基于核自旋系統(tǒng)的量子信息保護(hù).pdf

1、量子力學(xué)無疑掀起了物理學(xué)的一陣暴風(fēng)，其與相對(duì)論一起被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。對(duì)于這樣一種異于經(jīng)典世界感觀的理論，人們?cè)诓粩嘟沂酒渖衩孛婕喌耐瑫r(shí)，自然也渴望它能夠?yàn)槿祟惿鐣?huì)的文明來帶一場全新的革命。當(dāng)人們將數(shù)學(xué)，信息科學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，以及材料科學(xué)融合進(jìn)量子力學(xué)這塊大基石時(shí)，一座雄偉奪目的科學(xué)大廈呼之欲出。量子信息和量子計(jì)算是它的兩個(gè)組成部分。首先，量子信息擁有巨大的存儲(chǔ)能力，這是經(jīng)典信息完全無法企及的。不僅如此，量子信息具有諸如糾

2、纏，不可克隆性，測量塌縮等異于經(jīng)典信息的特性，正是這些特性未來將有可能改變我們信息的存儲(chǔ)、通訊及處理的方式?；诹孔酉到y(tǒng)這個(gè)新的信息載體，量子計(jì)算科學(xué)快速發(fā)展，一些量子算法相比于經(jīng)典版本，顯示出了更高的計(jì)算效率，有時(shí)甚至達(dá)到了指數(shù)加速。量子信息和量子計(jì)算的美好愿景正在被科學(xué)家們一點(diǎn)點(diǎn)描繪出來，在這個(gè)過程中，人們對(duì)量子系統(tǒng)的操控技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，相信這段量子力學(xué)應(yīng)用快速擴(kuò)散、量子調(diào)控技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)期，必將是科學(xué)史上炫麗的一頁。然而，

3、在通往量子世界的道路上布滿荊棘，其中最大的阻礙就是退相干效應(yīng)對(duì)量子信息的影響。退相干效應(yīng)會(huì)破壞量子系統(tǒng)的相干特性，因而抑制退相干成為一個(gè)備受關(guān)注的熱門課題。為此科學(xué)家們提出了多種抑制退相干的方法，有的是主動(dòng)對(duì)系統(tǒng)施加作用，有的是利用系統(tǒng)自身對(duì)稱性質(zhì)的，歸根結(jié)底，都是在尋找或者構(gòu)造需要的不變子空間。其中，量子糾錯(cuò)以及基于量子糾錯(cuò)碼發(fā)展起來的容錯(cuò)量子計(jì)算理論為未來的大規(guī)模量子計(jì)算線路提供了基本框架。但在這樣的框架下，要實(shí)現(xiàn)普適量子計(jì)算，必須

4、引入一類被稱為“魔態(tài)”的特殊量子態(tài)作為輔助。高可信度量子計(jì)算要求魔態(tài)具有極高的純度，這使得魔態(tài)提純成為一個(gè)重要的研究方向。目前，多種物理系統(tǒng)都是量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的潛在載體，其中，核磁共振體系由于其發(fā)展多年的控制技術(shù)以及較好的退相干時(shí)間，在量子計(jì)算和量子模擬領(lǐng)域始終處于領(lǐng)跑位置。大量的量子算法和量子模擬方案在核磁共振上得到了演示，核磁共振中運(yùn)用的許多控制思想都被移植至諸如離子阱、超導(dǎo)等其他平臺(tái)。盡管傳統(tǒng)液體核磁共振體系在擴(kuò)展性上存在瓶頸，但

5、其目前仍是許多量子算法演示的很好平臺(tái)。此外，隨著固態(tài)核磁技術(shù)的發(fā)展以及核自旋與電子自旋操控的結(jié)合，核自旋操控正在步入一個(gè)新的階段。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴前兩章是論文大背景的介紹，包括量子信息科學(xué)，以及核磁共振體系量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)。⑵第三章圍繞量子信息保護(hù)課題。介紹了量子Zeno效應(yīng)，動(dòng)力學(xué)去耦，以及量子糾錯(cuò)這三種量子信息保護(hù)方式，利用不變子空間理論解釋了它們抑制退相干效應(yīng)和錯(cuò)誤的基本原理。⑶第四章介紹了本人在基于動(dòng)力學(xué)的量子Ze

6、no效應(yīng)方面的研究工作。與傳統(tǒng)基于投影測量的量子Zeno效應(yīng)不同，動(dòng)力學(xué)形式的量子Zeno效應(yīng)給出了更豐富的現(xiàn)象----臨界測量時(shí)間現(xiàn)象，這也啟示我們?nèi)ニ伎纪队皽y量假設(shè)的動(dòng)力學(xué)解釋。基于原予核之間的糾纏，我們?cè)诤舜殴舱耋w系中完成了動(dòng)力學(xué)形式量子Zeno效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測，并描述了臨界測量時(shí)間的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此外，我們還實(shí)驗(yàn)演示了如何利用這種形式的Zeno效應(yīng)保護(hù)糾纏態(tài)。⑷第五章主要介紹本人在利用量子Zeno效應(yīng)保護(hù)未知量子態(tài)方面的研究工作?；?/p>

7、一種量子Zeno效應(yīng)的類似現(xiàn)象----“算符量子Zeno效應(yīng)”，我們提出了利用2個(gè)輔助比特保護(hù)n比特系統(tǒng)未知態(tài)的普適方案。相比于傳統(tǒng)利用糾錯(cuò)碼穩(wěn)定子測量實(shí)現(xiàn)Zeno效應(yīng)對(duì)未知量子態(tài)保護(hù)的方法，我們的方案需要更少的輔助比特，并且編碼無需糾纏操作。⑸第六章普適容錯(cuò)量子計(jì)算理論進(jìn)行了介紹，并從中引出魔態(tài)提純的概念和一般方法。⑹第七章介紹了本人在魔態(tài)提純課題的研究工作，介紹了我們提出的雜化魔態(tài)提純思想。我們將4比特H型魔態(tài)提純方案和5比特T型魔