【摘要】：量子計(jì)算作為一種新型的信息處理方式,利用量子力學(xué)的原理,能夠有效處理如大數(shù)分解等很多經(jīng)典計(jì)算難以解決的問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算,需要通過(guò)糾錯(cuò)編碼的方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算,這要求實(shí)現(xiàn)的量子邏輯門(mén)的保真度高于某個(gè)容錯(cuò)閾值。容錯(cuò)閾值對(duì)量子邏輯門(mén)的保真度的要求是很苛刻的,以surface code為例,一般認(rèn)為其要求量子邏輯門(mén)的保真度需達(dá)到0.99以上。而物理體系的量子特性極易受到噪聲的影響,如何在噪聲影響下實(shí)現(xiàn)高保真度的量子邏輯門(mén),成為很多體系實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。我們基于量子計(jì)算的一個(gè)重要候選體系——金剛石NV色心,實(shí)驗(yàn)研究能夠抑制噪聲進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高保真度量子邏輯門(mén)的方法,并在金剛石NV色心體系實(shí)現(xiàn)了保真度高達(dá)0.99995的單比特量子邏輯門(mén)和保真度0.992的兩比特量子邏輯門(mén)。這些量子邏輯門(mén)保真度不僅達(dá)到了 surface code對(duì)保真度的閾值要求,而且是目前為止固態(tài)自旋體系量子邏輯門(mén)保真度的最高水平。本論文的主要內(nèi)容是介紹我們?cè)诮饎偸疦V色心體系進(jìn)行高保真度量子邏輯門(mén)的實(shí)驗(yàn)研究的主要成果,主要包括以下三個(gè)工作:1.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)量子邏輯門(mén)。我們通過(guò)動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)量子邏輯門(mén),國(guó)際上首次將實(shí)現(xiàn)量子邏輯門(mén)過(guò)程中對(duì)噪聲的抑制水平達(dá)到6階,并將可用于施加量子邏輯門(mén)的相干時(shí)間突破T_2極限,達(dá)到T_(1ρ)極限。2.實(shí)現(xiàn)保真度達(dá)到容錯(cuò)閾值要求的普適量子邏輯門(mén)。我們發(fā)展了新型組合脈沖、最優(yōu)控制、波形校準(zhǔn)等方法和技術(shù),在室溫大氣下~(13)C自然豐度的金剛石中的NV色心體系實(shí)現(xiàn)了保真度高達(dá)0.99995的單比特量子邏輯門(mén)和保真度0.992的兩比特量子邏輯門(mén)。3.實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)的普適量子邏輯門(mén)。我們將量子最速降線(xiàn)方程應(yīng)用于金剛石NV色心體系,國(guó)際上首次以時(shí)間最優(yōu)的方式實(shí)現(xiàn)了普適量子邏輯門(mén),實(shí)現(xiàn)的量子邏輯門(mén)不僅保真度高達(dá)0.99,而且時(shí)間比常規(guī)方法顯著縮短。
[Abstract]:As a new information processing method, quantum computing can effectively deal with many difficult problems such as large number decomposition and so on by using the principle of quantum mechanics. In order to realize the practical large-scale quantum computation, it is necessary to implement the fault-tolerant quantum computation by error correcting coding, which requires the fidelity of the quantum logic gates to be higher than a certain fault-tolerant threshold. Fault-tolerant threshold is very strict to the fidelity of quantum logic gates. Taking surface code as an example, it is generally considered that the fidelity of quantum logic gates should be above 0.99. However, the quantum properties of physical systems are easily affected by noise. How to realize high fidelity quantum logic gates under the influence of noise has become a major challenge for many systems to realize quantum computing. Based on diamond NV color center, an important candidate system for quantum computing, we have studied experimentally the method of suppressing noise and realizing high fidelity quantum logic gate. A single-bit quantum logic gate with a fidelity of up to 0.99995 and a two-bit quantum logic gate with a fidelity of 0.992 are realized in the diamond NV color center system. The fidelity of these quantum logic gates not only meets the threshold requirements of surface code for fidelity, but also is the highest level of fidelity of quantum logic gates in solid-state spin systems so far. The main content of this thesis is to introduce the main results of our experimental research on high fidelity metric sub-logic gate in diamond NV color center system, including the following three works: 1. Experimental verification and implementation of dynamic error correction quantum logic gate. By means of dynamic error correction quantum logic gate, the noise suppression level in the realization of quantum logic gate is 6 order in the world for the first time, and the coherence time which can be used to apply quantum logic gate breaks through T2 limit and reaches T _ (1 蟻) limit. 2. Universal quantum logic gates with fidelity up to the threshold of fault tolerance are realized. We have developed new methods and techniques such as combined pulse, optimal control, waveform calibration, etc. The NV color center system in diamond with natural abundance of ~ (13) C at room temperature has achieved single-bit quantum logic gates with fidelity up to 0.99995 and two-bit quantum logic gates with fidelity 0.992. The universal quantum logic gate with optimal time is realized experimentally. In this paper, we apply quantum steepest descent line equation to diamond NV color center system. The universal quantum logic gate is realized in the world for the first time in a time-optimal manner. The realized quantum logic gate not only has a fidelity of up to 0.99, but also shortens the time significantly compared with the conventional method.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O413

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本文編號(hào)：2189709