REALIZATION OF QUANTUM ALGORITHMS ON SIMULATOR AND SPECTROMETER OF NMR

报道了利用NMR谱仪和NMR模拟机实现量子算法.以天然苯为样品,我们分别用500M谱仪和NMR模拟机实现了量子D-J算法,Grover搜寻算法及受控非门(C-NOT).通过比较实验谱和模拟谱发现二者能很好符合.利用NMR模拟机实现量子算法比用NMR谱仪更为方便、清晰.     

Brüschweiler量子搜索算法的改进及其实验实现

量子计算与经典计算相比, 能够极大地提高运算速度, 解决一些经典计算不能解决或很难解决的问题. 对于在无序数据库中进行搜索这类问题, 可以用量子算法, 如Brüschweiler量子搜索算法来解决. 与经典算法相比, Brüschweiler量子算法能够指数次地提高搜索速度. 在Brüschweiler提出的算法中, 数据量子位和观测量子位(辅助量子位)是分开的, 属于不同的量子位. 通过研究, 对Brüschweiler算法作了改进, 使之不需要用辅助量子位, 就可以达到指数次提高搜索速度的目的. 改进后的Brüschweiler量子算法有利于简化实验的设计和实现过程. 同时还利用核磁共振实验, 演示了改进后的Brüschweiler量子算法的实现.     

七量子位Deutsch-Josza量子算法的核磁共振实验实现

近年来 ,量子计算机的研究有了很大的发展 ,在目前提出的各种量子计算的方案中 ,核磁共振技术对模拟和演示量子算法以及验证量子计算机的优越性做出了巨大的贡献 .Deutsch Jozsa算法是一种研究较为广泛的量子算法 ,它可以用核磁共振实验予以验证 ,并可根据Cirac等人提出的方案予以简化 .报道了在核磁共振量子计算机上实验实现七位Deutsch Jozsa算法的过程和结果. Recent years, remarkable progresses in experimental realization of quantum information have been made, especially based on nuclear magnetic resonance (NMR) theory. In all quantum algorithms, Deutsch-Jozsa algorithm has been widely studied. It can be realized on NMR quantum computer and also can be simplified by using the Cirac s scheme. In this paper, at first the principle of Deutsch-Jozsa quantum algorithm is analyzed, then we implement the seven-qubit Deutsch-Jozsa algorithm...     

量子逻辑网络的核磁共振实现

利用相位相反技术,设计出了实现精确的CN门的脉冲序列;构造了三量子位的双重控制相位旋转门（CCS门）,它是将核磁共振(NMR)实现Grover量子算法从二量子位推广到三量子位的关键逻辑门,而且,依此方法,可以用NMR实现N量子位的Grover量子算法;还给出了量子Toffoli门以及量子态的各种对称操作的逻辑部件。所有这些逻辑操作都是构建量子态工程的工具。文中大部分脉冲序列己经在实验中得到验证,这些结果对于量子计算的理论研究和实验实现都具有现实意义。     

无直接耦合自旋之间的量子信息传递

核磁共振量子计算机在实现多量子位之间的信息传递时, 随着量子位的增多, 物理距离相距较远的量子位之间的耦合作用会很弱, 从而很难在没有耦合的量子位之间直接实现信息的传递. 然而根据量子超密编码原理和自旋交换操作, 可以在两个没有直接相互作用的自旋之间实现两位经典信息的传递. 根据量子超密编码和自旋交换操作的原理, 分析了无直接耦合自旋之间的量子信息传递的方法和过程, 并且在核磁共振模拟机和谱仪上实现.     

新的summing算法的核磁共振实验实现

本文报导了一种新的summing算法的核磁共振实验实现.实验中我们用到了四个量子位的核自旋体系,其中两个量子位构成输入寄存器,另两个量子位构成输出寄存器.最后的实验结果只需通过测量输出寄存器中核自旋的谱线获得.     

HC-4型固体多核宽线CW-NMR波谱仪

设计和研制了一台用于检测固体中NMR宽谱线、型号为HC-4的CW-NMR波谱仪.谱仪由APPLE-Ⅱ微型计算机控制扫描、信号累加和数据处理.配备了自制的交叉线圈型和魔T型NMR探头和高温(1300K)探头,使谱仪具有较高的检测灵敏度和较强的测量功能,适用于检测固体中多种非质子核的NMR宽谱线及动态NMR测量.本文简要介绍该谱仪的基本结构、系统各部分的技术性能和测量应用的具体实例.     

量子算法的NMR实现方法

量子计算机是一种以量子耦合方式进行信息处理的装置[1 ] 。原则上 ,它能利用量子相干干涉方法以比传统计算机更快的速度进行诸如大数的因式分解、未排序数据库中的数据搜索等工作[2 ] 。建造大型量子计算机的主要困难是噪音、去耦和制造工艺。一方面 ,虽然离子陷阱和光学腔实验方法大有希望 ,但这些方法都还没有成功实现过量子计算。另一方面 ,因为隔离于自然环境 ,核自旋可以成为很好的“量子比特” ,可能以非传统方式使用核磁共振 (NMR)技术实现量子计算。本文介绍一种用NMR方法实现量子计算的方法 ,该方法能够用比传统方法少的步骤解决一个纯数学问题。基于该方法的简单量子计算机使用比传统计算机使用更少的函数“调用”判断一未知函数的类别。     

实现D-J量子算法的物理方案

利用腔QED技术,我们在本文提出了两个物理方案用来实现最简单版本的Deutsch-Jozsa(D-J)量子算法.第一个方案是比较理想的方案,这个方案可以推广到多个量子比特输入的Deutsch-Jozsa量子算法.我们只需要通过实现控制-非门和一系列单个量子比特操作,就可以简单的实现该方案.我们在这个方案中详细地讨论了基于腔QED技术最简单版本的Deutsch-Jozsa量子算法的实现过程.另一个方案是不需要控制-非门的更简单的方案,但是这个方案仅仅适用于实现这种最简单版本的Deutsch-Jozsa量子算法,这个方案只需要实现单个量子比特操作即可.显然,该方案比第一个方案更简化.我们的这两个方案可能是实现量子计算机的一个重要环节.     

Brǖschweiler量子搜索算法的改进及其实验实现

量子计算与经典计算相比 ,能够极大地提高运算速度 ,解决一些经典计算不能解决或很难解决的问题 .对于在无序数据库中进行搜索这类问题 ,可以用量子算法 ,如Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子搜索算法来解决 .与经典算法相比 ,Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子算法能够指数次地提高搜索速度 .在Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ提出的算法中 ,数据量子位和观测量子位 (辅助量子位 )是分开的 ,属于不同的量子位 .通过研究 ,对Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ算法作了改进 ,使之不需要用辅助量子位 ,就可以达到指数次提高搜索速度的目的 .改进后的Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子算法有利于简化实验的设计和实现过程 .同时还利用核磁共振实验 ,演示了改进后的Br櫣ｓｃｈｗｅｉｌｅｒ量子算法的实现. In recent years, quantum computing research has made big progress, which exploit quantum mechanical laws, such as interference, superposition and parallelism, to perform computing tasks. The most inducing thing is that the quantum computing can provide large rise to the speedup in quantum algorithm. Quantum computing can solve some problems, which are impossible or difficult for the classical computing. The problem of searching for a specific item in an unsorted database can be...     

清华物理系量子信息研究的新进展

在清华大学物理系成立60周年之际,我们对近年来清华大学物理系量子信息研究的主要进展情况作一介绍,包括量子搜索算法研究,核磁共振量子计算的实验研究,量子通讯的理论与实验研究.在量子搜索算法研究方面,我们提出了量子搜索算法的相位匹配,纠正了当时的一种错误观点,并且提出了一种成功率为100%的量子搜索算法,改进了Grover算法;在核磁共振量子计算实验方面,我们实现了2到7个量子比特的多种量子算法的实验演示;在量子通讯方面,我们提出了分布式传输的量子通讯的思想,应用于量子密钥分配、量子秘密共享、量子直接安全通讯等方面,构造了多个量子通讯的理论方案.在实验室,我们实现了2米距离的空间量子密码通讯的演示实验.     

Experimental implementation of a fixed-point duality quantum search algorithm in the nuclear magnetic resonance quantum system

In this work, we demonstrated a fixed-point quantum search algorithm in the nuclear magnetic resonance (NMR) system. We constructed the pulse sequences for the pivotal operations in the quantum search protocol. The experimental results agree well with the theoretical predictions. The generalization of the scheme to the arbitrary number of qubits has also been given.     

液体多脉冲及二维FT-NMR实验的乘积算符描述的计算机模拟

本文报道了利用乘积算符方法分析多脉冲及二维FT-NMR实验的模拟程序PROPER-MT.该程序对分析弱耦合I_mS_n(I=1/2;S=(1)/2;1 ≤ m十n<4)自旋体系实验脉冲序列是普遍适用的;它可给出实验过程中体系任何时刻算符的解析表达式.用PROPER-MT程序对一些典型的多脉冲及二维FT-NMR实验进行了模拟,特别对多量子滤波及多自旋滤波脉冲序列进行了分析计算,得到了预期的结果.     

特形脉冲的设计与计算机模拟

根据LiouvillevonNeumann方程从理论上对特形脉冲做了全面的描述,提出了一种具体的调幅特形脉冲设计方案:首先将待设计的脉冲展成一个有限Fourier级数,然后根据Bloch方程的解析解准确计算出各阶正弦、余弦波的频谱,再将这些频谱组合后与该脉冲的理想频谱进行比较构成误差函数,最后运用鲍威尔-模拟退火组合优化算法计算出全局最优Fourier系数,即可得到所需脉冲的表达式.应用此设计方案,得到了体系处于热平衡态时的特形激励脉冲和反转脉冲的具体表达式.计算机模拟表明,所得脉冲的频谱具有较好的选择性 关键词： 核磁共振 特形脉冲 Bloch方程 鲍威尔模拟退火组合优化算法     

一种基于非基因信息的免疫记忆优化算法

为提高人工免疫优化算法的优化能力, 将非基因信息的记忆机制引入智能算法, 提出了一种基于非基因信息的免疫记忆优化算法. 算法通过对先验知识(非基因信息)的短期记忆并指导后续进化, 降低盲目搜索和重复搜索, 增加了搜索的智能性和有效性. 结合标准测试函数在高维下的仿真实验表明, 与其他智能算法相比, 新算法在收敛速度、收敛精度和全局收敛性方面均优于对比算法. 此外, 在超高维下的仿真结果表明新算法具有在大规模维度解空间中的全局寻优能力.     

A generalized approach to automated NMR peak list editing: application to reduced dimensionality triple resonance spectra

We present an algorithm and program called Pattern Picker that performs editing of raw peak lists derived from multidimensional NMR experiments with characteristic peak patterns. Pattern Picker detects groups of correlated peaks within peak lists from reduced dimensionality triple resonance (RD-TR) NMR spectra, with high fidelity and high yield. With typical quality RD-TR NMR data sets, Pattern Picker performs almost as well as human analysis, and is very robust in discriminating real peak sets from noise and other artifacts in unedited peak lists. The program uses a depth-first search algorithm with short-circuiting to efficiently explore a search tree representing every possible combination of peaks forming a group. The Pattern Picker program is particularly valuable for creating an automated peak picking/editing process. The Pattern Picker algorithm can be applied to a broad range of experiments with distinct peak patterns including RD, G-matrix Fourier transformation (GFT) NMR spectra, and experiments to measure scalar and residual dipolar coupling, thus promoting the use of experiments that are typically harder for a human to analyze. Since the complexity of peak patterns becomes a benefit rather than a drawback, Pattern Picker opens new opportunities in NMR experiment design.     

低温NMR探头的应用

在过去10年中研发新核磁共振探头一直是制造者争夺的活跃领域. 最近，因其灵敏度的巨大提高，低温冷却探头得到人们格外的关注. 利用这一技术可大量节省谱仪机时. 对于低γ核可直接测定天然丰度样品而不必标记，这远比节省机时更为重要. 本文评述了针对5～10 Hz优化2 mg天然丰度噁唑烷酮抗菌素eperezolid的 CIGAR-HMBC-¹H-¹⁵N谱的比较，一个是采自美国瓦里安公司的5 mm低温探头，另一个是采自瓦里安公司传统室温3 mm 梯度三共振探头. 利用低温探头大约10 min就可记录到大部份¹H-¹⁵N远 程相关，26 min可观察到几乎所有的远程共振. 而在同样条件下使用3 mm传统梯度反式三共振探头无法得到有用的谱图，要想取得相同的结果须累加约18 h.     

苄醚树枝体与丙烯酸杂化嵌段共聚物的NMR表征

在ARX-500型谱仪上记录了新合成苄醚树枝体与丙烯酸杂化嵌段共聚物的一维¹H谱、一维¹³C谱和二维异核多量子化学位移相关谱(HMQC).根据NMR谱模拟和NMR实验,得到了该共聚物¹H和¹³C的全归属。     

基于相位匹配的量子行走搜索算法及电路实现

量子行走是经典随机行走在量子力学框架下的对应, 理论上可以用来解决一类无序数据库的搜索问题. 因为携带信息的量子态的扩散速度与经典相比有二次方式的增长, 所以量子行走优于经典随机行走, 量子行走的特性值得加以利用. 量子行走作为一种新发现的物理现象的数学描述, 引发了一种新的思维方式, 孕育了一种新的理论计算模型. 最新研究表明, 量子行走本身也是一种通用计算模型, 可被视为设计量子算法的高级工具, 因此受到部分计算机理论科学领域学者的关注和研究. 对于多数问题求解方案的量子算法的设计, 理论上可以只在量子行走模型下进行考虑. 基于Grover算法的相位匹配条件, 本文提出了一个新的基于量子行走的搜索算法. 理论演算表明: 一般情况下本算法的时间复杂度与Grover算法相同, 但是当搜索的目标数目多于总数的1/3时, 本算法搜索成功的概率要大于Grover算法. 本文不但利用Grover算法中相位匹配条件构造了一个新的量子行走搜索算法, 而且在本研究室原有的量子电路设计研究成果的基础上给出了该算法的量子电路表述.