CN111868755B - 经由频率调制可调谐耦合元件利用一阶跃迁的快速量子门 - Google Patents

经由频率调制可调谐耦合元件利用一阶跃迁的快速量子门 Download PDF

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Abstract

提供了涉及操作量子处理设备的技术。设备包括耦合到频率可调谐耦合器的至少两个固定频率量子电路。耦合器的频率可以被调制，以便驱动量子处理设备中的至少两个可选择性寻址的能量跃迁。方法包括调制耦合器的频率以便驱动两个一阶能量跃迁。这样做以便经由可调谐耦合器将量子电路中的一个的激励(至少部分地)传递到量子电路中的至少另一个。还提供了相关的量子处理设备。

Description

经由频率调制可调谐耦合元件利用一阶跃迁的快速量子门
技术领域
本发明总体上涉及量子处理设备及其操作的领域，并且更具体地涉及操作具有耦合到频率可调谐耦合器的固定频率量子电路(例如，超导量子位)的量子处理设备，以及相关设备。
背景技术
量子增强感测和量子计算的最新进展使得这些技术与工业应用更加相关。量子感测和量子计算二者都直接利用量子力学现象，例如叠加和纠缠。量子感测的目的在于提高测量装置的精度，而量子计算机对数据纠缠执行操作。超导电路相对容易用当前技术制造，因此是进一步扩展量子信息技术的有前途的候选。今天，可以想象，在近期，基于几百个超导量子位的小型量子计算机将能够模拟对于常规计算机难以处理的量子系统，该小型量子计算机限于没有误差校正。
尽管在设计量子系统方面有所改进，超导量子位仅可以存储有限寿命的量子信息，该有限寿命被称为相干时间。量子感测和量子计算二者理想地都需要高度纠缠的多量子位态的快速和高保真度的生成。目前，这样的态只能通过顺序地执行许多双量子位门操作来制备，这种制备消耗了量子位的大量相干时间。此外，这种制备限制了实际上可以使用的量子位的数量，因为态制备的持续时间随着量子位的数量而增加。然而，态制备的持续时间必须比相干时间短得多。当态制备的持续时间与相干时间相当时，系统不再能够操作。较短的态制备(例如，使用一次作用于多个量子位并使其纠缠的门获得)将允许量子计算机或量子传感器以较少的误差执行并被缩放到较大数量的量子位。
在超导量子位领域，多量子位、单步骤的态制备问题迄今为止不是问题。实际上，所研究的系统的大小目前被限制为几个量子位，并且与量子位的相干时间相比，可靠的双量子位纠缠门是短的。在各种其它可能的现有实现中，存在已知的双量子位门，其利用传输子(transmon)量子位来实现，其中量子位经由频率可调谐耦合器元件来耦合。与其它方法相反，这种实现方式利用固定频率量子位的高相干性来产生具有大于97％的保真度的纠缠的两个量子位态。然而，选通速率(gate rate)仍然相对较慢(数百纳秒)。
发明内容
根据第一方面，本发明的实施例提供了一种如权利要求1所述的操作量子处理设备的方法。
本方法利用固定频率电路的高相干性和一阶跃迁所允许的短操作时间，例如，以实现高选通速率。这种方法尤其可以用于允许在单个短操作内使多个固定频率量子位纠缠。因此，可以利用上述方法获得较短的态制备。这进而使得量子计算机或量子传感器有可能以更少的误差来执行并且可以被缩放到更大数量的量子位。
在本发明的实施例中，可调谐耦合器的频率被以两个频率调制。即，在一方面，以第一频率调制耦合器，以便驱动第一跃迁，并且由此将量子电路中的所述一个量子电路的激励(至少部分地)传递到可调谐耦合器。在另一方面，以一个或多个第二频率(每个与第一频率不同)调制耦合器，以便分别驱动一个或多个第二跃迁，并且由此进一步将该激励从可调谐耦合器(至少部分地)传递到量子电路中的另一个量子电路。第一跃迁和(一个或多个)第二跃迁中的每一个都是一阶能量跃迁。
可调谐耦合器的频率可以首先被以所述第一频率调制以驱动第一跃迁，并且随后被以所述至少一个第二频率调制以在第一跃迁之后驱动至少一个第二跃迁。然而，优选地(但不是必须地)，可调谐耦合器的频率被相伴地以所述第一频率和所述至少一个第二频率调制，以便相伴地驱动第一跃迁和至少一个第二跃迁。即，以(一个或多个)第二频率调制可调谐耦合器的时间段至少部分地与以第一频率调制可调谐耦合器的时间段重叠，以便提高操作速度。使用相伴的驱动使得有可能实现高选通速率(例如，在10-100兆赫(MHz)范围内)，其中对应的选通时间在100纳秒(ns)-10ns范围内，即，与单量子位门一样快。结果，可以在可短至10ns的时间内实现单纠缠操作。
当调制可调谐耦合器的频率时，可以以选定的步调开启以所述第一频率的驱动和以所述第二频率的驱动，以便产生绝热完整门变换。
本发明的实施例依赖于所谓的“红色边带跃迁”，其可以例如通过施加到可调谐耦合器的谐波微波信号而容易地被驱动。特别感兴趣的是利用特定的激发态|gg...，1>。即，第一频率和(一个或多个)第二频率中的每一个可以对应于量子处理设备的激发态对之间的能量差，其中，每对激发态涉及该激发态|gg...，1>，其可表示为涉及可调谐耦合器的激发态|1>和量子电路中的每一个的基态|g>的张量积。因为相同的激发态|gg...，1>被涉及在对应于第一频率和(一个或多个)第二频率的能量差中的每一个中，所以该态稍后被称为“参考”激发态|gg...，1>。
例如，第一频率和至少一个第二频率中的每一个可以对应于所述参考激发态|gg...，1>和激发态|ab...，0>之间的能量差。激发态|ab...，0>可表示为涉及可调谐耦合器的基态|0>和量子电路的态|ab...>的张量积。态|ab...>本身可表示为涉及量子电路中的仅一个的激发态|e>和剩余量子电路中的每一个的基态|g>的张量积。
第一频率和第二频率各自“对应于”如上定义的能量差，意味着这样的频率可以等于这样的能量差，或者在变型中，接近于这样的能量差。
如上所述，通过将谐波微波信号施加到可调谐耦合器，可以驱动一阶能量跃迁。调制所施加的信号以调制可调谐耦合器的频率，以便驱动所述第一跃迁和所述至少一个第二跃迁。
值得注意的是，可以实施本方法以便操作具有多于两个固定频率量子电路的量子处理设备。这样，可以将初始激励传递到多个量子电路。即，量子处理设备可以包括至少三个固定频率量子电路。再次，每个量子电路耦合到可调谐耦合器。可调谐耦合器的频率相伴地在一方面被以第一频率调制以便驱动第一跃迁，以及在另一方面被以两个或更多个第二频率调制以便相伴地分别驱动两个或更多个第二跃迁。这样，激励可以(再次，至少部分地)从可调谐耦合器传递到量子电路中的两个或更多个其它量子电路。所述跃迁中的每一个是一阶能量跃迁，以便确保快速操作。
如本文所述的操作还可以需要适当地设置施加到可调谐耦合器的信号的幅度和相位，例如以便实现量子电路的多部分纠缠态。值得注意的是，可以操作本方法以及如本文描述的量子处理设备以便实施一个或多个量子门。每个门进而可以在量子电路中的一个或多个上操作。然而，由于可调谐耦合器不意在用作计算量子位，所以这样的量子门将不在可调谐耦合器的态上操作(至少不有效)。
本发明的实施例基于至少两个量子电路的态实现通用的门集合。然而，由于与上述相同的原因，这样的门不基于可调谐耦合器的态。
例如，可以在调制施加到可调谐耦合器的信号的频率之前或同时设置这种信号的幅度和相位，以便实现iSWAP门、c相位门、Fredkin门(也称为CSWAP门)或SWAP门的平方根(通常由表示)，或这样的门的任意组合。
根据另一方面，本发明的实施例提供了如权利要求13所述的量子处理设备。
与本方法一致，在操作中，控制器优选地(但不是必须地)被配置为在一方面以第一频率调制耦合器的频率以便驱动第一跃迁并且由此将量子电路中的所述一个量子电路的激励(至少部分地)传递到耦合器，以及在另一方面以至少一个第二频率(不同于第一频率)调制耦合器的频率以便分别驱动至少一个第二跃迁并且由此进一步将该激励从耦合器(至少部分地)传递到量子电路中的所述至少另一个量子电路。同样，第一跃迁和至少一个第二跃迁中的每一个都是一阶能量跃迁。
在本发明的实施例中，控制器还被配置成在操作中首先以所述第一频率调制施加到可调谐耦合器的信号的频率以便驱动第一跃迁，并且随后以所述至少一个第二频率调制该频率以在第一跃迁之后驱动至少一个第二跃迁。优选地(但不是必须地)，控制器被配置为在操作中相伴地以所述第一频率和所述至少一个第二频率调制施加到可调谐耦合器的信号，以便相伴地驱动第一跃迁和至少一个第二跃迁。
例如，量子处理设备可以包括至少三个固定频率量子电路，每个固定频率量子电路耦合到可调谐耦合器。在这种情况下，控制器可以被配置成在操作中相伴地在一方面以所述第一频率调制可调谐耦合器的频率以便驱动所述第一跃迁，以及在另一方面以两个或更多个第二频率调制可调谐耦合器的频率以便相伴驱动两个或更多个第二跃迁，由此激励可以从可调谐耦合器(至少部分地)被传递到量子电路中的至少两个其它量子电路。同样，所述第二跃迁中的每一个是一阶能量跃迁。
特别地，所述量子电路中的每一个是超导量子电路。特别地，量子电路中的每一个可以是固定频率、传输子型的量子电路。可调谐耦合器可以例如电容耦合到至少两个量子电路中的每一个。
在本发明的实施例中，可调谐耦合器包括由具有两个约瑟夫逊结的超导量子干涉设备环路分开的两个电极，以便耦合到至少两个量子电路。
在变型中，可调谐耦合器包括具有耦合到地的超导量子干涉设备环路的单个电极，以便耦合到至少两个量子电路。
根据另一方面，本发明的实施例提供了如权利要求14所述的量子处理芯片。
现在将通过非限制性示例并参考附图进一步描述根据本发明的实施例的量子处理设备、芯片和方法。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的多量子位耦合体系结构的示例的电路图，该体系结构涉及一个或多个频率可调谐耦合器；
图2示出了根据本发明的实施例的如图1中的多量子位耦合体系结构的示例几何结构，其使用经由被配置作为频率可调谐耦合元件的第三传输子量子位耦合的两个传输子型量子位；
图3示出了根据本发明的实施例的多量子位耦合体系结构的示例的电路图，该体系结构涉及一个或多个频率可调谐耦合器；
图4示出了根据本发明的实施例的如图3中的多量子位耦合体系结构的示例几何结构，其使用经由被配置作为频率可调谐耦合元件的量子位耦合的四个传输子型量子位；
图5示出了根据本发明的实施例的多量子位耦合体系结构的示例的电路图，该体系结构涉及一个或多个频率可调谐耦合器；
图6是描绘根据本发明的实施例的与如图1或图2中的耦合到可调谐耦合器的两个量子电路(例如，计算量子位)相关联的量子态以及一阶能量跃迁的图形；
图7示意性地图示了根据本发明的实施例的可调谐耦合器频率的调制，在该示例中六个传输子量子位被耦合到该可调谐耦合器频率，并且其中谐波微波音调经由单个驱动线被同时施加到可调谐耦合器元件；
图8是描绘根据本发明的实施例的与如图3的配置中的耦合到可调谐耦合器的四个固定频率量子位相关联的量子态的图形，其中同时驱动跃迁以便产生纠缠态；
图9是图示了根据本发明的实施例的操作量子处理器件的方法的高级步骤的流程图，其中一阶能量跃迁被相伴驱动；以及
图10是根据本发明的实施例的图示了除了一阶能量跃迁被顺序驱动以外与图9的方法类似的方法的步骤的另一流程图。
附图示出了如本发明的实施例中所涉及的设备或其部件的简化表示。除非另外指出，否则图中的类似或功能上类似的元件已被分配相同的附图标记。
具体实施方式
参考图1-图10，首先描述本发明的实施例的一个方面，该方面涉及操作量子处理设备1、3、4的方法。图2和图4中描绘的技术特征不必按比例绘制。在所有情况下，假设该量子处理设备1、3、4包括至少两个固定频率量子电路11-14、1n和可调谐耦合器20。可调谐耦合器20用作频率可调谐耦合元件。量子电路各自耦合到可调谐耦合器20。根据本发明的实施例，为了实现本方法的目的，进一步假设可调谐耦合器20的频率可以被调制，以便选择性地驱动设备1、3、4中的可寻址的能量跃迁。
一致地，这种方法通常围绕调制可调谐耦合器20的频率(参见图9、图10的流程图中的步骤S20、S20a、S20b)，以便驱动(S30、S30a、S30b)两个一阶能量跃迁。这被进一步执行，使得量子电路11-14、1n中的一个量子电路的激励经由可调谐耦合器20至少部分地被传递(S40、S40a、S40b)到量子电路11-14、1n中的至少另一个量子电路。
为此，可以依赖于控制器32(例如，其可以被实现为和/或包括一个或多个控制线30)来将谐波微波信号(即，相干微波音调)施加到系统的部件并且触发期望的跃迁。这可能特别需要除了调制所施加的信号的频率之外还调整所施加的信号的幅度和相位。
量子电路11-14、1n中的每个量子电路通常是非线性量子电路，其可以用作量子位11-14、1n。“非线性”意味着可以寻址量子电路的至少两个不同(即，不同能量的)的能级。然而，例如，固定频率量子电路也可以是谐波振荡器。
根据本方法，量子电路11-14、1n中的一个量子电路的激励经由可调谐耦合器20至少部分地被传递到另一量子电路。如本文所使用的，术语“至少部分地被传递”等意味着在本发明的实施例中，激励可以有可能被完全传递，在这种情况下，激励从一个量子电路被完全交换到另一量子电路。然而，在本发明的其它实施例中，该激励也可以以明确定义的预定概率被传递，该预定概率小于1(并且大于0)。该激励的部分传递允许产生纠缠态，其中激励在量子电路11-14、1n之间共享。相反，完全传递允许激励被交换。除非另有说明，否则在本说明书中提起的激励传递可以对应于部分或完全传递。
本方法都依赖于一阶跃迁来实现更有效的过程。例如，可以考虑所谓的红色边带能量跃迁，如稍后详细描述的。
这种跃迁可以涉及在能量上彼此不同的量子电路的激发态，以便使它们更容易可寻址。例如，在这种情况下，需要以对应的频率调制可调谐耦合器20的频率，以便驱动量子处理设备1、3、4中的期望的跃迁。为此，需要例如通过控制线30来识别和施加合适的频率。
在各种实现方式中，所涉及的量子电路的激发态可以具有接近的或者甚至相同的能量。例如，不同的电路可以具有接近或相同能量的激发态。在这种情况下，需要使用一些其它手段来选择性地把能量跃迁信号作为目标。例如，可以有可能具有相同的能量并一次驱动所有的跃迁。典型地，在这种情况下发生的是，最终态将在初始态和全量子电路叠加态之间振荡，其中权重由各个电路的耦合给出。例如，为了实现特定的门，耦合必须或者在设计中被设置或者被制成可调谐的。在当前情况下，可以选择所施加的信号的幅度和/或相位，以便驱动期望的一阶能量跃迁，就像使用了不同的频率一样(尽管在该情况下串扰问题可能略微损害该过程，但这不是问题)。
至少一个可调谐耦合器20被涉及。然而，例如在单元阵列中，可能需要两个或更多个可调谐耦合器，其中每个单元包含一个耦合器和两个或更多个量子电路，如稍后参考图5描述的本发明的实施例中那样。通常，本处理设备1、3、4可以包括耦合器和量子电路的大型阵列。这样的设备通常可以被实施为量子增强感测设备或量子计算设备。
本“量子电路”11-14、1n旨在用作计算量子位(它们因此在下文中经常被称为“量子位”)。相反，可调谐耦合器20并不意在被用作计算量子位，即使耦合器20可以被实施为量子位，如后面所例示的。相反，耦合器20的作用仅仅是耦合量子电路，以实现期望的跃迁。
现有技术方法是已知的，其依赖于两个量子位之间的相互作用，或者一个量子位和谐振器之间的相互作用。然而，根据本发明的实施例，本体系结构涉及耦合到可调谐耦合器的至少两个量子位。然而，本耦合器20具有可调谐的频率，并且不意在被量子处理设备1、3、4用作计算量子位。相反，计算量子电路(例如量子位)11-14、1n中的每一个具有固定的频率(因此不是可调谐的)。如可以认识到的，这允许设备1、3、4对通量噪声基本上较不敏感。因此，可有利地利用固定频率设备的较长相干时间，例如以实现较长和/或较复杂的算法。
本方法允许通过适当地调制可调谐耦合器的频率来在两个或更多个耦合的量子位之间交换激励，或者将激励部分地从耦合的量子位中的一个传递到其它。由于涉及一阶能量跃迁，本方法特别地允许利用单个短操作使多个固定频率量子位纠缠。该方法尤其可以用于相伴地将激励(i)从一个量子电路传递到耦合器以及(ii)从耦合器传递到其它量子电路，这在操作速度方面具有巨大的优点。用适当的脉冲形状(例如，具有相同的幅度)来这样做导致将激励从一个量子位传递到其它量子位，使得可调谐耦合器20不被填充。甚至更是如此，通过同时驱动这些期望的跃迁到其它量子位，该两步骤操作可以与单个量子位到耦合器的传递完成得一样快。
通过选择驱动的适当频率、幅度、相位脉冲，可以创建不同多量子位态的激励。不仅利用了固定频率量子位的高相干性，而且，另外，相伴的驱动使得有可能实现高选通速率(例如，在10-100MHz范围内)，其中对应的选通时间在10ns-100ns范围内，即，与单量子位门一样快。换句话说，可能可以在10ns内实现单纠缠操作。
因此，本方法尤其可以用于实现较短的态制备时间。这进而使得量子计算机或量子传感器有可能以更少的误差来执行并且可以被缩放到更大数量的量子位。
下面将参考本发明的特定实施例详细讨论所有这些方面和相关优点。
更具体地参考图9、图10的流程图，在本发明的实施例中，可调谐耦合器20的频率被以两个频率调制(S20、S20a、S20b)。即，一方面，耦合器被以第一频率调制，以便驱动(S30，S30a)第一跃迁。这导致量子电路11-14、1n中的一个量子电路的激励被传递到可调谐耦合器20。另一方面，耦合器20被以一个或多个第二频率(不同于第一频率)调制，以便分别驱动(S30、S30b)一个或多个第二跃迁。实际上，调制频率应该在或接近跃迁频率。这样，被传递到可调谐耦合器的激励可以进一步从可调谐耦合器20被传递到剩余的量子电路11-14、1n中的一个或多个量子电路。
而且，所依赖的第一跃迁和一个或多个第二跃迁中的每一个都是一阶能量跃迁，以便确保操作速度。相反，更高阶能量转换需要更长的时间来完成，并且这具有更低的概率。
如图10所示，该过程可以涉及两个连续的跃迁。也就是说，可以首先以第一频率调制(S20a)可调谐耦合器20的频率(以驱动(S30a)第一跃迁)。然后，随后以一个或多个第二频率调制(S20b)耦合器20，以便在第一跃迁之后驱动(S30b)相应的第二跃迁。这里，两个连续的跃迁涉及在其间的特定的时间间隙。这种方法使得有可能容易地控制所施加的信号，但是它影响对应的选通时间。
现在，令人足够惊奇地，使用相伴驱动允许实现类似的效果，如本发明人已经认识到的。因此，在如图9所示的特定实现方式(其可以是优选的，但不是必须的)中，两个驱动在时间上重叠。换句话说，用于驱动两个跃迁的调制被相伴地施加，以便减少操作时间。这里，“相伴”意味着以第二频率调制可调谐耦合器的时间段至少部分地与以第一频率调制可调谐耦合器的时间段重叠。调制甚至可以被同时施加，以便加速传递。
即，可调谐耦合器20的频率可以被相伴地(或甚至同时地)以第一频率和以一个或多个第二频率调制(S20)，以便相伴地(或同时地)驱动(S30)第一跃迁和一个或多个第二跃迁。这种操作模式对于产生多个量子电路11-14、1n的快速多部分纠缠是特别有利的。以两个或更多个频率的相伴(例如，同时)调制可以引起量子位与可调谐耦合器20之间的集体的、谐振的相互作用。
实际上，重复执行(S50-S10)图9和图10中描述的操作(S20-S40(或S20a-S40a))，每个周期的目的在于修改量子处理系统的态。这通常通过例如经由控制器32和控制线30向可调谐耦合器20施加(S10)谐波微波信号(即相干音调)来实现。所施加的信号本身被调制，以便调制(S20、S20a、S20b)可调谐耦合器20的频率。这进而使得有可能驱动(S30、S30a、S30b)期望的一阶跃迁。
在控制器的层面上，定时器可以与所施加的信号相关联。在周期结束时，中断所施加的信号(S50)，并且然后可以开始新的周期(S10)，如控制器32所确定的。
如前所述，优选地(但不是必须地)涉及红色边带跃迁，由此这种跃迁对应于各自比与可调谐耦合器的频率对应的能量差小的能量差。所涉及的第一跃迁和第二跃迁中的每一个可以为一阶红色边带跃迁，如图6和图8中所假设的。相比于二阶或更高阶的跃迁，一阶跃迁允许改进的操作时间和处理效率。这可以通过如现在描述的利用特定激发态来实现。即，调制可调谐耦合器20的每个频率对应于量1处理设备的激发态对之间的能量差。然而，在本发明的实施例中，每对激发态可以涉及由电路11-14和耦合器20构成的系统的相同激发态。这种被称为参考激发态的“相同”激发态由可调谐耦合器20的激发态|1>产生。该参考激发态被标记为|gg...，1>。换句话说，参考激发态可表示为可调谐耦合器20的激发态|1>(例如，其第一激发态)和量子电路11-14中的每一个的基态|g>的张量积。
每个频率例如可以对应于该参考激发态|gg...，1>和由量子电路11-14中的(仅)一个量子电路的激发态|e>产生的被标记为|ab...，0>的另一激发态之间的能量差。换句话说，态|ab...，0>此时可表示为可调谐耦合器20的基态|0>和量子电路11、12、...等的态|ab...>的张量积。即，现在，|ab...，0>涉及量子电路11、12、...等中的正好一个量子电路的激发态|e>，以及其余量子电路11、12、...等中的每一个的基态|g>。换句话说，态|a>、|b>、...等中仅有一个对应于积/>...等中的激发态|e>。
例如考虑基于两个量子电路11、12(计算量子位Q1、Q2)的简单体系结构，如图1和图2所示。图6中示出了对应的能级图。每个调制频率ωge1和ωge2对应于相应的能量差，然而，该能量差涉及参考激发态|gg，1>。第一调制频率ωge1对应于|gg，1>的能量和激发态|eg，0>的能量之间的差，后者仅涉及一个激发态|e>，即第一量子电路(电路11或Q1)的激发态。一致地，第二调制频率ωge2对应于|gg，1>的能量和激发态|ge，0>的能量之间的差，其仅涉及另一量子电路(Q2)的激发态|e＞。可调谐耦合器的频率ωtc由耦合器的激发态|1>和基态|0>的能量之间的差确定。
更一般地，当涉及多于两个电路11、12、...等时，所涉及的参考激发态是|gg...，1>，而其它激发态，即|ge...，0>、|eg...，0>、...等，由基本量子电路11、12、...等的第一激发态产生，但一次涉及一个(且仅一个)激励。换言之，量子电路的子态的集合{a，b，...}的每个元素对应于相应量子电路的激发态|e>或基态|g>。因为量子电路中的给定一个量子电路的正好一个激发态被涉及，所以其它量子电路处于它们的基态。
基于如上所述的激发态和量子电路的合适耦合，可以实现一阶、红色边带能量跃迁，其可以通过施加相干微波音调而容易地被触发。例如，由于产生电流并随后产生穿透SQUID环路的磁场的被实现为(同轴、微波)线缆的控制器，可以施加相干微波音调，以便调制耦合器的频率，如稍后参考图1-图5所讨论的。
如前面所定义的，第一频率和第二频率各自“对应于”能量差，意味着这样的频率可以等于这样的能量差，或者在变型中，接近这样的能量差(并且足够接近，以便发生期望的跃迁)。也就是说，可能的跃迁的驱动可以是谐振的(即，能量差匹配驱动频率)或偏离谐振的(即，能量稍微偏离驱动频率)。如在所谓的“受激拉曼绝热通道”(STIRAP)方案中，依赖于稍微偏离谐振的频率导致避免了参考激发态的填充，因为偏离谐振频率被用于驱动跃迁。
除了包括单对固定频率量子电路的系统之外，本方法可以有利地应用于包括三个、四个或更多个固定频率量子电路的量子处理设备3，如图7或图8中所示。同样，固定频率量子电路11、12、13、...等中的每一个需要耦合到频率可调谐耦合器20。与上述方法一致，可调耦谐合器的频率ωtc可以被相伴地在一方面以第一频率被调制(S20)(以便驱动(S30)第一跃迁并将激励从电路之一传递到可调谐耦合器)，并且在另一方面以两个或更多个第二频率被调制，以便相伴地分别驱动(S30)两个或更多个第二跃迁。这样，可以将激励从可调谐耦合器20传递(S40)到量子电路中的两个或更多个其它量子电路。同样，所述第二跃迁中的每一个是一阶能量跃迁，并且优选是如以上所讨论的红色边带跃迁。
如图7所示，这种方法尤其可以用于利用单个短操作使N个固定频率超导传输子量子位纠缠。例如，公共的可调谐耦合元件可以被实施为频率可调谐超导量子位，即SQUID环路。如图7中进一步描绘的，可以通过经由单个驱动线将相干微波音调(波箭头)同时施加到可调谐耦合器而在单个步骤中产生计算量子位之间的纠缠态。
例如，并且如图8中所示，可以通过用相干微波音调对可调谐耦合器的频率进行调制来引起红色边带跃迁，该相干微波音调被设置在可调谐耦合器的激发态|gggg，1>与量子位1的激发态|eggg，0>之间的差频处。该跃迁以例如(时间相关的)速率Ω1将激励从量子位传递到可调谐耦合器。通过用设置在|gggg，1>与由其余量子位产生的第一激发态之间的差频处的附加相干微波音调同时调制可调谐耦合器，然后这个激发可以在所有量子位之间共享。所得到的量子态是多部分纠缠态，其中纠缠在多个量子位之间共享。
在图8的示例中，假设可调谐耦合元件电容耦合到所有计算、传输子量子位。结果，红色边带跃迁的选通速率Ωi将是在传输子量子位和可调谐耦合器之间的(电容)耦合的量级上。假设依赖于一阶跃迁，这使得选通速率有可能高达100MHz。
通过同时驱动所有的红色边带跃迁(对于图8中的量子位1、量子位2、量子位3、以及量子位4)，因此可以在10ns内实现多部分纠缠态，即，与单量子位操作一样快。鉴于固定频率传输子量子位的高相干性，这种纠缠的多量子位态也以非常高的保真度(接近一)产生。结果，根据本发明的实施例，本方法可用于减轻由顺序态制备(如背景技术部分中所讨论的)产生的问题。因此，这种方法可以允许在固定频率量子位的相干时间内实现更长且更复杂的算法。
有趣的是，本文提出的方法可适用于可调谐耦合器与传输子量子位之间的任意频率差。这是特别有吸引力的，因为可调谐耦合器与传输子量子位之间的较大频率差(＞1GHz)将是必要的或用于解决频率拥挤的具体问题，这在低于1GHz的频率范围中特别突出。
如前所述，除了调制频率之外，本文所考虑的选通操作还可以需要合适地设置施加到可调谐耦合器20的信号的幅度和相位，以触发期望的一阶跃迁。利用仔细选择幅度和相位，可以同时以剩余N-1量子位和耦合器之间的差频驱动，以便填充由剩余量子位产生的附加激发态。这样，初始激励可以在所有量子位之间共享，其可以被利用来实现(S20-S40)多部分纠缠态。
实际上，可以执行本文描述的操作(例如，图9、图10中的步骤S20、S20a、S20b)以实现量子门。在本发明的实施例的背景下，可以设想各种类型的量子门。至少，本方法可以被利用来实现在量子电路11-14、1n中的至少一个上可逆地操作的量子门。换句话说，该门可以由酉矩阵来描述。更一般地，可以实现量子门，其在量子电路11-14、1n的任何子集或者甚至全部的态上操作。然而，因为这里不意在可调谐耦合器作为计算量子位来操作，所以这样的量子门将不会在可调谐耦合器20上有效地操作。
门在量子电路中的一个或多个的态上而不是耦合器上“操作”意味着可调谐耦合器20的频率被调制，以便将激励从一个电路传递到另一个(或多个)电路。可调谐耦合器20的态可以有可能在该过程中被更改。然而，在门操作之后，可调谐耦合器回到其初始态(恒等操作)。因此，门实际上不在可调谐耦合器上操作。
尤其可以调制(S20、S20a、S20b)可调谐耦合器20的频率，以便实现(S20-S50)例如与单量子位门组合地在量子电路11-14、1n中的两个或更多个的态上操作的通用的有限的门集合。例如，该通用的门集合使得能够利用量子处理设备1、3、4执行操作集合，其中，这样的操作可以通过来自这个有限的集合的门序列约简(或者，可能地，近似)。换句话说，由设备1、3、4使能的操作可以被翻译为来自该通用的集合的有限门序列。
实现这样的通用的门集合除了如前所述仅调制施加到耦合元件20的信号的频率之外，还需要适当地设置施加到耦合元件20的信号的幅度和相位。然而，这些门都不能有效地基于可调谐耦合器20的态。特别地，可以选择驱动的适当频率、幅度和相位脉冲，以便实现iSWAP门、c相位门、Fredkin门(也称为CSWAP门，或SWAP门的平方根(通常由表示)。这样的门本身是已知的。这里有趣的是，这样的门可以在固定频率量子电路中的一个或多个的态上操作，以利用其较长的相干时间。实际上，可以考虑上述门的示例的任何组合，例如以形成通用的有限的门集合。
本方法的另一个有趣的特征是，可以以选定的步调开启以第一频率和第二频率的驱动(当调制可调谐耦合器的频率时)，以便产生绝热完整门变换。在这种变换中，假设脉冲缓慢并且不同时施加，则在施加脉冲期间和之后，强烈抑制填充可调谐耦合器的激发态。相反，非绝热完整门同时使用快速脉冲。在这种情况下，激发态在脉冲期间而不是在脉冲之后被填充。此外，绝热传递意味着稍微从跃迁频率失谐的调制频率，而在如本文另外描述的本发明的实施例中，调制频率一般应当处于或接近跃迁频率。
参照图1-图5和图7，现在讨论本发明的实施例的另一方面，其涉及量子处理设备1、3、4。已经关于本方法讨论了这种设备的主要方面。因此，下面仅简要描述这种设备。
至少，除了量子电路耦合到的可调谐耦合器20之外，这种设备1、3、4还包括两个固定频率量子电路11-14、1n。此外，量子电路意在被用作计算量子位，与耦合元件20相反。然而，本设备可以包括多于两个量子电路和多于一个耦合器20，如图5所示。此外，这种量子处理设备1、3、4包括(控制系统32的)控制器30。控制器30被配置在处理设备1、3、4中，以调制施加到可调谐耦合器20的信号的频率，以便驱动量子处理设备1、3、4中的一阶能量跃迁。如先前所解释的，这使得在操作中量子电路中的一个的激励有可能经由可调谐耦合器20(至少部分地)被传递到其余电路中的一个或多个。
控制器/控制系统32通常将包括(或被实现为)控制线30(即，物理线)，以施加信号。控制器允许施加多频率信号，并且如果需要，允许合适地设置所施加的信号的幅度和相位。控制系统32被配置成经由一个或多个控制线30施加本文所讨论的信号，如本领域技术人员所理解的。
特别地，具有控制线30的控制器可以被配置成以第一频率(以驱动第一跃迁并且由此将激励从一个量子电路传递到耦合器20)和以一个或多个第二频率(每个与第一频率不同)调制耦合器20的频率。这样，可以驱动一个或多个第二跃迁，以进一步将该激励从耦合器20传递到剩余的量子电路中的一个或多个，与先前描述的原理一致。同样，第一跃迁和第二跃迁中的每一个都是一阶能量跃迁，例如红色边带跃迁。
具有控制线30的控制器尤其可以被配置成在所施加的各种调制之间施加特定的时间间隙。然而，优选地(但不是必须地)，控制器可以相伴地调制施加到可调谐耦合器20的信号，以便相伴地驱动第一跃迁和第二跃迁，如前所述。
如图3、图5和图7所示，本量子处理设备3、4的实施例可以涉及多于两个(例如三个、四个、六个或更多个)固定频率量子电路1n，其中每个电路被耦合到可调谐耦合器20。具有控制线30的控制器被进一步调整以相伴地以第一频率(以驱动第一跃迁)和以两个或更多个第二频率(以便相伴地驱动两个或更多个第二跃迁)调制耦合器20的频率。因此，在操作中，激励可以从可调谐耦合器20被传递到其余量子电路1n中的至少两个。
优选地(但不是必须地)，本量子电路11-14、1n被实施为超导量子电路，形成基本计算元件。特别地，本电路可以是固定频率的、传输子型量子电路，被实现为单约瑟夫逊结超导量子位。这样，处理设备1、3、4利用固定频率传输子的长相干时间。注意，耦合器20也可以由传输子实现，尽管耦合器20将不形成基本计算元件11-40、1n的一部分。
在所有情况下，可调谐耦合器20可以电容耦合到量子电路11-14、1n中的每一个。例如，并且如图1所示，处理设备1可以涉及具有长相干时间的两个固定频率的、单约瑟夫逊结超导量子位11、12(例如，传输子型设备)作为基本计算元件以及可调谐耦合器20。在这个示例中，可调谐耦合器20被安排为非谐波振荡器电路，诸如传输子型的量子位。然而，通过具有X符号的附加约瑟夫逊结(→←)，为耦合器提供了额外的自由度，该附加约瑟夫逊结形成超导量子干涉设备(SQUID)环路。反过来，SQUID环路可以用于调谐耦合器的频率。在图1的示例中，通过经由通过电感耦合的通量偏置线30的电流I(t)更改穿过由两个约瑟夫逊结形成的SQUID环路的磁通量φ(t)来实现可调耦合器频率的调制。通量的调制引起耦合强度的调制J(t)＝Jcos(Δt)。每个量子位11、12电容耦合到(具有平行线符号)读出谐振器41、42(即，在图1中也由R1和R2表示)和电荷偏置线(未示出)以用于单量子位门操作。
通过在对应于一阶能量跃迁(例如如图6所示的红色边带跃迁)的频率附近或在该频率处调制可调耦合器20的频率来执行耦合。这进而允许实现双量子位量子门。
耦合器可以被认为是由一个或多个电极以及SQUID环路(包含两个约瑟夫逊结的SQUID环路)形成的。可调谐耦合器20可以例如经由单独的电极(后者由SQUID环路分开)或经由单个电极(其中SQUID环路耦合到地)耦合到两个(或更多个)传输子11、12。图2示出了经由充当频率可调谐耦合元件的第三传输子20耦合的两个传输子型量子位11、12的示例几何结构。经由电感耦合的偏置线30施加的外部磁通量穿过可调谐耦合器20的中心处的SQUID环路，并且通过修改有效约瑟夫逊电感来修改其频率。通量偏置线30的对称布置通过最小化到通量线30的电容耦合来抑制耦合传输子20的衰减。
如图3所示，可调谐耦合器20可以被设计为电容耦合到多于两个量子位。图3的示例体系结构基本上类似于图1的那些，除了现在附加的量子位对13、14(即，Q3、Q4)镜像了第一对11、12(即，Q1、Q2)。每个附加量子位13、14再次电容耦合到读出谐振器43、44(即，图3中的R3和R4)和电荷偏置线(未示出)。在这个示例中，通过经由流经电感耦合的通量偏置线30的电流I(t)更改穿过SQUID环路的磁通量φ(t)，可以实现可调谐耦合器频率的调制。根据本方法，这进而引起耦合强度的调制，其被用于触发一阶能量跃迁。类似地，图4的示例几何结构类似于图2的几何结构，除了附加的量子位对13、、14之外。另外，现在每个量子位相对于在前的量子位被旋转，并且耦合器的几何结构被调整为四量子位配置。
现在参考图5描述本发明的实施例的另一方面，其涉及量子处理芯片4。量子处理芯片4包括多个单元60，每个单元包括两个或更多个固定频率量子电路1n以及可调谐耦合器20，该两个或更多个量子电路1n耦合到可调谐耦合器20。在图5的示例体系结构中，单元形成2D网格。然而，在这个示例中，由四个内部量子位定界的中心正方形不对应于单元，因为它们不被耦合到同一个可调谐耦合器。四个内部量子位中的每一个将一个单元桥接到邻接的单元，使得这些单元平均来说各自有效地包括三个量子位。然而，所描绘的体系结构允许每个单元操作四个量子位。每个单元60在其它方面类似于图3中描绘的四量子位布置。在图5的体系结构中，所有最近邻的量子位可以被耦连(除了在中央正方形上的量子位对)。然而，这种体系结构可以被修改以在中心包括耦合器，以增加量子位之间的连接性。
在图5中，控制器系统(是、包括、和/或被连接到环路中的控制线30)用于例如经由相应控制线30调制施加到每个可调谐耦合器20的信号的频率，以便驱动所选单元中的一阶能量跃迁。换句话说，可以经由相应的控制线30独立地操作单元。然而，单元的操作遵循由控制器系统(诸如图7中的控制系统32)实现的逻辑，例如，以便使得能够实现门序列，这进而允许由量子处理芯片4执行更复杂的操作。
对于每个操作的单元60，在操作中，量子电路1n中的一个的激励可以经由相应的可调谐耦合器20被传递到单元的剩余电路1n中的一个或多个。

Claims (11)

1.一种操作量子处理设备的方法，所述方法包括：
调制可调谐耦合器的频率以便驱动两个一阶能量跃迁，其中，所述量子处理设备包括耦合到所述可调谐耦合器的至少两个固定频率量子电路，其中，所述可调谐耦合器的频率可操作以被调制，以便驱动所述量子处理设备中的至少两个可选择性寻址的能量跃迁；以及
响应于调制所述可调谐耦合器的频率以便驱动所述两个一阶能量跃迁，引起所述至少两个固定频率量子电路中的一个固定频率量子电路的第一激励，使得所述第一激励经由所述可调谐耦合器被至少部分地传递到所述至少两个固定频率量子电路中的至少另一个固定频率量子电路；
其中：
以第一频率调制所述可调谐耦合器的频率，以便驱动第一跃迁，并且由此将所述至少两个固定频率量子电路中的所述一个固定频率量子电路的第一激励至少部分地传递到所述可调谐耦合器；以及
以不同于所述第一频率的至少一个第二频率调制所述可调谐耦合器的频率，以便分别驱动至少一个第二跃迁，并且由此进一步将所述第一激励从所述可调谐耦合器至少部分地传递到所述至少两个固定频率量子电路中的所述至少另一个固定频率量子电路，其中所述第一跃迁和所述至少一个第二跃迁中的每一个是一阶能量跃迁。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可调谐耦合器的频率首先被以所述第一频率调制以驱动所述第一跃迁，并且随后被以所述至少一个第二频率调制以在所述第一跃迁之后驱动所述至少一个第二跃迁。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，为了调制所述可调谐耦合器的频率，所述第一频率和所述至少一个第二频率中的每一个分别对应于所述量子处理设备的激发态对之间的能量差，由此每对激发态涉及参考激发态|gg...，1>，所述参考激发态|gg...，1>可表示为涉及所述可调谐耦合器的激发态|1>和所述至少两个固定频率量子电路中的每个固定频率量子电路的基态|g>的张量积。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一频率和所述至少一个第二频率中的每一个对应于所述参考激发态|gg...，1>和激发态|ab...，0>之间的能量差，所述激发态|ab...，0>可表示为涉及所述可调谐耦合器的基态|0>和所述至少两个固定频率量子电路的态|ab...>的张量积，其中所述态|ab...>可表示为涉及所述至少两个固定频率量子电路中的仅一个固定频率量子电路的激发态|e>和剩余的所述至少两个固定频率量子电路中的每个固定频率量子电路的基态|g>的张量积。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过将谐波微波信号施加到所述可调谐耦合器来驱动所述一阶能量跃迁，所述谐波微波信号被调制以调制所述可调谐耦合器的频率，以便驱动所述第一跃迁和所述至少一个第二跃迁。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述量子处理设备还包括至少三个固定频率量子电路，每个固定频率量子电路耦合到所述可调谐耦合器；以及
其中，所述可调谐耦合器的频率被相伴地以所述第一频率调制以便驱动所述第一跃迁，以及以两个或更多个第二频率调制以便相伴地分别驱动两个或更多个第二跃迁，由此激励从所述可调谐耦合器至少部分地被传递到所述至少三个固定频率量子电路中的两个或更多个其它固定频率量子电路，所述两个或更多个第二跃迁中的每一个是一阶能量跃迁。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括设置施加到所述可调谐耦合器的信号的幅度和相位，以便实现所述至少三个固定频率量子电路的多部分纠缠态。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可调谐耦合器的频率被调制，以便基于所述至少两个固定频率量子电路的态来实现通用的门集合；以及
其中，所述通用的门集合不基于所述可调谐耦合器的态。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括设置施加到所述可调谐耦合器的信号的幅度和相位，以便实现选自由以下组成的组的一个或多个：iSWAP门、c相位门、Fredkin门和SWAP门的平方根。
10.一种量子处理设备，包括：
至少两个固定频率量子电路；
可调谐耦合器，所述至少两个固定频率量子电路耦合到所述可调谐耦合器；以及
在所述量子处理设备中的控制器，所述控制器被配置为执行根据任一前述方法权利要求所述的方法。
11.一种量子处理芯片，包括
多个单元，每个单元包括：
至少两个固定频率量子电路；以及
可调谐耦合器，所述至少两个固定频率量子电路耦合到所述可调谐耦合器；以及
在所述量子处理芯片中的控制器系统，所述控制器系统被配置为执行根据任一前述方法权利要求所述的方法。
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