孔祥宇, 朱垣晔, 闻经纬, 辛涛, 李可仁[1]2018年在《核磁共振量子信息处理研究的新进展》文中认为过去的二十年中,量子信息相关研究取得了显著的进展,重要的理论和实验工作不断涌现.与其他量子信息处理系统相比,基于自旋动力学的核磁共振系统,不仅具有丰富而且成熟的控制技术,还拥有相干时间长、脉冲操控精确、保真度高等优点.这也是核磁共振体量子系统能够精确操控多达12比特的量子系统的原因.因此,核磁共振量子处理器在量子信息领域一直扮演着重要角色.本文介绍核磁共振量子计算的基本原理和一些新研究进展.研究的新进展主要包括量子噪声注入技术、量子机器学习在核磁共振平台上的实验演示、高能物理和拓扑序的量子模拟以及核磁共振量子云平台等.最后讨论了液态核磁共振的发展前景和发展瓶颈,并对未来发展方向提出展望.
龙宇[2]2013年在《绝热量子计算核磁共振实验研究》文中研究说明量子计算在若干计算问题上相对经典计算存在巨大优势。绝热量子计算利用绝热演化过程实现量子计算，用演化结束时哈密顿量的基态编码计算问题的解，它提供了一种设计量子算法的有效途径。核磁共振技术已经历半个多世纪的发展，作为实现量子计算的物理系统，核磁共振具有退相干时间长、操作简单等优点。本论文工作集中在量子算法的核磁共振实验研究，主要包括以下三方面工作：第一是在核磁共振体系中实现“修正西蒙问题(MSP)”的Rao氏绝热量子算法，是本论文的第三章。我们将算法的绝热演化过程分成若干段，利用核磁共振的幺正操作模拟每段演化。这部分工作主要研究算法运行时间和分段数目(Trotter步数)对实验结果的影响。我们发现在提高算法运行时间和Trotter步数时出现两个因素的竞争，一是绝热近似条件被更好地满足，二是因更多的脉冲操作和更长的核磁系统演化时间而导致更大的实验误差。这两个因素的竞争决定了绝热量子算法实验结果的好坏，实验结果表明存在一个最优的Trotter步数和算法运行时间，实验结果保真度在此时达到最高，两个因素的竞争制约了绝热量子算法的实验表现。二是对MSP问题绝热量子算法的改进和改进算法的核磁共振实现，是本博士论文第四章的主要内容。原有MSP问题绝热量子算法具有指数的时间复杂度，我们用提高算法哈密顿量对称性的方法对其进行改进，并在核磁共振上实现了改进算法，得到的实验结果优于相同条件下原有算法的实验结果。这一工作中实现了通过改进绝热量子算法，降低其时间复杂度来改进绝热量子计算的想法。三是量子删除算法的核磁共振实现，是第五章的主要内容。我们在核磁共振上实现三比特量子删除算法，并利用GRAPE脉冲优化算法设计脉冲序列，利用最大似然量子态计算方法对实验结果进行处理，得到更合理的输出态密度矩阵。
傅利平[3]1999年在《核磁共振实验实现量子算法》文中提出在量子计算可行性的探索中，人们证明了量子计算在处理一些问题上所需的机时和运算步骤要比经典计算少得多，其中包括因式分解，遍历搜索等问题。这些诱人的发现促使人们一方面在理论上对其进行更深入的研究，另一方面在实验上也在着手选取适当的量子体系来实现量子计算，实验研究才刚起步。在现有的实验实现方案中，核磁共振实验方案可以说是最有潜力和最有前途的。本文用核磁共振技术实现了量子计算，其主要工作包括： 1．完成了核磁共振实验中基本量子逻辑门的脉冲序列，并通过对一些具体算法的操作验证了我们所设计的脉冲序列。 2．对于实验结果的分析用两种方案执行：(a)进行密度矩阵重构，并设计了实验来证明其可行性；(b)直接分析实验谱图，从谱所表示的物理意义来分析结果。 3．提出利用核磁共振模拟机来进行量子计算，使得计算，特别是执行多量子位的计算更为方便。 4．讨论用三种不同的方法来制备两量子位有效纯态，其中逻辑标识法和时间平均法已通过实验或模拟验证，并且在逻辑标识法制备的有效纯态上进行了Grover算法的演示，以验证此法的正确性；利用改进的时间平均法完成制备同核三量子位有效纯态。 5．利用核磁共振谱仪及模拟机实现两量子位D-J算法和Grover算法，结果与理论值相符合。 6．完成量子分离傅立叶变换中基本逻辑操作的脉冲序列，
方细明[4]1999年在《量子计算的核磁共振实现》文中提出量子计算是量子物理学的一个崭新的应用领域。它出现还不到二十年，但此项研究已取得了迅猛的发展。它奇妙的特性和强大功能被渐次发现、理解，正在转变成为推动它快速发展的动力。目前，人们一方面在理论上继续对量子计算展开更加深入、广泛的研究，另一方面实验上也在设计、实现各种各样的执行量子计算的物理装置。从现有的技术条件看，核磁共振技术是目前实现量子计算的最有希望的手段之一。因此，选用研究核磁共振技术实现量子计算作为本学位论文的主题。本文的主要工作包括以下内容： ● 通过分析在核磁共振实验中实现基本通用量子逻辑门的脉冲系列，设计了实现对量子态进行各种轮换操作、对换操作的逻辑部件的脉冲系列，在实验中用这些脉冲系列实现了预先设计逻辑部件的逻辑功能。设计了量子Toffoli门的核磁共振实验实现方案。 ● 运用Fourier谱学的量子理论和与之相关的密度矩阵重构技术，实际分析和提取了量子计算实验的结果，与理论预期相符。 ● 在了解现有各种制备赝纯态的方法的基础上，理论上改进了逻辑标记法制备赝纯态的方法，从而减少“垃圾块”，增加有效赝纯子空间，间接提高信噪比。同时，在实验上实现了时间平均法制备赝纯态。 ● 设计了核磁共振实现Hogg量子搜索算法的实验方案，首次在实验上实现了二量子位的Hogg量子搜索算法，实验结果与理论高度一致。 ● 设计了用核磁共振技术完成量子分立付里叶变换算法的各种逻辑部件的脉冲系列，实验研究了二量子位量子分立付里叶变换算法，与预期结果相符。 ● 设计了实现量子密集编码的量子网络及网络中所需逻辑部件的脉冲系列，应用核磁共振技术，实现了量子密集编码的实验演示。
彭新华[5]2003年在《量子算法和量子信息处理的核磁共振实现》文中提出量子信息处理(Quantum Information Processing, QIP)利用量子力学规律表示和操作信息,其能力大大超过了传统的经典信息处理方式,因而激发了研究者对此研究领域的极大兴趣。然而,由于在实际的实验中需要对脆弱的量子体系进行相干操作和控制,因此建立量子计算机证明是极端困难的。从现有的实验方案看,液态核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)技术是最成功的一种量子信息处理手段。在这领域的研究成果,特别是此过程中积累的丰富的量子相干控制技术,为下一代的QIP的发展提供可借鉴的经验,同时也将增进我们对实际的量子信息过程以及它的强大功能的理解。因此,本学位论文选用液态NMR技术实现量子信息处理作为研究主题,涉及NMR体系的量子特性研究、NMR量子计算和量子通信三方面的工作,主要包括以下内容:提出了一个同时施加若干适当的线选择脉冲以制备赝纯态的方案,并在两量子比特的体系中实现。和先前的方法比较,它的操作更简单,实验误差更小。在宏观的NMR系综中,实验验证了两种干涉互补性:量子态演化的路径可区分度和单粒子干涉条纹可见度以及单粒子干涉条纹可见度和两粒子干涉条纹可见度之间的互补原理,这是NMR系综量子特性的实验演示,为NMR量子信息处理提供了量子力学基础。此外,我们还得到了等式V_i~2 + V_(12)~2 + P_i~2= 1,讨论了此等式的若干推论。引入量子电路描述标记赝纯态的制备方法,并从实验上实现了该赝纯态的制备。同时,以谱线实现的方式,在一个四比特的量子信息处理器上,实现了三量子位的Bernstein-Vazirani算法,实验的结果与理论一致。与Grover未分类数据库搜索的量子算法比较,Hogg量子高结构化搜索算法具有它独特的优势。在简化的时间平均法制备赝纯态的基础上,我们实验实现了三量子位的Hogg量子算法,并用简化的量子态重构法读出了运算结果和进行了实验保真度的测量,得到的实验结果与理论预期相符。可满足性(Satisfiability, SAT)问题是最困难的一类NP问题。通过C n-NOT门和NOT门构造逻辑电路,结合谱线实现的特点,给出了一个解决SAT问题的并行实现方案,并成功在三个和四个量子位的NMR量子计算机上得以实现。证明了所有的
何学敏, 钟伟, 都有为[6]2018年在《核壳结构磁性复合纳米材料的可控合成与性能》文中研究表明具有核/壳结构的磁性复合纳米材料是十分重要的功能材料,其综合物性受材料微结构的影响,而这很大程度上又取决于复合体系的可控合成.本文综述了近二十年来有关核/壳磁性复合纳米材料的制备、表征及性能研究方面的进展,讨论的体系主要有:铁氧体基永磁/软磁(反铁磁)复合纳米材料、非磁性体包覆磁性核而成的复合纳米材料、用磁性颗粒催化合成的碳基复合纳米材料、基于交换偏置效应而设计的复合纳米材料、核-壳同轴结构的一维复合纳米材料和核/壳/壳三元结构的磁性复合纳米材料等.构建复合体系的组分包括M型永磁铁氧体、3d过渡金属(及其合金、氧化物、碳化物)、多铁化合物、非磁性体(比如绝缘体、半导体、有机分子)和碳材料等,着重分析了复合纳米材料的热稳定性、光致发光性能、光电催化能力、电化学特性、微波吸收性能、磁电阻效应、永磁体性能、高频软磁特性、交换偏置效应及其相关现象.最后,对核/壳结构磁性复合纳米材料的未来发展趋势进行了展望,并在基础研究和改性应用方面提出了一些建议.
徐南阳[7]2012年在《自旋调控技术研究及绝热量子算法的核磁共振实现》文中指出自旋控制技术是量子计算实验研究中的主要挑战之一,本文首先介绍了基于核磁共振技术控制多个核自旋实现小规模量子计算任务,包括绝热量子算法和量子模拟算法的实验实现。然后介绍了我们在电子自旋调控实验平台的搭建过程中开发和积累的相关技术,主要包括脉冲控制技术,微波调制技术以及软件控制技术。尽管核磁共振技术在实现扩展性量子计算问题上存在限制,核自旋调控仍然是小比特上最为成熟的自旋调控技术。到现在为止,核磁共振量子计算平台上能够实现12个量子比特的制备,7个量子比特的Shor算法也已经实现。因此核磁共振体系是在小比特上验证量子计算理论和算法的理想试验平台。本人在攻读博士学位期间利用核磁共振技术开展了绝热量子算法和化学量子模拟方面的实验研究。在绝热量子算法方面,我们先简单介绍了绝热量子算法的历史和原理,然后介绍了我们利用绝热量子算法处理大数分解问题的研究以及利用该算法实现了迄今最大数字143的因子分解。在量子模拟方面,本文主要介绍了我们利用量子模拟计算化学系统的属性和过程。其中包括利用量子相位估计算法计算氢气分子的基态能量值的实验,以及利用量子傅里叶变换技术模拟的化学异构反应的过程。除了核自旋调控研究以外,本人在攻读博士学位期间参与了多台自制电子自旋共振实验平台的搭建,包括x波段脉冲式电子顺磁共振(EPR)谱仪和S波段脉冲式光探测磁共振(ODMR)谱仪等。在研制过程中本人负责研发了软件控制部分以及针对自旋调控的脉冲控制和微波控制技术。控制软件平台采用组件化设计,通过更换不同的功能组件实现不同的实验控制方式,同时实现了多线程工作和图形化编程。脉冲控制技术方面,为了弥补商用产品的不足,我们研发了纳秒级控制精度的脉冲产生设备,能够实现1ns为单位的任意方波脉冲形状。除此之外,我们利用DDS技术实现了X波段和S波段的调制脉冲产生装置,用于电子调控过程中发射不规则形状微波脉冲,比如高斯型,sinc型等。
颜本军[8]2014年在《固体核磁共振去耦序列及其计算机模拟》文中研究表明量子信息是一门量子物理和信息论的交叉学科。量子计算机是以量子力学为基础的信息处理器,与传统计算机的原理完全不同,具有许多传统计算机所不具有的优势,如处理速度,同时处理信息的容量等等。现在已提出了几十种实现方案,其中核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)量子计算是目前量子计算实验和理论研究取得成果最多的,成为了很有希望实现量子计算机的平台。液体核磁共振由于其简单的哈密顿量形式,量子计算在其上取得了很多重大的成果,基本的量子逻辑控制的实现等等。这些都基于液体由于分子的运动,所带来很好的相干性质,为量子计算的正确性和算法可行性提供了一个很好的测试平台。但是液体核磁共振量子计算有着诸多限制,如只能制备到极化强度很小的赝纯态,随着量子计算比特数的增加,信号会越难以获得；较长的逻辑门操作时间；量子比特复位的困难等。而固体核磁共振体系中,系统可以被高度极化,保证信号的读出；退相干速率能通过去耦技术变得更慢；采用偶极耦合进行量子计算,有更高的耦合量级,门操作时间大大减小；能够重置量子比特,这使得从一个系统上移除信息完成有效的量子纠错成为了可能。固体核磁共振一个最大的劣势就在于构成分子不能像液体一样旋转、运动,不能有效的平均各向异性的相互作用,导致固体核磁共振量子计算的最主要障碍就是消相干的影响,所以在固体中提高体系的相干时间成了实现量子计算的首要条件。我们可以通过固体核磁共振去耦技术,例如MAS、多脉冲序列去耦、或者两者的结合CRAMPS等,使得一定程度上的平均掉各向异性相互作用,大大提高了固体体系的相干性,为在固体核磁上进行量子计算迈进了很大的一步。本论文首先介绍量子计算理论背景和核磁共振量子计算实现平台的基本知识,计算机模拟固体核磁的原理以及一个强大的固体核磁模拟软件SIMPSON;然后研究了固体中不同的去耦方法的原理,不同去耦方法在不同情况下的去耦优劣,以及其不同的适用条件；进一步的进行了恢复耦合序列的简单研究。根据这些,对不同序列进行了计算机模拟比较,得到了一系列结果,如异核去耦中的TPPM去耦优于CW去耦的性质；同核去耦中,高转速下适用SAM系列去耦；静态的LG系列序列去耦效果较好等。最后,将偶极去耦和重耦技术应用到实现量子逻辑门,在旋转单晶体系下,实现了两比特的量子逻辑门,并且通过自己用MATLAB编程模拟和SIMPSON类实验的计算机模拟,进行了模拟验证。
侯世尧[9]2014年在《量子纯化和动力学识别在核磁共振系统中的实现》文中研究表明在过去的数十年中,利用量子力学特殊的性质,人们已经在推动信息技术方面有了重大进展。经典的信息处理器已经接近量子极限,同时,对于经典图灵机来说,模拟量子系统是不可能的。在对量子信息处理的研究中,在一些问题的解决方面诞生了一些对比经典算法有重大提升的量子算法,比如大数分解和无序数据库搜索。另外,使用量子模拟器模拟量子系统也是可能的。核自旋的相干时间长,并且控制技术成熟,是最早的实现量子算法和量子模拟的系统之一。在这篇文章中,首先,我们简单地介绍了信息技术的发展历史以及量子信息处理的发展历史。然后,从量子力学的基本原理出发,我们介绍了量子信息处理的一些基本内容以及物理的实现。接下来,我们介绍了基于傅里叶变换的核磁共振技术。有了以上这些知识作为基础,我们基于DiVincenzo的5条判据,介绍了如何利用核磁共振技术进行量子计算。论文的第一个工作是实验上实现了一个单量子比特的纯化方案。Cirac等人在大约15年前提出了这个单量子比特的纯化方案,这个方案从低保真度的量子比特中获取高保真度的量子比特。然而,直到现在,由于实现这个协议需要精确地控制和完整地实现一个复杂的量子网络,这个方案没有被完整地实现过。我们将介绍一下我们在核磁共振系统中对这个单比特纯化协议的实现。实验结果和理论预测符合得很好,标志着这个协议的有效性和通用性。论文的第二个工作是实验上利用部分可观测量的时间轨迹去识别一个系统的动力学参数。理论上,一个完整的刻画一个量子系统的方法是量子过程重构,然而,量子过程重构需要大量的实验。最近,有人提出来一个基于部分可观测量的时间轨迹的哈密顿量识别算法。我们利用核磁共振量子信息处理器对具有不同形式哈密顿量的系统实现了这个算法。我们对理论的预测和实验结果的比较显示出这个算法是可行的,并且给出了和传统的基于傅里叶变换的核磁共振方法提供了几乎相同的信息。最后,我们利用数值模拟,研究了这个算法对于退相干的鲁棒性。
姚淅伟[10]2008年在《子空间量子计算的核磁共振实验研究》文中研究说明本文的内容是关于核磁共振量子计算。量子计算是量子力学和计算机信息科学之间的新兴交叉学科,近20年来得到了快速的发展。与传统的计算机相比,基于量子力学理论的量子计算机呈现出新的特性及随之而来的优势。随着计算机处理器的微型化趋势,芯片中的逻辑门尺寸正在接近原子尺寸,空间尺度越小,量子效应越明显。目前的理论和实验都已经显示,量子效应能被控制利用并带来通讯和计算的新模式,在某些情况下比经典情形更具有优势,信息通过物理的方法储存、传输和处理,因此,信息的产生、处理和提取实际上是一个物理的过程,信息的研究应该和相关过程的物理规律相联系。信息作为物理中一个基本概念的重要意义正在被发掘,量子信息和计算的理论把这种探索置于坚实的基础之上,并引出一些关于自然世界深刻的思考,推动产生出令人激动的自然新图景。量子密码术,量子隐形传态,量子纠错,量子计算等应用的共同点是都把量子态的叠加和纠缠等量子特性作为信息处理的基础.量子算法的出现说明了建造量子计算机的实际意义,与经典计算机相比,处理量子信息的量子计算机能更有效地计算一些有重要意义的特殊问题。日前研究者们已经使用线性离子阱,光学系统,液体核磁共振等方法建造了少量子位数的演示性量子计算机.由于要操作和控制的量子体系在实验环境中的脆弱性,使得建造更多量子位的量子计算机非常困难。从现有的实验情况看,液体核磁共振(Nuclear MagnetiC Resonance,NMR)技术是目前最成功的量子信息处理手段之一,它为量子信息的研究提供了一个有效的测试平台。该领域研究过程中积累的丰富量子相干控制技术和研究成果,不仅为下一代的量子信息处理平台的发展提供可借鉴的经验,同时也增进了人们对量子信息科学的理解。在丰富的量子信息研究内容中,有一类研究如何利用大的量子系统中包含的维数较低的子空间进行量子信息处理的问题。这类嵌入式的子空间量子信息处理方式对研究核磁共振Berry相位、容错避错量子计算、无噪声量子信息存储以及简化量子过程重构等课题都是很有意义的。本文的工作主要围绕子空间量子计算相关内容开展,包括以下具体内容:利用液体核磁共振实现子空间量子计算。在实验中以C13标记丙氨酸的三个碳核自旋作为量子位,制备出α碳自旋标记的羧基碳、甲基碳两量子位子空间等效纯态,随后在该子空间里实现了Deutsch-Jozsa量子算法.实验中使用量子态重构方法重构了所制备的两量子位子空间等效纯态所在的整个体系的密度矩阵,并测量了量子态保真度,结果表明实验成功制备出子空间等效纯态。子空间内进行的Deutsch-Jozsa算法实验的结果也与理论预期很好地吻合,说明该子空间算法实验执行成功。使用强调制脉冲方法制备子空间等效纯态。使用计算机数值搜索方法优化参数获得强调制脉冲,使量子门操作在保持选择性的情况下操作时间明显减少,因此减少了在环境干扰下系统的弛豫和量子退相干对量子门的影响。实验同时制备出2个两量子位子空间有效纯态,由实验重构出的核自旋量子系统状态与理论预期吻合。强调制脉冲门操作脉冲不仅削弱了自旋系统在内部哈密顿量作用下的明显演化,而且避免施加多个低功率脉冲在不同核自旋时引起的偏共振,实验结束时不需额外的校正。当核磁共振量子位数目增加时,系统同核自旋数目和门操作脉冲数目会随之增加,强调制脉冲能有效地保证量子门执行准确度.在核自旋量子系统中实现两量子位子空间量子过程测量重构。量子过程重构由演化过程的—系列特定初、末态表征开放量子系统的未知动力学过程.通过它可给出量子门保真度,以便于实际量子计算中进行误差分析和相应操控.同无辅助位方法相比,具有标记位的子空间量子过程重构以付出适当的辅助量子位资源为代价,显著地缩减了试验输入的次数.对量子过程的快速准确的跟踪测量有助于及时了解量子调控的执行情况,这具有重要意义。实验中使用溶于重水的C13标记丙氨酸样品,以三个C13核自旋作为三个量子位,其中一个作为辅助位来标记另外两个量子位组成的子系统的量子态演化.考虑所用样品体系中羧基碳和甲基碳的核自旋J偶合强度很弱,在标记量子位和输入量子态选择合理,避免实验脉冲序列中使用最弱的J偶合演化等要求下,设计出初始输入态集合及相应脉冲序列操作的完整实验方案。实验执行结果与理论计算符合,完成对两量子位子空间内CNOT量子门的测量重构.对固体自旋填充富勒烯量子计算进行探讨。量子计算机的研究发展对特定计算问题具有重要的意义,由于可控性和扩展性优势便于大规模应用的固体量子计算方案受到研究者越来越多的关注。在目前已有固体方案中,有一类基于自旋填充的富勒烯量子计算方案引起研究者比较多的兴趣。在已提出的填充富勒烯的自旋方案里,单原子N,P填充富勒烯被作为量子载体。这一方案具有很多优点,但同时也存在一些困难。譬如合成有效复合物产率很低,并且识别单个原子填充富勒烯实验困难,样品不易提纯.使用单个填充富勒烯的量子位信号很弱,不便于控制、操作和读取。对产率问题,我们提出考虑使用某些特定基团填充富勒烯团簇作为备选量子位,从而可以在一定程度上解决量子位载体样品制备困难。从单自旋信号微弱问题出发,提出一种基于填充富勒烯简单长方纳米结构的自旋系综量子位系统并考虑其在量子计算中的可能应用。
参考文献：
[1]. 核磁共振量子信息处理研究的新进展[J]. 孔祥宇, 朱垣晔, 闻经纬, 辛涛, 李可仁. 物理学报. 2018
[2]. 绝热量子计算核磁共振实验研究[D]. 龙宇. 清华大学. 2013
[3]. 核磁共振实验实现量子算法[D]. 傅利平. 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）. 1999
[4]. 量子计算的核磁共振实现[D]. 方细明. 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）. 1999
[5]. 量子算法和量子信息处理的核磁共振实现[D]. 彭新华. 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）. 2003
[6]. 核壳结构磁性复合纳米材料的可控合成与性能[J]. 何学敏, 钟伟, 都有为. 物理学报. 2018
[7]. 自旋调控技术研究及绝热量子算法的核磁共振实现[D]. 徐南阳. 中国科学技术大学. 2012
[8]. 固体核磁共振去耦序列及其计算机模拟[D]. 颜本军. 中国科学技术大学. 2014
[9]. 量子纯化和动力学识别在核磁共振系统中的实现[D]. 侯世尧. 清华大学. 2014
[10]. 子空间量子计算的核磁共振实验研究[D]. 姚淅伟. 中国科学技术大学. 2008
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