Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2011
Autor(a) principal: Possa, Denimar
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Doutorado em Física
Centro de Ciências Exatas
UFES
Programa de Pós-Graduação em Física
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
53
Link de acesso: http://repositorio.ufes.br/handle/10/7404
Resumo: Nuclear magnetic resonance (NMR) at high magnetic field is oneof the most viabletools for implementing small-scale quantum computation. This fact motivates the studyof other magnetic resonance techniques for similar purposes. In this work we show, byextensively using numerical simulations, how nuclear quadrupole resonance (NQR) atzero external magnetic field can be used to perform basic quantum computing tasks.Specifically, concrete proposals to represent 2 and 3 q-bit states are presented, obtainedin systems of nuclei with spin 3/2 and 7/2, respectively, subjected to a pure quadrupolecoupling to an axially symmetric electric field gradient. Inthe spin 3/2 case, a methodfor quantum state tomography is also described, involving the use of two crossed coilsfor signal detection. Due to the similarity between the NMR and NQR techniques,many procedures used for obtaining pseudopure states and creating logic gates bearresemblance to those commonly used in NMR. However, NQR has some specific featureswhich provide important differences with regard to NMR, especially with respect to thedesign of the radiofrequency (RF) pulses responsible for handling the system. The useof circularly polarized pulses provides a mechanism of selective excitation in NQR withno counterpart in high-field NMR; these selective pulses are much shorter than the longselective pulses normally used in NMR, which is an advantage in terms of computationaltime and also considering the existence of decoherence effects. Another advantage ofNQR compared to high-field NMR is the relatively low cost of NQR spectrometers,which do not require the use of superconducting magnets. A second aim of this workis the development of a computational program for the numerical simulation of generalmagnetic resonance experiments involving quadrupolar nuclei in crystals, without anyrestriction as to the relative magnitude of the Zeeman and quadrupole interactions. Thisallows us to address, within the same theoretical framework, high-field NMR as well aspure NQR experiments, also including intermediate cases inwhich the interactions havecomparable magnitudes. The program, which was developed using the Mathematicapackage, makes use of the interaction picture to compute thetime evolution of the densityoperator under the effects of the relevant nuclear spin interactions and RF pulses. Someconditions specifically required for quantum computing applications are implemented inthe program, such as the possibility of use of elliptically polarized radiofrequency and theinclusion of zero- and first-order terms in the average Hamiltonian expansion. A numberof examples dealing with simple NQR and quadrupole-perturbed NMR experiments arepresented, along with the proposal of experiments to createquantum pseudopure statesand logic gates using pure NQR.
id UFES_9e7f2ac8a0dc3221fe84eecb22b2f434
oai_identifier_str oai:repositorio.ufes.br:10/7404
network_acronym_str UFES
network_name_str Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
repository_id_str
spelling Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação QuânticaQuantum computingNuclear magnetic resonanceNuclear quadrupole resonanceNumerical simulationComputação quânticaRessonância magnética nuclearRessonância quadrupolar nuclearSimulação numéricaComputação quânticaRessonância magnética nuclearFísica53Nuclear magnetic resonance (NMR) at high magnetic field is oneof the most viabletools for implementing small-scale quantum computation. This fact motivates the studyof other magnetic resonance techniques for similar purposes. In this work we show, byextensively using numerical simulations, how nuclear quadrupole resonance (NQR) atzero external magnetic field can be used to perform basic quantum computing tasks.Specifically, concrete proposals to represent 2 and 3 q-bit states are presented, obtainedin systems of nuclei with spin 3/2 and 7/2, respectively, subjected to a pure quadrupolecoupling to an axially symmetric electric field gradient. Inthe spin 3/2 case, a methodfor quantum state tomography is also described, involving the use of two crossed coilsfor signal detection. Due to the similarity between the NMR and NQR techniques,many procedures used for obtaining pseudopure states and creating logic gates bearresemblance to those commonly used in NMR. However, NQR has some specific featureswhich provide important differences with regard to NMR, especially with respect to thedesign of the radiofrequency (RF) pulses responsible for handling the system. The useof circularly polarized pulses provides a mechanism of selective excitation in NQR withno counterpart in high-field NMR; these selective pulses are much shorter than the longselective pulses normally used in NMR, which is an advantage in terms of computationaltime and also considering the existence of decoherence effects. Another advantage ofNQR compared to high-field NMR is the relatively low cost of NQR spectrometers,which do not require the use of superconducting magnets. A second aim of this workis the development of a computational program for the numerical simulation of generalmagnetic resonance experiments involving quadrupolar nuclei in crystals, without anyrestriction as to the relative magnitude of the Zeeman and quadrupole interactions. Thisallows us to address, within the same theoretical framework, high-field NMR as well aspure NQR experiments, also including intermediate cases inwhich the interactions havecomparable magnitudes. The program, which was developed using the Mathematicapackage, makes use of the interaction picture to compute thetime evolution of the densityoperator under the effects of the relevant nuclear spin interactions and RF pulses. Someconditions specifically required for quantum computing applications are implemented inthe program, such as the possibility of use of elliptically polarized radiofrequency and theinclusion of zero- and first-order terms in the average Hamiltonian expansion. A numberof examples dealing with simple NQR and quadrupole-perturbed NMR experiments arepresented, along with the proposal of experiments to createquantum pseudopure statesand logic gates using pure NQR.A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de alto campo é um dos mais viáveis mecanismos para implementar Computação Quântica (CQ) em pequena escala. Esse fato motiva o estudo de outras técnicas de ressonância magnética com esse mesmo objetivo. Neste trabalho mostra-se, através do uso extensivo de simulações numéricas, como a técnica da Ressonância de Quadrupolo Nuclear (RQN) pode ser utilizada para realização de tarefas básicas de CQ. Especificamente, apresenta-se uma proposta concreta para representar estados de 2 e 3 q-bits, obtidos, respectivamente, a partir de sistemas de spin 3/2 e 7/2, submetidos a uma interação quadrupolar pura devido a um radiente de campo elétrico com simetria axial. Para o caso do spin 3/2, apresenta-se também um método de tomografia de estado quântico que utiliza duas bobinas cruzadas para detecção dos sinais. Devido à similaridade entre as técnicas de RQN e RMN, muitos procedimentos para obtenção dos estados pseudopuros e aplicação das portas lógicas são semelhantes aos utilizados tradicionalmente pela RMN de alto campo. No entanto, as particularidades da RQN proporcionam algumas diferenças fundamentais em relação à RMN, especialmente quanto à realização dos pulsos responsáveis pela manipulação do sistema. A utilização de pulsos circularmente polarizados proporciona à RQN um mecanismo de excitação seletiva não existente na RMN de alto campo; esses pulsos seletivos não exigem os longos tempos de duração normalmente necessários aos pulsos típicos da RMN, o que acarreta uma vantagem em termos de tempo computacional, principalmente considerando a existência de efeitos de decoerência. Uma outra vantagem da RQN provém do custo relativamente baixo dos espectrômetros de RQN, que não requerem o uso de magnetos supercondutores. Um segundo objetivo deste trabalho é a apresentação de um programa de simulação numérica para experimentos envolvendo núcleos quadrupolares em cristais, sem nenhuma restrição quanto à magnitude relativa das interações Zeeman e quadrupolar. Esse fato permite que se estude desde os casos da RMN de alto campo até a RQN pura, incluindo os casos em que as interações têm magnitudes comparáveis. O programa, que foi desenvolvido usando-se o software Mathematica, faz uso da descrição de interação para computar a evolução temporal do operador densidade sobre efeito das interações de spin nuclear relevantes e de pulsos de RF. Algumas condições requeridas para aplicações em CQ são implementadas através do programa, como a possibilidade de uso de RF elipticamente polarizada e a inclusão de termos de ordem zero e de primeira ordem da aproximação de hamiltoniano médio. Exemplos envolvendo RQN pura e RMN com perturbação quadrupolar são apresentados, como também a proposta para criação de estados pseudopuros e portas lógicas usando RQN pura.Universidade Federal do Espírito SantoBRDoutorado em FísicaCentro de Ciências ExatasUFESPrograma de Pós-Graduação em FísicaFreitas, Jair Carlos Checon deOliveira Junior, Ivan dos Santos OliveiraBonagamba, Tito JoséCanal Neto, AntônioNogueira, José AlexandreSuave Netto, RogérioPossa, Denimar2018-08-01T21:59:58Z2018-08-012018-08-01T21:59:58Z2011-05-13info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisTextapplication/pdfPOSSA, Denimar. Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica. 2011. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2011.http://repositorio.ufes.br/handle/10/7404porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2024-06-28T18:06:25Zoai:repositorio.ufes.br:10/7404Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082024-06-28T18:06:25Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
dc.title.none.fl_str_mv Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
title Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
spellingShingle Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
Possa, Denimar
Quantum computing
Nuclear magnetic resonance
Nuclear quadrupole resonance
Numerical simulation
Computação quântica
Ressonância magnética nuclear
Ressonância quadrupolar nuclear
Simulação numérica
Computação quântica
Ressonância magnética nuclear
Física
53
title_short Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
title_full Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
title_fullStr Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
title_full_unstemmed Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
title_sort Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica
author Possa, Denimar
author_facet Possa, Denimar
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Freitas, Jair Carlos Checon de
Oliveira Junior, Ivan dos Santos Oliveira
Bonagamba, Tito José
Canal Neto, Antônio
Nogueira, José Alexandre
Suave Netto, Rogério
dc.contributor.author.fl_str_mv Possa, Denimar
dc.subject.por.fl_str_mv Quantum computing
Nuclear magnetic resonance
Nuclear quadrupole resonance
Numerical simulation
Computação quântica
Ressonância magnética nuclear
Ressonância quadrupolar nuclear
Simulação numérica
Computação quântica
Ressonância magnética nuclear
Física
53
topic Quantum computing
Nuclear magnetic resonance
Nuclear quadrupole resonance
Numerical simulation
Computação quântica
Ressonância magnética nuclear
Ressonância quadrupolar nuclear
Simulação numérica
Computação quântica
Ressonância magnética nuclear
Física
53
description Nuclear magnetic resonance (NMR) at high magnetic field is oneof the most viabletools for implementing small-scale quantum computation. This fact motivates the studyof other magnetic resonance techniques for similar purposes. In this work we show, byextensively using numerical simulations, how nuclear quadrupole resonance (NQR) atzero external magnetic field can be used to perform basic quantum computing tasks.Specifically, concrete proposals to represent 2 and 3 q-bit states are presented, obtainedin systems of nuclei with spin 3/2 and 7/2, respectively, subjected to a pure quadrupolecoupling to an axially symmetric electric field gradient. Inthe spin 3/2 case, a methodfor quantum state tomography is also described, involving the use of two crossed coilsfor signal detection. Due to the similarity between the NMR and NQR techniques,many procedures used for obtaining pseudopure states and creating logic gates bearresemblance to those commonly used in NMR. However, NQR has some specific featureswhich provide important differences with regard to NMR, especially with respect to thedesign of the radiofrequency (RF) pulses responsible for handling the system. The useof circularly polarized pulses provides a mechanism of selective excitation in NQR withno counterpart in high-field NMR; these selective pulses are much shorter than the longselective pulses normally used in NMR, which is an advantage in terms of computationaltime and also considering the existence of decoherence effects. Another advantage ofNQR compared to high-field NMR is the relatively low cost of NQR spectrometers,which do not require the use of superconducting magnets. A second aim of this workis the development of a computational program for the numerical simulation of generalmagnetic resonance experiments involving quadrupolar nuclei in crystals, without anyrestriction as to the relative magnitude of the Zeeman and quadrupole interactions. Thisallows us to address, within the same theoretical framework, high-field NMR as well aspure NQR experiments, also including intermediate cases inwhich the interactions havecomparable magnitudes. The program, which was developed using the Mathematicapackage, makes use of the interaction picture to compute thetime evolution of the densityoperator under the effects of the relevant nuclear spin interactions and RF pulses. Someconditions specifically required for quantum computing applications are implemented inthe program, such as the possibility of use of elliptically polarized radiofrequency and theinclusion of zero- and first-order terms in the average Hamiltonian expansion. A numberof examples dealing with simple NQR and quadrupole-perturbed NMR experiments arepresented, along with the proposal of experiments to createquantum pseudopure statesand logic gates using pure NQR.
publishDate 2011
dc.date.none.fl_str_mv 2011-05-13
2018-08-01T21:59:58Z
2018-08-01
2018-08-01T21:59:58Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv POSSA, Denimar. Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica. 2011. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2011.
http://repositorio.ufes.br/handle/10/7404
identifier_str_mv POSSA, Denimar. Simulação Numérica de Experimentos de Ressonância Magnética de Núcleos Quadrupolares com Aplicações em Computação Quântica. 2011. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2011.
url http://repositorio.ufes.br/handle/10/7404
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv Text
application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Doutorado em Física
Centro de Ciências Exatas
UFES
Programa de Pós-Graduação em Física
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Doutorado em Física
Centro de Ciências Exatas
UFES
Programa de Pós-Graduação em Física
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)
instacron:UFES
instname_str Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)
instacron_str UFES
institution UFES
reponame_str Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
collection Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)
repository.mail.fl_str_mv riufes@ufes.br
_version_ 1834479047627767808