[发明专利]具有可重新配置的量子处理单元的量子计算系统

说明书

一种量子计算系统，包括：可重新配置的量子处理单元，光学耦合至光子源和光子检测器，并具有多个马赫曾德尔(Mach‑Zehnder)干涉仪(MZI)；以及控制器，通信耦合至多个MZI，并且被配置成生成控制信号以更改多个MZI中的至少一个MZI的相位设置，并且多个MZI被配置成更改穿过多个MZI的一个或多个光子的相位。此外，量子计算系统包括量子存储器阵列，该量子存储器阵列具有光学耦合至多个MZI的多个量子存储器，其中每个量子存储器被配置成吸收量子存储器接收的包括量子信息的光子，并将包括所接收的光子的量子信息的光子释放到可重新配置的量子处理单元中。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2020年6月26日提交的美国临时申请序列第63/044,615号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本说明书总体上涉及量子计算系统。更具体地，本公开涉及具有用于执行线性光量子计算的可重新配置的量子处理单元的量子计算系统。

背景技术

线性光量子计算是使用量子门和量子比特的通用量子计算机的物理实现。目前，可以使用分束器和移相器对双轨编码光子执行幺正操作。光学元件的简单性和低退相干性使线性光学实现比量子计算的超导实现更具吸引力。然而，线性光量子计算使用概率性的双量子比特和多量子比特线性光门。因此，线性光量子计算机的输出有可能是不正确的。因此，期望降低线性光量子计算机的错误概率的技术和设计。

在E.Knill、R.Laflamme、G.Milburn的“Efficient Linear Optics QuantumComputation(高效线性光量子计算)”(arXiv:quant-ph/0006088(2000))中描述了一个示例线性计算系统，该文讨论了基于用于创建近确定性多量子比特转换的分束器、移相器和隐形传态协议的线性光量子计算。然而，该协议需要大量线性光学元件来形成光量子计算机，这产生了可扩展性和量子比特同步问题。在J.Carolan等人的“Universal linearoptics(通用线性光学)”《科学》349，6249，第711-716页(2015年)中描述了另一示例线性计算系统，该示例线性计算系统利用可重新配置的马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI)来执行幺正操作。在这种方案中，给定计算任务所需的MZI总数将取决于完成任务所需的量子比特数和计算步骤数。因此，越来越复杂的计算任务需要相应地增加数量的MZI，这也产生了可扩展性和量子比特同步问题。

因此，存在对可以处理越来越复杂的计算任务的改进的、可扩展的量子计算系统的需要。

发明内容

根据本公开的第一方面，量子计算系统包括光学耦合至光子源和光子检测器的可重新配置的量子处理单元，该可重新配置的量子处理单元具有多个马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI)，以及通信耦合至多个MZI的控制器。控制器被配置成生成控制信号以更改所述多个MZI中的至少一个MZI的相位设置，并且多个MZI被配置成更改穿过多个MZI的一个或多个光子的相位。此外，量子计算系统包括量子存储器阵列，该量子存储器阵列具有光学耦合至多个MZI的多个量子存储器，其中每个量子存储器被配置成吸收由量子存储器从可重新配置的量子处理单元接收的包括量子信息的光子并将包括所接收的光子的量子信息的光子释放到可重新配置的量子处理单元中。

第二方面包括第一方面的量子计算系统，其中多个MZI布置在MZI晶格中，该MZI晶格包括沿着可重新配置的量子处理单元的第一端设置的第一边界MZI列、沿着可重新配置的量子处理单元的第二端设置的第二边界MZI列，以及定位在第一边界MZI列和第二边界MZI列之间的一个或多个内部MZI列。

第三方面包括第二方面的量子计算系统，其中第一边界MZI列以偏移取向光学耦合至相邻的内部MZI列，并且第二边界MZI列以偏移取向光学耦合至相邻内部MZI列。