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.     

核磁共振中的量子控制

近年来, 随着量子信息科学的发展, 对由量子力学原理描述的微观世界的主动调控已成为重要的前沿研究领域. 为构造实际的量子信息处理器, 一个关键的挑战是: 如何对处于噪声环境下的量子体系实现一系列高精度的任意操作, 以完成目标量子信息处理任务. 为此, 人们将经典系统控制论的思想方法延伸到量子体系的领域, 提出了大量的量子控制方法以及相关的数值技术(如量子优化控制、量子反馈控制等), 并取得了丰富的研究成果. 核磁共振自旋体系具备成熟的系统理论和操控技术, 为量子控制方法的实用性研究提供了优秀的实验测试平台. 因此, 基于核磁共振的量子控制成为量子控制领域的重要方向. 本文简要介绍了量子控制的基本概念和方法; 从系统控制论的角度对核磁共振自旋体系的基本原理和重要控制任务做了阐述; 介绍了近些年来在该领域发展的相关控制方法及其应用; 对基于核磁共振体系的量子控制的进一步的研究做了几点展望.     

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。     

核磁共振量子计算机与并行量子计算

在本文，我们首先回顾了量子计算的发展历史，阐述了核磁共振量子计算的原理．在叙述了利用有效纯态方法进行核磁共振量子计算之后，我们阐述了利用混合态进行核磁共振的量子计算的方法．首先是刘维尔量子计算方法，它是由Madi，Brushweiler，Ernst等人1998年提出的，在这一模式中，可以对搜索算法进行加速算法，Brushweilet。提出了一个指数速度的搜索算法．我们在3个比特的量子计算机中实现了这一搜索算法．我们在这一模式中提出了一个只需要一次搜索即可找标记物的直接拿取算法，并且在7个比特的核磁共振的量子计算机中实现了这一直接拿取算法．本文提出了在一个核磁共振量子计算机，或者更一般地一个系统量子计算机中实现多个量子计算机的并行计算．我们着重对量子搜索算法和Shor。的大数分解算法进行了并行实现．在并行量子计算中，一部分量子比特处在纯态，一部分量子比特处在混合态．如果所有的量子比特都处在纯态上，则就是有效纯态量子计算，如果所有的量子比特都处在混合态上，则就是刘维尔量子计算．在这两个极限中间，相当于2个到N／2个量子计算机的并行计算．量子搜索方法可以很有效地进行并行计算，而Shor算法则只能在小的范围内进行并行计算．     

多量子比特核磁共振体系的实验操控技术

随着量子信息与量子计算科学的发展,量子信息处理器被广泛地用于量子计算、量子模拟、量子度量等方面的研究.为了能在实验上实现这些日益复杂的方案,将量子计算机的潜能转化成现实,需要不断提高可操控的量子体系比特位数,实现更复杂的量子操控.核磁共振自旋体系作为一个优秀的量子实验测试平台,提供了丰富而又精密的量子操控手段.近几年来在此平台上进行了不少的多量子比特实验,发展并积累了一系列的多量子比特实验技术.本文首先阐述了核磁共振体系多量子比特实验中的实验困难,然后结合7量子比特标记赝纯态制备以及其他有关实验,对多比特实验过程中应用到的实验技术进行介绍.最后对核磁共振体系多量子比特实验技术方向的进一步研究进行了总结和展望.     

量子算法核磁共振实现脉冲序列设计程序问题研究

从两量子位核磁共振量子处理器物理模型出发,利用Raedt小组提出的自旋-1/2代数理论,根据量子控制非门的定义及Grover量子算法原理,介绍了量子控制非门的4种不同脉冲序列及两量子位Grover量子算法的两种不同脉冲序列的设计过程,通过数值求解含时薛定谔方程模拟量子控制非门和两量子位Grover量子算法,等价于执行量...     

核磁共振量子计算中的赝纯态制备

研究了少数量子位赝纯态的制备方案,比较两种不同的逻辑标志赝纯态的差异,分析了形成“垃圾块”的原因,提出了减少甚至消除“垃圾块”的方法． 关键词：     

制备三量子位和四量子位核磁共振等效纯态

基于时间平均法,给出了在同核系统中制备三量子位和四量子位核磁共振等效纯态的方案.利用Λn(not)门,本文的方案大大减少了制备等效纯态所需的操作次数:在三同核系统中制备三量子位核磁共振等效纯态只需三次操作,在四同核系统中制备四量子位核磁共振等效纯态只需五次操作.然后在一个链状耦合的同核系统中实验制备三量子位核磁共振等效纯态,验证了本文的方案 并且给出了四量子位方案的模拟结果谱图     

基于核磁共振的子空间量子过程重构

基于三核自旋量子系统实现了内嵌两量子位子空间量子过程重构.通过输入完备态集合对执行的量子过程进行了表征.由于量子过程内嵌于子空间,使得重构实验所需输入次数及时间显著减少,同时实验尽量避免使用时间较长的J偶合演化,有效控制了系统的退相干。     

核磁共振量子计算机与并行量子计算(续完)

3　刘维尔量子计算中的指数加快的搜索算法———Bruschweiler算法3 .1　Bruschweiler算法[4 5]与Grover搜索算法一样 ,Bruschweiler算法也是在无序数据库中寻找目标态 .对于搜寻问题可以总结为 :对于输入态x ,除了当x=z时 ,f(z) =1,其余的 f(x) =0 .z是我们要寻找的目标 .在经典计算机中 ,大概要O(N)步 ;用Grover算法大概要O(N )步 ;用Bruschweiler算法大概仅需要O(n)步 .其中 ,N =2 n.Bruschweiler利用NMR是自旋系综的特点 ,将初始态制备成不同自旋态的线性叠加 ,使初始态处于完全混合态 ,当U变换作用其上时 ,不同的自旋态在做不同…     

Developments in quantum information processing by nuclear magnetic resonance: Use of quadrupolar and dipolar couplings

Use of dipolar and quadrupolar couplings for quantum information processing (QIP) by nuclear magnetic resonance (NMR) is described. In these cases, instead of the individual spins being qubits, the 2 ⁿ energy levels of the spin-system can be treated as an n-qubit system. It is demonstrated that QIP in such systems can be carried out using transition-selective pulses, in CH₃CN, ¹³CH₃CN, ⁷Li (I=3/2) and ¹³³Cs (I=7/2), oriented in liquid crystals yielding 2 and 3 qubit systems. Creation of pseudopure states, implementation of logic gates and arithmetic operations (half-adder and subtractor) have been carried out in these systems using transition-selective pulses.     

Simulation of general three-body interactions in a nuclear magnetic resonance ensemble quantum computer

Three-body interaction plays an important role in many-body physics, and quantum computer is efficient in simulating many-body interactions. We have experimentally demonstrated the general three-body interactions in a three-qubit nuclear magnetic resonance ensemble quantum computer. Using a nuclear magnetic resonance computer we implemented general forms of three-body interactions including σ _x ¹ σ _z ² σ _x ³ and σ _x ¹ σ _z ² σ _y ³ The results show good agreement between theory and experiment. We have also given a concise and practical formula for a general n-body interaction in terms of one-and two-body interactions. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10374010 and 10325521) and the National Basic Research Program of China (Grant No. 2006CB921106)     

Advances in high-resolution nuclear magnetic resonance methods in inhomogeneous magnetic fields using intermolecular multiple quantum coherences

Strong and extremely homogeneous static magnetic field is usually required for high-resolution nu-clear magnetic resonance (NMR). However, in the cases of in vivo and so on, the magnetic field inho-mogeneity owing to magnetic susceptibility variation in samples is unavoidable and hard to eliminate by conventional methods such as shimming. Recently, intermolecular multiple quantum coherences (iMQCs) have been employed to eliminate inhomogeneous broadening and obtain high-resolution NMR spectra, especially for in vivo samples. Compared to other high-resolution NMR methods, iMQC method exhibits its unique feature and advantage. It simultaneously holds information of chemical shifts, multiplet structures, coupling constants, and relative peak areas. All the information is often used to analyze and characterize molecular structures in conventional one-dimensional NMR spec-troscopy. In this work, recent technical developments including our results in this field are summarized; the high-resolution mechanism is analyzed and comparison with other methods based on interactions between spins is made; comments on the current situation and outlook on the research directions are also made.     

Experimental quantum deletion in an NMR quantum information processor

We report an NMR experimental realization of a rapid quantum deletion algorithm that deletes marked states in an unsorted database.Unlike classical deletion,where search and deletion are equivalent,quantum deletion can be implemented with only a single query,which achieves exponential speed-up compared to the optimal classical analog.In the experimental realization,the GRAPE algorithm was used to obtain an optimized NMR pulse sequence,and the efficient method of maximum-likelihood has been used to reconstruct the experimental output state.     

Implementation of a multiple round quantum dense coding using nuclear magnetic resonance

A multiple round quantum dense coding scheme based on the quantum phase estimation algorithm is proposed and implemented in a three qubit nuclear magnetic resonance (NMR) quantum computer. Using anm+1 qubit system, Bod can transmit one of 2 ^m+1 messages to Alice, through manipulating only one qubit and exchanging it between Alice and Bob form rounds. The information capacity is enhanced tom+1 bits as compared tom bits in a classical scheme. The scheme has been demonstrated in NMR system, and the experimental results show a good agreement between theory and experiment.     

Implementation of a multiple round quantum dense coding using nuclear magnetic resonance

~~Implementation of a multiple round quantum dense coding using nuclear magnetic resonance1. Bennett, C. H., Wiesner, S. J., Communication via one- and two-particle operators on Einstein-Podolsky-Rosen states, Phys. Rev. Lett., 1992, 69(20): 2881-2884. 2. Mattle, K., Weinfurter, H., Kwiat, P. G. et al., Dense coding in experimental quantum communication, Phys. Rev. Lett., 1996, 76(25): 4656-4659. 3. Fang, X. M., Zhu, X. W., Feng, M. et al., Experimental implementation of dens…