[发明专利]利用非对称错误通道的量子信息处理

说明书

提供了用于使用非对称错误通道执行量子信息处理的技术。根据一些方面，量子信息处理包括数据量子比特和辅助量子比特，辅助量子比特具有非对称错误通道。数据量子比特耦合至辅助量子比特。可以利用稳定微波场驱动辅助量子比特以创建非对称错误通道。

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6月29日提交的题为“FAULTTOLERANT MEASUREMENTS AND GATES FOR QUANTUM INFORMATION PROCESSING”的美国临时专利申请第62/692,243号的权益，该美国临时专利申请在此通过引用整体并入。

关于联邦政府资助的研究和开发的声明

本发明是在以下政府支持下做出的：国家科学基金会授予的1609326的政府支持下、美国空军科学研究所授予的FA9550-15-0029的支持下、美国海军研究所授予的N00014-16-2270的支持下以及美国陆军研究所授予的W911NF-14-1-0011和W911NF-16-1-0349的支持下。政府对本发明有一定的权利。

技术领域

本文中描述的技术总体上涉及量子信息系统。具体地，本申请针对用于使用具有非对称错误通道的至少一个量子比特来执行量子信息处理(QIP)的系统和方法。

背景技术

QIP使用量子力学现象例如能量量化、叠加和纠缠，来以常规信息处理未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)来更高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“量子比特(qubit)”)以及这些量子比特之间的相互作用的能力。特别地，量子比特应当：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比特相互作用以实现多量子比特门、能够被高效地初始化和测量、以及能够扩展为大量的量子比特。

量子比特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，光子偏振、电子自旋和核自旋是可以编码信息并且因此可以用作用于QIP的量子比特的两级系统。量子比特的不同物理实现具有不同的优点和缺点。例如，虽然光子偏振受益于长的相干时间和简单的单量子比特操纵，但是受制于不能创建简单的多量子比特门。

量子比特的以上示例是物理两级系统。然而，量子信息还可以存储在逻辑量子比特中，逻辑量子比特由多个物理两级系统或具有两个以上状态的量子系统形成。例如，还可以使用量子力学振荡器的状态(其中存在无限多个能量本征态)来形成用于QIP的计算基。例如，量子力学振荡器的在相位空间中彼此充分移位的相干态是准正交状态，并且可以用作计算基。另外，作为被称为“猫态(cat states)”的相干态的叠加的状态可以彼此完全正交，并且用于形成计算基。

已经提出了使用约瑟夫逊结(Josephson junction)的不同类型的超导量子比特，包括：“相位量子比特”，其中，计算基是约瑟夫逊结中库珀对(Cooper pair)的量子化能量状态；“通量量子比特(flux qubit)”，其中，计算基是超导回路中循环电流流动的方向；以及“电荷量子比特”，其中，计算基是在超导岛上存在或不存在库珀对。超导量子比特是量子比特的有利的选择，因为两个量子比特之间的耦合是强的，使得相对容易实现双量子比特门，并且超导量子比特是可扩展的，因为它们是可以使用常规的电子电路技术形成的介观部件。另外，超导量子比特呈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。所有超导量子比特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，提供了一种量子信息处理(QIP)系统。该QIP系统包括数据量子比特和辅助(ancilla)量子比特，辅助量子比特具有非对称错误通道。数据量子比特耦合至辅助量子比特。