高磁场下的核磁共振量子模拟实验研究

Quantum simulation of many-body quantum systems is the hotspot in recent years. But it is difficult to precisely control multi-spin quantum system so as to realize high fidelity quantum evolution. Considering NMR signals' high resolution and SNR under high magnetic field, in this project, we will develop the technique of controlling quantum state presicly, and conduct a multi-qubit NMR quantum simulater. Then we will do some experimental simulation research works on some basic problems of quantum physics and chemistry, such as compressed quantum simulation, computation of ground state energy of water molecule and so on. We hope that by experimentally demonstrating some algorithm which will be difficult to conduct on classical computers, we can exhibit the power of quantum computers and quantum simulaters. And these high fidelity quantum controlling technique on NMR quantum system can also provide necessary reference for quantum conherece control on other physical quantum systems.

复杂量子多体系统的量子模拟是近几年国际研究重点和热点,然而如何对多自旋的量子体系进行有效精确的操控，实现高保真量子演化是研究的难点。本项目拟利用高磁场条件下核磁共振信号高分辨率和高信噪比的优势，发展在高磁场条件下精确的量子态操控技术，构建多量子比特核磁共振量子模拟器，开展对于量子物理化学方面一些基本问题的模拟实验研究，如量子压缩态量子算法，水分子能级计算量子模拟等。通过在实验上演示一些经典计算机难以完成的算法，展示量子计算与量子模拟不同于经典运算的独特能力。同时本项目利用核磁共振量子体系发展的一些高保真度量子操控技术也将为其他物理体系量子相干控制等技术的发展提供必要技术参考。

复杂量子多体系统的量子模拟是近几年国际研究重点和热点。本项目主要研究内容为在高场条件下利用核磁共振量子模拟器在核自旋体系上开展量子模拟的实验研究。我们挑选并测试了多个量子比特样品，研究高场条件下量子自旋系统动力学演化，探索并优化了高场下grape脉冲控制技术，实现了多量子比特系统初态制备方法以及对量子体系的精确量子控制。我们还研究了绝热量子计算等多种抗噪声量子计算模式，以及量子压缩算法等新型量子算法在量子计算与量子模拟中的应用。利用发展高精度量子自旋操纵技术的实验成功展示了如利用量子压缩算法实验实现压缩量子模拟、利用量子算法实验实现求解线性方程组、利用核磁共振量子模拟器模拟观测Unruh效应等多个量子计算与量子模拟研究工作。并将磁共振量子操控技术应用至光探测磁共振领域实现在室温大气环境下探测到单个蛋白质分子磁共振谱。这些发展的量子自旋操控技术和量子计算和量子模拟研究成果将对基于量子自旋体系量子计算与量子模拟发展起到积极推动作用。