核磁共振中的量子控制

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)167601专题：量子精密计量与操控核磁共振中的量子控制冰李俊)崔江煜)杨晓东)罗智煌)潘健)余琦)李兆凯)彭新华)2)十杜江峰)2)1)(中国科学技术大学近代物理系，合肥微尺度物质科学国家实验室，合肥230026)2)(中国科学技术大学，量子信息与量子科技前沿协同创新中心，合肥230026)(2015年4月29日收到；2015年6月12日收到修改稿)近年来，随着量子信息科学的发展，对由量子力学原理描述的微观世界的主动调控已成为重要的前沿研究领域．

2、为构造实际的量子信息处理器，一个关键的挑战是：如何对处于噪声环境下的量子体系实现一系列高精度的任意操作，以完成目标量子信息处理任务．为此，人们将经典系统控制论的思想方法延伸到量子体系的领域，提出了大量的量子控制方法以及相关的数值技术(如量子优化控制、量子反馈控制等)，并取得了丰富的研究成果．核磁共振自旋体系具备成熟的系统理论和操控技术，为量子控制方法的实用性研究提供了优秀的实验测试平台．因此，基于核磁共振的量子控制成为量子控制领域的重要方向．本文简要介绍了量子控制的基本概念和方法；从系统控制论的角度对核磁共振自旋体系

3、的基本原理和重要控制任务做了阐述；介绍了近些年来在该领域发展的相关控制方法及其应用；对基于核磁共振体系的量子控制的进一步的研究做了几点展望．关键词：量子控制，量子计算，核磁共振PACS：76．60．一k，03．65．Yz，03．67．LxDOI：10．7498／aps．64．167601是：对由量子力学描述的微观体系进行精确而有效的操控是量子控制的主要研究目标．量子控制论可1量子控制与核磁共振看作是经典控制论在量子领域的延伸．然而由于一个世纪以来，量子力学在解释微观物理现象量子体系相比于经典情形所具有的独特性质f如纠

4、方面取得了巨大的成功．直到最近数十年，人们开缠、退相干、测量坍缩等)，常常并不能简单地直接始不仅仅只是寻求对微观世界的描述，还关心如何将经典控制理论f如优化、反馈、噪声、滤波等核心去调控量子系统以完成所需的动力学演化．调控量概念)应用于量子体系．因此发展适用于量子体系子系统逐渐成为重要的前沿科研领域，并诞生了丰的量子控制方法，以及在实际物理体系中应用这些富的研究成果[1-4】．这在很大程度上得益于人们对控制方法来实现特定的控制任务，就成为量子控制发展量子计算与量子信息技术的极大兴趣．由于基研究的主要内容．于量子力学原

5、理的计算机器被认为具有本质上优上述量子控制发展的一般图景，十分适用于描于经典计算机器的计算能力[，引，人们投入极大的述基于核磁共振体系的量子控制的研究方向．经精力寻求构建实际可行的量子物理计算体系．而应过半个多世纪的发展，核磁共振fNMR)谱学已经用量子物理机制来进行信息处理的一个核心问题发展成为十分成熟的实验学科．人们能够定量地国家重点基础研究发展规划(批准号：2013CB921800，2014CB848700)、国家杰出青年科学基金(批准号：11425523)、国家自然科学基金(批准号：11375167，1122

6、7901，91021005)、中国科学院战略性先导科技专项(B)(批准号：XDB01030400)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号：20113402110044)资助的课题．十通信作者．E—mail：xhpeng@ustc．edu．ca◎2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／fwulixb．iphy．ac．c住167601．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)167601刻画实验条件、从实验结果中获取有用信息、对量子系统一控制手段作用方式

7、的情形下(比如对原实验现象做出可靠的解释以及通过计算机进行高子施加激光场1，也认为该系统是封闭的【24]．当然精度的数值仿真．在现代NMR谱学中，可以做到大多数实际情形是受控系统还时刻受到环境噪声对多达数百个核自旋组成的大分子样品上施加十的影响，此时研究开放系统动力学的性质就十分必分复杂的脉冲序列．因此，核磁共振技术成为研要．因此，总体而言，设计精确可行的量子控制方究物质微观结构的最精密的探测手段之一．而随案，离不开对系统的动态演化、制备与测量过程以着量子信息技术的发展，提出了基于NMR的核自及环境噪声等方面做严格的

8、刻画．旋量子信息处理的物理实现方案【0，，这进一步使由于量子控制领域的广泛性，要全面介绍是很人们对核自旋动力学的调控达到了新的水平[8，91．困难的．因此，本文主要集中于NMR量子控制中NMR核自旋体系作为量子信息处理器，具有较长涉及的基本概念及主要方法．更深入的关于量子力的相干时间，已经被用来很好地演示许多量子算法学基本原理以及量子控制基本概