絕熱量子計算理論研究

《絕熱量子計算理論研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由陳平形擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：絕熱量子計算理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳平形
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

實現量子計算的關鍵有二個：好的物理系統（硬體）和好的方案或模型（軟體）。絕熱量子計算模型比傳統的量子線路模型在減少門操作和測量帶來的錯誤、抵抗消相干等方面有明顯的優勢，因此越來越受到了人們的重視。本項目將針對絕熱量子計算中重要但還沒有解決的問題開展研究，主要目的是，建立一套較為完善的絕熱量子計算理論，進一步認識量子絕熱定理的本質及其與其它物理規律的聯繫。項目首先探索絕熱定理與其它基本物理規律的聯繫，以從新的角度研究發生量子絕熱過程的條件及其物理圖像；然後研究絕熱量子計算的普適性，探索構造問題哈密頓量的一般方法，研究如何從物理實現更容易、所需時間最短等方面簡化問題哈密頓量；最後研究絕熱量子計算中的糾錯和容錯性質，探索環境對絕熱過程影響的規律，提出避免或減少這種影響的方案。項目將深入人們對量子絕熱定理等基本規律的理解，並推動量子計算機的最終實現。

結題摘要

量子計算機作為未來高性能計算的主要方向,越來越受到人們的重視。絕熱量子計算模型是將特定問題的解編碼在特定哈密頓量的基態，通過量子絕熱過程使系統從簡單哈密頓量的基態演化特定哈密頓量的基態，從而實現量子計算，該模型對特定問題的求解非常有效，而且比傳統的量子線路模型在減少門操作和測量帶來的錯誤、抵抗消相干等方面有明顯的優勢，因此受到了人們的高度關注。本項目針對量子絕熱條件、絕熱計算哈密頓量的特徵、離子絕熱計算及離子系統的深度冷卻（減少絕熱量子計算的噪聲）等問題開展了研究。主要的研究內容和成果如下： 1、研究了絕熱演化規律和絕熱條件，利用格林函式方法得到一個自洽的絕熱條件。傳統的絕熱條件大都是由瞬時態與瞬時本徵態的一階近似相等得到的,該條件套用到某些情況會出現不自洽。我們利用格林函式，求得了包含無窮階近似的瞬時態，並得到了相應的絕熱條件。該條件能避免傳統絕熱條件的不自洽情況，並有更清晰的物理圖像。 2、絕熱哈密頓量的特徵分析與簡化。絕熱量子計算首先要設計所謂的問題哈密頓量，問題哈密頓量通常涉及多體相互作用，這在實驗上很難實現。但理論已經證明，可以通過引入輔助位來實現多體相互作用的兩體模擬。我們提出了一個兩體模擬方案，該方案所需輔助位減少為原來的三分之一，這可以大大減少實驗複雜性。 3、基於離子的絕熱計算。提出利用梯度磁場脈衝序列作用在離子晶體上實現絕熱量子計算的方案，並提出通過絕熱計算模型求解線性方程組的量子計算算法，這是首次用絕熱計算模型求解線性方程組的方案。我們還用純量子理論的方法計算得到了離子云態和晶態的能級，為實現離子系統的絕熱演化提供了重要參考。 4、囚禁離子系統絕熱量子計算消相干的克服。離子消相干的主要原因之一是溫度不足夠低。我們考慮了用駐波實現離子進一步冷卻的方案，該方案能在現有的離子阱中實現，冷卻後聲子數可以降低到萬分之一；並提出利用腔誘導透明實現腔中囚禁粒子的相干冷卻和利用路徑相干原理冷卻離子到基態，這些方案可以實現離子的最終聲子數可遠低於以前的方案。 這些工作對量子絕熱條件的理解和套用、對絕熱量子計算的方案的設計和基於離子的絕熱量子計算物理實現度有重要參考作用。