基于分子量子比特实现D-J算法量子纠错的实施方法
基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法
技术领域
1.本技术涉及量子计算技术领域，特别是涉及一种基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法。
背景技术：
2.量子计算概念于1982年由费曼提出，是一种基于量子力学规律调控量子信息单元以量子叠加态形式存储并通过量子态演化进行运算的新型计算模式。其核心优势在于——随着可操纵量子比特数增加，信息存储量与高速并行运算能力将呈指数增长，以及可高效精确地模拟复杂量子系统，同时有望突破芯片尺寸物理极限对后摩尔时代计算机性能提升的限制。展现出重要的学术价值与广泛的应用前景，被视为“决定未来的技术”。
3.量子信息单元由遵循量子力学原理的量子比特构成。与超导电路、金刚石nv心与离子阱等物理体系相比，磁性分子具有精准合成可调控、化学组装可拓展与电子能级结构丰富等特点，展现出重要的潜在优势，被认为是一种极具前景的量子材料，利用磁性分子体系构筑量子比特的研究已有诸多报道(nature chemistry 11.4(2019):301-309)。
4.量子算法是一组在量子计算机上对量子比特执行操作的指令。显然，在解决某些特定问题(例如数据库搜索)时，利用量子算法处理信息，在原则上比任何可能的确定性经典算法都快，这被称为量子加速。david deutsch与richard jozsa在1992年提出的deutsch-jozsa算法(以下简称d-j算法)，是最早展现量子计算具有指数加速优越性的量子算法之一。具体的，是一个用于鉴别未知函数f{0,1}n→
{0,1}性质的算法，该函数以n比特值作为输入，输出结果为0或1。当对于任何输入，输出结果均为恒定值0或1时，f为常数型函数；当对于一半的输入，输出的结果为1，另一半为0时，f为平衡型函数。d-j算法的任务为判断该函数属于平衡函数或常数函数。对于经典算法，假设n为比特数，则最多需要2
n-1
+1次对f的求值。而d-j算法可减少运算所需次数，当问题为最简情况，即n＝1时，仅需对f进行一次求值即可判断函数类型。由于步骤简单，d-j算法常作为“toy algorithm”引出后续一系列量子算法。1998年，collins等人提出改进的d-j算法，使用n位量子比特即可完成对n输入的函数的判别(physical review a 58.3(1998):r1633)。2004年，mehring等将2,3,4-三氟苯胺的三个
19
f核自旋作为量子比特实现了该改进的d-j算法(physical review a 70.4(2004):042307)。2010年，杜江峰等通过编码单个金刚石nv心中单电子自旋(s＝1)的一个量子比特与一个辅助态，在室温下实现了d-j算法(physical review letters 105.4(2010):040504)。2019年，高松课题组在具有强自旋-轨道耦合的稀土化合物ce:yag单晶体系中利用电场操控演示了n＝1的d-j算法(national science review 7.10(2020):1557-1563)。
5.目前，研究较为成熟的量子计算物理实现体系多为金刚石nv心、核自旋与超导电路等，利用磁性分子中的电子自旋实现d-j量子算法的报道较少。进一步地，在同时具有电子与核自旋的分子体系中存在超精细耦合效应，可产生(2s+1)
×
(2i+1)个量子能级。然而，由于原子核的磁旋比较小，难以实现对此类多量子能级的有效操控，因此，如何充分利
用磁性分子中由于超精细耦合效应产生的多量子能级仍是一个开放的挑战。另一方面，未来的大规模量子计算机将依靠量子纠错(quantum error correction,qec)来保护计算过程中脆弱的量子信息。d-j算法作为一种较为基础的量子算法，适合于进行量子纠错方面的研究。目前，磁性分子中的量子纠错研究仍属于实验阶段，且利用由电子与核自旋的超精细耦合效应产生的多量子能级实现d-j算法量子纠错的研究尚未有报道。
技术实现要素：
6.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法。
7.一种基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法，所述方法包括：
8.通过对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，确定所述分子基电子自旋量子比特的能级图，并根据所述能级图将所述分子基电子自旋量子比特进行分组；其中，所述分子基电子自旋量子比特通过内嵌原子实现多电子能级；
9.对各个分组的分子基电子自旋量子比特施加初始化脉冲序列，并对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行d-j算法，计算所得结果的准确率。
10.在其中一个实施例中，所述分子基电子自旋量子比特为内嵌富勒烯衍生物。
11.在其中一个实施例中，所述内嵌富勒烯衍生物中包括官能团、内嵌原子以及富勒烯；所述官能团用于破坏碳笼对称性，以此获得多能级结构。
12.在其中一个实施例中，还包括：对分子基电子自旋量子比特进行epr固定频率、改变磁场的自旋回波扫场测试，或固定磁场、改变频率的自旋回波扫频测试。
13.在其中一个实施例中，还包括：根据内嵌原子的电子自旋量子数和核自旋量子数，对所述分子基电子自旋量子比特进行分组。
14.在其中一个实施例中，所述初始化脉冲序列为pi/2-pi。
15.在其中一个实施例中，执行d-j算法的脉冲序列为pi/2-pi-pi/2-2pi-pi-echo或pi/2-pi-pi/2-pi-echo。
16.在其中一个实施例中，还包括：对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行d-j算法，计算所得结果的准确率为：
17.pi(ri,θi)＝50％+ri×
cosθi/2
[0018][0019]
其中，pi为第i个进程输出结果的正确率，50％为基础正确率，r为信号振幅强度，θ为信号相位偏差。r由ehco强度与最大echo强度的比值确定，θ由实部与虚部信号的比值确定，p
1+2
为总体计算结果的正确率，p1与p2分别为各个进程的正确率，p1×
p2为两个进程同时计算正确的概率，(1-p1)
×
(1-p2)为两个进程同时计算错误的概率。
[0020]
上述基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法，利用分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试结果，获得达到量子计算并行信息处理实验要求的自旋体系，实现对由于电子与核自旋的超精细耦合效应产生的多能级结构的有效利用，从而在执行d-j算法时，提高纠错的准确率。
附图说明
[0021]
图1为一个实施例中基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法的流程示意图；
[0022]
图2为一个实施例中内嵌富勒烯衍生物的化学结构式。
具体实施方式
[0023]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0024]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法，包括以下步骤：
[0025]
步骤102，通过对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，确定分子基电子自旋量子比特的能级图，并根据所述能级图将分子基电子自旋量子比特进行分组。
[0026]
分子基电子自旋量子比特通过内嵌原子实现多电子能级。
[0027]
步骤104，对各个分组的分子基电子自旋量子比特施加初始化脉冲序列，并对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行d-j算法，计算所得结果的准确率。
[0028]
上述基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法中，利用分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试结果，获得达到量子计算并行信息处理实验要求的自旋体系，实现对由于电子与核自旋的超精细耦合效应产生的多能级结构的有效利用，从而在执行d-j算法时，提高纠错的准确率。
[0029]
在其中一个实施例中，分子基电子自旋量子比特为内嵌富勒烯衍生物，其组成为r-a@c
2n
，化学结构式如图2所示，其中a为内嵌元素，可为gd,
14
n,
15
n,sc3c2,la,y,sc，优选为
14
n；r为官能团，可为丙二酸二乙酯、1,3-茚满二酮或氨基化合物等；c
2n
为富勒烯，可为c
60
、c
82
、c
79
n或c
70
等，优选为c
60
。
[0030]
在其中一个实施例中，官能化的目的在于使碳笼对称性破缺，产生零场分裂效应，获得去简并的多能级结构。经实验证明，优选为具有较少的质子数与零场分裂，可使分子保持长相干时间的官能团。
[0031]
在另一个实施例中，内嵌原子需具有多电子能级，即电子自旋量子数s》1/2，a＝gd,
14
n,
15
n,sc3c2,la,y,sc等，经实验证明优选为具有长相干时间、s＝3/2、i＝1的
14
n作为内嵌原子。
[0032]
在其中一个实施例中，量子比特状态可为冻溶液、粉末、单晶或与液晶混溶等；在实施例中，测试时选择的样品状态仅为了说明实验过程。实质上，除了上述在系综中测试时的样品状态，若条件允许，也可在单分子中进行测试，本发明本质上为了利用由于零场分裂与超精细耦合效应产生的多能级结构，避免由于分子在液态中高速旋转，各向异性消失，导致跃迁与能级简并，故实验中要求样品状态为非液态。
[0033]
综上所述，本发明选取具有长相干时间、多能级结构与分子组成确定的氮内嵌富勒烯衍生物作为演示d-j算法量子纠错的量子比特材料，并在冻溶液状态下测试。
[0034]
在其中一个实施例中，使用电子顺磁共振(epr)技术对电子自旋量子比特施加微波脉冲，通过改变脉冲功率或长度、磁场或频率实现对不同跃迁的激发。本发明使用的微波
脉冲可由specjet微波模块或任意波形发生器awg施加，优选为任意波形发生器awg；脉冲形状可为洛伦兹线型、高斯线型、方波线型或正弦钟型等，优选为高斯线型；为实现寻址，采用长脉冲，脉冲长度为300-1000ns，优选为600-800ns；固定中心频率为9-10ghz，优选为9.6-9.7ghz；频率偏移量为0-50mhz，优选为0-20mhz；磁场为3000-4000g，优选为3400-3500g；功率范围为0-100％，优选为0-50％；品质因数q为100-1000，优选为300-500；测试温度范围为5-200k，优选为20-100k。
[0035]
在具体实现时，跃迁子根据量子比特的电子自旋与核自旋超精细耦合得到的能级进行划分。氮原子的电子自旋量子数s＝3/2，核自旋量子数i＝1，共有12个能级、9种跃迁，可划分为三组，每组4个能级、3种跃迁。
[0036]
初始化脉冲序列为pi/2(|-3/2,0》-|-1/2,0》)-pi(|+1/2,+1》-|+3/2,+1》)-pi/2(|-3/2,0》-|-1/2,0》)-pi(|-3/2,0》-|-1/2,0》)-echo，初始化效果通过多能级拉比振荡实验或观察自旋回波信号衰减程度验证，优选为通过三能级拉比振荡实验验证，所述验证脉冲序列为nutation pulse-pi/2-pi-echo。
[0037]
并行计算由两组或两组以上子执行，由于本发明选用的氮内嵌富勒烯衍生物能级数量限制，将其能级划分为三组，同时为保证在相干时间内操作，优选为选用其中两组量子比特并行计算。在实施例中，选择的子数量仅为了说明实验过程，实质上，并行计算的量子比特数越多，纠错效果越好，本发明本质上是为了演示多进程并行计算对d-j算法正确率的提升效果，故采用两个或两个以上量子比特共同执行该算法。
[0038]
在其中一个实施例中，执行d-j算法的脉冲序列为pi/2-pi-pi/2-2pi-pi-echo或pi/2-pi-pi/2-pi-echo，由于2pi脉冲会导致一定的退相干，优选为pi/2-pi-pi/2-pi-echo。
[0039]
在另一个实施例中，判断结果正确率由以下公式得到：
[0040]
pi(ri,θi)＝50％+ri×
cosθi/2
[0041][0042]
其中，pi为第i个进程输出结果的正确率，50％为基础正确率，r为信号振幅强度，θ为信号相位偏差。在实验上，r由ehco强度与最大echo强度的比值确定，θ由实部与虚部信号的比值确定。自旋信号退相干导致的强度r的降低与不精确的相位均会引起误差。p
1+2
为总体计算结果的正确率，p1与p2分别为各个进程的正确率，p1×
p2为两个进程同时计算正确的概率，(1-p1)
×
(1-p2)为两个进程同时计算错误的概率。
[0043]
在其中一个实施例中，与单一进程的计算结果进行比较，对于判别不同函数类型，d-j算法正确率提高效果不同，包括两种平衡型函数结果与两种常数型函数结果，正确率提高范围为5％-20％，优选平衡型函数结果正确率提高程度最为显著。
[0044]
本发明的目的之一是提供一种简单易行、适用范围广泛的在基于电子自旋的量子比特中实现deutsch-josza算法量子纠错的实施方法，本发明通过电子顺磁共振(epr)技术对氮内嵌富勒烯衍生物进行变频激发共振跃迁、选择性激发与初始化等一系列预处理，使其达到进行量子计算并行信息处理实验的要求，后通过两个子并行计算d-j算法，即可实现该算法的量子纠错。本发明解决了对基于电子自旋的量子比特超精细耦合效应提供的多能级有效利用问题与在分子基电子自旋量子比特中演示量子算法的量子纠错问题。
[0045]
本发明的目的之二是提供一种可进行量子计算并行信息处理演示的分子基电子自旋量子比特，是一种氮内嵌富勒烯衍生物，是通过一系列化学有机合成方法制备的，本发明确定了此类量子比特的能级结构，并给出了使用其几组能级并行执行d-j算法的计算结果，计算结果正确率提高显著，表明本发明提供的方法成功实现了在此类量子比特中演示d-j算法的量子纠错，纠错效果良好。
[0046]
本发明的目的之三是提供一种在多能级自旋体系中进行并行信息处理量子计算演示实验的预处理方法。即改变频率操控不同跃迁，使用变功率定长度的选择性脉冲激发与施加初始化脉冲序列等技术，解决在相干时间内操控，系综寻址与信号重叠等问题。该预处理方法不仅局限于d-j算法量子纠错演示，还可应用于例如多量子门操作等量子计算并行信息处理演示实验。
[0047]
本发明的目的之四是提供一种检验预处理方案中初始化效果的方法，本发明通过在量子比特初始化前后分别施加多能级拉比振荡脉冲序列，观察信号变化情况，例如能级布居是否随施加的章动脉冲周期性变化等，从而判断初始化操作是否有效。显然，该检验方法的目的是判断是否已成功屏蔽重叠信号中不需要的跃迁。相同的，该检验方法不局限于检验d-j算法量子纠错的演示实验的预处理效果，而是适用于判断具有部分共振条件相同跃迁的多能级系统经上述预处理方法处理后，是否成功屏蔽重叠信号干扰的所有情况
[0048]
综上，选用一种具有长相干时间与高自旋量子数的氮内嵌富勒烯衍生物作为多维量子位，将该磁性分子中由电子与核自旋超精细耦合作用产生的多量子能级划分为三组子。首先，通过电子顺磁共振(epr)技术对该自旋体系进行一系列预处理，包括(i)通过任意波形发生器(awg)快速改变微波脉冲频率，实现在相干时间内多个不同跃迁的激发；(ii)通过变功率定长度的微波脉冲，实现对特定跃迁的选择性激发；(iii)通过施加初始化脉冲序列，屏蔽部分共振条件相同、信号重叠的跃迁的干扰。在经上述处理后的分子体系中进行量子计算并行信息处理演示实验，将子mi＝+1与mi＝-1作为两个独立的自旋系统并行执行了deutsch-jozsa算法，与单进程计算相比，正确率可提高17.82％，实现了基于该算法的量子纠错。与现有技术相比，本发明的实施方法简单，测试条件温和，纠错效果良好，且具有普适性，本发明使用的epr技术易于推广至其他高能级量子材料体系，包括单分子与系综中，可执行更为复杂的量子计算任务。
[0049]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0050]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛
盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0051]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。
技术特征：
1.一种基于分子量子比特实现d-j算法量子纠错的实施方法，其特征在于，所述方法包括：通过对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，确定所述分子基电子自旋量子比特的能级图，并根据所述能级图将所述分子基电子自旋量子比特进行分组；其中，所述分子基电子自旋量子比特通过内嵌原子实现多电子能级；对各个分组的分子基电子自旋量子比特施加初始化脉冲序列，并对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行d-j算法，计算所得结果的准确率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分子基电子自旋量子比特为内嵌富勒烯衍生物。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内嵌富勒烯衍生物中包括官能团、内嵌原子以及富勒烯；所述官能团用于破坏碳笼对称性，以此获得多能级结构。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，包括：对分子基电子自旋量子比特进行epr固定频率、改变磁场的自旋回波扫场测试，或固定磁场、改变频率的自旋回波扫频测试。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述能级图将所述分子基电子自旋量子比特进行分组，包括：根据内嵌原子的电子自旋量子数和核自旋量子数，对所述分子基电子自旋量子比特进行分组。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化脉冲序列为pi/2-pi。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，执行d-j算法的脉冲序列为pi/2-pi-pi/2-2pi-pi-echo或pi/2-pi-pi/2-pi-echo。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行d-j算法，计算所得结果的准确率，包括：对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行d-j算法，计算所得结果的准确率为：p
i
(r
i
,θ
i
)＝50％+r
i
×
cosθ
i
/2其中，pi为第i个进程输出结果的正确率，50％为基础正确率，r为信号振幅强度，θ为信号相位偏差。r由ehco强度与最大echo强度的比值确定，θ由实部与虚部信号的比值确定，p
1+2
为总体计算结果的正确率，p1与p2分别为各个进程的正确率，p1×
p2为两个进程同时计算正确的概率，(1-p1)
×
(1-p2)为两个进程同时计算错误的概率。
技术总结
本申请涉及一种基于分子量子比特实现D-J算法量子纠错的实施方法。所述方法包括：通过对分子基电子自旋量子比特的电子顺磁共振测试，确定所述分子基电子自旋量子比特的能级图，并根据所述能级图将所述分子基电子自旋量子比特进行分组，对各个分组的分子基电子自旋量子比特施加初始化脉冲序列，并对初始化完成的分子基电子自旋量子比特执行D-J算法，计算所得结果的准确率。采用本方法使用的EPR技术易于推广至其他高能级量子材料体系，可执行更为复杂的量子计算任务。为复杂的量子计算任务。为复杂的量子计算任务。
