CN109948802B - 一种寻址操控系统 - Google Patents

Abstract

一种寻址操控系统，包括：预设数值个选址单元，每一个选址单元包括：相互垂直的第一声光处理器件和第二声光处理器件，用于：进行预设数值维度的寻址操控；第一声光处理器件和第二声光处理器件包括：声光偏转器(AOD)或声光调制器(AOM)。本发明实施例简化了寻址操作系统架构。

Description

一种寻址操控系统

技术领域

本文涉及但不限于量子计算机技术领域，尤指一种寻址操控系统。

背景技术

量子计算机是一种使用量子逻辑门进行通用量子计算和模拟的设备，其基础逻辑单元由遵守量子力学原理的量子比特构成，大量相干操控的量子比特在物理上实现量子计算机。相对于传统计算机，量子计算机在解决特定问题时运算时间可大幅度减少；因此，量子计算机在基础科学研究、人工智能、材料模拟、信息安全、金融市场优化与气候变化预测等方面具有重要的应用前景，受到了广泛关注。

利用囚禁于离子阱中的离子量子比特阵列，可以在已有实验条件下实现各种高保真度的量子逻辑门操作。离子量子比特在相互作用控制、长相干时间、高保真度量子逻辑门操作及量子纠错等方面均十分优秀，是最有可能实现量子计算机的平台之一(本文将基于离子量子比特形成的量子计算机简称为离子型量子计算机)。离子型量子计算机上的量子比特基本逻辑门操作，主要是通过激光或者微波来实现；如何设计针对离子量子比特的寻址操控系统，是实现离子型量子计算机的核心技术问题之一，对离子型量子计算机系统的复杂度、逻辑门操作的速度及保真度、量子算法设计的灵活性、及物理资源的占用等问题都有着重要的影响。随着量子比特数的不断增加，对寻址操控系统的性能要求均大大提升；高性能的寻址操控系统成为实现可扩展大规模离子型量子计算机的关键技术。目前，常见的离子量子比特的寻址方式主要有两种；图1(a)为相关技术中离子量子比特的寻址操作示意图，如图1(a)所示，通过多通道的声光调制器(AOM)进行量子比特寻址操控；入射的多束激光同时入射多通道AOM的各个通道上进行移频偏转，调制后的一级衍射光斑由光学系统入射到对应的离子上；单个离子量子比特的寻址操控对应于该AOM中单个通道的时序控制；其中，每个寻址通道需要由独立的电子系统驱动。随着需要操控的量子比特增加，系统所需的AOM通道数和电子系统也呈线性增加，使量子计算机寻址控制系统变得非常庞大和复杂，将极大地降低整个系统的可靠性。图1(b)为相关技术中另一离子量子比特的寻址操作示意图，如图1(b)所示，在芯片离子阱上设计了3个微波场(MW)，利用微波电极在离子阱囚禁区域产生的径向梯度磁场。离子在势阱中的不同径向位置，其塞曼磁子能级之间的跃迁频率随磁场强度变化。调节微波电极中的微波频率可以实现对不同径向位置的离子进行寻址及量子操控；为了产生较大的梯度磁场，离子和微波电极的距离非常近(30微米左右)；因此该方案只适用于特定设计的芯片离子阱；由于离子与芯片的电极非常近，芯片表面的电场噪声会极大地降低量子比特的相干时间，且在寻址过程中需要改变电场让离子偏离轴向，因此会引入离子的微运动，从而降低量子相干操作的保真度。

综上，对于上述离子量子比特寻址操控方案，将随着量子比特数目的增加，对实现该寻址操控系统所需的光学或微波系统设计，控制电子系统设计以及逻辑控制程序的复杂度也会呈现快速增长，制约了大规模量子计算机设计实现。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种寻址操控系统，能够简化寻址操作系统架构。

本发明实施例提供了一种寻址操控系统，包括：预设数值个用于进行预设数值维度的寻址操控的选址单元，每一个选址单元包括：相互垂直的第一声光处理器件和第二声光处理器件；其中，

所述第一声光处理器件具体用于：接收入射激光，生成正一级衍射光；

所述第二声光处理器件具体用于：接收正一级衍射光，对接收的正一级衍射光进行处理后，产生负一级衍射光。

第一声光处理器件和第二声光处理器件包括：声光偏转器AOD或声光调制器AOM。

可选的，所述预设数值为二时，第二个寻址单元的主轴相对于第一个寻址单元主轴旋转90度。

可选的，所述寻址操控系统还包括驱动信号单元和驱动单元；其中，

驱动信号单元用于：生成射频频率相同驱动信号；

驱动单元用于：根据生成的所述驱动信号驱动所述第一声光处理器件和第二声光处理器件。

可选的，所述驱动信号单元还用于：

根据量子比特的空间分布确定所述射频频率。

可选的，所述驱动信号单元包括第一射频信号源或射频频率相同的两个第二射频信号源，用于：

基于第一射频信号源或射频频率相同的两个第二射频信号源，生成射频频率相同的所述驱动信号。

可选的，所述驱动信号单元具体用于：

产生两种或两种以上不同射频成分的所述驱动信号。

可选的，所述驱动单元具体用于：

基于各射频成分的所述驱动信号产生相应的衍射光斑；

按照预设的映射关系，将所述第一声光处理器件和第二声光处理器件产生的衍射光斑入射到量子比特上。

可选的，所述寻址单元具体用于：

根据量子算法及量子纠错码，进行预设数值维度的寻址操控。

与相关技术相比，本申请技术方案包括：预设数值个选址单元，每一个选址单元包括：相互垂直的第一声光处理器件和第二声光处理器件，用于：进行预设数值维度的寻址操控；第一声光处理器件和第二声光处理器件包括：声光偏转器(AOD)或声光调制器(AOM)。本发明实施例简化了寻址操作系统架构。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1(a)为相关技术中离子量子比特的寻址操作示意图；

图1(b)为相关技术中另一离子量子比特的寻址操作示意图；

图2为本发明实施例寻址操控系统的结构框图；

图3(a)为本发明应用示例一维量子比特寻址操控系统示意图；

图3(b)为本发明应用示例声光偏转器衍射光出射位置示意图；

图4为本发明应用示例二维离子量子比特寻址操控系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图2为本发明实施例寻址操控系统的结构框图，如图2所示，包括：预设数值个选址单元(结构框图中以两个选址单元作为示例)，每一个选址单元包括：相互垂直的第一声光处理器件和第二声光处理器件，用于：进行预设数值维度的寻址操控；

第一声光处理器件和第二声光处理器件包括：声光偏转器(AOD)或声光调制器(AOM)。

需要说明的是，本发明实施例声光处理器件产生的衍射光的位置主要由驱动该声光处理器件的射频频率决定。本发明实施例选址单元个数为一时，选址操控系统用于一维量子比特点阵的选址操控；选址单元个数为二时，选址操控系统用于二维的量子比特点阵的选址操控。

可选的，本发明实施例预设数值为二时，第二个寻址单元的主轴相对于第一个寻址单元主轴旋转90度。

可选的，本发明实施例寻址操控系统还包括驱动信号单元和驱动单元；其中，

驱动信号单元用于：生成射频频率相同驱动信号；

驱动单元用于：根据生成的所述驱动信号驱动所述第一声光处理器件和第二声光处理器件。

可选的，本发明实施例驱动信号单元还用于：

根据量子比特的空间分布确定所述射频频率。

可选的，本发明实施例：

所述第一声光处理器件具体用于：接收入射激光，生成正一级衍射光；

所述第二声光处理器件具体用于：接收正一级衍射光，对接收的正一级衍射光进行处理后，产生负一级衍射光。

需要说明的是，本发明实施例第一声光处理器件和第二声光处理器件交换正负一级衍射光产生次序不影响选址单元的工作性能。

可选的，本发明实施例所述驱动信号单元包括第一射频信号源或射频频率相同的两个第二射频信号源，用于：

基于第一射频信号源或射频频率相同的两个第二射频信号源，生成射频频率相同的所述驱动信号。

可选的，本发明实施例所述驱动信号单元具体用于：

产生两种或两种以上不同射频成分的所述驱动信号。

可选的，本发明实施例所述驱动单元具体用于：

基于各射频成分的所述驱动信号产生相应的衍射光斑；

按照预设的映射关系，将所述第一声光处理器件和第二声光处理器件产生的衍射光斑入射到量子比特上。

可选的，本发明实施例所述寻址单元具体用于：

根据量子算法及量子纠错码，进行预设数值维度的寻址操控。

可选的，本发明实施例预设数值为2时，相互垂直的第一声光处理器件和第二声光处理器件之间还设置有二分之一波长的波片。用于促使从第一声光处理器件输出的正一级衍射光在入射到第二声光处理器之前，在偏振方向进行90度旋转。

与相关技术相比，本申请技术方案包括：预设数值个选址单元，每一个选址单元包括：相互垂直的第一声光处理器件和第二声光处理器件，用于：进行预设数值维度的寻址操控；第一声光处理器件和第二声光处理器件包括：声光偏转器(AOD)或声光调制器(AOM)。本发明实施例简化了寻址操作系统的电路。

以下通过应用示例对本发明实施例方法进行清楚详细的说明，应用示例仅用于陈述本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

应用示例

本发明应用示例提出的寻址操控系统，可以适用于离子量子计算机，也可以应用于原子或其他类似量子比特系统。寻址操控系统既可以用于一维量子比特阵列，也可以用于二维或三维量子比特阵列。该系统可以增加寻址操作系统的信道容量，提高系统的寻址操作效率，降低射频驱动模块及控制单元的复杂度，消除对特定器件或特殊设计物理系统的依赖，实现一维与高维的任意量子比特阵列的寻址操控。本发明应用示例可以促进量子计算机的规模化进展与实现。

以下将寻址操作系统应用在离子型量子计算机作为应用示例进行说明，包括：采用声光偏转器(AOD，AcousticOptical Deflector)来寻址控制量子比特阵列中的量子比特。图3(a)为本发明应用示例一维量子比特寻址操控系统示意图，如图3(a)所示，利用两个相互垂直的AOD构成的寻址单元产生的衍射光束进行一维阵列寻址操控；本发明应用示例两个AOD的射频场(RF)1的声波传播方向分别为

入射光经过第一个AOD产生正一级衍射之后，入射到第二个AOD上产生负一级衍射。在AOD的工作带宽范围内，出射光将在

方向上实现位置扫描。图3(b)为本发明应用示例声光偏转器衍射光出射位置示意图，图3(b)显示了在

组成的平面内AOD寻址单元在不同驱动频率下的出射位置。由于驱动两个AOD的射频信号频率一致，出射光的位置随驱动频率变化，但光的频率在各个扫描点的位置是一致的。本发明应用示例通过保持驱动两个AOD射频场(RadioFrequency)频率一致，实现最后出射的衍射光在两个AOD的声速传播矢量叠加方向位置扫描，同时由于该衍射光的频率不随衍射光的位置而改变，因此可以实现对量子计算机上的任意量子比特进行单比特逻辑门操作。在AOD的工作带宽内，本发明应用示例还可以同时产生两种或两种以上不同射频成分的驱动信号，每个射频成分产生的衍射光斑对应入射到不同的量子比特上。因此可以实现对量子计算机上的任意两个量子比特进行双量子比特逻辑门操作；在信道数量允许下，增加更多的射频信号可对量子计算机上的多个离子量子比特进行多离子量子比特逻辑门操作。AOD产生的衍射光位置主要由驱动该AOD的射频频率决定，本发明应用示例还可以根据离子量子比特的空间分布来选择合适的驱动频率(驱动频率可以参照相关技术中已有理论分析确定)。因此，本发明应用示例消除了对离子量子比特的空间均匀分布的要求，降低了相关技术中寻址方法受限于由离子不均匀分布导致的不同信道之间串扰产生的噪声。图4为本发明应用示例二维离子量子比特寻址操控系统示意图，如图4所示，利用两个AOD寻址单元进行二维阵列寻址操控；其中，第二个AOD寻址单元相对第一个AOD寻址单元主轴旋转了90度，在

(图4中通过

表示)的方向上实现了位置扫描。通过两组AOD寻址单元，实现对二维量子比特点阵的寻址操控。本发明应用示例中的寻址操控可根据量子算法及量子纠错码等进行实时调整。在不改变量子计算机硬件的情况下，通过本发明应用示例提供的寻址操控系统，根据量子计算机的任务内容可以实现任意量子比特之间逻辑门操作，进而实现不同需求的量子算法。

第一，本发明中两个相互垂直的声光偏转器(AOD)组合为一个寻址单元来实现量子计算机上的量子比特寻址操控。单束激光(频率ω_L，波矢为

)以布拉格(Bragg)角(θ)入射到第一个声光偏转器(AOD1)上。在AOD射频(频率υ_RF1、波矢为

)驱动下，激光束在AOD晶体上会产生布拉格衍射产生边带。衍射产生的0级光斑和1级光斑之间的夹角取决于射频信号的驱动频率，通过改变驱动频率可以控制衍射光束的方向。AOD1衍射产生的正一级光(偏转角沿AOD的声子传播方向)的频率为ω_L+υ_RF1，其传播方向为

该衍射光入射到第二个声光偏转器(AOD2)之后，在其驱动频率的控制下(频率υ_RF2、波矢为

)产生衍射光。通过调节AOD2的位置可使其产生的负一级衍射光最强。该衍射光的频率为ω_L+υ_RF1-υ_RF2，其传播方向为：

当驱动两个AOD的射频信号频率相同时，该寻址操作系统产生的衍射光频率为ω_L。由于两个AOD的声波传输方向相互垂直，改变驱动AOD的频率可以使得衍射光束沿着

方向位置扫描。因

远大于

并与它们近乎垂直，

与

相互垂直，本发明应用示例可以认为衍射产生的寻址光束可以在

构成的平面内沿

(图4中通过

表示)方向上进行位置扫描。扫描位置和范围主要由驱动AOD的中心频率及工作带宽决定。在工作带宽内的位置分辨率也由AOD内晶体的传播速度、入射到AOD的光斑尺寸等其他因素所决定。

第二，本发明应用示例通过两个AOD寻址单元实现对二维量子比特点阵的寻址操控；单个AOD寻址单元可以在由

构成的平面内的方向

上进行位置扫描；当该光束进入旋转了90度的第二个AOD寻址单元时，可以实现在

上的方向上进行第二维度的位置扫描。通过同时控制两个AOD寻址单元的射频驱动信号，可以在

与

构成的平面内实现对二维量子比特点阵的寻址操控。

第三，本发明应用示例对量子计算机(包括离子型量子计算机)内任意量子比特(包括离子量子比特)进行寻址操控。操控激光的频率一致，从原理上消除了因寻址操控导致的激光频率起伏而引入的操控误差，提高了量子计算机中量子逻辑门的保真度。本发明应用示例寻址操作过程中，两个AOD的衍射效率分别优化在选择正一级和负一级衍射光斑，最终用来寻址的衍射光频率为ω_L+υ_RF1-υ_RF2。当同一信号源或两个频率相同的射频信号源υ_RF驱动两个AOD时(υ_RF1＝υ_RF2)，量子比特进行寻址操控的衍射激光频率完全一致，从而保证了寻址操控系统在对任意量子比特进行操控时激光频率不随量子比特位置而改变。

第四，本发明应用示例可以实现微秒量级的快速寻址操控；本发明应用示例的核心器件是控制光束偏转的AOD，该元件一般工作在百兆赫兹(MHz)频段；AOD的上升时间通常在百纳秒级，在选择合适的器件参数(如何选择合适的器件参数，可以参照相关技术中已有的理论分析确定)之后可实现寻址激光微秒(us)时间尺度上的开关及时序控制，满足量子计算机的性能要求；通过控制驱动AOD的射频信号功率，可以实现对寻址激光的强度控制。

第五，本发明应用示例可以实现对量子计算机上任意量子比特进行单比特量子逻辑门操作；量子比特寻址控制的寻址性能主要由AOD的分辨率决定的。对于寻址操作系统中用到的AOD，它的中心频率为υ₀，工作带宽为Δυ，分辨率为N。在AOD的工作带宽内构建N个信道，每个信道将对应于离子型量子计算机中需要寻址的单个离子量子比特；两个AOD可以用同一信号源或频率相同的信号源来驱动，只要保证两AOD的信号源的驱动频率一致即可。通过调控驱动AOD信号源的频率、功率以及时序上的开断，本发明应用示例可以实现对任意量子比特进行寻址操控。

第六，本发明应用示例可以实现对量子计算机上的任意量子比特之间进行两比特或多比特逻辑门操作。驱动AOD的射频信号源可以同时输出多个不同频率的射频信号。加载了不同射频信号的AOD可以同时衍射产生寻址量子比特所需的寻址操控光束。在经过两个AOD(分别为正一级、负一级)衍射之后，与所有量子比特相互作用的寻址操控激光在频率上完全相同，因此可以消除由不同信道的信号源频率起伏导致寻址操作误差，提高多量子比特逻辑门操作的保真度；本发明应用示例降低了离子型量子计算机对寻址操作系统驱动射频源的性能要求，简化了寻址操控。

第七，本发明应用示例根据量子比特在空间中的分布，可以优化寻址操控性能，并可依据离子位置实施动态反馈。本发明应用示例无需量子比特在空间中均匀分布，对在空间中特定分布的一维量子比特阵列，只要满足离子链中距离最近的两个离子能被AOD(空间分辨率为N)空间中分辨寻址。在整个离子链的长度L小于N*l(l为AOD在离子量子比特位置的最小空间分辨率)的范围内，本发明应用示例可以根据离子位置分布改变驱动AOD的频率成分(υ0，υ1，…υn)，优化每一个信道的中心频率所对应的离子空间位置分布。本发明应用示例根据离子的空间位置分布，可以优化驱动AOD进行寻址所需的射频信号频率成分。在量子算法运行过程中，离子量子比特位置如果改变，本发明应用示例可以根据离子量子比特位置进行实时反馈优化，可以实现更复杂的量子算法及量子纠错码。

第八，本发明应用示例可以应用于对量子计算机中任意量子比特的量子态进行读取并进行反馈操控。在量子计算机中，对量子态的读取通常是通过一束全局探测光与所有量子比特进行相互作用，通过收集所有量子比特的荧光信息来进行量子态读取。当探测光经过本发明应用示例的寻址操控系统，可以实现选择性的读取量子计算机上任意量子比特的量子态，并根据测量结果对在运行中的量子算法进行动态反馈。本发明应用示例可实现可容错的逻辑比特以及动态反馈的量子纠错码。

本发明应用示例中，多量子比特寻址能力取决于具体选择的AOD的工作波长、工作带宽、入射光阑直径、声光晶体中的声速等参数；这些参数可为选择适用的AOD提供依据。本发明应用示例在进行寻址操作的调节时，入射光与AOD的角度也需要严格满足布拉格衍射(Bragg)的角度要求。在实际的光路调节中，未能满足理想工作条件的寻址装置会降低性能、效率等。本发明应用示例中两个AOD的正负一级衍射光的顺序并不影响寻址系统的性能。其他类型的AOD、特殊设计的AOD(如啁啾型声光偏转器)、声光调制器(AOM)等类似器件也可以用于实施本发明应用示例的寻址操控系统。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的每个模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种寻址操控系统，其特征在于，包括：预设数值个用于进行预设数值维度的寻址操控的选址单元，每一个选址单元包括：相互垂直的第一声光处理器件和第二声光处理器件；其中，

第一声光处理器件用于：接收入射激光，生成正一级衍射光；

第二声光处理器件用于：接收正一级衍射光，对接收的正一级衍射光进行处理后，产生负一级衍射光；

第一声光处理器件和第二声光处理器件包括：声光偏转器AOD或声光调制器AOM。

2.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，所述预设数值为二时，第二个选址单元的主轴相对于第一个选址单元主轴旋转90度。

3.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，所述寻址操控系统还包括驱动信号单元和驱动单元；其中，

驱动信号单元用于：生成射频频率相同驱动信号；

驱动单元用于：根据生成的所述驱动信号驱动所述第一声光处理器件和第二声光处理器件。

4.根据权利要求3所述的寻址操控系统，其特征在于，所述驱动信号单元还用于：

根据量子比特的空间分布确定所述射频频率。

5.根据权利要求3或4所述的寻址操控系统，其特征在于，所述驱动信号单元包括第一射频信号源或射频频率相同的两个第二射频信号源，用于：

基于第一射频信号源或射频频率相同的两个第二射频信号源，生成射频频率相同的所述驱动信号。

6.根据权利要求3或4所述的寻址操控系统，其特征在于，所述驱动信号单元具体用于：

产生两种或两种以上不同射频成分的所述驱动信号。

7.根据权利要求6所述的寻址操控系统，其特征在于，所述驱动单元具体用于：

基于各射频成分的所述驱动信号产生相应的衍射光斑；

按照预设的映射关系，将所述第一声光处理器件和第二声光处理器件产生的衍射光斑入射到量子比特上。

8.根据权利要求1～4任一项所述的寻址操控系统，其特征在于，所述选址单元具体用于：

根据量子算法及量子纠错码，进行预设数值维度的寻址操控。

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