基于分子量子比特实现D-J算法量子纠错的实施方法技术

本申请涉及一种基于分子量子比特实现D

【技术实现步骤摘要】
基于分子量子比特实现D
‑
J算法量子纠错的实施方法


[0001]本申请涉及量子计算
，特别是涉及一种基于分子量子比特实现D
‑
J算法量子纠错的实施方法。

技术介绍

[0002]量子计算概念于1982年由费曼提出，是一种基于量子力学规律调控量子信息单元以量子叠加态形式存储并通过量子态演化进行运算的新型计算模式。其核心优势在于——随着可操纵量子比特数增加，信息存储量与高速并行运算能力将呈指数增长，以及可高效精确地模拟复杂量子系统，同时有望突破芯片尺寸物理极限对后摩尔时代计算机性能提升的限制。展现出重要的学术价值与广泛的应用前景，被视为“决定未来的技术”。
[0003]量子信息单元由遵循量子力学原理的量子比特构成。与超导电路、金刚石NV色心与离子阱等物理体系相比，磁性分子具有精准合成可调控、化学组装可拓展与电子能级结构丰富等特点，展现出重要的潜在优势，被认为是一种极具前景的量子材料，利用磁性分子体系构筑量子比特的研究已有诸多报道(Nature chemistry 11.4(2019):301
‑
309)。
[0004]量子算法是一组在量子计算机上对量子比特执行操作的指令。显然，在解决某些特定问题(例如数据库搜索)时，利用量子算法处理信息，在原则上比任何可能的确定性经典算法都快，这被称为量子加速。David Deutsch与Richard Jozsa在1992年提出的Deutsch
‑
Jozsa算法(以下简称D
‑
J算法)，是最早展现量子计算具有指数加速优越性的量子算法之一。具体的，是一个用于鉴别未知函数f{0,1}
n
→
{0,1}性质的算法，该函数以n比特值作为输入，输出结果为0或1。当对于任何输入，输出结果均为恒定值0或1时，f为常数型函数；当对于一半的输入，输出的结果为1，另一半为0时，f为平衡型函数。D
‑
J算法的任务为判断该函数属于平衡函数或常数函数。对于经典算法，假设n为比特数，则最多需要2
n
‑1+1次对f的求值。而D
‑
J算法可减少运算所需次数，当问题为最简情况，即n＝1时，仅需对f进行一次求值即可判断函数类型。由于步骤简单，D
‑
J算法常作为“toy algorithm”引出后续一系列量子算法。1998年，Collins等人提出改进的D
‑
J算法，使用n位量子比特即可完成对n输入的函数的判别(Physical Review A 58.3(1998):R1633)。2004年，Mehring等将2,3,4
‑
三氟苯胺的三个
19
F核自旋作为量子比特实现了该改进的D
‑
J算法(Physical Review A 70.4(2004):042307)。2010年，杜江峰等通过编码单个金刚石NV色心中单电子自旋(S＝1)的一个量子比特与一个辅助态，在室温下实现了D
‑
J算法(Physical review letters 105.4(2010):040504)。2019年，高松课题组在具有强自旋
‑
轨道耦合的稀土化合物Ce:YAG单晶体系中利用电场操控演示了n＝1的D
‑
J算法(National science review 7.10(2020):1557
‑
1563)。
[0005]目前，研究较为成熟的量子计算物理实现体系多为金刚石NV色心、核自旋与超导电路等，利用磁性分子中的电子自旋实现D
‑
J量子算法的报道较少。进一步地，在同时具有电子与核自旋的分子体系中存在超精细耦合效应，可产生(2S+1)
×
(2I+1)个量子能级。然而，由于原子核的磁旋比较小，难以实现对此类多量子能级的有效操控，因此，如何充分利
用磁性分子中由于超精细耦合效应产生的多量子能级仍是一个开放的挑战。另一方面，未来的大规模量子计算机将依靠量子纠错(Quantum Error Correction,QEC)来保护计算过程中脆弱的量子信息。D
‑
J算法作为一种较为基础的量子算法，适合于进行量子纠错方面的研究。目前，磁性分子中的量子纠错研究仍属于实验阶段，且利用由电子与核自旋的超精细耦合效应产生的多量子能级实现D
‑
J算法量子纠错的研究尚未有报道。

技术实现思路

[0006]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于分子量子比特实现D
‑
J算法量子纠错的实施方法。
[0007]一种基于分子量子比特实现D
‑
J算法量子纠错的实施方法，所述方法包括：
[0008]通过对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，确定所述分子基电子自旋量子比特的能级图，并根据所述能级图将所述分子基电子自旋量子比特进行分组；其中，所述分子基电子自旋量子比特通过内嵌原子实现多电子能级；
[0009]对各个分组的分子基电子自旋量子比特施加初始化脉冲序列，并对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行D
‑
J算法，计算所得结果的准确率。
[0010]在其中一个实施例中，所述分子基电子自旋量子比特为内嵌富勒烯衍生物。
[0011]在其中一个实施例中，所述内嵌富勒烯衍生物中包括官能团、内嵌原子以及富勒烯；所述官能团用于破坏碳笼对称性，以此获得多能级结构。
[0012]在其中一个实施例中，还包括：对分子基电子自旋量子比特进行EPR固定频率、改变磁场的自旋回波扫场测试，或固定磁场、改变频率的自旋回波扫频测试。
[0013]在其中一个实施例中，还包括：根据内嵌原子的电子自旋量子数和核自旋量子数，对所述分子基电子自旋量子比特进行分组。
[0014]在其中一个实施例中，所述初始化脉冲序列为pi/2
‑
pi。
[0015]在其中一个实施例中，执行D
‑
J算法的脉冲序列为pi/2
‑
pi
‑
pi/2
‑
2pi
‑
pi
‑
echo或pi/2
‑
pi
‑
pi/2
‑
pi
‑
echo。
[0016]在其中一个实施例中，还包括：对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行D
‑
J算法，计算所得结果的准确率为：
[0017]P
i
(r
i
,θ
i
)＝50％+r
i
×
cosθ
i
/2
[0018][0019]其中，Pi为第i个进程输出结果的正确率，50％为基础正确率，r为信号振幅强度，θ为信号相位偏差。r由ehco强度与最大echo强度的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分子量子比特实现D
‑
J算法量子纠错的实施方法，其特征在于，所述方法包括：通过对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，确定所述分子基电子自旋量子比特的能级图，并根据所述能级图将所述分子基电子自旋量子比特进行分组；其中，所述分子基电子自旋量子比特通过内嵌原子实现多电子能级；对各个分组的分子基电子自旋量子比特施加初始化脉冲序列，并对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行D
‑
J算法，计算所得结果的准确率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分子基电子自旋量子比特为内嵌富勒烯衍生物。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内嵌富勒烯衍生物中包括官能团、内嵌原子以及富勒烯；所述官能团用于破坏碳笼对称性，以此获得多能级结构。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，包括：对分子基电子自旋量子比特进行EPR固定频率、改变磁场的自旋回波扫场测试，或固定磁场、改变频率的自旋回波扫频测试。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述能级图将所述分子基电子自旋量子比特进行分组，包括：根据内嵌原子的电子自旋量子数和核自旋量子数，对所述分子基电子自旋量子比特进行分组。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化脉冲序列为pi/2
‑
pi。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，执行D
‑
J算法的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋尚达，袁嘉悦，周珅，高松，陶兴泉，伍智荣，武聪慧，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：