CN113283606B - 构建量子逻辑门的方法、装置、计算机存储介质及终端 - Google Patents

构建量子逻辑门的方法、装置、计算机存储介质及终端 Download PDF

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Abstract

本文公开一种构建量子逻辑门的方法、装置、计算机存储介质及终端，包括：将超精细量子比特转化为光量子比特；基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。本发明实施例一方面，只需要在单次的转化、量子逻辑门操作和逆转化中保持激光相位稳定即可，无需在多次操作之间保持相位稳定，降低了对激光相位稳定性的要求，利用光量子比特执行量子逻辑门操作，确保了量子逻辑门的高保真度；另一方面，在执行完量子逻辑门操作后，将光量子比特转化回超精细量子比特，使构建的量子比特编码在超精细结构能级上，提升了量子比特的工作寿命。

Description

构建量子逻辑门的方法、装置、计算机存储介质及终端
技术领域
本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种构建量子逻辑门的方法、装置、计算机存储介质及终端。
背景技术
量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。量子计算机的基础逻辑单元是由遵守量子力学原理的量子比特构成，大量相互作用的量子比特可以在物理上实现量子计算机；相对于传统计算机，量子计算机在解决一些特定问题时运算时间可大幅度减少，在未来的基础科学研究、量子通讯及密码学、人工智能、金融市场模拟和气候变化预测等方面具有广泛的应用前景，因此受到了广泛关注。利用囚禁于势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、长相干时间和高保真度量子逻辑门操作及量子纠错等进行衡量量子计算性能的关键指标方面都有非常优秀的表现，是最有可能实现量子计算机的平台之一。
量子比特具有两个不同的状态，称之为计算基矢，计算基矢的选择称为量子比特编码；根据量子比特编码方式不同，离子型量子比特通常分为两类；第一类量子比特编码在超精细结构能级上，称之为超精细量子比特(hyperfine qubit)；量子计算的重要步骤是构建高保真度的量子逻辑门；图1为基于超精细量子比特构建量子逻辑门的示意图，如图1所示，S能级上具有两个超精细量子比特的能级，分别用量子数F和F′表示；两个计算基矢(|↓>、|↑>)分别选取F能级和F′能级上的两个塞曼能级mF和mF′，即|↓>＝|S，F，mF>，|↑>＝|S，F′，m′F>。两个计算基矢之间能量差在微波波段，为吉赫兹(GHz)到几十吉赫兹量级。超精细量子比特主要基于拉曼跃迁构建量子逻辑门，借助短寿命的上能级P，使用两路远失谐的激光诱导计算基矢|↓>与|↑>之间产生拉曼跃迁，进而构建量子逻辑门。构建量子逻辑门的过程中，量子比特会有一定的概率被激发到上能级P，由于能级P的态寿命短，量子比特在制备量子逻辑门后会发生退相干的自发辐射，导致信息丢失，降低量子逻辑门的保真度。第二类量子比特编码在频率差为光学波段的两个能级上，称之为光量子比特(optical qubit)；图2为基于光量子比特构建量子逻辑门的示意图，如图2所示，两个能级S和D之间的跃迁可以由激光实现，两个计算基矢分别选取为这两个能级上的其中两个塞曼能级，即|↓>＝|S,F,mF>,|↑′>＝|D,F″,m″F>。光量子比特的两个编码能级为长寿命能级，能级寿命远大于量子逻辑门的制备时间，发生退相干的几率大大减小，因此，容易制备高保真度的量子逻辑门，对于光量子比特，通常使用一路近共振的激光来实现量子逻辑门。
超精细量子比特通常编码在基态能级，因此超精细量子比特有寿命长的优点，但构建的量子逻辑门的保真度受非共振激发和自发辐射影响。基于光量子比特构建的量子逻辑门的保真度高，但是其中的一个编码能级的寿命有限，所允许执行的量子逻辑门数量受此限制。此外，相关技术一般以激光作为构建基础，实现这两类量子比特的量子逻辑门的构建，所制备的多比特纠缠态的相位与激光相位有关，因此对激光相位稳定性有很高要求。一方面，为保证单个量子逻辑门的保真度，要求激光相位在单个逻辑门操作过程中保持稳定；另一方面，要求激光相位在相继执行的多个量子逻辑门操作过程中保持稳定。大型的实用的量子计算的实现需要执行大量的量子逻辑门操作，前序量子逻辑门制备的纠缠态是后续量子逻辑门的基础，若是大量量子逻辑门操作过程中激光相位不稳，则会导致计算结果失真；激光的相位稳定性体现为激光的线宽，线宽越窄，相位稳定性越高。因此，激光的线宽决定了所能执行的量子逻辑门步数，也直接决定了所能执行的量子算法的规模；窄线宽激光技术难度大、成本高，因此，如何获得量子计算所需的量子逻辑门，是一个有待解决的问题。
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构建量子逻辑门的方法、装置、计算机存储介质及终端，能够在不受激光相位受限条件下构建量子逻辑门。
本发明实施例提供了一种构建量子逻辑门的方法，包括：
将超精细量子比特转化为光量子比特；
基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；
将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述构建量子逻辑门的方法。
再一方面，本发明实施例还提供一种终端，包括：存储器和处理器，所述存储器中保存有计算机程序；其中，
处理器被配置为执行存储器中的计算机程序；
所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述构建量子逻辑门的方法。
还一方面，本发明实施例还提供一种构建量子逻辑门的装置，包括：第一映射单元、执行操作单元和第二映射单元；其中，
第一映射单元设置为：将超精细量子比特转化为光量子比特；
执行操作单元设置为：基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；
第二映射单元设置为：将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。
本发明实施例将超精细量子比特转化为光量子比特；基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。本发明实施例一方面，只需要在单次的转化、量子逻辑门操作和逆转化中保持激光相位稳定即可，无需在多次操作之间保持相位稳定，降低了对激光相位稳定性的要求，利用光量子比特执行量子逻辑门操作，确保了量子逻辑门的高保真度；另一方面，在执行完量子逻辑门操作后，将光量子比特转化回超精细量子比特，使构建的量子比特编码在超精细结构能级上，提升了量子比特的工作寿命。
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为基于超精细量子比特构建量子逻辑门的示意图；
图2为基于光量子比特构建量子逻辑门的示意图；
图3为本发明实施例构建量子逻辑门的方法的流程图；
图4为本发明实施例量子比特的示意图；
图5为本发明实施例转化获得光量子比特的示意图；
图6为本发明实施例另一转化获得光量子比特的示意图；
图7为本发明实施例执行量子逻辑门操作的是示意图；
图8为本发明实施例逆转化超精细量子比特的示意图；
图9为本发明实施例另一逆转化超精细量子比特的示意图；
图10为本发明实施例构建量子逻辑门的装置的结构框图。
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3为本发明实施例构建量子逻辑门的方法的流程图，如图3所示，包括：
步骤301、将超精细量子比特转化为光量子比特；
步骤302、基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；
步骤303、将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。
本发明实施例将超精细量子比特转化为光量子比特；基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。本发明实施例一方面，只需要在单次的转化、量子逻辑门操作和逆转化中保持激光相位稳定即可，无需在多次操作之间保持相位稳定，降低了对激光相位稳定性的要求，利用光量子比特执行量子逻辑门操作，确保了量子逻辑门的高保真度；另一方面，在执行完量子逻辑门操作后，将光量子比特转化回超精细量子比特，使构建的量子比特编码在超精细结构能级上，提升了量子比特的工作寿命。
在一种示例性实例中，本发明实施例将超精细量子比特转化为光量子比特，包括：
将共振激光作用于超精细量子比特，激发从第一能级到第二能级的跃迁；
将共振微波场作用于所述超精细量子比特，激发从第三能级到第四能级的跃迁；
其中，第一能级和第三能级是用于超精细量子比特编码的能级；第二能级和第四能级是用于光量子比特编码的能级。
图4为本发明实施例量子比特能级示意图，如图4所示，包含超精细能级S能级和亚稳态能级D能级。定义S能级的|↑>能级为第一能级，D能级的|↑′>能级为第二能级，S能级的|↓>能级为第三能级，S能级的|↑>能级为第四能级；在未进行状态转移处理之前，超精细量子比特编码在超精细能级：：S能级的|↑>能级和|↓>能级；图5为本发明实施例转化获得光量子比特的示意图，如图5所示，使用频率、偏振和强度满足跃迁要求的共振激光同时对两个超精细量子比特执行状态转移|↑>→|T′>；图6为本发明实施例另一转化获得光量子比特的示意图，如图6所示，使用频率、偏振和强度满足跃迁要求的共振微波场，同时对两个超精细量子比特执行状态转移|↓>→|↑>。
基于图5～图6获得的两个光量子比特，本发明实施例使用近共振激光或者共振激光，执行包含|↑>能级|↑′>能级的两个光量子比特的量子逻辑门操作。图7为本发明实施例执行量子逻辑门操作的示意图，
在一种示例性实例中，本发明实施例步骤303将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特，分别逆转化为超精细量子比特，包括：
将共振微波场作用于光量子比特，激发从第四能级到第三能级的跃迁；
将共振激光作用于光量子比特，激发从第二能级到第一能级的跃迁；
其中，第一能级和第三能级是用于超精细量子比特编码的能级；第二能级和第四能级是用于光量子比特编码的能级。
基于图4～图6的示例，在执行完量子逻辑门操作后，本发明实施例通过逆转化处理，将两个光量子比特逆转化为两个超精细量子比特；图8为本发明实施例逆转化超精细量子比特的示意图，如图8所示，使用共振微波场，执行量子比特的状态转移|↑>→|↓>；
在一种示例性示例中，图9为本发明实施例另一逆转化超精细量子比特的示意图，如图9所示，本发明实施例使用共振激光，执行光量子比特的状态转移|↑′>→|↑>。此处，共振激光与将超精细量子比特逆转化为光量子比特的激光为同一路激光。
本发明实施例经过包括：转化、量子逻辑门操作和逆转化的单次完整操作，所得双量子比特状态的相位与激光相位无关，因此只需要保证激光相位在单次操作过程中保持稳定即可，不要求在相继执行的多次操作之间保持稳定。因此，对激光相位稳定性的要求大大降低，可极大地促进大规模量子计算算法的实施。
需要说明的是，本发明实施例所提及超精细量子比特的编码方式中，计算基矢的选择可以选取不同超精细结构能级上的塞曼能级(即F≠F′)，也可以选择相同超精细结构能级上的塞曼能级(即F＝F′)。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述构建量子逻辑门的方法。
本发明实施例还提供一种终端，包括：存储器和处理器，存储器中保存有计算机程序；其中，
处理器被配置为执行存储器中的计算机程序；
计算机程序被处理器执行时实现如上述构建量子逻辑门的方法。
图10为本发明实施例构建量子逻辑门的装置的结构框图，如图10所示，包括：第一映射单元、执行操作单元和第二映射单元；其中，
第一映射单元设置为：将超精细量子比特转化为光量子比特；
执行操作单元设置为：基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；
第二映射单元设置为：将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。
本发明实施例将超精细量子比特转化为光量子比特；基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特。本发明实施例一方面，只需要在单次的转化、量子逻辑门操作和逆转化中保持激光相位稳定即可，无需在多次操作之间保持相位稳定，降低了对激光相位稳定性的要求，利用光量子比特执行量子逻辑门操作，确保了量子逻辑门的高保真度；另一方面，在执行完量子逻辑门操作后，将光量子比特转化回超精细量子比特，使构建的量子比特编码在超精细结构能级上，提升了量子比特的工作寿命。
在一种示例性实例中，本发明实施例第一映射单元是设置为：
将共振激光作用于超精细量子比特，激发从第一能级到第二能级的跃迁；
将共振微波场作用于所述超精细量子比特，激发从第三能级到第四能级的跃迁；
其中，第一能级和第三能级是用于超精细量子比特编码的能级；第二能级和第四能级是用于光量子比特编码的能级。
在一种示例性实例中，本发明实施例执行操作单元是设置为：
基于两个以上光量子比特，执行量子逻辑门操作。
在一种示例性实例中，本发明实施例第二映射单元是设置为：
将共振微波场作用于光量子比特，激发从第四能级到第三能级的跃迁；
将共振激光作用于光量子比特，激发从第二能级到第一能级的跃迁；
其中，第一能级和第三能级是用于超精细量子比特编码的能级；第二能级和第四能级是用于光量子比特编码的能级。
“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。”

Claims (8)

1.一种构建量子逻辑门的方法，包括：
将超精细量子比特转化为光量子比特；
基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；
将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特；
其中，所述将超精细量子比特转化为光量子比特，包括：将共振激光作用于所述超精细量子比特，激发从第一能级到第二能级的跃迁；将共振微波场作用于所述超精细量子比特，激发从第三能级到第四能级的跃迁；所述第一能级和所述第三能级是用于所述超精细量子比特编码的能级；所述第二能级和所述第四能级是用于所述光量子比特编码的能级。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作，包括：
基于两个以上所述光量子比特，执行量子逻辑门操作。
3.根据权利要求1～2任一项所述的方法，其特征在于，所述将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特，包括：
将共振微波场作用于所述光量子比特，激发从第四能级到第三能级的跃迁；
将共振激光作用于所述光量子比特，激发从第二能级到第一能级的跃迁；
其中，所述第一能级和所述第三能级是用于所述超精细量子比特编码的能级；所述第二能级和所述第四能级是用于所述光量子比特编码的能级。
4.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～3中任一项所述的构建量子逻辑门的方法。
5.一种终端，包括：存储器和处理器，所述存储器中保存有计算机程序；其中，
处理器被配置为执行存储器中的计算机程序；
所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1～3中任一项所述的构建量子逻辑门的方法。
6.一种构建量子逻辑门的装置，包括：第一映射单元、执行操作单元和第二映射单元；其中，
第一映射单元设置为：将超精细量子比特转化为光量子比特；其中，所述将超精细量子比特转化为光量子比特，包括：将共振激光作用于所述超精细量子比特，激发从第一能级到第二能级的跃迁；将共振微波场作用于所述超精细量子比特，激发从第三能级到第四能级的跃迁；
执行操作单元设置为：基于转化获得的光量子比特执行量子逻辑门操作；
第二映射单元设置为：将执行完量子逻辑门操作后的光量子比特逆转化为超精细量子比特；
其中，所述第一能级和所述第三能级是用于所述超精细量子比特编码的能级；所述第二能级和所述第四能级是用于所述光量子比特编码的能级。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述执行操作单元是设置为：
基于两个以上所述光量子比特，执行量子逻辑门操作。
8.根据权利要求6～7任一项所述的装置，其特征在于，所述第二映射单元是设置为：
将共振微波场作用于所述光量子比特，激发从第四能级到第三能级的跃迁；
将共振激光作用于所述光量子比特，激发从第二能到第一能级的跃迁；
其中，所述第一能级和所述第三能级是用于所述超精细量子比特编码的能级；所述第二能级和所述第四能级是用于所述光量子比特编码的能级。
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