潘健[1]2017年在《基于核磁共振体系的若干量子算法的实验验证以及多比特实验技术研究》文中研究指明近年来量子信息与量子计算科学得到了迅速的发展,量子信息处理器被广泛地用于量子计算、量子模拟、量子度量等方面的研究。不断有新的量子算法、量子方案被提出,迫切地要求人们不断提高实验技术手段,使这些算法和方案能够早日被实验实现。核磁共振平台是一个很好的量子方案测试平台,其提供了丰富而又精密的量子操控手段。最近几年很多量子计算方案在此平台上得到实现,并且在此过程中发展了一系列的实验技术。本人在液态核磁共振平台上,对若干量子算法、量子方案进行了实验验证。为了能提高实验可操控量子比特位数以进行更复杂的量子实验,掌握并发展了一系列多比特控制技术,并实现了 7比特标记赝纯态制备。此外提高样品极化度在量子信息处理过程中起着重要的作用,对如何有效提高样品初始极化度做了些理论研究工作。本论文的主要内容如下:1.第一章是对量子计算的背景介绍。简要描述了量子比特、量子逻辑门等基本概念,回顾了一些量子算法,并介绍了几个目前主流的量子计算物理实验体系。2.第二章主要介绍基于核磁共振量子计算的基本概念、模型以及量子操控技术。3.第三章介绍了利用核磁共振技术对若干量子算法的实验演示。第一个工作是实验验证量子线性方程组算法,实验求解了2×2的线性方程组,三组实验得到的实验解误差都只有7%左右,很好地验证了此算法的正确性和有效性。第二个工作是实验验证高斯和算法,利用此算法,实验实现了对整数9和15的square-free判断以及square-free分解。第三个工作是实验验证了 4比特H型魔态提纯方案。4.第四章讨论了有关多量子比特核磁共振体系的实验操控技术。首先讨论了多比特实验中的技术困难,然后结合制备7比特标记赝纯态实验对一系列多比特核磁实验技术进行了描述。5.第五章提出了一种新的基于热库的算法冷却方案。先简要回顾热库算法冷却以及核Overhauser效应,然后利用关联表象下的Redfield方程推导出Γn弛豫过程的具体作用形式。联合Γn弛豫与免退相干子空间,提出新的热库算法冷却方案,进一步提高了冷却的极化度上界。6.第六章是总结与展望。
龙宇[2]2013年在《绝热量子计算核磁共振实验研究》文中认为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。
李兆凯[3]2014年在《基于核自旋的量子计算实验研究》文中研究说明量子信息物理学是一门快速发展的交叉学科,融合了诸如量子力学,信息科学,数学等多个领域的知识。在解决某些特定问题时,量子计算机可以达到经典计算机无法企及的速度,如Shor算法在求解大数质因数分解问题时就可以达到指数级加速效果。这一强大的能力吸引了各国政府,研究机构,IT公司的广泛兴趣。在所有量子计算机备选体系里,核磁共振因为其成熟的实验条件与控制技术,而被选中为多个理论算法的实现平台。在论文中,本人将主要关注基于核自旋的量子计算这一领域,并介绍本人在攻读博士学位期间取得的一些实验成果,具体内容如下：1.第一章将主要回顾量子计算的主要理论背景；从量子比特的定义开始,逐步介绍量子计算的基本框架,并简单总结目前主流的量子计算实验平台及其特点。2.第二章则主要展示核磁共振这一历史悠久的技术是如何用于量子计算实验实现的,同时还列举了一些实验中常用的脉冲操控技术。3.第三章的内容由对几个实用量子算法的研究组成。我们拓展了传统的相位估计算法,以求解更一般条件下的本征态能级问题。实验中,我们将-个海森堡型哈密顿量模型的本征值测量到10-5精度,并将基态的保真度“蒸馏”到大于80%。另外我们还实验实现了相位估计算法的另一个重要应用,即求解线性方程组的问题。4.第四章是对量子信息研究的另一个重要领域——量子模拟的研究。利用压缩量子模拟方法,我们可以使用O(log(N))个量子比特来模拟N比特的量子线路图。实验中我们使用一个5比特的量子模拟器,成功地研究了由32个粒子组成的自旋链的基态性质。5.最后一章是对本人研究工作的总结与展望。在核磁共振量子计算的平台上,我们实验实现了数个实用的量子算法并验证了它们的正确性,为量子计算机的最终建成积累了宝贵的经验。同时在实验中,我们研究和发展了多项量子操控技术,有望在未来扩展到其他更一般,更具扩展性的体系中,为量子计算机的实现铺平道路。
石发展[4]2013年在《基于金刚石室温固态单自旋体系的微观磁共振实验研究》文中进行了进一步梳理自旋磁共振是物质科学领域的一个基本物理现象,它描述处于外磁场中的原子核或者电子自旋,能够吸收和放出对应频率的电磁辐射,即发生磁共振现象。自旋在物质中广泛存在,因而自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息,是当代科学中最为重要的物质探索技术之一。当前的自旋磁共振谱仪基于系综探测原理,它的测试对象是含有百亿个以上相同自旋的系综样品。然而,近年来随着物质科学探索的不断深入,人们开始逐渐从统计平均测量向直接探测单量子的信息迈进。在自旋磁共振领域,实现微观磁共振,甚至单自旋磁共振是这一方向发展的极为重要的科学目标。为实现这一科学目标,我们选取了基于掺杂金刚石中氮-空位(NV)对的固态单自旋作为探针,此体系室温下退相干时间长达毫秒量级、可用光学共聚焦系统实现初始化和检测,在室温下实现单电子自旋量子态调控和检测。代替传统的电探测方式,用基于此体系单自旋态制备成量子干涉仪,将微观自旋体系产生的弱磁信号转为干涉仪的相位,从而实现高灵敏度的信号检测,这也是用此体系实现微观磁共振、甚至单自旋磁共振的必要条件。最终的目标是实现单分子探测与成像,这在物理、化学、生物、材料等领域都具有广泛而重要的应用前景。我们围绕这一核心目标开展了相关的实验研究,本论文主要内容是介绍我们在自搭建的光探测磁共振实验平台上,完成的室温单自旋量子调控及高分辨率精密信号探测的相关成果。主体分成如下三个阶段的工作：1.我们建设了一套多波段光探测磁共振平台并在其上实现了室温单自旋量子调控,实验上实现了此体系上的第一个量子算法。接着,又应用动力学去耦技术到单自旋体系,观测到反常退相干效应,研究了NV探针的退相干机制,实现了精密的相位测量。而连续波去耦与逻辑门操作结合,使我们可以实现长时间高保真度的量子调控。2.基于以上量子调控技术,我们首先实验实现了单电子暗自旋的探测及调控,我们不仅在实验上探测到了16纳米远处的单暗电子自旋并得到其连续波谱,还将其初始化、调控和读出,发掘其作为量子寄存器的潜力。接着不同于以往对体内单核自旋的探测,我们成功探测到自旋簇,并通过计算得到其耦合强度及空间结构,这是实现大分子结构的探测可行途径之一,另外,对研究多体相互作用及演化提供了新的手段。3.核磁共振谱是目前应用范围最广的谱学技术,已经广泛应用于科研及医学等领域。但是,在室温下实现纳米尺度的核磁共振是一个巨大的挑战。我们通过多次尝试及技术的改进,最终利用掺杂金刚石中距表面～7纳米深度的氮-空位单电子自旋作为原子尺度磁探针,分别实现了(5nm)3体积液钵和固体有机样品中质子信号的检测,其中包括的质子总数约为二万个,其产生的磁信号强度相当于100个统计极化的核自旋。
傅利平[5]1999年在《核磁共振实验实现量子算法》文中指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，
姚淅伟[6]2008年在《子空间量子计算的核磁共振实验研究》文中认为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。
魏达秀, 罗军, 孙献平, 曾锡之, 詹明生[7]2004年在《新的summing算法的核磁共振实验实现》文中研究说明本文报导了一种新的summing算法的核磁共振实验实现。实验中我们用到了四个量子位的核自旋体系 ,其中两个量子位构成输入寄存器 ,另两个量子位构成输出寄存器。最后的实验结果只需通过测量输出寄存器中核自旋的谱线获得。
耿建培[8]2017年在《基于固态自旋量子比特的高保真度量子逻辑门的实验研究》文中研究说明量子计算作为一种新型的信息处理方式,利用量子力学的原理,能够有效处理如大数分解等很多经典计算难以解决的问题。要实现实用的大规模量子计算,需要通过纠错编码的方式实现容错量子计算,这要求实现的量子逻辑门的保真度高于某个容错阈值。容错阈值对量子逻辑门的保真度的要求是很苛刻的,以surface code为例,一般认为其要求量子逻辑门的保真度需达到0.99以上。而物理体系的量子特性极易受到噪声的影响,如何在噪声影响下实现高保真度的量子逻辑门,成为很多体系实现量子计算的一个重大挑战。我们基于量子计算的一个重要候选体系——金刚石NV色心,实验研究能够抑制噪声进而实现高保真度量子逻辑门的方法,并在金刚石NV色心体系实现了保真度高达0.99995的单比特量子逻辑门和保真度0.992的两比特量子逻辑门。这些量子逻辑门保真度不仅达到了 surface code对保真度的阈值要求,而且是目前为止固态自旋体系量子逻辑门保真度的最高水平。本论文的主要内容是介绍我们在金刚石NV色心体系进行高保真度量子逻辑门的实验研究的主要成果,主要包括以下三个工作:1.实验验证和实现动力学纠错量子逻辑门。我们通过动力学纠错量子逻辑门,国际上首次将实现量子逻辑门过程中对噪声的抑制水平达到6阶,并将可用于施加量子逻辑门的相干时间突破T_2极限,达到T_(1ρ)极限。2.实现保真度达到容错阈值要求的普适量子逻辑门。我们发展了新型组合脉冲、最优控制、波形校准等方法和技术,在室温大气下~(13)C自然丰度的金刚石中的NV色心体系实现了保真度高达0.99995的单比特量子逻辑门和保真度0.992的两比特量子逻辑门。3.实验实现时间最优的普适量子逻辑门。我们将量子最速降线方程应用于金刚石NV色心体系,国际上首次以时间最优的方式实现了普适量子逻辑门,实现的量子逻辑门不仅保真度高达0.99,而且时间比常规方法显著缩短。
郝亮[9]2010年在《量子搜索算法的应用及其核磁共振实验研究》文中进行了进一步梳理量子信息是结合量子力学、信息科学、计算机科学等多学科的交叉学科,具有重要的科学意义和战略意义。近二十年来,量子计算与量子通信在理论与实验方面取得了飞速发展。量子搜索算法作为量子计算的重要算法之一,能够以经典算法无法匹敌的速度将搜索目标锁定,在安全领域和量子通信领域中有着广泛的应用。核磁共振作为实现量子计算的重要方案之一,具有退相干时间长,运算控制简单,样品制备容易等优点,是到目前为止演示量子算法比特数最多的实验系统。同时,核磁共振量子计算也为其它量子计算实现方案提供了重要参考和宝贵经验。本论文围绕核磁共振量子计算开展了以下几个方面的研究:在核磁共振有效纯态初始化方面,我们提出了两种初始化有效纯态的叠加标记方案,找到了适用于包含任意比特数系统的幺正变换,设计了相应的可转化为脉冲序列的量子线路,并在两比特核磁共振系统中实现了第一种方案。此外我们还通过三比特核磁共振模拟对这两种方案进行了验证。在量子算法的应用方面,我们提出了基于两比特Grover搜索算法的四态量子秘密共享方案,分析了现有十六态方案的漏洞给出了相应的改进方法,并将我们的方案在核磁共振系统中予以实现。通过对未知单比特量子态机密放大方案的研究,我们给出了相应的核磁共振实现方案。实验结果与理论值吻合。基于现有的对偶定点量子搜索算法,我们给出了相应的核磁共振演示方案,并通过三比特量子模拟器对其搜索过程进行了验证。此外,我们还提出了对偶定点量子搜索算法的改进型方案,提高了现有方案的搜索效率。在量子控制方面,我们给出了?-型三能级原子模型的动力学解耦操作集。通过理论分析,我们证明了这些动力学解耦操作在理想极限条件可以将消相干效应完全抑制。通过数值模拟,我们证实了动力学解耦方法在有限脉宽条件下依然可以将消相干效应有效抑制。最后我们构造了该解耦操作集的核磁共振脉冲序列方案。
杨晓冬[10]2003年在《用液体核磁共振实现量子计算》文中提出量子计算,是利用相干叠加、干涉、纠缠等量子力学原理,完成一定的计算任务的过程。在此基础上构造的量子计算机,在处理某些问题时比经典计算机更为优越。在实验上实现量子计算,可粗略地划分为三个步骤:初态的制备、计算的执行和结果的读出。但是,这三个步骤需要特定的实验技术来实现,并且它们均无一例外地受到消相干的影响,所以用实际的物理体系来实现量子计算机,是一件有着一定困难的工作。本篇论文主要围绕用液体核磁共振(NMR)技术实现量子计算的新方法开展研究工作,并取得了如下成果:1.利用多量子算符代数方法和控制非(CNOT)门组合法,分别实现了适合于NMR量子计算的2量子位、4量子位的有效纯态;2.设计出了实现任意量子位的Grover算法的NMR脉冲序列,并用2量子位的Grover算法进行了实验演示;3.对原始的Brüschweiler算法做了改进,使有效量子位增加了一位,从而能够在n个量子位的体系中进行n位的搜索,并且用NMR实验实现了3量子位改进后的Brüschweiler算法。在以上工作中,第1项内容对应于第一步“初态的制备”;第2项和第3项内容均分别包括了第二步“计算的执行”和第三步“结果的读出”。因此,本论文的研究内容,基本覆盖了实验实现量子计算的所有步骤。核磁共振作为实现量子计算的一种实验手段,已经并正在为探索量子计算机的最终物理实现发挥着先驱的作用。核磁共振量子计算原理与技术的不断深入和发展,也将会推动用其它物理体系实现量子计算机的发展。
参考文献：
[1]. 基于核磁共振体系的若干量子算法的实验验证以及多比特实验技术研究[D]. 潘健. 中国科学技术大学. 2017
[2]. 绝热量子计算核磁共振实验研究[D]. 龙宇. 清华大学. 2013
[3]. 基于核自旋的量子计算实验研究[D]. 李兆凯. 中国科学技术大学. 2014
[4]. 基于金刚石室温固态单自旋体系的微观磁共振实验研究[D]. 石发展. 中国科学技术大学. 2013
[5]. 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
[6]. 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
[7]. 新的summing算法的核磁共振实验实现[J]. 魏达秀, 罗军, 孙献平, 曾锡之, 詹明生. 原子与分子物理学报. 2004
[8]. 基于固态自旋量子比特的高保真度量子逻辑门的实验研究[D]. 耿建培. 中国科学技术大学. 2017
[9]. 量子搜索算法的应用及其核磁共振实验研究[D]. 郝亮. 清华大学. 2010
[10]. 用液体核磁共振实现量子计算[D]. 杨晓冬. 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）. 2003
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