子空間量子計算的核磁共振實驗研究.pdf

1、本文的內(nèi)容是關(guān)于核磁共振量子計算。量子計算是量子力學(xué)和計算機信息科學(xué)之間的新興交叉學(xué)科，近20年來得到了快速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的計算機相比，基于量子力學(xué)理論的量子計算機呈現(xiàn)出新的特性及隨之而來的優(yōu)勢。 隨著計算機處理器的微型化趨勢，芯片中的邏輯門尺寸正在接近原子尺寸，空間尺度越小，量子效應(yīng)越明顯。目前的理論和實驗都已經(jīng)顯示，量子效應(yīng)能被控制利用并帶來通訊和計算的新模式，在某些情況下比經(jīng)典情形更具有優(yōu)勢信息通過物理的方法儲存、傳輸和處

2、理，因此，信息的產(chǎn)生、處理和提取實際上是一個物理的過程，信息的研究應(yīng)該和相關(guān)過程的物理規(guī)律相聯(lián)系。信息作為物理中一個基本概念的重要意義正在被發(fā)掘，量子信息和計算的理論把這種探索置于堅實的基礎(chǔ)之上，并引出一些關(guān)于自然世界深刻的思考，推動產(chǎn)生出令人激動的自然新圖景。量子密碼術(shù)，量子隱形傳態(tài)，量子糾錯，量子計算等應(yīng)用的共同點是都把量子態(tài)的疊加和糾纏等量子特性作為信息處理的基礎(chǔ)。 量子算法的出現(xiàn)說明了建造量子計算機的實際意義，與經(jīng)典計算

3、機相比，處理量子信息的量子計算機能更有效地計算一些有重要意義的特殊問題。目前研究者們已經(jīng)使用線性離子阱，光學(xué)系統(tǒng)，液體核磁共振等方法建造了少量子位數(shù)的演示性量子計算機。由于要操作和控制的量子體系在實驗環(huán)境中的脆弱性，使得建造更多量子位的量子計算機非常困難。從現(xiàn)有的實驗情況看，液體核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)技術(shù)是目前最成功的量子信息處理手段之一，它為量子信息的研究提供了一個有效的測試平臺。該領(lǐng)域研

4、究過程中積累的豐富量子相干控制技術(shù)和研究成果，不僅為下一代的量子信息處理平臺的發(fā)展提供可借鑒的經(jīng)驗，同時也增進了人們對量子信息科學(xué)的理解。 在豐富的量子信息研究內(nèi)容中，有一類研究如何利用大的量子系統(tǒng)中包含的維數(shù)較低的子空間進行量子信息處理的問題。這類嵌入式的子空間量子信息處理方式對研究核磁共振Berry相位、容錯避錯量子計算、無噪聲量子信息存儲以及簡化量子過程重構(gòu)等課題都是很有意義的。本文的工作主要圍繞子空間量子計算相關(guān)內(nèi)容開展

5、，包括以下具體內(nèi)容： 利用液體核磁共振實現(xiàn)子空間量子計算。在實驗中以C13標記丙氨酸的三個碳核自旋作為量子位，制備出α碳自旋標記的羧基碳、甲基碳兩量子位子空問等效純態(tài)，隨后在該子空間里實現(xiàn)了Deutsch-Jozsa量子算法。實驗中使用量子態(tài)重構(gòu)方法重構(gòu)了所制備的兩量子位子空間等效純態(tài)所在的整個體系的密度矩陣，并測量了量子態(tài)保真度，結(jié)果表明實驗成功制備出子空間等效純態(tài)。子空間內(nèi)進行的Deutsch-Jozsa算法實驗的結(jié)果也與理

6、論預(yù)劃很好地吻合，說明該子空間算法實驗執(zhí)行成功。 使用強調(diào)制脈沖方法制備子空間等效純態(tài)。使用計算機數(shù)值搜索方法優(yōu)化參數(shù)獲得強調(diào)制脈沖，使量子門操作在保持選擇性的情況下操作時間明顯減少，因此減少了在環(huán)境干擾下系統(tǒng)的弛豫和量子退相干對量子門的影響。實驗同時制備出2個兩量子位子空間有效純態(tài)，由實驗重構(gòu)出的核自旋量子系統(tǒng)狀態(tài)與理論預(yù)期吻合。強調(diào)制脈沖門操作脈沖不僅削弱了自旋系統(tǒng)在內(nèi)部哈密頓量作用下的明顯演化，而且避免施加多個低功率脈沖在

7、不同核自旋時引起的偏共振，實驗結(jié)束時不需額外的校正。當核磁共振量子位數(shù)日增加時，系統(tǒng)同核自旋數(shù)目和門操作脈沖數(shù)目會隨之增加，強調(diào)制脈沖能有效地保證量子門執(zhí)行準確度. 在核自旋量子系統(tǒng)中實現(xiàn)兩量子位子空間量子過程測量重構(gòu)。量子過程重構(gòu)由演化過程的一系列特定初、末態(tài)表征開放量子系統(tǒng)的未知動力學(xué)過程。通過它可給出量子門保真度，以便于實際量子計算中進行誤差分析和相應(yīng)操控。同無輔助位方法相比，具有標記位的子空間量子過程重構(gòu)以付出適當?shù)妮o助

8、量子位資源為代價，顯著地縮減了試驗輸入的次數(shù)。對量子過程的快速準確的跟蹤測量有助于及時了解量子調(diào)控的執(zhí)行情況，這具有重要意義。實驗中使用溶于重水的C13標記丙氨酸樣品，以三個C13核自旋作為三個量子位，其中一個作為輔助位來標記另外兩個量子位組成的予系統(tǒng)的量子態(tài)演化?？紤]所用樣品體系中羧基碳和甲基碳的核自旋J偶合強度很弱，在標記量子位和輸入量子態(tài)選擇合理，避免實驗脈沖序列中使用最弱的J偶合演化等要求下，設(shè)計出初始輸入態(tài)集合及相應(yīng)脈沖序列操

9、作的完整實驗方案。實驗執(zhí)行結(jié)果與理論計算符合，完成對兩量子位子空間內(nèi)CNOT量子門的測量重構(gòu)。 對固體自旋填充富勒烯置子計算進行探討。量子計算機的研究發(fā)展對特定計算問題具有重要的意義，由于可控性和擴展性優(yōu)勢便于大規(guī)模應(yīng)用的固體量子計算方案受到研究者越來越多的關(guān)注。在目前已有固體方案中，有一類基于自旋填充的富勒烯量子計算方案引起研究者比較多的興趣。在已提出的填充富勒烯的自旋方案里，單原子N，P填充富勒烯被作為量子載體。這一方案具有