發(fā)布時間：2019-02-09 11:33

【摘要】：量子信息及量子計算是以量子力學(xué)為基礎(chǔ),與數(shù)學(xué),計算機學(xué),材料學(xué)等眾多學(xué)科相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興交叉學(xué)科。量子計算研究的根本目標(biāo)是建造一臺基于量子力學(xué)原理,能夠充分展示新奇的,獨一無二的,同時大大超越經(jīng)典計算能力的量子特性的新型計算機。例如,分解一個512位的整數(shù),用每秒處理百萬次運算的經(jīng)典計算機我們需要8400年,但用量子計算機我們只需要3.5個小時!雖然這個目標(biāo)看上去很誘人,但由于在實際的物理實現(xiàn)中,我們要對脆弱的量子體系進行精確的相干控制,以目前的技術(shù)手段要真正做到這點是極其困難的。以現(xiàn)在的眼光來看,最切實際的任務(wù)是實驗驗證一個能真正超越經(jīng)典計算機極限的量子計算實例。量子模擬已經(jīng)被證明,大概30到100個量子比特我們就可以完成這個目標(biāo),而要體現(xiàn)出量子算法的優(yōu)越性則大概需要成百上千個量子比特。因此,量子模擬是目前國際上最熱門的研究方向之一,也是本論文主要關(guān)注的領(lǐng)域。 另一方面,在所有潛在的量子計算機的物理實現(xiàn)中,核磁共振毫無疑問是進展最迅速的一個。迄今為止擁有最復(fù)雜的邏輯門操作的量子計算實驗-12量子比特相干調(diào)控就是在該平臺完成的。同時,大量的量子算法和量子模擬任務(wù)也已在核磁共振量子信息處理器上得到了演示,而在核磁共振上發(fā)展出的許多精確控制技術(shù)也被移植到了諸如離子阱、超導(dǎo)等其他平臺上。雖然核磁共振有著可擴展性等其他方面的問題存在,但它依然是最接近實現(xiàn)超越經(jīng)典計算機的量子計算實驗的平臺。本論文中的實驗工作正是在該平臺完成的,雖然它們還沒有達(dá)到超越經(jīng)典的目標(biāo),但已經(jīng)朝這個目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。 本論文圍繞利用核磁共振實現(xiàn)量子模擬任務(wù)這個目標(biāo),循序漸進的介紹了本人在攻讀博士學(xué)位期間取得的一系列實驗成果。具體內(nèi)容如下： 1.前兩章是背景介紹。首先,我們回顧了量子計算的前世今生,并簡要描述了量子計算機的工作模式,以求在大腦中先建立起量子世界的圖像；第二章我們著墨于量子計算的兩大分支領(lǐng)域之一-量子模擬(另一個為量子算法),從它的歷史講起,涉及其原理,分類,以及應(yīng)用,同時還敘述了目前量子模擬的理論和實驗進展。 2.第三章則圍繞著核磁共振技術(shù),用量子計算的語言來重新闡釋這一發(fā)展成熟了數(shù)十年的學(xué)科。在本章的最后,我們還描述了強耦合體系進行量子計算實驗的方法,相對于傳統(tǒng)的弱耦合核磁共振體系這部分內(nèi)容是相對新穎的。同時,我們利用四比特強耦合液晶體系上分解了當(dāng)今世界上量子算法分解的最大的數(shù)143。雖然距離攻破各大政府、軍隊、銀行的安保系統(tǒng)還差很遠(yuǎn),但我們一直在朝這方面努力。 3.第四章主要介紹實驗上如何利用量子隨機行走算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫搜索問題的指數(shù)加速。雖然它的加速和著名的Grover算法一樣都是二次加速,但它的實用范圍更加廣泛,而該工作也是自2003年量子隨機行走搜索算法提出以來的首次實驗驗證。我們選擇了三比特強耦合液晶體系,成功解決了從哈密頓量確定,初態(tài)制備,幺正演化到測量讀出等眾多的實驗難題,證明了量子隨機行走搜索算法的優(yōu)越性。 4.第五章是關(guān)于利用核磁共振量子計算模擬量子化學(xué)問題的工作。從靜態(tài)的問題開始,我們首先模擬了自然界最簡單的分子-氫分子的基態(tài)能級；進而我們把模擬對象延展到動態(tài),成功模擬了一維勢場的化學(xué)反應(yīng)。另一方面,我們把相位估計算法進行了拓展,實驗證明了如何得到一個海森堡哈密頓量模型的本征值和本征態(tài)。在本章的最后,我們介紹了一些近期關(guān)于量子化學(xué)模擬的理論方案,并給出了實驗上的預(yù)期。 5.最后一章我們給出了總結(jié)和展望。 總之,我們完成了很多驗證量子計算優(yōu)越性的實驗,朝量子計算機的真正物理實現(xiàn)邁出了堅實的一步�；蛟S這些實驗依然只是演示性的,并不能確切給出量子計算機確實超越經(jīng)典的證據(jù),但我們期望這些實驗中用到的技術(shù)、技巧及方法可以擴展到其他的實驗,甚至其他的物理體系中,為人們在量子計算研究的道路上堅定地走下去提供思路及信心。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：O413.1;TP38

【共引文獻】

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本文編號：2418914