基于摻雜自旋的EPR量子計算研究.pdf

1、量子信息學(xué)是建立在量子力學(xué)和信息科學(xué)基礎(chǔ)上，研究新型信息處理方法的一門學(xué)科，包括量子密碼術(shù)、最子通信和量子計算機等幾個方面。量子計算機作為量子信息學(xué)的一個主要研究分支，是一類基于量子力學(xué)原理，可進行高速度并行數(shù)學(xué)和邏輯運算，因此在許多復(fù)雜計算問題上能超越基于經(jīng)典物理原理的經(jīng)典計算機，并且能夠存儲及處理量子信息的新型計算機。而量子計算正是研究如何建造這樣一種新型的量子計算機。理論上，量子計算機在很多方面優(yōu)于經(jīng)典計算機：一方面，經(jīng)典計算機芯

2、片存在著進一步集成的技術(shù)困難，尤其是散熱等突出的問題，限制了其計算速度，而這些問題都不存在于量子計算機；另一方面，量子計算機可以實現(xiàn)一些經(jīng)典計算機不能解決的問題，比如大數(shù)分解等。因此，量子計算機為計算機的發(fā)展開辟了一個新的天地。然而，量子計算的實驗實現(xiàn)，首先需要對量子體系進行初始化，再對其進行相干控制和操作，最終對存儲在量子體系中的信息進行讀取。迄今為止，可用于量子計算實驗的物理體系主要有：核自旋、電子自旋、光子、離子阱、超導(dǎo)Josep

3、hson結(jié)等。其中電子自旋，由于其操作時間遠小于核自旋（相差三個數(shù)量級），具有很大的優(yōu)勢，并存在著可擴展的潛在發(fā)展趨勢。
　　 電子自旋量子體系是一些具有未配對電子的材料。在本文中，我們主要研究兩種人工合成的兩種單分子磁體材料，分別是內(nèi)嵌原子富勒烯和由15個釩離子構(gòu)成的大分子。首先，我們重點考察一類內(nèi)嵌富勒烯的新型材料，它不僅是具有未配對電子的材料，同時其體現(xiàn)出來的電子自旋特性也表明它是可用于量子計算實驗研究的一類好的材料。因此

4、，本文對這類內(nèi)嵌摻雜富勒烯樣品進行系統(tǒng)的理論及實驗研究，如樣品的制備、分離提純到連續(xù)波電子順磁共振譜(EPR)測試、解譜，和用脈沖式電子順磁共振譜實現(xiàn)相干態(tài)的讀取、相干時間的測量與相關(guān)量子操控的實驗。根據(jù)已有的方法，我們首先合成了內(nèi)嵌非金屬的獨立氮原子富勒烯樣品——N@C60，深入研究了這種適合做量子計算樣品的電子結(jié)構(gòu)，并做了進一步的研究：實驗上合成了一種有序排列的N@C60單晶樣品的電子結(jié)構(gòu)，于其中觀察到較強的零場分裂，豐富了樣品的能

5、級結(jié)構(gòu)并可用于量子比特的編碼。接著，我們還研究了內(nèi)嵌金屬原子的富勒烯材料，與N@C60不同，金屬內(nèi)嵌富勒烯的內(nèi)嵌金屬與C籠之間存在著電荷轉(zhuǎn)移，即非定域電子分布，金屬原子往往并不處于C籠的中心，未成對電子會離域到C籠上，而不像N@C60那樣局域在C籠內(nèi)部。作為對比，我們選擇Y@C82的電子結(jié)構(gòu)作為對比研究，對其中的電子及核自旋進行量子編碼和實驗讀出。此外，各種內(nèi)嵌富勒烯材料還可以由AFM或STM來進行單分子觀測，最終實現(xiàn)單分子的、單自旋的

6、探測與操控。
　　 另一方面，我們把研究方向由電子自旋主要定域于單個原子的內(nèi)嵌金屬富勒烯，擴展到含有多個過渡金屬原子、具有特殊磁學(xué)性質(zhì)的交換耦合大分子——單分子磁體，這是一類單個分子呈現(xiàn)出宏觀磁體磁性現(xiàn)象，且單個分子自身也同時體現(xiàn)量子特性的，同時具有宏觀磁性和微觀量子特性的新型材料。實驗上，我們合成了單分子磁體V15，利用X-波段電子順磁共振波譜技術(shù)研究其電子結(jié)構(gòu)，首次實驗觀測到了V15基態(tài)能級的相干演化過程。
　　 通