發(fā)布時(shí)間：2019-02-20 21:04

【摘要】：量子信息學(xué)是建立在量子力學(xué)和信息科學(xué)基礎(chǔ)上,研究新型信息處理方法的一門(mén)學(xué)科,包括量子密碼術(shù)、最子通信和量子計(jì)算機(jī)等幾個(gè)方面。量子計(jì)算機(jī)作為量子信息學(xué)的一個(gè)主要研究分支,是一類(lèi)基于量子力學(xué)原理,可進(jìn)行高速度并行數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算,因此在許多復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題上能超越基于經(jīng)典物理原理的經(jīng)典計(jì)算機(jī),并且能夠存儲(chǔ)及處理量子信息的新型計(jì)算機(jī)。而量子計(jì)算正是研究如何建造這樣一種新型的量子計(jì)算機(jī)。理論上,量子計(jì)算機(jī)在很多方面優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)：一方面,經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片存在著進(jìn)一步集成的技術(shù)困難,尤其是散熱等突出的問(wèn)題,限制了其計(jì)算速度,而這些問(wèn)題都不存在于量子計(jì)算機(jī)；另一方面,量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能解決的問(wèn)題,比如大數(shù)分解等。因此,量子計(jì)算機(jī)為計(jì)算機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)新的天地。然而,量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn),首先需要對(duì)量子體系進(jìn)行初始化,再對(duì)其進(jìn)行相干控制和操作,最終對(duì)存儲(chǔ)在量子體系中的信息進(jìn)行讀取。迄今為止,可用于量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的物理體系主要有：核自旋、電子自旋、光子、離子阱、超導(dǎo)Josephson結(jié)等。其中電子自旋,由于其操作時(shí)間遠(yuǎn)小于核自旋(相差三個(gè)數(shù)量級(jí)),具有很大的優(yōu)勢(shì),并存在著可擴(kuò)展的潛在發(fā)展趨勢(shì)。 電子自旋量子體系是一些具有未配對(duì)電子的材料。在本文中,我們主要研究?jī)煞N人工合成的兩種單分子磁體材料,分別是內(nèi)嵌原子富勒烯和由15個(gè)釩離子構(gòu)成的大分子。首先,我們重點(diǎn)考察一類(lèi)內(nèi)嵌富勒烯的新型材料,它不僅是具有未配對(duì)電子的材料,同時(shí)其體現(xiàn)出來(lái)的電子自旋特性也表明它是可用于量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的一類(lèi)好的材料。因此,本文對(duì)這類(lèi)內(nèi)嵌摻雜富勒烯樣品進(jìn)行系統(tǒng)的理論及實(shí)驗(yàn)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(cè)試、解譜,和用脈沖式電子順磁共振譜實(shí)現(xiàn)相干態(tài)的讀取、相干時(shí)間的測(cè)量與相關(guān)量子操控的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)已有的方法,我們首先合成了內(nèi)嵌非金屬的獨(dú)立氮原子富勒烯樣品——N@C60,深入研究了這種適合做量子計(jì)算樣品的電子結(jié)構(gòu),并做了進(jìn)一步的研究：實(shí)驗(yàn)上合成了一種有序排列的N@C60單晶樣品的電子結(jié)構(gòu),于其中觀察到較強(qiáng)的零場(chǎng)分裂,豐富了樣品的能級(jí)結(jié)構(gòu)并可用于量子比特的編碼。接著,我們還研究了內(nèi)嵌金屬原子的富勒烯材料,與N@C60不同,金屬內(nèi)嵌富勒烯的內(nèi)嵌金屬與C籠之間存在著電荷轉(zhuǎn)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(duì)電子會(huì)離域到C籠上,而不像N@C60那樣局域在C籠內(nèi)部。作為對(duì)比,我們選擇Y@C82的電子結(jié)構(gòu)作為對(duì)比研究,對(duì)其中的電子及核自旋進(jìn)行量子編碼和實(shí)驗(yàn)讀出。此外,各種內(nèi)嵌富勒烯材料還可以由AFM或STM來(lái)進(jìn)行單分子觀測(cè),最終實(shí)現(xiàn)單分子的、單自旋的探測(cè)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(gè)原子的內(nèi)嵌金屬富勒烯,擴(kuò)展到含有多個(gè)過(guò)渡金屬原子、具有特殊磁學(xué)性質(zhì)的交換耦合大分子——單分子磁體,這是一類(lèi)單個(gè)分子呈現(xiàn)出宏觀磁體磁性現(xiàn)象,且單個(gè)分子自身也同時(shí)體現(xiàn)量子特性的,同時(shí)具有宏觀磁性和微觀量子特性的新型材料。實(shí)驗(yàn)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(shù)研究其電子結(jié)構(gòu),首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了V15基態(tài)能級(jí)的相干演化過(guò)程。 通過(guò)對(duì)內(nèi)嵌原子富勒烯和V15等單分子磁體樣品的制備及電子結(jié)構(gòu)的連續(xù)波及脈沖EPR實(shí)驗(yàn)研究,為我們最終實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),如將內(nèi)嵌富勒烯分子結(jié)合到AFM或STM的基底上,那將可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)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(lái),提高NV色心體系的可擴(kuò)展性。
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【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(lèi)號(hào)】：O413.1;TP38

【共引文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 倪昀;基于二維碳材料的自旋電子學(xué)和熱自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)與研究[D];華中科技大學(xué);2013年

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

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 姜昊;帶電粒子輻照對(duì)玻璃光學(xué)性能影響及輻照缺陷EPR分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);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(xué);2013年

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本文編號(hào)：2427267