量子算法与量子计算实验_刘亚杰(2)

实验中应用的Rb原子的能级除了目标量子位两个Ry-dberg原子的能级|i>和|g>以外,还包括一个相关的能级|e>。三个相关的Rydberg原子态分别代表Rb原子的主量子数n=51(|e>),n=50(|g>)和n=49(|i>)。原子的能级|e>和|g>与微波腔场发生共振相互作用,而原子能级|g>和|i>之间通过另外的微波场产生耦合。当原子处于能级|i>或者腔场处于|0>,原子与腔场的系统状态不发生变化,而当原子腔场的初始处于|g,1>态时,控制原子的速度使原子|g>与|e>量子态在腔场中经历一个2P的拉比振荡,|g,

CC

三、量子计算实验

与量子计算理论方面的飞速进展相比,量子计算的实验进展则要慢得多。本章主要介绍二种体系:核磁共振和腔与原子体系。

1、核磁共振(NMR)

核磁共振技术是目前在量子计算领域使用最为频繁的实验手段。运用这一技术手段,操作作用在1023数量级的分子系综的自旋态上,通过测量,得到这些分子的平均自旋态。虽然每个分子的自旋都可能不尽相同,但通过spin-e-cho技术可以按我们的意愿改变个别分子的自旋方向。

由于核磁共振体系实质上是一个宏观系综,因而外部环境对它的消相干的影响极小。且样品的核自旋处于近独立的状态,几乎不受电子和分子的热运动的干扰。但是,宏观系综原则上没有量子特性,只有纯粹的量子系综才具有量子纯态的特征。只有当它被制备到一个特殊状态)赝纯态时,才能完成量子计算的工作。下面举例介绍实现两量子比特的Grover搜索的实验。

实验中所用样品为C-13同位素标记的氯仿HCCL3。实验中用碳和氢的核自旋来标记|1>和|0>,其中13C的中心共振频率约为125MHz,1H的中心共振频率约为500MHz。实验体系的哈氏量为

H=2PnhJIZIZ+P<I<+P<I<+Henv

其中第一项是C与H的自旋自旋耦合的相互作用项,J为耦合强度。第二项和第三项分别为H、C与磁场的耦合。磁场包括静磁场和射频脉冲场两部分,其中射频脉冲场用来从外部操纵核自旋的状态。第四项为环境造成的消相干项,与前面几项比较,Henv十分小,可以忽略不计。

实验中设要搜索的项为|11>,所以各步骤如Grover搜索所介绍的那样。比较实验和理论,可以发现实验中存在一些误差。这些误差主要来自磁场和射频场的不均匀、初始时间的校正和信号衰减等。

1

13

13

1

CH

HH

1>态演化为-|g,1>=exp(iP)|g,1>。因而系统的演化可以描述为:

|a,b4yexp(iPDa,1Db,1)|a,b4

这个过程实际实现了相移为P的条件量子相移门(QPG)。

参考文献:

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ºA.Salomaa著,丁存生,单炜娟译.公钥密码学[M].北京:国防大学出版社,1998

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¼J.I.Cirac,Parkins.Schemesforatomic-statetele-portation[J].Phys.Rev.A.1994,50:R4441-R4444.

½ingaquantumcomputertoinvestigatequantumchaos[J].Phys.Rev.A,1998

2、腔与原子体系

腔量子电动力学(C-QED)体系是另外一种可以进行量子计算的量子系统。腔量子电动力学体系之所以可以实现对两位量子信息进行处理量子系统,一个重要原因就是腔中的辐射场与原子具有很强的非线性相互作用,这种相互作用的演化导致腔场和原子体系的本征态处于纠缠态。

腔量子电动力学体系包含光腔和微波腔。这里我们主