Моделирование работы квантового компьютера на квадрупольных ядрах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

А.С.

. Ермилов Андрей Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА НА КВАДРУПОЛЬНЫХ ЯДРАХ

Специальность 01.04.03 —радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

5 № 2013

Красноярск — 2013

005543247

005543247

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (ИФ СО РАН)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Зобов Владимир Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент

Булгаков Евгений Николаевич ведущий научный сотрудник ИФ СО РАН

кандидат физико-математических наук, доцент Кучеров Михаил Михайлович доцент кафедры Прикладной математики и компьютерной безопасности Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования Сибирского федерального университета

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук

г. Черноголовка

Защита состоится

" 2к>" декабря 2013 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 003.055.01 в ИФ СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, строение 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ СО РАН Автореферат разослан "гг. " ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.055.01 доктор физико-математических наук

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Квантовые методы обработки информации привлекают большое количество специалистов из различных научных и технических областей. В настоящее время уже достигнуты значительные успехи в теоретическом изучении квантовых вычислений [1], и дальнейшее развитие исследований в основном ограничено техническими возможностями в управлении квантовыми системами [2].

В силу некоторой преемственности, в качестве элементарных носителей квантовой информации - кубитов — рассматриваются квантовые объекты всего с двумя дискретными состояниями, и основная часть работ, посвященных квантовым вычислениям, выполнена с точки зрения оперирования такими двухуровневыми (т.е. всего с двумя доступными уровнями энергии) кубитами.

Однако значительно чаще в природе встречаются квантовые объекты с большим числом уровней, поэтому активно обсуждаются вопросы практического применения таких объектов, называемых в общем случае кудитами, для выполнения квантовых вычислений.

Уже доказано [3-5], что с помощью универсального набора одно- и двухкудитовых элементарных логических операторов (квантовых вентилей) можно выполнить любой квантовый алгоритм. Тем не менее, получено очень мало конкретных квантовых схем, допускающих экспериментальную реализацию квантовых вычислений на кудитах.

С другой стороны, современные импульсные методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) оказались весьма эффективными для выполнения простых квантовых алгоритмов, благодаря хорошо развитым методам управления с помощью резонансных импульсов радиочастотного (РЧ) магнитного поля [6]. В том числе, существует ряд работ по управлению состояниями отдельных кудитов, представленных квадрупольными ядрами со спином /> 1/2 [6-10].

Таким образом, разработка способов выполнения квантовых вычислений на кудитах является актуальной и практически значимой задачей. Поскольку экспериментальная реализация простейших квантовых компьютеров сдерживается современным уровнем технологий, численное моделирование являемся эффективным методом исследования возможной реализации квантовых вычислений.

Целью диссертационной работы является разработка схем для реализации простых квантовых алгоритмов для системы кудитов, представленных связанными квадрупольными ядрами со спинами /> 1/2, управляемыми методами ЯМР, а также численное моделирование работы полученных алгоритмов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Получение схемы реализации простых квантовых алгоритмов на кудитах.

2. Нахождение последовательности РЧ импульсов для выполнения алгоритмов на квадрупольных ядрах со спином /> 1/2.

3. Численное моделирование эволюции квантовой системы под действием полученной последовательности РЧ импульсов.

4. Исследование зависимости результатов квантового вычисления от различных физических параметров системы и анализ полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны схемы для практического осуществления квантового преобразования Фурье (КПФ) на кудитах. Рассчитаны последовательности РЧ импульсов для реализации вентиля КПФ на отдельных кудитах, представленных квадрупольными ядрами со спином 1 </<9/2. Последовательности для случаев ядер со спинами 3/2 < /< 9/2 найдены впервые.

2. Впервые получена схема для выполнения квантового алгоритма поиска порядка подстановки на двух кудитах, а также рассчитана последовательность РЧ импульсов для реализации алгоритма на системе связанных квадрупольных ядер со спинами 1Х = 7/2 и /2 = 3/2, выполнено численное моделирование работы алгоритма.

3. На основании существующего метода организации адиабатического квантового вычисления предложен оригинальный способ реализации адиабатических квантовых алгоритмов. Выполнено численное моделирование адиабатической реализации квантового алгоритма поиска порядка подстановки на двух квадрупольных ядрах со спинами 1Х = 7/2 и /2 = 3/2.

4. Впервые получена схема для выполнения адиабатического квантового алгоритма факторизации на двух кудитах и рассчитана последовательность РЧ импульсов для факторизации чисел 35, 21 и 15 на системе связанных квадрупольных ядер со спинами /] = 3/2 и /2 = 1, выполнено численное моделирование работы алгоритма.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы заключается в демонстрации возможности выполнения простых квантовых алгоритмов на кудитах, представленных квадрупольными ядрами. Для реализации алгоритмов на двух ядрах с сильным квадрупольным взаимодействием, типичным для твердых тел, получены последовательности РЧ импульсов, селективных по переходам между уровнями. Исследована зависимость ошибки реализации от физических параметров и даны рекомендации для планирования эксперимента. Результаты работы также могут оказаться полезными при управлении другими многоуровневыми квантовыми системами.

Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью результатов численного моделирования с аналитическими оценками. Применяемые для численного моделирования модели соответствуют природе исследуемых объектов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования различных способов получения одночастичного вентиля КПФ для многоуровневых квантовых элементов. Последовательности операторов для получения вентиля КПФ на кудитах с числом энергетических уровней от 3 до 10.

2. Последовательности операторов для реализации квантового алгоритма поиска порядка подстановки на системе двух квадрупольных ядер со спинами 1\ = 7/2 и /2 = 3/2, управляемых селективными РЧ импульсами. Результаты численного моделирования работы алгоритма.

3. Результаты исследования различных вариантов адиабатической реализации квантового вычисления для алгоритмов, представленных в виде последовательностей квантовых вентилей. Оригинальный способ выполнения адиабатических алгоритмов, допускающий сравнительно простую практическую реализацию методами ЯМР. Результаты численного моделирования работы адиабатических квантовых алгоритмов, выполненных с использованием предложенного способа:

а) алгоритма вычисления КПФ на системе трех кубитов;

б) алгоритма поиска порядка подстановки на системе пяти кубитов;

в) алгоритма поиска порядка подстановки на системе двух квадрупольных ядер со спинами 1\ = 7/2 и /2 = 3/2.

4. Способ получения эффективного гамильтониана для выполнения адиабатического алгоритма факторизации на системе двух квадрупольных ядер, управляемых селективными РЧ импульсами. Последовательности РЧ импульсов для реализации алгоритма в случае ядер со спинами = 3/2 и 12 = 1, а также результаты численного моделирования работы алгоритма.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, были доложены на Международной конференции «Micro- and nanoelectronics» (Звенигород, 2007 и 2009 гг.), Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ 12» (Новосибирск, 2006 г.), VIH Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2005 г.), научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков «НКСФ-2004» и «НКСФ-2005» (Красноярск, 2004 и 2005 гг.)

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ: 5 статей в периодических изданиях из списка ВАК, 1 статья в российском рецензируемом журнале, 6 работ в сборниках материалов и тезисов международных и всероссийских научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложенных на 96 страницах, содержит 25 рисунков, 15 таблиц и 93 библиографических ссылки.

Основное содержание работы

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели исследования. Обозначена научная новизна и практическая ценность работы, приводятся положения и результаты, выносимые автором на защиту.

Первая глава работы носит обзорный характер. В этой главе определяются базовые понятия квантового бита (кубита) и элементарного квантового логического оператора (квантового вентиля), приводятся примеры основных квантовых вентилей. Описываются рассматриваемые в работе квантовые алгоритмы: квантовое преобразование Фурье и квантовый алгоритм поиска порядка подстановки, приводятся схемы работы алгоритмов и способы их реализации на кубитах. Также в этой главе вводится понятие адиабатического квантового вычисления и приводится краткий обзор задач, для решения которых различные группы авторов предлагают использовать данный способ выполнения квантовых вычислений.

В последней части главы рассмотрены различные варианты использования многоуровневых квантовых объектов для практической реализации квантовых вычислений. Один из вариантов - использование только двух уровней в качестве кубита. С одной стороны, такой вариант требует устранения помех от незадействованных уровней [11], с другой — допускает использование оставшихся уровней в качестве вспомогательных [12]. Еще один вариант — рассмотрение состояний квантового объекта как совместных состояний виртуальных кубитов [13]. Наконец, можно использовать сразу все состояния многоуровневого квантового объекта в качестве кудита — единицы квантовой информации с числом собственных состояний ¿>1 [3—5]. В последнем случае необходимо реализовать квантовые вентили, оперирующие кудитами вместо кубитов.

Здесь же приводится физическая модель двух связанных квадрупольных ядер со спинами 1Л = (й?,-1)/2 и /2 = 1)/2, помещенных в аксиально-симметричное кристаллическое и сильное постоянное магнитное поля и управляемых с помощью РЧ импульсов. Данная модель используется в последующих главах для численного моделирования работы квантовых алгоритмов.

Зеемановское взаимодействие отдельного ядра с постоянным магнитным полем и квадрупольное взаимодействие с аксиально-симметричным кристаллическим полем приводит к образованию ^ = 2/^+1 неэквидистантных уровней энергии [14]. Состояния с различными проекциями спина на ось квантования (ось 2), соответствующие этим уровням, могут быть использованы в качестве вычислительного базиса кудита.

При рассмотрении системы двух связанных ядер, к уже упомянутым взаимодействиям каждого ядра с внешними полями, добавляется еще спин-спиновое взаимодействие между ядрами. В результате, гамильтониан рассматриваемой системы имеет вид [14]:

я0 =-<»,/,'-а>21'г +<?1[(/1г)2 - !/,(/,+1)]+?гк/2г)2 -1-1г(1г(1)

где h = 1 (энергия измеряется в единицах частоты), coj = yjB0 — ларморова частота прецессии спина под действием постоянного магнитного поля, qj -константа квадрупольного взаимодействия ядра с градиентом кристаллического поля, J — константа спин-спинового взаимодействия между ядрами, If — оператор проекции спина.

Управление отдельным ядром осуществляется с помощью РЧ импульсов, селективных по переходам между уровнями энергии. Действие отдельного импульса РЧ поля с амплитудой и частотой со^п течение времени t,f» l/a>rf на состояние квантовой системы задается оператором эволюции, который при переходе во вращающуюся с частотой систему координат (ВСК) может быть записан как [14]:

(~>Н*'Л (2)

где Hrf— независящий от времени эффективный гамильтониан:

Hrf =Н0+ тг/(/,г + /2Z)-П,(/ 1Г cos<prf + Iu sin<pr/)-n2(/„ cos<pr, +/sin<p,¡). (3) Если частоту поля выбрать равной частоте перехода между уровнями энергии отдельного ядра: = es — sr, то в первую очередь будут изменяться состояния, соответствующие выбранному резонансному переходу. Если при этом амплитуда поля удовлетворяет условию селективности:

J« Qj « q„ Qj = ytBrf, (4)

то действие РЧ импульса может быть рассмотрено как элементарная операция над кудитом, описываемая оператором поворота [13], преобразованным к виду:

К-, 0 0 0 0 >

0 cosf 0 -ie~"p sinf 0

0 0 В.-,* 0 0

0 -íV'sinf 0 cosf 0

0 0 0 0 E^j

(5)

где Е„ — единичная матрица размера (ихи), угол поворота в = Гг/2,//(а?), направление вращения г/ задается фазой РЧ поля д>ф Поскольку РЧ поле, используемое для управления кудитами, обычно направленно поперечно оси '¿, то операторы поворота вокруг этой оси можно осуществлять либо с помощью составного импульса [7], либо с помощью сдвига фазы ^соседних импульсов [15].

Вторая глава посвящена проблеме реализации квантовых вентилей на кудитах, а также их применения для выполнения простых квантовых алгоритмов. В первом разделе рассмотрено получение двухкудитового вентиля контролируемого сдвига фазы (в). Данный вентиль описывается матричным оператором в пространстве состояний двух кудитов, чьи элементы определяются следующим образом:

(кт\Р„л(в}кт) = ехр(Иап&\ = -1), т = 0...&в = (6)

На рассматриваемой системе двух квадрупольных ядер этот вентиль может быть получен (с точностью до фазового множителя) сочетанием импульсов РЧ поля и интервала свободной эволюции системы под действием гамильтониана Н0:

7

(в) = ехр(-,ЯЛ)• IX, НГЧ(<Рк\ (7)

Во втором разделе описывается несколько вариантов получения вентиля квантового преобразования Фурье (обозначаемого далее как QFTd) для отдельного кудита. Согласно одному из вариантов, для получения матричного оператора, описывающего действие вентиля:

'1 1 1 1 ш ш1 1 ф2 ф*

1

а/-1 „ад-ц

„С"'!'

0 = ехр

(8)

можно воспользоваться общей процедурой разложения произвольной унитарной матрицы [16]. В результате, вентиль Та для кудита с произвольным числом уровней Ы может быть получен в виде последовательности операторов поворота (5).

Данный способ особенно полезен в тех случаях, когда число с1 является простым, поэтому он был применен для ¿1 = 3, 5 и 7. При этом, полученная для кутритов (с1=3) последовательность состоит всего из четырех операторов:

1-г г 1-2 7Г

(9)

Для с1= 5 потребуется уже 17, а для ¿/= 7 необходимо 46 операторов.

В остальных случаях, когда число уровней кудита является факторизуе-мым, может быть применен другой метод разложения, основанный на представлении виртуальных кубитов [13] или кудитов [17]. С помощью данного метода были рассчитаны операторные последовательности для й? = 4, 6, 8, 9 и 10.

Полученные последовательности могут быть реализованы, например, с помощью РЧ импульсов для систем из квадрупольных ядер или с помощью лазерных импульсов для атомов или ионов в ловушках. Ранее подобная последовательность была получена только для О^Тт, [18], но последовательность (9) короче. В остальных случаях последовательности операторов были найдены впервые.

В следующих двух разделах показано, как с помощью полученных вентилей и {в) можно реализовать:

1. Другой часто используемый двухкудитовый квантовый вентиль 51]М^ :

= ОРГ+ -> Р^ (2я-М ) (2^1, (10)

действие которого на состояние |х)1 первого кудита и \у)2 второго кудита определяется выражением:

-У^-лО*). ®Ь>а)=1*>, ®|*+>(пю«1^)>2, (11)

2. Квантовую схему для вычисления КПФ на системе нескольких кудитов. Рассматривается два случая: система двух произвольных кудитов и система произвольного числа кудитов одной размерности. КПФ играет важную роль в квантовых вычислениях, поскольку доказано, что выполнение КПФ на кубитах дает экспоненциальный прирост производительности по сравнению с

классической реализацией быстрого преобразования Фурье. В случае кудитов, эффективность квантового вычисления будет зависеть от эффективности реализации квантовых вентилей (¿ГГа и

Завершает главу описание реализации алгоритма поиска порядка подстановки на системе двух ¿вязанных кудитов. Задача определения порядка подстановки (19] является примером сложной вычислительной задачи, для которой существует квантовый алгоритм [15], выполняемый на наборе кубитов и эффективно решающий эту задачу за счет вычислительной мощности КПФ.

В случае двух кудитов, схема реализации алгоритма состоит из вентиля ХШ^ и двух вентилей ()НТ/.

ВД-»««^-»^, (12)

Воспользовавшись полученными ранее разложениями (7) и (10). а также последовательностями операторов поворотов для реализации вентилей QFTs и £}ГТ4. была получена последовательность РЧ импульсов для реализации алгоритма поиска порядка подстановки на системе связанных квадрупольных ядер со спинами Л = 7/2 и = 3/2.

Полученная последовательность была использована для численного моделирования работы квантового алгоритма. Было рассмотрено два случая: с порядком подстановки г = 2 и г = 4. Исследовалась зависимость результата квантового вычисления от физических параметров системы. Полученные результаты приведены на рис. I, их анализ показал, что основная ошибка вычисления обусловлена двумя причинами:

1. РЧ импульс, помимо резонансного воздействия на выбранный переход, действует на все остальные переходы [20]. В результате такого неселективиого воздействия импульса, ошибка растет с увеличением амплитуды колебаний РЧ поля.

2. Во время действия РЧ импульса на состояние системы также воздействует спин-спиновое взаимодействие. В результате таких искажений ошибка растет с уменьшением амплитуды колебаний РЧ поля.

В результате совместного действия этих эффектов наблюдается минимум на приведенных кривых, значение ошибки в котором растет с увеличением спин-спинового взаимодействия.

9

Рис. 1. Зависимость ошибки реализации алгоритма поиска порядка подстановки от амплитуды РЧ пол» Числами на кривых показана величина спин-спинового взаимодействия в единииах Ю5-//«?! Значения других параметров ш, » .3000, ш2 - 6000, <71 - 100, д, = 200 Кривые для г ■ 2 и г - 4 совпадают

Во избежание накопления дополнительной ошибки в результате сдвигов фазы, вызванных квадрупольным взаимодействием, длительность РЧ импульсов и интервала свободной эволюции были выбраны кратными величине 2я/ф (константы </,, <75, «и, и ш2 так же были подобраны кратными).

Ранее алгоритм поиска порядка подстановки уже был реализован экспериментально на 5 куб игах (15]. Для сравнения полученной реализации на кудигах с реализацией алгоритма на кубитах, этот эксперимент был воспроизведен численно. Для того, чтобы при моделировании эволюция обеих квантовых систем протекала в идентичных условиях, параметры для описания системы кубитов были взяты отличными от экспериментальных. Результаты моделирования, приведенные на рис. 2, показали близкую точность двух способов выполнения алгоритма. При этом последовательность для куднтов короче и не требует создания сложного многочастичного взаимодействия.

В третьей главе подробно рассматривается один из способов [21] выполнения адиабатических квантовых алгоритмов. За счет того, что на всем протяжении адиабатической эволюции квантовая система находится в основном состоянии, реализация адиабатических квантовых вычислений вызывает значительный интерес среди различных групп экспериме1гтаторов.

Применение рассматриваемого способа позволяет любой алгоритм, представленный в виде псследовательности квантовых вентилей:

выполнить адиабатически. Для этого вводится унитарное преобразование эффективного гамильтониана:

К^-Ппи, {/Д^ехр ОШ^Т,, (14)

Рис. 2. Вероятности состояний квантовой системы в конце алгоритма поиска порядка подстановки на двух кудитах (а) и пяти кубитах (б) при г - 4 Столбиками покачаны значения при Лц\ - Ю"5 и 100ОД<?| - 2.18, точками - при - КГ1 и 100= 6 35 Значения других параметров для системы кудитов: <Ы|"Э000, о)г" 6000. - 100. ^3 = 200, для системы кубитов Даз - Ю4. а», -)Ь<о. О/Ьш - 0.0125) - 1,2,..., 5. Числами внизу обозначены номера состояний первого кудита (*■ 0,1,... . 7), состояния второго куднта (у » 0. 1.2.3) не указаны и располагаются по порядку слева направо. Для кубитов состояния |х) и [у) представлены совместными состояниями ку5итов, сгруппированных в два квантовых регистра

.....(15)

где //(0) - начальный гамильтониан, для которого начальное состояние системы |0) является основным.

Гамильтониан (15) допускает несколько способов изменения во времени. Один из них заключается в приравнивании всех параметров между собой и их синхронном увеличении (Т=Т;). Наряду с этим, в [21] рассматривается ступенчатое последовательное изменение гамильтониана: сначала под действием С|($|), затем - £/2(52)> и так далее до СЦ5„). Длительность такой эволюции будет 7*= Ту + ... + Г„.

При изучении данного метода выяснилось, что оба способа изменения гамильтониана приводят к очень сложной форме оператора эвелюции и при экспериментальной реализации потребуют применения большого числа операций для выполнения такой эволюции.

Однако было обнаружено, что если при ступенчатом последовательном изменении гамильтониана изменить порядок «включения» вентилей на обратный: от (/Д5„) к то появляется возможность существенно упростить

вид оператора эволюции, который в конечном итоге можно записать как:

и, (16)

То есть, адиабатическая эволюция задастся чередованием «включаемых» вентилей с интервалами эволюции пол действием начального гамильтониана ЩО).

При этом, условие адиабатичности требует, чтобы разница между энергетическими уровнями Н(0) превосходила величину соответствующих матричных элементов операторов К/Т/.

±КЧАГ>)|«|£.-£.|. (17)

В адиабатическом пределе Г—» оо, любой из способов изменения гамильтониана (15) должен приводить к точному результату, совпадающему с (13), но при конечном Г неизбежна ошибка, величина которой может зависеть от способа включения.

Поэтому, на примере двух алгоритмов: поиска порядка подстановки для системы пяти кубитов и КЛФ для трех кубитов, было выполнено численное моделирование адиабатического квантового вычисления при трех способах изменения эффективного гамильтониана. Результаты показаны на рис. 3.

Зависимость ошибки от протяженности эволюции подезывает. что предлагаемый в работе способ обратного последовательного действия операторов в (15) не уступает но точности способ); предложенному в [21].

Кроме того, экспериментальная реализация подразумевает переход от непрерывного изменения гамильтониана к дискретном) с малыми конечными интервалами А/, в течение которых форма гамильтониана не меняется:

1'1/Т, 0 <1<Т $ = т/М, /и = 0,1.....М, А/= 77 А/. (18)

0.015 Т д - I - ют-«^) 0.0« л 0 009 ООО*

(а)

0.3

0.4

0.5

0.6 и

(б)

0.001

о

л

0.2 |

I •

0.1 \ * й

01кл

30 60 90 120 150

3« 60 90 120 150

Рис. 3. Ошибка реализации квантового адиабатического алгоритма а) поиска порядка подстановки на или кубитах, б) квантового преобразования Фурм: на трех кубитах, в зависимости от протяженности эволюции Л/=77Д/, Сплошная линия - тиснение гшияь-тониана С одновременным действием всех квантовых вентилей, треугольники - с последовательным действием от первого вентиля к последнему, точки - с обратным действием от последнего вентиля к первому

Как было отмечено выше, общее время адиабатической эволюции зависит от способа изменения гамильтониана. В нашем случае это приводит к тому, что при одинаковом значении Л/, изменение гамильтониана с одновременным действием операторов показывает меньшую ошибку, т.к. выполняется с Л/, отличным от двух других случаев.

В четвертой главе рассматриваются способы реализации адиабзгиче-ского вычисления на кудитах. В первой части главы рассматривается адиабатическое выполнение алгоритма поиска порядка подстановки (12) на системе двух квадрупольных ядер, управляемых методами ЯМР. Последовательность РЧ импульсов, полученная во второй главе, была преобразована с помощью унитарного преобразования (14). При этом удалось получить эффективный гамильтониан //(у), зависящий лишь от одного параметра 5.

Полученные последовательности были использованы для численного моделирования работы адиабатического квантового алгоритма. Было рассмотрено два случая: с порядком подстановки г = 2 и г-4. Исследовалась зависимость результата квантового вычисления от физических параметров системы и от протяженности эволюции. Полученные результаты приведены на рис. 4 и рис. 5.

Как и ранее, на точность адиабатического вычисления влияет воздействие РЧ импульсов на нерезонансные переходы, а также их искажение за счет спин-спинового взаимодействия. Кроме того, на рис. 4 наблюдаются сильные осцилляции в результате фазовых искажений. Результат, представленный на рис. 5, показывает, что при соблюдении условия (17), квантовое адиабатическое вычисление дает верный результат.

Л 4 6 * 10

1001V»,

Рис. 4. Ошибка реализации квантового адиабатического алгоритма гкиска порядка подстановки на двух кудитах в зависимости от амплитуды РЧ ноля Числами на кривых указана величина слин-сиинового взаимодействия в единицах Лцг. Значения других параметров ш, - 5000, <а, - 3000, ц, - 200, ф = 100. г = 4. М- 50.

1 ---,-- --- ----т~-

0-« > £ V ♦

® * ,

1 * * *

V % % £ в ♦ *

1 °

« 0.4 - э +«,

«в*. V 0.2 • ^ ^

10 20 30 40 50 «0 70 М) 00 100 А/

Рис. 5. Ошибка реализации квантового адиабатического алгоритма поиска порядка подстановки на двух кудитах в зависимости от протяженности эволкции М= Г/Д/ Значения других параметров Ш| ■= 5000, ш, - ЗООО, Ч|-200, ф=100. О» /<ц-5 10"\

л /«и - юЛ

Во второй части главы на примере задачи факторизации (разложения числа на множители) рассматривается другой способ организации адиабатических квантовых вычислений, при котором форма конечного гамильтониана

'■ш » 4. ► * *»* * в*. -г © * * V * о V » 4 гт. 2 * г 4 «>

о

о ** а. »

^о Ч

определяется некоторой весовой функцией таким образом, что состояние квантовой системы в конце вычисления содержит ответ на поставленную задачу [22].

Как и в предыдущих случаях, работа алгоритма рассматривается на системе связанных квадрупольных ядер со спинами /, = (</,-1У2 и /2 = (¿г-\)12, управляемых методами ЯМР. Максимальное допустимое значение фактори-зуемого числа определяется соотношением:

N = (ld,-\)^2dr-\). (19)

Адиабатический алгоритм осуществляется под действием зависящего от времени гамильтониана:

Я(*Н\-*)Н.+М,. * п//Г, О ашТ. (20)

В качестве начального состояния берется состояние суперпозиции. Так как оно должно быть основным состоянием гамильтониана //-, начальный гамильтониан имеет вид:

». - еогг^ н. (е#т« )*. (21)

Решение задачи факторизации определяется весовой функцией И' = (\~-pq)2, которой соответствует гамильтониан:

(22)

где Q ~ масштабный множитель, необходимый для обеспечения соизмеримости с (21). Если выполняется равенство Л' = рд, то основное состояние гамильтониана (22) с равной нулю энергией достигается, когда проекции спинов

Л'-^и (23)

т.е. для получения решения задачи необходимо измерить проекции спинов в конце выполнения алгоритма.

В результате вычислений было получено разложение доя гамильтонианов (21) и (22) и составлена последовательность из РЧ импульсов, чередующихся с интервалами свободной эволюции, позволяющая реализовать квантовый адиабатический алгоритм факторизации. Эта последовательность была использована для численного моделирования работы алгоритма в случае квадрупольных ядер со спинами /| = 3/2 и /2 = 1. Была выполвена факторизация трех чисел: 35, 21 и 15. Исследовалась зависимость результата квантового вычисления от физических параметров системы и от протяженности эволюции. Полу ченные результаты приведены на рис. 6 и рис. 7.

Аналогично предыдущему случаю, наблюдалось силыюе влияние фазовых искажений. Для устранения этой ошибки была применена подстройка амплитуд РЧ импульсов и их длительности. Оставшаяся ошибка, как и ранее, обусловлена неселективным воздействием РЧ импульсов на нсрезонансные переходы и их искажением под действием спин-спинового взаимодействия.

Из рис. 7 видно, что с увеличением времени эволюции повышается точность вычисления, что свидетельствует о выполнении условия адиабатич-ности. Также видно, что при факторизации числа #=21 требуется большее время эволюции для достижения той же точности. Это объясняется тем, что форма конечного гамильтониана (22) зависит от значение факторизуемого

числа, и в случае N=21 разница энергий Дс между основным состоянием и первым возбужденным меньше, чем в остальных случаях.

Л= 160, Д«,$ = 360, А£И - 1000 (24)

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.

Л 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

О 0.01 0.02 0.03 0.04 0.00 0.00

«=/91

Рве. 6. Ошибка Д - 1 - КЧЧЧ'т.лЯ реализации адиабатического алгоритма факторизации дм числа 35, и зависимости от амплитуды РЧ поля íij/q\n величины сиин-спииового взаимодействия: J/q¡ - 10"* (сплошная линия и крути), Jfq¡ т 10"' (точки;. Jlq\ = 5-10"* (кресты) Значения других параметров: ал • 30^1, tuj ■ SOgi, qim 2q\, q\tu m 00, M - 20

Д 0.8

0.0

U.4

0.2

0 2» 40 00 Ы1 101)

M

Риг. 7. Ошибка Д= 1 - |Wf"4b>| реализации адиабатического алгоритма факторизации для трех чисел в заюгсимости от времени эволюции Мт TtAl Значения друтвх параметров а>| - ЗО91. 012 - 50fi, q¡ - 2qu qtM - */\00, J/qt - 10"*.

Основные результаты работы

1. Разработаны схемы для практического осуществления квантового преобразования Фурье на кудитах с числом уровней от 3 до 10. Рассчитаны последовательности РЧ импульсов, селективных по переходам между уровнями, для реализации вентилей КПФ на отдельных кудитах, представленных квадрупольными ядрами со спином 1 </<9/2. Последовательности для случаев ядер со спинами 3/2 </< 9/2 найдены впервые.

2. Предложен оригинальный способ адиабатической реализации квантовых алгоритмов, представленных в виде стандартной вычислительной схемы из последовательности квантовых вентилей. Адиабатическое включение вентилей осуществляется за счет унитарного преобразования эффективного гамильтониана, под действием которого выполняется исходный алгоритм. На примере двух алгоритмов: КПФ для трех кубитов и поиска порядка подстановки для пяти кубитов, показано, что существует способ включения последовательности вентилей, который допускает более простую, по сравнению с другими способами, последовательность РЧ импульсов.

3. Впервые получена схема для выполнения квантового алгоритма поиска порядка подстановки на двух кудитах и рассчитана последовательность РЧ импульсов для реализации алгоритма на системе связанных квадрупольных ядер со спинами 1Х = 7/2 и 1% = 3/2, выполнено численное моделирование работы алгоритма. Проведено сравнение со случаем реализации алгоритма на пяти кубитах, которое показало близкую точность двух способов при сопоставимых значениях параметров. Также найдена последовательность РЧ импульсов для включения эффективного гамильтониана при адиабатической реализации данного алгоритма, выполнено численное моделирование работы адиабатического алгоритма, рассчитана зависимость ошибки от параметров.

4. Для системы двух кудитов впервые получена схема для выполнения адиабатического квантового алгоритма факторизации посредством нахождения основного состояния системы, минимизирующего некоторую весовую функцию. Рассчитана последовательность РЧ импульсов для получения изменяющегося во времени эффективного гамильтониана и выполнено численное моделирование факторизации чисел 35, 21 и 15 на системе связанных квадрупольных ядер со спинами /1 =3/2 и 12 — 1. Показано, что при реализации алгоритма основной вклад в ошибку вносят фазовые искажения, которые можно уменьшить подбором длительностей и амплитуд РЧ импульсов. Оставшаяся ошибка обусловлена двумя причинами: неселективностью РЧ импульсов и их искажением в результате спин-спинового взаимодействия.

Публикации автора по теме диссертации

1. Зобов В. Е., ЕрмиловА. С. Последовательности импульсов для реализации квантового преобразования Фурье на многоуровневых системах // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 83. - В. 10. - С. 539.

2. Зобов В. Е., Ермилов А. С. О реализации стандартных квантовых вычислительных сетей посредством адиабатической эволюции // ТМФ. -2007. - Т. 150. - № 3. - С. 462.

3. ЕрмиловА. С., Зобов В. Е. Представление квантового преобразования Фурье на многоуровневых базовых элементах с помощью последовательности операторов селективных поворотов //Оптика и спектроскопия.—

2007.-Т. 103.-№ 6.-С. 994.

4. Зобов В. Е., Шауро В. П., Ермилов А. С. Выполнение квантового алгоритма поиска порядка подстановки на двух кудитах // Письма в ЖЭТФ. -

2008.-Т. 87.-В. 6.-С. 385.

5. Зобов В. Е., Ермилов А. С. О выполнении квантового адиабатического алгоритма факторизации на двух кудитах //ЖЭТФ.- 2012.— Т. 141. — В. 6.-С. 1060.

6. Ермилов А. С., Зобов В. Е. Реализация квантового преобразования Фурье посредством адиабатической эволюции: моделирование для случая трех ядерных спинов // Вестник КрасГУ. — 2006. — № 9. — С. 26.

7. Ermilov A. S., Zobov V. Е. Implementation of the quantum order-finding algorithm by adiabatic evolution of two qudits //Quantum Computers and Computing. - 2009. - V. 9. - P. 39.

8. Ермилов А". С. Моделирование адиабатических квантовых алгоритмов //НКСФ-2004: Тезисы докладов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков. — 2004. - С. 21.

9. Ермилов А. С. Дискретное квантовое преобразование Фурье посредством управляемой адиабатической эволюции И НКСФ - 2005: Тезисы докладов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков. - 2005. - С. 65.

10. ЕрмиловА. С., Зобов. В. Е. Моделирование стандартных квантовых вычислительных сетей посредством адиабатической эволюции, управляемой методами ЯМР И Моделирование неравновесных систем (МНС —2005): Материалы VIII всероссийского семинара. — 2005. - С. 63.

11. Ермилов А. С. Физическая реализация квантового преобразования Фурье на многоуровневых системах //ВНКСФ-12: Материалы конференции, тезисы докладов / Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., 2006. — С. 714.

12. Ermilov A. S., Zobov V. Е. Implementation of the quantum order-finding algorithm by adiabatic evolution of two qudits // International conference "Micro- and nanoelectronics - 2009": Book of abstracts. -2009. -P. Q3-11.

Список цитируемой литературы

1. Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. / К. А. Валиев, А. А. Кокин. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая ' динамика», 2001.-352 с.

2. Нильсен М., ЧангИ. Квантовые вычисления и квантовая информация: пер. с англ. / М. Нильсен, И. Чанг. -М.: Мир, 2006. - 824 с.

3. GottesmanD. Fault-Tolerant Quantum Computation with Higher-Dimensional Systems // Lect. Notes. Comput. Sci. -1999. - V. 1509. - P. 302.

4. Daboul J., Wang X., Sanders В. C. Quantum gates on hybrid qudits // J. Phys. A.: Math. Gen. - 2003. - V. 36. - P. 2525.

5. Vlasov A. Yu. Noncommutative tori and universal sets of nonbinary quantum gates // J. Math. Phys. - 2002. - V. 43. - P. 2959.

6. Jones J. A. Quantum Computing with NMR // Prog. NMR Specrosc. - 2011. -V. 59.-P. 91.

7. Das R., Kumar A. Use of quadrupolar nuclei for quantum-information processing by nuclear magnetic resonance: Implementation of a quantum algorithm // Phys. Rev. A. - 2003. - V. 68. - P. 032304.

8. Kampermann H., Veeman W. S. Characterization of quantum algorithms by quantum process tomography using quadrupolar spins in solid-state nuclear magnetic resonance // J. Chem. Phys. -2005. -V. 122. -P. 214108.

9. Gopinath Т., Kumar A. Implementation of controlled phase shift gates and Collins version of Deutsch-Jozsa algorithm on quadrupolar spin-7/2 nucleus using non-adiabatic geometric phases //J. Magn. Reson. - 2008.- V. 193,-P. 168.

10. Soares-Pinto D. O., Celeri L. C., Auccaise R. et al. Nonclassical correlation in NMR quadrupolar system//Phys. Rev. A.-2010.- V. 81.-P. 062118.

11. MotzoiF., Gambetta J. M., RebentrostP. etal. Pulses for Elimination of Leakage in Weakly Nonlinear Qubits //Phys. Rev. Lett. .- 2009.- V. 103.-P. 110501.

12. Ralph Т. C., Resch K. J., Gilchrist A. Efficient Toffoli Gates Using Qudits // Phys. Rev. A. -2007. -V. 75. - P. 022313.

13. КессельА. P., Ермаков В. JI. Многокубитный спин //Письма в ЖЭТФ.-

1999.-Т. 70.-С. 59.

14. СликтерЧ. Основы теории магнитного резонанса. /Ч. Сликтер.-М.: Мир, 1981.-448 с.

15. Vandersypen L. М. К., Steffen М., Breyta G. et al. Experimental Realization of Order-Finding Algorithm with NMR Quantum Computer // Phys. Rev. Lett. -

2000.-V. 85.-P. 5452.

16. Bremen G. К., O'Leaiy D. P., Bullock S. S. Criteria for exact qudit universality //Phys. Rev. A. —2005.—V. 71.-P. 052318.

17. Muthukrishnan A., Stroud (Jr.) C. R. Quantum fast Fourier transform using multilevel atoms//J. Mod. Optics. - 2002. - V. 49. - P. 2115.

18. Klimov А. В., Guzman R-, Retama J. C., Saavedra C. Qutrit quantum computer with trapped ions // Phys. Rev. A. - 2003. - V. 67. -P. 062313.

19. Сачков В. H. Введение в комбинаторные методы дискретной математики. / В. Н. Сачков.-М.: Наука, 1982.-384с.

20. Berman G. P., Doolen G.D., Lopez G.V., Tsifrinovich V. I. Nonresonant effects in the implementation of the quantum Shor algorithm // Phys. Rev. A. -^2000. -V. 61. -P. 042307.

21. Siu M. S. From quantum circuits to adiabatic algorithms // Phys. Rev. A. -2005. — V. 71. — P. 062314.

22. Peng X., Liao Z., Xu N. et al. Quantum adiabatic algorithm for factorization and its experimental implementation // Phys. Rev. Lett. -2008. - V. 101. -P. 220405.

Подписано в печать 15.11.2013. Заказ № 69 Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 70 экз. Типография ФГБУН Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок, 50

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения РАН

На правах рукописи

04201 453959

Ермилов Андрей Сергеевич Моделирование работы квантового компьютера на квадрупольных ядрах

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В. Е. Зобов

Красноярск - 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................4

Глава 1. Методы организации квантовых вычислений.............................................10

1.1. Базовые понятия..................................................................................................10

1.1.1. Квантовые биты (кубиты)........................................................................10

1.1.2. Квантовые логические операторы (квантовые вентили).......................11

1.2. Квантовые алгоритмы.........................................................................................13

1.2.1. Квантовое преобразование Фурье...........................................................13

1.2.2. Использование квантового преобразования Фурье в алгоритмах определения периода................................................................................15

1.2.3. Квантовый алгоритм поиска порядка подстановки...............................16

1.3. Адиабатическое квантовое вычисление. Квантовый отжиг............................17

1.4. Вычисления на многоуровневых квантовых элементах.................................18

1.4.1. Понятие кудита..........................................................................................18

1.4.2. Система связанных квадрупольных ядер в магнитном поле................20

1.4.3. Управление с помощью импульсов радиочастотного поля..................20

1.4.4. Матрица плотности. Квазичистое состояние.........................................23

Выводы по главе............................................................................................................25

Глава 2. Реализация квантовых вентилей на кудитах и их применение для выполнения квантовых алгоритмов............................................................................26

2.1. Вентиль контролируемого сдвига фазы............................................................26

2.2. Вентиль QFT, выполняемый на отдельном кудите..........................................27

2.2.1. Реализация через виртуальные кубиты..................................................27

2.2.2. Реализация через общее разложение унитарных матриц.....................30

2.2.3. Обобщение через виртуальные кудиты..................................................35

2.3. Реализации вентиля БиМна двух кудитах.......................................................38

2.4. Выполнение квантового преобразования Фурье на нескольких кудитах......38

2.5. Выполнение алгоритма поиска порядка подстановки на двух кудитах........39

2.5.1. Общая схема..............................................................................................39

2.5.2. Моделирование алгоритма.......................................................................40

2.5.3. Сравнение с реализацией на кубитах.....................................................43

Выводы по главе............................................................................................................46

Глава 3. Квантовые вычисления с использованием адиабатической эволюции.....47

3.1. Метод получения адиабатической эволюции для квантовых алгоритмов, представленных стандартной квантовой схемой.............................................47

3.2. Адиабатическая реализация квантового преобразования Фурье на трех кубитах.................................................................................................................53

3.3. Адиабатическая реализация квантового алгоритма определения порядка подстановки на пяти кубитах.............................................................................56

3.4. Обсуждение результатов.....................................................................................60

Выводы по главе............................................................................................................66

Глава 4. Адиабатические квантовые вычисления на кудитах...................................67

4.1. Адиабатическая реализация алгоритма определения порядка подстановки на двух кудитах....................................................................................................67

4.2. Адиабатическая реализация алгоритма факторизации на двух кудитах.......69

4.2.1. Получение эффективного гамильтониана..............................................72

4.2.2. Реализация на системе двух связанных квадрупольных ядер..............77

4.2.3. Расчеты и обсуждение результатов.........................................................81

Выводы по главе............................................................................................................87

Заключение.....................................................................................................................88

Список литературы........................................................................................................91

Введение

Объект исследования и актуальность темы

С конца прошлого века наблюдается непрекращающийся интерес к тому, что называется «квантовые вычисления» и «квантовая теория информации». Возникшая на стыке различных дисциплин, эта область исследований открывает новые перспективы для решения сложных вычислительных задач, моделирования физических и биохимических процессов, организации кодирования и передачи данных.

Одними из первых, кто высказал идею о применении квантовых систем в качестве вычислительной машины, были Р. Фейнман [1, 2, 3] и Ю. И. Манин [4]. Ими было замечено, что моделирование естественных систем (например, квантово-механических) является экспоненциально сложной задачей для классических компьютеров. В то же время, если для моделирования использовать систему с тем же типом поведения, то задача становится полиномиально сложной, то есть существует эффективный алгоритм ее решения.

В тот же период, благодаря работам таких авторов как П. Бениофф [5, 6], Д. Дойч [3,7] и Ч. Беннетт [3,8], были заложены теоретические основы квантовых вычислений. Позже были получены вычислительные алгоритмы [3, 9, 10, 11], использующие такие квантово-механические эффекты, как квантовый параллелизм [10], интерференция и запутанность квантовых состояний [11, 12], и демонстрирующие эффективность квантовых вычислений в решении различных задач.

Как и в классической теории вычислений, для квантовых вычислений определены такие понятия как единица квантовой информации, элементарный логический оператор (квантовый вентиль), квантовый алгоритм. При этом, в силу некоторой преемственности, основная часть работ, посвященных квантовым вычислениям, выполнена с точки зрения оперирования простейшими логическими элементами — кубитами, каждый из которых образуется за счет использования всего двух квантовых состояний.

Однако в природе квантовые объекты не ограничены двумя состояниями, поэтому среди различных групп экспериментальных исследователей активно обсуждается вопрос практического применения таких объектов, называемых в общем случае кудитами, для выполнения квантовых вычислений.

Уже доказано, что с помощью универсального набора одно- и двух-кудитовых квантовых вентилей можно выполнить любой квантовый алгоритм. Тем не менее, получено очень мало конкретных квантовых схем, допускающих экспериментальную реализацию квантовых вычислений на кудитах.

С другой стороны, современные импульсные методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) оказались весьма эффективными для выполнения простых квантовых алгоритмов, благодаря хорошо развитым методам управления с помощью резонансных импульсов радиочастотного (РЧ) магнитного поля. В том числе, существует ряд работ по управлению состояниями отдельных кудитов, представленных квадрупольными ядрами со спином /> 1/2.

Таким образом, разработка способов выполнения квантовых вычислений на кудитах является актуальной и практически значимой задачей. Поскольку экспериментальная реализация простейших квантовых алгоритмов сдерживается современным уровнем технологий, полноценный квантовый компьютер все еще является гипотетическим устройством. Поэтому численное моделирование является эффективным методом исследования возможной реализации квантовых вычислений.

Цель работы и основные задачи

Целью диссертационной работы является разработка схем для реализации простых квантовых алгоритмов, выполняемых на системе кудитов, представленных связанными квадрупольными ядрами, управляемыми методами ЯМР, а также численное моделирование работы полученных алгоритмов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Получение схемы реализации простых квантовых алгоритмов на кудитах.

2. Нахождение последовательности РЧ импульсов для выполнения алгоритмов на квадрупольных ядрах со спином /> 1/2.

3. Численное моделирование эволюции квантовой системы под действием полученной последовательности РЧ импульсов.

4. Исследование зависимости ошибки, получаемой в результате квантового вычисления, от различных физических параметров системы и анализ полученных результатов.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Первая глава работы носит обзорный характер. В этой главе вводятся понятия кубита и кудита, квантового вентиля и квантового алгоритма, приводятся описания основных квантовых вентилей, объясняется принцип работы рассматриваемых в работе алгоритмов. Также в первой главе описывается способ управления квантовой системой с помощью селективных РЧ импульсов.

Вторая глава посвящена проблеме реализации базовых вентилей на кудитах. На примере квадрупольных ядер, управляемых с помощью селективных (по переходам между уровнями) РЧ импульсов, рассмотрены способы получения вентилей QFT и SUM, а также представлены схемы для выполнения квантового преобразования Фурье (КПФ) и простейшего алгоритма поиска порядка подстановки.

В третьей главе изучается особый способ организации квантовых вычислений, при котором для любой задачи, алгоритм решения которой существует в виде последовательности квантовых вентилей, можно выполнить адиабатическое квантовое вычисление. Предложено унитарное преобразование оператора эволюции, которое позволяет избежать трудностей, связанных с построением эффективного гамильтониана, осуществляющего адиабатический алгоритм. Гамильтониан необходимого вида образуется автоматически. В качестве примеров рассматривается адиабатическая реализация двух алгоритмов: КПФ на системе трех кубитов и поиска порядка подстановки на пяти кубитах.

В четвертой главе рассматриваются способы реализации адиабатического вычисления на кудитах. В первой части этой главы показано, как применить описанный в третьей главе способ для адиабатического выполнения алгоритма поиска порядка подстановки на системе двух квадрупольных ядер. Во второй части, на примере задачи факторизации (разложения числа на множители), рассматривается другой способ организации адиабатических квантовых вычислений, при котором форма конечного гамильтониана определяется некоторой весовой функцией таким образом, что состояние квантовой системы в конце вычисления содержит ответ на поставленную задачу.

Диссертацию завершает заключение, в котором подводятся основные итоги работы.

Научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны схемы для практического осуществления КПФ на кудитах. Рассчитаны последовательности РЧ импульсов для реализации вентиля О^Т на отдельных кудитах, представленных квадрупольными ядрами со спином 1 </<9/2. Последовательности для случаев ядер со спинами 3/2 </<9/2 найдены впервые.

2. Впервые получена схема для выполнения квантового алгоритма поиска порядка подстановки на двух кудитах, а также рассчитана последовательность РЧ импульсов для реализации алгоритма на системе связанных квадрупольных ядер со спинами 1Х = 7/2 и /2 = 3/2, выполнено численное моделирование работы алгоритма.

3. На основании существующего метода организации адиабатического квантового вычисления предложен оригинальный способ реализации адиабатических квантовых алгоритмов. Выполнено численное моделирование адиабатической реализации квантового алгоритма поиска порядка подстановки на двух квадрупольных ядрах со спинами 1\ = 7/2 и /2 = 3/2.

4. Впервые получена схема для выполнения адиабатического квантового алгоритма факторизации на двух кудитах и рассчитана последовательность РЧ импульсов для факторизации чисел 35, 21 и 15 на системе связанных квадрупольных ядер со спинами 1Х = Ъ12 и /2=1, выполнено численное моделирование работы алгоритма.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы заключается в демонстрации возможности выполнения простых квантовых алгоритмов на кудитах, представленных квадрупольными ядрами.

Для реализации алгоритмов на двух ядрах с сильным квадрупольным взаимодействием, типичным для твердых тел, получены последовательности РЧ импульсов, селективных по переходам между уровнями. Исследована зависимость ошибки реализации от физических параметров и даны рекомендации для планирования эксперимента.

Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью результатов численного моделирования с аналитическими оценками. Применяемые для численного моделирования модели соответствуют природе исследуемых объектов.

Результаты работы также могут оказаться полезными при управлении другими многоуровневыми квантовыми системами.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования различных способов получения одночастичного вентиля О^Т для многоуровневых квантовых элементов. Последовательности операторов для получения вентиля QFT на кудитах с числом энергетических уровней от 3 до 10.

2. Последовательности операторов для реализации квантового алгоритма поиска порядка подстановки на системе двух квадрупольных ядер со спинами 1\ = 7/2 и /2 = 3/2, управляемых селективными РЧ импульсами. Результаты численного моделирования работы алгоритма.

3. Результаты исследования различных вариантов адиабатической реализации квантового вычисления для алгоритмов, представленных в виде последовательностей квантовых вентилей. Оригинальный способ выполнения адиабатических алгоритмов, допускающий сравнительно простую практическую реализацию методами ЯМР. Результаты численного моделирования работы адиабатических квантовых алгоритмов, выполненных с использованием предложенного способа:

а) алгоритма вычисления КПФ на системе трех кубитов;

б) алгоритма поиска порядка подстановки на системе пяти кубитов;

в) алгоритма поиска порядка подстановки на системе двух квадрупольных ядер со спинами /] = 7/2 и /2 = 3/2.

4. Способ получения эффективного гамильтониана для выполнения адиабатического алгоритма факторизации на системе двух квадрупольных ядер, управляемых селективными РЧ импульсами. Последовательности РЧ импульсов для реализации алгоритма в случае ядер со спинами /] = 3/2 и I2= 1, а также результаты численного моделирования работы алгоритма.

Апробация работы

Результаты диссертационных исследований опубликованы в журналах: «ЖЭТФ» [13], «Письма в ЖЭТФ» [14, 15], «Оптика и спектроскопия» [16], «ТМФ» [17], «Вестник КрасГУ» [18], «Quantum Computers and Computing» [19], a также докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VIII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2005 г.), Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-12» (Новосибирск, 2006 г.), Международной конференции «Micro- and nanoelectronics» (Звенигород, 2007 и 2009 гг.).

Глава 1

Методы организации квантовых вычислений

1.1. Базовые понятия

1.1.1. Квантовые биты (кубиты)

Для описания состояний микрообъектов и их свойств удобнее всего использовать язык комплексных Гильбертовых пространств. Простейшим таким пространством является пространство двух квантовых состояний, ортонормирован-ный базис которого можно обозначить как {|0), |1)}. В соответствии с принципом суперпозиции, наиболее общее нормированное состояние в таком пространстве может быть представлено в виде вектора:

И = С0|0)+С1|1), (И<гНс0|2+Ы2=1. (1.1)

После проецирования на ортонормированный базис, состояние \у/) переходит либо

2 2 в состояние |0) с вероятностью |с0| , либо в состояние |1) с вероятностью \с\\ .

Аналогично тому, как в классической теории для обозначения единицы информации, принимающей значение 0 или 1, вводится понятие бита, единица квантовой информации, описываемая выражением (1.1), называется кубитом [12].

Состояния кубита |0) и |1> называются базисными, а комплексные числа со и c¡ - их ♦ амплитудами. В процессе считывания информации с кубита, суперпозиция (1.1) разрушается и кубит переходит в одно из своих базисных состояний, т.е. преобразуется в вероятностный классический бит.

Понятие кубита имеет формально прос-

Рисунок 1.1.

тую геометрическую интерпретацию в виде Сфера Блоха. Амплитуды состояний в

сферы Блоха (рисунок 1.1), построенной в (1Л) связаны со сферическими координатами через соотношение:

воображаемом пространстве состояний. с0 = cos(é'/2), с, = e¥sin(6>/2).

Каждая точка на поверхности сферы, связанная с началом координат в ее центре, образует вектор, представляющий собой геометрическую интерпретацию вектора состояния

1.1.2. Квантовые логические операторы (квантовые вентили)

Известно, что универсальный компьютер может быть представлен как схема взаимосвязанных логических блоков - вентилей, вы