CN114781643A - 利用共面波导通量量子比特的可编程通用量子退火 - Google Patents

利用共面波导通量量子比特的可编程通用量子退火 Download PDF

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Abstract

本申请涉及利用共面波导通量量子比特的可编程通用量子退火。量子计算设备包括：多个共面波导通量量子比特；至少一个耦合器元件，其被设置成多个共面波导通量量子比特中的每个共面波导通量量子比特与量子计算设备中的多个共面波导通量量子比特中的共面的波导通量量子比特彼此可操作地耦合，以及调谐量子设备，其中，该调谐量子设备与多个共面波导通量量子比特的第一共面波导通量量子比特电接触，以及与多个共面波导通量量子比特的第二共面波导通量量子比特电接触。

Description

利用共面波导通量量子比特的可编程通用量子退火
分案说明
本申请属于申请日为2015年12月16日的中国发明专利申请No. 201580085713.5的分案申请。
技术领域
本公开涉及通过共面波导通量量子比特的可编程通用量子退火。
背景技术
量子计算是一种相对较新的计算方法，其利用诸如基本状态的叠 加和纠缠的量子效应以比经典数字计算机更有效地执行某些计算。与 以比特的形式(例如，“1”或“0”)存储和操纵信息的数字计算机相比， 量子计算系统可以使用量子比特来操纵信息。量子比特(qubit)可以指使 得能够叠加多个状态(例如，处于“0”和“1”状态这两者的数据)的量 子设备和/或多个状态中的数据叠加本身。根据常规术语，量子系统中 的“0”和“1”状态的叠加可以表示为例如α│0>+β│0>。数字计算机 的“0”和“1”状态分别类似于量子比特的│0>和│1>基本状态。值│α│2表 示量子比特处于│0>状态的概率，而值│β│2表示量子比特处于│1>基本状 态的概率。
量子退火(quantum annealing)是量子计算的模拟方法。利用也称为 绝热量子计算的量子退火，在多个量子比特之中的相互作用中编码计 算问题。所编码的计算问题被称为问题哈密尔顿算符Hp。然后，将所 编码的量子比特的集合缓慢地退火为表示所编码的问题的解决方案的 最终哈密尔顿算符Hf的最低能量配置。该模型有时被称为量子计算的 绝热模型。
发明内容
通常，在一些方面中，本公开的主题涉及具有多个量子比特的量 子计算设备，其中，完全可利用通用量子计算机的能力来编程量子计 算设备。量子计算设备采用共面波导通量量子比特，其允许在量子比 特之间实现完全连接。此外，量子计算设备包括至少一个调谐量子设 备，其中，每个调谐量子设备与两个不同的共面波导通量量子比特电 接触，以允许量子比特到量子比特相互作用的调谐。
通常，在一些方面中，本公开的主题可以体现在一个或多个量子 计算设备中，其中，量子计算设备包括多个共面波导通量量子比特、 至少一个耦合器元件，至少一个耦合器元件被设置成使得所述多个共 面波导通量量子比特中的每个共面波导通量量子比特与所述量子计算 设备中的所述多个共面波导通量量子比特中的共面波导通量量子比特 可操作地彼此耦合；以及调谐量子设备，其中，所述调谐量子设备与 所述多个共面波导通量量子比特中的第一共面波导通量量子比特电接 触，并且与所述多个共面波导通量量子比特的第二共面波导通量量子 比特电接触。
量子计算设备的实施方式可以包括一个或多个下述特征。例如， 在一些实施方式中，所述多个共面波导通量量子比特中的每个共面波 导通量量子比特包括(a)量子比特量子设备和(b)与所述量子比特量子设 备并联电耦合的细长薄膜超导体波导。每个耦合器元件被设置成可操 作地耦合两个不同的共面波导通量量子比特。每个耦合器元件被设置 成将所述多个共面波导通量量子比特中的一个的细长薄膜超导体波导 可操作地耦合到所述多个共面波导通量量子比特中的另一个的细长薄 膜超导体波导。
在一些实施方式中，所述调谐量子设备是超导量子干涉设备 (SQUID)。所述SQUID可以是DC-SQUID。所述SQUID的第一端在所 述量子比特量子设备和所述第一共面波导通量量子比特的所述细长薄 膜波导之间与所述第一共面波导通量量子比特电接触，以及所述SQUID的第二端在所述量子比特量子设备和所述第二共面波导通量量 子比特的所述细长薄膜波导之间与所述第二共面波导通量量子比特电 接触。
在一些实施方式中，对于所述多个共面波导通量量子比特中的每 个共面波导通量量子比特，所述细长薄膜超导体波导的第一端与所述 量子比特量子设备电接触并且所述细长薄膜超导体波导的第二端与共 面接地平面电接触。对于所述多个共面波导通量量子比特中的每个共 面波导通量量子比特，所述薄膜超导体波导的第一细长侧和第二相对细长侧与所述共面接地平面间隔开并且与其共同延伸。对于所述调谐 量子设备，所述调谐量子设备的第一端在所述量子比特量子设备和所 述第一共面波导通量量子比特的所述细长薄膜波导之间与所述第一共 面波导通量量子比特电接触，并且所述调谐量子设备的第二端在所述 量子比特量子设备和所述第二共面波导通量量子比特的所述细长薄膜 波导之间与所述第二通量量子比特电接触。所述调谐量子设备和所述 多个共面波导通量量子比特中的每个共面波导通量量子比特的每个量 子比特量子设备包括超导量子干涉设备(SQUID)。
在一些实施方式中，对于所述多个共面波导通量量子比特中的每 个共面波导通量量子比特，所述量子比特量子设备包括超导量子干涉 设备(SQUID)。对于所述多个共面波导通量量子比特中的每个共面波导 通量量子比特，所述SQUID可以是DC-SQUID。
在一些实施方式中，每个耦合器元件包括薄膜超导体，并且其中， 对于每个耦合器元件，所述薄膜超导体与所述多个共面波导通量量子 比特中的第一共面波导通量量子比特的对应第一细长薄膜超导体波导 以及与所述共面波导通量量子比特中的第二共面波导通量量子比特的 对应第二细长薄膜超导体波导分隔开，以允许所述第一相应的细长薄膜超导体波导和所述第二相应的细长薄膜超导体波导之间的感应耦合。
在一些实施方式中，量子计算设备进一步包括对于所述多个共面 波导通量量子比特中的每个共面波导通量量子比特，对应量子比特读 出设备可操作地耦合到所述共面波导通量量子比特的所述细长薄膜超 导体波导。对于所述多个共面波导通量量子比特中的每个共面波导通 量量子比特，所述对应量子比特读出设备包括蛇形的薄膜超导体，所述蛇形的薄膜超导体与所述共面波导通量量子比特的所述细长薄膜超 导体波导的侧面分隔开，以实现所述量子比特读出设备与所述细长薄 膜超导体波导之间的感应耦合。
在一些实施方式中，所述多个共面波导通量量子比特、所述至少 一个耦合器、以及所述调谐量子设备被设置在介电基板上。
在一些实施方式中，所述量子计算设备由哈密尔顿函数表示：对 于i＝1...N，j＝1...N，
Figure BDA0003405200790000041
其中， N是所述量子计算设备中的共面波导通量量子比特的数目，hi是共面波 导通量量子比特i上的局部偏置，σz和σx表示泡利矩阵，以及Jij和Kij是共面波导通量量子比特i和j之间的耦合强度。
本公开的主题可以具有各种优点。例如，在一些实施方式中，本 公开的量子计算设备克服了某些其他量子计算设备设计的有限耦合能 力，以提供设备的量子比特之间的完全连接，无论设备中的量子比特 的数目如何。在一些实施方式中，可以使用共面波导通量量子比特来 实现完全连接。反过来，在一些实施方式中，完全连接允许量子计算 设备操作为通用量子计算机。另外，根据本公开的量子计算设备包括 调谐量子设备，其允许调谐与每个量子比特相关联的局部通量偏置， 因此提供完全可编程的量子计算设备。在一些实施方式中，共面波导 通量量子比特呈现相对较长的去相干时间。
在附图和下文的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。其他特 征和优点将从描述、附图和权利要求显而易见。
附图说明
图1A是示出共面波导通量量子比特的示例的俯视图的示意图。
图1B是示出用在图1A的共面波导通量量子比特中的示例性超导 量子干涉设备(SQUID)的特写图的示意图。
图1C是示出表示图1A的共面波导通量量子比特的电路图的示意 图。
图2A是示出能够操作为完全可编程的通用量子计算机的量子退 火机的示例的示意图。
图2B是示出与图2A所示的量子退火机等效的电路图的示意图。
图2C是示出图2A中所示的量子退火机的替代视图的示意图。
图3是能够操作为完全可编程的通用量子计算机的量子退火机的 示意图。
具体实施方式
在也被称为量子退火机(quantum annealer)的绝热量子计算设备中， 以可控的方式将退火机的量子比特可操作地耦合在一起，使得每个量 子比特的量子态影响其所耦合的量子比特的相应的量子态。通过增加 每个量子比特所耦合的其他量子比特的数目，显著提高量子退火机的 计算能力。通过量子比特之间的充分耦合，量子退火机在某些情况下可以被构造为具有通用量子计算机的能力。通用量子计算机可以被理 解为是受控设备，当在量子层面上操作时，可以有效地模拟任何其他 多粒子量子系统的动态分析。
对于某些量子计算设备，用在设备中的量子比特的类型限制了与 量子比特最近的邻居的耦合。这种潜在的限制性量子比特设计的示例 是持续电流通量量子比特，包括由三个约瑟夫森结中断的超导材料环， 并且将信息存储在量子比特相或通量状态中。对于采用大量量子比特 的量子退火机，这种量子比特设计通常不允许设备中的每个量子比特 与设备的每个其他量子比特耦合——即，量子计算机不提供量子比特 之间的完全连接。结果，这些量子计算系统不能真正实现用于任意数 目的量子比特的通用量子计算机。换言之，已经提出了能被表示为伊 辛哈密尔顿的这些设计由于不存在非伊辛相互作用和量子比特之间的 有限耦合，不会得到通用量子计算机。
此外，对于某些量子比特设计，与其他量子比特的相互作用提供 了潜在强大的去相干源，导致较低的量子比特去相干时间，例如大约 10ns。去相干时间对应于量子比特丢失其一些量子力学特性所需的时间， 例如，该量子比特不再以基本状态叠加为特征，并且该量子比特不能 用在量子计算中。另一去相干源包括由被用来构建量子比特的材料， 诸如形成约瑟夫森结的介电产生的噪声。
通常，在一些方面中，本公开的主题涉及具有多个量子比特的量 子退火机，其中，可完全利用用于理论上任意数目的量子比特的通用 量子计算机的能力来编程量子退火机。量子退火机采用共面波导通量 量子比特，允许在量子比特之间实现完全连接，同时提供改进的去相 干时间。此外，量子退火机包括至少一个调谐量子设备，其中，每个 调谐量子设备与两个不同的共面波导通量量子比特电接触，以允许量 子比特到量子比特相互作用的调谐。
共面波导通量量子比特
在提供采用共面波导通量量子比特的完全可编程通用量子退火机 的描述之前，参考图1A-1B，提供共面波导通量量子比特的概述。图 1A是示出共面波导通量量子比特100的示例的俯视图的示意图。量子 比特100包括耦合到量子设备104的共面波导102。量子设备104可以 包括但不限于超导量子干涉设备(SQUIDS)。在本示例中，量子设备104 是DC超导量子干涉设备(DC-SQUID)，尽管可以使用其他SQUID设备。 共面波导102和DC-SQUID 204被接地平面106包围并且与其电接触。 波导102、DC-SQUID 204、和接地平面106中的每一个由超导薄膜材 料在介电基板上使用标准薄膜制造工艺形成。波导102作为细长薄膜 设置在基板上，其中，薄膜的一端108与接地平面106电接触，而薄 膜的另一相对端210与DC-SQUID 204电接触。波导102的细长侧通 过相应并且共同延伸的间隙105与接地平面106分开。在本示例中， 每个相应间隙105的宽度沿着细长波导的长度是恒定的，例如以避免 电磁波的不必要的反射。波导的所需模式分布是对称共面波导(CPW) 模式，其中中心迹线两侧上的两个接地平面保持相同的电压。在一些 实施方式中，波导102可以具有(沿着细长侧测量的)高达约几千微米的 长度，并且具有(横向于长度测量的)高达约几十微米的宽度。形成波导 102(以及接地平面106和DC-SQUID的部分)的沉积膜的厚度可以是例 如约100至200nm。
在一些实施方式中，距离DC-SQUID最远的波导102的端部具有 钩状，以便提供用于将量子比特感应耦合到读出设备(未示出)的区域。 图1B是示出耦合到波导102的DC-SQUID 104的特写图的示意图。 DC-SQUID 104包括由两个约瑟夫森结114中断的超导材料的环112， 每个都可以由薄膜非超导/绝缘材料形成。例如，约瑟夫森结114可以 由三层Al/Al2O3/Al薄膜形成。因此，约瑟夫森结114彼此并联耦合， 其中，第一公共节点与波导102电接触，以及第二公共节点与接地平 面106电接触。约瑟夫森结114通过可以由与环112相同或不同的超 导材料形成的接触焊盘115电连接到环112。在一些实施方式中，接触 焊盘115不存在，并且约瑟夫森结114与环112直接物理和电接触。 波导102、DC-SQUID 204、和接地平面106的每一个可以由在超导临 界温度或以下呈现出超导特性的材料——诸如铝(1.2开尔文的超导临 界温度)或铌(9.3开尔文的超导临界温度)——形成。在其上形成波导102、DC-SQUID 104、和接地平面106的基板包括诸如例如蓝宝石、 SiO2或Si的介电材料。在一些实施方式中，蓝宝石提供低介电损耗的 优点，由此导致更高的去相干时间。
在一些实施方式中，共面波导通量量子比特100可以以与持续电 流通量量子比特相似的方式操作。也就是说，当磁通量被引入到共面 波导中时，可以产生在相对方向中，在共面波导环路中循环的两个持 续电流状态。这种磁通量可以通过例如片上通量偏置线来引入。通量 偏置线可以是薄膜超导体，并且当通量偏置线通过向偏置线提供电流 而被激活时，可以感应耦合到共面波导。波导102也用作谐振器，通 过该谐振器可以实现与其他量子比特的强且长距离的耦合。图1C是示 出表示量子比特100的电路图116的示意图。如电路图116所示，量 子比特100与电容118和电感120两者相关联，电容118和电感120 与DC-SQUID 104提供的两个约瑟夫森结114并联耦合。电路图116 中的接地122由接地平面106提供。波导的电容值和电感值基于薄膜 厚度、宽度、长度、与共面接地平面的间隙间距、和基板确定。由此， 对于诸如量子比特100的共面波导通量量子比特，量子比特的谐振器 部分的电容118和电感120由波导102提供，而对于持续电流通量量 子比特，电容和电感使用超导回路内的第三个约瑟夫森结确立。
共面波导通量量子比特设计相对于持续电流通量量子比特可以具 有若干优点。例如，共面波导通量量子比特可以呈现出相对长的去相 干时间。不希望受理论束缚，相信改进的去相干时间是部分由于利用 使用单层超导材料的共面波导通量量子比特来形成通量量子比特。通 过在基板上使用单层超导材料，除去将由于附加材料层而存在的去相 干源。类似地，相信通常用于形成约瑟夫森结的介电材料也是通量量 子比特中的强去相干源。因此，通过用共面波导代替持久电流通量量 子比特中的第三约瑟夫森结，消除了附加的去相干源，并且可以显著 增加与量子比特相关联的去相干时间。
另外，共面波导通量量子比特允许耦合到更多数目的量子比特。 在典型的持久电流通量量子比特中，量子计算机内的耦合使用最近的 相邻设备来实现，基本上限定了可用于耦合到在单个量子比特周围区 域内适合的那些量子比特的量子比特的数目。由于与其他量子比特的 有限连接性，基于这种量子比特设计的量子处理器遇到所谓的嵌入问 题。这意味着需要在考虑嵌合体图的约束的情况下在机器上编程计算 问题。解决嵌入问题本身可能是一个计算上难的任务，这进一步限制 了量子退火机的能力。
相反，通过与量子比特的波导部分的感应耦合来实现与共面波导 通量量子比特的耦合。由于波导在宏观长度(几毫米)上分布其电感和电 容，所以可以大大增加可耦合的量子比特的数目，从而允许潜在地避 免嵌入问题。此外，持续电流通量量子比特通常非常小，并且与宏观 尺度上的尺寸(例如，具有几微米或更小的量级的关键尺寸)相关联。然而，对于共面波导通量量子比特，可以将结构制造得更大(例如，几毫 米的量级)，导致更高的制造可靠性。
具有共面波导通量量子比特的可编程通用量子退火机
不希望受到理论约束，如果量子退火机的哈密尔顿算符(相互作用) 具有所谓的具有可调系数的非归因(non-stoquastic)项，则可以说量子退 火机具有通用量子计算机的计算能力。非归因哈密尔顿算符是具有正 和负非对角线项两者的哈密尔顿算符。例如，已经提出了下述哈密尔 顿函数，具有表示通用量子计算机的形式：
Figure BDA0003405200790000091
其中，N是系统中的量子比特的总数，hi是量子比特i上的局部偏 置，σz和σx分别表示量子比特的Z和X泡利矩阵，以及Jij和Kij是量 子比特i和j之间的耦合强度。在用户可编程的h和J值中编码问题实 例。如上所述，采用某些量子比特设计——诸如持续电流通量量子比 特——的量子计算设备受限于它们不提供完全连接。也就是说，这样 的系统缺少方程式(1)中的
Figure BDA0003405200790000092
项，因此不能用于实现具有通用量子 计算机的能力的完全可编程的退火机。相反，根据本公开构建的量子 退火机可以被构造为包括等式(1)的缺少的
Figure BDA0003405200790000093
项。
图2A是示出采用如上所述构造的两个共面波导通量量子比特202、 206的量子退火机200的示例的示意图。可以扩展图2所示的设计，以 与大于2的任何整数N个量子比特一起使用。第一量子比特202包括 电连接到细长薄膜超导体波导205的量子设备203(例如，DC-SQUID)。 第二量子比特206也包括电连接到细长薄膜超导体波导209的量子设 备207(例如，DC-SQUID)。每个薄膜波导205、209与共面超导接地平 面电接触，由图2A中的214表示，并且被设计为使得波导彼此交叉以 提供用于量子比特之间的耦合的区域，如下所述。为便于观察，共面 接地平面相对于波导205,209和其他组件的布局在图2A中未示出。每 个量子比特的量子设备203,207也与接地214电接触。结果，认为每 个量子比特的细长薄膜波导与量子比特的相应量子设备并联耦合。每 个细长薄膜超导体波导还与相应的电感和电容相关联。例如，量子比 特202的波导205具有电感La和电容Ca，而量子比特206的波导209具有电感Lb和电容Cb。
每个量子设备203、207在图2A中由嵌入十字的框中断的环表示。 对于图2A中所示的配置，其中，量子设备是DC-SQUID，环由被两个 约瑟夫森结中断的超导薄膜材料形成，每个约瑟夫森结由包含嵌入十 字的框表示。在退火机200的操作期间，每个量子设备203、207还与 相应的局部外部通量偏置(Φa ex或Φb ex)相关联。
调谐量子设备210被设置为与量子比特202,206中的每一个电接 触。调谐量子设备210可操作以调谐与其连接的量子比特之间的相互 作用的大小。调谐量子设备210允许用户通过设置例如哈密尔顿函数 中的系数Jij和Kij的大小来编程量子退火机。在图2A的例子中，那 些量子比特是量子比特202和量子比特206。由于图2A中所示的调谐 量子设备210是DC-SQUID，通过在退火机200的操作期间改变与 DC-SQUID相关联的局部外部通量偏置Φc ex来调谐量子比特-量子比特 相互作用的大小。与量子设备203、207一样，DC-SQUID 210由两个 交叉嵌入框中断的环表示，其中，每个框对应于约瑟夫森结，并且该 环由超导薄膜形成。调谐量子设备210中的环的第一端/触点在量子设 备203和细长薄膜波导205之间的节点a处与第一量子比特202电接 触。调谐量子设备210的第二端/触点在量子设备207和细长薄膜波导 209之间的节点b处与第二量子比特206电接触。为了改变调谐量子设 备210的局部外部通量偏置Φc ex，可以将外部磁通量Φex施加到退火机 200。在调谐量子设备210是DC-SQUID的情况下，通量又反过来调谐 DC-SQUID的临界电流，设置总的耦合强度。如上所述，外部磁通量 可以由通量偏置线(图2中未示出)提供。
调谐量子设备210和量子比特202、206之间的连接由导线216提 供。导线216也可以类似于波导和接地平面地由薄膜超导体形成，由 此也可以理解为在几何方面是共面的。以约6GHz或更小的量子退火机 200的操作频率(微波激励振荡的量子比特的操作频率)，可以安全地忽 略电线216的电容。然而，当设计和操作退火机200时，应该考虑导 线216的电感，因为这种电感可以减小量子比特之间的耦合强度并且 引起不稳定性/去相干性。因此，导线216应当具有小于耦合器结电感 的电感。典型的耦合器结电感可以在例如几nH到几十nH的范围内。 因此，例如，导线216的电感可以被限定到在约100pH到约10000pH 之间。然后，该电感值设定导线216的几何约束的上限。
量子比特202和206通过耦合器元件212可操作地相互耦合。即， 在量子退火机200的操作期间，通过允许通过耦合器元件212的从波 导205到波导209的感应耦合，量子比特202的量子状与量子比特206 的量子态纠缠。耦合器元件212包括例如超导薄膜材料的环，其中， 环的第一部分沿着波导205在第一方向上延伸，以及环的第二部分沿 着波导209在第二正交方向上延伸，其中，波导205,209交叉处具有 直角弯头。尽管波导205、209在图2A中示为在耦合器元件212附近 彼此重叠，但是波导在交叉处没有电接触。相反，它们使用跳线，诸 如跨接空气桥彼此分开，允许两个波导中的一个在交叉处越过另一个 而不接触。也可以使用用于使波导205,209彼此交叉而没有电接触的 其他设计。耦合器元件212通过细间隙(例如，几微米的量级)与每个波 导横向分开。在处理器的操作期间，来自一个波导(例如波导205)的能 量可以感应地耦合到超导薄膜耦合器212，然后，超导薄膜耦合器212 感应耦合到设置在耦合器元件212附近的另一个波导(例如，波导209)。 耦合器212元件也与共面接地平面物理分离。如图2A所示，耦合器元 件212与互耦参数M相关联。互耦参数M表示两个量子比特之间的耦 合器元件212的有效互感。在一些实施方式中，耦合器元件212是可调谐的。也就是说，环路可以包括约瑟夫森结或DC-SQUID。以这种 方式，可以将通量偏置(例如，从本文所述的通量偏置线)施加到耦合器 元件212，允许通过改变DC-SQUID的结的电感来改变有效互感M。 耦合器元件212可以用三个参数来定义：迹线宽度W、环臂长度L、和间隙距离G(即，环臂之间的内部距离)。在一些实施方式中，迹线宽 度W可以在约1-5微米的范围内。在一些实施方式中，取决于网络中 的量子比特的数目，环臂长度L可以为几百微米的量级。在一些实施 方式中，间隙距离G可以为约几十微米。也可以使用其他范围。图2A中所示的电路元件和共面接地平面形成在基板上，基板可以包括例如 诸如蓝宝石或SiO 2的介电材料或诸如Si的半导体。
图2B是示出等效于图2A中所示的量子退火机200的电路图的示 意图。如图2B所示，共面波导205、209现在由它们的电路等效物表 示：用于波导205的电容器Ca和电感器La，以及用于波导209的电容 器Cb和电感器Lb。量子比特之间的互耦M使用包围电感器的虚线框表 示。再次，在退火机200的操作期间，每个DC-SQUID与其自己的局 部外部通量偏置相关联：用于可调谐量子设备210的Φc ex、用于量子比 特202的DC-SQUID的Φa ex以及用于量子比特206的DC-SQUID的Φb ex。 图2B还图示存在被施加到设备200的外部通量Φex。可以通过改变施 加到相应的通量偏置线(未示出)的电流，独立地改变外部通量Φex和局 部外部通量偏置Φa ex、Φb ex和Φc ex。如图2B所示，每个量子比特还与 相应的通量偏置相关联：用于量子比特202的Ψa和用于量子比特206 的Ψb。
使用图2B中所示的电路图，可以从下述传统的电流-电压方程导 出表示量子退火机200的哈密尔顿函数(注意：为了简单起见，在下述 的方程式中删去DC-SQUID的通量偏置，即，
Figure BDA0003405200790000131
对x＝ a,b,c，其中，Φ0是超导磁通量子)：
Figure BDA0003405200790000132
Figure BDA0003405200790000133
其中，Ic是通过调谐量子设备210的电流。
对应于上述电路模型的量子哈密尔顿函数可以表示为：
Figure BDA0003405200790000134
通过将公式(4)变换成无量纲相位坐标
Figure BDA0003405200790000135
哈密尔顿函 数可以替代地表示为：
Figure BDA0003405200790000141
因为方程(5)包含参数Φc ex，哈密尔顿函数实际上是方程(1)中给出 的哈密尔顿函数的更一般形式。即，外部施加的通量是自由参数，允 许通用哈密尔顿函数的选择的更多自由度。具有在等式(5)中给出的哈 密尔顿函数的2量子比特量子退火机可以被用来执行相同大小(2比特) 的数字计算机可以执行的任何计算。
降低到最低的两级-为了将系统从通用无限级系统减少到2级量 子系统，该系统被截断到最低的两级。方程(5)的σxσx(也简称为“XX”) 项可以表示如下：
Figure BDA0003405200790000142
假设类似的量子比特，方程(6)可以缩减到
Figure BDA0003405200790000143
根据量子比特级波函数的奇偶性质，具有下述关系：
Figure BDA0003405200790000144
sin(φ)＝<0|sin(φ)|1>σx
(8)。
方程(5)的非归因项可以表示为：
Figure BDA0003405200790000145
通过调谐方程(5)中的外部通量Φex，可以得到对应于式(1)的特例， 也被称为模型1。特别地，利用外部通量偏置Φex，使量子比特202的 量子比特通量偏置Ψa和量子比特206的Ψb平衡为零，以简化方程(5) 右侧的第三项，即，
Figure BDA0003405200790000151
得到：
Figure BDA0003405200790000152
上标表示方程(7)中的系数的符号。例如，
Figure BDA0003405200790000153
对应于
Figure BDA0003405200790000154
如果假定类似的量子比特，那么等式(10)可以简化为：
Figure BDA0003405200790000155
替选地，在一些实施方式中，等式(5)可以返回形式的哈密尔顿函数
Figure BDA0003405200790000156
也被称为模型II。
图2C是示出量子退火机200的替选视图的示意图。如图2所示， 具有嵌入十字的框分别表示单个DC-SQUID，而不是如图2A-2B中所 示的约瑟夫森结。由此，调谐量子设备210电连接到SQUID 207和薄 膜超导体波导209之间的节点b，并且电连接到SQUID 203和薄膜超 导体波导205之间的节点a。通过SQUID的局部通量偏置(Φa ex,Φb ex, Φc ex)也被图示为沿着横向于外部施加的通量偏置Φex的方向延伸，并且 通过每个量子比特谐振器，延伸到通量偏置(Ψa,Ψb)。
图2C还示出读出设备220，其每一个被设置在与相应的量子比特 的薄膜超导体波导的耦合距离内，使得读出设备220可操作地耦合到 量子比特。在读出操作期间，读出设备220读取其所耦合的量子比特 的状态。在量子处理器的上下文中，诸如设备220的读出设备被用来 读出量子比特的最终状态以产生例如比特串。在图2C所示的示例中， 每个读出设备220包括以蛇形图案设置在介电基板上、并且被配置为 从第一端感应耦合到相邻波导的细长薄膜超导体(例如，铝或铌)。即， 读出设备220不与波导直接电连接(除了通过接地平面1106的相对较弱 的电连接以外)，但是在使用期间，可以通过波导感应耦合到量子比特1100。共面波导与读出设备之间的间隔可以是例如约2微米。在读出 设备220的第二相对端处，读出设备可以进一步耦合到形成在基板/芯 片上或基板/芯片外部的其他元件，诸如路由电路(例如，锁存元件、移 位寄存器、或多路复用电路)。
具有公式(5)的广义哈密尔顿函数的量子退火机200可以以各种方 式用于量子计算。例如，为了解决优化问题，以哈密尔顿函数的形式 编写待被最小化的函数。(使用本文所述的通量偏置线)单独地设置磁通 量Φex,Ψa和Ψb，使得退火机200匹配所选择的哈密尔顿函数，从而编 码问题哈密尔顿函数的基态。然后，系统从时间t＝0缓慢退火，直到t＝T，从而演变成解哈密尔顿函数的基态。在时间T，使用读出设备220 测量系统的状态。在一些实施方式中，量子退火机200可以被用来求 解用于仅仅利用伊辛哈密尔顿函数的特例的问题。为此，通过断开与 调谐量子设备210的相互作用，将方程(5)的第三行设置为0，即，设Kij为零。
在另一示例中，量子退火机200可以被用来解决Kij项不为零的问 题。例如，在一些实施方式中，在退火步骤期间可以保持Kij相互作用 并且在结束时断开。例如，绝热量子计算可以概括如下：
H(s)＝(1-s)HB+sHp+s(1-s)HD，
其中，HB是初始哈密尔顿算符，Hp是被定义为
Figure BDA0003405200790000161
的问 题哈密尔顿算符，以及HD是被定义为
Figure BDA0003405200790000162
的Kij相互作用哈密尔 顿算符。随着系统退火，它从s＝0处的第一状态(使得H(0)＝HB)进展 到s＝1处的第二最终状态(使得H(1)＝Hp)。在s＝0和s＝1之间，交 互哈密尔顿算符作用。
图2A-2C中所示的量子退火机设计可以被扩展到包括2个以上量 子比特，同时仍然提供完全可编程的通用量子计算机。例如，图3是 具有能够提供完全可编程的通用量子计算机的四个量子比特的量子退 火机300的示意图。如上所述，组件被形成在诸如蓝宝石的介电基板 上。为了便于查看，共面接地平面在图3中未图示，尽管仍然提供接 地连接314。类似于退火机200的设计，量子退火机300的每个量子比 特(302,304,306,308)包括量子设备，诸如与相应薄膜超导体波导(303, 305,307,309)电连接的DC-SQUID(311,313,315,317)。为了图3中所 示的示例的目的，包含嵌入十字的每个框对应于DC-SQUID，并且不表示如图2A-2B中所示的约瑟夫森结。波导(303,305,307,309)被设计 成使得每个波导在耦合区域与来自另一量子比特的波导交叉或重叠。 例如，如图3所示，每个波导被设计成形成直角/L形以提供耦合区域。
耦合器元件312被定位成与每个耦合区域/波导交叉相邻，使得每 个量子比特可操作地耦合到退火机300中的每个其他量子比特。例如， 在图3所示的示例中，提供六个耦合器元件312以确保完全连接。特 别地，在来自不同量子比特的两个薄膜超导体波导之间的每个交叉区 域处，薄膜超导环路312被设置为与每个波导相邻，其中，环路的第 一部分沿波导中的一个的细长方向在第一方向中延伸，并且环路的第 二部分沿着另一波导的细长方向在第二正交方向上延伸，其中，波导 交叉处具有直角弯头。因此，通过以这种方式放置耦合器元件312，在 退火机300的操作期间，每个量子比特可以彼此耦合。例如，量子比特302可以耦合到量子比特304、306、和308中的每一个。类似地， 量子比特304也可以耦合到量子比特306和308中的每一个。量子比 特306还可以耦合到量子比特308。如上所述，尽管波导303、305、 307、309显示为彼此重叠，但是波导在交叉处不电接触。相反，它们 使用跳线——诸如允许两个波导中的一个在交叉处越过另一个而不接 触的跨接空气桥——彼此分开。耦合器元件312通过细间隙(例如，几 微米的量级)与每个波导横向分开。
尽管量子退火机200包括单个调谐量子设备210，但具有2个以 上量子比特的退火机应该包括尽可能多的调谐量子设备，以足以允许 调谐每个量子比特之间的相互作用。例如，在图3所示的示例中，量 子退火机300包括六个调谐量子设备310。每个调谐量子设备310包括 与两个不同量子比特电接触的SQUID，诸如DC-SQUID。特别地，对 于每一调谐量子设备310，设备310的第一端在薄膜超导体波导和该量 子比特的SQUID之间的节点处与一个量子比特的电接触，而设备的第 二端在薄膜超导体波导和另一量子比特的SQUID之间的不同节点处与 另一不同的量子比特电接触。如同退火机200中的调谐量子设备210， 设备310可以使用作为导线的薄膜超导体电连接到量子比特，其中， 在量子退火机300的操作频率(例如，约6GHz或更低)下，可以安全地 忽略导线的电容。再次，应考虑导线的电感，以避免量子比特之间的 耦合强度的降低和不稳定性/去相干性。对于每个量子比特，量子退火 机300还包括以与读出设备220类似的方式构造的相应的读出设备320。
在本说明书中描述的数字和量子主题以及数字功能操作和量子操 作的实施例可以用数字电子电路、适当的量子电路，或更一般地，量 子计算系统、以有形体现的数字或量子计算机软件或固件、以数字或 量子计算机硬件实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物， 或其一个或多个的组合。术语“量子计算系统”可以包括但不限于量 子计算机、量子信息处理系统、量子加密系统或量子模拟器。
本说明书中描述的数字和量子主题的实施例可以被实现为一个或 多个数字或量子计算机程序，即编码在有形的非暂时性存储介质上的 数字或量子计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置 执行或者控制数据处理装置的操作。数字或量子计算机存储介质可以 是机器可读存储设备、机器可读存储基板、随机或串行存取存储设备、 一个或多个量子比特，或它们中的一个或多个的组合。替代的或另外 的，程序指令可以被编码在能够编码数字或量子信息的人工生成的传 播信号上，例如，该信号是机器产生的电、光或电磁信号，其被产生 以编码数字或量子信息，用于传输到适当的接收机设备，以由数据处 理装置执行。
术语量子信息和量子数据是指由量子系统携带、保存或存储的信 息或数据，其中，最小的非平凡系统是量子比特，即定义量子信息单 位的系统。应当理解，术语“量子比特”包括可以在相应上下文中适 当地近似为两级系统的所有量子系统。这样的量子系统可以包括多级 系统，例如具有两级或更多级。作为示例，这样的系统可以包括原子、 电子、光子、离子或超导量子比特。在许多实施方式中，通过接地和 第一激发态识别计算基础状态，然而，应当理解，通过更高级激发态 识别计算状态的其他设置是可能的。术语“数据处理装置”是指数字 或量子数据处理硬件，并且涵盖用于处理数字或量子数据的各种装置、 设备和机器，包括例如可编程数字处理器、可编程量子处理器、数字 计算机、量子计算机、多个数字和量子处理器或计算机、及其组合。 该装置还可以是或进一步包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程 门阵列)、ASIC(专用集成电路)、或量子模拟器，即，被设计为模拟或产生有关特定量子系统的信息的量子数据处理装置。特别地，量子模 拟器是不具有执行通用量子计算能力的专用量子计算机。除了硬件之 外，该装置还可以可选地包括为数字或量子计算机程序创建执行环境 的代码，例如配置处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、 或它们中的一个或更多的组合的代码。
也可以以任何形式的编程语言来编写也可以被称为程序、软件、 软件应用程序、模块、软件模块、脚本或代码的数字计算机程序，该 编程语言包括编译或解释语言、或声明或过程语言，并且可以以任何 形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适用于数 字计算环境的其他单元。可以以任何形式的编程语言编写也可以被称 为程序、软件、软件应用程序、模块、软件模块、脚本或代码的量子 计算机程序，该编程语言包括编译或解释语言，或声明或过程语言， 并被翻译成合适的量子编程语言，或者可以用量子编程语言，例如QCL 或Quipper编写。
数字或量子计算机程序可以但不必须对应于文件系统中的文件。 程序可以被存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中，例如存储 在标记语言文档中的一个或多个脚本、专用于所述程序的单个文件中， 或者在多个协同文件中，例如，存储一个或多个模块、子程序或代码 部分的文件。数字或量子计算机程序可以被部署以在一个数字或一个量子计算机上或在位于一个站点或分布在多个站点并且由数字或量子 数据通信网络互连的多个数字或量子计算机上执行。量子数据通信网 络被理解为可以使用量子系统传输量子数据的网络，例如量子比特。 通常，数字数据通信网络不能传送量子数据，然而，量子数据通信网 络可以传送量子数据和数字数据两者。
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程数字 或量子计算机执行、与一个或多个数字或量子处理器一起操作，适当 时，执行一个或多个数字或量子计算机程序，以通过在输入数字和量 子数据上操作并且产生输出来执行功能。过程和逻辑流程也可以由专 用逻辑电路，例如，FPGA或ASIC，或量子模拟器，由专用逻辑电路 或量子模拟器与一个或多个编程的数字或量子计算机的组合执行，并 且装置也可以被实现为专用逻辑电路，例如，FPGA或ASIC，或量子 模拟器，由专用逻辑电路或量子模拟器与一个或多个编程的数字或量 子计算机的组合。
对于待被配置为执行特定操作或动作的一个或多个数字或量子计 算机的系统意味着系统已经在其上安装了软件、固件、硬件或它们的 组合，这些软件、固件、硬件或其组合在操作中使得系统执行操作或 动作。对于待被配置为执行特定操作或动作的一个或多个数字或量子 计算机程序意味着一个或多个程序包括指令，当该指令由数字或量子 数据处理装置执行时，使得该装置执行操作或动作。量子计算机可以 从数字计算机接收指令，当该指令由量子计算装置执行时，使该装置 执行操作或动作。
适用于执行数字或量子计算机程序的数字或量子计算机可以基于 通用或专用数字或量子处理器或两者或任何其他类型的中央数字或量 子处理单元。通常，中央数字或量子处理单元将从只读存储器、随机 存取存储器或适于传输量子数据，例如光子的量子系统，或它们的组 合接收指令和数字或量子数据。
数字或量子计算机的基本元件是用于进行或执行指令的中央处理 单元以及用于存储指令和数字或量子数据的一个或多个存储设备。中 央处理单元和存储器可由专用逻辑电路或量子模拟器补充或并入其中。 通常，数字或量子计算机还将包括或可操作地耦合以从一个或多个大 容量存储设备接收数字或量子数据或传输数字或量子数据到大容量存储设备，该大容量存储设备用于存储数字或量子数据，例如磁、磁光 盘、光盘或适用于存储量子信息的量子系统。然而，数字或量子计算 机不需要具有这样的设备。
适用于存储数字或量子计算机程序指令和数字或量子数据的数字 或量子计算机可读介质包括所有形式的非易失性数字或量子存储器、 介质和存储设备，包括例如半导体存储设备，例如EPROM、EEPROM 和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；CD-ROM和 DVD-ROM盘；和量子系统，例如俘获的原子或电子。应理解到，量 子存储器是可以以高保真度和高效率长时间存储量子数据的设备，例 如光-物质接口，其中，光用于传输，物质用于存储和保存量子数据的 量子特征，例如叠加或量子相干性。
本说明书中描述的各种系统的控制或其部分可以在数字或量子计 算机程序产品中实现，该数字或量子计算机程序产品包括存储在一个 或多个非瞬时机器可读存储介质上并且可在一个或多个数字或量子处 理设备上执行的指令。本说明书中描述的系统或其部分各自可以实现 为包括一个或多个数字或量子处理设备和存储可执行指令的存储器的装置、方法或系统以执行本说明书中描述的操作。
虽然本说明书包含许多具体的实现细节，但是这些不应被解释为 对可要求保护的范围的限制，而应被解释为对特定实施例特定的特征 的描述。在单独实施例的上下文中，在本说明书中描述的某些特征也 可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述 的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然以上可以将特征描述为以某些组合的方式起作用，并 且甚至最初要求保护，但来自要求保护的组合的一个或多个特征在某 些情况下可以从组合中被去除，并且所要求保护的组合可以旨在子组 合或子组合的变型。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘操作，但是这不应被理解 为要求以所示的特定顺序或按顺序执行此类操作，或者执行所有所示 的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是 有利的。此外，上述实施例中的各种系统模块和组件的分离不应被理 解为在所有实施例中需要这样的分离，而是应当理解为所描述的程序 组件和系统通常可以集成在单个软件产品中或封装成多个软件产品。
已经描述了主题的具体实施例。其他实施例在所附权利要求的范 围内。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改进。 例如，权利要求中所述的动作可以以不同的顺序执行，并且仍然实现 期望的结果。作为一个示例，附图中所示的过程不一定需要所示的特 定顺序或顺序来实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理 可能是有利的。

Claims (8)

1.一种操作量子计算设备的方法，所述量子计算设备包括：
至少两个共面波导通量量子比特，每个共面波导通量量子比特包括超导量子干涉设备SQUID以及与所述SQUID并联电耦合的细长超导体共面波导，
耦合器元件，所述耦合器元件被布置来使得所述至少两个共面波导通量量子比特中的第一共面波导通量量子比特的共面波导与所述至少两个共面波导通量量子比特中的第二共面波导通量量子比特的共面波导可操作地耦合，以及
调谐量子设备，所述调谐量子设备包括至少一个约瑟夫森结，其中所述调谐量子设备与所述第一共面波导通量量子比特电接触，并且与所述第二共面波导通量量子比特电接触，所述方法包括：
操作所述调谐量子设备来修改所述第一共面波导通量量子比特与所述第二共面波导通量量子比特之间的耦合强度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，操作所述调谐量子设备包括：将外部磁通量施加到所述调谐量子设备来改变局部通量偏置。
3.如权利要求1所述的方法，包括：
在所述量子计算设备中编码问题哈密尔顿函数的基态；以及
将所述量子计算设备退火至解哈密尔顿函数的基态。
4.如权利要求3所述的方法，其中，编码所述问题哈密尔顿函数的基态包括：
将外部通量偏置Φex施加到所述量子计算设备；
将第一局部通量偏置Ψa施加到所述第一共面波导通量量子比特；以及
将第二局部通量偏置Ψb施加到所述第二共面波导通量量子比特。
5.如权利要求3所述的方法，其中，编码所述问题哈密尔顿函数的基态包括：使用所述调谐量子设备来断开所述第一共面波导通量量子比特与所述第二共面波导通量量子比特之间的相互作用。
6.如权利要求3所述的方法，其中，将所述量子计算设备退火包括：使用所述调谐量子设备来接通所述第一共面波导通量量子比特与所述第二共面波导通量量子比特之间的耦合。
7.如权利要求3所述的方法，进一步包括：在将所述量子计算设备退火后测量所述量子计算设备的状态。
8.如权利要求3所述的方法，其中，所述量子计算设备在操作期间的状态是由以下来表示的：
对于i＝1...N，j＝1…N，
Figure FDA0003405200780000021
其中，N是所述量子计算设备中的共面波导通量量子比特的数目，hi是共面波导通量量子比特i上的局部偏置，σz和σx表示泡利矩阵，以及Jij和Kij是共面波导通量量子比特i和j之间的耦合强度并且能够由所述调谐量子设备来调谐。
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