CN101548288A - 用于量子处理器元件本地编程的系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于一种可拓展的量子处理器架构的系统、方法和装置。通过为一个存储寄存器给予体现一个或多个装置控制参数的一个信号、将该信号转换成一个模拟信号并且将该模拟信号给予给一个或多个可编程器件，可对一个量子处理器进行本地编程。

Description

用于量子处理器元件本地编程的系统、方法和装置
相关申请的交叉参考
根据35 U.S.C.119(e)，本申请要求2006年12月5日提交的美国临时专利申请序列号60/868,654的权益，该专利申请全文通过引用结合在此。
技术领域
本系统、方法和装置涉及可拓展的量子计算以及量子处理器元件的本地编程。
背景技术
图灵机是在1936年由Alan Turing描述的一种理论上的计算系统。可以有效地模拟任何其他图灵机的一台图灵机被称为通用图灵机(UTM)。丘奇-图灵理论(Church-Turing thesis)说明任何实际的计算模型或是具有一台UTM的等效运算能力或是具有其运算能力的一个子集。
一台量子计算机是利用一种或者多种量子效应进行计算的任何物理系统。能够有效地模拟任何其他量子计算机的一台量子计算机称为通用量子计算机(UQC)。
1981年，Richard P.Feynman提出使用量子计算机可比一台UTM更加有效地解决某些计算问题，并且因此推翻了丘奇-图灵理论(Church-Turing thesis)。参看如Feynman R.P.所著的“SimulatingPhysics with Computers”International Journal of Theoretical Physics，Vol.21(1982)pp.467-488。例如，Feynman指出可以使用一台量子计算机来模拟某些其他量子系统，从而允许比使用一个UTM所可能的情况指数级地更快地计算被模拟的量子系统的某些特性。
量子计算的途径
设计和运行量子计算机的设计和运算有几种一般的途径。一种这类途径是量子计算的“电路模型”。在这个途径中，通过逻辑门序列而对量子位起作用，这些逻辑门序列是一种算法的已编译的表述。电路模型量子计算机在实际实施上有几种严重的障碍。在该电路模型中，它要求多个量子位在比单一门时间长得多的时间周期上保持相干。这种要求起因于电路模型量子计算机要求被统称为量子误差校正的操作，以便进行运算。若没有在单门时间的1000倍量级的时间周期内能够保持量子相干的电路模型量子计算机的量子位，就不能够进行量子误差校正。大量研究工作一直集中于开发量子位，这些量子位具有足以形成电路模型量子计算机的基本信息单元的相干性。参看如Shor，P.W.所著的“Introduction to QuantumAlgorithms”，arXiv.org：quant-ph/0005003(2001)，pp.1-27。本技术领域仍然受阻于不能够使量子位的相干性提高到用于设计和运行实际电路模型量子计算机的可接受的水准。
量子计算的另一个途径包括将由耦联的多个量子系统组成的一个系统的自然物理演化用作一个计算系统。该途径并不决定性地利用量子门和量子电路。相反，从一个已知的初始哈密顿算子(Hamiltonian)开始，它依赖于由耦联的多个量子系统组成的一个系统的受引导的物理演化，其中已按照该系统的哈密顿算子对求解的问题进行编码，这样，由耦联的多个量子系统组成的这种系统的最终状态含有与求解的问题的答案相关的信息。该途径并不要求长的量子位相干时间。此类途径的实例包括绝热量子计算、群集-状态量子计算、单向量子计算、量子退火和经典退火，并且在如Farhi，E.等人所著的“Quantum Adiabatic Evolution Algorithms versusStimulated Annealing”arXiv.org：quant-ph/0201031(2002)，pp1-16一文中进行了描述。
量子计算机的实施方案
一台量子计算机是直接使用量子力学现象(例如叠加和牵连)来解决计算问题的任何计算装置。到现在为止，已经提出并研究了许多不同的系统作为量子计算机的物理实现。这些系统的实例包括以下装置：离子阱、量子点、谐振子、腔量子电动力学装置(QED)、光子和非线性光学介质、杂聚物、群集-状态、任意子、拓扑系统、基于核磁共振(NMR)的系统、以及基于半导体内自旋的系统。对于这些系统的背景，请参阅Nielsen和Chuang所著的QuantumComputation and Quantum Information，Cambridge University Press，Cambridge(2000)，pp.277-352；Williams和Clearwater所著的Explorations in Quantum Computing，Springer-Verlag，New York，Inc.(1998)，pp.241-265；Nielsen，Micheal A所著的“Cluster-StateQuantum Computation”，arXiv.org：quant-ph/0504097v2(2005)，pp1-15；以及Brennen，Gavin K.等人所著的“Why should anyone careabout computing with anyons？”，arXiv.org：quant-ph/0704.2241(2007)，pp 1-19。
简而言之，离子阱量子计算机的一个实例是采用离子的一种计算机结构，通过利用电磁场将这些离子限定在自由空间内。量子位可以由每个离子的稳定电子态来表示。量子点量子计算机的一个实例是一个采用电子的计算机结构，这些电子已经被限定到小区域内，这些区域中它们的能量能够被量子化的方式为使每个点可以与其他点相隔离。谐振子的一个实例是使用一个抛物线势阱中的一个粒子的计算机结构。光学光子量子计算机的一个实例是一种计算机结构，其中量子位由单个的光学光子来表示，这些单个的光子可以通过使用光束分离器、极化滤波器、移相器、以及类似的装置进行操纵。空腔QED量子计算机的一个实例是使用光腔中的单个原子的一种计算机结构，在这些光腔中，这些单个原子被耦联到有限数量的光学模式上。NMR量子计算机的一个实例是一种计算机结构，在这种计算机结构中，量子位以原子内的至少一个核的自旋状态进行编码，这些原子包括一个分子样品。杂聚物量子计算机的一个实例是将一个原子的线性阵列用作存储单元的一种计算机结构，其中这些原子的状态给予用于二进制算法的基础。使用半导体中电子自旋的量子计算机的一个实例是Kane计算机，其中供体原子被植入(例如)硅的晶格中。拓扑量子计算机的一个实例是使用称为任意子的二维“准粒子”的一种计算机结构，该任意子的世界线交叉以形成一个三维时空中的辫。然后这些辫可以被用作构成该计算机结构的逻辑门。最后，群集-状态量子计算机的一个实例是使用已被牵连到一个量子态中的多个量子位的一种计算机结构，这种量子态称为群集-状态。“群集-状态”通常是指一种具体的量子计算方法，而且本领域中熟练的技术人员将会理解本系统、方法和设备可以结合所有形式的量子计算，包括不同的硬件实现方式和算法途径。本领域中熟练的技术人员还将会理解，本文提供的量子计算机的不同实施方案的说明仅旨在作为量子计算的一些不同的物理实现的实例。本系统、方法和设备绝不会受这些说明的限制或限于这些说明。本领域中熟练的技术人员还将会理解，一个量子处理器可以在上述内容中之外的一个系统内实现。
量子位
如前所述，量子位可用作一台量子计算机的基本信息单元。如同UTM中的位那样，量子位可以是指至少两种独特的量值；一个量子位可以是指在其中存储信息的真实的物理装置，并且它还可以是指从其物理装置抽象出的信息单元本身。
量子位概括了一个经典数字位的概念。一个经典的信息存储器件能够将两个离散状态进行编码，这两个离散状态典型地被标识为“0”和“1”。这两个离散状态在物理上由这种经典的信息存储器件的两个不同的并且可区别的物理状态来表示，如磁场、电流或电压的方向和幅度，其中对该位的状态进行编码的量值按照经典物理学的定律来表现。一个量子位也包含两个离散的物理状态，这两个离散的物理状态也可以标识为“0”和“1”。这两个离散状态在物理上是由量子信息存储器件的两个不同且可区别的物理状态来表示，如磁场、电流或者电压的方向和幅度，其中对该位状态进行编码的量值按照量子物理学的定律来表现。如果存储这些状态的物理量值以量子力学方式来表现，则该装置可以额外地被置于0和1的一种叠加之中。即，该量子位能够同时以“0”和“1”状态存在，并且因此而能够同时在这两个状态上进行一种计算。总之，N个量子位可以处于2N个状态的叠加之中。量子算法利用该叠加特性来加速某些计算。
在标准标记法中，将一个量子位的基本状态被称为|0>和|1>状态。在量子计算的过程中，一个量子位的状态总体上是多个基础状态的一种叠加，这样该量子位具有占据该|0>基础状态的一个非零概率以及占据该|1>基础状态的一个同时的非零概率。在数学上，多个基础状态的一种叠加意味着该量子位的整体状态(用|Ψ>表示)具有|Ψ>＝a|0>+b|1>的形式，其中a和b分别是对应于概率|a|2和|b|2的系数。系数a和b各自有实部和虚部，这就允许该量子位的相位被表征出。一个量子位的量子性质在很大程度上是从其在多个基础状态的一种相干叠加中存在并且使该量子位的状态具有一个相位的能力中得出的。当一个量子位与脱散源充分地隔离时，该量子位将保持这种作为多个基础状态的一种相干叠加而存在的能力。
为了使用一个量子位来完成一个计算，对该量子位的状态进行测量(即读出)。典型地，当进行该量子位的测量时，该量子位的量子性本质暂时丢失，并且这些基础状态的叠加瓦解为|0>基础状态或|1>基础状态，并因此重新获得它与一个常规位的相似性。该量子位在瓦解以后的实际状态取决于直接在该读出操作之前的概率|a|2和|b|2。
超导量子位
量子计算的一种硬件途径使用超导材料(如铝或铌)形成的集成电路。设计和制造超导集成电路所涉技术和工艺与用于常规集成电路的技术和工艺相似。
超导量子位是可以包括在一个超导集成电路中的一种超导装置。根据用于对信息进行编码的物理特性，超导量子位能够分成几个类别。例如，它们可以分成电荷装置、磁通量装置和相位装置，例如在Makhlin等人的2001，Reviews of Modern Physics 73，pp.357-400中所讨论。电荷装置在该装置的电荷状态中存储和操作信息，其中基本电荷由称为库珀对的电子对构成。一个库珀对具有2e的电荷并且由两个电子构成，这两个电子由(例如)一个光子相互作用键接在一起。参见(例如)Nielsen and Chuang，QuantumComputation and Quantum Information，Cambridge University Press，Cambridge(2000)，pp.343-345。磁通量装置在与通过该装置的某个部分的磁通量相关的一个变量内存储信息。相位装置在与该相位装置的两个区域之间超导相位差相关的一个变量内存储信息。近来已经开发了使用两种或更多种电荷、磁通量和相位自由度的混合装置。参见(例如)美国专利号6,838,694和美国专利申请号2005-0082519。
可以使用的通量量子位的实例包括rf-SQUID，它包括由一个约瑟夫逊节(Josephson junction)或复合结(其中一个单独的约瑟夫逊节由两个并联的约瑟夫逊节取代)间断的一个超导环路；或者持续电流量子位，该持续电流量子位包括由三个约瑟夫逊节间断的一个超导环路；以及类似的量子位。参见(例如)Mooij等人的1999，Science 285，1036和Orlando等人的1999，Phys.Rev.B 60，15398。超导量子位的其他实例可以在(例如)Il’ichev等人的2003，Phys.Rev.Lett.91，097906、Blatter等人的2001，Phys.Rev.B 63，174511和Friedman等人的2000，Nature 406，43中找到。此外，也可以使用混合电荷相位量子位。
这些量子位可以包括一个对应的局部偏置器件。这些局部偏置器件可以包括与一个超导量子位接近的一个金属环路，该金属环路为该量子位提供一个外部磁通量偏置。该局部偏置器件也可以包括多个约瑟夫逊节。在量子处理器中的每个超导量子位可以具有一个对应的局部偏置器件，或者可以存在比量子位更少的局部偏置器件。在某些实施方案中，可以使用基于电荷的读出和局部偏置器件。这个或这些读出装置可以包括多个dc-SQUID磁力计，各自电感性地连接到一个拓扑结构内一个不同的量子位上。该读出装置可以提供一个电压或电流。DC-SQUID磁力计典型地包括由至少一个约瑟夫逊节间断的一个超导环路。
超导量子处理器
一个计算机处理器可以采取一种模拟处理器的形式，例如一种量子处理器(如一种超导量子处理器)。一个超导量子处理器可以包括多个量子位以及相关联的局部偏置器件，例如两个或更多个超导量子位。可以与本系统、方法和装置结合使用的示例性超导量子处理器的更多的细节和实施方案在美国专利公开号2006-0225165中，在2007年1月12日提交的名为“互连处理器拓扑的系统、装置和方法”(System，Devices and Methods for InterconnectedProcessor Topology)的美国临时专利申请序列号60/872,414中，在2007年8月16日提交的名为“互连处理器拓扑的系统、装置和方法”(Systems，Devices，And Methods For Interconnected ProcessorTopology)的美国临时专利申请序列号60/956,104，以及2007年11月8日提交的名为“用于模拟处理的系统、装置和方法”(Systems，Devices and Methods for Analog Processing)的美国临时专利申请序列号60/986,554中有描述。
一个超导量子处理器可以包括多个可操作的耦联器件，以便选择性地耦联对应的量子位对。超导耦联器件的实例包括rf-SQUID和dc-SQUID，这些装置通过通量把多个量子位耦联到一起。SQUID包括由一个约瑟夫逊节(rf-SQUID)或两个约瑟夫逊节(dc-SQUID)间断的一个超导环路。这些耦联器件也许能够铁磁性地和反铁磁性地耦联，这取决于如何在该互连拓扑结构内应用该耦联器件。对于通量耦联的情况，铁磁性耦联意味着并联磁通量在能量上是有利的，而反铁磁性耦联意味着反并联磁通量在能量上是有利的。可替代地，也可以使用基于电荷的耦联器件。其他耦联器件能够在(例如)美国专利公开号2006-0147154中以及2007年1月23日提交的名为“用于可控地耦联量子位的系统、装置和方法”的美国临时专利申请序列号60/886,253中找到。这些耦联器件对应的耦联强度可以在0和一个最大值之间转变，(例如)以便在量子位之间提供铁磁性的或反铁磁性的耦联。
无论所实施的具体的硬件如何，管理一个单个量子位可能需要控制多个参数。按照惯例，这个需求使得与每个单独量子位的外部通信(即来自该量子处理器架构外部的通信)成为必要。然而，该量子计算机的整体处理功率随着在该系统内量子位数量的增加而增加。因此，超出常规超级计算机的能力的高容量量子计算机必须管理大量的量子位，并且由此在每个单独量子位上使用对于多个参数的外部控制的常规途径要求一种复杂的系统进行对量子位参数的编程。
由此，量子处理器的可拓展性受到量子位参数控制系统的复杂程度的限制，并且在本领域中仍然对于可拓展的量子位参数控制系统存在一种需求。
发明内容
至少一个实施方案可以总结为一个量子处理器，该量子处理器包括多个可编程器件，其中每个可编程器件连接到至少一个通信通道上；以及一个存储管理系统，其中该存储管理系统经由这些通信通道中的至少一个而联接到至少一个可编程器件上。
至少一个实施方案可以总结为对包括至少一个可编程器件的一个量子处理器进行编程的一种方法，该方法包括用体现至少一个可编程器件控制参数的一个数据信号对至少一个信息存储器件进行本地编程；将该数据信号转换成一个模拟信号；并且将该模拟信号送到该可编程器件。
附图说明
在这些附图中，相同的附图标记标识了相似的元件或者动作。附图中元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，不同元件的形状以及角度不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些被任意地放大和定位以改进附图的易读性。另外，所绘出的这些元件的特定形状并非旨在传递与这些特定元件的实际形状有关的任何信息，而只是为了方便在图中识别而选取。
图1A是根据本系统、方法和装置的量子处理器元件的本地编程的一个实施方案的示意图。
图1B是量子处理器元件的本地编程的另一个实施方案的示意图。
图2A和2B是用于分别对量子处理器元件进行编程和读取的方法的实施方案的流程图。
图3是通过一个多路信号分离器电路对一个量子处理器进行本地编程的一个实施方案的示意图。
具体实施方式
在以下说明中，包括了某些特定的细节以对本发明的不同的公开实施方案给予全面的理解。然而，相关技术领域的熟练技术人员将会认识到，可以在没有一个或多个这些特定细节的情况下，或者在具有其他的方法、组件、材料等的情况下实践这些实施方案。在其他的情况下，与量子处理器(如量子器件、耦联器件和控制系统，包括微处理器和驱动电路)相关联的公知结构没有被详细地示出或者说明，以避免不必要地含混本文的系统、方法和装置的实施方案的说明。贯穿本说明书，术语“元件”和“多个元件”是用于包含但不限于与量子处理器相关联的所有此类结构、系统和器件，以及它们的相关的可编程的参数。
除非上下文另有要求，在整个说明书和所附权利要求书中，“包括”一词及其变体将在一种开放式的和包含性的意义上进行解释，即，如“包括但不限于”。
贯穿本说明书提及的“一种实施方案”、“一个实施方案”或“另一个实施方案”是指联系该实施方案所描述的一个特别的指示特性、结构或特征包括在至少一个实施方案中。由此，在贯穿本说明书各处出现的短语“在一种实施方案中”、“在一个实施方案中”或“另一个实施方案”并不全部是指同一个实施方案。进而，这些特别的特性、结构或特征能够以任何适当的方式结合在一个或者多个实施方案中。
应注意，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，单数形式的“一个”、和“该”包括复数对象，除非文中另外明确指明。因此，例如，提及“一个量子处理器”包括一个单量子处理器或者两个或更多的量子处理器。还应注意，“或者”一词总体上所使用的意义包括“和/或”，除非文中另外明确指明。
此外，应该指出的是，虽然本说明书的一部分和所附的权利要求书描述了本披露在一个包括超导通量量子位的量子处理器中的应用，但是本领域中熟练的技术人员将会理解，这里描述的方法可以容易地进行适配而应用到其他形式的量子处理器中。
在此给予的小标题只是为了方便起见，而并非解释这些实施方案的范畴和意义。
根据本系统、方法和装置，描述了用于量子计算的一种可拓展的技术，该技术涉及量子处理器元件的本地编程。贯穿本说明书和所附的权利要求书，术语“量子处理器”用来描述一个系统，该系统包括至少两个量子位以及至少一个用于在至少两个量子位之间传递信息的器件(例如一个量子位耦联器)。一个量子处理器的某些实施方案可以包括数十个、成百上千个甚至数百万个量子位和量子位耦联器。在某些实施方案中，一个量子处理器的部件可以完全包含在一个单一结构中，例如一个超导量子处理器芯片中。在其他实施方案中，一个量子处理器的部件可以被分布到多个结构中，这些结构带有用来在它们之间进行通信的装置。
图1A示出了一个示例性量子处理器100，该量子处理器包括存储管理系统101和三个可编程器件121、122、123。贯穿本说明书和所附的权利要求书，术语“一个可编程器件”和“多个可编程器件”用来描述希望对其进行编程的量子处理器内的多种部件的任意一个。可编程器件的实例包括量子位、量子位耦联器、量子位与量子位耦联器的具体部件、以及类似器件。例如，一个超导通量量子位可以包括两个部件：一个封闭的超导电流路径和一个复合约瑟夫结，并且分离的数据信号可以分别被编程到这两个部件中去。
本领域中熟练的技术人员将会理解，量子处理器100可以被拓展以便通过简单地拓展在图1A中相应地示出的器件来包括任何数量的器件。此外，尽管图1A将量子处理器100示为一种物理结构，但量子处理器100的部件可以被分成多个分离的物理单元，它们由一个通信通道系统可通信地进行连接。例如，量子处理器100可以包括多个独特的处理器芯片，或者一个多芯片模块，其中空间上分离的部件可以由一个通信通道系统可通信地进行连接。贯穿本说明书和所附的权利要求书提及的一个“通信通道”或多个“通信通道”包含信号传输的所有方式，这些方式包括但不限于电线、导电迹线、磁(电感)耦联、电容性耦联、光纤、以及类似方式。
在图1A中，存储管理系统101包括一串存储寄存器111、112、113，这些寄存器用于将表示数据的信号(如N位数字信号)给予量子处理器100内的每个可编程装置121至123。本领域中熟练的技术人员将会理解，术语“给予”和类似词语在本文中用来包含但不限于生成、管理、存储、运算和传递这些数据信号的所有方式。可以对这些N位信号进行编程，以表示影响可编程装置121至123的表现的不同参数。为了说明的目的，在图1A中示出8位信号和串行连接的8位存储寄存器111至113，但是本领域中熟练的技术人员将会理解，可以使用任意位长和分辨率的信号，并且存储寄存器111至113可以用另一种方式连接或者可以根本不连接，即，它们的联接可以是并联、处于一个X-Y可寻址阵列中、通过一个多路信号分离器电路、处于包括至少一个包路由器的网络内、或者它们可以各自独立受控，并且各自具有自己的独立通信线路A、B、C、D。
如图1A所示，由存储寄存器111至113给予的数据信号是数字信号，然而，本领域中熟练的技术人员将会理解，也可以使用其他形式的数据信号。在应用到可编程装置121至123之前，这些数字信号可以由数-模转换器(DAC)131、132、133转换成模拟信号。每个对应的DAC 131至133可以接收一个N位信号的数字位并使用这个N位数字信号来产生至少一个模拟信号，然后可将该模拟信号给予可编程装置121至123中的至少一个。在某些实施方案中，如在图1A中示出的实施方案中，这种给予是通过中间耦联器件141、142、143来实现的。这些中间耦联装置141至143中的每一个可连接到一个耦联器启动线路并且被该耦联器启动线路启动/关闭。在某些实施方案中，中间耦联装置141至143可以串联到一个单一的耦联器启动线路上，如图1A所示。因此，在这些实施方案中，当一个对应的中间耦联装置141至143被该耦联器启动线路启动时，仅从一个DAC 131至133向一个可编程装置121至123给予一个信号或从一个DAC 131至133将一个信号应用到一个可编程装置121至123上。例如，当中间偶合装置141被该耦联器启动线路启动时，可将一个信号从DAC 131给予可编程装置121。在某些实施方案中，一个耦联器启动线路可以是模拟可变的，这样中间耦联器件141至143可以在DAC 131至133与可编程装置121至123之间提供可控的部分耦联等级。在某些实施方案中，一个耦联器启动线路可以仅是开/关可控的，这样中间耦联装置141至143可以在DAC 131至133与可编程装置121至123之间仅提供可控的开/关耦联。本系统、方法和装置的其他实施方案可能略去中间耦联装置141至143，而代之以可将信号从DAC 131至133直接耦联到可编程装置121至123。
通过使用本系统、方法和装置，该控制通信的至少一部分可以包含在量子处理器100内，而外部输入包括经由通信线路A至D的这些N位信号的编程，并且在某些实施方案中包括中间耦联装置141至143经由至少一个耦联器启动线路的控制。这样，将量子处理器100连接到一个外部系统所要求的通信线路的数量大大减少，而且变为在本质上独立于量子处理器100内的可编程器件的数量。
本领域中熟练的技术人员将会认识到，可将一个DAC用于将数字信号转换成模拟信号、将模拟信号转换成数字信号、或者同时地或交替地执行以上两种操作，这取决于该信号方向。这样，图1A所描述的系统也可以逆向运行，由此将来自可编程装置121至123的信号经由中间耦联装置141至143耦联到DAC 131至133。然后这些信号可以被转换成数字表示，可将这些数字表示给予或应用到存储寄存器111至113并传输给一个外部读取系统。
本系统、方法和装置并不与一个特别类型的量子处理器及其关联的可编程器件有关。相反，本系统、方法和装置可以应用于任何形式的量子处理器。在某些实施方案中，量子处理器100可以是一个超导量子处理器，该超导量子处理器包括由多个可编程量子位耦联器耦联的多个超导通量量子位，如在美国专利公开号2006-0225165和2006-0147154中、以及在Harris，R..等人所著的“Sign and Magnitude Tunable Coupler for Superconducting FluxQubits”，arXiv.org：cond-mat/0608253(2006)，pp1-5中描述的那样。由于这些量子位及其关联耦联器被设计成管理通量信号，所以可用离散磁通量量子的形式给予来自存储寄存器111中113的N位信号。然后，存储寄存器111中113可以采取超导移位寄存器的形式，例如在2007年4月25日提交的发明名称为“AdiabaticSuperconducting Qubit Logic Devices And Methods”的美国临时专利申请号60/913,980中所描述的单通量量子(SFQ)移位寄存器或基于通量的超导移位寄存器。在某些实施方案中，这些超导移位寄存器可以串联地联接，如图1A所示，或者它们可以并联，或者它们可以在一个X-Y可寻址阵列中连接，或者它们可以连接到一个路由系统。载入每个寄存器的N位信号可以在这些超导移位寄存器内由离散磁通量量子数字式地表示。超导移位寄存器111至113中的每一个都可以感应性地或电流性地耦联到一个对应的超导DAC131至133，其中该数字磁通量量子可以用来产生至少一个模拟超电流。因此，在某些实施方案中，一个存储寄存器(例如存储寄存器111)和一个DAC(例如DAC 131)可以在同一个物理结构内实现。以下文件中描述了超导DAC的实例：2007年5月14日提交发明名称为“Scalable Superconducting Flux Digital-To-AnalogConversion Using A Superconducting Inductor Ladder Circuit”的美国临时专利序列号60/917,884；2007年5月14日提交的发明名称为“Systems，Methods，And Apparatus For A Scalable SuperconductingFlux Digital-To-Analog Converter”的美国临时专利申请序列号60/917,891；以及2007年9月26日提交的发明名称为“Systems，Methods and Apparatus for a Differential Superconducting FluxDigital-to-Analog Converter”的美国临时专利申请序列号60/975,487。
在某些实施方案中，由一个DAC输出的该至少一个模拟超电流可以经由至少一个中间耦联装置141至143通过启动该耦联器启动线路而电感性地耦联到至少一个可编程装置121至123。在其他实施方案中，该至少一个模拟超电流可以电感性地直接耦联到至少一个可编程装置121至123。如前所述，在某些实施方案中，该系统也可以逆向操作，以便基于来自一个或多个可编程装置121至123的模拟输入而从该SFQ移位寄存器的产生数字输出。
在系统、方法和装置的某些实施方案中，多个DAC可以被耦联到一个单一的可编程器件。图1B是用于量子处理器元件本地编程的这种实施方案的一个示意图。图1B所示的实施方案与图1A所示实施方案类似，不同之处在于：在图1B中，两个DAC 132和133耦联到一个单可编程器件124，而DAC 132和133是各自都耦联到的一个对应的存储寄存器112和113。这种耦联方案能够提供对可编程器件124从一个初始状态X到一个编程后状态Y进行编程的速率的控制，从而有效地实现了一个任意波形发生器。在图1A所示的实施方案中，每个可编程装置121至123被耦联到一个单一的DAC(分别为131至133)，因此，每个可编程装置121至123在同时并且以相同的速率进行编程。然而，在图1B所示的实施方案中，可编程器件124被耦联到两个DAC 132和133，这就允许对可编程器件124进行编程的时间和速率的一种程度的控制。本领域中熟练的技术人员将会理解，尽管图1B中只示出了一个可编程装置124被耦联到两个DAC 132和133，在一个量子处理器中全部的或任意数量的可编程器件都可以被耦联到两个或任何数量的DAC上。
图2A是根据本系统、方法和装置的一个实施方案用于对一个量子处理器(例如图1A中的量子处理器100)的元件进行编程的一种方法200的流程图。本领域中熟练的技术人员将会理解，尽管图2A以单数形式提及所有器件，但是方法200可以应用到多个器件上。在方法200的动作201中，一个二进制信号被编程到或写入一个存储寄存器(例如图1A中的一个或多个存储寄存器111至113)。在动作202中，该二进制信号被转换成一个模拟信号。在动作203中，该模拟信号被给予或应用于该量子处理器的一个或多个可编程器件，例如来自图1A的可编程器件121至123。因此，动作201到203全部可以在该量子处理器的范围内完成，从而减少了对与外部编程系统进行通信的需求。
图2B是用于通过本质上逆向运行方法200而从可读器件读取信息的一种方法250的流程图。本领域中熟练的技术人员将会理解，尽管图2B引用了以单数形式的所有器件，但方法250可以应用到多个器件上。在动作251中，一个信号由该可读器件输出或从该可读器件读出，并且被转换成一种数字表示。在动作252中，该信号的该数字表示由另一个系统输出或读出。同样，动作251至252可以在该量子处理器的维度内完成，从而减少了对与外部编程系统进行通信的需求。
如前所述，可以实施多种耦联方案以对数据存储器件进行编程，这些数据存储器件如存储寄存器111至113。例如，存储寄存器111至113可以顺次地耦联到图1A和图1B所述的通信线A-D。在其他实施方案中，存储寄存器111-113可以并行地耦联到类似的通信线。在本系统、方法和装置的某些实施方案中，这些数据存储装置可以通过一个路由系统进行编程；此类路由系统的一个实例是一个多路信号分离器电路。
图3是通过一个多路信号分离器电路350对一个量子处理器300进行本地编程的一个实施方案的原理图。如图3所示，量子处理器300包括存储管理系统301，该存储管理系统类似于图1A中的存储管理系统101，只是它包括一个多路信号分离器电路350，它可以用来把信号传送到数据存储装置311-313。在运行中，多路信号分离器350可以通过通信线A和B中的至少一个接收一个信号，并且通过一个内部路径选择程序把该信号转向一个特别的输出通道。该特别输出通道可以对应数据存储装置311-313中的至少一个。在本领域中一个多路信号分离器的通常的操作是人们所理解的；这样，本领域的技术人员将意识到，多路信号分离器350可以包括额外的信号输入线。在某些实施方案中，多路信号分离器350可以包括安排成逻辑行的多个路由装置，以便形成一个逻辑二进制树。多路信号分离器350可以包括额外的信号输入线(未示出)，这样路由装置的每个逻辑行受一个对应的信号输入线的控制。
对所展示的实施方案的以上说明并非旨在是穷尽的或者把这些实施方案限定到所披露的确切的形式。虽然这里为了说明的目的而描述了特别的实施方案和实例，但是正如相关领域的技术人员将会认识到的，无须偏离本披露的精神和范围即可以做出不同的等效修改。这里提供的不同实施方案的传授内容可以应用到其他量子计算系统、方法和装置上，不必一定是上面总体性描述的示例性量子计算系统、方法和装置。
例如，前面的详细说明已经通过使用框图、原理图和实例阐明了这些系统、方法和装置的不同实施方案。就这样的框图、原理图和实例包含一个或多个功能和/或操作的情况而言，本领域的技术人员将理解到，这样的框图、流程图或实例中的每个功能和/或操作均能够由多种硬件、软件、固件或其任意虚拟的组合来单独地或共同地实施。
可将上述的不同的实施方案组合起来以便提供多个进一步的实施方案。
本说明书中提到的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开内容均通过引用、以它们的全文并为了所有目的而结合在此，它们包括但不限于：美国专利号6,838,694；美国专利申请号2005-0082519；美国专利申请号2006-0225165；美国临时专利申请序列号60/872,414，于2007年1月12日提交，名为“System，Devices and Methods forInterconnected Processor Topology；美国临时专利申请序列号60/956,104，于2007年8月16日提交，名为“Systems，Devices，AndMethods For Interconnected Processor Topology”；美国临时专利申请序列号60/986,554，于2007年11月8日提交，名为“Systems，Devicesand Methods for Analog Processing”；美国专利公开号2006-0225165；美国专利公开号2006-0147154；美国临时专利申请序列号60/913,980，于2007年4月25日提交，名为“AdiabaticSuperconducting Qubit Logic Devices And Methods”；美国临时专利申请序列号60/917,884，于2007年5月14日提交，名为“ScalableSuperconducting Flux Digital-To-Analog Conversion Using ASuperconducting Inductor Ladder Circuit”；美国临时专利申请序列号60/917,891，于2007年5月14日提交，名为“Systems，Methods，AndApparatus For A Scalable Superconducting Flux Digital-To-AnalogConverter”以及美国临时专利申请序列号60/975,487，于2007年9月26日提交，名为“Systems，Methods and Apparatus for a DifferentialSuperconducting Flux Digital-to-Analog Converter”。如有必要，可以修改这些实施方案的各个方面，以利用不同的专利、申请和公开中的系统、电路和概念来提供进一步的实施方案。
鉴于以上的详细说明，对这些实施方案可做出这样或那样的改变。总之，在以下权利要求中，所使用的术语不应当解释为将本发明限制在本说明书和这些权利要求所披露的特定实施方案内，而是应当解释为包括所有可能的实施方案，连同这些权利要求有权获得的所有的等效物实施方案一起。因此，本发明的范围仅应由所附的权利要求的范围来解释和限定。

Claims (35)

1.一种量子处理器，包括：
多个可编程器件，其中每个可编程器件连接到至少一个通信通道；以及
一个存储管理系统，其中该存储管理系统经由这些通信通道中的至少一个联接到至少一个可编程器件。
2.如权利要求1所述的量子处理器，其中，至少一个可编程器件以及该存储管理系统的至少一部分是由在一个临界温度以下超导的一种材料形成的。
3.如权利要求1所述的量子处理器，其中，这些可编程器件是选自从以下各项所构成的组的：超导通量量子位、超导电荷量子位、超导相位量子位、超导混合量子位、量子点、俘获的离子、俘获的中性原子、量子位耦联器、超导量子位耦联器、杂质、核自旋量子位、电子自旋量子位和光子量子位。
4.如权利要求1所述的量子处理器，其中，至少一个通信通道在两个或更多可编程器件之间进行通信。
5.如权利要求1所述的量子处理器，其中，该存储管理系统包括多个部件，并且至少一个通信通道在至少一个可编程器件与该存储管理系统的至少一个部件之间进行通信。
6.如权利要求1所述的量子处理器，其中，该存储管理系统包括多个部件，并且至少一个通信通道在该存储管理系统的两个或更多部件之间进行通信。
7.如权利要求1所述的量子处理器，其中，该存储管理系统包括一个数模转换器(DAC)。
8.如权利要求7所述的量子处理器，其中，该DAC包括一个超导通量DAC，并且其中数字信号是用离散的磁通量量子来表示的。
9.如权利要求1所述的量子处理器，其中，该存储管理系统包括能够存储数字信息的至少一个器件。
10.如权利要求9所述的量子处理器，其中，能够存储数字信息的至少一个装置包括一个存储寄存器。
11.如权利要求10所述的量子处理器，其中，至少两个存储寄存器可通信地彼此串行耦联，由至少一个通信通道建立该耦联。
12.如权利要求9所述的量子处理器，其中，该存储管理系统包括一个路由系统，其中能够存储数字信息的至少两个器件通过至少一个通信通道可通信地耦联到该路由系统。
13.如权利要求12所述的量子处理器，其中，该路由系统包括一个多路信号分离器电路。
14.如权利要求10所述的量子处理器，其中，该存储管理系统包括至少一个DAC，并且数字信号在至少一个存储寄存器与至少一个DAC之间进行管理。
15.如权利要求14所述的量子处理器，其中，至少一个存储寄存器以及至少一个DAC被配置成管理处于磁通量量子形式的数字信号。
16.如权利要求15所述的量子处理器，其中，通过电流耦联在该至少一个存储寄存器与该至少一个DAC之间对这些磁通量量子进行管理。
17.如权利要求15所述的量子处理器，其中，通过电感耦联在该至少一个存储寄存器与该至少一个DAC之间对这些磁通量量子进行管理。
18.如权利要求14所述的量子处理器，其中，至少一个DAC可通信地耦联到至少一个可编程器件，这样可将数字信号耦联在它们之间。
19.如权利要求14所述的量子处理器，其中，至少两个DAC可通信地耦联到一个可编程器件上，这样能够以一个受控速率将数字信号耦联在它们之间。
20.如权利要求18所述的量子处理器，其中，通过电感耦联在该至少一个DAC与该至少一个可编程器件之间对这些数据信号进行管理。
21.如权利要求20所述的量子处理器，其中，在该至少一个DAC与该至少一个可编程器件之间的电感耦联由一个中间耦联器件进行介导。
22.如权利要求21所述的量子处理器，其中，至少一个中间耦联器件电感性地耦联到该至少一个DAC以及该至少一个可编程器件上。
23.如权利要求22所述的量子处理器，其中，该中间耦联器件可通信地耦联到一个激活通信通道上，并且通过该激活通信通道能够将该中间耦联器件在一个激活状态与一个非激活状态之间进行切换。
24.如权利要求23所述的量子处理器，其中，多个中间耦联器件被串行连接到该激活通信通道上，并且每个中间耦联器件能够由该激活通信通道在一个激活状态和一个非激活状态之间进行切换。
25.如权利要求23所述的量子处理器，其中该激活通信通道在该激活状态与非激活状态之间是模拟可变的。
26.如权利要求9所述的量子处理器，其中，能够存储数字信息的至少一个器件包括一个基于超导通量的移位寄存器。
27.如权利要求26所述的量子处理器，其中，该基于超导通量的移位寄存器包括一个单通量量子(SFQ)移位寄存器。
28.对包括至少一个可编程器件的一个量子处理器进行编程的一种方法，该方法包括：
用体现至少一个可编程器件控制参数的一个数据信号对至少一个信息存储器件进行本地编程；
将该数据信号转换成一个模拟信号；并且
将该模拟信号给予给该可编程器件。
29.如权利要求28所述的方法，其中，将该数据信号转换成一个模拟信号包括生成一个模拟信号，该模拟信号具有与该数据信号成比例的一个幅值。
30.如权利要求29所述的方法，其中，将该模拟信号给予给该可编程器件包括将该模拟信号给予给一个中间耦联器件。
31.如权利要求30所述的方法，其中该中间耦联器件可配置到一个激活状态和一个非激活状态，并且其中当该中间耦联器件是处在该激活状态时，该中间耦联器件将该模拟信号给予给该可编程器件。
32.如权利要求30所述的方法，其中该中间耦联器件是在一个激活状态与一个非激活状态之间是可调谐的，并且其中当该中间耦联器件被调谐为离开该非激活状态时，该中间耦联器件将该模拟信号的至少一部分给予给该可编程器件。
33.如权利要求28所述的方法，其中，用体现至少一个可编程器件控制参数的一个数据信号对至少一个信息存储器件进行编程包括对多个可编程器件系列地进行编程。
34.如权利要求28所述的方法，其中，用体现至少一个可编程器件控制参数的一个数据信号对至少一个信息存储器件进行编程包括将该数据信号路由到一个对应的信息存储器件上。
35.如权利要求34所述的方法，其中，用体现至少一个可编程器件控制参数的一个数据信号对至少一个信息存储器件进行编程包括用一个多路信号分离器电路对多个可编程器件进行编程。
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