半导体所等在量子比特退相干研究中获得新发现

关于量子比特的含义、特性、实现及各种操作一．绪论 ................................................ 错误!未定义书签。

二．量子比特的基本概念.................................. 错误!未定义书签。

经典比特............................................... 错误!未定义书签。

量子比特定义与表示 ..................................... 错误!未定义书签。

基本量子比特..................................... 错误!未定义书签。

复合量子比特..................................... 错误!未定义书签。

多进制量子比特................................... 错误!未定义书签。

量子比特的实现 ......................................... 错误!未定义书签。

三．量子比特特性......................................... 错误!未定义书签。

.量子比特的数学特性 ..................................... 错误!未定义书签。

.量子比特的物理特性 ..................................... 错误!未定义书签。

叠加性和相干性................................... 错误!未定义书签。

量子测不准性..................................... 错误!未定义书签。

不可克隆性....................................... 错误!未定义书签。

非正交态的不可区分性............................. 错误!未定义书签。

我国物理学学科的总体发展现状分析改革开放30年以来，我国物理学基础研究有较大发展，研究水平也有很大提高，物理研究的重要基础设施和实验条件等都有了显著的改观，已形成了一支有较高研究素质的队伍。

目前，物理学各分支学科已有较大的覆盖面，与其他学科的交叉正在逐步加强，在许多领域取得了国际同行广泛关注的研究成果，一些研究方向已处于学科发展的最前沿，甚至有些研究成果已成为学科发展的重要标志，在一段时间内引领学科的发展。

与其他学科相比，我国物理学研究与国际水平较为接近。

我国物理学发展已从过去跟踪学科前沿发展，逐渐进入推动学科前沿发展的新阶段。

未来10年里，在若干重要方向上将能够引领学科的国际发展趋势。

据统计，在我国现从事物理学基础研究的固定研究人员中，能够稳定申请国家自然科学基金项目的约1.5万余人，在站博士后和在读博士生约1.2万人，其数量是10年前的5倍，而且每年以约20％的增长率大幅度增长。

研究人员专业分布大致如下：凝聚态物理32.9％，光学23.0％，原子分子物理5.8％，声学6.6％，核物理5.4％，高能物理5.2％，核技术14.5％，等离子体物理6.5％。

国家通过973计划、科技专项、国家实验室、国家重点实验室、国家自然科学基金等资助渠道对物理学基础研究实施年度经费投入（不包括大科学装置)，2009年约为20亿元。

我国物理科研人员主要分布在重点大学和中国科学院各研究所，实验设备主要集中在国家实验室、国家重点实验室和一些部委重点研究室。

据不完全统计，目前，我国以物理学学科为主导、以大科学工程为依托的国家实验室有3个：北京正负电子对撞机国家实验室、兰州重离子加速器国家实验室、合肥同步辐射国家实验室。

此外，还有一个2010年刚通过国家验收的我国目前最大规模的重大科学工程——上海同步辐射光源（以下简称“上海光源”）。

科学技术部批准正在筹建中的物理学学科国家实验室有4个：北京凝聚态物理国家实验室、南京微结构国家实验室、合肥微尺度物质科学国家实验室、磁约束核聚变国家实验室。

关于量子比特的含义、特性、实现及各种操作一．绪论 (2)二．量子比特的基本概念 (2)2.1 经典比特 (2)2.2 量子比特定义与表示 (3)2.2.1 基本量子比特 (3)2.2.2 复合量子比特 (4)2.2.3 多进制量子比特 (5)2.3 量子比特的实现 (5)三．量子比特特性 (6)3.1.量子比特的数学特性 (6)3.2.量子比特的物理特性 (7)3.2.1 叠加性和相干性 (7)3.2.2 量子测不准性 (9)3.2.3 不可克隆性 (10)3.2.4 非正交态的不可区分性 (12)3.2.5 量子纠缠性 (13)3.2.6 量子互补性 (15)四．量子比特的变换 (16)4.1量子逻辑门. (16)4.1.1 单量子比特逻辑门 (16)4.1.2 多量子比特逻辑运算 (19)4.2量子线路 (22)五．量子比特信息的测度 (23)5. 1 经典香农熵 (23)5.2 量子冯•诺依曼熵 (25)5.3 量子保真度 (26)5.4 可获得的最大信息 (27)六．量子寄存器 (27)6.1量子寄存器的存储 (28)6.2 量子寄存器量子态的测量 (30)七．量子比特的存储 (31)八．量子比特的制备 (32)8.1光场量子比特的制备 (32)8.2 多原子最大纠缠比特的制备 (33)8.3、囚禁离子质心运动量子比特的制备 (34)参考文献 (35)一．绪论1983年，Stephen wiesner在他量子货币的提案中第一次引入了量子比特的概念。

而“量子比特”这个术语的问世应归功于Benjamin schumacher，在他论文的致谢辞中，schumacher 表示术语“量子比特”是他在同William wootters的一次谈话时提出的，只是因为它同古代的一种长度测量单位腕尺（cubit）的发音相似。

在量子计算中，作为量子信息单位的是量子比特，量子比特与经典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

《进阶的量子世界：人人都能看懂的量子科学漫画》读书札记目录一、量子世界的初探 (3)1.1 量子科学的兴起 (4)1.1.1 科学背景与意义 (5)1.1.2 量子科学的发展历程 (7)1.2 量子世界的奇异特性 (7)1.2.1 波粒二象性 (8)1.2.2 测不准原理 (10)1.2.3 超距作用与量子纠缠 (10)二、量子力学的基础 (11)2.1 量子力学的定义 (12)2.1.1 经典物理的局限 (14)2.1.2 量子力学的提出 (15)2.2 量子力学的基本原理 (16)2.2.1 波函数与薛定谔方程 (18)2.2.2 测量与观测的作用 (19)2.2.3 超定态与叠加态 (20)三、量子世界的应用 (21)3.1 量子计算 (22)3.1.1 传统计算机与量子计算机的区别 (23)3.1.2 量子算法与量子通信 (24)3.2 量子传感 (25)3.2.1 原子钟与量子陀螺仪 (26)3.2.2 量子成像技术 (28)3.3 量子材料与器件 (29)3.3.1 半导体与超导体 (30)3.3.2 量子点与量子阱 (32)四、量子世界的挑战与未来 (32)4.1 量子力学与相对论的统一 (34)4.1.1 爱因斯坦的广义相对论 (35)4.1.2 量子场论的发展 (35)4.2 量子计算机的实现难题 (37)4.2.1 硬件要求与技术挑战 (39)4.2.2 量子计算机的潜在应用 (40)4.3 量子世界的伦理与安全性问题 (41)4.3.1 量子黑客与信息窃取 (42)4.3.2 量子技术的潜在风险 (43)五、结语 (44)5.1 量子科学的魅力与影响 (45)5.2 人类对量子世界的探索与展望 (46)一、量子世界的初探在我手中翻阅这本名为《进阶的量子世界：人人都能看懂的量子科学漫画》时，我仿佛踏上了一次奇妙的探险之旅。

这部作品的魅力不仅仅在于其独特的漫画形式，更在于它成功地将深奥的量子科学知识与生动的视觉元素结合，引领我走进这个神秘而又充满魅力的量子世界。

量子信息科学基础知识单选题100道及答案解析1. 量子比特与经典比特的主要区别在于（）A. 量子比特可以处于多个状态的叠加态B. 量子比特只能处于0 或1 的状态C. 量子比特的计算速度更慢D. 量子比特更易于存储答案：A解析：量子比特可以处于多个状态的叠加态，这是其与经典比特的主要区别。

2. 量子纠缠现象表明（）A. 两个粒子之间存在超距作用B. 量子力学存在内在的随机性C. 信息传递可以超过光速D. 测量会导致量子态的坍缩答案：A解析：量子纠缠现象表明两个粒子之间存在超距作用。

3. 以下哪个是量子计算的优势（）A. 能耗低B. 计算速度快C. 精度高D. 成本低答案：B解析：量子计算的主要优势在于计算速度快。

4. 量子密钥分发的安全性基于（）A. 量子不可克隆定理B. 海森堡不确定性原理C. 泡利不相容原理D. 能量守恒定律答案：A解析：量子密钥分发的安全性基于量子不可克隆定理。

5. 量子隐形传态传输的是（）A. 粒子B. 信息C. 能量D. 物质答案：B解析：量子隐形传态传输的是信息。

6. 薛定谔方程用于描述（）A. 量子态的演化B. 粒子的运动轨迹C. 能量的分布D. 物质的结构答案：A解析：薛定谔方程用于描述量子态的演化。

7. 在量子力学中，波函数的平方表示（）A. 粒子出现的概率密度B. 粒子的能量C. 粒子的动量D. 粒子的速度答案：A解析：在量子力学中，波函数的平方表示粒子出现的概率密度。

8. 量子退火算法主要用于（）A. 优化问题求解B. 数据加密C. 图像识别D. 声音处理答案：A解析：量子退火算法主要用于优化问题求解。

9. 量子门操作是对（）的变换A. 量子态B. 经典态C. 能量态D. 物质态答案：A解析：量子门操作是对量子态的变换。

10. 量子计算中的量子比特通常用（）来实现A. 电子B. 光子C. 超导电路D. 以上都是答案：D解析：量子计算中的量子比特可以用电子、光子、超导电路等多种方式来实现。

量子计算的前沿技术和发展趋势相比于传统的计算机，量子计算机更加强大和高效，因此吸引了越来越多的研究者和科技公司的关注。

然而，量子计算并不是一项容易实现和发展的技术，在实际应用方面还存在诸多挑战和困难。

本文将讨论量子计算的前沿技术和发展趋势，并解析其目前面临的主要问题和障碍。

一、前沿技术1. 量子态制备技术量子计算机的最基本单位是量子比特（Qubit），它的不同状态能够表示不同的信息。

因此，量子态制备技术是量子计算的基础。

现有的制备方法包括超导量子比特、离子阱量子比特、NV中心量子比特等。

其中，超导量子比特技术是目前最成熟的技术，已经被用于IBM和Google等公司的量子计算机系统。

2. 量子纠缠技术量子纠缠是量子计算的核心概念之一，它是指两个或多个量子比特之间的相互关联。

通过量子纠缠，量子比特的状态可以在很远的距离上同时变化，因此可以实现远距离通信和量子隐形传态等功能。

量子纠缠技术的发展对于量子计算的实现和应用具有重要意义。

3. 量子门操作技术量子门操作是将两个或多个量子比特进行运算的过程，它需要非常高的精确度和稳定性。

当前，超导量子计算机是最具有潜力的量子计算机实现方案之一，其中也包括超导量子门操作技术。

与此同时，利用量子点和单光子器件等技术进行量子门操作也是当前研究的热点之一。

二、发展趋势1. 大型化目前，大部分的量子计算机都还处于小型化实验室阶段。

未来，随着量子计算机的技术不断成熟，量子计算机将逐渐实现大型化。

可以预见的是，随着量子计算机规模的扩大，其计算能力和性能将得到大幅提升，可以完成之前传统计算机无法完成的任务。

2. 应用拓展随着量子计算机的研究和发展，其应用领域也在不断扩展。

当前，量子计算机已经被广泛应用于化学、物理、金融和生物等领域。

与此同时，量子计算机的应用范围也在不断扩大，例如量子计算机在数据安全、人工智能、物联网等领域应用的研究和探索正在进行中。

3. 标准化目前，由于量子计算机的复杂性和特殊性，量子计算领域还没有建立统一的标准。

超导量子比特与量子计算的前沿问题超导量子比特（Superconducting qubits）是一种让人们充满期待的量子比特体系，在量子计算的前沿问题中扮演着重要的角色。

与传统的晶体管比特相比，超导量子比特具有更长的相干时间和更低的误差率，为实现大规模量子计算提供了希望。

在超导量子比特中，超导量子电路通常由超导体和电磁场耦合而成。

超导体的零电阻性质使得电荷可以在其中自由流动，从而实现了量子叠加和量子纠缠等基本的量子操作。

而电磁场则用于控制和读取超导量子比特的量子态。

然而，尽管超导量子比特在理论上是十分有吸引力的，但其实际应用还面临着很多挑战。

首先，超导量子比特对于环境的敏感性很高，微小的噪声和干扰就可能导致其量子态的退相干和退相位。

这使得在实际的应用中很难实现长时间的量子计算。

其次，超导量子比特的制备和控制也是一项非常复杂的工作。

超导量子电路需要在极低温下运行，通常需要接近绝对零度。

而在制备过程中，制造高质量的超导量子比特也是一项技术上的挑战。

另外，超导量子比特之间的相互作用也需要精确控制，以实现量子门操作和量子纠缠。

为了解决这些问题，科学家们正积极开展研究，希望能够实现更稳定和鲁棒的超导量子比特。

一方面，他们正在不断改进超导材料的性能，以提高超导量子比特的相干时间和抗噪声能力。

另一方面，他们也在寻找更加高效和精确的量子控制方法，以降低操作误差率并提高量子计算的准确性。

此外，超导量子比特的可扩展性也是一个重要的问题。

虽然目前已经实现了少量（通常是几十个）超导量子比特的量子计算实验，但要实现真正的大规模量子计算仍然具有挑战性。

科学家们正在研究如何在超导量子比特中实现更多的量子门操作，并进一步提高量子比特之间的相互耦合强度，以实现更大规模的量子计算。

总的来说，超导量子比特与量子计算的前沿问题密切相关。

通过改进材料性能、提高量子控制精度和解决可扩展性难题，科学家们正努力推动量子计算的发展。

虽然目前仍面临许多挑战，但我们有理由相信，超导量子比特将为未来的量子计算带来突破性的进展，为解决复杂问题和优化计算性能提供更多的可能性。

我国刷新最大纠缠态制备世界纪录等作者：暂无来源：《科学中国人》 2018年第13期我国刷新最大纠缠态制备世界纪录多量子比特的操纵和纠缠是量子计算研究的核心指标。

近日，我国科学家潘建伟及其同事通过调控6个光子的偏振、路径和轨道角动量3个自由度，在国际上首次实现了18个光量子比特的纠缠，刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

国际权威学术期刊《物理评论快报》日前发表了该成果。

多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备是发展可扩展量子信息技术，特别是量子计算的最核心指标。

量子计算的速度将随着可操纵的纠缠比特数目的增加而实现指数级的提升。

但要实现多个量子比特的纠缠，需要进行高精度、高效率的量子态制备和独立量子比特之间相互作用的精确调控。

同时随着量子比特数目的增加，操纵时所带来的噪声、串扰和错误也随之增加。

这对量子体系的设计、加工和调控要求极高，成为量子纠缠和量子计算发展的巨大挑战。

作为国际前沿的量子信息科研团队之一，潘建伟团队此前已多次刷新量子纠缠数量的世界纪录。

据介绍，该成果将进一步应用于大尺度、高效率的量子信息技术，这表明在多体纠缠的研究上，我国在国际上仍继续处于引领地位。

我国首次获得国际核天体物理大会举办权从在意大利刚刚闭幕的第15届国际核天体物理大会（NIC2018）传来消息：下一届国际核天体物理大会（NIC2020）将由中国举办。

这是我国首次获得这一重要国际会议的举办权，中国原子能科学研究院将承办此次会议。

国际核天体物理大会每两年召开一次，自1990年在奥地利举行第一次会议以来，已成为核天体物理领域最重要的国际会议。

获得第16届国际核天体物理大会举办权标志着我国核天体物理研究取得的长足发展在国际上得到进一步认可。

中国锦屏深地核天体物理重大项目首席科学家、原子能院副院长柳卫平表示，我国核天体物理研究，目前已形成了从深地到地面实验、从核反应测量到天文观测、从实验到网络计算的多学科交叉研究的可喜局面。

2022-2023学年安徽省六安市一中省示范高中高三上学期1月教学质量数学试题注意事项：1.答题前，考生务必将自己的姓名、座位号等填写在答题卡和答题卷指定位置上.2.回答选择题时，选出每小题答案后，用2B 铅笔把答题卡上对应题目的答案标号涂黑.如需改动，用橡皮擦干净后，再选涂其他答案标号.回答非选择题时，将答案写在答题卡上，写在本试卷上无效.3.考试结束后，将本试卷和答题卡一并交回.一、单选题：本题共8小题，每小题5分，共40分.在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的.1.全集，集合，则（ ）{}33U x x =-<<{}2320A x x x =-+<U A = A. B.()1,2[]1,2C. D.(][)3,12,3- ()()3,12,3-2.若复数满足，则复数在复平面内对应的点位于（ ）z 21z z z ⋅-=+z A.第一象限B.第二象限C.第三象限D.第四象限3.已知中，O 为BC 的中点，且，，，则向量在向ABC △4BC = AB AC AB AC +=- 6ACB π∠=AO 量上的投影向量为（ ）ABA. B. C. D.14AB 13AB 12AB AB4.已知圆，点在直线上，过点作圆的切线，切点分别为A 、B ，()22:11C x y -+=P :230l x y -+=P C 则切线段的最小值为（ ）PAA.1B.2D.35.2022年诺贝尔物理学奖授予在量子领域做出贡献的法国、美国、奥地利科学家，我国于2021年成功研制出目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”，操控的超导量子比特为66个.已知1个超导量子比特共有“,”2种叠加态，2个超导量子比特共有“,，，”4种叠加态，0>1>00>01>10>11>3个超导量子比特共有“，，，，，，，”8种叠加000>001>010>011>100>101>110>111>态，…，只要增加1个超导量子比特，其叠加态的种数就呈指数级增长.设66个超导量子比特共有种叠加N 态，则是一个（ ）位的数.（参考数据：）N lg20.3010≈A.19B.20C.66D.676.已知函数的图象的一部分如图所示，则该函数解析式可能是（）()y f x =A. B.()2sin f x x x=⋅()2cos f x x x=⋅C. D.())cos lnf x x x =⋅-())cos lnf x x x =⋅+7.已知中，a 、b 、c 为角A 、B 、C 的对边，，若与的内角平ABC △cos cos sin a B b A c C +=BAC ∠ABC ∠分线交于点I ，，则面积的最大值为（ ）ABC △IAB △A. B. D.2-412-8.已知，，.则（ ）111a =b =11ln 10c =A. B. C. D.a b c>>b c a>>c b a>>cb a >>二、多选题：本题共4小题，每小题5分，共20分.在每小题给出的四个选项中，有多选项符合题目要求，全部选对的得5分，部分选对的得2分，有选错的得0分.9.下列说法不正确的是（）A.已知命题，都有，则，使:3p x ∀>2230x x -->:3p x ⌝∃>2230x x --≤B.数列前n 项和为，则，，成等比数列是数列成等比数列的充要条件{}n a n S n S 2n n S S -32n n S S -{}n a C.是直线与直线平行的充要条件1a =±1:10l ax y +-=2:10l x ay ++=D.直线l 的斜率为k ，则为直线l 的方向向量()1,a k =10.椭圆的上下顶点分别A 、B ，焦点为、，为椭圆上异于A 、B 的一动点，()2222:10y x C a b a b+=>>1F 2F P 离心率为e ，则（）A.的周长为12PF F △()21a e +B.离心率e 越接近1，则椭圆C 越扁平C.直线PA 、PB 的斜率之积为定值22b a-D.存在点P 使得，则12PF PF⊥e ⎫∈⎪⎪⎭11.设函数，则下列结论正确的是（ ）()()212sin 06f x x πωω⎛⎫=--> ⎪⎝⎭A.若函数的最小正周期为，则()f x 2π1ω=B.存在，使得的图象向右平移个单位长度得到的函数图象关于原点对称()0,1ω∈()f x 6πC.若，当时，函数的值域为12ω=0,2x π⎛⎫∈ ⎪⎝⎭()f x 12⎛ ⎝D.若在上有且仅有4个零点，则()f x []0,π2329,1212ω⎡⎫∈⎪⎢⎣⎭12.已知长方体中，，，点是四边形内（包含边界）1111ABCD A BC D -2AB BC ==1AA =P 1111A B C D 的一动点，设二面角的大小为，直线与平面所成的角为，若，则（ P AD B --αPB ABCD βαβ=）A.点的轨迹为一条抛物线PB.线段长的最小值为3PB C.直线与直线所成角的最大值为1PA CD 4πD.三棱锥11P A BC -三、填空题：本题共4小题，每小题5分，共20分.13.抛物线的准线方程为______.2y x =14.已知等差数列的前n 项和为，，，则数列的前20项和是______.{}n a n S 1717S =513S S ={}n a 15.正三棱锥的侧棱长为2，M 为AB 的中点，且，则三梭锥外接球的表面积P ABC -PM PC ⊥P ABC -为______.16.已知函数，，若，，则的最大值为______.()ln f x x x =+()ln g x x x =()12ln f x t=()22g x t =2ln tx 四、解答题：本题共6小题，共70分，解答题应写出文字说明、证明过程和演算步骤.17.（本题满分10分），②这两个条件中任选一个，cos sin A a C -=sin sin sin sin A C A Bb a c--=+补充在下面的问题中，并解答问题.在中，内角A 、B 、C 的对边分别为a 、b 、c ，且满足______.ABC △（1）求角的大小：C （2）若D 在边AB 上，且，求CD 的最小值.ABC △13AD AB =（注：如果选择多个条件分别解答，按第一个解答记分.）18.（本题满分12分）如图，在四棱锥中，，，，平面，，P ABCD -2AB =3CD =AB CD ∥PD ⊥ABCD 2BAD π∠=为线段上一点且.M PC 2PM MC =（1）证明：平面；BM ∥PAD （2）若，二面角，求PD 的长.2AD =M BD C --19.（本题满分12分）已知是数列的前n 项和，且.n S {}n a ()1*21n n S n N +=-∈（1）求数列的通项公式；{}n a （2）若，是的前项和，证明：.()()11211n n n n b a a ++=--n T {}n b n 43n T <20.（本题满分12分）随䍰六安市经济发展的需要，工业园区越来越受到重视，成为推动地方经济发展的重要工具，工业园区可以有效创造和聚集力量，共享资源，克服外部负面影响，带动相关产业发展，从而有效促进产业集群的形成.已知工业园区内某工厂要设计一个部件（如图阴影部分所示），要求从圆形铁片上进行裁剪，部件由三个全等的矩形和一个等边三角形构成.设矩形的两边长分别为，（单位：），要求，部件AD y =CD x =cm y x >.2（1）求y 关于x 的函数解析式，并求出定义域；（2）为了节省材料，请问x 取何值时，所用到的圆形铁片面积最小，并求出最小值.21.（本题满分12分）已知函数.()ln 1f x mx x =--（1）讨论函数的单调性；()f x （2）函数，若在上恒成立，求实数m 的取值范围.()2x x g x e=()()f x g x >()0,+∞22.（本题满分12分）已知两点、，动点M 满足直线MA 与直线MB 的斜率之积为3.，动点M 的轨迹为曲线C .()1,0A -()1,0B （1）求曲线C 的方程；（2）过点作直线交曲线C 于P 、Q 两点，且两点均在y 轴的右侧，直线AP 、BQ 的斜率分别为、()2,0F l 1k .2k ①证明：为定值；12k k ②若点Q 关于x 轴的对称点成点H ，探究：是否存在直线l ，使得的面积为，若存在，求出直线l PFH △92的方程，若不存在，请说明理由.数学试卷答案1.C 【详解】，所以，故正确答案为C.{}12A x x =<<(][)3,12,3U A =- 2.A 【详解】令，根据题意可得：.i z a b =+2222i 1a b a b +--=+∴，∴，则，所以复数对应的点位于第一象限，故正确答案为A.22212a b a b ⎧+-=⎪⎨-=⎪⎩1a b =⎧⎪⎨=⎪⎩1z =+z 3.C 【详解】∵，，，AB AC AB AC +=- 2BAC π∠=4BC =2AB =∴投影向量为，故答案选C.1cos 32AB AO AB AB π=4.B 【详解】时，PA 的长最小，C 到l 的距离为，所以PA =PC l ⊥d ，故答案选B.min 2PA ==5.B 【详解】根据题意，设个超导量子比特共有种叠加态，n 2n所以当有66个超导量子比特共有种叠加态。