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文檔簡介
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
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