核自旋体系的相互作用与量子操控

Nuclear spin systems have long cohernt times and are easy to manipulate, and they can be used in quantum information processing such as quantum computing and quantum simulation. Nuclear spins are restricted in atoms and molecules in different environment, and they possess complex forms of interaction. In this project, we will study the inter-spin interactions of nuclear spins in molecules of liquid NMR, liquid crystall NMR and solid-state NMR samples and study their couplings with the environment. Combining with recent developments in quantum control and NMR technique such as SMP, composite pulses and GRAPES, we will develop new methods and pulse sequences of NMR quantum manipulation. We will experimentally realize quantum algorithms and quantum simulations. By completing this project, we try to improve the accuracy and speed of quantum manipulations in nuclear spin systems, and to promote the NMR quantum computing experimental studies.

核自旋量子体系具有较长的量子相干时间和易于操控的优点，可用于量子计算和量子仿真等量子信息处理。本项目研究针对可用于量子计算的液体核磁、液晶核磁和固体核磁样品，研究核自旋之间的相互作用及其与环境的耦合；结合量子控制的技术方法和核磁共振技术中的新成果如复合脉冲、强调制脉冲和GRAPES等，探索核磁共振量子操控的新方法，实现操控的精度改善和速度的提高；在核自旋量子体系实验研究量子算法与量子仿真。

量子信息领域作为交叉学科得到了广泛关注以及快速发展，而核自旋量子体系具有较长的相干时间以及操控比较精确的优点，在量子信息领域扮演着重要的角色。本项目就是研究核磁共振仪器在量子计算和量子模拟的应用。主要包括以下三个方面，第一，我们在理论和实验上研究了量子态重构和量子纠缠的关系，提出了no-go理论支持对于nonadaptive的单样本测量量子态重构对量子纠缠是必须的，对后续量子纠缠探测研究有着重要意义。第二，我们与外方合作在迄今为止最大核磁共振系统的12量子比特上，采用基于测量反馈的方法成功制备了12相干态，得出了比经典优化更好的效果，此方法可以很好的移植到其他量子系统中。第三，我们研究了最优动力学解耦，定量分析了不同解耦脉冲的体现并在实验上演示了二次动力学解耦的优越性，并得知二次动力学在一定的噪声环境下才是最优的解耦序列。我们研究了组合脉冲在非静态环境下的效用，我们首先在核磁共振仪器中运用噪声注入的方法构造两种错误，然后给出组合脉冲在任意噪声环境中的效果，检测到reduced CinSK组合脉冲在两种非静态脉冲误差同时存在时的鲁棒性表现。