CN112434815B - 新型混合量子比特系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型混合量子比特系统，新型混合量子比特系统包括第一类量子比特和第二类量子比特，第一类量子比特和第二类量子比特承担不同的功能，且第一类量子比特和第二类量子比特为同一种离子，离子具有至少两个长寿命能级，以便第一类量子比特和第二类量子比特在不同长寿命能级间进行相干转移。根据本发明实施例的新型混合量子比特系统，选择其中一些长寿命能级作为操作能级，选择其余一些长寿命能级作为存储能级，当需要对部分量子比特进行操作时，将其余量子比特进行相干转移至存储能级进行保护性存储，因此可以有效消除串扰错误。根据本发明实施例的新型混合量子比特系统可以促进量子网络、量子计算、量子精密测量等领域的发展。

Description

新型混合量子比特系统

技术领域

本发明涉及量子网络、量子计算、精密测量等领域，特别涉及一种新型混合量子比特系统。

背景技术

混合量子比特系统包含两类量子比特，即辅助量子比特与数据量子比特，它们承担不同的功能，数据量子比特主要承担对量子信息的存储与运算等操作，辅助量子比特则主要承担具有破坏性的辅助性操作。例如，在协同冷却过程中，激光冷却在辅助量子比特上进行；在量子纠错过程中，为了提取错误信息的重复测量操作在辅助量子比特上进行；在量子网络构建过程中，为了实现量子节点之间的纠缠而进行的重复测量操作也在辅助量子比特上进行。

串扰错误是指在包含多个量子比特的系统中，对部分量子比特的操作干扰到其余量子比特，从而引起的错误。例如，如图1所示，在对某个量子比特Qa′进行测量、冷却等操作时，量子比特Qa′释放的光子被近邻量子比特Q1′和Q2′吸收，触发退相干，从而导致近邻量子比特Q1′和Q2′上的信息丢失。

串扰错误是量子计算、量子网络、精密测量等领域所面临的重要障碍，例如上述领域均要求量子比特处于极低温度，因此需要对量子比特进行持续冷却，而冷却过程是退相干过程，会导致信息丢失，因此常采用协同冷却的方式，即直接冷却辅助量子比特，利用辅助量子比特与数据量子比特之间的相互作用，间接冷却数据量子比特。若辅助量子比特与数据量子比特全同(属于同一种离子)，则对辅助量子比特的冷却操作会在附近数据量子比特上引起串扰错误。再如，量子计算领域的量子纠错方案大多依赖于对辅助量子比特的反复测量，该测量过程同样会在附近数据量子比特上引起退相干，从而导致计算过程失效。

串扰错误无法通过量子纠错进行纠正，只能从根源上消除。现有的消除方案主要有如下两种：

方案一是使用不同种类的离子作为混合量子比特，如图2所示，辅助量子比特Qa″与数据量子比特Q1″为不同种类的离子，二者能级结构有较大差异，从而不会相互影响。但方案一具有如下缺点：系统复杂度增加；由于两种离子质量差异，逻辑门的保真度低；辅助量子比特与数据量子比特的数量和位置随机。

方案二是采用对部分量子比特进行空间移动的方法，量子比特之间间距增大，可以减小串扰错误。该方案具有如下缺点：离子间距过大，会降低协同冷却效率、降低逻辑门制备效率；对离子进行空间移动的过程中会引起加热。

总而言之，在同一个系统中只对部分量子比特的操作都会引起串扰错误，现有的串扰错误消除方案弊端众多，可扩展性不强。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种新型混合量子比特系统，能够有效消除串扰错误。

为达到上述目的，本发明实施例提出一种新型混合量子比特系统，包括第一类量子比特和第二类量子比特，所述第一类量子比特和所述第二类量子比特承担不同的功能，且所述第一类量子比特和所述第二类量子比特为同一种离子，所述离子具有至少两个长寿命能级，以便所述第一类量子比特和所述第二类量子比特在不同长寿命能级间进行相干转移。

根据本发明的一个实施例，所述离子在不同长寿命能级上时具有不同的激发和散射频率。

据本发明实施例的新型混合量子比特系统，第一类量子比特和第二类量子比特可在不同长寿命能级间进行相干转移，以在不明显增加系统复杂度的情况下有效消除串扰错误，防止信息丢失，从而有利于实现大规模量子计算。

根据本发明的一个实施例，所述第一类量子比特为辅助量子比特，所述第二类量子比特为数据量子比特。

根据本发明的一个实施例，所述至少两个长寿命能级中的一些长寿命能级作为操作能级，所述至少两个长寿命能级中的另一些长寿命能级作为存储能级。

根据本发明的一个实施例，所述操作能级上完成冷却、测量、逻辑门操作，所述存储能级用于对暂不参与操作的量子比特进行保护性存储。

根据本发明的一个实施例，在对所述辅助量子比特进行辅助操作时，所述数据量子比特处于存储能级，并在完成对所述辅助量子比特的辅助操作后，将所述数据量子比特相干地转移回操作能级。

根据本发明的一个实施例，所述离子为镱-171离子。

根据本发明的一个实施例，所述镱-171离子具有基态能级²S_1/2以及亚稳态能级²F_7/2。

根据本发明的一个实施例，所述基态能级²S_1/2作为操作能级，所述亚稳态能级²F_7/2作为存储能级。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是串扰错误的示意图；

图2是使用不同种类的离子消除串扰错误的示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的利用单离子寻址技术任意地选择多个量子比特中辅助量子比特位置的示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的将数据量子比特转移到亚稳态能级的示意图；

图5是根据本发明一个具体实施例的将数据量子比特转移回基态能级的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图3-图5描述根据本发明实施例的新型混合量子比特系统。

根据本发明一些实施例的新型混合量子比特系统，包括第一类量子比特和第二类量子比特，第一类量子比特和第二类量子比特承担不同的功能，且第一类量子比特和第二类量子比特为同一种离子，换言之，第一类量子比特和第二类量子比特为具有不同功能的同一种离子，且离子具有至少两个长寿命能级，以便第一类量子比特和第二类量子比特在不同长寿命能级间进行相干转移，也就是说，第一类量子比特和第二类量子比特在不同长寿命能级间转移过程可保持相干性，数据不会丢失。

需要说明的是，第一类量子比特和第二类量子比特在不同长寿命能级间进行相干转移不涉及空间移动，也不需要增加离子间距，从而有利于避免引入额外加热机制和影响离子间相互作用强度。

由于第一类量子比特和第二类量子比特为同一种离子，无质量差异，故对控制激光、控制电路等系统复杂度大大降低，还可以保证逻辑门的保真度较高。

根据本发明的一些实施例，离子在不同长寿命能级上时具有不同的激发和散射频率，因此在对处于某个长寿命能级上的离子进行操作时，不会影响到处于其他长寿命能级上的离子，从而消除了串扰错误。

由此，根据本发明实施例的新型混合量子比特系统，第一类量子比特和第二类量子比特在不同长寿命能级间进行相干转移，以在不明显增加系统复杂度的情况下有效消除串扰错误，防止信息丢失，从而有利于实现大规模量子计算。

根据本发明的一些实施例，第一类量子比特为辅助量子比特，第二类量子比特为数据量子比特，辅助量子比特可承担具有破坏性的辅助性操作，数据量子比特可承担对量子信息的存储与运算等操作。

根据本发明的一些实施例，至少两个长寿命能级中的一些长寿命能级作为操作能级，至少两个长寿命能级中的另一些长寿命能级作为存储能级，操作能级上完成冷却、测量、逻辑门操作，存储能级用于对暂不参与操作的量子比特进行保护性存储，也就是说，对操作能级上的离子进行操作时，不会影响到处于存储能级上的离子，从而消除了串扰错误。

根据本发明的一个实施例，在对辅助量子比特进行测量、冷却等辅助操作时，数据量子比特处于存储能级。当需要对数据量子比特进行测量以及逻辑门操作时，数据量子比特处于操作能级。

结合图5所示，在对辅助量子比特进行辅助操作时，数据量子比特处于存储能级，并在完成对辅助量子比特的辅助操作后，将数据量子比特相干地转移回操作能级，以进行后续的操作。

结合图4所示，根据本发明的一些实施例，离子为镱-171离子(¹⁷¹Yb+)，镱-171离子具有基态能级²S_1/2以及亚稳态能级²F_7/2，基态能级²S_1/2作为操作能级，亚稳态能级²F_7/2作为存储能级，当要对辅助量子比特Qa进行测量、冷却、逻辑门等操作时，事先将数据量子比特Q1相干地转移至亚稳态能级²F_7/2进行保护性存储。由于处于操作能级与存储能级上的量子比特具有不同的激发频率和散射频率，故对处于操作能级上的辅助量子比特Qa的操作不会影响处于存储能级上的数据量子比特Q1，因而从根本上消除了串扰错误。

结合图4与图5所示，根据本发明的一些实施例，对量子比特的相干转移可以利用转移激光结合电光调制器(EOM)的方式。EOM可以在转移激光中心频率的基础上产生频率对称的两个边带成分，并且他们具有相同的功率。利用这种方式，可以实现数据量子比特能级转移过程中相干性不丢失，即量子比特在α|0＞+β|1＞与α|0′＞+β|1′＞之间相互转移，主要特征为保持叠加系数不变化。其中{|0>，|1>}与{|0’>，|1’>}分别代表计算基矢与存储基矢。

结合图3所示，根据本发明的一些实施例，可以利用单离子寻址技术，对辅助量子比特与数据量子比特的数量、位置进行自主调控；且时间上，可以将任意量子比特在两类量子比特之间进行角色切换。单离子寻址技术是指将转移激光进行聚焦，使其有效光斑大小只覆盖一个离子。具备单离子空间分辨率后，可以对任意数量与空间位置的离子进行选择性转移，因而具备了对辅助量子比特与数据量子比特的数量与空间位置的自主调控。当完成了部分操作后，还可以在时间上对任意量子比特的角色进行切换，例如在某时刻之前，某量子比特是辅助量子比特，在某时刻之后，可以将其作为数据量子比特。因此，本发明实施例的新型混合量子比特系统具备高度灵活性。

需要特别指出，根据本发明实施例的新型混合量子比特系统，由于只包含同一种离子，相对于包含两类离子的混合量子比特系统，还具备如下优势：其一，系统复杂度低；其二，由于辅助量子比特与数据量子比特无质量差异，因此逻辑门保真度不受影响。相对于空间移动消除串扰的方案，本发明实施例的新型混合量子比特系统还具备如下优势：其一，混合量子比特本身不涉及空间移动，因此不引入额外加热机制；其二，混合量子比特本身不要求增加离子间距，因此离子间相互作用强度不受影响，进而保证了协同冷却效率以及逻辑门制备效率。

根据本发明实施例的新型混合量子比特系统可以促进量子网络、量子计算、量子精密测量等领域的发展。

需要说明的是，上述实施列举的离子只是示例性，仅用于解释本发明的可行性，而不能理解为对本发明的限制，根据本发明的新型混合量子比特系统中的离子不仅可以是镱-171离子，还可以同样适用于其他离子，另外，虽然本文提供包括特定值的参数示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。上述实施列举的量子比特的能级转移方式只是示例性，仅用于解释本发明的可行性，而不能理解为对本发明的限制，量子态的转移方式为本技术领域中普通技术人员所知的任何形式。通过参考附图描述的实施例是示例性，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种新型混合量子比特系统，其特征在于，包括第一类量子比特和第二类量子比特，所述第一类量子比特和所述第二类量子比特承担不同的功能，且所述第一类量子比特和所述第二类量子比特为同一种离子，所述离子具有至少两个长寿命能级，以便所述第一类量子比特和所述第二类量子比特在不同长寿命能级间进行相干转移；所述第一类量子比特为辅助量子比特，所述第二类量子比特为数据量子比特；在对所述辅助量子比特进行辅助操作时，所述辅助量子比特处于操作能级，所述数据量子比特处于存储能级。

2.如权利要求1所述的新型混合量子比特系统，其特征在于，所述离子在不同长寿命能级上时具有不同的激发和散射频率。

3.如权利要求1所述的新型混合量子比特系统，其特征在于，所述至少两个长寿命能级中的一些长寿命能级作为操作能级，所述至少两个长寿命能级中的另一些长寿命能级作为存储能级。

4.如权利要求3所述的新型混合量子比特系统，其特征在于，所述操作能级上完成冷却、测量、逻辑门操作，所述存储能级用于对暂不参与操作的量子比特进行保护性存储。

5.如权利要求1所述的新型混合量子比特系统，其特征在于，在完成对所述辅助量子比特的辅助操作后，将所述数据量子比特相干地转移回操作能级。

6.如权利要求1-5中任一项所述的新型混合量子比特系统，其特征在于，所述离子为镱-171离子。

7.如权利要求6所述的新型混合量子比特系统，其特征在于，所述镱-171离子具有基态能级²S_1/2以及亚稳态能级²F_7/2。

8.如权利要求7所述的新型混合量子比特系统，其特征在于，所述基态能级²S_1/2作为操作能级，所述亚稳态能级²F_7/2作为存储能级。

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