發(fā)布時間：2019-11-13 15:42

【摘要】：隨著量子系統(tǒng)尺度的增加,經(jīng)典計算機需要消耗指數(shù)增加的資源才能實現(xiàn)對量子系統(tǒng)的精確模擬。針對這一問題,費曼等人創(chuàng)造性地提出了量子模擬的概念,之后量子模擬一直就是量子信息領(lǐng)域的研究熱點之一。通過量子模擬可以幫助我們洞察量子現(xiàn)象的本質(zhì)、處理經(jīng)典計算機不能有效解決、或者實驗實現(xiàn)起來比較困難的問題。目前量子模擬的應(yīng)用已經(jīng)深入滲透到信息、能源、材料、化工、生物等多個領(lǐng)域。由于具有較長的退相干時間以及成熟的操控技術(shù),核磁共振成為最早被用來進行量子模擬的物理體系之一。本人在博士期間主要圍繞“基于核自旋實現(xiàn)海森堡自旋模型的量子模擬研究”這一課題開展工作。海森堡自旋模型作為量子信息和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域重要的研究模型,圍繞其進行量子模擬方面的研究是非常有意義的,本論文主要包括以下內(nèi)容：第一章闡述了量子計算機興起的背景,以及量子計算機在量子模擬領(lǐng)域的巨大應(yīng)用,并介紹了實現(xiàn)量子計算與量子模擬的不同物理體系以及應(yīng)用前景。第二章介紹了核磁共振的基本原理以及如何完成量子計算與量子模擬任務(wù)。第三章介紹了在伊辛模型中如何利用全局控制方法制備量子糾纏態(tài)。在量子信息領(lǐng)域中,信息的存儲,操作和讀出都需要對量子態(tài)進行操作。借助于獨特的量子關(guān)聯(lián)特性,量子糾纏在量子計算,量子遠程通信,量子密碼學(xué)等領(lǐng)域都有著至關(guān)重要的作用,因此說研究糾纏態(tài)的制備有著很大的現(xiàn)實意義。在系統(tǒng)尺度增大時,通過單自旋操控來制備糾纏態(tài)是一件困難的事情,因此我們嘗試把系統(tǒng)作為一個整體進行控制,即全局控制方法制備量子糾纏態(tài)。實驗中,我們用核磁共振模擬器模擬了一個3自旋的伊辛系統(tǒng),并成功制備了兩種常見的糾纏態(tài)：W態(tài)和GHZ態(tài),這種方法為制備量子糾纏態(tài)提供了新的思路。第四章介紹了利用核磁共振模擬器如何在實驗中觀測了XY模型基態(tài)幾何相位。幾何相與量子相變都是物理學(xué)領(lǐng)域的一個非常重要的研究方向,它們之間有著密切的關(guān)聯(lián)。我們設(shè)計了一個絕熱周期演化路徑來產(chǎn)生幾何相,在實驗上成功地觀測到系統(tǒng)的幾何相,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的幾何相在系統(tǒng)的量子相變處會發(fā)生突變,這加深了我們對于幾何相位和量子相變關(guān)系的理解。第五章介紹了利用核磁共振模擬器如何探測鐵磁伊辛系統(tǒng)中的李楊零點。李楊零點完全決定了系統(tǒng)自由能的解析性質(zhì),對于研究多體系統(tǒng)的相變有著重要意義。然而由于本身是非物理實在的,直接觀測李楊零點是非常困難。引入一個與系統(tǒng)耦合的探測自旋,此時該探測比特量子相干的零點和該系統(tǒng)李-楊零點存在一一對應(yīng)的關(guān)系,我們可以通過探測自旋觀測到被探測系統(tǒng)的李楊零點。在實驗上,我們成功模擬了9個自旋伊辛系統(tǒng),第一次成功觀測到李楊零點,并研究了該系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)。我們的實驗對于研究參數(shù)復(fù)數(shù)域內(nèi)的其他物理現(xiàn)象提供了一種新的思路和實驗的可能性。第六章是總結(jié)和展望。
【圖文】：

邐進行演化，最終對末態(tài)嶺的〉二［／＇嶺（0）〉進行n,量。如果在逡逑系統(tǒng)和模擬器之間存在映射關(guān)系，那么對于系統(tǒng)而言就是可Ｗ被模擬的，基本逡逑的思想如圖１．４所示：巧據(jù)模擬過程采用的不同方法，量子模擬主要分為數(shù)字量逡逑子模擬、類比量子模巧兩種類型，下面會對這兩種情況分別進行介紹。逡逑１．４．１數(shù)字量子橫擬逡逑對于系統(tǒng)的任巧一個么正演化算子Ｕ，將其分解為最基本的單量子比恃和逡逑兩Ｍ子比特邏巧口來實現(xiàn)，類似于這樣用＊子線路困方法實現(xiàn)態(tài)的演化過程就逡逑是巧字量子模巧［１０］。由于任意一個么正操作Ｕ巧可Ｗ展開為通用》子口的形逡逑式，因此原則上說巧字量子模巧器是通用，盡管并不是巧有的Ｕ巧能被有效地逡逑模巧（消耗多項式資巧）。此外，將任患Ｕ拆解為一系列基本的邏巧口并不是一逡逑件容易的事情，因此在實際操作過程中，我們往往采用近似處理的方法，巧確逡逑程度巧巧，巧要的操作也會巧《。一巧而言，進行巧字呈：子巧擬的過程可Ｗ分逡逑

圖２．１：外巧場中原子核的塞曼效應(yīng)示意圖。逡逑時帶有電荷與自旋，因此根據(jù)經(jīng)典電磁學(xué)二７了，其中７是旋磁比，不同的核有不如果將原子核放入沿著Ｚ方向的外磁場占０：逡逑Ｗ邋＝－苗？巧）＝－＾所＝－７６／：巧０．，核自旋在外磁場方向的投影只能是離散．．邋－邐－邋１），，－／，因此哈密頓量２．１對應(yīng)的是：Ｅｍ邋＝邋－７ｍｈ所。在外磁場條件下，這現(xiàn)象叫做塞曼（Ｚｅｅｍａｎ）分裂，這些能級也兩個塞曼能級，如圍２．１所示．對于１＞１／２
【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】：2016
【分類號】：O413

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本文編號：2560366