[论文解读] NMR quantum information processing

Dawei Lu, Aharon Brodutch+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本文综述了核磁共振（NMR）量子信息处理作为量子计算领先平台的作用，展示了其在多量子比特上实现通用量子控制的能力。文章强调了在量子算法、错误校正和基础量子实验方面的关键进展，确立了NMR作为量子信息科学基础性实验平台的地位，并广泛适用于其他量子系统。

ABSTRACT

Quantum computing exploits fundamentally new models of computation based on quantum mechanical properties instead of classical physics, and it is believed that quantum computers are able to dramatically improve computational power for particular tasks. At present, nuclear magnetic resonance (NMR) has been one of the most successful platforms amongst all current implementations. It has demonstrated universal controls on the largest number of qubits, and many advanced techniques developed in NMR have been adopted to other quantum systems successfully. In this review, we show how NMR quantum processors can satisfy the general requirements of a quantum computer, and describe advanced techniques developed towards this target. Additionally, we review some recent NMR quantum processor experiments. These experiments include benchmarking protocols, quantum error correction, demonstrations of algorithms exploiting quantum properties, exploring the foundations of quantum mechanics, and quantum simulations. Finally we summarize the concepts and comment on future prospects.

研究动机与目标

• 评估NMR作为具备可扩展量子控制能力的领先量子信息处理平台的作用。
• 分析NMR系统如何满足通用量子计算机的DiVincenzo标准。
• 总结已应用于其他量子计算平台的先进NMR技术。
• 综述近期在NMR量子处理器中的实验演示，包括基准测试、错误校正和量子模拟。
• 评估NMR在推动量子信息科学与技术发展方面的未来前景。

提出的方法

• 利用核磁共振（NMR）通过射频脉冲相干控制分子中自旋-1/2粒子（量子比特）的量子态。
• 采用标准NMR技术，如脉冲序列、态层析成像和动态核极化，实现量子态的初始化、操控与测量。
• 应用量子过程层析成像和随机基准测试来表征量子门并验证控制保真度。
• 在NMR中采用量子错误校正码（例如Steane码）以演示对退相干的逻辑量子比特保护。
• 利用基于NMR的量子模拟来模拟多体量子系统并检验基础量子力学。
• 集成基准测试协议，如随机基准测试和过程保真度估计，以量化门性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 NMR量子信息处理如何满足通用量子计算机的标准？
• RQ2 在NMR中开发的关键实验技术有哪些，已被转移到其他量子平台？
• RQ3 NMR系统在演示量子错误校正和容错协议方面的有效性如何？
• RQ4 NMR在扩展至大规模量子计算方面存在哪些局限性？
• RQ5 NMR实验如何促进对量子力学基础方面的检验以及量子系统的模拟？

主要发现

• 在所有当前的量子计算平台中，NMR在实现通用控制的量子比特数量上最多。
• 基于NMR的实验已成功演示了通过多个核自旋编码的逻辑量子比特实现的量子错误校正。
• 已在NMR中实现随机基准测试等基准测试协议，实现了保真度超过95%的高保真度量子门。
• NMR量子处理器已被用于模拟量子多体系统并检验量子基础，包括互补性与纠缠。
• 先进的NMR技术如动力学解耦和回波序列已被用于延长相干时间并提高门保真度。
• 本综述确立了NMR作为开发和验证现用于其他平台的量子信息协议的关键实验平台。