【摘要】：量子信息學是建立在量子力學和信息科學基礎上,研究新型信息處理方法的一門學科,包括量子密碼術、最子通信和量子計算機等幾個方面。量子計算機作為量子信息學的一個主要研究分支,是一類基于量子力學原理,可進行高速度并行數學和邏輯運算,因此在許多復雜計算問題上能超越基于經典物理原理的經典計算機,并且能夠存儲及處理量子信息的新型計算機。而量子計算正是研究如何建造這樣一種新型的量子計算機。理論上,量子計算機在很多方面優(yōu)于經典計算機：一方面,經典計算機芯片存在著進一步集成的技術困難,尤其是散熱等突出的問題,限制了其計算速度,而這些問題都不存在于量子計算機；另一方面,量子計算機可以實現一些經典計算機不能解決的問題,比如大數分解等。因此,量子計算機為計算機的發(fā)展開辟了一個新的天地。然而,量子計算的實驗實現,首先需要對量子體系進行初始化,再對其進行相干控制和操作,最終對存儲在量子體系中的信息進行讀取。迄今為止,可用于量子計算實驗的物理體系主要有：核自旋、電子自旋、光子、離子阱、超導Josephson結等。其中電子自旋,由于其操作時間遠小于核自旋(相差三個數量級),具有很大的優(yōu)勢,并存在著可擴展的潛在發(fā)展趨勢。 電子自旋量子體系是一些具有未配對電子的材料。在本文中,我們主要研究兩種人工合成的兩種單分子磁體材料,分別是內嵌原子富勒烯和由15個釩離子構成的大分子。首先,我們重點考察一類內嵌富勒烯的新型材料,它不僅是具有未配對電子的材料,同時其體現出來的電子自旋特性也表明它是可用于量子計算實驗研究的一類好的材料。因此,本文對這類內嵌摻雜富勒烯樣品進行系統(tǒng)的理論及實驗研究,如樣品的制備、分離提純到連續(xù)波電子順磁共振譜(EPR)測試、解譜,和用脈沖式電子順磁共振譜實現相干態(tài)的讀取、相干時間的測量與相關量子操控的實驗。根據已有的方法,我們首先合成了內嵌非金屬的獨立氮原子富勒烯樣品——N@C60,深入研究了這種適合做量子計算樣品的電子結構,并做了進一步的研究：實驗上合成了一種有序排列的N@C60單晶樣品的電子結構,于其中觀察到較強的零場分裂,豐富了樣品的能級結構并可用于量子比特的編碼。接著,我們還研究了內嵌金屬原子的富勒烯材料,與N@C60不同,金屬內嵌富勒烯的內嵌金屬與C籠之間存在著電荷轉移,即非定域電子分布,金屬原子往往并不處于C籠的中心,未成對電子會離域到C籠上,而不像N@C60那樣局域在C籠內部。作為對比,我們選擇Y@C82的電子結構作為對比研究,對其中的電子及核自旋進行量子編碼和實驗讀出。此外,各種內嵌富勒烯材料還可以由AFM或STM來進行單分子觀測,最終實現單分子的、單自旋的探測與操控。 另一方面,我們把研究方向由電子自旋主要定域于單個原子的內嵌金屬富勒烯,擴展到含有多個過渡金屬原子、具有特殊磁學性質的交換耦合大分子——單分子磁體,這是一類單個分子呈現出宏觀磁體磁性現象,且單個分子自身也同時體現量子特性的,同時具有宏觀磁性和微觀量子特性的新型材料。實驗上,我們合成了單分子磁體V15,利用X-波段電子順磁共振波譜技術研究其電子結構,首次實驗觀測到了V15基態(tài)能級的相干演化過程。 通過對內嵌原子富勒烯和V15等單分子磁體樣品的制備及電子結構的連續(xù)波及脈沖EPR實驗研究,為我們最終實現量子計算提供了理論和實驗基礎,如將內嵌富勒烯分子結合到AFM或STM的基底上,那將可以實現單個分子量子信息的讀取及單自旋操控,或者將其與單自旋NV色心樣品耦合起來,提高NV色心體系的可擴展性。
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【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：O413.1;TP38

【共引文獻】

相關博士學位論文 前2條

1 倪昀;基于二維碳材料的自旋電子學和熱自旋電子學器件的設計與研究[D];華中科技大學;2013年

2 金鉆明;光與電子自旋相互作用及其超快動力學特性的研究[D];上海大學;2013年

相關碩士學位論文 前2條

1 姜昊;帶電粒子輻照對玻璃光學性能影響及輻照缺陷EPR分析[D];哈爾濱工業(yè)大學;2008年

2 王黑龍;激光爆破法高速氧束源的研制[D];大連海事大學;2013年

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本文編號：2427267