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基于零场—超低场核磁共振的量子控制理论和实验研究

边纪  
【摘要】:随着对量子力学研究的深入,人们开始不再满足于运用它描述、理解自然现象,而是希望能够更进一步利用量子特性来服务于实际应用。量子控制正是连接关于量子特性的知识和实际应用的桥梁,对于它的研究是发展量子信息,量子计算和量子传感等量子技术必不可少的环节。由于具有较长的相干时间和成熟的操控技术,核磁共振体系为量子控制的研究提供了一个良好的实验平台。近年来新发展的零场-超低场核磁共振,作为传统核磁共振的补充,有望应用于基础物理、化学、生物、医学等领域。然而,零场-超低场核磁共振中的量子操控理论和方法仍很匮乏,亟需相关量子控制的研究。本学位论文以自旋体系的量子控制为研究主题,以核磁共振体系为研究对象和平台,对零场-超低场核磁共振体系中的量子控制进行了一系列理论和实验研究。具体包含以下内容:1.首次理论上提出零场核磁共振普适量子控制方案。这一方案丰富了零场核磁共振中的操控方法,并有望在基于零场核磁共振的实际应用中发挥作用。2.基于控制论中庞特里亚金最大化原理(Pontryagin's maximum principle)和新发展的对称性约化技术,首次理论上得到了零场核磁共振中两比特无耦合体系任意单比特门的时间最优操控方案,并首次在零场核磁共振实验中实现了该方案。实验操控保真度为0.99,且所用时间仅为传统组合脉冲控制方案的20%~30%。该方案有望运用于基于零场核磁共振及其它类似量子体系的实际应用中。3.研究了量子操控整体相位与操控最优时间的关系,并在核磁共振体系中运用核磁共振干涉法进行了实验验证。4.利用扩展卡尔曼滤波器实现了对于频率未知且变化的衰减正弦信号的实时估计,并在超低场核磁共振实验中初步演示了该方案,分析了下一步的提升方法。该研究为进一步的核磁共振量子反馈控制建立了基础。


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