线性光学中的量子人工智能
发布时间：2021-02-18 07:01
量子人工智能是量子力学和人工智能技术结合的产物。一个量子系统具有相干性,即该系统有可以同时存在多种状态组合的特性。这种特性使得将量子系统作为计算比特时,会有先天并行性计算的优势。由此衍生出来的量子计算科学,正是当下的一个热门研究方向。同时,近几年来快速发展的人工智能技术,已慢慢成为我们日常生活中不可分割的一部分,比如图像识别、自动驾驶、城市大脑等等。随着大数据时代的来临,人工智能对计算机算力的要求也是不断提高,这使经典计算机不断地逼近摩尔定律所限制的瓶颈。在这样的一种背景下,我们想将量子力学,特别是量子计算,与人工智能相融合,利用量子并行性计算所带来的算力优势,服务于更加复杂,数据量更大的人工智能算法。实现量子计算的物理系统有许多种,比如超导系统、离子阱系统等等。线性光学系统通常以光子态的偏振、路径等作为量子比特,通过控制每个量子比特的状态,来实现相应的计算任务。这种系统具有相干时间长、编码维度多、能在室温下运行等诸多优点,所以能支持多种人工智能算法的量子版本,并能缩短相应的运算时间。本文所取得的主要研究成果如下:1.用梯度下降方法搜索最优量子相干冻结点的实验研究量子相干是量子系统的一...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１量子人工智能问题的分类
第二章线性光学实验系统及门操作的构建??２．１．１双光子纠缠源??参量下转换（ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ?ｄｏｗｎ－ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＰＤＣ）是一种利用非线性光学过??程［２４］产生光子对的方法。其中泵浦光在具有ｘ（２）的非线性晶体中，会转换为??信号光和闲置光［２５］。自发的参量下转换，或者说是参量荧光，在上世纪６０年??代就已经观察到了?［２６，２７］。从量子光学的观点来看，如图２．１所示，参量下转换??是从母光子（泵浦光）中，同时产生双子光子的过程［２８］。该过程的相互作用??（２）?ｓｉｇｎａｌ??ｐｕｍｐ??—??ｉｄｌｅｒ??图２．１?非线性晶体中的参量下转换过程［２４］。??哈密顿量片表示为［２５］??Ｈ?＝?ｈｇ（ａ＼ａ＼ａ０?＋?ａ〇ａ２＾ｉ）＞?（２．１）??其中４和４分别是泵浦光（ｉ?＝?０），信号光（ｉ?＝?ｌ）和闲置光（ｉ?＝?２）的产生??湮灭算符，＾是耦合常数。公式２．１中的第一和第二项分别表示参量下转换及其??逆过程。在连续波近似下，信号光和闲置光的总频率必须与栗浦光的频率相同??（即要满足能量守恒条件）。另外，这个过程还必须要满足相位匹配，以使产生??的每个光波在非线性晶体中的每个点处都有相同的相位。这些条件可以表示为：??Ｕ〇?—?Ｕ＞１?ＵＪ２，?（２．２）??ｋ〇?＝?ｋ！?＋?ｋ２，?（２．３）??其中咕和１＾分别是光的频率和波矢。这些条件正是光子的能量和动量守恒。这??就导致了信号光子和闲置光子在能量和动量上自然地具有相关性。另外，在实??际情况下，信号光子和闲置光子的发射是同时进行。公式２．２和２．３中的相关性可??以被光子对同时检测的方法所证实［２８］
?第二章线性光学实验系统及门操作的构建???＾Ｔ＼ＸＡ??—０—＜?ＢＳ?＼?｜ＨＶ＞＋｜ＶＨ）??ｐｕｍｐ?Ｘ?Ｘ??ｃｒｙｓｔａｌ?Ｘ｜Ｈ）?＇?Ｂ??图２．２用Ｉ型参量下转换和分束器生成偏振光纠缠的光子对。将参量下转换产生的其中??一个光子通过４５°的半波片（ｈａｌｆ－ｗａｖｅ?ｐｌａｔｅ，?ＨＷＰ）以获得一对偏振正交的光子。??然后，在分束器（ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ，ＢＳ）处将光子对汇合。利用后选择方法，同时在??Ａ和Ｂ两个输出端口处测到光子的状态为２．５?［２４］。??信号和闲置光子具有互相垂直的偏振。两种类型都可以用来产生偏振纠缠的光??子对。??在最早制备偏振纠缠态的工作中，研宄人员一般是利用Ｉ型参量下转换，??并结合使用偏振分束器（偏振无关的半反射半透射镜）来完成的［３１，３２］。如??图２．２所示，研究人员会先将一个光子的偏振转９０°?（对应于半波片转４５°）来获??得两个偏振正交的光子，然后在分束器处将这两个光子进行合并。当这两个偏??振为｜丑＞?和｜Ｖ〇的光子在分束器处汇合后，双光子偏振态可以表示为卩２］??１＾）?＝?￣＾（Ｉ＾）ａ?＋?＊１－＾）６）?＜２＞?－ｙ＝（－ｉ＼Ｖ）Ａ?＋?＼Ｈ）ｂ）??ｖ?＾?Ｖ?＾?（２．４）??＝＾（Ｉ＾）ａＩ＾）ｂ?＋?＼Ｖ）ａ＼Ｈ）ｂ?－?ｉ＼Ｈ）ａ＼Ｖ）ａ?＋?Ｉ＼Ｈ）Ｂ＼Ｖ）Ｂ），??其中Ａ和Ｂ分别表示分束器的两个输出端口。我们不难发现该状态是一个直积??态，并没有纠缠。但是，如果我们选择在Ａ和Ｂ端同时测到光子的情形，那么??这样一个后选择（ｐｏｓｔ－ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）结果的状态会由等式中的前两个项组成：??＼＾）?＝?１＝（＼Ｈ）
本文编号：3039211
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１量子人工智能问题的分类
第二章线性光学实验系统及门操作的构建??２．１．１双光子纠缠源??参量下转换（ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ?ｄｏｗｎ－ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＰＤＣ）是一种利用非线性光学过??程［２４］产生光子对的方法。其中泵浦光在具有ｘ（２）的非线性晶体中，会转换为??信号光和闲置光［２５］。自发的参量下转换，或者说是参量荧光，在上世纪６０年??代就已经观察到了?［２６，２７］。从量子光学的观点来看，如图２．１所示，参量下转换??是从母光子（泵浦光）中，同时产生双子光子的过程［２８］。该过程的相互作用??（２）?ｓｉｇｎａｌ??ｐｕｍｐ??—??ｉｄｌｅｒ??图２．１?非线性晶体中的参量下转换过程［２４］。??哈密顿量片表示为［２５］??Ｈ?＝?ｈｇ（ａ＼ａ＼ａ０?＋?ａ〇ａ２＾ｉ）＞?（２．１）??其中４和４分别是泵浦光（ｉ?＝?０），信号光（ｉ?＝?ｌ）和闲置光（ｉ?＝?２）的产生??湮灭算符，＾是耦合常数。公式２．１中的第一和第二项分别表示参量下转换及其??逆过程。在连续波近似下，信号光和闲置光的总频率必须与栗浦光的频率相同??（即要满足能量守恒条件）。另外，这个过程还必须要满足相位匹配，以使产生??的每个光波在非线性晶体中的每个点处都有相同的相位。这些条件可以表示为：??Ｕ〇?—?Ｕ＞１?ＵＪ２，?（２．２）??ｋ〇?＝?ｋ！?＋?ｋ２，?（２．３）??其中咕和１＾分别是光的频率和波矢。这些条件正是光子的能量和动量守恒。这??就导致了信号光子和闲置光子在能量和动量上自然地具有相关性。另外，在实??际情况下，信号光子和闲置光子的发射是同时进行。公式２．２和２．３中的相关性可??以被光子对同时检测的方法所证实［２８］
?第二章线性光学实验系统及门操作的构建???＾Ｔ＼ＸＡ??—０—＜?ＢＳ?＼?｜ＨＶ＞＋｜ＶＨ）??ｐｕｍｐ?Ｘ?Ｘ??ｃｒｙｓｔａｌ?Ｘ｜Ｈ）?＇?Ｂ??图２．２用Ｉ型参量下转换和分束器生成偏振光纠缠的光子对。将参量下转换产生的其中??一个光子通过４５°的半波片（ｈａｌｆ－ｗａｖｅ?ｐｌａｔｅ，?ＨＷＰ）以获得一对偏振正交的光子。??然后，在分束器（ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ，ＢＳ）处将光子对汇合。利用后选择方法，同时在??Ａ和Ｂ两个输出端口处测到光子的状态为２．５?［２４］。??信号和闲置光子具有互相垂直的偏振。两种类型都可以用来产生偏振纠缠的光??子对。??在最早制备偏振纠缠态的工作中，研宄人员一般是利用Ｉ型参量下转换，??并结合使用偏振分束器（偏振无关的半反射半透射镜）来完成的［３１，３２］。如??图２．２所示，研究人员会先将一个光子的偏振转９０°?（对应于半波片转４５°）来获??得两个偏振正交的光子，然后在分束器处将这两个光子进行合并。当这两个偏??振为｜丑＞?和｜Ｖ〇的光子在分束器处汇合后，双光子偏振态可以表示为卩２］??１＾）?＝?￣＾（Ｉ＾）ａ?＋?＊１－＾）６）?＜２＞?－ｙ＝（－ｉ＼Ｖ）Ａ?＋?＼Ｈ）ｂ）??ｖ?＾?Ｖ?＾?（２．４）??＝＾（Ｉ＾）ａＩ＾）ｂ?＋?＼Ｖ）ａ＼Ｈ）ｂ?－?ｉ＼Ｈ）ａ＼Ｖ）ａ?＋?Ｉ＼Ｈ）Ｂ＼Ｖ）Ｂ），??其中Ａ和Ｂ分别表示分束器的两个输出端口。我们不难发现该状态是一个直积??态，并没有纠缠。但是，如果我们选择在Ａ和Ｂ端同时测到光子的情形，那么??这样一个后选择（ｐｏｓｔ－ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）结果的状态会由等式中的前两个项组成：??＼＾）?＝?１＝（＼Ｈ）
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