Реализация квантовых вычислений с использованием спинов электронов и ядер в качестве элементной базы Волков, Михаил Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Во всем мире ведутся работы по созданию квантовых компьютеров. Перспективы использования квантовых компьютеров в будущем связаны с тем, что они позволят решать задачи, которые не могут быть решены в настоящее время на классических компьютерах за приемлемое время. Такими задачами, например, являются сортировка больших массивов данных, разложение больших чисел на множители, секретная передача информации с использованием квантовой криптографии. Одной из самых актуальных проблем создания квантового компьютера является поиск физических систем, которые можно было бы использовать в качестве элементной базы. В данной диссертационной работе исследуется потенциал использования электронных спинов в качестве ку битов.

Цель диссертационной работы заключалась в исследовании возможности реализации квантовых вычислений на электронных спинах с использованием импульсных методов ЭПР и создании импульсных последовательностей, осуществляющих квантовые логические операции в системах электронных спинов, демонстрации возможности использования ядерных спинов в качестве полигона для проверки квантовых алгоритмов и формулировки критериев применимости к системам электронных спинов импульсных последовательностей, разработанных для ядерных спинов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В диметиловом эфире фосфоновой кислоты экспериментально реализована квантовая логическая операция CNOT и алгоритм Дойча.

2. В системах электронных спинов проведено компьютерное моделирование квантовой логической операции CNOT с использованием импульсных последовательностей, разработанных для ядерных спинов.

3. Впервые сконструированы импульсные последовательности, реализующие квантовую логическую операцию CNOT и квантовую логическую операцию обмена в системах электронных спинов.

Научная и практическая значимость:

3. 1. Реализация квантовых алгоритмов CNOT и Дойча позволяет нам в дальнейшем использовать ядерные спины в качестве эталонной системы для проверки на них квантовых алгоритмов, предназначенных для реализации в системах электронных спинов.

   2. Расчёт применения к системам электронных спинов импульсных последовательностей, разработанных для реализации на ядерных спинах, позволил сформулировать критерии к веществам, которые являются перспективными для использования их в качестве систем электронных спинов.

   3. Разработанные нами импульсные последовательности позволяют реализовать в системах электронных спинов любые квантовые алгоритмы. Достоверность результатов работы обеспечена использованием

   современного научного оборудования, многократной повторяемостью экспериментов, достаточно хорошим совпадением полученных экспериментальных результатов с теоретическими расчётами.

   На защиту выносятся следующие результаты и положения:

   3. 3. 1. Экспериментальная реализация квантовых алгоритмов CNOT и алгоритма Дойча на новых системах ядерных спинов.

         2. Формулировка условий для магнитно-резонансных параметров систем электронных спинов, при выполнении которых импульсные последовательности, разработанные для ядерных спинов, применимы к системам электронных спинов.

         3. Методология конструирования импульсных последовательностей, реализующих любые квантовые логические операции в системах электронных спинов, с помощью математического аппарата проекционных (идемпотентных) операторов.

         4. Конкретные импульсные последовательности, которые позволяют реализовать квантовые логические операции CNOT и SWAP в системах электронных спинов.

         Личный вклад автора:

         3. 3. 4. 1. Для ЯМР спектрометра Bruker Avance 400 написаны программные модули, на основе которых формируются последовательности радиочастотных импульсов, осуществляющие квантовую логическую операцию CNOT и алгоритм Дойча.

                  2. В диметиловом эфире фосфоновой кислоты экспериментально реализованы импульсные последовательности, реализующие квантовую логическую операцию CNOT и алгоритм Дойча.

                  3. Для систем электронных спинов проведено компьютерное моделирование квантовой логической операции CNOT и алгоритма Дойча с использованием импульсных последовательностей, разработанных для ядерных спинов.

                  4. Используя идемпотентные операторы, сконструированы импульсные последовательности, реализующие квантовую логическую операцию CNOT и квантовую логическую операцию обмена в системе электронных спинов. Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих

                  научных конференциях: Европейский конгресс по магнитному резонансу "Euromar" (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийская конференция "Структура и динамика молекулярных систем" (пансионат "Яльчик", Республика Марий-Эл, 2009), Международная конференция "Спиновая физика, спиновая химия и спиновые технологии" (Казань, 2011).

                  Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 1 статья - в рецензируемом журнале, включённом в перечень ВАК, 3 статьи - в сборниках трудов вышеперечисленных конференций, 1 статья - в ежегоднике Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского.

                  Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка авторской литературы и списка цитируемой литературы, содержащего 80 наименований. Работа изложена на 100 страницах, включая 20 рисунков и список условных обозначений.

                  Похожие диссертации на Реализация квантовых вычислений с использованием спинов электронов и ядер в качестве элементной базы

                  

                  Реализация связностей с различными размерностями базы и слоя на оснащенных подмногообразиях проективного пространстваСоколовская Светлана Игоревна

                  Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникацийБондарцев, Александр Анатольевич

                  

                  Решение трехмерной задачи газовой динамики и переноса метана в угольной шахте с использованием параллельных вычисленийПетушкеев, Борис Львович

                  

                  Магнитные свойства и транспорт спин-поляризованных электронов в магнитных наноструктурах с доменными границамиХвальковский Алексей Васильевич

                  Исследование спин-зависимых свободных электронных состояний твердых тел методом спектроскопии поляризованных электроновСтаровойтов, Сергей Анатольевич

                  Разработка и исследование методов и средств оценки качества баз знаний экспертных систем и технологий их созданияСимакова, Ольга Николаевна

                  

                  Классификация и оценка качества программных средств с использованием базы характеристик качестваНешта Елена Петровна

                  

                  Технология создания учебных модулей как средство обеспечения качества информационной базы управления обучением Платонова Ольга Владимировна

                  

                  Методология разработки нормативной базы, определяющей качество внутреннего полимерного покрытия насосно-компрессорных трубМакаренко Алексей Витальевич

                  Повышение эффективности процессов текстильной технологии за счет контроля параметров качества продукции на базе оптоэлектронной техникиКозлов, Андрей Борисович