[實(shí)用新型]一種可創(chuàng)建稀土離子量子比特任意疊加態(tài)的系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201820386773.1
• 申請(qǐng)日: 2018-03-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN207882951U
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 延英;陳璽;李亦超
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 蘇州大學(xué);上海大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06N99/00
• 分類(lèi)號(hào): G06N99/00
• 代理公司: 無(wú)錫市匯誠(chéng)永信專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 32260
• 代理人: 張歡勇

本實(shí)用新型公開(kāi)了一種可創(chuàng)建稀土離子量子比特任意疊加態(tài)的系統(tǒng)，使用任意波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)連續(xù)激光光路中的聲光調(diào)制器構(gòu)建能產(chǎn)生量子比特任意疊加態(tài)的一組雙色光脈沖，雙色光脈沖場(chǎng)強(qiáng)中的額外自由度被用來(lái)最優(yōu)化脈沖的形狀，使之對(duì)系統(tǒng)中存在的頻率失諧量呈現(xiàn)出魯棒性，對(duì)系統(tǒng)中存在的背景離子的非共振激發(fā)足夠小，從而在短作用時(shí)間內(nèi)以高保真度創(chuàng)建量子比特的任意疊加態(tài)；產(chǎn)生的光脈沖可以在4μs的作用時(shí)間內(nèi)生成一個(gè)量子比特的任意疊加態(tài)，在±340kHz的頻率失諧量范圍內(nèi)的保真度不低于99.5％，對(duì)背景離子的非共振激發(fā)不超過(guò)2％。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于量子計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及摻雜稀土離子的量子系統(tǒng)。

背景技術(shù)

量子計(jì)算是量子信息處理中的一個(gè)重要分支，在大質(zhì)數(shù)因子分解、全局搜索、以及生物分子模擬等問(wèn)題中具有經(jīng)典計(jì)算算法不可比擬的運(yùn)算速度。使用光脈沖在短時(shí)間內(nèi)以高保真度將量子比特初始化到一個(gè)任意疊加態(tài)是開(kāi)啟量子計(jì)算的第一步。但是物理系統(tǒng)中不可避免地存在一些干擾因素，比如頻率失諧，光場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)，光場(chǎng)位相波動(dòng)，非共振激發(fā)等干擾。如何生成光脈沖，使之在對(duì)量子比特進(jìn)行操控時(shí)對(duì)這些干擾呈現(xiàn)較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)具有作用時(shí)間短，保真度高的特點(diǎn)，是量子計(jì)算領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

在諸多承載量子計(jì)算的物理系統(tǒng)中，隨機(jī)摻雜在無(wú)機(jī)晶體中的稀土離子是一種比較有競(jìng)爭(zhēng)力的載體，因?yàn)榱孔颖忍氐南喔蓵r(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)，而且此種晶體價(jià)格低廉且已商品化。在該系統(tǒng)中，量子比特由非均勻展寬線(xiàn)上一組系綜離子來(lái)表征，以摻雜在Y₂SiO₅晶體中的Pr³⁺為例，它們的光躍遷頻率在605.977nm處呈現(xiàn)出±170kHz的半峰全寬。量子比特的兩個(gè)能級(jí)之間的耦合通過(guò)光學(xué)躍遷來(lái)實(shí)施，構(gòu)成一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)。在這樣的三能級(jí)系統(tǒng)中以高保真度創(chuàng)建一個(gè)量子比特的任意疊加態(tài)，光脈沖必須滿(mǎn)足如下條件，(1)對(duì)量子比特操控的保真度對(duì)量子比特離子之間存在的頻率失諧量呈現(xiàn)較強(qiáng)的魯棒性，即保真度在±170kHz范圍內(nèi)盡可能地接近理想值1；(2)對(duì)在頻域內(nèi)與量子比特離子相距大于3.5MHz的其它離子的非共振激發(fā)足夠小，以免干擾量子比特離子；(3)脈沖作用時(shí)間盡可能短。

目前操控量子系統(tǒng)的光脈沖主要分為三種類(lèi)型。第一種是簡(jiǎn)單的共振脈沖，如方波脈沖，高斯脈沖等，這種脈沖作用時(shí)間短，但是對(duì)系統(tǒng)中存在的干擾因素比較敏感。第二種是絕熱近似光脈沖，它對(duì)系統(tǒng)中存在的干擾因素具有較好的魯棒性，但是因?yàn)槭墙^熱過(guò)程所以脈沖作用時(shí)間較長(zhǎng)。第三種是基于非絕熱過(guò)程的絕熱捷徑光脈沖，在某些物理系統(tǒng)中已經(jīng)被證明可以在短作用時(shí)間內(nèi)以高保真度和強(qiáng)魯棒性實(shí)現(xiàn)了量子布局?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)移。但是，布局?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)移僅是量子比特任意疊加態(tài)中一個(gè)特殊態(tài)，任意疊加態(tài)是量子操控中必不可少且可以充分開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大運(yùn)算能力的一種普變態(tài)。目前在存在頻率失諧的三能級(jí)量子系統(tǒng)中，比如稀土離子系統(tǒng)，在短時(shí)間內(nèi)以高保真度產(chǎn)生量子比特任意疊加態(tài)的光脈沖尚未見(jiàn)報(bào)道。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型解決的技術(shù)問(wèn)題是：脈沖作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，魯棒性差；為了達(dá)到上述目的，采用的技術(shù)方案如下：

一種可創(chuàng)建稀土離子量子比特任意疊加態(tài)的系統(tǒng)，包括激光器、聲光調(diào)制器、任意波發(fā)生器、摻雜稀土離子的晶體；所述的任意波發(fā)生器輸出兩列無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，這兩列無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳輸至聲光調(diào)制器，這兩列無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)相同，振幅、頻率和位相都不同，且振幅均隨時(shí)間變化；激光器輸出的光入射至由任意波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器上；聲光調(diào)制器的+1階或-1階光路中放置有摻雜稀土離子的晶體。

上述技術(shù)方案中優(yōu)選的：還包括平面反射鏡、光擋；所述的平面反射鏡放置于聲光調(diào)制器的+1階或-1階光路中，光擋放置于聲光調(diào)制器的零階光路中。

還包括示波器、光電探測(cè)器、任意波發(fā)生器中輸出的第三列頻率隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化的方波信號(hào)；光電探測(cè)器放置于從摻雜稀土離子的晶體中透射出來(lái)的光路上，光電探測(cè)器采集的信號(hào)傳輸至示波器。

還包括運(yùn)算電路，光電探測(cè)器采集的信號(hào)傳輸給運(yùn)算電路，經(jīng)去卷積運(yùn)算，輸出在量子比特頻率窗口中的吸收譜。