【摘 要】
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二十世纪初,量子力学的诞生为科学家们开辟了一片新前景,量子计算这一新兴领域也将给世界带来巨大的时代变革。近些年来,寻找可靠的物理系统一直是量子计算领域的热点问题。极性分子受外加电场作用,其分子轴在电场方向的一定角度范围内振荡,形成摆动态,这些摆动态具有特定的取向,可使分子偶极矩沿电场方向投影,进而通过偶极-偶极耦合产生长程各向异性相互作用。摆动态的本征能量与外电场有关,这使得量子比特可以在梯度场中
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二十世纪初,量子力学的诞生为科学家们开辟了一片新前景,量子计算这一新兴领域也将给世界带来巨大的时代变革。近些年来,寻找可靠的物理系统一直是量子计算领域的热点问题。极性分子受外加电场作用,其分子轴在电场方向的一定角度范围内振荡,形成摆动态,这些摆动态具有特定的取向,可使分子偶极矩沿电场方向投影,进而通过偶极-偶极耦合产生长程各向异性相互作用。摆动态的本征能量与外电场有关,这使得量子比特可以在梯度场中被单独寻址。此外,极性分子具有较大的永久偶极矩和较丰富的内部结构,使其更易被外电场操控。因此,极性分子有望成为实现量子计算的一个可靠的的物理平台。本文旨在从量子纠缠形成、量子海森堡模型实现和量子逻辑门实现三个方面探讨基于极性分子的量子计算的可行性。本论文的主要工作可以分为以下三个部分:1、极性分子偶极阵列的量子纠缠。选取摆动态|00〉和|10〉作为量子比特态。对于由N个极性分子组成的一维分子链,我们分析了共生纠缠度和全局纠缠度和与电场强度、分子电偶极矩、分子间距离和温度有关的三个无量纲变量με/B、?/B、kT/B之间的关系。2、极性分子摆动态下自旋1/2海森堡模型的实现。为了使系统哈密顿量可以映射到自旋系统的量子海森堡模型上,我们选取了摆动态|11〉和|10〉作为两个赝自旋态。我们讨论了广义海森堡XYZ模型的实现方法以及通过调节外电场与分子阵列轴的夹角来实现XXZ模型和XY模型的特殊情况。此外,根据海森堡XXZ模型,我们得到了一维极性分子阵列的基态相图并讨论了在极性分子摆动态下实现绝热量子计算的可行性。3、基于海森堡模型的极性分子系统中量子逻辑门的实现。选取实现海森堡模型的两个赝自旋态作为量子比特。我们利用多目标最优控制理论得到了实现典型量子逻辑门的最优激光脉冲。本论文中主要研究了NOT门、Hadamard门和CNOT门并讨论了这些量子逻辑门操作的性能。
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