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偶极量子多体自旋系统中的时间反转
宏观系统中的时间反转与日常经验相矛盾。仅通过时间反转导致杯子破碎的微观动力学，几乎不可能将破碎的杯子恢复到其原始状态。然而，借助现代量子技术提供的精确控制能力，量子系统的幺正演化可以随时间逆转。在这里，我们在原子气体中的里德堡态表示的偶极相互作用、孤立多体自旋系统中实施时间反转协议。通过改变编码自旋的状态，我们翻转了相互作用哈密顿量的符号，并通过让退磁多体状态随时间演化回磁化状态来展示磁化弛豫动力学的逆转。我们使用洛施密特回声的概念阐明了原子运动的作用。最后，通过将该方法与弗洛凯工程相结合，我们展示了具有不同对称性的大量自旋模型的时间反转。我们的状态转移方法适用于广泛的量子模拟平台，其应用范围远远超出量子多体物理学，涵盖从量子增强传感觉到量子信息扰乱。
利用光子和原子存储器进行分布式量子计算
通用量子计算的前景需要可扩展的单量子位和量子位间控制交互。目前，量子计算的三个主要候选平台基于超导电路、捕获离子和中性原子阵列。然而，这些系统与环境和控制噪声有很强的相互作用，从而导致量子位状态和门操作的退相干。相反，光子与环境很好地分离，在量子计算方面具有速度和时间优势。光子系统已经展示了解决玻色子采样等特定棘手问题的能力，但在实际可扩展的通用量子计算解决方案方面面临挑战，因为单个光子很难确定地与另一个光子“对话”。在这里，我们提出了一种基于光子和原子集合量子存储器的通用分布式量子计算方案。利用已建立的光子优势，我们通过将光子量子位转换为量子存储状态并采用里德堡阻塞进行受控门操作来介导两量子位非线性相互作用。我们进一步展示了该方案的空间和时间可扩展性。我们的结果表明，光子原子网络混合方法可以成为通用分布式量子计算的潜在解决方案。
![arXiv:2207.02350v1 [quant-ph] 2022 年 7 月 5 日](/simg/2\20b50c617ac610bd5668964f9d79a6e7ae2bb99c.webp)
arXiv:2207.02350v1 [quant-ph] 2022 年 7 月 5 日
通用量子计算的前景需要可扩展的单量子位和量子位间控制交互。目前，量子计算的三个主要候选平台基于超导电路、捕获离子和中性原子阵列。然而，这些系统与环境和控制噪声具有很强的相互作用，从而导致量子位状态和门操作的退相干。相反，光子与环境很好地分离，并且在分布式量子计算中具有速度和时间优势。光子系统已经展示了解决玻色子采样等特定棘手问题的能力，但在实际可扩展的通用量子计算解决方案方面面临挑战，因为单个光子很难确定地与另一个光子“对话”。在这里，我们提出了一种基于光子和基于原子集合的量子存储器的通用分布式量子计算方案。利用已建立的光子优势，我们通过将光子量子位转换为量子存储状态并采用里德堡阻塞进行受控门操作来介导两量子位非线性相互作用。我们进一步展示了该方案的空间和时间可扩展性。我们的结果表明，光子原子网络混合方法可以成为通用量子计算的替代解决方案。
经典与……中的信息和统计测量
摘要：本社论简要总结了特刊“基于凝聚态原理的信息和统计测量：从经典到量子”中收集的十 (10) 篇论文的努力。特刊征集的论文涉及凝聚态系统或其跨学科类似物，这些系统可以基于熵概念推断出明确定义的经典统计与量子信息测量。特刊主要基于 2019 年 10 月在波兰比得哥什科技大学 (UTP) 举行的国际研讨会上提出的目标（参见 http://zmpf.imif.utp.edu.pl/rci-jcs/rci-jcs-4/），重点介绍了 Gerard Czajkowski 教授 (PGC) 的成就。 PGC 在波兰协同学之父 Roman S. Ingarden (Toruń) 的指导下开始了他的扩散反应 (开放) 系统的研究，并提出了原创的自组织热力学方法。PGC 的积极合作主要与德国物理学家 (Friedrich Schloegl，亚琛；Werner Ebeling，柏林) 合作。然后，值得强调的是 Czajkowski 研究的发展，从统计热力学转向固态理论，以非线性固态光学 (Franco Bassani，比萨) 为研究方向，最近以大型准粒子 (称为里德堡激子) 及其与光的相干相互作用达到顶峰。
高维量子纠缠研究进展
量子信息的基本单位是量子比特，它是一个双态系统。然而，大自然却使用四个字母的字母表来表示可以说是最重要的信息存储系统——DNA。尽管我们仍不清楚为何进化会形成四个字母的系统 1 ，但它的存在可能给我们一个启示，那就是我们还应该寻找比量子比特更复杂的系统。事实上，在量子通信中，基于更大字母表的协议具有某些优势：更高的信息容量和更强的抗噪能力，这对于应用来说非常重要 2 , 3 。在对大自然的基本检验中，例如违反局部现实理论，高维系统具有优势，因为它们允许的检测效率低于量子比特 4 。有多种物理系统允许对高维量子信息进行编码。这些系统涵盖了里德堡原子、捕获离子 5 、极性分子 6 、冷原子集合 7、8 、由超导相量子形成的人造原子 9 ，以及固态 10 或光子系统中的缺陷。在光子系统中，有两种完全不同的信息编码方法。连续变量 11、12 量子信息处理方法基于相干态或压缩态，而离散变量方法基于单光子福克态。连续变量和离散变量方法在光子数
确定性点处 Floquet 量子东模型的精确淬火动力学
简介。— 具有约束动力学的系统在非平衡物理的许多领域都引起了人们的兴趣。动力学约束模型 (KCM) [1 – 3] 为解释 [4 – 6] 玻璃中缓慢和非均匀动力学的出现提供了一个框架 [7 – 10] ，它们的研究促进了动态大偏差和轨迹集合方法的发展 [11 – 13] 。在阻塞条件下，量子约束动力学自然出现在诸如里德堡原子之类的系统中 [14 – 17] ，这引发了关于在没有无序的情况下缓慢热化和非遍历性的问题 [18 – 31] 。实现动力学约束的最简单设置是在具有离散动力学的晶格系统中，例如细胞自动机 [32,33] 或量子电路 [34] 。对于这样的设置，已经有可能获得许多精确的结果，这些结果巩固了我们对量子动力学的理解，包括关于算子动力学、信息传播和热固定（参见，例如，参考文献。[35 – 66] ）。量子电路对于量子系统和量子计算的实验模拟也至关重要，它已被用于展示量子优势、执行随机基准测试以及研究非平衡 Floquet 动力学 [67 – 77] 。在这里，我们考虑通过研究量子 East 模型 [78 – 80] 的电路版本来表征动力学约束的动力学效应，该模型本身是经典 East 模型 [2] 的量子泛化。使用与对偶单元电路 [53,61,61] 类似的方法，我们精确地解决了热化动力学问题。
基于纠缠原子阵列相干传输的量子处理器
在量子处理器中，在所需量子比特之间设计并行、可编程操作的能力是构建可扩展量子信息系统的关键 1,2 。在大多数最先进的方法中，量子比特在本地交互，受与其固定空间布局相关的连接的限制。在这里，我们展示了一种具有动态、非局部连接的量子处理器，其中纠缠的量子比特在两个空间维度上以高度并行的方式在单量子比特和双量子比特操作层之间相干传输。我们的方法利用光镊捕获和传输的中性原子阵列；超精细态用于稳健的量子信息存储，激发到里德堡态用于纠缠生成 3–5 。我们使用这种架构来实现纠缠图状态的可编程生成，例如簇状态和七量子比特 Steane 码状态 6,7 。此外，我们穿梭纠缠辅助阵列，以实现具有十三个数据和六个辅助量子比特的表面代码状态 8 以及具有十六个数据和八个辅助量子比特 9 的环面上的环面代码状态。最后，我们利用这种架构实现了混合模拟 - 数字演化 2 ，并将其用于测量量子模拟中的纠缠熵 10-12 ，通过实验观察与量子多体疤痕相关的非单调纠缠动力学 13,14 。这些结果实现了长期目标，为可扩展量子处理提供了一条途径，并实现了从模拟到计量的各种应用。
可穿越虫洞协议中通过算子扩散实现多体量子隐形传态
通过利用一对量子比特之间的共享纠缠，可以将量子态从一个粒子传送到另一个粒子。最近的进展揭示了量子隐形传态的内在多体泛化，与引力有着巧妙而令人惊讶的联系。具体来说，量子信息的隐形传态依赖于多体动力学，这种动力学源于与引力全息对偶的强相互作用系统；从引力的角度来看，这种量子隐形传态可以理解为通过可穿越虫洞传输信息。在这里，我们提出并分析了一种新的多体量子隐形传态机制——被称为峰值隐形传态。有趣的是，峰值隐形传态利用的量子电路类型与可穿越虫洞隐形传态完全相同，但微观起源却完全不同：它依赖于一般热动力学下局部算子的扩散，而不是引力物理。我们通过分析和数值证明了峰值尺寸隐形传态在各种物理系统中的普遍性，包括随机单元电路、Sachdev-Ye-Kitaev 模型（高温）、一维自旋链和带有弦校正的体引力理论。我们的研究结果为使用多体量子隐形传态作为强大的实验工具铺平了道路，用于 (i) 表征强关联系统中算子的尺寸分布和 (ii) 区分一般和内在引力扰乱动力学。为此，我们提供了在捕获离子和里德堡原子阵列中实现多体量子隐形传态的详细实验蓝图；分析了退相干和实验缺陷的影响。
通过可穿越虫洞协议中的算子扩散实现多体量子隐形传态
通过利用一对量子比特之间的共享纠缠，可以将量子态从一个粒子传送到另一个粒子。最近的进展揭示了量子隐形传态的内在多体泛化，与引力有着巧妙而令人惊讶的联系。具体来说，量子信息的隐形传态依赖于多体动力学，这种动力学源于与引力全息对偶的强相互作用系统；从引力的角度来看，这种量子隐形传态可以理解为通过可穿越虫洞传输信息。在这里，我们提出并分析了一种新的多体量子隐形传态机制——被称为峰值隐形传态。有趣的是，峰值隐形传态利用的量子电路类型与可穿越虫洞隐形传态完全相同，但微观起源却完全不同：它依赖于一般热动力学下的局部算子的扩散，而不是引力物理。我们通过分析和数值方法证明了峰值尺寸隐形传态在各种物理系统中的普遍性，包括随机单元电路、Sachdev-Ye-Kitaev 模型（高温）、一维自旋链和带弦校正的体引力理论。我们的研究结果为使用多体量子隐形传态作为强大的实验工具铺平了道路，用于 (i) 表征强关联系统中算子的尺寸分布和 (ii) 区分一般和内在引力扰乱动力学。为此，我们提供了在捕获离子和里德堡原子阵列中实现多体量子隐形传态的详细实验蓝图；分析了退相干和实验缺陷的影响。
估计量子随机数的隐私性
随机数具有广泛的应用 [1]，从彩票和赌博的蒙特卡洛模拟 [2] 到经典和量子密码协议 [3-6]。对于大多数这些任务，生成数字的隐私起着至关重要的作用，即随机数既不能被任何模型预测，也不能被攻击者获得至少可以部分预测它们的信息。量子随机数生成器 (QNRG) 至少在理论上提供了创建这种不可预测的随机数的可能性 [7,8]，这是由于其生成过程的物理性质和量子理论固有的不确定性。QRNG 实现的典型示例是分束器上的光子 [9]、真空的同相测量 [10] 或激光相位噪声 [11]。然而，现实生活中的 QRNG 实现通常存在缺陷，这为攻击者获取有关生成数字的至少部分信息打开了大门。在本文中，我们针对这种非理想 QRNG 采用了基本的两量子比特模型，以确定攻击者通过利用 QRNG 的缺陷最多可以获得多少信息。为了通过实验实现我们的模型，必须满足两个条件：(i) 两个量子比特系统的控制和纠缠，以及 (ii) 对两个量子比特进行断层扫描。幸运的是，这两个要求都可以轻松实现。在过去的几年中，已经实现了大量控制和测量两量子比特系统的实验，范围从超导量子比特 [ 12 ]、捕获离子 [ 13 , 14 ] 和里德堡原子 [ 15 ]，到纠缠光子 [ 16 ]。还展示了不同系统的断层扫描 [ 17 , 18 ]。