Chem，Advances in Chemical Physics 等权威杂志撰写综述性文章。其中关于量子绝热的研究结果 [Li&Yung (共同通讯作者) NJP 2014] 被 IOP Publishing选为「IOPSelect」和被 New Journal of Physics 选为「Highlights of 2014」。 【研究方向】 量子计算、量子人工智能、量子信息、 量子模拟、量子热力学