[發明專利]新型混合量子比特系統

有效

• 申請號: 202011139747.7
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112434815B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 段路明;楊蒿翔
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06N10/70
• 分類號: G06N10/70;G06N10/40
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 周紅

本發明公開了一種新型混合量子比特系統，新型混合量子比特系統包括第一類量子比特和第二類量子比特，第一類量子比特和第二類量子比特承擔不同的功能，且第一類量子比特和第二類量子比特為同一種離子，離子具有至少兩個長壽命能級，以便第一類量子比特和第二類量子比特在不同長壽命能級間進行相干轉移。根據本發明實施例的新型混合量子比特系統，選擇其中一些長壽命能級作為操作能級，選擇其余一些長壽命能級作為存儲能級，當需要對部分量子比特進行操作時，將其余量子比特進行相干轉移至存儲能級進行保護性存儲，因此可以有效消除串擾錯誤。根據本發明實施例的新型混合量子比特系統可以促進量子網絡、量子計算、量子精密測量等領域的發展。

技術領域

本發明涉及量子網絡、量子計算、精密測量等領域，特別涉及一種新型混合量子比特系統。

背景技術

混合量子比特系統包含兩類量子比特，即輔助量子比特與數據量子比特，它們承擔不同的功能，數據量子比特主要承擔對量子信息的存儲與運算等操作，輔助量子比特則主要承擔具有破壞性的輔助性操作。例如，在協同冷卻過程中，激光冷卻在輔助量子比特上進行；在量子糾錯過程中，為了提取錯誤信息的重復測量操作在輔助量子比特上進行；在量子網絡構建過程中，為了實現量子節點之間的糾纏而進行的重復測量操作也在輔助量子比特上進行。

串擾錯誤是指在包含多個量子比特的系統中，對部分量子比特的操作干擾到其余量子比特，從而引起的錯誤。例如，如圖1所示，在對某個量子比特Qa′進行測量、冷卻等操作時，量子比特Qa′釋放的光子被近鄰量子比特Q1′和Q2′吸收，觸發退相干，從而導致近鄰量子比特Q1′和Q2′上的信息丟失。

串擾錯誤是量子計算、量子網絡、精密測量等領域所面臨的重要障礙，例如上述領域均要求量子比特處于極低溫度，因此需要對量子比特進行持續冷卻，而冷卻過程是退相干過程，會導致信息丟失，因此常采用協同冷卻的方式，即直接冷卻輔助量子比特，利用輔助量子比特與數據量子比特之間的相互作用，間接冷卻數據量子比特。若輔助量子比特與數據量子比特全同(屬于同一種離子)，則對輔助量子比特的冷卻操作會在附近數據量子比特上引起串擾錯誤。再如，量子計算領域的量子糾錯方案大多依賴于對輔助量子比特的反復測量，該測量過程同樣會在附近數據量子比特上引起退相干，從而導致計算過程失效。

串擾錯誤無法通過量子糾錯進行糾正，只能從根源上消除。現有的消除方案主要有如下兩種：

方案一是使用不同種類的離子作為混合量子比特，如圖2所示，輔助量子比特Qa″與數據量子比特Q1″為不同種類的離子，二者能級結構有較大差異，從而不會相互影響。但方案一具有如下缺點：系統復雜度增加；由于兩種離子質量差異，邏輯門的保真度低；輔助量子比特與數據量子比特的數量和位置隨機。

方案二是采用對部分量子比特進行空間移動的方法，量子比特之間間距增大，可以減小串擾錯誤。該方案具有如下缺點：離子間距過大，會降低協同冷卻效率、降低邏輯門制備效率；對離子進行空間移動的過程中會引起加熱。

總而言之，在同一個系統中只對部分量子比特的操作都會引起串擾錯誤，現有的串擾錯誤消除方案弊端眾多，可擴展性不強。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決現有技術中的上述技術問題之一。為此，本發明提出一種新型混合量子比特系統，能夠有效消除串擾錯誤。

為達到上述目的，本發明實施例提出一種新型混合量子比特系統，包括第一類量子比特和第二類量子比特，所述第一類量子比特和所述第二類量子比特承擔不同的功能，且所述第一類量子比特和所述第二類量子比特為同一種離子，所述離子具有至少兩個長壽命能級，以便所述第一類量子比特和所述第二類量子比特在不同長壽命能級間進行相干轉移。

根據本發明的一個實施例，所述離子在不同長壽命能級上時具有不同的激發和散射頻率。