【摘要】：量子計算作為一種新型的信息處理方式,利用量子力學(xué)的原理,能夠有效處理如大數(shù)分解等很多經(jīng)典計算難以解決的問題。要實現(xiàn)實用的大規(guī)模量子計算,需要通過糾錯編碼的方式實現(xiàn)容錯量子計算,這要求實現(xiàn)的量子邏輯門的保真度高于某個容錯閾值。容錯閾值對量子邏輯門的保真度的要求是很苛刻的,以surface code為例,一般認為其要求量子邏輯門的保真度需達到0.99以上。而物理體系的量子特性極易受到噪聲的影響,如何在噪聲影響下實現(xiàn)高保真度的量子邏輯門,成為很多體系實現(xiàn)量子計算的一個重大挑戰(zhàn)。我們基于量子計算的一個重要候選體系——金剛石NV色心,實驗研究能夠抑制噪聲進而實現(xiàn)高保真度量子邏輯門的方法,并在金剛石NV色心體系實現(xiàn)了保真度高達0.99995的單比特量子邏輯門和保真度0.992的兩比特量子邏輯門。這些量子邏輯門保真度不僅達到了 surface code對保真度的閾值要求,而且是目前為止固態(tài)自旋體系量子邏輯門保真度的最高水平。本論文的主要內(nèi)容是介紹我們在金剛石NV色心體系進行高保真度量子邏輯門的實驗研究的主要成果,主要包括以下三個工作:1.實驗驗證和實現(xiàn)動力學(xué)糾錯量子邏輯門。我們通過動力學(xué)糾錯量子邏輯門,國際上首次將實現(xiàn)量子邏輯門過程中對噪聲的抑制水平達到6階,并將可用于施加量子邏輯門的相干時間突破T_2極限,達到T_(1ρ)極限。2.實現(xiàn)保真度達到容錯閾值要求的普適量子邏輯門。我們發(fā)展了新型組合脈沖、最優(yōu)控制、波形校準(zhǔn)等方法和技術(shù),在室溫大氣下~(13)C自然豐度的金剛石中的NV色心體系實現(xiàn)了保真度高達0.99995的單比特量子邏輯門和保真度0.992的兩比特量子邏輯門。3.實驗實現(xiàn)時間最優(yōu)的普適量子邏輯門。我們將量子最速降線方程應(yīng)用于金剛石NV色心體系,國際上首次以時間最優(yōu)的方式實現(xiàn)了普適量子邏輯門,實現(xiàn)的量子邏輯門不僅保真度高達0.99,而且時間比常規(guī)方法顯著縮短。
[Abstract]:As a new information processing method, quantum computing can effectively deal with many difficult problems such as large number decomposition and so on by using the principle of quantum mechanics. In order to realize the practical large-scale quantum computation, it is necessary to implement the fault-tolerant quantum computation by error correcting coding, which requires the fidelity of the quantum logic gates to be higher than a certain fault-tolerant threshold. Fault-tolerant threshold is very strict to the fidelity of quantum logic gates. Taking surface code as an example, it is generally considered that the fidelity of quantum logic gates should be above 0.99. However, the quantum properties of physical systems are easily affected by noise. How to realize high fidelity quantum logic gates under the influence of noise has become a major challenge for many systems to realize quantum computing. Based on diamond NV color center, an important candidate system for quantum computing, we have studied experimentally the method of suppressing noise and realizing high fidelity quantum logic gate. A single-bit quantum logic gate with a fidelity of up to 0.99995 and a two-bit quantum logic gate with a fidelity of 0.992 are realized in the diamond NV color center system. The fidelity of these quantum logic gates not only meets the threshold requirements of surface code for fidelity, but also is the highest level of fidelity of quantum logic gates in solid-state spin systems so far. The main content of this thesis is to introduce the main results of our experimental research on high fidelity metric sub-logic gate in diamond NV color center system, including the following three works: 1. Experimental verification and implementation of dynamic error correction quantum logic gate. By means of dynamic error correction quantum logic gate, the noise suppression level in the realization of quantum logic gate is 6 order in the world for the first time, and the coherence time which can be used to apply quantum logic gate breaks through T2 limit and reaches T _ (1 蟻) limit. 2. Universal quantum logic gates with fidelity up to the threshold of fault tolerance are realized. We have developed new methods and techniques such as combined pulse, optimal control, waveform calibration, etc. The NV color center system in diamond with natural abundance of ~ (13) C at room temperature has achieved single-bit quantum logic gates with fidelity up to 0.99995 and two-bit quantum logic gates with fidelity 0.992. The universal quantum logic gate with optimal time is realized experimentally. In this paper, we apply quantum steepest descent line equation to diamond NV color center system. The universal quantum logic gate is realized in the world for the first time in a time-optimal manner. The realized quantum logic gate not only has a fidelity of up to 0.99, but also shortens the time significantly compared with the conventional method.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O413

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本文編號：2189709