优化控制在量子计算中的应用及其实验研究

量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限。在目前已经被提出的各种量子信息科学实验技术中，核磁共振（NMR）扮演了先行者的重要角色。随着量子计算逐渐向高量子位和复杂网络化发展，如何更快地实现各量子门，克服消相干的影响成为量子信息领域的主要挑战之一。本课题拟采用优化控制的数值计算方法探索不同量子体系中最短实现各种量子门和量子计算任务的方案，并在液体和固体核磁共振仪器上进行实验验证。同时我们预期对现有的数值计算方法进行改进，提出一种扩展的数值计算方法，缩短计算所需的时间，不断完善新的计算方法，使该方法能用于常规体系核磁共振优化脉冲的计算并为其它量子计算实验体系（如离子阱）和量子计算向高位的扩展提供参考。

量子特性在信息领域中有着独特的功能，在目前已经被提出的各种量子信息科学实验技术中，核磁共振（NMR）扮演了先行者的重要角色。随着量子计算逐渐向高量子位和复杂网络化发展，如何更快地实现各量子门，克服消相干的影响成为量子信息领域的主要挑战之一。本项目采用优化控制的数值计算方法探索了不同量子体系中最短实现各种量子门和量子计算任务的方案，并在核磁共振仪器上进行实验验证。这些量子逻辑门包括量子交换门， planar 耦合的量子交换门，量子傅立叶变换门以及角度不同的耦合量子门。同时我们对现有的数值计算方法进行了改进，提出一种用于制备有效纯态的COOP脉冲，该方法能用于常规体系核磁共振量子体系的多种量子位的纯态制备中。运用这种纯态制备方法，我们选用分别在三自旋，四自旋量子体系中实现了有效纯态的实验制备。此外，我们发展了一种实现无直接耦合自旋交换门的优化解析解方法，该方法可以缩短实现量子门的实验时间。这种量子门可以用于cluster态的实验制备。我们首先在理论上提出了利用这种优化量子门制备cluster态的方案，然后选择合适的自旋分子体系，在核磁共振实验中验证了理论方案的可行性。