[发明专利]量子计算装置及光子量子逻辑门的实现方法

说明书

一种量子计算装置(10)及光子量子逻辑门的实现方法，其中方法包括：量子计算装置(10)接收输入的激光以使四能级量子点(12)激励到双激子态(402)；在四能级量子点(12)从双激子态跃迁到单激子态的情况下，量子计算装置(10)依次接收输入的第一单光子脉冲、第二单光子脉冲和第三单光子脉冲(404)；使用激光和单光子脉冲输入该量子计算装置(10)可实现(SWAP)^1/2门。

技术领域

本发明涉及计算领域，尤其涉及一种量子计算装置及光子量子逻辑门的实现方法。

背景技术

量子计算是量子物理学与计算机科学、信息科学相结合而产生的一门新型交叉学科。一个量子比特(Qubit)可以处于量子态|0与量子态|1的任意复系数组成的线性叠加态|ψ＝α|0+β|1上。量子计算通过逻辑门操作Qubit，称之为量子逻辑门或简称量子门。其中，仅有一个Qubit经过逻辑计算得到的量子门称为单Qubit量子门，如与门、非门等；由多个Qubit经过单Qubit量子门的有限次组合得到的量子门称为多Qubit量子门(也称为“通用量子门”)，例如，控制非(controlled not，CNOT)门和交换开方(square root of swap，)门均属于多Qubit量子门。

光量子计算和量子信息处理是以单光子作为量子比特载体的。但由于单光子之间的相互作用在通常情况下是极弱的，很难直接通过某种材料的光学非线性实现多Qubit量子门，因此如何构造光子的多Qubit量子门是本领域的技术人员正在研究的问题。

发明内容

本发明实施例公开了一种量子计算装置及光子量子逻辑门的实现方法，提供一种四能级量子点与光学谐振微腔耦合的量子计算装置，使用激光和单光子脉冲输入该量子计算装置能够实现门。

第一方面，本发明实施例公开了一种量子计算装置，包括四能级量子点和光学微谐振腔，其中：四能级量子点包括双激子态、第一单激子态、第二单激子态和真空态，第一单激子态和第二单激子态的能量均等于ω_X，双激子态的能量等于2ω_X-χ，其中χ为双激子结合能，真空态的能量等于0；光学微谐振腔包括第一模式和第二模式，第一模式与第二模式相互正交，且第一模式与第二模式的共振频率均等于ω_X-χ；双激子态向第一单激子态之间的跃迁以及第一单激子态向真空态之间的跃迁均与第一模式耦合且耦合强度为a、双激子态向第二单激子态之间的跃迁以及第二单激子态向真空态之间的跃迁均与第二模式耦合且耦合强度为b，a和b均大于0且a等于b。通过两个基态简并的单激子态的四能级量子点分别与两个相互正交、共振频率相等的共振模式的光学谐振微腔耦合形成量子计算装置，使用激光和单光子脉冲输入该量子计算装置可实现门。

第二方面，本发明实施例公开了一种光子量子逻辑门的实现方法，包括：量子计算装置接收输入的激光以使四能级量子点激励到双激子态；在四能级量子点从双激子态跃迁到单激子态的情况下，量子计算装置依次接收输入的第一单光子脉冲、第二单光子脉冲和第三单光子脉冲。其中，第一单光子脉冲、第二单光子脉冲和第三单光子脉冲均以第一模式和第二模式编码的量子比特。输入的第一单光子脉冲和第二单光子脉冲是需要执行操作的、携带特定信息的量子比特，输入的第三单光子脉冲是不携带进行操作的信息的量子比特。由于第一单光子脉冲和第三单光子脉冲的频率等于双激子态跃迁至单激子态所需的频率，第二单光子脉冲的频率与第三单光子脉冲的频率相差频率阈值Γ，则上述三个单光子脉冲输出量子计算装置之后，该量子计算装置即可实现门，将第一单光子脉冲的量子态转移至第三单光子脉冲，输出的第二单光子脉冲和第三单光子脉冲分别是第二单光子脉冲和第一单光子脉冲经历门操作后的结果。

可选的，量子计算装置依次接收输入的第一单光子脉冲、第二单光子脉冲和第三单光子脉冲，包括：量子计算装置在预设时间点开始依次接收输入的第一单光子脉冲、第二单光子脉冲和第三单光子脉冲。由于预设时间点与激光输入的起始时间的差值与双激子态的能级寿命的5倍的差值小于预设阈值，则在预设时间点时可认为四能级量子点从双激子态跃迁至单激子态。