基于固态自旋体系量子操控理论研究

论文摘要

量子计算利用了量子力学的原理,在处理一些如大数分解等问题上拥有着经典计算难以媲美的优势。但要实现规模可扩展的量子计算仍然存在很多挑战。退相干是其中必须克服的重要困难之一,它影响着量子信息的存储、操作、传输等诸多过程。已有多种抑制退相干方法被提出,如量子纠错编码,退相干自由子空间,动力学解耦等。如何实现可扩展性也是量子计算中重要课题之一。1998年Kane提出了基于半导体的可扩展量子计算方案。而随着技术工艺的进步,越来越多的优秀候选体系进入人们的视线,如掺杂不同原子的富勒烯、金刚石氮空穴色心等。可扩展性问题目前仍是许多科研者正在研究和探索的方向。本论文通过对作为量子计算重要候选体系之一的固态自旋体系的量子操控研究,针对上述退相干和可扩展性两个问题进行探索,提出了一种新的抑制退相干的方法,以及基于免退相干量子比特的可扩展量子计算框架。本文首先介绍了量子计算的基本概念,随后介绍了金刚石氮空穴色心体系的基本情况。本文的中心内容分为以下两个方面:1.提出一种新的通过对自旋热库的操控来抑制退相干的方法。不同于已有的多集中于量子系统本身的抑制退相干方法,我们着眼于环境(自旋热库),通过操控热库来“冰冻”热库,从而延长中心自旋的相干时间。通过基于最优化控制的数值仿真,实现了对该方法的可行性的验证。模拟结果显示,中心自旋的相干时间可以从4 μs提高到1 ms,抑制退相干效果明显。同时该种方法可以与直流磁场测量兼容,模拟得到直流磁场探测灵敏度提升超过一个数量级,到达nT/(?)。新方法在量子精密测量中有广阔的应用前景。2.提出一种新的可扩展量子计算框架。我们结合基于免退相干子空间(DFS)的量子比特和量子驱动器,通过对单个量子驱动器的操控实现对DFS量子比特的初始化、读出和普适量子逻辑门操作,并且也对可扩展性进行了讨论。通过对上述过程进行数值仿真,方案的可行性得以验证。该方案中量子驱动器概念的引入将量子计算中经典接口直接操控大量量子比特的困难简化为操控单个量子驱动器,这也为处理复杂量子系统提供了新思路。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章量子计算

1.1 量子计算的历史

1.2 量子计算的基本概念

1.2.1 量子比特

1.2.2 量子逻辑门

1.2.3 量子测量

1.3 量子计算的物理实现

1.3.1 量子计算的要求

1.3.2 量子计算的优越性

1.3.3 量子计算的重要候选体系

参考文献

第二章金刚石氮空穴固态自旋体系介绍

2.1 结构与光学跃迁性质

2.2 NV色心电子自旋量子比特

2.2.1 NV色心电子自旋哈密顿量

2.2.2 操控NV电子自旋

2.3 NV色心电子自旋与核自旋

2.3.1 NV色心核自旋哈密顿量

2.3.2 操控NV电子自旋和核自旋

2.4 NV色心体系退相干

2.4.1 常见的几种退相干

2.4.2 静态热噪声

2.5 小结

参考文献

第三章抑制退相干新方法

3.1 自旋热库引起退相干

3.2 抑制退相干的方法

3.2.1 量子纠错码

3.2.2 免退相干子空间

3.2.3 动力学解耦

3.3 新的抑制退相干的方法

3.3.1 对自旋热库操控优化模型

3.3.2 数值模拟少量核自旋的情况

3.3.3 数值模拟大量核自旋的情况

3.4 精密测量中的应用

3.5 小结

参考文献

第四章量子操控单自旋的可扩展量子计算方案

4.1 理论方案

4.1.1 量子驱动量子计算

4.1.2 理论模型

4.1.3 体系哈密顿量

4.2 数值模拟和结果

4.2.1 初始化和读出

4.2.2 量子逻辑门操作

4.2.3 可扩展性

4.2.4 其他讨论

4.3 探测相互作用应用

4.4 小结

参考文献

第五章总结和展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 董丽红

导师: 杜江峰,荣星

关键词: 量子计算,量子操控,退相干,固态自旋,金刚石色心,最优化控制

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413

总页数: 114

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