量子計(jì)算中的新計(jì)算模式和新物理實(shí)現(xiàn)體系研究.pdf

1、量子計(jì)算研究的最終目標(biāo)是建造實(shí)用的高性能量子計(jì)算機(jī)——一臺(tái)以量子力學(xué)為基本原理對(duì)信息進(jìn)行編碼和計(jì)算的新型計(jì)算機(jī)。它在理論上被證明能夠完全模擬當(dāng)前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，并且在一些特殊問(wèn)題上更具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。量子計(jì)算是近十多年來(lái)物理學(xué)研究中最熱門(mén)的領(lǐng)域之一，已形成了集量子物理學(xué)、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)和工程科學(xué)等多學(xué)科交叉研究的局面，吸引了大量的科研人員投身其中。然而，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)最終以何種方式(模式)以及在何種物理體系中實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，目前尚

2、沒(méi)有定論，仍處于多種途徑并行研究的階段。
　　 本文介紹了我們?cè)诹孔佑?jì)算新模式和新的物理實(shí)現(xiàn)體系上的工作。使用液體核磁共振技術(shù)，我們?cè)诤舜殴舱耋w系中第一次實(shí)驗(yàn)?zāi)M了one-way量子計(jì)算模式的全過(guò)程，包括確定性地制備圖態(tài)和實(shí)現(xiàn)one-way模式下的Deutsch-Josza算法。我們的工作驗(yàn)證了one-way量子計(jì)算模式的可行性，同時(shí)也將為其它物理體系開(kāi)展one-way量子計(jì)算提供有益經(jīng)驗(yàn)。在新的物理實(shí)現(xiàn)體系上，我們重點(diǎn)關(guān)注基于

3、摻雜富勒烯的量子計(jì)算物理體系。我們提出了在摻雜富勒烯體系中構(gòu)筑普適量子邏輯門(mén)集合的方案。通過(guò)電子自旋為媒介實(shí)現(xiàn)相鄰核自旋之間的兩量子比特邏輯門(mén)，這與核自旋上可進(jìn)行的單量子比特邏輯門(mén)一起構(gòu)成普適量子邏輯門(mén)集合。我們的方案將電子自旋3/2及其躍遷存在簡(jiǎn)并的特點(diǎn)和難點(diǎn)考慮在內(nèi)，解決了前人方案中遺留的問(wèn)題，為摻雜富勒烯量子計(jì)算的普適性提供了基礎(chǔ)。進(jìn)一步，我們提出了一個(gè)以電子自旋為輔助的基于摻雜富勒烯的普適和可擴(kuò)展量子計(jì)算方案。充分利用摻雜富勒烯

4、中電子自旋與核自旋并存的特點(diǎn)，使電子自旋在核自旋量子比特的尋址、初始化、量子邏輯門(mén)和讀出上都起到重要的作用。與前人的方案相比，該方案在核自旋的尋址和量子邏輯門(mén)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，針對(duì)當(dāng)前摻雜富勒烯仍屬于系綜實(shí)驗(yàn)研究的特點(diǎn)，我們給出了可在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)譜儀(含ENDOR功能的脈沖式電子自旋共振譜儀)上完成的自旋量子態(tài)重構(gòu)技術(shù)，這為在摻雜富勒烯系綜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展少數(shù)量子比特的量子計(jì)算研究提供了方便。
　　 我們的工作力圖展示將量子計(jì)算

5、模式和物理實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)量子計(jì)算的不同層面緊密結(jié)合在一起的特點(diǎn)。我們提出的普適量子邏輯門(mén)集合實(shí)現(xiàn)方案，不僅是基于邏輯網(wǎng)絡(luò)的量子計(jì)算模式的重要組成部分，也為在摻雜富勒烯體系中應(yīng)用one-way量子計(jì)算模式提供了基礎(chǔ)(建立圖態(tài))。以電子自旋為輔助的摻雜富勒烯量子計(jì)算方案中，我們通過(guò)綜合使用基于邏輯網(wǎng)絡(luò)和基于整體控制這兩種量子計(jì)算模式，解決了核自旋的尋址問(wèn)題，避開(kāi)了原先存在的技術(shù)難點(diǎn)。我們預(yù)期最終量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)將有賴(lài)于多種量子計(jì)算模式和物理實(shí)現(xiàn)