CN115329966A - 量子门生成方法、装置、电子设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种量子门生成方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品，涉及量子计算机领域，尤其涉及离子阱芯片技术领域。离子阱芯片包括多个离子阱切片，多个离子阱切片中的每一个均包括不超过第一数量的离子，多个离子阱切片经由离子穿梭通道进行耦接。实现方案为：确定用于生成量子门的多个离子；响应于确定多个离子位于至少两个离子阱切片中，通过离子穿梭通道进行离子穿梭操作，以使得多个离子均位于所述至少两个离子阱切片中的第一离子阱切片中；基于离子穿梭操作后的第一离子阱切片中的多个离子生成量子门。
Description
技术领域
本公开涉及量子计算机领域，尤其涉及离子阱芯片技术领域，具体涉及一种量子门生成方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
背景技术
近些年来，离子阱量子计算得到了广泛关注。作为和超导量子计算并驾齐驱的两大量子计算平台之一，离子阱量子计算有自身的特色。在连通性、量子门保真度和量子比特寿命上，离子阱较超导量子平台占优，而在量子比特扩展性和量子门时间，离子阱量子计算平台能力较超导量子计算平台，存在工艺和设计上的困难。
发明内容
本公开提供了一种量子门生成方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
根据本公开的一方面，提供了一种基于离子阱芯片的量子门生成方法，中，所述离子阱芯片包括多个离子阱切片，所述多个离子阱切片中的每一个均包括不超过第一数量的离子，所述多个离子阱切片经由离子穿梭通道进行耦接，其中，所述第一数量为大于等于2的正整数，所述方法包括：确定用于生成所述量子门的多个离子；响应于确定所述多个离子位于至少两个离子阱切片中，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作，以使得所述多个离子均位于所述至少两个离子阱切片中的第一离子阱切片中；以及基于所述离子穿梭操作后的所述第一离子阱切片中的对应于所述量子门的多个离子生成所述量子门。
根据本公开的另一方面，提供了一种基于离子阱芯片的量子门生成装置，其中，所述离子阱芯片包括多个离子阱切片，所述多个离子阱切片中的每一个均包括不超过第一数量的离子，所述多个离子阱切片经由离子穿梭通道进行耦接，其中，所述第一数量为大于等于2的正整数，所述装置包括：确定单元，配置为确定用于生成所述量子门的多个离子；穿梭单元，配置为响应于确定所述多个离子位于至少两个离子阱切片中，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作，以使得所述多个离子均位于所述至少两个离子阱切片中的第一离子阱切片中；以及生成单元，配置为基于所述离子穿梭操作后的所述第一离子阱切片中的对应于所述量子门的多个离子生成所述量子门。
根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，该指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本公开所述的方法。
根据本公开的另一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，该计算机指令用于使计算机执行本公开所述的方法。
根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现本公开所述的方法。
根据本公开的一个或多个实施例，在离子阱量子计算硬件平台中，利用离子可以在狭小通道内自由穿梭的特点，将离子阱切片化，每个离子阱切片即为一个单独的离子阱，并在阱与阱之间加入可供离子穿梭的通道，在兼顾连通性和准确性的同时，较好地扩展了可用作量子计算的量子比特数目，使得在离子阱量子计算硬件平台制造中等含噪规模的离子阱量子计算机成为可能。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图示例性地示出了实施例并且构成说明书的一部分，与说明书的文字描述一起用于讲解实施例的示例性实施方式。所示出的实施例仅出于例示的目的，并不限制权利要求的范围。在所有附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的要素。
图1示出了根据本公开的实施例的一维线性离子阱结构的示意图；
图2示出了根据本公开的实施例的可穿梭一维线性离子阱结构的示意图；
图3示出了根据本公开的实施例的二维线性离子阱结构的示意图；
图4示出了根据本公开的实施例的基于离子阱芯片的量子门生成方法的流程图；
图5示出了根据本公开的实施例的两个离子阱切片的示意图；
图6示出了根据本公开的实施例的待实现的量子电路示意图；
图7-11示出了根据本公开的实施例的基于图5所示离子阱切片进行离子穿梭操作的示意图；
图12示出了根据本公开的实施例的多种离子阱量子芯片构型的示意图；
图13示出了根据本公开的实施例的不同离子阱构型执行24比特100层量子电路的保真度和耗时对比示意图；
图14示出了根据本公开的实施例的基于离子阱芯片的量子门生成装置的结构框图；以及
图15示出了能够用于实现本公开的实施例的示例性电子设备的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。
在本公开中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
下面将结合附图详细描述本公开的实施例。
迄今为止，正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经典物理学为信息处理的理论基础，称为传统计算机或经典计算机。经典信息系统采用物理上最容易实现的二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由0或1表示，称为一个位或比特，作为最小的信息单元。经典计算机本身存在着不可避免的弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kT的几倍以上，以避免在热胀落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的性能。
量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学性质、规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理设备。当某个设备处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，他就是量子计算机。量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律(特别是量子干涉)来实现一种信息处理的新模式。对计算问题并行处理，量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。
目前量子计算机的硬件还处于中等含噪规模阶段，其中超导平台借助于和传统芯片制造相似的微纳加工工艺，已经初步具备制造100+比特数目的超导量子芯片。但比特之间往往只有近邻耦合的调控作用，量子计算机的计算能力受到连通性的影响。近些年来，作为未来潜在的通用量子计算硬件平台之一，离子阱量子计算发展迅速，在量子门保真度和读取保真度上，都取得了较好的结果。例如，单比特门保真度可以达到99.99％，双比特门保真度能到99.3％。
基于离子阱芯片的量子计算机得益于全连通的特性，往往能以更少的电路深度实现超导量子计算机同样的计算能力。但离子阱芯片没有相应的传统芯片制造手段、工艺可借鉴，规模扩展上陷入瓶颈，目前主流的离子阱硬件厂家所能提供的基于离子阱芯片的量子计算机的量子比特数尚不足20。而在含噪中等规模的量子计算时代以及未来通用量子计算中，20个量子比特是远远不够的。如何设计有效的方案，解决基于离子阱芯片的量子计算机的量子比特数目扩展的难题，就成了一个迫在眉睫且颇具挑战的问题。
目前业界主流的离子阱硬件制造商都采用了线性离子阱的制造结构，具体来说，通过直流和交流电极的排布，在空间上形成可束缚带电离子的准一维电势场。束缚在阱中的离子之间受库伦力影响相互排斥，从而在阱中自然而然地形成一维链状结构，即呈现如图1所示的排布。其中每个圆球表示一个离子，也即基于离子阱的量子计算机的一个量子比特，离子之间的间距根据电极形成的束缚势场的差异，可以是等间距，也可以是不等距的排布。要通过该量子计算机实现单比特量子门操作，只需要在对应的离子上照射两束特定参数的激光即可。而如果要实现双比特量子门操作，往往需要在在对应的两个离子上照射多束激光。注意到离子之间因有长程的库伦相互作用而联系起来，如前所述的一维线性离子阱结构中，任意两个离子之间都可以实现双比特门。
目前业界包括IonQ实现的11量子比特的离子阱量子计算机和Honeywell实现的12量子比特的离子阱量子计算机，都采用了如前所述的一维线性离子阱结构。但受限于硬件设备的物理限制，这种方案一般不能制造出更多的量子比特，阱中能放置的离子数目有限，其最大的量子比特数目不能超过线性阱中的横/纵向束缚势频率之比(ωt/ωl)的平方。同时，因为离子数目增多导致离子寻址和振动模式解耦的困难，导致能准确操控的离子数目只能保持在20+，无法扩展到更大规模的比特数目上。
为了实现离子阱量子计算机比特数目的扩展，可以对图1结构进行一定的改进。其中一种扩展方式为将多段离子阱放置在同一个链状阱中，在每次操作过程中，都采用将离子阱整体移动的方式，将要作用的离子移动到有激光照射的区域，如图2所示。在有激光照射的区域内，移动过来的离子是全连通的。然而，该方案设计还局限在一维线性离子阱结构中，其长度限制了最终量子计算机的量子比特数目上限，即限制了该方案进一步拓展的能力。并且，量子任务无法并行执行，每次只能在激光照射区域内进行离子的计算。同时，其一维结构决定了在同样尺寸的离子阱芯片结构上，其承载的离子比特数目远远小于二维排布结构的离子阱芯片，扩展效率低。
另外，还有一种拓展方式为利用空间上的维度，将一维束缚阱改成二维束缚阱，如图3所示。这样可以让离子在阱中排布成二维晶格的形状，其中每个格点上都有一个离子。这种方式使得量子计算机所能承载的量子比特与面积成正比。原本只能承载10个量子比特的离子阱中，在二维离子阱构造中，可以放置100个量子比特。但这种方案中，离子构成的二维晶格振动模式数目也和面积成正比，若要对每个离子进行高精度的操作，需使得离子同所有的晶格振动模式解耦，这是现阶段激光设备无法做到的。并且，整个芯片中，二维晶格振动模式复杂，利用现有激光控制技术，难以将所有晶格振动同离子解耦，所能执行的量子电路深度浅，量子门保真度低，无法胜任高精度的量子计算任务。
因此，根据本公开的实施例，提供了一种基于离子阱芯片的量子门生成方法。该离子阱芯片包括多个离子阱切片，多个离子阱切片中的每一个均包括不超过第一数量的离子，多个离子阱切片经由离子穿梭通道进行耦接，其中，所述第一数量为大于等于2的正整数。
在离子阱量子控制系统中，离子阱中的每个离子代表一个量子比特，离子的两个内态|↓>、|↑>可以表示为量子比特的|0>、|1>态。在根据本公开的离子阱芯片硬件平台中，包括多个离子阱切片。每个离子阱切片中只能承载较少的离子，数目上限即为第一数量，记为Nmax，无法在离子阱切片中置入多于第一数量的离子。
示例地，对于双比特量子门，单个离子阱切片中不管距离多远的两个离子，都可以进行双比特量子门操作，即单个离子阱切片中的量子比特是全连通的。继续以双比特量子门为例，双比特量子门保真度与当前离子阱切片中的离子数目的平方呈负相关，如公式(1)所示：
F＝1-∈gateN2 公式(1)
并且，量子门操作时间τgate与相对应的两个离子i,j之间的距离d(i,j)呈一次函数关系，如公式(2)所示：
τgate＝αgate+βgate×d(i,j) 公式(2)
其中，∈gate,αgate,βgate均为与离子阱硬件相关的常数，本领域技术人员可以方便地确定，在此不再赘述。
图4示出了根据本公开的实施例的用于生成量子门的方法流程图400，如图4所示，所述方法400包括：确定用于生成所述量子门的多个离子(步骤410)；响应于确定多个离子位于至少两个离子阱切片中，通过离子穿梭通道进行离子穿梭(shuttle)操作，以使得多个离子均位于至少两个离子阱切片中的第一离子阱切片中(步骤420)；以及基于离子穿梭操作后的第一离子阱切片中的对应于所述量子门的多个离子生成所述量子门(步骤430)。
根据本公开的实施例，在离子阱量子计算硬件平台中，利用离子可以在狭小通道内自由穿梭的特点，将离子阱切片化，每个离子阱切片即为一个单独的离子阱，并在阱与阱之间加入可供离子穿梭的通道，在兼顾连通性和准确性的同时，较好地扩展了可用作量子计算的量子比特数目，使得在离子阱量子计算硬件平台制造中等含噪规模的离子阱量子计算机成为可能。
可以理解的是，通过现有的微加工技术可以方便地实现用于多个离子阱(即离子阱切片)之间进行耦接的离子穿梭通道。示例地，可以通过激光加工和金属涂层的氧化铝片实现离子阱以及其中的穿梭通道。
具体而言，当一个量子电路任务输入到离子阱量子计算真机时，需要将量子电路的量子比特和位于阱中的每个离子进行一一映射。然后，随着量子电路一层一层往下运行，离子根据电路任务的需要，可以在不同阱之间穿梭，以满足位于不同的阱中的离子也能执行电路任务中的单比特量子门或多比特量子门。
根据一些实施例，在进行所述离子穿梭操作后，第二离子阱切片中的离子个数不少于所述第一离子阱中的离子个数。第二离子阱切片包括所述至少两个离子阱切片中的除所述第一离子阱切片外的其他离子阱切片。如上所述，由于待生成的量子门的保真度与当前离子阱切片中的离子数目的平方呈负相关。所以，离子阱切片中的离子数目越少、所生成的量子门保真度越高。在进行离子穿梭操作前，从包含较多离子的切片向包含较少离子的切片进行穿梭可以提高所生成量子门的保真度。
继续以双比特量子门为例，如果待生成的双比特量子门对应位于不同离子阱切片的离子，如离子1在切片A，而离子2在切片B，那么要实现离子1和2之间的量子门操作，需要将切片A中的离子穿梭到切片B中，或者将切片B中的离子穿梭到切片A中。每次离子穿梭操作会带来量子电路整体保真度的降低，离子穿梭操作等效的保真度可以如公式(3)所示：
Fshuttle＝1-∈shuttle×ds(i,j) 公式(3)
离子穿梭操作的操作时间可以如公式(4)所示：
τshuttle＝βshuttle×ds(i,j) 公式(4)
其中，ds(i,j)为两个切片之间的距离，∈shuttle,βshuttle均为与离子阱硬件相关的常数，本领域技术人员可以方便地确定，在此不再赘述。
在一些示例中，例如双比特量子门，在进行所述离子穿梭操作前，第一离子阱切片可以为至少两个离子阱切片中的所包含的离子未达到第一数量的一个离子阱切片。
需注意的是，双比特量子门只能串行执行，比如CX(Q[0],Q[1])和CX(Q[2],Q[3])只能在执行完一个后，再执行另一个。其中CX指代量子电路中要执行的双比特量子门，Q指代量子比特，[0]/[1]中的数字指代要作用的量子比特位置。位于不同离子阱(切片)之间的双比特量子门可以并行执行，比如CX(Q[0],Q[1])在阱(切片)A，CX(Q[2],Q[3])在阱(切片)B，则两者可以同时执行。
根据一些实施例，所述量子门为双比特量子门，并且其中，在进行所述离子穿梭操作前，所述第二离子阱切片和所述第一离子阱切片中的离子个数相等，并且所述第一离子阱切片中的待用于生成除所述量子门以外的其他量子门的离子个数大于所述第二离子阱切片中的待用于生成所述其他量子门的离子个数。第二离子阱切片包括所述至少两个离子阱切片中的除所述第一离子阱切片外的其他离子阱切片。
具体地，对于双比特量子门，离子穿梭的方向可以根据以下方式执行：当要执行双比特门的离子位于两个切片时，当切片A已有的离子个数小于切片B中离子已有个数，可以选择将切片B中的离子穿梭到切片A中。当两个切片中数目相同时，选择往含有更多未执行双比特量子门的切片中穿梭。这样能保证同一个切片中执行双比特量子门的保真度较高，也保证穿梭次数较少，提升电路运行的效果。
根据一些实施例，所述方法还包括：响应于所述量子门为三比特或三比特以上的量子门，将所述量子门分解为包括单比特量子门和双比特量子门中的至少一个的量子门集合，以基于所述量子门集合和所述离子阱芯片生成所述量子门。
具体地，对于三比特以及上的量子门，可以先将其分解为单比特量子门和/或双比特量子门的组合，然后基于离子阱芯片、根据本公开实施例的离子穿梭操作实现分解后的量子门。
根据一些实施例，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作之前，还包括：响应于确定待穿梭离子在相应离子阱切片中的位置不位于靠近所述离子穿梭通道的一端，将所述待穿梭离子移动到所述相应离子阱切片中的靠近所述离子穿梭通道的一端。
在一些示例中，当将切片A中的离子穿梭到切片B中时，需要从切片靠近离子穿梭通道的一端进行穿梭操作，在其余地方的离子需要先和处于同一个阱的靠近离子穿梭通道的一端离子进行位置交换(swap)，交换操作等效的保真度为如公式(5)所示：
Fswap＝1-∈swap×d(i,j) 公式(5)
交换操作的时间如公式(6)所示：
τswap＝βswap×d(i,j) 公式(6)
其中，d(i,j)为同一个阱中离子i,j之间的距离，∈swap,βswap均为与离子阱硬件相关的常数，本领域技术人员可以方便地确定，在此不再赘述。
根据一些实施例，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作之前，还包括：响应于确定待穿梭离子在相应离子阱切片中的位置不位于靠近所述离子穿梭通道的一端，将所述待穿梭离子的量子信息交换到靠近所述离子穿梭通道的一端的离子上，以将靠近所述离子穿梭通道的一端的离子作为新的待穿梭离子进行所述离子穿梭操作。在进行量子门操作时，可以将量子信息交换到末端离子比特上，再对末尾端的离子进行穿梭操作。
根据一些实施例，还包括：基于所述离子穿梭操作以及穿梭后的所述第一离子阱切片确定所生成量子门的保真度和操作时间中的至少一者。
在一些实施例中，可以通过驱动相应的物理设备实现离子穿梭操作，例如基于激光器、SoC芯片、时序控制器等的硬件设备。在一个示例中，主机使用以太网连接控制SoC芯片并提供波形数据。在收到主机的触发指令后，SoC芯片通过SoC数字I/O引脚将存储的数据流向连接的数字输出模块和DAC(数模转换器)，DAC将数字信号转换为电压波形。然后，通过与用于激光脉冲控制的射频波形发生器连接，实现离子穿梭操作。
在根据本公开的一个实施例中，为了更好的说明本方案的运行逻辑，以一个6量子比特10层量子电路任务为例进行详细说明。根据硬件设备的限制(比如设备只支持每个阱最多放置4个离子)，构建如图5所示的两个离子阱切片，并通过离子穿梭通道将两个离子阱切片进行耦接，其中白色圆球数目代表切片中剩余的还能容纳的离子，灰色圆球代表切片中已有的离子。利用量易伏等量子计算云平台生成如图6中的6量子比特电路。将量子电路中的量子比特分别映射到切片A和切片B中，其中如图7所示，量子比特Q[0]至Q[2]映射到切片A中的3个离子中，量子比特Q[3]至Q[5]映射到切片B中的3个离子中。
根据图6所示的量子电路，依次判断待生成的双比特量子门所对应的离子是否处于同一个切片中，如是，可以直接进行量子门操作。比如双比特量子门①②③④所对应离子均位于切片B，可顺序执行，每个量子门保真度为：F1＝F2＝F3＝F4＝(1-∈gate×32)。量子门操作时间根据离子之间的距离确定，可分别表示为：τ1＝τ2＝τ4＝(αgate+βgate×2),τ3＝(αgate+βgate×1)。
当执行量子门⑤时，因为量子比特Q[0]处于切片A，而量子比特Q[3]所对应的离子处于切片B，则首先需要将Q[3]穿梭到切片A中，如图8所示。进行一次离子穿梭操作的保真度可表示为：Fshuttle,1＝(1-∈shuttle×1)，离子穿梭操作的操作时间为：τshuttle,1＝βshuttle×1。因为切片A中的离子数目变为4，执行量子门⑤的保真度即为：F5＝(1-∈gate×42)，量子门操作时间为：τ5＝(αgate+βgate×1)。
当执行量子门⑥时，因为在之前操作中，所对应的离子Q[0]和Q[3]已处于同一个切片中，不再需要离子穿梭操作，因此量子门的保真度和量子门操作时间可以分别表示为：F6＝(1-∈gate×42)，τ6＝(αgate+βgate×3)。
当执行量子门⑦时，因为量子比特Q[0]和Q[5]所对应的离子位于不同的切片，且切片A中离子数目已经饱和，而切片B中还可以额外承载2个离子，只能将切片A中Q[0]对应的离子穿梭到切片B中。而因为Q[0]在另一端，需要先交换到Q[3]位置，才能进行离子穿梭操作，如图9所示，交换操作的时间为：τswap,1＝βswap×3，交换操作的保真度为：Fswap,1＝1-∈swap×3。离子0交换到和切片B相邻的一端后，即可进行离子穿梭操作，将Q[0]穿梭到切片B中，如图10所示，离子穿梭操作的保真度为：Fshuttle,2＝(1-∈shuttle×1)，离子穿梭操作的时间为：τshuttle,2＝βshuttle×1。而执行量子门⑦的保真度和时间分别为：F7＝(1-∈gate×32)，τ7＝(αgate+βgate×2)。
当执行量子门⑧时，因为在之前操作中，所对应的离子Q[0]和Q[4]已处于同一个切片中，则执行量子门⑧的保真度和时间分别为：F8＝(1-∈gate×32)，τ8＝(αgate+βgate×1)。
当执行量子门⑨和⑩时，可以选择将切片A中的离子3穿梭到切片B中，如图11所示，离子穿梭操作的保真度为：Fshuttle,3＝(1-∈shuttle×1)，离子穿梭操作时间为：τshuttle,3＝βshuttle×1。穿梭完成后的，两个量子比特Q[0]，Q[3]位于同一个切片中，可以直接执行双比特量子门，执行量子门⑨和⑩的保真度和时间分别为：为F9＝F10＝(1-∈gate×42)，τ9＝τ10＝(αgate+βgate×1)。
最后，可以对所有量子比特进行测量，获取量子电路的结果。量子电路运行的总保真度可以表示为：Ftotal＝∏iFi∏jFshuttle,j∏kFswap,k，总执行时间可表示为：τtotal＝∑iτi+∑jτshuttle,j+∑kτswap,k。
可以理解的是，除双比特量子门，根据本公开实施例的方法对于其他例如三比特量子门、四比特量子门等等也是类似的，在此不再赘述。
在根据本公开的实施例中，将离子放置在不同离子阱切片中，并在切片与切片之间加入可转移离子的穿梭通道，离子在多个切片之间穿梭虽然会带来一定的保真度的降低，但是能够有效地提升离子阱量子硬件执行的成功率，也能较好地提升离子阱量子平台中量子比特的总数目。
为了验证在较大规模离子阱量子比特上方案的有效性，选取24量子比特、电路深度100层的随机量子电路作为对比。硬件设备参数可以参考近期实验室能达到的精度，如表格1所示。
表1
对于24离子阱量子比特电路，构造了7种不同的离子阱量子芯片构型，其中L1即现阶段一维线性阱的结构。离子阱量子芯片构型的说明如表2和图12所示，其中图12中每个双向箭头为一个穿梭通道，穿梭通道之间通过多边形点相连。
表2
图13示出了根据本公开的实施例的不同离子阱构型执行24比特100层量子电路的保真度和耗时对比示意图。如图13所示，可以看到，在选取的随机电路中，根据本公开实施例构造的G2×3构型的离子阱在运行24量子比特100层电路时，虽然其耗时是常见一维线性离子阱L1的0.068/0.019＝3.6倍，但得到的量子电路的保真度是一般线性离子阱的0.312/0.003＝104倍。也就是说，在同样的保真度下，根据本公开实施例的方法能支持更多的量子比特，在48量子比特100层随机量子电路上，根据本公开实施例所构造的G2×3构型的离子阱保真度也能接近0.2，效果也远远好于一般的线性离子阱构造方式。
根据本公开的实施例，如图14所示，还提供了一种基于离子阱芯片的量子门生成装置1400。所述离子阱芯片包括多个离子阱切片，所述多个离子阱切片中的每一个均包括不超过第一数量的离子，所述多个离子阱切片经由离子穿梭通道进行耦接，其中，所述第一数量为大于等于2的正整数。所述装置1400包括：确定单元1410，配置为确定用于生成所述量子门的多个离子；穿梭单元1420，配置为响应于确定所述多个离子位于至少两个离子阱切片中，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作，以使得所述多个离子均位于所述至少两个离子阱切片中的第一离子阱切片中；以及生成单元1430，配置为基于所述离子穿梭操作后的所述第一离子阱切片中的对应于所述量子门的多个离子生成所述量子门。
这里，基于离子阱芯片的量子门生成装置1400的上述各单元1410～1430的操作分别与前面描述的步骤410～430的操作类似，在此不再赘述。
根据本公开的实施例，还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
参考图15，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备1500的结构框图，其是可以应用于本公开的各方面的硬件设备的示例。电子设备旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图15所示，电子设备1500包括计算单元1501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1502中的计算机程序或者从存储单元1508加载到随机访问存储器(RAM)1503中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1503中，还可存储电子设备1500操作所需的各种程序和数据。计算单元1501、ROM 1502以及RAM 1503通过总线1504彼此相连。输入/输出(I/O)接口1505也连接至总线1504。
电子设备1500中的多个部件连接至I/O接口1505，包括：输入单元1506、输出单元1507、存储单元1508以及通信单元1509。输入单元1506可以是能向电子设备1500输入信息的任何类型的设备，输入单元1506可以接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置和/或功能控制有关的键信号输入，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、轨迹板、轨迹球、操作杆、麦克风和/或遥控器。输出单元1507可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。存储单元1508可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元1509允许电子设备1500通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信收发机和/或芯片组，例如蓝牙TM设备、802.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。
计算单元1501可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元1501的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元1501执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法400。例如，在一些实施例中，方法400可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元1508。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 1502和/或通信单元1509而被载入和/或安装到电子设备1500上。当计算机程序加载到RAM 1503并由计算单元1501执行时，可以执行上文描述的方法400的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元1501可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法400。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行、也可以顺序地或以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本发明的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。
Claims (17)
1.一种基于离子阱芯片的量子门生成方法，其中，所述离子阱芯片包括多个离子阱切片，所述多个离子阱切片中的每一个均包括不超过第一数量的离子，所述多个离子阱切片经由离子穿梭通道进行耦接，其中，所述第一数量为大于等于2的正整数，所述方法包括：
确定用于生成所述量子门的多个离子；
响应于确定所述多个离子位于至少两个离子阱切片中，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作，以使得所述多个离子均位于所述至少两个离子阱切片中的第一离子阱切片中；以及
基于所述离子穿梭操作后的所述第一离子阱切片中的对应于所述量子门的多个离子生成所述量子门。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在进行所述离子穿梭操作后，第二离子阱切片中的离子个数不少于所述第一离子阱中的离子个数，
其中，所述第二离子阱切片包括所述至少两个离子阱切片中的除所述第一离子阱切片外的其他离子阱切片。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述量子门为双比特量子门，并且其中，在进行所述离子穿梭操作前，所述第二离子阱切片和所述第一离子阱切片中的离子个数相等，并且所述第一离子阱切片中的待用于生成除所述量子门以外的其他量子门的离子个数大于所述第二离子阱切片中的待用于生成所述其他量子门的离子个数，
其中，所述第二离子阱切片包括所述至少两个离子阱切片中的除所述第一离子阱切片外的其他离子阱切片。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：响应于所述量子门为三比特或三比特以上的量子门，将所述量子门分解为包括单比特量子门和双比特量子门中的至少一个的量子门集合，以基于所述量子门集合和所述离子阱芯片生成所述量子门。
5.如权利要求1所述的方法，其中，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作之前，还包括：响应于确定待穿梭离子在相应离子阱切片中的位置不位于靠近所述离子穿梭通道的一端，将所述待穿梭离子移动到所述相应离子阱切片中的靠近所述离子穿梭通道的一端。
6.如权利要求1所述的方法，其中，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作之前，还包括：响应于确定待穿梭离子在相应离子阱切片中的位置不位于靠近所述离子穿梭通道的一端，将所述待穿梭离子的量子信息交换到靠近所述离子穿梭通道的一端的离子上，以将靠近所述离子穿梭通道的一端的离子作为新的待穿梭离子进行所述离子穿梭操作。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，还包括：基于所述离子穿梭操作以及穿梭后的所述第一离子阱切片确定所生成量子门的保真度和操作时间中的至少一者。
8.一种基于离子阱芯片的量子门生成装置，其中，所述离子阱芯片包括多个离子阱切片，所述多个离子阱切片中的每一个均包括不超过第一数量的离子，所述多个离子阱切片经由离子穿梭通道进行耦接，其中，所述第一数量为大于等于2的正整数，所述装置包括：
确定单元，配置为确定用于生成所述量子门的多个离子；
穿梭单元，配置为响应于确定所述多个离子位于至少两个离子阱切片中，通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作，以使得所述多个离子均位于所述至少两个离子阱切片中的第一离子阱切片中；以及
生成单元，配置为基于所述离子穿梭操作后的所述第一离子阱切片中的对应于所述量子门的多个离子生成所述量子门。
9.如权利要求8所述的装置，其中，在进行所述离子穿梭操作后，第二离子阱切片中的离子个数不少于所述第一离子阱中的离子个数，
其中，所述第二离子阱切片包括所述至少两个离子阱切片中的除所述第一离子阱切片外的其他离子阱切片。
10.如权利要求8或9所述的装置，其中，所述量子门为双比特量子门，并且其中，在进行所述离子穿梭操作前，所述第二离子阱切片和所述第一离子阱切片中的离子个数相等，并且所述第一离子阱切片中的待用于生成除所述量子门以外的其他量子门的离子个数大于所述第二离子阱切片中的待用于生成所述其他量子门的离子个数，
其中，所述第二离子阱切片包括所述至少两个离子阱切片中的除所述第一离子阱切片外的其他离子阱切片。
11.如权利要求8所述的装置，还包括：分解单元，配置为响应于所述量子门为三比特或三比特以上的量子门，将所述量子门分解为包括单比特量子门和双比特量子门中的至少一个的量子门集合，以基于所述量子门集合和所述离子阱芯片生成所述量子门。
12.如权利要求8所述的装置，还包括：移动单元，配置为在通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作之前，响应于确定待穿梭离子在相应离子阱切片中的位置不位于靠近所述离子穿梭通道的一端，将所述待穿梭离子移动到所述相应离子阱切片中的靠近所述离子穿梭通道的一端。
13.如权利要求8所述的装置，还包括：移动单元，配置为在通过所述离子穿梭通道进行离子穿梭操作之前，响应于确定待穿梭离子在相应离子阱切片中的位置不位于靠近所述离子穿梭通道的一端，将所述待穿梭离子的量子信息交换到靠近所述离子穿梭通道的一端的离子上，以将靠近所述离子穿梭通道的一端的离子作为新的待穿梭离子进行所述离子穿梭操作。
14.如权利要求8-13中任一项所述的装置，还包括：基于所述离子穿梭操作以及穿梭后的所述第一离子阱切片确定所生成量子门的保真度和操作时间中的至少一者。
15.一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
16.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法。
17.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法。
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