[实用新型]一种对系综量子比特进行高保真度操控的系统

说明书

本实用新型属于量子器件领域，公开了一种对系综量子比特进行高保真度操控的系统，包括激光器、声光调制器、任意波发生器；在声光调制器的+1阶光路或‑1阶光路的光轴上依次设置所述的第一透镜、掺杂稀土离子晶体、第二至第四透镜、光电探测器；光电探测器采集的信号传输至示波器；任意波发生器输出两列无线电信号，这两列无线电信号传输至声光调制器，这两列无线电信号的时长相同，振幅、频率和位相都不同，且振幅均随时间变化。量子操控对于激光强度的瞬时变化或空间不均匀分布具有较强的鲁棒性，可提高探测信号的信噪比，降低实验难度；量子比特位于激发态的时间显著缩短，极大降低量子比特的退相干效应，确保实现高保真度操控。

技术领域

本实用新型属于量子器件领域，具体涉及掺杂稀土离子的量子系统。

背景技术

量子计算主要遵循的是量子力学和量子动力学定律，与经典计算相比有着更快的计算速度，且能够解决很多经典计算中难以解决的问题，因而可以广泛应用于量子神经网络模拟，人工智能，大质因数分解，无序数据库检索等方面。开展量子计算工作的第一步是，快速且高保真度地将量子比特初始化到一个任意量子比特叠加态。量子比特的物理载体有很多种，因此针对不同载体所在系统的特点，应设计合适的光脉冲以实现高保真度量子态操控，这对于量子计算的研究与发展具有重要的意义。

在具有非均匀展宽的实验系统中，量子比特由一组具有非均匀展宽的离子来表征，不同量子比特需要依靠频段来筛选。在这种系统中，创建量子比特任意叠加态时，量子操控不仅要对系综量子比特中存在的由非均匀展宽造成的频率失谐具有较好的鲁棒性，而且要对量子比特离子寻址频率附近的其他离子的非共振激发具有较强的抑制作用。此外，在实验中光脉冲通常是高斯光束，其激光强度在空间上呈现出高斯分布，而不是均匀分布。这种空间分布不均匀性会导致在激光聚焦范围内的不同空间位置上，光场强度不同，因此具有不同的拉比频率，进而造成不同的操控保真度，这使得在光照范围内的量子比特的综合保真度会远低于在理论上的预期值。因此要在实验上实现并容易地探测到高保真度的量子态操控，还要求光脉冲对激光强度的空间分布不均匀性或瞬时波动不敏感。以掺杂浓度为0.05％的稀土离子系统Pr³⁺:Y₂SiO₅为例，其中的量子比特由一组系综Pr离子组成，这些系综离子之间的光学跃迁的中心频率在400THz(605.977nm)，光学吸收峰的半高全宽约为170kHz，两个量子比特能级|0和|1间之间的耦合通过各自与一个激发态之间的光学跃迁来实现。在这样的三能级系统中，要想快速且高保真度地创建一个任意量子比特叠加态，需要满足一些要求：(1)光脉冲在较短时间内能对±170kHz频率失谐范围内的系综量子比特进行同等操控，即在此区间的操控保真度接近于1；(2)对距离系综量子比特离子约3.5MHz以外的其它离子的非共振激发足够小；(3)量子操控对激光强度的瞬时变化或不均匀分布具有较好的鲁棒性；(4)在脉冲作用过程中，量子比特离子位于激发态的时间尽可能小，以降低退相干的可能性。

目前用于设计其光脉冲的方法大致可以归为三类：(1)简单共振脉冲；(2)量子绝热通道技术；(3)量子绝热捷径技术。简单共振脉冲速度快但极易受到系统参数变化的影响；量子绝热通道技术对于参数的变化具有较好的鲁棒性，但需要满足绝热条件，因此操作时间较长；量子绝热捷径技术则同时兼顾了快速和强鲁棒性的要求，其中基于Lewis-Riesenfeld不变量的逆向工程方法已被证明可以快速且高保真度地创建量子比特任意叠加态。