利用自旋系統進行量子模擬的實驗研究

《利用自旋系統進行量子模擬的實驗研究》是依託中國科學技術大學，由彭新華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：利用自旋系統進行量子模擬的實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：彭新華
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

對量子多體系統實施有效的量子模擬是量子計算機的一項重要套用，成為了近期量子計算實驗的研究重點和熱點。本項目將在基於磁共振的自旋體系上開展量子模擬的實驗研究，主要內容包括：針對候選的樣品分子，進行實驗的分析和測定，確定其作為量子暫存器的可行性；選擇被模擬的物理和化學問題，設計可行性量子模擬方案；運用平均哈密頓量理論，確立實現量子模擬的多脈衝序列；通過最優控制理論發展進行高精度、低噪聲、自容錯的量子相干控制技術；在這些基礎上實驗實現量子模擬任務，如量子相變，分子能量計算和化學動力學模擬等。我們試圖通過這些實驗的研究增進人們對量子力學基礎和量子體系的靜態和動態過程的認識，同時也加速量子信息技術的研究和發展，為進一步實現量子計算的規模化提供實驗基礎和經驗。

結題摘要

本項目基於磁共振的自旋體系開展了一系列量子模擬的實驗研究，主要內容包括：對不同的樣品進行實驗測定和分析，選擇合適的樣品作為量子暫存器；對一定被模擬的物理和化學問題，設計可行性量子模擬方案；運用平均哈密頓量理論和其他方法，獲得實現量子模擬的多脈衝序列；通過最優控制理論提高量子相干控制技術的精度；在這些基礎上我們實驗實現了一系列關於量子相變，分子能量計算和化學動力學模擬等領域的量子模擬與量子計算任務，取得了多項有意義的成果，共發表SCI論文17篇，其中Nature子刊Scientific Reports 2篇, PRL 6篇，PRA 6篇，EPL 1篇，JCP 1篇。主要研究成果如下： 1.在核磁共振模擬器上模擬氫分子體系，計算出氫分子的基態能量，實現了量子化學的靜態模擬計算 [Phys. Rev. Lett. 104, 030502 (2010)]。 2.利用量子模擬手段，實驗上第一次觀測了XY模型基態幾何相，揭示該模型的能級特徵及量子相變現象 [Phys. Rev. Lett. 105, 240405 (2010)]。 3.在核磁共振模擬器中實驗模擬了Heisenberg系統，解決了該體系的基態能級問題 [Scientific Reports 1,88 (2011)]。 4.以量子化學中的異構反應為例，將該化學反應涉及到的動能、勢能、外加驅動場等各要素全部在核磁共振量子計算機上重現，成功實現了動力學反應的量子模擬 [Phys. Rev. Lett. 107, 020501 (2011)]。 5.首次利用核磁共振量子模擬器實驗演示量子態的機率克隆過程 [Phys. Rev. Lett. 106, 180404 (2011)]。 6.提出了大數質因子分解絕熱量子算法的改進方案，在核磁共振量子模擬器首次成功實現了三位數143的分解 [Phys. Rev. Lett.108, 130501 (2012)]。 7.提出了一種高效確定的量子算法用來解決尋找大整數的無平方因子數這個問題 [scientific reports 2，260 (2012)]。 8.其他關於量子算法和模擬及基本問題的相關研究。 這些研究利用量子信息技術來仿真凝聚態物理學及量子化學領域的重要問題，對多體系統的量子調控和量子計算在相關領域的套用具有重大意義，為進一步實現量子模擬的規模化提供實驗基礎和經驗。