[发明专利]囚禁离子量子计算机的振幅、频率和相位调制纠缠门

说明书

一种在量子计算机中的两个囚禁离子之间执行纠缠操作的方法，包括：选择要施加到囚禁离子链中的第一离子和第二离子的脉冲的门持续时间值；基于所选择的门持续时间值和囚禁离子链的运动模式的频率，确定所述脉冲的一个或多个色调，每个色调包括振幅值和失谐频率值；生成具有所述一个或多个色调的所述脉冲，每个色调包括所确定的振幅值和所确定的失谐频率值；以及以所述门持续时间值将所生成的脉冲施加到所述第一离子和第二离子。每个囚禁离子具有定义量子比特的两个频率分离状态，并且囚禁离子链的运动模式各具有不同的频率。

技术领域

本公开总体上涉及在离子阱量子计算机中生成纠缠门的方法，并且更具体地，涉及优化脉冲以生成纠缠门的方法。

背景技术

在量子计算中，量子比特(qubits)类似于经典(数字)计算机中表示“0”和“1”的比特，需要在计算过程中以近乎完美的控制进行制备、操作和测量(读出)。对量子比特的不完美控制会导致在计算过程中积累的错误，从而限制了能够执行可靠计算的量子计算机的规模。

在提议建造大规模量子计算机的物理系统中，有一条离子链(例如带电原子)，它们被电磁场捕获并悬浮在真空中。这些离子具有内部超精细状态，这些内部超精细状态由几个GHz范围内的频率分开，可以用作量子比特的计算状态(称为“量子比特状态”)。这些超精细状态可以使用从激光器提供的辐射来控制，或者有时在本文中称为与激光束的相互作用。利用这种激光相互作用，离子可以冷却到接近其运动基态。离子也可以高精度地光泵浦到两个超精细状态中的一个(量子比特的制备)，通过激光束在两个超精细状态之间进行操作(单量子比特门操作)，并在施加共振激光束时通过荧光检测到其内部超精细状态(读出量子比特)。一对离子可以使用激光脉冲通过量子比特状态相关的力可控地纠缠(两个量子比特门操作)，激光脉冲将离子耦合到囚禁离子链的集体运动模式，这些模式是由离子之间的库仑相互作用产生的。随着量子计算机的规模增加，一对离子之间的两个量子比特门操作的实现增加了复杂性，因此与实现相关的误差和实现所需的资源(如激光功率)增加。

为了增加量子计算机的规模，该量子计算机能够实现算法以解决经典计算机中否则难以解决的问题，需要一种过程来精确地控制量子比特以最小资源执行期望的计算过程。

发明内容

本公开的实施例总体上涉及一种在量子计算机中在两个囚禁离子之间执行纠缠操作的方法，该方法包括：选择要施加到囚禁离子链中的第一离子和第二离子的脉冲的门持续时间值；基于所选择的门持续时间值和囚禁离子链的运动模式的频率，确定所述脉冲的一个或多个色调(tone)，每个色调包括振幅值和失谐(detuning)频率值；生成具有所述一个或多个色调的脉冲，每个色调包括所确定的振幅和所确定的失谐频率值；以及以所述门持续时间值将所生成的脉冲施加到所述第一离子和第二离子。每个囚禁离子具有定义量子比特的两个频率分离状态，囚禁离子链的运动模式各具有不同的频率。

本公开的实施例总体上涉及一种量子计算系统，该量子计算系统包括：囚禁离子链，每个囚禁离子具有定义量子比特的两个超精细状态和激发态；一个或多个激光器，其被配置为发射激光束，该激光束被分成提供给每个囚禁离子的两个或多个非共传播激光束，其中，所述两个或多个非共传播激光束被配置为使所述囚禁离子中的每一个经由所述激发态在所述两个超精细状态之间产生拉比震荡(Rabi flopping)；以及控制器，其被配置为选择要施加到囚禁离子链中的第一离子及第二离子的脉冲的门持续时间值，基于所选择的门持续时间值和囚禁离子链的运动模式的频率，确定所述脉冲的一个或多个色调，每个色调包括振幅值和失谐频率值，生成具有所述一个或多个色调的所述脉冲，每个色调包括所确定的振幅和所确定的失谐频率，并且以所述门持续时间值将所生成的脉冲施加到所述第一离子和第二离子。每个囚禁离子具有定义量子比特的两个频率分离状态，并且囚禁离子链的运动模式各具有不同的频率。