CN109450555B - 量子信息交换装置及量子信息交换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种量子信息交换装置及量子信息交换方法，包括微波发生器、超导磁通量子比特、钇铁石榴石块以及偏置磁场发生器；超导磁通量子比特为由连接导线将三个约瑟夫森结串联起来形成的环状结构；钇铁石榴石块与超导磁通量子比特沿第一方向依次设置，且钇铁石榴石块沿第一方向在环状结构所在平面的垂直投影位于环状结构围成的区域内；微波发生器用于产生微波，以激发超导磁通量子比特处于不同的能级中以及探测超导磁通量子比特当前所处能级；钇铁石榴石块位于偏置磁场发生器形成的磁场内；偏置磁场发生器形成的磁场的磁场方向平行于环状结构所在平面，以实现提供一种将超导磁通量子比特与自旋波耦合，以实现量子信息交换的装置。

Description

量子信息交换装置及量子信息交换方法
技术领域
本发明实施例涉及量子信息处理技术，尤其涉及一种量子信息交换装置及量子信息交换方法。
背景技术
目前，超导磁通量子比特在量子计算和量子模拟等领域得到了广泛的发展和应用。同时，利用自旋波作为新的信息处理的载体，甚至以自旋波为基础的计算技术也被提出来，并得到了一定的发展。
但是现有技术中，并未给出如何将超导磁通量子比特与自旋波耦合，以实现量子信息交换的技术方案。
发明内容
本发明提供一种量子信息交换装置及量子信息交换方法，以实现提供一种将超导磁通量子比特与自旋波耦合，以实现量子信息交换的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供了一种量子信息交换装置，包括微波发生器、超导磁通量子比特、钇铁石榴石块以及偏置磁场发生器；
所述超导磁通量子比特包括三个约瑟夫森结以及多条连接导线；所述连接导线将所述三个所述约瑟夫森结串联起来形环状结构；
所述钇铁石榴石块与所述超导磁通量子比特沿第一方向依次设置，且所述钇铁石榴石块沿所述第一方向在所述环状结构所在平面的垂直投影位于所述环状结构围成的区域内；沿所述第一方向，所述钇铁石榴石块与所述超导磁通量子比特之间的距离大于0；
所述微波发生器用于产生微波，以激发所述超导磁通量子比特处于不同的能级中以及探测所述超导磁通量子比特当前所处能级；
所述钇铁石榴石块位于所述偏置磁场发生器形成的磁场内；所述偏置磁场发生器形成的磁场的磁场方向平行于所述环状结构所在平面；
所述第一方向平行于所述环状结构的轴线方向。
第二方面，本发明实施例还提供了一种量子信息交换方法，所述量子信息交换方法适用于本发明实施例提供的任一项所述的量子信息交换装置；
所述量子信息交换方法包括：
启动所述微波发生器，以形成微波，并利用所述微波激发所述超导磁通量子比特处于不同的能级中以及探测所述超导磁通量子比特当前所处能级；
启动所述偏置磁场发生器以形成偏置磁场，进而使得所述钇铁石榴石块中的多个自旋磁场有序化；
调整所述钇铁石榴石块与所述超导磁通量子比特之间的距离，以使所述超导磁通量子比特与所述钇铁石榴石块产生的自旋波的耦合强度大于所述超导磁通量子比特的衰减强度，以及所述超导磁通量子比特与所述钇铁石榴石块产生的自旋波的耦合强度大于所述钇铁石榴石块产生的自旋波驻波的衰减强度。
本发明实施例通过设置钇铁石榴石块与超导磁通量子比特沿第一方向依次设置，且钇铁石榴石块沿第一方向在环状结构所在平面的垂直投影位于环状结构围成的区域内；沿第一方向，钇铁石榴石块与超导磁通量子比特之间的距离大于0，钇铁石榴石块位于偏置磁场发生器形成的磁场内；偏置磁场发生器形成的磁场的磁场方向平行于环状结构所在平面，可以使得将超导磁通量子比特中的量子信息存储于钇铁石榴石块的驻波中，也可以把钇铁石榴石块驻波中的量子信息存储到超导磁通量子比特中，解决了现有技术中并未给出如何将超导磁通量子比特与自旋波耦合，以实现量子信息交换的技术方案的问题，提供了一种将超导磁通量子比特与自旋波耦合的方案，以实现量子信息交换的目的。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种量子信息交换装置的结构示意图；
图2为超导磁通量子比特与自旋波耦合强度随钇铁石榴石块与超导磁通量子比特之间的距离的变化关系图；
图3为超导磁通量子比特未与自旋波耦合时的微波光谱能谱模拟图；
图4为在将钇铁石榴石块放置于沿第一方向距超导磁通量子比特的距离等于0.5μm的位置处，且超导磁通量子比特与自旋波耦合时的微波光谱能谱模拟图；
图5为本发明实施例提供的一种量子信息交换方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种量子信息交换装置的结构示意图。参见图1，该量子信息交换装置包括微波发生器1、超导磁通量子比特2、钇铁石榴石块3以及偏置磁场发生器4。超导磁通量子比特2包括三个约瑟夫森结21以及多条连接导线22；连接导线22将三个约瑟夫森结21串联起来形环状结构。钇铁石榴石块3与超导磁通量子比特2沿第一方向100依次设置，且钇铁石榴石块3沿第一方向100在环状结构所在平面的垂直投影位于环状结构围成的区域内；沿第一方向100，钇铁石榴石块3与超导磁通量子比特2之间的距离大于0；微波发生器1用于产生微波，以激发超导磁通量子比特2处于不同的能级中以及探测超导磁通量子比特2当前所处能级；钇铁石榴石块3位于偏置磁场发生器4形成的磁场内；偏置磁场发生器4形成的磁场的磁场方向平行于环状结构所在平面；第一方向100平行于环状结构的轴线方向。
上述技术方案通过设置钇铁石榴石块3与超导磁通量子比特2沿第一方向100依次设置，且钇铁石榴石块3沿第一方向100在环状结构所在平面的垂直投影位于环状结构围成的区域内；沿第一方向100，钇铁石榴石块3与超导磁通量子比特2之间的距离大于0，钇铁石榴石块3位于偏置磁场发生器4形成的磁场内；偏置磁场发生器4形成的磁场的磁场方向平行于环状结构所在平面，可以使得将超导磁通量子比特2中的量子信息存储于钇铁石榴石块3的驻波中，也可以把钇铁石榴石块3驻波中的量子信息存储到超导磁通量子比特2中。即上述技术方案提供了一种将超导磁通量子比特与自旋波耦合的方案，以实现量子信息交换的目的。
需要说明的是，在上述技术方案中，对微波发生器1的设置位置不作限定。只要使得微波发生器1产生微波，并利用该微波激发超导磁通量子比特2处于不同的能级中以及探测超导磁通量子比特2当前所处能级即可。
类似地，在上述技术方案中，对偏置磁场发生器4的设置位置不作限定。只要偏置磁场发生器4形成的磁场能够使得钇铁石榴石块3内部的多个自旋磁场有序化即可。需要说明的是，在未启动偏置磁场发生器4时，钇铁石榴石块3内部的多个自旋磁场随机排列，在启动偏置磁场发生器4后，在偏置磁场发生器4形成的磁场的作用下，钇铁石榴石块3内部的多个自旋磁场的磁场方向相同，即钇铁石榴石块3内部的多个自旋磁场有序化。
可选地，偏置磁场发生器4形成的磁场小于约瑟夫森结21中超导材料的临界磁场。这样设置不会破坏超导磁通量子比特2的超导特性，进而确保量子信息的顺利交换。
同样地，在偏置磁场发生器4形成的磁场的作用下，钇铁石榴石3内部产生的感应磁场小于约瑟夫森结21中超导材料的临界磁场。这样设置不会破坏超导磁通量子比特2的超导特性，进而确保量子信息的顺利交换。
在实际设置时，钇铁石榴石块3的形状可以有多种，可选地，钇铁石榴石块3的形状为柱体，柱体的底面与第一方向100垂直。
进一步地，柱体的高度(即柱体沿第一方向100的厚度)为60nm-100nm。
其中，若钇铁石榴石块3的形状为正棱柱或正圆柱；钇铁石榴石块3的轴线与环状结构的轴线重合。这样设置的好处是，可以增强超导磁通量子比特与自旋波耦合强度，提高量子信息交换的效率。
可选地，超导磁通量子比特能级包括|0>态和|1>态；定义超导磁通量子比特|0>态和|1>态的能级差与普朗克常量的比值为超导磁通量子比特频率；超导磁通量子比特频率与钇铁石榴石块3产生的自旋波驻波的频率之差的绝对值大于或等于0，小于或等于10MHz。这样设置有利于使得超导磁通量子比特2在|0>态和|1>态之间跃迁产生的交变磁场激发钇铁石榴石块3中的自旋波，以实现量子信息的有效交换。可选地，可以通过调节超导磁通量子比特2的参数来实现调整超导磁通量子比特2的频率的目的。
可选地，沿第一方向100，钇铁石榴石块3与超导磁通量子比特2之间的距离小于或等于3μm。这样设置，有利于使得超导磁通量子比特2与自旋波耦合强度大于超导磁通量子比特2和钇铁石榴石块3自旋波的衰减强度，实现量子信息在二者之间的有效交换。
图2为超导磁通量子比特与自旋波耦合强度随钇铁石榴石块与超导磁通量子比特之间的距离的变化关系图。其中，横坐标d为钇铁石榴石块与超导磁通量子比特之间的距离，纵坐标
Figure BDA0001871186460000061
为超导磁通量子比特与自旋波耦合强度的绝对值。参见图2，当d小于3μm的时候，耦合强度
Figure BDA0001871186460000062
在20-30MHz，其远大于超导磁通量子比特和自旋波本身的衰减强度。图2为log-log图，图中拟合线正比于d-3,数值计算的耦合强度在d＞3μm符合d-3拟合。示例性地，d＝0.5μm，
Figure BDA0001871186460000063
图3为超导磁通量子比特未与自旋波耦合时的微波光谱能谱模拟图。图4为在将钇铁石榴石块放置于沿第一方向距超导磁通量子比特的距离等于0.5μm的位置处，且超导磁通量子比特与自旋波耦合时的微波光谱能谱模拟图。在图3和图4中，横坐标ω为探测超导磁通量子比特的微波频率，ε为超导磁通量子比特的偏置。图3和图4中光亮区域为超导磁通量子比特或超导磁通量子比特和钇铁石榴石块组成的杂化系统的谐振频率。
参见图3，当超导磁通量子比特未与自旋波耦合时，超导磁通量子比特的能谱图中的谐振亮线为一条连续的亮线。对比图3和图4，超导磁通量子比特与自旋波耦合时，超导磁通量子比特和钇铁石榴石块杂化系统的能谱图中的谐振亮线由连续的一条线分成俩条连续的亮线。这俩条连续亮线之间的距离就是耦合强度
Figure BDA0001871186460000071
谐振亮线由一条变为俩条，二者之间产生了有效的量子耦合，实现二者之间的纠缠，意味着量子信息可以在超导磁通量子比特和钇铁石榴石块自旋波之间交换，可以把超导磁通量子比特中的量子信息存储到钇铁石榴石块的驻波中，也可以把钇铁石榴石块驻波中的量子信息存储到超导磁通量子比特中。这样就实现了一个新的通过磁耦合直接耦合的杂化系统，为应用自旋波在量子信息处理领域开启了一扇新的大门。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种量子信息交换方法。该量子信息交换方法适用于本发明实施例提供的任一种所述的量子信息交换装置。图5为本发明实施例提供的一种量子信息交换方法的流程图。该量子信息交换方法包括：
S110、启动微波发生器，以形成微波，并利用微波激发超导磁通量子比特处于不同的能级中以及探测超导磁通量子比特当前所处能级。
S120、启动偏置磁场发生器以形成偏置磁场，进而使得钇铁石榴石块中的多个自旋磁场有序化。
S130、调整钇铁石榴石块与超导磁通量子比特之间的距离，以使超导磁通量子比特与钇铁石榴石块产生的自旋波的耦合强度大于超导磁通量子比特的衰减强度，以及超导磁通量子比特与钇铁石榴石块产生的自旋波的耦合强度大于钇铁石榴石块产生的自旋波驻波的衰减强度。
由于上述量子信息交换方法适用于本发明实施例提供的任一种所述的量子信息交换装置，其具有其所适用的量子信息交换装置相同或相应的有益效果，此处不再赘述。
需要说明的是，在实际执行时，S110、S120和S130的执行先后顺序可以任意调整，此处不作限制。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种量子信息交换装置，其特征在于，包括微波发生器、超导磁通量子比特、钇铁石榴石块以及偏置磁场发生器；
所述超导磁通量子比特包括三个约瑟夫森结以及多条连接导线；所述连接导线将所述三个所述约瑟夫森结串联起来形环状结构；
所述钇铁石榴石块与所述超导磁通量子比特沿第一方向依次设置，且所述钇铁石榴石块沿所述第一方向在所述环状结构所在平面的垂直投影位于所述环状结构围成的区域内；沿所述第一方向，所述钇铁石榴石块与所述超导磁通量子比特之间的距离大于0；
所述微波发生器用于产生微波，以激发所述超导磁通量子比特处于不同的能级中以及探测所述超导磁通量子比特当前所处能级；
所述钇铁石榴石块位于所述偏置磁场发生器形成的磁场内；所述偏置磁场发生器形成的磁场的磁场方向平行于所述环状结构所在平面；
所述第一方向平行于所述环状结构的轴线方向；
所述钇铁石榴石块的形状为柱体，所述柱体的底面与所述第一方向垂直。
2.根据权利要求1所述的量子信息交换装置，其特征在于，所述偏置磁场发生器形成的磁场小于所述约瑟夫森结中超导材料的临界磁场。
3.根据权利要求1所述的量子信息交换装置，其特征在于，在所述偏置磁场发生器形成的磁场的作用下，所述钇铁石榴石内部产生的感应磁场小于所述约瑟夫森结中超导材料的临界磁场。
4.根据权利要求1所述的量子信息交换装置，其特征在于，所述柱体的高度为60nm-100nm。
5.根据权利要求1所述的量子信息交换装置，其特征在于，所述钇铁石榴石块的形状为正棱柱或正圆柱；所述钇铁石榴石块的轴线与所述环状结构的轴线重合。
6.根据权利要求1所述的量子信息交换装置，其特征在于，
所述超导磁通量子比特的能级包括|0>态和|1>态；
定义所述超导磁通量子比特在|0>态和|1>态的能级差与普朗克常量的比值为超导磁通量子比特的频率；
所述超导磁通量子比特的频率与所述钇铁石榴石块产生的自旋波驻波的频率之差的绝对值大于或等于0，小于或等于10MHz。
7.根据权利要求1所述的量子信息交换装置，其特征在于，沿所述第一方向，所述钇铁石榴石块与所述超导磁通量子比特之间的距离小于或等于3μm。
8.一种量子信息交换方法，其特征在于，所述量子信息交换方法适用于权利要求1-7任一项所述的量子信息交换装置；
所述量子信息交换方法包括：
启动所述微波发生器，以形成微波，并利用所述微波激发所述超导磁通量子比特处于不同的能级中以及探测所述超导磁通量子比特当前所处能级；
启动所述偏置磁场发生器以形成偏置磁场，进而使得所述钇铁石榴石块中的多个自旋磁场有序化；
调整所述钇铁石榴石块与所述超导磁通量子比特之间的距离，以使所述超导磁通量子比特与所述钇铁石榴石块产生的自旋波的耦合强度大于所述超导磁通量子比特的衰减强度，以及所述超导磁通量子比特与所述钇铁石榴石块产生的自旋波的耦合强度大于所述钇铁石榴石块产生的自旋波驻波的衰减强度。
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