[发明专利]基于射频场不均匀性的赝纯态制备方法和赝纯态制备装置

说明书

本发明公开了一种基于射频场不均匀性的赝纯态制备方法和赝纯态制备装置。该赝纯态制备方法包括：对核磁共振样品的热平衡态进行第一次幺正操作，得到第一量子态；对第一量子态进行第二次幺正操作，使第一量子态的密度矩阵中对角元所对应的核自旋极化分量旋转至由初始方向与预设方向平行且使非对角元所对应的核自旋极化分量旋转至预设方向垂直，得到第二量子态；利用射频线圈对第二量子态施加预定参数的射频场，进行非幺正操作，得到第三量子态；对第三量子态进行第三次幺正操作，以将第三量子态中的核自旋极化分量旋转至初始方向，得到核磁共振样品的赝纯态。该方法无需使用梯度场，降低了制备难度，缩短了制备时间。

技术领域

本发明属量子计算技术领域，具体地讲，涉及一种基于射频场不均匀性的赝纯态制备方法和赝纯态制备装置。

背景技术

在核磁共振量子计算中，够制备量子计算初始态—赝纯态是必要不可少的步骤，其重要性与其他量子计算系统中的初始化相同。赝纯态的动力学表现、测量表现均与纯态相同。

现有的赝纯态制备有时间平均法(PRA 57，3348)、空间平均法(PNAS 94，1634)、控制传输法(PRA 82，032315)、弛豫法(PRA 94，012312)、line-selective方法(ChemicalPhysics Letters 340，509)等。，以n个量子比特的实验为例来简要说明各个制备方法。一、时间平均法：需要先后重复运行实验2^n-1次，最后将实验结果加在一起作为最后的实验结果，时间复杂度高，并需要核磁量子计算机具有较好的时间稳定性。二、空间平均法：需要多次使用脉冲梯度场(n个量子比特实验，需要n次梯度场)，且制备赝纯态的效率较低(信号强度以1/2^n的尺度下降)。三、控制传输法：需要多次使用脉冲梯度场。四、弛豫法：虽然该方法可以不用使用梯度场且能从任意初态出发，但是单次实验中需要多次(上百次)循环同一脉冲序列，单次实验时间长，且脉冲循环次数、循环间隙等待时间均需在实际核磁量子计算机上优化。五、Line-selective方法：虽然该方法只需要一次梯度场，并且制备赝纯态效率高，但是对于同核的量子比特，梯度场无法消除该方法中产生的零阶相干项，导致无法在同核系统中制备出赝纯态。

因此，现有的赝纯态制备方法要么是需要采用梯度场，制备难度大且技术门槛较高，要么是需要长时间进行制备，制备效率且成本高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：如何实现无需采用梯度场且可在较短时间内制备核磁共振量子计算系统的赝纯态。

本申请公开了基于射频场不均匀性的赝纯态制备方法，所述赝纯态制备方法包括：

对核磁共振样品的热平衡态进行第一次幺正操作，得到第一量子态，所述第一量子态中除基态之外其他能量本征态的布居度相同；

对所述第一量子态进行第二次幺正操作，使所述第一量子态的密度矩阵中对角元所对应的核自旋极化分量由初始方向旋转至与预设方向平行且使非对角元所对应的核自旋极化分量旋转至与所述预设方向垂直，得到第二量子态；

利用射频线圈对所述第二量子态施加预定参数的射频场，进行非幺正操作，以将与所述预设方向垂直的核自旋极化分量消除，并保留与所述预设方向平行的核自旋极化分量，得到第三量子态，其中所述射频场的方向与所述预设方向垂直；

对所述第三量子态进行第三次幺正操作，以将所述第三量子态中的核自旋极化分量旋转至所述初始方向，得到核磁共振样品的赝纯态。

优选地，所述热平衡态为异核的两比特量子态或多比特量子态。