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量子物质拓扑相的核磁共振量子模拟

0 引言早在20世纪80年代,人们就已经知道模拟量子力学体系的行为是一件非常具有挑战性的任务[1].这是因为当用电子计算机(又称经典计算机)对量子体系进行模拟时需要指数增长的计算资源,例如考虑模拟一个由30个自旋为1/2的粒子构成的量子系统,经典计算机至少需要内存为230,而计算时间演化则需要求一个230×230维矩阵的指数,以目前的经典计算机水平将无法胜任此类任务.因此,为了更深入地了解复杂量子系统的动力学行为,我们在计算机模拟上需要有一个“量子的飞跃”.1982年,Feynman[1]首次提出了解决这个问题的办法:用一个可控的量子系统所构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少.这样“量子计算机”的概念诞生了.量子模拟在许多领域都有很重要的应用,例如凝聚态物理、高能物理、原子物理、量子化学和宇宙学等.然而,对于某些物理模拟问题,量子模拟器实验实现的条件相对比较宽松,可以不需要一个普适的量子计算机(即满足DiV inc...  (本文共12页) 阅读全文>>

清华大学
清华大学

量子纯化和动力学识别在核磁共振系统中的实现

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...  (本文共127页) 本文目录 | 阅读全文>>

中国科学技术大学
中国科学技术大学

基于核磁共振系统的拓扑相量子模拟和拓扑量子计算实验研究

基于量子力学原理构建的量子计算机具有经典计算机不可比拟的计算能力。然而,噪声和退相干是实现量子计算机的主要障碍之一。噪声来源于量子比特上操作的不完美;退相干起源于量子系统与环境间不可避免的相互作用。噪声和退相干会导致编码信息的部分丢失甚至完全错误。解决方案之一是量子纠错。但这需要额外引进辅助比特消耗过多的资源,而且纠错过程本身也是有噪声的。另一种策略是拓扑量子计算。与主动的量子纠错方式不同,拓扑量子计算是被动的,即无需作任何的尝试或操作让系统无噪声,因为系统本身具有鲁棒性的自纠错功能。这与系统的整体拓扑性质有关。拓扑量子计算是目前已知容错率最高的量子计算方案。拓扑量子计算方案依赖于拓扑相的存在。拓扑相是一类不能由经典朗道对称破缺理论描述的奇特的物质态。这种态具有一些有趣的性质,如依赖于拓扑流形的基态简并度,准粒子分数统计和拓扑纠缠熵等。一类特殊的拓扑物质态称为拓扑序,可描述为有能隙且具有不受微扰影响的长程纠缠模式。已知的例子是分...  (本文共126页) 本文目录 | 阅读全文>>

《长沙理工大学学报(自然科学版)》2010年02期
长沙理工大学学报(自然科学版)

利用耦合超导量子比特实现受控U门

量子计算是基于量子力学原理来实现信息的存储、传输与处理的过程.它在解决像大数质因数分解[1]、Grover量子搜索[2]和Hogg量子搜寻[3]等复杂计算问题上,表现出了经典计算机无法比拟的优越性.因此,如何实现量子计算已成为现代信息科学重要的研究方向之一.业已证明[4],任意一个多量子比特的逻辑运算都可以由一系列单量子比特逻辑门和两量子比特的受控逻辑门组合而实现.因此,量子计算实现的关键问题就是基本量子逻辑门的构建问题.为了有效地构建量子逻辑门,人们提出了许多物理模型,其中,约瑟夫森结[5,6]由于在宏观尺度上易于操作以及在实验[7-9]上表现出来的较长消相干时间等特性,使其在实际量子电路的构建中比其他模型更具运用前景.目前,一些研究者从理论上给出了利用超导约瑟夫森结构建基本量子逻辑门的各种方案.J.H.Plantenberg在文献[10]中提出利用微波脉冲作用下的两个对称超导通量量子比特实现两量子比特的受控非门.A.Gali...  (本文共6页) 阅读全文>>

中国科学技术大学
中国科学技术大学

核磁共振量子计算中的实验技术

量子计算研究的根本目标是建造基于量子力学原理,能在许多复杂计算问题上大大超越经典计算机性能的新型计算机。作为经典计算方式的继承,量子计算能有效处理一类计算问题,这些问题在经典计算科学中具有相当计算复杂度甚至无法完成,比如大数的质因数分解。量子计算机的实验实现需要对脆弱的量子体系进行初始化,相干控制和操作以及读出。要建立一种能够满足各方面要求的量子计算机是非常困难的。相比较而言,核磁共振是当前技术上最为成熟的量子计算实验手段之一。利用成熟的传统磁共振技术,人们完成了初态制备、量子逻辑门操作,实现了12量子比特的相干调控(迄今最大数量的量子比特操控),大量的量子算法也已在低量子位水平上得到了验证。这些实验验证了量子计算的可行性,给予了人们研究量子计算机的极大信心。在本文中,我们从核磁共振量子计算技术开始,说明了如何利用NMR体系来完成量子计算任务,并详细介绍了NMR核磁共振实验中的强调制脉冲技术。通过使用强调制脉冲和梯度场脉冲等技术...  (本文共144页) 本文目录 | 阅读全文>>

《河南科技大学学报(自然科学版)》2017年02期
河南科技大学学报(自然科学版)

不对称外磁场下两量子比特系统的几何相

0 引言量子信息[1]是指在物理系统的量子态中所保存的物理信息。量子信息最基本的单元是量子比特[2],这是一个二能级态的量子系统。例如,光子的两个偏振方向、原子中电子的两个能级或者环路中电流的不同方向等,在测量时都可以很容易被区分开来。量子系统的哈密顿量不仅决定了量子态的能级,更决定了这个物理系统的态随时间的演化情况。在许多应用中,哈密顿量的物理参数都是由含时的外部或环境因素决定的,因而研究含时的哈密顿量在实际的物理领域中是很重要的。通常,含时的哈密顿量总会导致几何相位[3](Berry相)的出现。目前,人们对不同量子比特系统的几何相已经开展了广泛的研究[4-6],基于Berry相的量子操作已经在核磁共振[7]和束缚离子[8]系统中实现。人们比较感兴趣的是复合系统的几何相,因为其可以应用到量子信息执行过程中[9-10]。量子比特系统的操作,可以通过控制系统参数来改变复合系统的子系统相互作用来实现[11]。文献[12]研究表明:在...  (本文共6页) 阅读全文>>