基于核自旋系統(tǒng)的量子信息保護.pdf

1、量子力學無疑掀起了物理學的一陣暴風，其與相對論一起被認為是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。對于這樣一種異于經典世界感觀的理論，人們在不斷揭示其神秘面紗的同時，自然也渴望它能夠為人類社會的文明來帶一場全新的革命。當人們將數(shù)學，信息科學，計算機科學，以及材料科學融合進量子力學這塊大基石時，一座雄偉奪目的科學大廈呼之欲出。量子信息和量子計算是它的兩個組成部分。首先，量子信息擁有巨大的存儲能力，這是經典信息完全無法企及的。不僅如此，量子信息具有諸如糾

2、纏，不可克隆性，測量塌縮等異于經典信息的特性，正是這些特性未來將有可能改變我們信息的存儲、通訊及處理的方式?；诹孔酉到y(tǒng)這個新的信息載體，量子計算科學快速發(fā)展，一些量子算法相比于經典版本，顯示出了更高的計算效率，有時甚至達到了指數(shù)加速。量子信息和量子計算的美好愿景正在被科學家們一點點描繪出來，在這個過程中，人們對量子系統(tǒng)的操控技術也得到了飛速發(fā)展，相信這段量子力學應用快速擴散、量子調控技術迅猛發(fā)展的時期，必將是科學史上炫麗的一頁。然而，

3、在通往量子世界的道路上布滿荊棘，其中最大的阻礙就是退相干效應對量子信息的影響。退相干效應會破壞量子系統(tǒng)的相干特性，因而抑制退相干成為一個備受關注的熱門課題。為此科學家們提出了多種抑制退相干的方法，有的是主動對系統(tǒng)施加作用，有的是利用系統(tǒng)自身對稱性質的，歸根結底，都是在尋找或者構造需要的不變子空間。其中，量子糾錯以及基于量子糾錯碼發(fā)展起來的容錯量子計算理論為未來的大規(guī)模量子計算線路提供了基本框架。但在這樣的框架下，要實現(xiàn)普適量子計算，必須

4、引入一類被稱為“魔態(tài)”的特殊量子態(tài)作為輔助。高可信度量子計算要求魔態(tài)具有極高的純度，這使得魔態(tài)提純成為一個重要的研究方向。目前，多種物理系統(tǒng)都是量子計算機實現(xiàn)的潛在載體，其中，核磁共振體系由于其發(fā)展多年的控制技術以及較好的退相干時間，在量子計算和量子模擬領域始終處于領跑位置。大量的量子算法和量子模擬方案在核磁共振上得到了演示，核磁共振中運用的許多控制思想都被移植至諸如離子阱、超導等其他平臺。盡管傳統(tǒng)液體核磁共振體系在擴展性上存在瓶頸，但

5、其目前仍是許多量子算法演示的很好平臺。此外，隨著固態(tài)核磁技術的發(fā)展以及核自旋與電子自旋操控的結合，核自旋操控正在步入一個新的階段。
　　本研究主要內容包括：⑴前兩章是論文大背景的介紹，包括量子信息科學，以及核磁共振體系量子計算實現(xiàn)。⑵第三章圍繞量子信息保護課題。介紹了量子Zeno效應，動力學去耦，以及量子糾錯這三種量子信息保護方式，利用不變子空間理論解釋了它們抑制退相干效應和錯誤的基本原理。⑶第四章介紹了本人在基于動力學的量子Ze

6、no效應方面的研究工作。與傳統(tǒng)基于投影測量的量子Zeno效應不同，動力學形式的量子Zeno效應給出了更豐富的現(xiàn)象----臨界測量時間現(xiàn)象，這也啟示我們去思考投影測量假設的動力學解釋?；谠韬酥g的糾纏，我們在核磁共振體系中完成了動力學形式量子Zeno效應的實驗觀測，并描述了臨界測量時間的實驗現(xiàn)象。此外，我們還實驗演示了如何利用這種形式的Zeno效應保護糾纏態(tài)。⑷第五章主要介紹本人在利用量子Zeno效應保護未知量子態(tài)方面的研究工作?；?/p>

7、一種量子Zeno效應的類似現(xiàn)象----“算符量子Zeno效應”，我們提出了利用2個輔助比特保護n比特系統(tǒng)未知態(tài)的普適方案。相比于傳統(tǒng)利用糾錯碼穩(wěn)定子測量實現(xiàn)Zeno效應對未知量子態(tài)保護的方法，我們的方案需要更少的輔助比特，并且編碼無需糾纏操作。⑸第六章普適容錯量子計算理論進行了介紹，并從中引出魔態(tài)提純的概念和一般方法。⑹第七章介紹了本人在魔態(tài)提純課題的研究工作，介紹了我們提出的雜化魔態(tài)提純思想。我們將4比特H型魔態(tài)提純方案和5比特T型魔