龙桂鲁研究组首次实验实现非绝热完整量子计算

2013年5月09日

龙桂鲁研究组首次实验实现非绝热完整量子计算

量子计算与经典计算相比具有更优异的运算速度,但是量子计算的实现却面临着巨大的挑战。造成这种状况的一个重要原因是无法做到完全精确的控制。完整量子计算(Holonomic quantum computing)具有独特的几何性质,能够抵抗操作过程中的某些误差,这一特点使其备受人们关注。最早的完整量子计算的理论方案在2001便被提出,随后各种不同的完整量子计算的理论方案相继问世,但是实验上却一直没有实现通用的完整量子计算。

近日,低维量子物理国家重点实验室龙桂鲁教授及其博士生冯冠儒、博士后许国富利用核磁共振量子信息处理器在实验上首次实现了非绝热完整量子计算单比特门和CNOT门的演示。任意的量子计算门操作都可以分解为单比特量子门操作与CNOT门操作,这两种门的实验实现意味着任意的量子运算都可以在实验上实现。

在实验中,他们利用室温液态核磁共振系统,以溶于d6 acetone的diethyl- fluoromalonate为核磁共振的信息处理器。Diethyl-fluoromalonate中的13C, 19F, 和 1H 的核自旋被用作处理器的三个量子比特,它们的Larmor共振频率分别为100.61 MHz,376.50 MHz和400.13 MHz。13C被用作辅助量子比特,19F和1H被用作两个工作量子比特。利用Trotter公式,非绝热完整量子计算门的演化被分解为核磁共振系统中可以利用射频脉冲和 J 耦合实现的演化,然后通过操控辅助量子比特和工作量子比特,实现非绝热完整量子计算。在非绝热完整量子计算量子门的实施前和实施后,辅助量子比特都处于自旋|1><1|态。实验的结果通过量子状态层析和量子过程层析进行了细致的分析,分析结果显示,在核磁共振系统中可以实现高保真度的非绝热完整量子计算。 此项工作做为首个实验实现完整量子计算的工作,对完整量子计算的发展具有重要的意义。该研究成果以“Experimental Realization of Nonadiabatic Holonomic Quantum Computation”为题2013年5月6日发表在Physical Review Letters 110, 190501 (2013)上。本工作得到国家基金委、科技部量子调控重大科学研究计划和清华大学自主科研计划资助。