[发明专利]基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统、方法及介质

说明书

本发明公开了一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统、方法及介质，该方法包括：控制短光纤连接的光学微腔系统的动力学演化，实现无直接相互作用的两量子比特预报式控制相位(CZ)门；引入一个辅助原子与光学微腔耦合系统作为预报装置，测量辅助原子消除预报式控制量子门的误差，提高量子计算的容错能力；此外，结合预报模式和无消相干子空间可以实现高保真度的逻辑比特门。本发明实现具有高保真度的通用预报量子门，不仅可以应用于构造高性能的量子计算机，而且可以应用于量子网络通信领域。

技术领域

本发明涉及量子网络和量子计算领域，具体涉及一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统、方法及介质。

背景技术

为了让功能性量子计算机执行足够高质量的门，目前已经探索出很多方法以处理退相干问题，其中包括无消相干子空间等方法，可以将量子信息编码在无信息泄露的量子态子空间内。除此之外还发展了具有集成错误检测的预报量子门的概念，在产生的量子门中，确定性门所存在的误差被转换为由辅助原子预报的失败事件，一旦预报式量子门成功，则相应的门操作误差可以任意小。根据该思想，Borregaard等在2015年提出的基于单光学微腔实现近确定性量子门的方法，其与确定性腔的门相比在误差比例上有显著改进；而WeiQin等在2017年将该思想应用在了超导电路中，将辅助原子的位置扩展到远距离的情况。这些都是在相对简单或者特定的物理系统中实现的，并且所有的量子位原子均与同一光学微腔模式耦合，这具有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统、方法及介质，实现具有高保真度的通用预报量子门，不仅可以应用于构造高性能的量子计算机，而且可以应用于量子网络通信领域。

实现本发明的技术解决方案为：利用一个辅助原子作为预报装置，对该辅助原子的条件测量消除预报式量子门的检测误差，将确定性纠缠量子门所存在的误差转换为由辅助原子预报的失败事件，一旦预报模式量子纠缠门成功，相应的门操作误差可以任意小，一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统，其包括：第一光学微腔A、第二光学微腔B和第三光学微腔C、两个量子位原子、一个与光学微腔B耦合的四能级辅助原子，第一光学微腔A、第二光学微腔B和第三光学微腔C通过光纤串联，两个量子位原子分别和第一光学微腔A和第三光学微腔C耦合，辅助原子由两个外部场驱动，其中一个为微波场Ω_MW，另一个为弱激光场Ω；其中辅助原子还将作为腔内光子源和探测器来解决光子损耗、单光子探测器效率低和非理想的单光子源等问题；通过适当的脉冲长度和简单的单量子位旋转，来实现具有高保真度的量子门；同时，结合实际物理系统参数，通过理论推导确定具有最小误差的脉冲长度，并利用计算机对该系统演化过程进行模拟，数值验证解析结果的正确性。

光学微腔从左到右我们将其标号为A、B和C光学微腔之间的有效耦合强度为J，且光学微腔的衰变率为κ；两个量子位原子都为Λ型三能级原子，其具有两个基态|0和|1(量子位)，还有一个激发态|e，每个量子位原子以相同的耦合强度g与自己所在的腔模a_A或a_C相互作用，且每个量子位原子从|e态衰减到|d态(可能为|0或|1)的速率为γ；辅助原子由两个基态|g和|f还有两个激发态|E₁和|E₂组成，的跃迁通过耦合强度g_f与腔模a_B耦合，|E₂和|E₁分别衰变到|g和|f，衰变速率分别为γ_g和γ_f；的跃迁由的弱激光(Ω在设定值)驱动，驱动强度为Ω，同时，的跃迁由微波场驱动，耦合强度为Ω_MW，以此来抑制辅助原子自发辐射到|g态所引起的不可检测误差。

一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算方法，包括如下步骤：

第一步，构建分布式量子计算的通用物理模型；

第二步，利用了一种基于Lindblad形式的主方程对系统的耗散动力学进行研究；