[发明专利]鲁棒的量子逻辑门

说明书

提供并描述了用于实现鲁棒的量子逻辑门的技术。在一些方面，在包括第一腔和第二腔的多个腔之间的量子逻辑门通过以下操作实现：使用色散耦合至第一腔和第二腔两者的耦合transmon在第一腔与第二腔之间执行第一分束器操作；以及在第二腔与色散耦合至第二腔但并未色散耦合至第一腔的辅助transmon之间执行受控相移操作。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2018年1月5日提交的标题为“ROBUSTQUANTUM LOGICAL GATES”的美国临时专利申请第62/613,937号和2018年9月19日提交的标题为“ROBUST QUANTUM LOGICAL GATES”的美国临时专利申请第62/733,326号的权益，这两个专利申请的全部内容均通过引用并入本文。

联邦赞助的研究

本发明是在美国陆军研究局授予的W911NF-14-1-0011的政府支持下做出的。政府对本发明享有一定权利。

背景技术

量子信息处理使用量子力学现象例如能量量化、叠加和纠缠来通过不被常规信息处理利用的方式对信息进行编码和处理。例如，已知可以使用量子计算而不是常规的经典计算来更有效地解决某些计算问题。然而，为了成为可行的计算选项，量子计算需要精确控制大量量子位(称为“qubit”)以及这些量子位之间的相互作用的能力。特别地，量子位应当：具有长的相干时间、能够被单独操纵、能够与一个或更多个其他量子位相互作用以实现多量子位门、能够被有效地初始化和测量、以及能够扩展到大量的量子位。

量子位可以由具有至少两个正交状态的任何物理量子力学系统形成。用来编码信息的系统的两个状态被称为“计算基(computational basis)”。例如，光子极化、电子自旋和核自旋是可以编码信息的两级系统，并且因此可以用作量子信息处理的量子位。量子位的不同物理实现具有不同的优点和缺点。例如，光子偏振受益于长的相干时间和简单的单量子位操纵，但是受制于不能创建简单的多量子位门。

已经提出了使用约瑟夫逊结(Josephson junction)的不同类型的超导量子位，包括：“相量子位(phase qubit)”，其中计算基是约瑟夫逊结中库珀对(Cooper pair)的量化能量状态；“通量量子位(flux qubit)”，其中计算基是超导回路中循环电流流动的方向；以及“电荷量子位(charge qubit)”，其中计算基是超导岛上库珀对的存在或不存在。超导量子位是量子位的有利的选择，因为两个量子位之间的耦合较强，使得双量子位门相对容易实现，并且超导量子位是可扩展的，因为它们是可以使用常规的电子电路技术形成的中型部件。另外，超导量子位展现出与约瑟夫逊效应相关联的强非线性以及优异的量子相干性。所有超导量子位设计使用至少一个约瑟夫逊结作为非线性非耗散元件。

发明内容

根据一些方面，提供了一种用于在多个腔之间实现量子逻辑门的方法，多个腔包括第一腔和第二腔，该方法包括：使用色散耦合至第一腔和第二腔两者的耦合transmon在第一腔与第二腔之间执行第一分束器(BS)操作；以及在第二腔与辅助(ancilla)transmon之间执行受控相移(CPS)操作，辅助transmon色散耦合至第二腔但并未色散耦合至第一腔。

根据一些实施方式，该方法还包括使用耦合transmon在第一腔与第二腔之间执行第二BS操作，其中，第一BS操作在CPS操作之前执行，并且第二BS操作在CPS操作之后执行。

根据一些实施方式，量子逻辑门包括受控SWAP(c-SWAP)操作。

根据一些实施方式，量子逻辑门包括指数SWAP(e-SWAP)门，并且该方法包括：在第一腔与第二腔之间执行第一c-SWAP操作；在第一腔与第二腔之间执行第二c-SWAP操作；以及在第一c-SWAP操作与第二c-SWAP操作之间对辅助transmon执行旋转操作。