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核磁量子計算第二彈:自旋之舞--核磁共振量子門操作

2022-07-06 11:21 作者:量旋科技  | 我要投稿


量子計算兩比特門也不止一個,下面我們借用邏輯運算中常用的真值表(如下表所示)這個概念來描述兩個兩量子比特門不同輸入態(tài)與輸出態(tài)的對應關系:CNOT門(控制非門)與SWAP門(交換門)。從表中可以看出,CNOT門作用是,第一個比特為0時,對第二個比特不進行操作;第一個比特為1時,對第二個比特進行非門操作。SWAP門的作用,就是交換兩個比特的狀態(tài)??梢宰C明任意單比特門和CNOT門可以組成一個通用量子計算門集合,也就是說,任意的量子計算門,都可以拆解成單比特門和CNOT門的組合來實現(xiàn)。舉個簡單的例子,SWAP 門就可以由三個CNOT門來實現(xiàn)。

表1 CNOT門真值表
表2 SWAP門真值表
圖2 SWAP門可以拆分成三個CNOT門
圖5 經過特殊設計的B1場可以在實現(xiàn)核自旋旋轉操作的同時抵抗噪聲的影響。左圖為自旋旋轉的軌跡,右圖為B1場的波形。

為什么要搞得這么復雜?因為量子比特處于有各種噪聲的環(huán)境中,比如靜磁場強度的意外變化等。這些噪聲對簡單的門操作有時候具有致命的破壞性。而類似上圖這種經過特殊設計的脈沖波形,就可以抵抗許多噪聲的破壞,出色完成任務。就像爬山時,人們選擇了安全的盤山公路,而不是陡峭的直坡。核磁共振量子計算中發(fā)展出的這種脈沖控制技術(有個好吃的名字,GRAPE技術),已被多種量子計算平臺借鑒。所以核磁共振棒棒噠 。

下面來看兩比特門的實現(xiàn)。兩比特門就需要利用兩個核自旋之間的相互作用了。常用的液體核磁共振量子計算中,不同量子比特之間的相互作用是J耦合作用,如下圖一個十二比特分子。這種耦合是由化學鍵中的共用電子承載的,所以挨得越近的兩個核自旋,J耦合越大,相隔三四個化學鍵以上的兩個核自旋間的耦合就可以忽略不計了。

圖6 一種基于dichlorocyclobutanone的十二量子比特樣品。摘自arXiv:1807.07419(2018)。每兩個核自旋的行和列交叉的位置,給出了它們的J耦合大小,單位是Hz。

我們來看一下,CNOT門可以利用J耦合來實現(xiàn)嗎?CNOT門第二個比特的狀態(tài)變化受第一個比特不同狀態(tài)的影響。J耦合的存在,會使第二個核自旋比特的進動頻率發(fā)生變化,是變大還是變小由第一個核自旋比特的狀態(tài)決定,這就已經非常接近CNOT門的要求了。具體的實現(xiàn)方法如下圖,下圖給出了第二個自旋比特在Bloch球里的演化:

圖7 CNOT門的實現(xiàn)。
圖8 作為量子計算樣品的氯仿、巴豆酸、Diethyl fluoromalonate的分子結構。

SpinQ就在緊鑼密鼓建造自主的桌面型核磁共振量子計算儀器,我們的目標是能在我們的小型計算機上處理superstar,甚至是supersuperstar。在此自勉。

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