CN112946004B - 实现主动匀场和量子计算的方法、系统及介质 - Google Patents

实现主动匀场和量子计算的方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法、系统及介质，将用来做量子计算的样品内置在核磁共振探头内部，不更换样品，利用同一样品进行主动匀场(调节各阶匀场线圈中的电流)和量子计算，这种处理方案，由于将少量的样品密封在核磁共振探头内部，这样探头就可以做到完全密封，减少了从周围空间接收到与核磁信号同频的噪音，提高了信噪比。更重要的是切断了热量通过样品试管在室温和磁体保温腔体之间的传递，这样可以极大地减少磁体温控受室温波动的影响，进而得到非常均匀稳定的磁场，避免了在使用永磁体作为磁场源的情况下，更换样品试管以及把样品试管部分留在探头外部会导致磁体温度的不稳定，进而导致匀场和谱学分辨率的下降的问题。

Description

实现主动匀场和量子计算的方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及量子计算机技术领域，尤其涉及一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法、系统及介质。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。核磁共振(NMR)量子计算体系可以在常温常压下实现丰富的量子计算算法，有成熟的射频测控技术，实验条件简单。核磁共振的前提是需要带磁性的原子核在均匀的静磁场下，受到和它跃迁频率相同的射频电磁波的激发，产生共振现象，接收线圈能接收到感应衰减信号。相同的原子核在不同的静磁场下体现出不同的共振频率，如果想要所有的原子核表现出相同的共振特性，则需要一个极其均匀的磁场。一般永磁体的均匀度可以达到30ppm左右，如果需要0.1ppm量级的磁场均匀度就需要主动匀场线圈。主动匀场通过适当调整匀场线圈阵列中各线圈的电流强度，用匀场线圈产生局部磁场的变化来调节静磁场，提高整体磁场均匀性。一般核磁共振谱学或者核磁共振成像会使用H2O，10％H2O+90％D2O混合物或者TMS作为匀场标准样品，这样1H NMR信号信噪比和样品核磁谱线自身展宽方面比较好，但是在切换实验样品的时候，由于不同样品的磁化率不同，可能造成磁场的均匀度改变，以至于测试实验样品的时候磁场均匀度不在最佳状态。同时，由于要切换样品，样品试管不能密封在探头内部，有一部分要留在探头外部，这会导致探头线圈收到外界环境中的射频噪音。永磁体钕铁硼材料温度温漂1K，磁场的强度会变化大约1200ppm，所以想要得到稳定的高均匀度的磁场需要做好磁体的保温，使磁体温度均匀且稳定。在使用永磁体作为磁场源的情况下，更换样品试管以及把样品试管部分留在探头外部会导致磁体温度的不稳定，进而导致匀场和谱学分辨率的下降。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法、系统及介质，以避免在使用永磁体作为磁场源的情况下，更换样品试管以及把样品试管部分留在探头外部会导致磁体温度的不稳定，进而导致匀场和谱学分辨率的下降的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法，所述方法包括以下步骤：
选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在核磁共振探头内部；
在未开启主动匀场的情况下，观测所述样品的1H NMR信号；
在主动匀场的过程中，调节各阶匀场线圈中的电流，观察所述1H NMR信号的变化，记录不同电流下，谱线的峰高、半高宽以及20％峰高处的宽度；
对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，根据这三个变化百分比来衡量改变电流后磁场是否更均匀，并得到利用所述样品找到的磁场最均匀状态对应的主动匀场参数；
在磁场最均匀状态下，再次观测所述样品的1H NMR信号；
通过射频电磁场分别操控所述样品的1H NMR信号中直接耦合的两原子核，利用该两原子核的核磁矩进行量子计算门操作，以及读取该两原子核的最终状态，得到量子计算参数。
其中，所述对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，根据这三个变化百分比来衡量改变电流后磁场是否更均匀包括：
对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，对这三个变化百分比加权求和来衡量改变电流后磁场是否更均匀。
其中，磁场越均匀，谱线的峰高越高，半高宽和20％峰高处的宽度越小。
其中，所述选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在核磁共振探头内部包括：
选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品直接密封在核磁共振探头内部；或者，选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在标准核磁试管中，将密封好样品的标准核磁试管密封在核磁共振探头内部。
其中，所述标准核磁试管为直径为5mm的标准核磁试管
其中，在核磁共振体系做两比特量子计算时，采用标准样品匀场，之后用其它样品作为物理比特载体。
其中，在两比特量子计算时，选择亚磷酸二甲酯作为所述样品，作为主动匀场或量子计算的物理比特载体。
其中，在主动匀场时，采用H2O，10％H2O+90％D2O混合物或者TMS作为匀场标准样品。
本发明还提出一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算系统，包括：核磁共振探头，所述核磁共振探头内密封有用来作为主动匀场和量子计算的样品，所述系统还包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法。
本发明还提出一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法。
本发明实施例提出的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法、系统及介质，将用来做量子计算的样品内置在核磁共振探头内部，不更换样品，利用同一样品进行主动匀场(调节各阶匀场线圈中的电流)和量子计算，这种处理方案，由于将少量的样品密封在核磁共振探头内部，这样探头就可以做到完全密封，减少了从周围空间接收到与核磁信号同频的噪音，提高了信噪比。更重要的是切断了热量通过样品试管在室温和磁体保温腔体之间的传递，这样可以极大地减少磁体温控受室温波动的影响，进而得到非常均匀稳定的磁场，避免了在使用永磁体作为磁场源的情况下，更换样品试管以及把样品试管部分留在探头外部会导致磁体温度的不稳定，进而导致匀场和谱学分辨率的下降的问题。
附图说明
图1为本发明基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法的流程示意图；
图2为本发明方案中亚磷酸二甲酯分子结构图；
图3为为亚磷酸二甲酯1H NMR未主动匀场谱图；
图4为亚磷酸二甲酯1H NMR主动匀场后谱图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及的技术术语：
Figure BDA0002929031920000041
本发明考虑到：当利用永磁体作为磁场源在核磁共振体系进行量子计算的时候，对于磁场的稳定性有较高的要求，所以需要有非常稳定的温控，比如说温漂小于1mK。同时由于利用核磁共振原理进行量子计算和进行核磁谱学分析有很大的不同，前者重点关注的是原子核核磁矩在射频场操纵下的结果，后者重点关注的是不同物质的核磁谱学特性。基于此，本发明提出将用来做量子计算的样品内置在核磁共振探头内部，不更换样品，利用同一样品进行主动匀场(调节各阶匀场线圈中的电流)和量子计算。这样做虽然一定程度上增加了主动匀场的难度，但是由于将少量的样品密封在核磁共振探头内部，这样探头就可以做到完全密封，减少了从周围空间接收到与核磁信号同频的噪音，提高了信噪比。更重要的是切断了热量通过样品试管在室温和磁体保温腔体之间的传递，这样可以极大地减少磁体温控受室温波动的影响，进而得到非常均匀稳定的磁场。
具体地，参照图1，本发明提出一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法，所述方法包括以下步骤：
S1，选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在核磁共振探头内部；
选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品直接密封在核磁共振探头内部；或者，选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在标准核磁试管中，将密封好样品的标准核磁试管密封在核磁共振探头内部。
其中，所述标准核磁试管为直径为5mm的标准核磁试管
其中一种方案，在核磁共振体系做两比特量子计算时，采用标准样品匀场，之后用其它样品作为物理比特载体。
其中一种方案，在两比特量子计算时，可以选择亚磷酸二甲酯作为所述样品，作为主动匀场或量子计算的物理比特载体。
在主动匀场时，可以采用传统的H2O，10％H2O+90％D2O混合物或者TMS作为匀场标准样品。
S2，在未开启主动匀场的情况下，观测所述样品的1H NMR信号；
S3，在主动匀场的过程中，调节各阶匀场线圈中的电流，观察所述1H NMR信号的变化，记录不同电流下，谱线的峰高、半高宽以及20％峰高处的宽度；
S4，对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，根据这三个变化百分比来衡量改变电流后磁场是否更均匀，并得到利用所述样品找到的磁场最均匀状态对应的主动匀场参数；
其中，所述对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，根据这三个变化百分比来衡量改变电流后磁场是否更均匀可以包括：
对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，对这三个变化百分比加权求和来衡量改变电流后磁场是否更均匀。
其中，正常情况下，磁场越均匀，谱线的峰高越高，半高宽和20％峰高处的宽度越小。
S5，在磁场最均匀状态下，再次观测所述样品的1H NMR信号；
S6，通过射频电磁场分别操控所述样品的1H NMR信号中直接耦合的两原子核，利用该两原子核的核磁矩进行量子计算门操作，以及读取该两原子核的最终状态，得到量子计算参数。
本发明方案，由于将少量的样品密封在核磁共振探头内部，这样探头就可以做到完全密封，减少了从周围空间接收到与核磁信号同频的噪音，提高了信噪比。更重要的是切断了热量通过样品试管在室温和磁体保温腔体之间的传递，这样可以极大地减少磁体温控受室温波动的影响，进而得到非常均匀稳定的磁场。
以下对本发明方案进行详细阐述：
本发明方案选择一种既能用来做主动匀场又能用来做量子计算的样品。主动匀场需要有较强的核磁信号，一般选择用1H NMR信号，因为1H自然丰度高NMR信号强。如果要用来做量子计算，样品需要有可以独立控制又彼此耦合的原子核。一般为了测控的方便会选择两种不同的原子核。
如图2所示，图2为亚磷酸二甲酯分子结构图，从分子结构图中可以看出，该分子中有7个H原子1个P原子。这个分子中的P原子核上直接耦合着一个H原子核，这样可以利用这个P原子核和与之耦合的H原子核的核磁矩作为量子计算的两个物理比特的载体。因为这个分子中两个C原子上分别连着3个H原子，大量的H原子可以被用作主动匀场。
将亚磷酸二甲酯样品密封在5mm的标准核磁试管内，这样就有了一个既可以用来自动匀场又可以用来做两比特量子计算的单一样品。
将密封好的亚磷酸二甲酯样品放在核磁探头的正中心，密封整个核磁探头。这样就减少了从周围空间接收到与核磁信号同频的噪音，提高了信噪比。更重要的是切断了热量通过样品试管在室温和磁体保温腔体之间的传递，这样可以极大地减少磁体温控受室温波动的影响，进而得到非常均匀稳定的磁场。
观测亚磷酸二甲酯样品的1H NMR信号，在未开启主动匀场的情况下如图3所示。从图3的核磁共振谱图中可以看出，尽管磁场均匀度还不是很好，谱线半高宽比较大信噪比比较差，但是已经能看到H原子核的核磁共振谱图，这样的谱线和信噪比已经可以用来做主动匀场了。
在主动匀场的过程中，调节各阶匀场线圈中的电流，观察图3中1H NMR信号的变化。这里考虑三个参数，谱线的峰高，半高宽以及20％峰高处的宽度。
磁场越均匀，谱线的峰高越高，半高宽和20％峰高处的宽度越小。记录下当前峰高，半高宽和20％峰高宽度；改变主动匀场电流，再次记录下峰高，半高宽和20％峰高宽度；对比改变电流前后峰高增高的百分比，半高宽和20％峰高宽度下降的百分比；对这三个变化百分比加权求和来衡量改变电流后磁场是否更均匀。
加权求和的目的是为了可以人为的自由定义哪种谱线对应的磁场是更均匀的。理想情况是磁场越均匀，谱线的峰高越高，半高宽和20％峰高处的宽度越小。但实际上会出现改变电流后峰高变高但是半高宽和20％峰高处的宽度却变大的情况，以及其他三个参数变化不一致的情况。这时候就需要根据具体情况定义三个参数之间的权重。比如说峰高权重为1，半高宽和20％峰高处的宽度权重为0，那么这时调节匀场电流只参考了峰高这一个参数。
不断调节各阶匀场电流，利用亚磷酸二甲酯样品找到磁场最均匀状态对应的主动匀场参数。
在最均匀的磁场参数下再次观测亚磷酸二甲酯样品的1H NMR信号，如图4所示。
在图4中，峰1和峰4是亚磷酸二甲酯分子中与P原子直接耦合的H原子的NMR信号。峰2和峰3是亚磷酸二甲酯分子中与C原子相连的6个H原子核的NMR信号。
在匀场的过程中，利用到的是峰2和峰3中的6个H原子核的NMR信号，因为每个亚磷酸二甲酯分子中的H原子核比较多，所以信号比较强，在磁体匀场不好谱线半高宽很宽的情况下仍然能看到NMR信号。
在量子计算的过程中，利用的是峰1和峰4中的H原子核的NMR信号。峰1和峰4的NMR信号都来自于与P直接耦合的H原子，之所以一个H原子看到了两个劈裂了的峰1和峰4，正是因为H原子核与P原子核耦合产生了劈裂。
这样，通过射频电磁场分别操控直接耦合的这个H原子核P原子核就可以利用它们的核磁矩进行量子计算门操作，以及读取它们的最终状态。
至此，实现了内置单一样品，并且用内置的单一样品进行主动匀场和量子计算。
与已知的现有技术相比，本发明将核磁共振中用来主动匀场的标准样品替换成既可以用来主动匀场也可以用来做量子计算的单一样品。在两比特量子计算时，可以选择亚磷酸二甲酯作为主动匀场或量子计算的物理比特载体。此外，可以在核磁共振量子计算体系中将用来主动匀场和量子计算的样品密封在探头内部。
此外，还可以用传统的H2O，10％H2O+90％D2O混合物或者TMS作为匀场标准样品；核磁共振体系做两比特量子计算时采用标准样品匀场，之后用其它样品作为物理比特载体
此外，还可以用随时更换样品的标准5mm核磁试管，而不是将样品直接密封在核磁探头内部。
此外，本发明还提出一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算系统，包括：核磁共振探头，所述核磁共振探头内密封有用来作为主动匀场和量子计算的样品，所述系统还包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法。
此外，本发明还提出一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，方案利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在核磁共振探头内部，所述样品为亚磷酸二甲酯；
在未开启主动匀场的情况下，观测所述样品的1H NMR信号；
在主动匀场的过程中，调节各阶匀场线圈中的电流，观察1H NMR信号的变化，记录不同电流下，谱线的峰高、半高宽以及20％峰高处的宽度；
对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，根据这三个变化百分比来衡量改变电流后磁场是否更均匀，并得到利用所述样品找到的磁场最均匀状态对应的主动匀场参数；
在磁场最均匀状态下，再次观测所述样品的1H NMR信号；
通过射频电磁场分别操控所述样品的1H NMR信号中直接耦合的两原子核，利用该两原子核的核磁矩进行量子计算门操作，以及读取该两原子核的最终状态，得到量子计算参数。
2.根据权利要求1所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法，其特征在于，所述对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，根据这三个变化百分比来衡量改变电流后磁场是否更均匀包括：
对比改变电流前后峰高变化的百分比、半高宽和20％峰高宽度变化的百分比，对这三个变化百分比加权求和来衡量改变电流后磁场是否更均匀。
3.根据权利要求1所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法，其特征在于，磁场越均匀，谱线的峰高越高，半高宽和20％峰高处的宽度越小。
4.根据权利要求1所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法，其特征在于，所述选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在核磁共振探头内部包括：
选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品直接密封在核磁共振探头内部；或者，选择一种用来作为主动匀场和量子计算的样品，将所述样品密封在标准核磁试管中，将密封好样品的标准核磁试管密封在核磁共振探头内部。
5.根据权利要求4所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法，其特征在于，所述标准核磁试管为直径为5mm的标准核磁试管。
6.一种基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算系统，其特征在于，包括：核磁共振探头，所述核磁共振探头内密封有用来作为主动匀场和量子计算的样品，所述系统还包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法。
7.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于内置单一样品实现主动匀场和量子计算的方法。
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