基于摻雜自旋的EPR量子計(jì)算研究.pdf

1、量子信息學(xué)是建立在量子力學(xué)和信息科學(xué)基礎(chǔ)上，研究新型信息處理方法的一門(mén)學(xué)科，包括量子密碼術(shù)、最子通信和量子計(jì)算機(jī)等幾個(gè)方面。量子計(jì)算機(jī)作為量子信息學(xué)的一個(gè)主要研究分支，是一類(lèi)基于量子力學(xué)原理，可進(jìn)行高速度并行數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算，因此在許多復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題上能超越基于經(jīng)典物理原理的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，并且能夠存儲(chǔ)及處理量子信息的新型計(jì)算機(jī)。而量子計(jì)算正是研究如何建造這樣一種新型的量子計(jì)算機(jī)。理論上，量子計(jì)算機(jī)在很多方面優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)：一方面，經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯

2、片存在著進(jìn)一步集成的技術(shù)困難，尤其是散熱等突出的問(wèn)題，限制了其計(jì)算速度，而這些問(wèn)題都不存在于量子計(jì)算機(jī)；另一方面，量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能解決的問(wèn)題，比如大數(shù)分解等。因此，量子計(jì)算機(jī)為計(jì)算機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)新的天地。然而，量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，首先需要對(duì)量子體系進(jìn)行初始化，再對(duì)其進(jìn)行相干控制和操作，最終對(duì)存儲(chǔ)在量子體系中的信息進(jìn)行讀取。迄今為止，可用于量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的物理體系主要有：核自旋、電子自旋、光子、離子阱、超導(dǎo)Josep

3、hson結(jié)等。其中電子自旋，由于其操作時(shí)間遠(yuǎn)小于核自旋（相差三個(gè)數(shù)量級(jí)），具有很大的優(yōu)勢(shì)，并存在著可擴(kuò)展的潛在發(fā)展趨勢(shì)。
　　 電子自旋量子體系是一些具有未配對(duì)電子的材料。在本文中，我們主要研究?jī)煞N人工合成的兩種單分子磁體材料，分別是內(nèi)嵌原子富勒烯和由15個(gè)釩離子構(gòu)成的大分子。首先，我們重點(diǎn)考察一類(lèi)內(nèi)嵌富勒烯的新型材料，它不僅是具有未配對(duì)電子的材料，同時(shí)其體現(xiàn)出來(lái)的電子自旋特性也表明它是可用于量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的一類(lèi)好的材料。因此

4、，本文對(duì)這類(lèi)內(nèi)嵌摻雜富勒烯樣品進(jìn)行系統(tǒng)的理論及實(shí)驗(yàn)研究，如樣品的制備、分離提純到連續(xù)波電子順磁共振譜(EPR)測(cè)試、解譜，和用脈沖式電子順磁共振譜實(shí)現(xiàn)相干態(tài)的讀取、相干時(shí)間的測(cè)量與相關(guān)量子操控的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)已有的方法，我們首先合成了內(nèi)嵌非金屬的獨(dú)立氮原子富勒烯樣品——N@C60，深入研究了這種適合做量子計(jì)算樣品的電子結(jié)構(gòu)，并做了進(jìn)一步的研究：實(shí)驗(yàn)上合成了一種有序排列的N@C60單晶樣品的電子結(jié)構(gòu)，于其中觀察到較強(qiáng)的零場(chǎng)分裂，豐富了樣品的能

5、級(jí)結(jié)構(gòu)并可用于量子比特的編碼。接著，我們還研究了內(nèi)嵌金屬原子的富勒烯材料，與N@C60不同，金屬內(nèi)嵌富勒烯的內(nèi)嵌金屬與C籠之間存在著電荷轉(zhuǎn)移，即非定域電子分布，金屬原子往往并不處于C籠的中心，未成對(duì)電子會(huì)離域到C籠上，而不像N@C60那樣局域在C籠內(nèi)部。作為對(duì)比，我們選擇Y@C82的電子結(jié)構(gòu)作為對(duì)比研究，對(duì)其中的電子及核自旋進(jìn)行量子編碼和實(shí)驗(yàn)讀出。此外，各種內(nèi)嵌富勒烯材料還可以由AFM或STM來(lái)進(jìn)行單分子觀測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)單分子的、單自旋的

6、探測(cè)與操控。
　　 另一方面，我們把研究方向由電子自旋主要定域于單個(gè)原子的內(nèi)嵌金屬富勒烯，擴(kuò)展到含有多個(gè)過(guò)渡金屬原子、具有特殊磁學(xué)性質(zhì)的交換耦合大分子——單分子磁體，這是一類(lèi)單個(gè)分子呈現(xiàn)出宏觀磁體磁性現(xiàn)象，且單個(gè)分子自身也同時(shí)體現(xiàn)量子特性的，同時(shí)具有宏觀磁性和微觀量子特性的新型材料。實(shí)驗(yàn)上，我們合成了單分子磁體V15，利用X-波段電子順磁共振波譜技術(shù)研究其電子結(jié)構(gòu)，首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了V15基態(tài)能級(jí)的相干演化過(guò)程。
　　 通