[發(fā)明專利]用于多量子比特量子門的并行實現(xiàn)的系統(tǒng)和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202080050264.1
• 申請日: 2020-07-10
• 公開（公告）號: CN114245900A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: H·皮査勒;H·J·萊文;M·D·盧金;A·奧莫蘭;A·基斯林·康特萊拉斯;G·塞梅吉尼;V·武萊蒂克;M·格雷納;T·王;S·伊巴迪
• 申請（專利權(quán)）人: 哈佛學(xué)院院長等;麻省理工學(xué)院
• 主分類號: G06N10/20
• 分類號: G06N10/20;G06N10/60
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 王茂華

一種設(shè)備，包括N個量子比特的分組和相干光源，其中N等于或大于2，該相干光源被配置為在給定針對至少第一激光脈沖和第二激光脈沖的參數(shù)集的所選值的情況下，該參數(shù)選自相對相位偏移、激光頻率、激光強度和脈沖持續(xù)時間：將至少第一激光脈沖和第二激光脈沖施加到N個量子比特的分組內(nèi)的所有量子比特，從而將非相互作用的量子狀態(tài)|1耦合到相互作用的激發(fā)狀態(tài)|r，使得以量子狀態(tài)|1開始的每個量子比特在至少第一激光脈沖和第二激光脈沖完成時返回到狀態(tài)|1，并且使得分組中的量子比特被相互阻塞。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2019年7月11日提交的、第62/873,009號美國臨時申請的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容通過引用并入本文。

背景技術(shù)

任何么正(unitary)操作都可以在配備具有完整通用門集的量子計算機上執(zhí)行。完整門集可以由單量子比特操作和一個二量子比特受控非(CNOT)門組成。CNOT門已經(jīng)在幾種不同的物理系統(tǒng)中得到證明，該物理系統(tǒng)包括俘獲的中性原子、俘獲的離子、超導(dǎo)電路和線性光學(xué)。

利用中性原子處理的量子信息提供了許多令人振奮的機會。中性原子可以使用光學(xué)俘獲技術(shù)、以靈活的幾何形狀并且大量地被俘獲。每個單獨的原子可以在兩個超精細基態(tài)能級|0和|1中存儲量子比特的信息。這種存儲具有高相干時間的優(yōu)勢，這得益于與環(huán)境的出色隔離、經(jīng)由光泵浦來實現(xiàn)近乎完美的量子比特初始化、每個量子比特的單獨光學(xué)讀出以及單量子比特的直接操作。最后，通過耦合到高度激發(fā)的里德伯(Rydberg)狀態(tài)來操作多量子比特糾纏門，以實現(xiàn)通用量子計算，可以開啟原子之間的強的并且長程相互作用。

在過去的十年中，已經(jīng)在理論上和實驗上探索了使用里德伯相互作用糾纏原子的協(xié)議，但盡管取得了重大進步，該領(lǐng)域的進展受到與基-里德伯狀態(tài)相干控制相關(guān)聯(lián)的相對低保真度的限制。

如上，可以使用受控相位(CZ)或由里德伯狀態(tài)相互作用介導(dǎo)的CNOT門來糾纏以中性原子的超精細狀態(tài)編碼的量子比特。標準里德伯阻塞CZ脈沖序列由以下項組成：控制量子比特上的π脈沖、目標量子比特上的2π脈沖、以及控制量子比特上的π脈沖，其中每個脈沖在基超精細量子比特狀態(tài)|1與里德伯能級|r之間共振。如果控制量子比特以狀態(tài)|1進入門，則該控制量子比特是里德伯激發(fā)的，并且在目標量子比特上的2π脈沖期間將處于里德伯能級。目標原子的激發(fā)和去激發(fā)對應(yīng)于有效自旋1/2的2π旋轉(zhuǎn)，這因此將π相位偏移賦予目標原子的波函數(shù)。如果控制原子阻擋了目標激發(fā)，則不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并且目標波函數(shù)也沒有相位偏移。結(jié)果是CZ控制的相位操作，其中目標原子的相位偏移取決于控制原子的狀態(tài)。與任意單量子比特門一起，這種糾纏操作形成了通用的量子計算門集。然而，多量子比特量子門的單量子比特尋址，如分別在控制和目標原子上施加局部π和2π脈沖所需，在實驗上仍然具有挑戰(zhàn)性。

因此，持續(xù)需要用于實現(xiàn)多量子比特量子門的改進系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容

在示例實施例中，本公開提供了一種在量子比特的分組上操作量子門的方法，該方法包括選擇針對至少第一激光脈沖和第二激光脈沖的參數(shù)集的值，參數(shù)選自相對相位偏移、激光頻率、激光強度和脈沖持續(xù)時間，并且將至少第一激光脈沖和第二激光脈沖施加到N個量子比特的分組內(nèi)的所有量子比特，其中N等于或大于2，從而將非相互作用的量子狀態(tài)|1耦合到相互作用的激發(fā)狀態(tài)|r，使得以量子狀態(tài)|1開始的每個量子比特在至少第一激光脈沖和第二激光脈沖完成時返回到狀態(tài)|1，并且使得分組中的量子比特被相互阻塞。

在另一示例實施例中，本公開提供了一種在量子比特的分組上操作量子門的方法，該方法包括選擇針對激光脈沖的參數(shù)集的時間相關(guān)值，參數(shù)選自激光相位、激光頻率、激光強度和脈沖持續(xù)時間，并且將激光脈沖施加到N個量子比特的分組內(nèi)的所有量子比特，其中N等于或大于3，從而將非相互作用量子狀態(tài)|1耦合到相互作用的激發(fā)狀態(tài)|r，使得以量子狀態(tài)|1開始的每個量子比特在激光脈沖完成時返回到狀態(tài)|1，并且使得分組中的量子比特被相互阻塞。