PDF《核磁共振中的量子控制》

核磁共振中的量子控制 李俊 崔江煜 杨晓东 罗智煌 潘健 余琦 李兆凯 彭新华 杜江峰 Quantum control of nuclear magnetic resonance spin systems Li Jun Cui Jiang-Yu Yang Xiao-Dong Luo Zhi-Huang Pan Jian Yu Qi Li Zhao-Kai Peng Xin-Hua Du Jiang-Feng 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 64,

167601 (2015) DOI: 10.

7498/aps.64.167601 在线阅读View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167601 当期内容View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2015/V64/I16 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 利用量子相干性判定开放二能级系统中非马尔可夫性 Non-Markovianity of open two-level system by means of quantum coherence 物理学报.2015, 64(14):

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090301 http://dx.doi.org/10.7498/aps.62.090301 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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167601 专题: 量子精密计量与操控 核磁共振中的量子控制? 李俊1) 崔江煜1) 杨晓东1) 罗智煌1) 潘健1) 余琦1) 李兆凯1) 彭新华1)2)? 杜江峰1)2) 1)(中国科学技术大学近代物理系, 合肥微尺度物质科学国家实验室, 合肥 230026) 2)(中国科学技术大学, 量子信息与量子科技前沿协同创新中心, 合肥 230026) (

2015 年4月29 日收到;

2015 年6月12 日收到修改稿 ) 近年来, 随着量子信息科学的发展, 对由量子力学原理描述的微观世界的主动调控已成为重要的前沿研 究领域. 为构造实际的量子信息处理器, 一个关键的挑战是: 如何对处于噪声环境下的量子体系实现一系列 高精度的任意操作, 以完成目标量子信息处理任务. 为此, 人们将经典系统控制论的思想方法延伸到量子体 系的领域, 提出了大量的量子控制方法以及相关的数值技术 (如量子优化控制、 量子反馈控制等), 并取得了丰 富的研究成果. 核磁共振自旋体系具备成熟的系统理论和操控技术, 为量子控制方法的实用性研究提供了优 秀的实验测试平台. 因此, 基于核磁共振的量子控制成为量子控制领域的重要方向. 本文简要介绍了量子控 制的基本概念和方法;

从系统控制论的角度对核磁共振自旋体系的基本原理和重要控制任务做了阐述;

介绍 了近些年来在该领域发展的相关控制方法及其应用;

对基于核磁共振体系的量子控制的进一步的研究做了几 点展望. 关键词: 量子控制, 量子计算, 核磁共振 PACS: 76.60.Ck, 03.65.Yz, 03.67.Lx DOI: 10.7498/aps.64.167601

1 量子控制与核磁共振 一个世纪以来, 量子力学在解释微观物理现象 方面取得了巨大的成功. 直到最近数十年, 人们开 始不仅仅只是寻求对微观世界的描述, 还关心如何 去调控量子系统以完成所需的动力学演化. 调控量 子系统逐渐成为重要的前沿科研领域, 并诞生了丰 富的研究成果 [1?4] . 这在很大程度上得益于人们对 发展量子计算与量子信息技术的极大兴趣. 由于基 于量子力学原理的计算机器被认为具有本质上优 于经典计算机器的计算能力 [5,6] , 人们投入极大的 精力寻求构建实际可行的量子物理计算体系. 而应 用量子物理机制来进行信息处理的一个核心问题 是: 对由量子力学描述的微观体系进行精确而有效 的操控是量子控制的主要研究目标. 量子控制论可 看作是经典控制论在量子领域的延伸. 然而由于 量子体系相比于经典情形所具有的独特性质 (如纠 缠、 退相干、 测量坍缩等), 常常并不能简单地直接 将经典控制理论 (如优化、 反馈、 噪声、 滤波等核心 概念) 应用于量子体系. 因此发展适用于量子体系 的量子控制方法, 以及在实际物理体系中应用这些 控制方法来实现特定的控制任务, 就成为量子控制 研究的主要内容. 上述量子控制发展的一般图景, 十分适用于描 述基于核磁共振体系的量子控制的研究方向. 经 过半个多世纪的发展, 核磁共振 (NMR) 谱学已经 发展成为十分成熟的实验学科. 人们能够定量地 ? 国家重点基础研究发展规划 (批准号: 2013CB921800, 2014CB848700)、 国家杰出青年科学基金 (批准号: 11425523)、 国家自然科 学基金 (批准号: 11375167, 11227901, 91021005)、 中国科学院战略性先导科技专项 (B)(批准号: XDB01030400) 和高等学校博士 学科点专项科研基金 (批准号: 20113402110044) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: xhpeng@ustc.edu.cn ?

2015 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 167601-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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167601 刻画实验条件、从实验结果中获取有用信息、对 实验现象做出可靠的解释以及通过计算机进行高 精度的数值仿真. 在现代 NMR 谱学中, 可以做到 对多达数百个核自旋组成的大分子样品上施加十 分复杂的脉冲序列. 因此, 核磁共振技术成为研 究物质微观结构的最精密的探测手段之一. 而随 着量子信息技术的发展, 提出了基于 NMR 的核自 旋量子信息处理的物理实现方案 [6,7] , 这进一步使 人们对核自旋动力学的调控达到了新的水平 [8,9] . NMR 核自旋体系作为量子信息处理器, 具有较长 的相干时间, 已经被用来很好地演示许多量子算法 (如Deutsch-Jozsa算法 [10,11] 、 Grover 搜索算法 [12] 、 Shor 大数分解算法 [13] 、 量子随机行走 [14] )、 量子 模拟 (如氢分子能级模拟 [15] 、 观测Heisenberg 模型 的基态几何相 [16] 、 模拟任意子分数统计 [17] ) 以及 其他量子信息处理方案 [18,19] . 在NMR 体系上, 人 们还实现了

12 个量子比特的相干操控, 迄今为止 这依然是实现的最大量子寄存器的普适操控 [20,21] . 最近, 人们又完成了在

7 个量子比特体系上对复杂 Cli?ord 门的门平均保真度的实验估计 (结果约为 55.1%), 这也在一定程度上代表了当前人们在该 方向达到的操控精度水平 [22] . 这些实验的实现与 NMR 量子控制技术的发展息息相关, 特别是量子 控制理论与方法在 NMR 体系中的应用. NMR 已 经成为当前测试和发展量子控制技术以及量子信 息处理任务的重要物理平台. 本文介绍基于 NMR 的量子控制. 文章的结构 如下: 首先对量子控制的基本概念做简单的描述, 接着从控制论的角度对 NMR核自旋系综作为受控 系统建立控制模型, 然后简要讨论近些年所发展的 NMR 中的量子控制方法, 最后给出展望.

2 量子控制的基本概念简介 量子系统的演化是由量子力学原理支配的 [23] . 量子力学原理有其一套形式化的数学描述框架, 包 括对量子态、 量子操作、 量子测量等基本概念的严 格定义. 基于这样的量子力学框架, 建立受........