强磁场自旋系统退相干机制和量子控制实验研究

Quantum coherence plays a singnificant role in quantum information processing. The quantum system decoherence mechanisms and coherent control are important issues which have attracked scientists' attention for a long time. Quantum decoherence control is one important direction for further research on quantum systems under high magnetic field. This project intends to research decoherence mechanisms under high magnetic field, especially the spin relaxation mechanism. In this project, we will try to achieve high fidelity quantum preparation of initial state by the method of spin relaxation processes control, and explore how to to realize high precision quantum control operation under high magnetic field, by combining the logic gate operation with decoherence control. These techniques will be of great helpful for carry out the works of quantum computing and quantum simulation based on spin quantum systems under high magnetic field. It also will be helpful for the research works in biological, physical, and other fields under high magnetic field.

量子相干性在量子信息处理中发挥了举足轻重的作用。因而对于量子系统退相干机制以及量子相干控制的研究也一直是国际上长期关注的重点问题。在高场条件下对量子系统开展深入研究，量子相干控制必然将成为重要的研究方向。本项目拟研究强磁场下退相干机制，尤其是自旋弛豫机制。有效利用弛豫演化过程，实现高保真度量子初态的制备。并探索将逻辑门操作与退相干控制方法相结合，在高场条件下实现高精度量子控制操作，从而为开展高场条件下基于自旋系统高量子比特量子计算与量子模拟研究提供有利条件。该技术方法也将为开展强磁场条件下的生物、物理等领域的研究工作提供有力支撑。

本项目以碳、氮、氟等原子的核自旋作为量子比特，利用核磁共振技术研究高场下量子系统的退相干机制，发展量子相干控制方法，实现高场下量子态制备和高精度量子逻辑门。我们研究了绝热量子演化过程，发展高保真度绝热量子算法，并“利用高保真度绝热量子计算方法实验实现大数分解291311”。通过在量子演化中引入随机回聚脉冲序列、子系统优化控制算法等脉冲控制技术，在16.5T磁场下“实验实现12比特量子伪随机操作生成器”。我们把抑制量子系统退相干方法与控制量子系统演化的强调制脉冲技术相结合，发展高精度量子逻辑操控技术，完成 “利用量子模拟方法解决水分子能级问题”和“量子态层析实验方案的优化设计”等实验工作。