CN115409190A - 一种寻址操控系统及量子计算机 - Google Patents

Abstract

本文公开一种寻址操控系统及量子计算机，本发明实施例寻址操控系统根据需要同时进行寻址操控的量子比特数调整输出光束数量，减少了对光源总功率的要求，在简化物理组成的同时，设计实现了可用于对大规模量子比特阵列执行寻址操控的系统，为大规模量子计算提供了技术支持。

Description

一种寻址操控系统及量子计算机

技术领域

本文涉及但不限于量子计算技术，尤指一种寻址操控系统及量子计算机。

背景技术

离子阱系统被认为是最有可能实现量子计算机的硬件平台之一，它具有长相干时间、高保真度量子逻辑门操作和扩展成本低等优势，但也存在激光操控过于复杂等问题。近些年，低温离子阱系统成为热门发展方向，低温环境下，离子阱系统可以实现超高真空度和低背景气体碰撞率，囚禁离子数和离子链寿命也得到了很大提升。对数以百计的多离子系统，如何实现支持并行量子操控的多离子寻址操控，是量子计算应用发展的一大难关。

目前，相关技术中的多离子寻址方式主要包括：1)通过多通道声光调制器(AOM)进行寻址操控；2)通过声光偏转器(AOD)进行多离子寻址操控；3)通过微波电极和梯度磁场实现寻址操控；其中，通过多通道AOM进行寻址操控将多束入射光入射到多通道AOM的各个通道上进行调制，调制后的光束传输到与各通道相对应的离子上；该方案入射光束数、通道数和射频调制信号数随着离子数增加而增加，离子数大时，系统庞大和复杂。通过AOD进行多离子寻址操控使用单束激光入射，在AOD上施加射频驱动信号，调制后产生与所施加的射频信号频率和数量相关的多个衍射光斑；该方案大大降低了对入射光束和射频信号的要求，但调制后的衍射光束之间存在频率差，无法进行并行量子操控；在通过AOD进行多离子寻址操控的另一种方案中，使用两个驱动场方向相互垂直的两个AOD，实现出射的部分光斑之间无频率差，但该方案激光功率的损耗会随着离子数的增多大幅增加。通过微波电极和梯度磁场实现寻址操控，利用微波电极在离子阱囚禁区域产生梯度磁场，使得不同位置的离子塞曼子能级的跃迁频率不同，调节微波电极中的微波频率可以实现对不同位置的离子寻址操控；由于该方案要求离子和微波电极的距离要求非常近以获得足够大的梯度磁场，电极表面的电场噪声大大降低了离子比特的相干时间，且对离子进行寻址操控的电场会引起离子链的位置偏移，引入离子微运动(micromotion)，因此，会降低量子逻辑门操作的保真度。

综上，相关技术的多离子寻址方法，随着离子比特数的增加，存在所需的物理资源快速增长、衍射光束之间存在频率差、激光功率的损耗大或保真度无法保证的问题，限制了大规模量子计算的实现。如何实现大规模离子阱系统的寻址操控，成为一个亟待解决的问题。

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寻址操控系统及量子计算机，能够实现大规模离子阱的寻址操控。

本发明实施例提供了一种寻址操控系统，包括：第一控制单元、多通道声光调制单元、第一成像单元；其中，

第一控制单元设置为：根据寻址操作的选址位置和量子比特数量，向多通道声光调制单元发送第一射频驱动信号；

多通道声光调制单元设置为：通过N个通道的每一个通道接收一束入射激光；根据接收的第一射频驱动信号对每一个通道接收的入射激光，分别进行第一调制、出射的光束数量控制和出射的方向控制；

第一成像单元位于多通道声光调制单元与量子比特阵列之间，设置为：

将来自多通道声光调制单元N个通道的每一个通道的激光，按照预先确定各通道相对应的量子比特阵列的分区，以预设的出射方向、发散角及预设光斑大小，聚焦在对应分区的量子比特上，进行寻址操控；

其中，所述第一调制包括以下一项或任意组合：功率、相位和频率；N为大于等于2的整数；量子比特阵列包含的N个分区中一个以上的分区包含两个以上量子比特。

另一方面，本发明实施例还提供一种寻址操控系统，包括：

第二控制单元、第二声光偏转器、第二多通道声光器件和第二成像系统；其中，

第二控制单元设置为：根据寻址操作的选址位置和量子比特数量，向第二声光偏转器和第二多通道声光器件发送第二射频驱动信号；

第二声光偏转器设置为：根据第二射频驱动信号，对入射的一束激光进行第二调制，获得预设数值束激光；对通过第二调制获得的每一束激光进行出射方向控制，以使每一束激光出射至第二多通道声光器件的一个预设通道；

第二多通道声光器件设置为：根据第二射频驱动信号，对接收到的各通道的激光进行第三调制和通断控制；

第二成像系统包括第三成像单元和第四成像单元；其中，

第三成像单元位于第二声光偏转器和第二多通道声光器件之间，设置为：将第二声光偏转器出射的激光聚焦入射到第二多通道声光器件的对应通道中；

第四成像单元位于第二多通道声光器件和执行寻址操控的量子比特阵列之间，设置为：调整从第二多通道声光器件出射的激光的光束方向，并使其以预设光斑大小聚焦到量子比特阵列中的相应量子比特上，以通过出射的激光对量子比特阵列执行寻址操控；

其中，所述预设数值等于需要被寻址的量子比特数；所述第二多通道声光器件的所述预设通道根据需要被寻址的量子比特的空间位置分布确定。

再一方面，本发明实施例还提供一种量子计算机，包括上述的寻址操控系统。

本申请技术方案包括一种寻址操控系统，包括：第一控制单元、多通道声光调制单元、第一成像单元；其中，第一控制单元设置为：根据寻址操作的选址位置和量子比特数量，向多通道声光调制单元发送第一射频驱动信号；多通道声光调制单元设置为：通过N个通道的每一个通道接收一束入射激光；根据接收的第一射频驱动信号对每一个通道接收的入射激光，分别进行第一调制、出射的光束数量控制和出射的方向控制；第一成像单元位于多通道声光调制单元与量子比特阵列之间，设置为：将来自多通道声光调制单元N个通道的每一个通道的激光，按照预先确定各通道相对应的量子比特阵列的分区，以预设的出射方向、发散角及预设光斑大小，聚焦在对应分区的量子比特上，进行寻址操控；其中，所述第一调制包括以下一项或任意组合：功率、相位和频率；N为大于等于2的整数；量子比特阵列包含的N个分区中一个以上的分区包含两个以上量子比特。本发明实施例在简化物理组成的同时，设计实现了可用于对大规模量子比特阵列执行寻址操控的系统，为大规模量子计算提供了技术支持。

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为本发明一实施例寻址操控系统的结构框图；

图2为本发明另一实施例寻址操控系统的组成框图；

图3为本发明再一实施例寻址操控系统的组成框图；

图4为本发明还一实施例寻址操控系统的组成框图；

图5为本发明还一实施例寻址操控系统的组成框图；

图6为本发明还一实施例寻址操控系统的组成框图；

图7为本发明另一实施例寻址操控系统的结构框图。

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1为本发明一实施例寻址操控系统的结构框图，如图1所示，包括：第一控制单元、多通道声光调制单元、第一成像单元；其中，

第一控制单元设置为：根据寻址操作的选址位置和量子比特数量，向多通道声光调制单元发送第一射频驱动信号；

多通道声光调制单元设置为：通过N个通道的每一个通道接收一束入射激光；根据接收的第一射频驱动信号对每一个通道接收的入射激光，分别进行第一调制、出射的光束数量控制和出射的方向控制；

第一成像单元位于多通道声光调制单元与量子比特阵列之间，设置为：

将来自多通道声光调制单元N个通道的每一个通道的激光，按照预先确定各通道相对应的量子比特阵列的分区，以预设的出射方向、发散角及预设光斑大小，聚焦在对应分区的量子比特上，进行寻址操控；

其中，第一调制包括以下一项或任意组合：功率、相位和频率；N为大于等于2的整数；量子比特阵列包含的N个分区中一个以上的分区包含两个以上量子比特。

需要说明的是，本发明实施例从多通道声光调制单元每个通道出射的激光的数量等于对应量子比特阵列分区中需要被寻址的量子比特数；根据每个量子比特阵列分区中需要被寻址的量子比特的空间位置分布，确定施加到声光调制单元对应通道的第一射频驱动信号的频率，以控制该通道出射激光的方向，以使得出射激光经过第一成像单元后，聚焦到对应分区的被寻址量子比特上。

本发明实施例中，多通道声光调制单元的N个通道与量子比特阵列的N个分区一一对应，即，多通道声光调制单元的一个通道出射的激光负责对相对应分区内的量子比特进行寻址操作。需要注意的是，此处多通道声光调制单元的N个通道与量子比特阵列的N个分区一一对应，是指多通道声光调制单元的N个用于寻址操控的通道，与量子比特阵列中需要被寻址操控的N个分区一一对应。多通道声光调制单元还可以包含其它不用于寻址操控的通道；量子比特阵列还可以包含其它不需要执行寻址操控的分区。

本发明实施例在简化物理组成的同时，设计实现了可用于对大规模量子比特阵列执行寻址操控的系统，为大规模量子计算提供了技术支持。

在一种示例性实例中，本发明实施例多通道声光调制单元包括：第一多通道声光调制器(multi-channel acousto-optic modulator)和第一单通道声光偏转器(acousto-optic deflector,AOD)；其中，

第一多通道声光调制器包含N个以上通道，第一单通道声光偏转器的有效孔径内包含N个以上分区；第一多通道声光调制器的其中N个通道，与第一单通道声光偏转器的其中N个分区，和量子比特阵列的N个分区一一对应；即：第一多通道声光调制器的一个通道出射的激光，入射至第一单通道声光偏转器的对应分区；第一单通道声光偏转器一个分区出射的激光，负责对量子比特阵列对应分区内的量子比特进行寻址操作。

图2为本发明另一实施例寻址操控系统的示意图，如图2所示，多通道声光调制单元由第一多通道声光调制器和第一单通道声光偏转器组成；第一单通道声光偏转器的有效孔径包含的N个分区，与第一多通道声光调制器的N个通道以及量子比特阵列的N个分区一一对应。在一种示例性实例中，本发明实施例第一多通道声光调制器的通道数大于或等于N。本发明实施寻址操控系统的寻址能力是第一多通道声光调制器通道数和第一声光偏转器寻址能力的乘积，较相关技术的寻址操控系统，提升了寻址能力。

本发明实施例中第一多通道声光调制器的各通道与第一单通道声光偏转器的各分区一一对应。第一多通道声光调制器各通道出射的激光，入射到第一单通道声光偏转器的相应分区。本发明实施例中，根据第一单通道声光偏转器的分区，将量子比特阵列分成相同数量的分区，每个第一单通道声光偏转器的分区，负责一个量子比特阵列分区的寻址操作，即第一单通道声光偏转器分区与量子比特阵列分区一一对应。每个量子比特阵列分区中包含至少一个量子比特，所包含量子比特数可以由第一单通道声光偏转器的寻址能力决定。需要说明的是，本发明实施例中第一多通道声光调制器的各通道、与第一单通道声光偏转器的各分区和量子比特阵列的各分区一一对应是指：第一多通道声光调制器中用于寻址操控的各通道，与第一单通道声光偏转器所包含的用于寻址操控的各分区，和量子比特阵列所包含的需要被寻址操控的分区一一对应。第一多通道声光调制器还可以包含其它不用于寻址操控的通道；第一单通道声光偏转器还可以包含其它不用于寻址操控的分区；量子比特阵列还可以包含其它不需要执行寻址操控的分区。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一调制通过第一多通道声光调制器和第一单通道声光偏转器实现；出射的激光的光束数量控制和出射方向控制通过第一单通道声光偏转器实现。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一多通道声光调制器包括多通道声光调制器(multi-channel acousto-optic modulator)、多通道声光偏转器(multi-channelacousto-optic deflector)，多个单通道声光调制器，或者多个单通道声光偏转器。

在一种示例性实例中，本发明实施例通过第一多通道声光调制器调制第一单通道声光偏转器不同分区上的光通断和光功率，可以实现量子比特阵列中任一单量子比特的寻址操控和两个以上量子比特的并行操控；在一种示例性实例中，并行操控的两个以上量子比特可以位于同一量子比特阵列分区，也可以位于不同分区。

在一种示例性实例中，本发明实施例寻址操控系统还包括第二成像单元，图3为本发明再一实施例寻址操控系统的组成框图，如图3所示，第二成像单元位于第一多通道声光调制器和第一单通道声光偏转器之间，设置为：对入射至第一单通道声光偏转器的激光的入射角、发散角和光斑形状进行控制。

图4为本发明还一实施例寻址操控系统的组成框图，如图4所示，本发明实施例多通道声光调制单元为多通道声光偏转器。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一成像单元包括透镜阵列和物镜；图5为本发明还一实施例寻址操控系统的组成框图，如图5所示，透镜阵列包括与多通道声光调制单元的N个通道一一对应的N个透镜；多通道声光调制单元的每个通道位于对应透镜的前焦点位置；每个透镜对相应通道出射的激光的出射方向、发散角和光斑大小进行控制；物镜设置于透镜阵列和量子比特阵列之间，用于将经过透镜出射的激光聚焦到对应的量子比特上。需要说明的是，本发明实施例中，透镜阵列包含的透镜数量可以大于或等于N个；其中，N个透镜与多通道声光调制单元的用于寻址操控的N个通道一一对应。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一多通道声光调制器所施加射频调制信号的方向、和第一单通道声光偏转器所施加的射频调制信号的方向相同时，通过寻址操控系统实现了一维的量子比特阵列的寻址操作。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一多通道声光调制器所施加射频调制信号的方向和第一单通道声光偏转器所施加的射频调制信号的方向不同。图6为本发明还一实施例寻址操控系统的组成框图，如图6所示，本发明实施例寻址操控系统实现了二维的量子比特阵列的寻址操作。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一控制单元，还可以包括多个任意波形发生器(AWG，arbitrary waveform generator)或者直接数字合成器(DDS，direct digitalsynthesizer)等可以产生射频信号的元件。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的第一成像单元由空间光调制器组成；空间光调制器可以控制激光相位的空间分布，根据相关技术原理，可以利用空间光调制器模拟透镜阵列和物镜。

图7为本发明另一实施例寻址操控系统的结构框图，如图7所示，包括：第二控制单元、第二声光偏转器、第二多通道声光器件和第二成像系统；其中，

第二控制单元设置为：根据寻址操作的选址位置和量子比特数量，向第二声光偏转器和第二多通道声光器件发送第二射频驱动信号；

第二声光偏转器设置为：根据第二射频驱动信号，对入射的一束激光进行第二调制，获得预设数值束激光；对通过第二调制获得的每一束激光进行出射方向控制，以使每一束激光出射至第二多通道声光器件的一个预设通道；

第二多通道声光器件设置为：根据第二射频驱动信号，对接收到的各通道的激光进行第三调制和通断控制；

第二成像系统包括第三成像单元和第四成像单元；其中，

第三成像单元位于第二声光偏转器和第二多通道声光器件之间，设置为：将第二声光偏转器出射的激光聚焦入射到第二多通道声光器件的对应通道中；

第四成像单元位于第二多通道声光器件和执行寻址操控的量子比特阵列之间，设置为：调整从第二多通道声光器件出射的激光的光束方向，并使其以预设光斑大小聚焦到量子比特阵列中的相应量子比特上，以通过出射的激光对量子比特阵列执行寻址操控；

其中，预设数值等于需要被寻址的量子比特数；第二多通道声光器件的预设通道根据需要被寻址的量子比特的空间位置分布确定。这里，预设通道包括有激光入射的通道。

本发明实施例第四成像单元将第二多通道声光器件的每一个用于寻址操控的通道分别映射到一个量子比特上，由此，当改变第二多通道声光器件所施加的射频调制信号的频率时，出射激光依然照射到相应的量子比特上，从而可以补偿每一个通道的激光之间的频率差，进而可以实现多量子比特并行寻址。

在一种示例性实例中，本发明实施例第三调制包括对激光的以下一项或任意组合的参数进行调制：功率、相位和频率。

在一种示例性实例中，本发明实施例第三调制包括对激光频率进行调制，对激光频率进行的调制包括：

调整施加于第二多通道声光器件的每一个通道的射频驱动场的频率，以使得从各个通道出射的激光频率之差小于预设的频率差值；这里，从各个通道出射的激光频率之差小于预设的频率差值，频率差值可以是兆赫兹量级。

本发明实施例第二多通道声光器件的每一个用于寻址操控的通道与量子比特阵列中需要执行寻址操控的量子比特一一对应；本发明实施例改变每个通道射频调制信号的频率时，寻址光在量子比特所在平面内的位置不发生改变；本发明实施例第二多通道声光器件的通道数决定了可寻址的量子比特数。

在一种示例性实例中，本发明实施例第二多通道声光器件包括多通道声光调制器、多通道声光偏转器、多个单通道声光调制器和多个单通道声光偏转器。

在一种示例性实例中，本发明实施例第三成像单元为透镜。

在一种示例性实例中，本发明实施例第四成像单元为物镜。

在一种示例性实例中，本发明实施例第二控制单元，还可以包括任意波形发生器(AWG，arbitrary waveform generator)或者直接数字合成器(DDS，direct digitalsynthesizer)等可以产生射频信号的元件。

本发明实施例还提供一种量子计算机，包括上述的寻址操控系统。

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 (12)

1.一种寻址操控系统，包括：第一控制单元、多通道声光调制单元、第一成像单元；其中，

第一控制单元设置为：根据寻址操作的选址位置和量子比特数量，向多通道声光调制单元发送第一射频驱动信号；

多通道声光调制单元设置为：N个通道的每一个通道接收一束入射激光；根据接收的第一射频驱动信号对每一个通道接收的入射激光，分别进行第一调制、出射的光束数量控制和出射的方向控制；

第一成像单元位于多通道声光调制单元与量子比特阵列之间，设置为：

将来自多通道声光调制单元N个通道的每一个通道的激光，按照预先确定各通道相对应的量子比特阵列的分区，以预设的出射方向、发散角及预设光斑大小，聚焦在对应分区的量子比特上，进行寻址操控；

其中，所述第一调制包括以下一项或任意组合：功率、相位和频率；N为大于等于2的整数；量子比特阵列包含的N个分区中一个以上的分区包含两个以上量子比特。

2.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，所述多通道声光调制单元包括：第一多通道声光调制器和第一单通道声光偏转器；

其中，所述第一多通道声光调制器包含N个以上通道，所述第一单通道声光偏转器的有效孔径内包含N个以上分区；所述第一多通道声光调制器的其中N个通道、与所述第一单通道声光偏转器的其中N个分区和所述量子比特阵列的N个分区一一对应。

3.根据权利要求2所述的寻址操控系统，其特征在于，所述寻址操控系统还包括第二成像单元，所述第二成像单元位于所述第一多通道声光调制器和所述第一单通道声光偏转器之间，设置为：

对入射至所述第一单通道声光偏转器的激光的入射角、发散角和光斑形状进行控制。

4.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，所述多通道声光调制单元为多通道声光偏转器。

5.根据权利要求1～4任一项所述的寻址操控系统，其特征在于，所述第一成像单元包括透镜阵列和物镜；其中，

所述透镜阵列包括与所述多通道声光调制单元的N个通道一一对应的N个透镜；所述多通道声光调制单元的每个通道位于对应透镜的前焦点位置；每个所述透镜对相应通道出射的激光的出射方向、发散角和光斑大小进行控制；

所述物镜设置于所述透镜阵列和所述量子比特阵列之间，用于将经过所述透镜出射的激光聚焦到对应的量子比特上。

6.根据权利要求1～4任一项所述的寻址操控系统，其特征在于，所述第一成像单元包括空间光调制器。

7.一种寻址操控系统，包括：第二控制单元、第二声光偏转器、第二多通道声光器件和第二成像系统；其中，

第二控制单元设置为：根据寻址操作的选址位置和量子比特数量，向第二声光偏转器和第二多通道声光器件发送第二射频驱动信号；

第二声光偏转器设置为：根据第二射频驱动信号，对入射的一束激光进行第二调制，获得预设数值束激光，对通过第二调制获得的每一束激光进行出射方向控制，以使每一束激光出射至第二多通道声光器件的一个预设通道；

第二多通道声光器件设置为：根据第二射频驱动信号，对接收到的各通道的激光进行第三调制和通断控制；

第二成像系统包括第三成像单元和第四成像单元；其中，

第三成像单元位于第二声光偏转器和第二多通道声光器件之间，设置为：将第二声光偏转器出射的激光聚焦入射到第二多通道声光器件的对应通道中；

第四成像单元位于第二多通道声光器件和执行寻址操控的量子比特阵列之间，设置为：调整从第二多通道声光器件出射的激光的光束方向，并使其以预设光斑大小聚焦到量子比特阵列中的相应量子比特上，以通过出射的激光对量子比特执行寻址操控；

其中，所述预设数值等于需要被寻址的量子比特数；所述第二多通道声光器件的所述预设通道根据需要被寻址的量子比特的空间位置分布确定。

8.根据权利要求7所述的寻址操控系统，其特征在于，所述第三调制包括对激光的以下一项或任意组合的参数进行调制：功率、相位和频率。

9.根据权利要求8所述的寻址操控系统，所述第三调制包括对激光频率进行调制，所述对激光频率进行的调制包括：

调整施加于所述第二多通道声光器件的每一个通道的射频驱动场的频率，以使得从各个通道出射的激光频率之差小于预设的频率差值。

10.根据权利要求7所述的寻址操控系统，其特征在于，所述第三成像单元为透镜。

11.根据权利要求7～10任一项所述的寻址操控系统，其特征在于，所述第四成像单元为物镜。

12.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项或权利要求7～11任一项所述的寻址操控系统。

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