【摘要】：量子信息及量子計(jì)算是以量子力學(xué)為基礎(chǔ),與數(shù)學(xué),計(jì)算機(jī)學(xué),材料學(xué)等眾多學(xué)科相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興交叉學(xué)科。量子計(jì)算研究的根本目標(biāo)是建造一臺(tái)基于量子力學(xué)原理,能夠充分展示新奇的,獨(dú)一無(wú)二的,同時(shí)大大超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子特性的新型計(jì)算機(jī)。例如,分解一個(gè)512位的整數(shù),用每秒處理百萬(wàn)次運(yùn)算的經(jīng)典計(jì)算機(jī)我們需要8400年,但用量子計(jì)算機(jī)我們只需要3.5個(gè)小時(shí)!雖然這個(gè)目標(biāo)看上去很誘人,但由于在實(shí)際的物理實(shí)現(xiàn)中,我們要對(duì)脆弱的量子體系進(jìn)行精確的相干控制,以目前的技術(shù)手段要真正做到這點(diǎn)是極其困難的。以現(xiàn)在的眼光來(lái)看,最切實(shí)際的任務(wù)是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一個(gè)能真正超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)極限的量子計(jì)算實(shí)例。量子模擬已經(jīng)被證明,大概30到100個(gè)量子比特我們就可以完成這個(gè)目標(biāo),而要體現(xiàn)出量子算法的優(yōu)越性則大概需要成百上千個(gè)量子比特。因此,量子模擬是目前國(guó)際上最熱門的研究方向之一,也是本論文主要關(guān)注的領(lǐng)域。 另一方面,在所有潛在的量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)中,核磁共振毫無(wú)疑問(wèn)是進(jìn)展最迅速的一個(gè)。迄今為止擁有最復(fù)雜的邏輯門操作的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)-12量子比特相干調(diào)控就是在該平臺(tái)完成的。同時(shí),大量的量子算法和量子模擬任務(wù)也已在核磁共振量子信息處理器上得到了演示,而在核磁共振上發(fā)展出的許多精確控制技術(shù)也被移植到了諸如離子阱、超導(dǎo)等其他平臺(tái)上。雖然核磁共振有著可擴(kuò)展性等其他方面的問(wèn)題存在,但它依然是最接近實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。本論文中的實(shí)驗(yàn)工作正是在該平臺(tái)完成的,雖然它們還沒(méi)有達(dá)到超越經(jīng)典的目標(biāo),但已經(jīng)朝這個(gè)目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。 本論文圍繞利用核磁共振實(shí)現(xiàn)量子模擬任務(wù)這個(gè)目標(biāo),循序漸進(jìn)的介紹了本人在攻讀博士學(xué)位期間取得的一系列實(shí)驗(yàn)成果。具體內(nèi)容如下： 1.前兩章是背景介紹。首先,我們回顧了量子計(jì)算的前世今生,并簡(jiǎn)要描述了量子計(jì)算機(jī)的工作模式,以求在大腦中先建立起量子世界的圖像；第二章我們著墨于量子計(jì)算的兩大分支領(lǐng)域之一-量子模擬(另一個(gè)為量子算法),從它的歷史講起,涉及其原理,分類,以及應(yīng)用,同時(shí)還敘述了目前量子模擬的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。 2.第三章則圍繞著核磁共振技術(shù),用量子計(jì)算的語(yǔ)言來(lái)重新闡釋這一發(fā)展成熟了數(shù)十年的學(xué)科。在本章的最后,我們還描述了強(qiáng)耦合體系進(jìn)行量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方法,相對(duì)于傳統(tǒng)的弱耦合核磁共振體系這部分內(nèi)容是相對(duì)新穎的。同時(shí),我們利用四比特強(qiáng)耦合液晶體系上分解了當(dāng)今世界上量子算法分解的最大的數(shù)143。雖然距離攻破各大政府、軍隊(duì)、銀行的安保系統(tǒng)還差很遠(yuǎn),但我們一直在朝這方面努力。 3.第四章主要介紹實(shí)驗(yàn)上如何利用量子隨機(jī)行走算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索問(wèn)題的指數(shù)加速。雖然它的加速和著名的Grover算法一樣都是二次加速,但它的實(shí)用范圍更加廣泛,而該工作也是自2003年量子隨機(jī)行走搜索算法提出以來(lái)的首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。我們選擇了三比特強(qiáng)耦合液晶體系,成功解決了從哈密頓量確定,初態(tài)制備,幺正演化到測(cè)量讀出等眾多的實(shí)驗(yàn)難題,證明了量子隨機(jī)行走搜索算法的優(yōu)越性。 4.第五章是關(guān)于利用核磁共振量子計(jì)算模擬量子化學(xué)問(wèn)題的工作。從靜態(tài)的問(wèn)題開始,我們首先模擬了自然界最簡(jiǎn)單的分子-氫分子的基態(tài)能級(jí)；進(jìn)而我們把模擬對(duì)象延展到動(dòng)態(tài),成功模擬了一維勢(shì)場(chǎng)的化學(xué)反應(yīng)。另一方面,我們把相位估計(jì)算法進(jìn)行了拓展,實(shí)驗(yàn)證明了如何得到一個(gè)海森堡哈密頓量模型的本征值和本征態(tài)。在本章的最后,我們介紹了一些近期關(guān)于量子化學(xué)模擬的理論方案,并給出了實(shí)驗(yàn)上的預(yù)期。 5.最后一章我們給出了總結(jié)和展望。 總之,我們完成了很多驗(yàn)證量子計(jì)算優(yōu)越性的實(shí)驗(yàn),朝量子計(jì)算機(jī)的真正物理實(shí)現(xiàn)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步�；蛟S這些實(shí)驗(yàn)依然只是演示性的,并不能確切給出量子計(jì)算機(jī)確實(shí)超越經(jīng)典的證據(jù),但我們期望這些實(shí)驗(yàn)中用到的技術(shù)、技巧及方法可以擴(kuò)展到其他的實(shí)驗(yàn),甚至其他的物理體系中,為人們?cè)诹孔佑?jì)算研究的道路上堅(jiān)定地走下去提供思路及信心。
[Abstract]:......
【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】：2012
【分類號(hào)】：O413.1;TP38

【共引文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙紅敏,林家逖;量子計(jì)算機(jī)原理及問(wèn)題[J];大學(xué)物理;2001年10期

2 李飛,鄭寶玉,趙生妹;量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J];電子與信息學(xué)報(bào);2004年08期

3 陳洪光,沈振康;量子計(jì)算及量子計(jì)算機(jī)[J];光電子技術(shù)與信息;2003年02期

4 解光軍;量子神經(jīng)計(jì)算[J];合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2002年03期

5 周熠;高峰;;量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展[J];衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào);2006年03期

6 楊曉冬,繆希茄;任意量子位Grover量子搜索算法的NMR脈沖序列的理論設(shè)計(jì)及NMR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J];中國(guó)科學(xué)A輯;2002年10期

7 唐志祥,張登玉;量子相干與量子消相干[J];激光雜志;2003年06期

8 解光軍;量子神經(jīng)計(jì)算技術(shù)[J];吉首大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年01期

9 吳楠;宋方敏;;量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)[J];計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索;2007年01期

10 賴武彥;自旋電子學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)業(yè)[J];物理;2002年07期

相關(guān)會(huì)議論文 前5條

1 Tzyh-Jong Tarn;;Advances in Quantum Computing and Control[A];Proceedings of International Conference on Micro & Nano Systems 2002(ICMNS 2002)[C];2002年

2 陳宗海;張陳斌;;量子控制系統(tǒng)的仿真研究[A];系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用（第7卷）——'2005系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文選編[C];2005年

3 李明;陳宗海;;量子計(jì)算機(jī)——未來(lái)二十年的挑戰(zhàn)[A];'2006系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2006年

4 李飛;趙生妹;鄭寶玉;;具有非線性映射特性的量子神經(jīng)元[A];現(xiàn)代通信理論與信號(hào)處理進(jìn)展——2003年通信理論與信號(hào)處理年會(huì)論文集[C];2003年

5 解光軍;屠穎尊;操禮程;;神經(jīng)計(jì)算的量子推廣[A];全國(guó)第16屆計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用（CACIS）學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 張平;耦合量子點(diǎn)和玻色-愛因斯坦凝聚體的量子動(dòng)力學(xué)[D];中國(guó)工程物理研究院;2001年

2 張權(quán);量子信道編碼與量子密碼理論研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2001年

3 李映;混合智能計(jì)算方法及其應(yīng)用[D];西安電子科技大學(xué);2002年

4 李巖松;相對(duì)論自治角動(dòng)量投影殼模型及其應(yīng)用[D];清華大學(xué);2003年

5 高亭;量子通信和概率克隆在量子計(jì)算中的應(yīng)用[D];首都師范大學(xué);2005年

6 吳熱冰;基于對(duì)稱性的無(wú)窮維量子力學(xué)系統(tǒng)的建模與控制問(wèn)題研究[D];清華大學(xué);2004年

7 曹春紅;幾何約束求解技術(shù)的研究[D];吉林大學(xué);2005年

8 周蘭;量子信息處理的原理和光學(xué)實(shí)現(xiàn)的研究[D];湖南師范大學(xué);2005年

9 張融;量子邏輯門的構(gòu)建、糾纏態(tài)的制備和熱糾纏度量[D];蘇州大學(xué);2005年

10 詹志明;量子糾纏態(tài)的制備[D];華中科技大學(xué);2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉曉曙;量子糾纏及其在量子通訊中的應(yīng)用[D];山東師范大學(xué);2002年

2 程偉;模糊有限自動(dòng)機(jī)的分類及其狀態(tài)最小化算法研究[D];四川師范大學(xué);2002年

3 王棟;四粒子糾纏態(tài)的制作和應(yīng)用及量子態(tài)的受控幾率傳輸[D];河北師范大學(xué);2003年

4 楊淑媛;量子進(jìn)化算法的研究及其應(yīng)用[D];西安電子科技大學(xué);2003年

5 鐘艷花;量子算法研究及其核磁共振實(shí)驗(yàn)的仿真實(shí)現(xiàn)[D];廣東工業(yè)大學(xué);2004年

6 張瑾;量子信息中糾纏態(tài)的制備和研究[D];安徽大學(xué);2004年

7 熊狂煒;利用腔QED實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的研究[D];安徽大學(xué);2004年

8 張曉強(qiáng);以EPR糾纏為基礎(chǔ)的量子密鑰分配及無(wú)密鑰量子直接通信方案[D];河北師范大學(xué);2004年

9 王美玉;利用部分糾纏態(tài)的概率密集編碼及非對(duì)稱密集編碼方案[D];河北師范大學(xué);2004年

10 唐志祥;電磁輻射場(chǎng)中量子位的消相干特性研究[D];湘潭大學(xué);2004年

，

本文編號(hào)：2418914