پردازش اطلاعات کوانتومی با استفاده از طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته

سلیمی مقدم, مهکامه; طاهری نیا, داود; مرحبایی, سینا; رئیسی, صادق

doi:10.22036/cr.2022.349795.1188

پردازش اطلاعات کوانتومی با استفاده از طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مهکامه سلیمی مقدم ¹

داود طاهری نیا ²

سینا مرحبایی ³

صادق رئیسی ¹

¹ دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

² دانشکده شیمی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

³ دانش آموخته دانشکده فیزیک و شیمی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

10.22036/cr.2022.349795.1188

چکیده

یکی از ملزومات پردازش اطلاعات کوانتومی، قابلیت اعمال درگاههای کوانتومی جهان شمول است. هر تحول یکانی کوانتومی را میتوان بر حسب این درگاهها با دقت دلخواه تجزیه کرد و تقریب زد. تشدید مغناطیسی هسته (NMR) یکی از روشهایی است که برای آزمودن بسیاری از الگوریتمهای کوانتومی مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله، اولین پیاده سازی درگاههای کوانتومی با استفاده از NMR در ایران گزارش میشود. به طور مشخص، از اسپینهای کربن و هیدروژن در مولکول کلروفرم به عنوان بیت های کوانتمی استفاده کردیم و درگاههای تک کیوبیتی و دو کیوبیتی را بر روی بیت های کوانتمی اعمال نمودیم. همچنین، کیفیت این درگاهها را با توموگرافی کوانتمی مورد ارزیابی قرار دادیم. نتایج به دست آمده نشان میدهد که درگاههای مورد نظر با کیفیت بالا (شباهت بیشتر از 99%) پیاده‌سازی شدهاند. این کار، راه را پیاده سازی آزمایشگاهی الگوریتم های کوانتمی برای کاربرد های محاسبات کوانتومی، سنجش کوانتمی دقیق و شبیه سازی‌های کوانتومی در ایران باز میکند.

چکیده تصویری

پردازش اطلاعات کوانتومی با استفاده از طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته

کلیدواژه‌ها

برش نگاری کوانتومی درگاه

پردازش اطلاعات کوانتومی

حالت های شبه خالص

درگاه های کوانتومی

طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته

موضوعات

شیمی فیزیک

عنوان مقاله English

Quantum Information Processing with NMR Spectroscopy

نویسندگان English

Mahkame Salimi Moghadam ¹

Davood Taherinia ²

Sina Marhabaie ³

Sadegh Raeisi ¹

¹ Department of Physics, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

² Department of Chemistry, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

³ Alumnus of Chemistry and Physics Departments, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده English

One of the essential requirements for Quantum Information Processing (QIP) is implementing universal sets of gates with high fidelity. All quantum operations can be decomposed and approximated with a combination of elements in a universal set of gates with arbitrary precision. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is one of the techniques that has attracted a lot of attention for testing quantum algorithms. In this article, the first implementation of a universal set of quantum gates with NMR in Iran is reported. Specifically, we used the hydrogen (1H) and carbon (13C) nuclear spins in chloroform as the quantum bits and implemented single and two-qubit gates on them. The quality of these gates was evaluated using quantum tomography. Experimental results show that the gates were implemented with fidelities of more than %90. This work could pave the way for experimental realization of quantum algorithms for applications in Quantum Computing, Quantum Sensing and Quantum Simulations.

کلیدواژه‌ها English

Quantum Information Processing (QIP)

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy

quantum gates

pseudo pure states

quantum gate tomography

[1] P. W. Shor, Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE Comput. Soc. Press, 124 (1994).

[2] D. Deutsch, R. Jozsa, Proc. R. Soc. Lond. A 439, 553 (1992).

[3] M. Nielsen, I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (10th Anniversary edn.) Cambridge University Press. 2010.

[4] L. M. Vandersypen, I. L. Chuang, Rev. Mod. Phys. 76, 1037 (2005).

[5] J. A. Jones, R. H. Hansen, M. Mosca, J. Mag. Reson. 135, 353 (1998).

[6] J. A. Jones, M. Mosca, J. Chem. Phys. 109, 1648 (1998).

[7] L. Isenhower, E. Urban, X. L. Zhang, A .T. Gill, T. Henage, T. A. Johnson, T. G. Walker, M. Saffman, Phys. Rev. Lett. 104, 010503 (2010).

[8] C. Monroe, D. M. Meekhof, B. E. King, W. M. Itano, D. J. Winelandet, Phys. Rev. Lett. 75, 4714 (1995).

[9] D. J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. 2004.

[10] V. P. Grover, J. M. Tognarelli, M. M. Crossey, I. J. Cox, S. D. Taylor-Robinson, M. J. McPhail, J Clin Exp Hepatol 5, 246 (2015).

[11] V. L. Ermakov, B. M. Fung, Phys. Rev. A 66, 042310 (2002).

[12] I. S. Oliveira, T. J. Bonagamba, R. S. Sarthour, J. C. C. Freitas, E. R. Azevedo, NMR Quantum Information Processing. Elsevier. Amsterdam. 2007.

[13] D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Fundamentals of Physics. Wiley. 2005.

[14] Courtesy of Allen D. Elster, MRIquestions.com.

[15] M. Mohseni, A. T. Rezakhani, D. A. Lidar, Phys. Rev. A 77, 032322 (2013).

[16] D. Greenbaum, arXiv preprint arXiv:1509.02921 (2015).

[17] D. G. Cory, A. F. Fahmy, T. F. Havel, Proc. Natl. Acad. Sci. 94, 1634 (1997).

[18] H. Li, G. Cao, G. Yu, M. Xiao, G. Guo, H. Jiang, G. Guo, Nat. Commun. 6, 1 (2015).

[19] Y. Lahini, G. R. Steinbrecher, A. D. Bookatz, D. Englund Npj Quantum Inf. 4, 1 (2018).

[20] Y. He, S. K. Gorman, D. Keith, L. Kranz, J. G. Keizer, M. Y. Simmons, Nature 571, 371 (2019).

[21] A. M. Childs, I. L. Chuang, D. W. Leung, Phys. Rev. A 64, 012314 (2001).

[22] M. Riebe, K. Kim, P. Schindler, T. Monz, P. O. Schmidt, T. K. Körber, W. Hänsel, H. Häffner, C. F. Roos, R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 97, 220407 (2006).

[23] M. Jiang, T. Wu, J. W. Blanchard, G. Feng, X. Peng, D. Budker, Sci. Adv. 4, eaar6327 (2018).

[24] E. Magesan, R. BlumeKohout, J. Emerson, Phys. Rev. A 84, 012309 (2011).

[25] A. Peres, Found. Phys. 29, 589 (1999).

[26] S. Raeisi, P. Kurzynski, D. Kaszlikowski, Phys. Rev. Lett. 114, 200401(2015).

[27] D. Qu, P. Kurzynski, D. Kaszlikowski, S. Raeisi, L. Xiao, K. Wang, X. Zhan, P. Xue, Phys. Rev. A 101, 060101 (2020).