用于量子信息處理的固定耦合量子系統(tǒng)的模塊化陣列的制作方法
【專利摘要】一種量子信息處理系統(tǒng)包括第一復合量子系統(tǒng)、第二復合量子系統(tǒng)、耦合到該系統(tǒng)的多個電磁場源以及在第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)之間的可調(diào)節(jié)的電磁耦合。
【專利說明】用于量子信息處理的固定耦合量子系統(tǒng)的模塊化陣列
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]要求基于2011年6月14日提交的名稱為“ARRAY OF THREE DIMENSIONALSUPERCONDUCTING QUBIT/CAVITY CLUSTERS FOR QUANTUM COMPUTING，，的第 61/497，018號美國臨時專利申請的優(yōu)先權，其公開內(nèi)容通過引用整體合并于此。本申請涉及 X X/X X/X X 提交的名稱為“ARRAY OF QUANTUM SYSTEMS IN A CAVITY FOR QUANTUMCOMPUTING”的共同待決美國專利申請(代理人案號Y0R920110314US2)并且給予序列號X X/X X，XXX的優(yōu)先權，其全部公開內(nèi)容通過引用合并于此。
【背景技術】
[0003]本發(fā)明涉及量子信息處理，并且更具體地，涉及對于基于量子系統(tǒng)的陣列集群的量子信息處理硬件的模塊化設計。
[0004]量子信息處理是信息處理的新里程，其中信息由遵照量子力學而不是經(jīng)典力學定律的系統(tǒng)來存儲和處理。這樣的計算機在理論上已經(jīng)被證明能夠使用比經(jīng)典計算機成倍減少的計算源(例如，操作、存儲器元件)來解決重要的問題。這樣，量子物理提供了用于實現(xiàn)解決目前的及其計算難以進行的特定類問題的計算能力的基礎。
[0005]與經(jīng)典比特相似，量子位的基本單位被稱為量子比特(quantum bit)或量子位(qubit)。為了實現(xiàn)量子信息處理任務，必須開發(fā)并且實現(xiàn)多個量子位的物理實例。這些物理實例也被稱為量子比特或量子位。因此，關于實現(xiàn)存儲在其中的量子信息的實例和單位的物理系統(tǒng)來使用術語“量子位”。
[0006]實現(xiàn)量子位的實例的物理量子力學系統(tǒng)必須具有至少兩個不同的并且可區(qū)分的本征態(tài)，以便于表示至少兩個邏輯狀態(tài)。還可以使用不同并且可區(qū)分的本征態(tài)大于2的實例。這些額外的本征態(tài)可以被顯示地用于表示額外的邏輯狀態(tài)，或者用于信息處理任務。具體地，可以利用額外的本征態(tài)來促進對兩個邏輯狀態(tài)進行編碼的兩個本征態(tài)的測量；或者促進與對兩個邏輯狀態(tài)進行編碼的兩個本征態(tài)相關聯(lián)的希爾伯特空間(Hilbert space)的變換。
[0007]若干物理系統(tǒng)和物理領域已經(jīng)作為用于量子信息處理的可能的框架和開發(fā)基礎而提出。這些包括但不限于:固態(tài)核自旋、被測和受控電子或核磁共振、捕獲離子、光學共振腔中的原子(腔量子電動力學)、液態(tài)核自旋、量子點中的自由電子的電子電荷或自旋度、基于氦上的電子和約瑟夫遜結的超導量子電路。
[0008]目前，對量子計算的研究的最活躍的領域是超導量子位、捕獲離子、捕獲原子和量子點。目前在這些系統(tǒng)中的任何一個中所構建的最大的量子計算機由大約10-16個量子位組成，并且大多數(shù)實現(xiàn)集中于特定量子算法或量子態(tài)的實證。
[0009]用于構建大規(guī)模量子計算的需要比諸如僅僅疊加和糾結的量子物理性質(zhì)更加復雜。為了構建實際的量子計算機，存在必須滿足的一組要求。一個要求是擁有可以被初始化到已知狀態(tài)的量子位的系統(tǒng)。另一要求是通過單個和多個量子位門運算來操縱該狀態(tài)、從而可以實現(xiàn)任何任意的邏輯運算的能力。最后，必須通過已知的技術來測量計算的結果。此外，為了使量子系統(tǒng)保持精確創(chuàng)建的疊加和糾結狀態(tài)達充分長的時間(即，相干時間)，其必須與環(huán)境隔離。然而，為了根據(jù)期望的算法的步驟來操縱量子系統(tǒng)，其還必須固有地耦合到外部環(huán)境，由此引入降低相干時間的噪聲機制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]示例性實施例包括一種量子信息處理系統(tǒng)，該量子信息處理系統(tǒng)包括第一復合量子系統(tǒng)、第二復合量子系統(tǒng)、耦合到該系統(tǒng)的多個電磁場源以及在第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)之間的可調(diào)節(jié)的電磁耦合。
[0011]其他示例性實施例包括一種模塊化計算系統(tǒng)，包括第一量子位集群、第二量子位集群以及可調(diào)諧耦合器，該可調(diào)諧耦合器被布設在第一量子位集群和第二量子位集群之間并且耦合第一量子位集群和第二量子位集群。
[0012]其他示例性實施例包括一種量子計算系統(tǒng)，該量子計算系統(tǒng)包括具有第一交互強度的第一量子位集群、具有第二角度強度的第二量子位集群以及子電路，該子電路布設在第一量子位集群和第二量子位集群之間的，并且配置成對第一交互強度和第二交互強度進行調(diào)諧。
[0013]其他示例性實施例包括一種量子計算方法，包括:對布置在波導腔體或任何適當?shù)牧孔涌偩€中的多個量子位施加電磁場、調(diào)節(jié)電磁場以生成多個量子位中的每個量子位中量子態(tài)，以及調(diào)節(jié)電磁場以使多個量子位中的每個量子位彼此耦合。
[0014]其他示例性實施例包括一種量子計算方法，包括:在具有第一多個量子位的第一殼體中生成第一電磁場、在具有第二多個量子位的第二殼體中生成第二電磁場，以及在第一殼體和第二殼體之間生成第三電磁場以將第一多個量子位耦合到第二多個量子位。
[0015]通過本發(fā)明的技術來實現(xiàn)其他特征和優(yōu)點。本發(fā)明的其他實施例和方面在這里詳細描述并且被視作要求保護的發(fā)明的一部分。為了通過更好地理解具有該優(yōu)點和特征的本發(fā)明，參考說明書和附圖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]關于本發(fā)明的主題在說明書的結論處的權利要求書中被具體地指出并且明確地要求保護。從結合附圖作出的下面的具體實施例方式中，本發(fā)明的前述和其他特征及優(yōu)點是顯而易見的，在附圖中:
[0017]圖1圖示了示例性三維量子位集群裝置的示例；
[0018]圖2圖示了多個三維量子位集群裝置的示例性二維點陣多量子位系統(tǒng)；
[0019]圖3圖示了多個三維量子位集群裝置的示例性三維點陣多量子位系統(tǒng)；以及
[0020]圖4圖示了根據(jù)示例性實施例的用于量子計算方法的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]這里描述的系統(tǒng)和方法以模塊系統(tǒng)實現(xiàn)耦合的量子位的大的集合(例如，在千位級或更大)，該模塊系統(tǒng)可以被修改、測試、特征化、評價和操作為較小的系統(tǒng)。為此，每個較小的子系統(tǒng)可以與系統(tǒng)的其他部件集中并且隔離。在不影響構成整個系統(tǒng)的子系統(tǒng)的優(yōu)勢的性能的情況下，其他子系統(tǒng)可以被添加到整個系統(tǒng)或者從整個系統(tǒng)中移除。這里描述的系統(tǒng)和方法是用于模塊量子計算機的構成、組裝、測試、特征化、評估和操作的框架。
[0022]在示例性實施例中，這里描述的系統(tǒng)和方法涉及用于量子信息處理系統(tǒng)的模塊設計，其中量子位的物理實例被布置成兩級物理組織和結構。該兩級被稱為“集群”和“陣列”。
[0023]結構的第一級是“集群”。在示例性實施例中，量子位被分組成大約I到20個量子位的小集群。集群中的每個量子位被電磁地或耦合到集群中的至少一個其他量子位。該耦合通過嵌入在集群的殼體中、在集群的殼體附近或者用作集群的殼體的物理或電磁結構或機制來進行。以該方式，每個集群附加由在包括該集群的量子位對之間的量子位-量子位交互。因此，每個集群形成復合量子系統(tǒng)。
[0024]在示例性實施例中，這里描述的系統(tǒng)和方法實現(xiàn)可調(diào)諧和可調(diào)節(jié)的元件:介于集群內(nèi)量子位-量子位耦合的結構被稱為固定在通過集群內(nèi)的量子位的相干生命周期所設置的時間標度上。因為調(diào)諧度要求對外部場源集群的耦合，所以計算期間僅適用固定的集群內(nèi)耦合允許僅通過對外部電磁環(huán)境的最小連接來構建和操作量子位集群。
[0025]以該方式，每個集群主要與電磁環(huán)境并且所有其他的集群電磁隔離，除非出于包括集群之間的感生交互的目的或者除了出于控制、測量或執(zhí)行構成為形成量子信息處理任務的構成過程而經(jīng)由外部源施加電磁場。因此每個集群可以被視作獨立的復合量子系統(tǒng)。
[0026]在示例性實施例中，結構的第二級是“陣列”。如上所述的多個集群被布置和連接為形成集群陣列。每個集群在集群中的量子位的物理實例方面與每個集群彼此類似。然而，不同的集群可以具有不同數(shù)目的量子位(盡管總是處于上述范圍中)，并且具有些許不同或者由此到彼的變化的屬性。
[0027]陣列中的每個集群通過物理或電磁結構或者以下述方式可調(diào)諧或可調(diào)節(jié)的機制而耦合到至少一個其他集群，該方式比在兩個連接的集群中的量子位的典型相關生命周期更快地在時間標(time scale)方面改變在一個集群中的量子位和鄰居集群中的量子位之間的交互強度。
[0028]因為陣列中的每個集群與該陣列中的其他集群彼此實質(zhì)上類似，所以該陣列中的集群對之間的每個連接與該陣列中的其他對之間的其他連接彼此實質(zhì)上類似。
[0029]當控制兩個集群之間的交互的機制被設置為關閉位置時，第一集群中的量子位中的每一個與第二集群中的量子位之間的交互的強度比在兩個連接的集群中的量子位的相干生命周期所特有的時間標更弱。以該方式，相鄰集群之間的交互使得當交互被設置為關閉位置時，每個集群形成保持與陣列中的其他集群形成的復合量子系統(tǒng)獨立和分離的復合量子系統(tǒng)?？梢元毩⒂诿總€其他集群來表征、測試、優(yōu)化和操作每個集群。以該方式，這里描述的示例性實施例實現(xiàn)模塊量子化信息處理系統(tǒng)。
[0030]在示例性實施例中，這里描述的系統(tǒng)和方法實現(xiàn)包括經(jīng)典可模擬數(shù)目的量子級的量子位集群。多個集群可以被耦合在一起以生成可以用于較大量子計算應用的集群陣列。如這里進一步所述，陣列包括多個集群以及使每個集群與其他集群連接并且使每個集群與其所連接到的其他集群(即，陣列中的鄰居集群)斷開的機制(即，可調(diào)諧耦合器)。出于調(diào)節(jié)、測試、表征、評估和操作的目的，陣列中的集群中的每一個可以與所有其他的集群隔離。因此，每個陣列包括經(jīng)典可模擬(即，能夠在現(xiàn)代經(jīng)典計算機上模擬)的子系統(tǒng)，連接到具有有效地允許每個子系統(tǒng)與陣列中的所有其他的子系統(tǒng)隔離的可調(diào)諧耦合器的另一個連接。這樣，基于其他子系統(tǒng)對陣列的添加或連接來構建和操作量子計算機。這里描述的系統(tǒng)和方法還表征、評估和驗證符合對大的量子系統(tǒng)的模擬的經(jīng)典計算限制的量子計算機片段的性能。因此，這里描述的陣列是包括連接到電磁或機械控件的可調(diào)諧耦合器和耦合到電磁場源的量子位的集群的模塊化物理系統(tǒng)。量子位的集群各自具有通過調(diào)諧集群之間的交互強度的子電路(例如，可調(diào)諧耦合器)而彼此耦合的固定交互強度。
[0031]在示例性實施例中，量子信息處理系統(tǒng)可以包括第一復合量子系統(tǒng)(例如，第一量子位集群)、第二復合量子系統(tǒng)(例如，第二量子位集群)、耦合到系統(tǒng)的電磁場源以及在第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)之間的可調(diào)節(jié)電磁耦合。復合量子系統(tǒng)可以各自包括限定腔體的殼體、布設在腔體中的量子系統(tǒng)以及耦合到腔體的電磁場源。復合量子系統(tǒng)中的每一個從電磁場源耦合到電磁場源。此外，電磁場源被配置為產(chǎn)生第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)的量子態(tài)的變換或抑制變換。電磁場源還被配置為產(chǎn)生復合量子系統(tǒng)的一部分或全部的投影量子測量。在示例性實施例中，第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)中的每一個包括指示復合量子系統(tǒng)的量子態(tài)的方面的一個或多個可測量屬性。此外，第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)中的每一個耦合到用于促進指示復合量子系統(tǒng)的量子態(tài)的復合量子系統(tǒng)的屬性的測量的裝置。此外，系統(tǒng)的演進和測量實施并且執(zhí)行量子信息處理算法、任務和協(xié)議中的至少一個。在示例性實施例中，該系統(tǒng)可以包括布設在第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)之間的電子電路，由此將第一系統(tǒng)電磁稱合到第二系統(tǒng)。此外，第一復合量子系統(tǒng)和第二復合量子系統(tǒng)可以是量子位的集群，并且電磁場源被配置為生成量子位的集群中的一個或多個量子態(tài)。
[0032]圖1圖示了示例性量子位集群裝置100的示例。裝置100包括其中限定了腔體110的殼體105。裝置100可以進一步包括布設在腔體110內(nèi)的量子位115的集群。如本文所述，超導約瑟夫遜結的示例被描述為量子位115中的每一個。然而，如本文所述，應當認識到，可以實現(xiàn)任何類型的量子位，包括但不限于量子點、電子或核自旋或其組合。裝置100可以進一步包括外部電磁源120 (例如，同軸電纜)，該外部電磁源120耦合到殼體105并且提供腔體110內(nèi)的電磁場。這樣，可以理解，殼體105是用于施加到殼體105的電磁場的電磁波導。量子位115可以以各種方式被布置在腔體110內(nèi)。腔體內(nèi)的量子位的位置和方向可以影響其耦合到腔體模式的強度。每個量子位115可以被看作是具有關聯(lián)的偶極矩的矢量的偶極子。其與腔體110的交互的強度主要通過偶極矩矢量與量子位115的位置處的電場矢量的點積來確定。這樣，因為量子位通過其與腔體模式的相互交互來獲得直接量子位-量子位的有效交互，所以關于感興趣的模式的電場簡檔的量子位的位置和方向的調(diào)節(jié)可以用于調(diào)節(jié)量子位-腔體耦合的強度，并且進而量子位-量子位耦合的強度。裝置100是包括多個量子位115的擴展的(scaled)裝置。這樣，腔體110可以支持高容量的電磁模式、在腔體110和量子位之間具有強耦合。此外，在可以通過來自電磁源120的電磁場來控制和調(diào)諧的腔體內(nèi)的各個量子位115之間存在強耦合。因此，裝置100從單個3D量子位縮放為用于量子計算的耦合的3D量子位的大平臺。在示例性實施例中，縮放過程是模塊化的。圖1圖示了如述的單個量子位集群100。在示例性實施例中，圖示了 8個量子位115，并且可以以各種方式布置為實現(xiàn)期望的量子位之間的耦合。將認識到，存在量子位115可以以其進行耦合的很多方法和方式。量子位115中被圖示為八角形圖案，但是并不以任何方式將其他示例性實施例限制為該圖案。此外，可以有比8更少或更多的量子位115布置在腔體110中。如這里進一步描述的，圖示了 8個量子位115是因為其表現(xiàn)為類似于傳統(tǒng)NMR分子，并且因此很好理解和進行表征。
[0033]這樣，圖1圖示了用于形成量子位集群裝置100的腔體115內(nèi)部的超導量子位(例如，8個氣窗式量子位)，如述為超高Q超導波導諧振器。在進一步縮放中，額外的量子位集群裝置可以耦合到如現(xiàn)在描述的量子位集群裝置100。
[0034]圖2圖示了多個3D量子位集群裝置A1、A2、B1、B2的示例性二維晶格多量子位系統(tǒng)200。裝置A1、A2、B1、B2僅是說明性的，并且可以縮放到較大數(shù)目的量子位集群裝置，諸如在Al-An、Bl-Bm級的多個行和列，其中η和m是整數(shù)。此外，裝置Al、A2、B1、B2中的每一個包括與圖3的裝置300的類似結構。例如，該裝置Al包括在其中限定了腔體210的殼體205。裝置Al可以進一步包括布設在腔體210內(nèi)的量子位215的集群。裝置Al可以進一步包括耦合到殼體205并且在腔體210內(nèi)提供電磁場的外部電磁源220 (例如，同軸電纜)。系統(tǒng)200進一步包括經(jīng)由耦合元件251 (例如，傳輸線)耦合在相鄰裝置Al、A2、B1、B2之間的電磁諧振器250，該耦合元件251將腔體210耦合到電磁諧振器250。調(diào)諧器250經(jīng)由適當?shù)伛詈显O備耦合到各個裝置Al、A2、B1、B2，適當?shù)伛詈显O備諸如但不限于，根據(jù)在耦合中實現(xiàn)的諧振器的類型的傳輸線和波導。例如，諧振器250可以從任何集總元件(明顯的電容器和電感器)或者從傳輸線的短部構建的微波諧振器。傳輸線可以是同軸的平面波導等。這些諧振器是通過在其中并入一些非線性材料或電路元件而可調(diào)諧的。非線性電路元件的示例可以是將約瑟夫遜結，其可以作為可調(diào)諧電感器。一種可能的設計是由從具有嵌入在中心導體或在中心導體和地平面的間隙中的約瑟夫遜結的共面波導的短截面制成的傳輸線諧振器。另一諧振器可以包括由一個或多個約瑟夫遜結介入的超導回路，其用作取決于磁場的電感。無論實現(xiàn)的諧振器的類型如何，諧振器250是可調(diào)諧的，使得相鄰的裝置Al、A2、B1、B2彼此耦合。通過調(diào)諧各的電磁場，一個裝置Al、A2、B1、B2中的量子位的組可以耦合到另一裝置A1、A2、B1、B2中的相鄰的量子位的組。這樣，不僅量子位耦合到其相應的腔體和駐留在其腔體中的其他量子位，也在整個系統(tǒng)200中還可以耦合量子位的組,如本文中進一步描述。
[0035]系統(tǒng)200能夠使用完整的多量子位系統(tǒng)200來進行非本地糾結、傳送和糾錯。在縮放時，關于縮放的其他問題可以被解決，諸如但不限于熱化、物理組件和信號遞送(例如，I/o問題)?？梢岳斫?，來自圖2的3D量子位裝置200的縮放使用在前兩個級中開發(fā)的系統(tǒng)的標稱相同的副本來調(diào)節(jié)為圖3的量子位集群裝置300以及這些單元晶格(unit cell)的二位陣列，如在圖2 (b)中所示。最后，多個二維陣列可以被垂直堆疊為形成三維陣列。圖3圖示了如這里所述的多個3D量子位集群裝置的示例性3D晶格多量子位系統(tǒng)300。為了說明的目的，示出了圖2的兩個系統(tǒng)200。圖3被圖示為進一步示出本文所描述的系統(tǒng)和方法的縮放?？梢岳斫猓梢詫ο到y(tǒng)300添加額外的系統(tǒng)200，以進一步縮放量子計算機的尺寸。
[0036]在示例性實施例中，如本文所述，集群內(nèi)的量子位的耦合以及集群之間的各個量子位的耦合可以通過電磁場的應用來實現(xiàn)。隨后，可以進行量子位的測量以確定量子位的量子態(tài)。電磁場以及隨后的量子態(tài)測量的應用描述了整體量子計算方法。圖4示出了根據(jù)示例性實施例的量子計算方法的方法400的流程圖。在框410中，可以向第一量子位集群施加并調(diào)節(jié)第一電磁場(例如圖2中的裝置Al)。在框420，可以向第二量子位集群施加并調(diào)節(jié)第二電磁場(諸如圖2的裝置A2)。如本文所述，對各個量子位集群的電磁場的應用將集群內(nèi)的量子位彼此耦合并且感生量子態(tài)。在框430，可以在第一和第二量子位集群之間施加并調(diào)節(jié)第三磁場(諸如施加來自布設在裝置A1、A2之間的諧振器250的諧振頻率)。例如，第三場被施加到電磁諧振器250以及裝置Al和A2。如本文所述，第三磁場的應用將第一量子位集群內(nèi)的各個量子位與第二量子位集群中的各個量子位耦合，從而耦合量子位集群。在每次迭代以執(zhí)行特定的量子算法或糾錯方案(框450)期間，重復和修改框410、420和430。在框440處，可以例如通過測量各個量子位的量子通量來進行對量子位的量子態(tài)的適當測量。
[0037]現(xiàn)在進一步描述示例性系統(tǒng)和方法的若干性質(zhì)。如本文所述，很好理解的是，具有分散耦合到單個玻色子諧振器模式的多個氣窗式量子位的系統(tǒng)的物理系(例如，NMRQC)。在示例性實施例中，利用固定的量子位頻率和固定的量子位-量子位的耦合來實現(xiàn)本文所描述的系統(tǒng)和方法。以這種方式，可以實現(xiàn)已知的NMR控制技術。在NMR技術中，實現(xiàn)拉莫爾頻率，其中量子位往往與所施加的電磁場對準。此外，在本文描述的示例性量子位集群中，描述在分子中的電子環(huán)境上的能量水平的依賴關系的化學位移可以被實現(xiàn)為確定在給定的腔體中的能量水平的依賴關系。通過實施這樣的公知的技術，可以實現(xiàn)這里所描述的示例性的量子位集群的通用控制。在示例性實施例中，量子位頻率可以經(jīng)由引入到腔體的電線來進行控制。通過量子位頻率和非諧性的適宜選擇，可以實現(xiàn)等于NMR中的漢密爾頓函數(shù)的漢密爾頓函數(shù)，其中存在可比較強度的長期和非長期的耦合項，但是僅長期的部分是重要的，因為它進入一階攝動理論。在示例性實施例中，可以在腔體內(nèi)的單個量子位上選擇自旋。
[0038]在NMRQC中，ZZ交換和交互描述了相鄰分子之間的自旋交換。該概念可以被延伸為描述如在示例性實施例中所描述的量子位中的自旋交換。當在特定腔體中的量子位之間的有效ZZ交互與非對角(off-diagonal) J-耦合項相比明顯時，即交互量子位的角動量的耦合，NMR型漢密爾頓函數(shù)出現(xiàn)。該ZZ交互具有兩個物理源點。首先，當腔體量子位耦合被處理為四階攝動理論處理時，ZZ交互在兩級逼近中出現(xiàn)。第二，其在計算子空間外的額外的量子位水平被適當建模時出現(xiàn)?？梢允沟脙蓚€效果相加而不是抵消。在示例性實施例中，本文所描述的包括實現(xiàn)NMR·型漢密爾頓函數(shù)的電路的系統(tǒng)和方法需要理解和利用ZZ交互項的兩個源點。隨著集群中的一個量子位的1_>2躍進接近另一的0->1躍進，該效果的強度迅速增加。通過利用這些物理現(xiàn)象，可以如所述的對這里描述的量子位集群進行縮放。
[0039]在示例性實施例中，為了產(chǎn)生由如下表征的NMR型漢密爾頓函數(shù):1)固定的量子位躍遷頻率以及b)由ZZ交互支配的固定的量子位-量子位耦合，本文所述的系統(tǒng)具有下述特性:1)以表現(xiàn)為有效的兩級系統(tǒng)的方式來控制和操縱每個量子位；2)每個量子位利用遠大于量子位的弛豫(qubit relaxation)和退相干速率的稱合能量來與至少一個其他量子位交互；3)該系統(tǒng)允許對量子位應用頻率和幅度調(diào)制的微波控制場；以及4)該系統(tǒng)允許可以讀出所有量子位的量子態(tài)。
[0040]在示例性實施例中，兩個量子位門通過什么都不做而被執(zhí)行為要糾結的兩個量子位，而所有其他對之間的交互重新集中。在對多自旋分子的最近的液態(tài)NMR實驗中，已經(jīng)證明了 Elq=L 3父10_4和^=4.7xl0_3的非常高保真度的控制。認為這些由于開始難以極化自旋而受到限制。相反，在示例性實施例中，可以容易地初始化這里描述的量子位(即，超導量子位)。然而，較高的拉莫爾頻率(與50-500MHZ相比，大約Ι-lOGHz)，進行額外的步驟以做出準確的數(shù)值脈沖優(yōu)化。
[0041]在示例性實施例中，此處所描述的示例性集群內(nèi)的量子位通過對容納其的腔體的諧振或近諧振的信號的施加來進行測量?？梢愿鶕?jù)聯(lián)合分散讀出的建立的方法來進行讀出。還通過對相鄰耦合元素施加驅(qū)動信號來實現(xiàn)單發(fā)讀出，其非線性使其適合用于信號放大。
[0042]這樣，可以理解，這里所描述的示例性集群合并了諸如超導屬性的量子位的NMRQC和期望屬性的已知和被良好表征的特征。
[0043]如本文中進一步描述，為了使如圖3中所示的量子位集群擴展到例如如圖2和圖3所示的所描述的較大的陣列，添加其他集群。如圖2和圖3中描述的示例性系統(tǒng)200、300，高Q值可調(diào)諧諧振器(例如，諧振器250)調(diào)解獨立集群中的“相同”量子位之間的交互。例如，在圖2中，一些量子位215被標記有Ql。裝置A1、A2之間的諧振器250可以被調(diào)諧為對頻率fql的與一對量子位(例如，量子位A1Q1、A2Q1)的諧振。該頻率fql的施加導致了裝置A1、A2之間的從量子位AlQl和A2Q1到耦合諧振器250的量子信息的增強交換。實現(xiàn)了量子位交換速率對諧振器250的諧振增強而不是實現(xiàn)對量子位弛豫的抑制。量子位A1Q1、A2Q2中的每一個根據(jù)下述表達式來與諧振器進行交互:HeffS EcggMct +<c)/A?
[0044]其中，g。是諧振器250和cQED集群腔體(即裝置Al、A2的腔體210中的任何一個)之間的耦合強度，g,和中Aq分別是量子位215的集群內(nèi)的標準cQED量子-腔體耦合強度和失調(diào)，是量子位運算和諧振器250運算子。當裝置A1、A2以及諧振器250諧振時，量子位-量子位以該速率的一半前進或ga/2 Δ QO通過當前支配的可調(diào)諧腔體性能，在單獨腔體中的量子位之間的該耦合方案可以產(chǎn)生具有10_2的門運算錯誤率的運算，并且隨著可調(diào)諧諧振器250的Q中的任何改進而線性增加。理論上可以使門錯誤率高達5至10倍。
[0045]在示例性實施例中，當諧振器250失調(diào)時，其余耦合僅通過相應的裝置Al、A2和諧振器250中的每一個經(jīng) 由三階色散耦合進行作用，效果與下述等式成比例:
- g；g] (? + σ>? )/Δ; Af
[0046]該可調(diào)諧耦合的開/關比率由此是:= Jgi gq
[0047]這是可訪問參數(shù)的100-1000。
[0048]如本文所述，許多不同類型的諧振器可以被實現(xiàn)為諧振器250。例如，用于中介相鄰集群(例如，裝置A1、A2)的量子位之間的交互的基本可調(diào)諧耦合元件可以包括嵌入在2D或3D的諧振器結構和施加偏置場的模式體積內(nèi)的約瑟夫遜結。該可調(diào)諧耦合器可能是無源但是可調(diào)諧的設備，諸如頻率調(diào)諧的諧振器；或者可以是有源設備如，約瑟夫遜參數(shù)轉(zhuǎn)換器，其頻率隨著取決于泵功率的增益而轉(zhuǎn)換。目前可用的技術已經(jīng)實現(xiàn)了具有Qtunable=3xl04的可調(diào)諧諧振器。無損約瑟夫遜頻率轉(zhuǎn)換器還可以被實現(xiàn)為諧振器250。無損約瑟夫遜頻率轉(zhuǎn)換器可以用作具有取決于所施加的泵功率的增益的頻率轉(zhuǎn)換器，并且因此能夠產(chǎn)生具有較大開/關比率的非常強的集群-集群耦合。無損約瑟夫遜頻率轉(zhuǎn)換器還可以被實現(xiàn)為能夠進行單詞投影聯(lián)合讀出、用于量子糾錯方案的有價值的源的讀出元件。
[0049]在示例性實施例中，縮放可以不僅進一步包括如上所述的相鄰裝置A1、A2，還可以包括包含圖2中所示的裝置B1、B2的全2D布置。在示例性實施例中，集群的2X2陣列(例如，裝置A1、A2、B1、B2)可以被實現(xiàn)用于通過經(jīng)由中間諧振器250來耦合最近的鄰居的量子計算。類似地，任何3X3陣列或更大以及在圖3中所示的任何3D陣列可以進一步被開發(fā)實現(xiàn)諧振器250以耦合最近的鄰居。在這些示例中，2X2陣列可以包括32個量子位，3X3陣列可以包括72個量子位，8X8陣列可以包括512個量子位等，從而證明了量子計算的能力。該縮放方法有利地包括模塊化重復單元，該模塊化重復單元利用如上所述的已知和支配的物理效果，并且降低了 I/O挑戰(zhàn)，因為例如每個量子位集群可以實現(xiàn)一個控制線。
[0050]圖1-3所示的示例示出了量子位的示例性布置?？梢岳斫?，量子位集群可以被布置在其他晶格結構中，諸如三角晶格、六角晶格等。還可以被擴展到三維晶格(例如圖3的立方晶格)。不論量子位集群被布置在1D、2D還是3D晶格中，為了有助于IO問題或出于其他原因，物理結構都可以被布置為占據(jù)了 3D體積。在圖3的3D立方晶格的情況下，二維正方晶格片可以以若干方法中的任何一個通過額外的可調(diào)諧諧振器來彼此連接，例如以在拓撲上形成大的擴展的二維陣列或真正三維陣列，其中每個內(nèi)部量子位集群連接到其最近的6鄰居，在同一平面上的4個以及每一個正上方和下方。
[0051 ] 技術效果包括實現(xiàn)布置為耦合用于量子計算的各個量子位的量子位的集群。
[0052]這里使用的術語僅用于描述特定實施例，而不是意在限制本發(fā)明。如本文所用的，單數(shù)形式“一”和“所述”旨在還包括復數(shù)形式，除非上下文清楚地另有指示。將進一步理解，術語“包括”在本說明書中進行使用時，指定所述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件組件和/或其組合。
[0053]相應的結構、材料、動作和所有裝置或步驟加在下面的權利要求中的功能元件的等價物意在包括任何結構、材料或用于結合具體要求保護的其他要求保護的元件來執(zhí)行功能。出于說明和描述的目的，已經(jīng)提出了本發(fā)明的描述，但并非旨在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制為所公開的形式。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本【技術領域】的普通技術人員來說是顯而易見。實施例被選擇和描述為最好地解釋本發(fā)明的原理和實際應用，并使其他本【技術領域】的普通技術人員能夠理解適用于預期的具體使用的各種修改的各種實施例的發(fā)明。
[0054]這里描繪的流程圖僅僅是一個示例。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可能存在對附圖或這里描述的步驟(或操作)的許多變化。例如，步驟可以以不同的順序被執(zhí)行，或者步驟可以被添加、刪除或修改。所有這些變化都被認為是所要求保護的本發(fā)明的一部分。
[0055]雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是應理解，對本領域技術人員，無論是現(xiàn)在還是將來，可以進行落在下面的權利要求的范圍內(nèi)的各種改進和增強。這些權利要求應該被解釋為保持對于先描述的本發(fā)明的適當?shù)谋Ｗo。
【權利要求】
1.一種量子信息處理系統(tǒng)，包括: 第一復合量子系統(tǒng)； 第二復合量子系統(tǒng)； 耦合到所述系統(tǒng)的多個電磁場源；以及 在所述第一復合量子系統(tǒng)和所述第二復合量子系統(tǒng)之間的可調(diào)節(jié)的電磁耦合。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一復合量子系統(tǒng)和所述第二復合量子系統(tǒng)各自包括: 限定其中的腔體的殼體； 布設在所述腔體中的多個量子系統(tǒng)；以及 耦合到所述腔體的電磁場源。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述復合量子系統(tǒng)中的每一個耦合到來自所述多個電磁場源的電磁場源。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁場源被配置成產(chǎn)生所述第一復合量子系統(tǒng)和所述第二復合量子系統(tǒng)的量子態(tài)的變換。
5.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁場源被配置成抑制所述第一復合量子系統(tǒng)和所述第二復合量子系統(tǒng)的量子態(tài)的變換。
6.根據(jù)權利要求3 所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁場源被配置成產(chǎn)生所述復合量子系統(tǒng)的一部分或全部的投影量子測量。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一復合量子系統(tǒng)和所述第二復合量子系統(tǒng)中的每一個包括指示所述復合量子系統(tǒng)的量子態(tài)的一個或多個可測量屬性。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一復合量子系統(tǒng)和所述第二復合量子系統(tǒng)中的每一個耦合到下述裝置:所述裝置用于促進對指示所述復合量子系統(tǒng)的量子態(tài)的復合量子系統(tǒng)的屬性的測量。
9.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)的演進和測量實現(xiàn)并且執(zhí)行量子信息處理算法、任務和協(xié)議中的至少一個。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括電子電路，所述電子電路布設在所述第一復合量子系統(tǒng)和所述第二復合量子系統(tǒng)之間，由此將所述第一系統(tǒng)電磁耦合到所述第二系統(tǒng)。
11.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括耦合到所述可調(diào)節(jié)電磁耦合的電磁場源。
12.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述第一復合量子系統(tǒng)包括第一多個量子位，并且所述第二復合量子系統(tǒng)包括第二多個量子位。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述第一個多個量子位被布置在所述第一量子位陣列中，使得與所述第一多個量子位中的每一個相關聯(lián)的模式彼此耦合，并且其中，所述第二多個量子位被布置在所述第二量子位陣列中，使得與所述第二多個量子位中的每一個相關聯(lián)的模式彼此耦合。
14.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁場源被配置成生成所述多個量子位中的每一個的一個或多個量子態(tài)。
15.一種模塊化計算系統(tǒng)，包括: 第一量子位集群；第二量子位集群；以及 布設在所述第一量子位集群和所述第二量子位集群之間并且耦合所述第一量子位集群和所述第二量子位集群的可調(diào)諧耦合器。
16.一種量子計算系統(tǒng)，包括: 具有第一交互強度的第一量子位集群； 具有第二交互強度的第二量子位集群；以及 布設在所述第一量子位集群和所述第二量子位集群之間并且配置成調(diào)諧所述第一交互強度和所述第二交互強度的子電路。
17.一種量子計算方法，包括: 對布置在波導腔體中的多個量子位施加電磁場； 調(diào)節(jié)所述電磁場以生成所述多個量子位中的每一個中的量子態(tài)；以及 調(diào)節(jié)所述電磁場以使所述多個量子位中的每個量子位彼此耦合。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，進一步包括:測量所述多個量子位中的每個量子位的所述量子態(tài)。
19.一種量子計算方法，包括: 在具有第一多個量子位的第一殼體中生成第一電磁場； 在具有第二多個量子位的第二殼體中生成第二電磁場；以及 在所述第一殼體和所述第二殼體之間生成第三電磁場，以將所述第一多個量子位耦合到所述第二多個量子位。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，進一步包括: 調(diào)節(jié)所述第一電磁場，以生成所述第一多個量子位中的每個量子位中的量子通量；以及 測量所述第一多個量子位的每個量子位的所述量子通量。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，進一步包括: 調(diào)節(jié)所述第二電磁場，以生成所述第二多個量子位中的每個量子位中的量子通量；以及 測量所述第二多個量子位的每個量子位的所述量子通量。
22.根據(jù)權利要求19所述的方法，進一步包括:調(diào)諧所述第三電磁場，以調(diào)節(jié)在所述第一多個量子位和所述第二多個量子位之間的耦合。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，進一步包括: 調(diào)節(jié)所述第一電磁場以調(diào)節(jié)所述第一多個量子位中的每個量子位之間的耦合。
24.根據(jù)權利要求21所述的方法，進一步包括: 調(diào)節(jié)所述第二電磁場 以調(diào)節(jié)所述第二多個量子位中的每個量子位之間的耦合。
【文檔編號】H01L29/06GK103582949SQ201280026434
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年5月4日 優(yōu)先權日:2011年6月14日
【發(fā)明者】J·M·甘貝塔, M·B·凱琴, C·T·里格蒂, M·斯蒂芬 申請人:國際商業(yè)機器公司