CN116096668A

CN116096668A - 量子信息的存储及传导

Info

Publication number: CN116096668A
Application number: CN202180058802.6A
Authority: CN
Inventors: S·西蒙斯; E·麦夸里
Original assignee: Photonics Corp
Current assignee: Photonics Corp
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-05-09
Also published as: EP4179534A4; WO2022020951A1; CA3189846C; CA3189846A1; JP2023535952A; EP4179534A1; US20240012749A1

Abstract

用于存储及传导量子信息的方法及设备提供硅中的发光中心，所述发光中心经可控地耦合以经历与例如超导量子位的第一量子位的量子相互作用。举例来说，所述发光中心可为T中心或T中心系集。可以所述T中心的不成对电子或空穴自旋及/或三个核自旋中的一或多者存储相同或不同量子信息。稍后可将所述经存储量子信息返回到所述第一量子位或传送到可见光子状态。

Description

量子信息的存储及传导

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2020年7月28日提出申请且标题为量子信息的存储及传导(STORAGEAND TRANSDUCTION OF QUANTUM INFORMATION)的第63/057796号美国申请案的优先权，所述美国申请案特此出于所有目的以引用的方式并入本文中。出于美国的目的，本申请案依据35U.S.C.§119主张2020年7月28日提出申请且标题为量子信息的存储及传导(STORAGEAND TRANSDUCTION OF QUANTUM INFORMATION)的第63/057796号美国申请案的权益。

技术领域

本发明技术涉及量子信息的存储及操纵。一些实施例提供用于在具有以不同能量分隔开的量子状态的量子位之间传导量子信息的方法及设备。举例来说，本发明技术的一应用是将量子信息从具有对应于微波波长的能级分离的量子位传导到可见光子。本发明技术的另一应用是存储量子信息。本发明的另一应用是在多个量子位之间形成量子纠缠。

背景技术

量子计算有可能使计算机科学彻底变革。在量子计算中，量子系统的状态用于表示数据。举例来说，粒子(例如电子)相对于磁场的自旋方向可表示二进制值1或0，这取决于自旋是定向为平行于磁场(下自旋)还是反平行于磁场(上自旋)。量子计算的一个优点是量子系统可处于状态叠加。举例来说，在某种意义上，量子系统可同时上自旋及下自旋。量子计算的另一优点来自不同量子系统的状态可被纠缠的事实。

制作量子计算机的一个困难是，在将量子系统设定为处于特定所要状态并且同时操纵量子系统以试图将其置于所要状态之后，量子系统可因与其环境相互作用而失去相干。此导致量子系统不再处于所要状态。一些量子系统在极短时间(例如，一纳秒左右时间)经历去相干。可通过使量子系统保持于极冷(例如，mK)温度来减小去相干对特定量子系统的影响。

仍需要将进一步推动量子计算进展的技术进步。

定义

“量子系统”是具有两个或更多个状态且可以两个或更多个状态的叠加存在的系统。举例来说，量子系统可包括粒子(例如电子、质子、中子、原子核、原子、原子群)、伪粒子(例如，声子、激子、磁子)、光子等等。

“量子相互作用”包含两个或更多个量子位的量子状态之间的相互作用。量子相互作用的实例包含状态传送相互作用及量子纠缠操作。

“量子相干”意指量子系统(例如量子位)的不同量子状态的相位之间的关系被保留的程度。

“量子去相干”是因量子系统与其环境之间的相互作用导致的系统的量子状态的改变。

“纠缠”在应用于两个或更多个量子系统时意指纠缠的量子系统中的任一者的量子状态无法独立于纠缠的量子系统中的其它者(另一者)的状态来描述。

“发光中心”意指具有激发态的量子系统，所述激发态可随着通过具有至少0.1德拜的跃迁偶极矩的跃迁发射可见光子而衰变到较低能量状态。在优选实施例中，发光中心在处于激发态时将经历50μs或更短的跃迁且以相对高概率(例如，1％或更大)发射可见光子。

“可见光子”意指具有在远红外线与紫外线之间的范围内的波长的电磁辐射的光子。具有在15μm到10nm的范围内的波长的光子是可见光子的实例。具有在2μm到380nm的范围内的波长的光子是可见光子的实例。

“量子位”意指可以可表示数据的状态的叠加存在的量子系统。量子位的实例是可定向为平行于磁场(“下自旋”)或反平行于磁场(“上自旋”)的粒子的量子自旋。举例来说，上自旋状态可与逻辑“1”相关联且下自旋状态可与逻辑“0”相关联。

“量子测量”意指通过其针对量子系统的可测量量确定值的过程。量子测量的实例是确定量子粒子的自旋是上自旋还是下自旋的过程。在量子系统处于量子状态叠加且可测量量针对量子状态中的每一者具有不同值的情况下，则量子测量的结果是量子系统将处于与在量子测量之后立即确定的值对应的量子状态中的一者。

“叠加”在应用于量子粒子或其它量子系统时意指量子系统同时以两个或更多个单独量子状态存在。举例来说，在磁场中具有非零自旋的量子粒子可同时处于两个不同自旋状态。

发明内容

本发明技术具有各种方面。这些包含但不限于：

·用于延长量子计算机中的量子位的相干时间的系统及方法；

·用于将数据提供到量子计算机中的量子位及从量子计算机中的量子位读取数据的系统及方法；

·用于使用可见光子来与其中状态以亚光能量分隔开的量子位相互作用的系统及方法；

·用于量子计算的系统及方法；

·用于使微波与可见光子纠缠的系统及方法；

这些方面可个别地应用或以任何组合应用。

本发明的一个方面提供一种用于存储量子信息的方法。所述方法包括提供处于将第一量子信息编码的第一量子状态的第一量子位。所述第一量子位具有以对应于微波频率的能量ΔE_SQ分隔开的第一与第二经量化能级。在一些实施例中，所述第一量子位包括超导量子位。所述方法包括通过微波光子状态将所述第一量子位耦合到硅中的第一发光中心，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的量子状态经历量子相互作用，其中所述第一发光中心的所述量子状态将所述第一量子信息编码。

一些实施例包括将所述第一量子位与所述第一发光中心解耦合。

一些实施例包括将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心达基本上等于所述第一量子位及所述第一发光中心的两量子位拉比(Rabi)频率的n个半周期的时间，其中n是奇整数。

在一些实施例中，所述第一发光中心具有以能量ΔE_LC1分隔开的第一与第二经量化能级，且将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心包括调整所述能量ΔE_LC1及所述能量ΔE_SQ中的一者或两者使得ΔE_LC1与ΔE_SQ基本上相等。

一些实施例包括通过将电场施加到所述第一发光中心而调整所述能量ΔE_LC1。一些实施例包括通过将RF驱动信号施加到所述第一发光中心而调整所述能量ΔE_LC1。一些实施例包括通过将应变施加到所述第一发光中心位于其中的所述硅而调整所述能量ΔE_LC1。在一些实施例中，所述第一发光中心是在磁场中，且所述方法包括通过改变所述发光中心处所述磁场的强度而调整所述能量ΔE_LC1。

在一些实施例中，所述第一发光中心拥有以能量差ΔE_LC2与所述第一能级分隔开的第三能级，且所述方法包括将所述第一发光中心的所述量子状态耦合到具有对应于ΔE_LC2的谐振频率的第一谐振器中的光子状态，使得所述第一谐振器中的所述光子状态将所述第一量子状态编码。在一些实施例中，所述第一谐振器中的所述光子状态是可见光子状态。在一些实施例中，所述第一谐振器中的所述光子状态对应于在约1μm到约5μm的范围内的光波长。

一些实施例包括将所述光子状态的光子递送到第二谐振器且将所述第二谐振器耦合到第二发光中心，使得所述第二发光中心的量子状态将所述第一量子信息编码。

在一些实施例中，使所述第一谐振器中的所述光子状态与第二谐振器中的另一光子状态纠缠，且所述方法包括将所述第二谐振器耦合到第二发光中心，使得所述第二发光中心的量子状态将所述第一量子信息编码。

一些实施例包括通过经由另一微波光子状态将所述第二发光中心耦合到第二物质量子位而以所述第二物质量子位的量子状态将所述第一量子信息编码，其中所述第二物质量子位及所述第二发光中心的量子状态参与量子相互作用，使得所述第二物质量子位的所述量子状态将所述第一量子信息编码。一些实施例包括将所述第二物质量子位与所述第二发光中心解耦合。一些实施例包括使所述光子状态与三个或更多个发光中心纠缠。一些实施例包括通过经由另一微波光子状态将所述第一发光中心耦合到所述第一量子位而将所述第一量子信息返回到所述第一量子位，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的量子状态参与量子状态传送相互作用，使得所述第一量子位的所述量子状态将所述第一量子信息编码。

在一些实施例中，所述第一发光中心包括硅晶体中的晶体缺陷。在一些实施例中，所述第一发光中心包括发光中心系集，其中所述系集中的所述发光中心中的每一者包括硅晶体中的晶体缺陷。

在一些实施例中，所述晶体缺陷包括T中心。在一些实施例中，所述晶体缺陷具有不成对基态自旋且包括I中心或M中心或Al1中心或Ga1中心或氮-碳中心或者硅损坏中心。

在一些实施例中，其中所述晶体缺陷包括具有电子自旋的电子及具有空穴自旋的空穴中的至少一者，且所述第一发光中心的所述第一及第二经量化能级分别包括所述电子或所述空穴的下自旋状态及上自旋状态。在一些实施例中，所述晶体缺陷包括至少一个核自旋，且所述方法进一步包括以所述核自旋的量子状态将所述电子或所述空穴的量子状态编码，使得所述核自旋将所述第一量子信息编码。

在一些实施例中，所述晶体缺陷包括至少一个不成对电子或空穴自旋及至少一个核自旋，且所述方法进一步包括以所述至少一个不成对电子或空穴自旋与所述至少一个核自旋的联合量子状态将所述第一量子信息编码。在一些实施例中，以所述不成对电子或空穴自旋与所述核自旋的所述联合量子状态将所述第一量子信息编码包括引起交叉跃迁。在一些实施例中，所述交叉跃迁包括电子偶极自旋谐振(EDSR)跃迁。一些实施例包括通过将所述不成对电子或空穴自旋设定为具有经初始化量子状态且引起所述不成对电子或空穴自旋及/或所述核自旋的自旋跃迁而恢复所述第一量子信息。

在一些实施例中，所述晶体缺陷包括多个核自旋，且所述方法包括：

以所述核自旋中的第一者将所述第一量子信息编码；

致使所述第一量子位将第二量子信息编码；

通过第二微波光子状态将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的电子或空穴的量子状态经历量子相互作用且所述第一发光中心的所述电子或空穴的所述量子状态将所述第二量子信息编码；

将所述第一量子位与所述第一发光中心解耦合；及

以所述核自旋中的第二者的量子状态将所述电子或空穴的所述量子状态编码，使得所述核自旋中的所述第二者将所述第二量子信息编码。

一些实施例包括在将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心之前通过以光脉冲照明所述晶体缺陷中心而形成束缚激子。一些实施例包括以所述空穴的自旋状态将所述第一量子信息编码。在一些实施例中，所述发光中心包括硅晶体中的杂质原子。

在一些实施例中，所述杂质原子包括双施体原子。在一些实施例中，所述双施体是硒、碲或硫原子。

在一些实施例中，所述硅晶体中的至少95％的硅原子是硅-28。

在一些实施例中，所述第一量子位是在第一冷冻器中且所述第二物质量子位是在第二冷冻器中，且所述第一与第二谐振器是通过在所述第一及第二冷冻器外部经过的光学路径而连接。在一些实施例中，在所述第一及第二冷冻器外部的所述光学路径的至少一部分处于大于ΔE_SQ/k_B的温度，其中k_B是波兹曼(Boltzmann)常数。在一些实施例中，所述光学路径包括光纤。在一些实施例中，ΔE_SQ是1.3meV或更小。

在一些实施例中，所述第一量子位是超导量子位。在一些实施例中，所述第一量子位包括量子点或离子阱。

本发明的另一方面提供一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的方法。所述方法包括：将具有具以能量ΔE₁分隔开的对应能级的两个量子状态的超导量子位耦合到硅中的发光中心，所述发光中心具有具以接近ΔE₁的能量分隔开的对应能级的第一及第二量子状态以及具有分别以能量ΔE₂及ΔE₃与对应于所述第一及第二状态的所述能级分隔开的对应能级的第三及第四量子状态，及随后将所述发光中心耦合到光学结构，所述光学结构支持具有对应于所述能量ΔE₂及/或ΔE₃的频率的光子模式。

在一些实施例中，ΔE₂≠ΔE₃。

在一些实施例中，将所述超导量子位耦合到所述发光中心是通过具有对应于所述能量ΔE₁的微波谐振频率的谐振器执行。

一些实施例包括维持所述超导量子位与所述发光中心之间的所述耦合达等于所述经耦合超导量子位及所述发光中心的两量子位拉比频率的奇数个周期的时间且接着将所述超导量子位与所述发光中心解耦合。

在一些实施例中，所述光学结构是光学谐振器。

一些实施例包括检测所述光学结构中的光子。

本发明的另一方面提供一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的方法。所述方法包括通过微波光子使所述超导量子位的所述量子状态与发光中心的量子状态纠缠；及随后使所述发光中心的所述量子状态与可见光子状态纠缠。

一些实施例包括在使所述发光中心的所述量子状态与所述可见光子纠缠之前操纵所述发光中心的所述量子状态。

本发明的另一方面提供一种用于存储第一量子信息的方法。所述方法包括：耦合具有第一量子状态的量子位与硅中的T中心中的电子自旋或空穴自旋以将所述第一量子状态传送到所述电子自旋或空穴自旋的量子状态；及将所述电子自旋或空穴自旋与所述量子位解耦合。

一些实施例包括随后引起所述电子自旋或空穴自旋的所述量子状态与所述T中心的多个核自旋中的第一核自旋的量子状态之间的量子相互作用，使得以所述第一核自旋将所述第一量子信息中的一些或全部编码。

一些实施例包括将所述量子位设定为具有第二量子状态；及

耦合所述量子位与所述T中心中的所述电子自旋或空穴自旋以将所述第二量子状态传送到所述电子自旋或空穴自旋。

一些实施例包括将所述电子自旋或空穴自旋与所述量子位解耦合；及

随后将所述电子自旋或空穴自旋的所述量子状态传送到所述T中心的所述多个核自旋中的第二核自旋的量子状态。

本发明的另一方面提供一种用于存储量子信息的设备。所述设备包括：第一量子位，其具有以对应于微波频率的能量ΔE_SQ分隔开的第一与第二经量化能级；硅中的发光中心，其具有以能量ΔE_LC1分隔开的第一与第二经量化能级；及用于通过微波光子将所述第一量子位耦合到所述发光中心的构件。

在一些实施例中，所述第一量子位是超导量子位。

在一些实施例中，所述第一量子位是量子点或离子阱。

在一些实施例中，所述用于耦合的构件包括微波谐振器。

在一些实施例中，所述用于耦合的构件包括用于调整所述能量ΔE_LC1及所述能量ΔE_SQ中的一者或两者使得ΔE_LC1与ΔE_SQ基本上相等的构件。

一些实施例包括用于将所述第一量子位耦合到所述发光中心达基本上等于所述第一量子位及所述发光中心的两量子位拉比频率的n个半周期的时间的构件，其中n是奇整数。

在一些实施例中，所述发光中心包括T中心。

在一些实施例中，所述发光中心包括T中心系集。

一些实施例包括用于将所述T中心的不成对电子选择性地耦合到所述T中心的核自旋的构件。

在一些实施例中，所述发光中心是在硅衬底中且所述第一量子位是支撑在所述硅衬底上。

本发明的另一方面提供一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的设备。所述设备包括：超导量子位，其具有具以能量ΔE₁分隔开的对应能级的两个量子状态；硅中的发光中心，其具有具以接近ΔE₁的能量分隔开的对应能级的第一及第二量子状态以及具有分别以能量ΔE₂及ΔE₃与对应于所述第一及第二量子状态的所述能级分隔开的对应能级的第三及第四量子状态；用于将所述超导量子位耦合到所述发光中心的构件；及用于将所述发光中心耦合到光学结构的构件，所述光学结构支持具有对应于所述能量ΔE₂及/或ΔE₃的频率的光子模式。

本发明的另一方面提供一种用于在多个间隔开的量子位当中形成量子纠缠的方法。所述量子位中的每一者具有以对应于微波频率的能量ΔE_SQ分隔开的第一与第二经量化能级。所述方法包括：通过微波光子状态将所述量子位中的每一者耦合到硅中的对应发光中心，所述发光中心具有至少第一、第二及第三经量化能级，其中所述第一与第二能级以对应于所述微波光子状态的能量的能量差分隔开且所述第一与第三能级以对应于可见光子的能量的能量差分隔开；及通过光学结构将所述发光中心中的每一者耦合到所述对应发光中心中的其它者，所述光学结构支持一或多个可见光子状态，所述一或多个可见光子状态具有对应于所述发光中心在所述第一与第三能级之间的量子跃迁的能量。

本发明的另一方面提供一种用于量子计算的方法。所述方法包括：将量子信息作为量子位状态存储于硅晶体中的缺陷中，其中所述缺陷包括多个杂质原子，所述多个杂质原子共同包含具有对应电子自旋状态的至少一个不成对电子及各自具有对应核自旋状态的多个核自旋；及将所述自旋状态中的一者设定为表示所述量子位信息且使用多个所述核自旋对所述量子位信息进行量子错误校正或错误检测。

一些实施例包括使用所述多个核自旋进行多数决局部错误校正。

一些实施例包括使用所述多个核自旋作为用于以逻辑量子位将所述量子位信息编码的辅助。

在一些实施例中，所述缺陷包括T中心、I中心或M中心。

在一些实施例中，所述缺陷包括T中心。

在一些实施例中，所述核自旋的不同核自旋状态之间的跃迁的能级针对所述核自旋中的不同者是不同的。

本发明的另一方面提供一种用于量子纠缠纯化的方法。所述方法包括：提供硅晶体中的第一及第二缺陷，其中所述第一及第二缺陷各自包括包含电子或空穴自旋的操作量子位及包含核自旋的至少一个存储器量子位；及使所述第一及第二缺陷的所述操作量子位的量子状态纠缠；通过状态传送将所述纠缠传送到所述第一及第二缺陷中的每一者的所述至少一个存储器量子位。

一些实施例包括重复以下步骤：使所述第一及第二缺陷的所述操作量子位的量子状态纠缠；及通过状态传送将所述纠缠传送到所述第一及第二缺陷中的每一者的所述至少一个存储器量子位。

在一些实施例中，所述缺陷包括T中心、I中心或M中心。在一些实施例中，所述缺陷包括T中心。

本发明的另一方面提供一种用于将量子信息存储于硅晶体中的缺陷中的方法。所述方法包括：设定所述缺陷的电子或空穴自旋的量子状态以将第一量子信息编码且将所述缺陷的第一核自旋初始化到第一初始核自旋状态；及以第一光子照明所述缺陷，所述第一光子具有与涉及所述电子或空穴自旋及所述第一核自旋的第一自旋跃迁的能量匹配的第一波长。

一些实施例包括设定所述缺陷的所述电子或空穴自旋的量子状态以将第二量子信息编码且将所述缺陷的第二核自旋初始化到第二初始核自旋状态；及以第二光子照明所述缺陷，所述第二光子具有与涉及所述电子或空穴自旋及所述第二核自旋的第二自旋跃迁的能量匹配的第二波长。

在一些实施例中，所述第一跃迁是交叉跃迁。

在一些实施例中，以相干pi脉冲的形式提供所述第一光子。

在一些实施例中，所述缺陷包括T中心、I中心或M中心。

在一些实施例中，所述缺陷包括T中心。

在附图中图解说明及/或在以下说明中描述其它方面及实例实施例。

需要强调的是，本发明涉及以上特征的所有组合，即使这些是在不同技术方案中叙述。

附图说明

附图图解说明本发明的非限制性实例实施例。

图1示意性地图解说明包含短寿命量子位及用于延长短寿命量子位的寿命的设备的系统。

图1A示意性地图解说明短寿命量子位及长寿命量子位的量子状态的能量及光子与短寿命量子位及长寿命量子位的相互作用。

图2是图解说明两个经耦合量子系统的概率密度的演变的图表。

图3是图解说明用于保留短寿命量子位的量子状态的实例方法的流程图。

图4是展示包含短寿命量子位及长寿命量子位的实例系统的构造的示意性图解。

图5是展示耦合到经布置以将量子信息耦合到外部系统的微波及可见光子两者的量子位的示意性图解。

图6是可耦合到微波及可见光子两者的量子位中的量子状态的实例能级图。

图6A是展示经定位以通过电场或磁场相互作用耦合到微波光子的长寿命量子位的示意图。

图6B是展示可包含其中空穴自旋状态可充当长寿命量子位的束缚激子的量子系统的能级的示意图。

图7A及7B分别是示意性地图解说明其中量子位经布置以耦合到可见光子的系统的横截面图及平面图。

图8是展示其中多个冷冻器中的量子位可由可见光子耦合的系统的示意图。

图9展示硅中的T中心的结构。

具体实施方式

遍及以下说明，陈述特定细节以便提供对本发明的较透彻理解。然而，本发明可在无这些细节的情况下实践。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的元件以避免不必要地使本发明模糊。因此，应将说明书及图式视为具有说明意义而非限定意义。

本发明的一个方面提供延长量子位的寿命的设备。举例来说，量子位可包括超导量子位。超导量子位的一个缺点是其寿命不合意地较短(通常具有100μs左右或更短的相干时间)。此妨碍使用超导量子位处理量子信息的能力。

图1示意性地图解说明包含短寿命量子位12的系统10。举例来说，短寿命量子位12可包括超导量子位，例如跨子(transmon)或者其它基于电荷或基于通量的超导量子位。

系统10利用在硅晶体中提供的量子位可具有比短寿命量子位(例如超导量子位)长数个数量级的寿命的事实。系统10包含由硅制成的主体14。优选地但任选地，主体14包括具有原子重量28的硅(“硅28”)的纯化同位素。举例来说，主体14可为衬底的部分，在所述衬底上形成短寿命量子位12。主体14包含至少一个长寿命量子位16。

举例来说，长寿命量子位16可包括不成对自旋(例如，激子中的电子自旋或核自旋或空穴自旋)或若干个激子。举例来说，激子可通过以具有对应于所述激子的能量的频率的光辐射照明发光中心而形成。

长寿命量子位16可由发光中心中的一或多个粒子或准粒子提供。在一些实施例中，发光中心是由主体14中的晶体缺陷提供，例如具有不成对基态自旋的色彩中心(例如，T中心、I中心或M中心、Al1中心或Ga1中心或者氮-碳中心，或者自旋活性硅辐射损坏中心或具有不成对基态自旋的硅色彩中心)。在发光中心是晶体缺陷的情况下，粒子或准粒子可例如是发光中心的电子、空穴、原子核或激子。一些类型的晶体缺陷提供可个别地或以群组形式用于提供长寿命量子位的多个粒子或准粒子。举例来说，T中心具有至少三个核自旋、电子自旋、束缚激子中的空穴自旋的可能性及激子数，其可全部用作长寿命量子位16。

在一些情形中，晶体缺陷可包含一或多个杂质原子。在一些实施例中，发光中心是由杂质原子提供，在此情形中，长寿命量子位16可由杂质原子的电子自旋及核自旋中的一者或两者提供。

在一些实施例中，长寿命量子位16包括由杂质的原子(例如硅晶体中的硒或硫或者碲)提供的不成对自旋。

系统10还包含可控耦合18。可控制短寿命量子位12与长寿命量子位16之间通过耦合18的耦合以选择性地允许短寿命量子位14与长寿命量子位16彼此相互作用。

耦合18经配置以准许短寿命量子位12与长寿命量子位16之间进行充分强的耦合，以促进短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的状态传送或其纠缠。举例来说，所述耦合可包括谐振器，所述谐振器经设计以容纳具有对应于短寿命量子位12及长寿命量子位16的量子跃迁的能量的光子。

短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合强度的一个量度是本文中在其它处描述的两量子位拉比频率。两量子位拉比频率随两个量子位之间的耦合变强而增加。为了促进短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的高效量子相互作用，拉比频率的周期应大于短寿命量子位12及长寿命量子位16的相干时间。举例来说，可如下定义“协同性”：

其中C是协同性，f_R是拉比频率，R_SL是短寿命量子位的去相干率(即，去相干时间的倒数)，且R_LL是长寿命量子位的去相干率。在一些实施例中，当耦合18将短寿命量子位12耦合到长寿命量子位16时，耦合强度由协同值C≥1给出。

在一些实施例中，在小于50kHz的两量子位拉比频率下达成C>1。举例来说，在短寿命量子位12具有1μs的相干时间(其对于一些超导量子位是典型的)且长寿命量子位16具有1ms的相干时间(其对于T中心中的电子自旋是典型的)的情况下，则可在30kHz或更大的两量子位拉比频率下达成C>1。作为另一实例，在短寿命量子位12具有1μs的相干时间且长寿命量子位具有1s左右的相干时间(其对于硅中的T中心中的核自旋是典型的)的情况下，1kHz或更大的两量子位拉比频率足以达成C>1。

可通过增加短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合强度而增加拉比频率。举例来说，这可通过以下各项中的一或多者达成：

·使短寿命量子位12与长寿命量子位16的跃迁能量更紧密地匹配；

·使短寿命量子位12与长寿命量子位16物理上彼此更接近；

·使耦合18(例如，谐振器)的谐振频率与短寿命量子位12及长寿命量子位16的跃迁能量更紧密地匹配；

·提供其中短寿命量子位12及长寿命量子位16可各自耦合到将短寿命量子位12与长寿命量子位16耦合的电磁模式的波腹的几何结构。

短寿命量子位12可以各种方式表示量子位值，例如，其中按相位、电荷或通量存储量子信息的超导量子位的构造全部是已知的。

在一些实施例中，耦合18包括谐振器，所述谐振器经布置使得与短寿命量子位12相关联的电磁场的最大值耦合到所述谐振器。举例来说，在短寿命量子位12是超导通量量子位的情况下，谐振器可电感式耦合到所述超导通量量子位的磁场波腹。作为另一实例，在短寿命量子位12是超导电荷量子位或超导相位量子位的情况下，谐振器可电容式耦合在短寿命量子位12的电场波腹处。

耦合18的谐振器可经布置使得由所述谐振器支持的光子模式的电磁场最大值位于长寿命量子位16的位置处或接近于所述位置处。

在一些实施例中，耦合18是通过短寿命量子位12的电磁场与长寿命量子位16的直接相互作用而提供。在此些实施例中，耦合18是通过短寿命量子位12相对于长寿命量子位16的相对物理布置而提供，所述相对物理布置允许它们经耦合以进行量子相互作用，如本文中所描述。长寿命量子位16可位于一点处或附近，在所述点处与短寿命量子位12相关联的电磁场具有最大值。举例来说，在短寿命量子位12包括包含通量回路的超导通量量子位的情况下，长寿命量子位16(例如，T中心)可位于所述通量回路内其可直接耦合到由所述通量回路产生的磁场之处。在短寿命量子位12是电荷或相位量子位的情况下，长寿命量子位16可位于由短寿命量子位12产生的电场的电场最大值处或接近于所述电场最大值处。在一些实施例中，长寿命量子位16位于一位置处，在所述位置处，与长寿命量子位16相互作用的短寿命量子位12的电磁场具有比在所述电磁场具有最大强度的位置处所述电磁场的强度低不超过3dB或2dB的强度。

在一些实施例中，短寿命量子位12及长寿命量子位16中的每一者的量子状态之间的能量差对应于射频(RF)或微波区域中的光子频率。举例来说，在一些实施例中，光子频率是在约1MHz到100GHz的范围内。在一些实施例中，光子频率是在1GHz到100GHz的范围内。在一些实施例中，光子频率是在3GHz到8GHz的范围内。

能量与光子频率之间的关系由以下关系给出：

E＝hυ

其中E是能量差，h是普朗克(Planck)常数，且υ是光子频率。光子频率通过以下方程式与光子波长相关：

υ＝c/λ

其中c是光速且λ是光子波长。

系统10可包括操作以致使短寿命量子位12中的量子状态之间的能量差ΔE_S与长寿命量子位16中的量子状态之间的能量差ΔE_L相等或接近于相等的机构。所属领域的技术人员将理解，即使ΔE_S与ΔE_L之间存在细微差，短寿命量子位12与长寿命量子位16仍可参与量子相互作用(例如，状态传送或量子纠缠操作)。为了方便起见，在本公开中，当将两个能量陈述为“相等”(例如，在ΔE_S＝ΔE_L中)时，出于所描述目的(例如，两个量子系统的纠缠)，此意指所述两个能量完全相等或足够接近于相等。类似地，当将两个频率称为相等或匹配(例如，谐振器的谐振频率与光子的频率)时，出于所要目的(例如，在谐振器中激发光子模式)，此意指所述两个频率完全相等或足够接近于相等。

需要使ΔE_S与ΔE_L如何接近以至彼此相等而达成所要量子相互作用将取决于若干因素，例如短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合强度以及短寿命量子位12及长寿命量子位16的经量化跃迁的线宽。在一些实施例中，使短寿命量子位12中的量子状态之间的能量差ΔE_S与长寿命量子位16中的量子状态之间的能量差ΔE_L在1％或1/2％或万分之一内相等。

在一些实施例中，ΔE_S与ΔE_L是不相等的，除非控制其中一者或两者以达成ΔE_S＝ΔE_L。举例来说，此机构可通过将磁场、电场或RF控制场施加到短寿命量子位12及/或长寿命量子位16及/或通过将应变施加到长寿命量子位16位于其中的衬底而调整ΔE_S及ΔE_L中的一者或两者。

系统10任选地还包含用于调整短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合的机构。举例来说，此机构可包括可调整谐振器，其具有可调整以匹配或不匹配具有等于ΔE_S及ΔE_L的能量的光子的频率的谐振频率。

当ΔE_S≠ΔE_L及/或短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合以某一其它方式被停用时，则短寿命量子位12及长寿命量子位16的量子状态可基本上彼此独立地演变。

当ΔE_S＝ΔE_L且短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合充分时，短寿命量子位12与长寿命量子位16的量子状态可通过微波光子纠缠。此图解说明于图1A中。

图1A示意性地展示短寿命量子位12的状态12H及12L以及长寿命量子位16的状态16H及16L。短寿命量子位12可发射光子19且从状态12H跃迁到状态12L。短寿命量子位12可吸收光子19且从状态12L跃迁到状态12H。长寿命量子位16可发射光子19且从状态16H跃迁到状态16L。长寿命量子位16可吸收光子19且从状态16L跃迁到状态16H。

由于量子位12及16是量子系统，因此在不存在量子测量的情况下，包含量子位12、量子位16及光子19的较大系统可以可包含其中量子位12及16中的任一者或两者已发射光子19的状态及其中量子位12及16中的任一者或两者已吸收光子19的状态的状态叠加存在。量子位12与16的状态彼此纠缠且与光子19的状态纠缠，所述量子位的量子状态通过所述光子耦合。

短寿命量子位12与长寿命量子位16的相干耦合可被选择性地启用例如以通过调整以下各项中的一或多者而使短寿命量子位12与长寿命量子位16的量子状态纠缠及/或将短寿命量子位12的量子状态传送到长寿命量子位16及/或将长寿命量子位16的量子状态传送到短寿命量子位12：

·ΔE_S；

·ΔE_L；及

·量子位12与16之间的耦合。

在一些实施例中，短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合是由谐振器20促成，所述谐振器具有与在短寿命量子位12及长寿命量子位16在量子状态之间跃迁时发射/吸收的微波光子19的频率对应的谐振频率。举例来说，谐振器20可包括经设计以具有对应于光子19的谐振频率的电路中的一块超导材料。举例来说，谐振器20可包括共面波导谐振器或LC谐振器。

谐振器20可定位成足够接近于量子位12及16中的每一者以提供量子位12、16及谐振器20中的光子19中的每一者之间的充分耦合水平。超导量子位12与谐振器20之间的电容式或电感式耦合可具有相对长范围，使得此量子位12与谐振器20之间的间距可为例如≥数微米。作为另一实例，用作量子位12的量子点与谐振器20之间的耦合通常具有短得多的范围，使得谐振器20最佳位于距量子点比约1μm近或比100nm近之处。谐振器20与长寿命量子位16之间的耦合可具有数微米的范围，在此情形中，谐振器20可位于长寿命量子位16的数微米内。

可提供用于调整量子位的量子状态之间的能隙的机构。所述机构的性质及构造将取决于量子位所基于的量子系统的性质。举例来说：

·在量子位是通过磁场中的电子自旋或空穴自旋或核自旋而提供的情况下，可通过改变电子或原子核的位置处的磁场强度而调整上自旋状态与下自旋状态之间的能量差。

·在量子位是超导量子位的情况下，可通过调整通过实施超导量子位的超导电路的经量化磁通量而调整状态之间的能量差。举例来说，这可通过更改超导电路的电容或电感来进行。

·在量子位是由晶格中的原子或缺陷提供的情况下，则可通过将应变施加到晶格而更改量子位的能级。

·在量子位是通过磁场中的电子自旋或空穴自旋或核自旋而提供的情况下，可通过将RF驱动场施加到量子位而调整量子位的能级。举例来说，可将RF驱动场的频率设定为在一范围内，使得RF驱动场的光子能量至少大致等于(例如，在约1％或1/2％或万分之一内)量子位的能级之间的能量差。可通过调整RF驱动场的频率及/或RF驱动场的振幅而改变量子位的能级。

·在量子位是通过磁场中的电子自旋或空穴自旋或核自旋而提供的情况下，可通过在量子位的位置处施加电场而调整量子位的能级。在一些实施例中，将所述电场定向为平行于磁场的定向。

当短寿命量子位12与长寿命量子位16通过上文所描述的耦合器18而耦合时，可通过光子19在短寿命量子位12与长寿命量子位16之间来回传送能量。此能量传送的可能性导致指示找到在特定量子状态(例如，12H或12L)中的短寿命量子位12的概率的概率密度函数的振荡。此振荡以相依于短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合的所谓的两量子位拉比频率发生。

可提前确定拉比频率。可在校准步骤中测量两量子位拉比频率。举例来说，校准步骤可包括：将长寿命量子位16及短寿命量子位12初始化成已知量子状态，接通耦合达某一时间‘tau’，关断耦合，及接着独立地测量量子位12及16两者。通过针对tau的不同值重复此测量序列，可获得如图2中所展示的曲线图，依据所述曲线图，可容易地确定拉比频率。通过校准步骤确定的拉比频率可存储于数据存储器件中以供未来使用。举例来说，数据存储器件可包括存储器位置，经连接以使用本文中所描述的机构中的任一者控制长寿命量子位16与短寿命量子位12之间的耦合的控制电路可存取所述存储器位置。

图2是展示短寿命量子位12处于两个非退化二进制量子状态的较高能级的概率密度(曲线22A)及长寿命量子位16处于两个非退化二进制量子状态的较高能级状态的概率(曲线22B)的图表。

在图2中，在时间0，短寿命量子位12处于其较高能量量子状态且长寿命量子位16处于其较低能量量子状态。这可为通过在时间0进行量子测量或通过操纵量子位12、16的状态而导致。在时间0，系统10经配置以耦合短寿命量子位12与长寿命量子位16的状态。

由曲线22A表示的概率密度以周期T循环。在时间T/2，长寿命量子位16具有处于其较高能量状态的高概率且短寿命量子位12具有处于其较低能量量子状态的低概率。本质上，短寿命量子位12的量子状态已传送到长寿命量子位16，且反之亦然。

图2中所图解说明的原理也适用于短寿命量子位12及长寿命量子位16的其它量子状态以及其叠加。

如上文所描述，短寿命量子位12(其可为超导量子位)的状态可传送到长寿命量子位16(例如，其可为自旋量子位)，存储于长寿命量子位16中达长于短寿命量子位12的寿命的时间段，且接着返回到短寿命量子位12以供进一步处理。

图3图解说明用于延长短寿命量子位12的量子状态的寿命的方法30。在方框32A中，将短寿命量子位12置于所要量子状态。所述量子状态可为较高能量状态与较低能量状态的叠加。举例来说，方框32A可包括在量子计算机中执行量子计算，短寿命量子位是所述量子计算机的部分。

在方框32B中，例如通过上文所描述的耦合器18将短寿命量子位耦合到长寿命量子位16。举例来说，方框32B可包括调整长寿命量子位16的较高能量与较低能量量子状态之间的能量差ΔE_L及/或调整短寿命量子位12的较高能量与较低能量量子状态之间的能量差ΔE_S以达成ΔE_S＝ΔE_L。

在方框32C中，维持短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合达等于拉比周期的奇数N(N＝1、3、5、…)个半周期T/2(例如，半周期)的时间τ且接着中断耦合(例如，可通过调整ΔE_S及ΔE_L中的一者或两者使得ΔE_S≠ΔE_L及/或通过改变谐振器20的谐振频率而中断耦合)。时间τ明显短于短寿命量子位12的去相干时间。

维持短寿命量子位12与长寿命量子位6之间的耦合的时间τ可通过计时器来控制，所述计时器使用在校准步骤中确定的等于特定对短寿命量子位12及长寿命量子位16的两量子位拉比频率或从所述两量子位拉比频率导出的所存储值来设定维持耦合的时间。

在方框32C结束时，短寿命量子位12的所要量子状态已传送到长寿命量子位16。

在方框32D中，经过了一时间周期。所述时间周期可具有长于短寿命量子位12的去相干时间的长度。所述时间周期具有短于长寿命量子位16的去相干时间的长度。在一些实施例中，所述时间周期具有超过10μs或超过100μs或超过1s或超过1分钟的长度。

在方框32E中，例如通过上文所描述的耦合器18再次将短寿命量子位12耦合到长寿命量子位16。举例来说，方框32E可以本文中针对方框32B所描述相同的方式操作。

在方框32F中，维持短寿命量子位12与长寿命量子位16之间的耦合达拉比周期的奇数(N＝1、3、5、…)个半周期T/2且接着中断耦合。举例来说，方框32F可如上文针对方框32C所描述执行。

在方框32F结束时，短寿命量子位12已恢复到所要量子状态。

图4展示提供可选择性地耦合及解耦合以执行方法30或其它类似方法的短寿命量子位12及长寿命量子位16的系统40的可能简化物理结构。系统40包含硅衬底42。衬底42优选地是纯化硅28(即，超过92.23％硅28的硅)。在某一实施例中，衬底42的材料是至少96％或99％或99.5％或99.9％(按原子数)硅28。

衬底42中的发光中心43可提供长寿命量子位16。举例来说，所述发光中心可包括选自以下各项的发光中心：缺陷，例如T中心、I中心或M中心，或氮-碳中心，或者Al1或Ga1中心，或具有不成对基态自旋的辐射损坏中心；或杂质，例如硒或碲或硫的原子或其它双施体杂质。

支撑在衬底42上的超导结构44可提供短寿命量子位12。结构44可包括已沉积在衬底42上的在低温下超导的金属的经图案化层。举例来说，所述层可包括包含约瑟夫森(Josephson)结的超导回路。在超导结构44与发光中心43位于其中的衬底42的主体之间可存在电绝缘层45。

超导结构44的部分44A可提供耦合器(其执行上文针对耦合器18所描述的作用)，所述部分被设计成以对应于一能量的频率提供谐振，可使能量差ΔE_S及ΔE_L两者等于所述能量。举例来说，部分44A可包括在具有在微波范围内的谐振频率的电路中的超导材料突片。部分44A可物理地上覆在发光中心43上。

发光中心43应与部分44A足够紧密地间隔开以耦合到部分44A中的光子的电场或磁场分量。为耦合到电场，发光中心43应具有对部分44A不可忽略的电容。在一些实施例中，发光中心43与部分44A间隔开约1μm左右或更短的距离或者100nm左右或更短的距离。优选地，部分44A相对于衬底42的晶轴对准，使得部分44A中的光子模式的电场或磁场良好地耦合到发光中心43。在一些实施例中，光子模式的磁场不平行(例如，正交)于施加到发光中心43的外部磁场。

图4还展示可调整磁体46，所述可调整磁体可操作以改变发光中心43的位置处的磁场的量值(且因此改变自旋(例如用于提供长寿命量子位16的电子自旋)的上自旋状态与下自旋状态之间的能量差)。控制电路46A经连接以控制可调整磁体46(例如以接通及关断长寿命量子位16与短寿命量子位16之间的耦合)。发光中心43附近的一或多个永久磁体46B可增强来自可调整磁体46的磁场。磁体46B可为沉积于衬底42上或其中或其附近。

使由磁体46及46B产生的磁场的横向于超导结构44的平面的分量最小化通常是有益的。这是因为相比于其中场线平行于超导结构44的场，针对横向(垂直)磁场，薄膜超导体的临界磁场(即，在其以上超导体不再超导的磁场强度)通常低得多。

图4还展示可由RF信号源47A驱动以通过所属领域的技术人员已知的谐振效应(例如，电子自旋谐振–“ESR”)操纵长寿命量子位16的量子状态的线圈47。RF信号源可经控制以产生辐射脉冲(例如pi脉冲或pi/2脉冲)，所述脉冲在被递送时操纵长寿命量子位16的量子状态。

图4还展示经布置以照明长寿命量子位16的位置的选用光源48。举例来说，光源48可发射具有对应于长寿命量子位16的光学跃迁(例如，激子的形成)的波长的光。举例来说，长寿命量子位16可包括晶体缺陷(例如T中心)中的激子。光源48可经操作以通过发出适当波长的光脉冲来形成激子。量子信息可接着例如以激子的自旋状态存储于激子中。举例来说，光源48可包括激光器。所述激光器可为可调谐的以发射具有对应于长寿命量子位16的不同光学跃迁的波长的光。

衬底42是含纳于能够达到使结构44超导的低温的冷冻器49内。在一些实施例中，结构44的操作温度可为极低的(例如，数mK或数开尔文)。

除存储量子信息外或作为存储量子信息的替代方案，本文中所描述的系统还可用作用于向或从短寿命量子位12是其部分的量子信息处理系统传送量子信息的路径及/或用作用于产生表示短寿命量子位12的量子状态的可见光子的机构。

图5示意性地图解说明根据其中量子通信路径52将长寿命量子位16连接到外部系统54的实例实施例的设备50。

举例来说，量子信息路径52可以可见光子的形式载运量子信息。举例来说，量子信息路径52可包括可载运光子的波导53，所述光子载运量子信息。在一些有利实施例中，可见光子具有在约1.3μm到约1.7μm或约1μm到约3μm的范围内的波长。

量子信息路径52可通过位于接近于长寿命量子位16之处的光学谐振器55耦合到长寿命量子位16。为了促成长寿命量子位16到光学谐振器55中的可见光子的耦合，长寿命量子位16应具有具可以与可见光子的能量对应的能量差分隔开的能级的可用量子状态。在此情形中，长寿命量子位16可经历其中其发射或吸收可见光子的可允许跃迁。

在一些情形中，可在长寿命量子位16的不同可允许跃迁中发射或吸收的光子具有不同偏振。在此些情形中，所发射光子的偏振可将从其发射光子的长寿命量子位16的量子状态编码。在一些情形中，长寿命量子位16变得与具有特定偏振状态的光子纠缠，且因此，由量子位16的自旋状态表示的量子信息可经由纠缠光子的偏振状态来存取。

图6展示长寿命量子位16的能级的简化实例结构。举例来说，层级16H及16L可对应于不成对自旋(例如，或电子或空穴)的上自旋状态及下自旋状态，例如层级16H及16L可为因长寿命量子位16的位置处的核自旋与电子自旋之间的相互作用导致的超精细分裂的结果。层级16H与16L之间的能量差可对应于处于微波波长的光子的能量。

长寿命量子位16还具有可分别对应于(例如，电子或空穴的)不成对自旋的上自旋状态及下自旋状态的状态17H及17L。状态17H及17L可分别通过轨道跃迁或激子跃迁与状态16H及16L相关。状态17H与16H之间或状态17L与16L之间的能量差可对应于处于光波长的光子的能量。

如图6中所展示，状态16H与17H之间的能量差ΔE1不同于状态16L与17L之间的能量差ΔE2。在一些实施例中，ΔE1与ΔE2之间的差对应于至少约1MHz的频率差。(即，约6.6×10^-28J)。这为提供可见光子创造机会，取决于不成对自旋是上自旋还是下自旋，所述可见光子将可能与长寿命量子位16相互作用或将可能不与长寿命量子位16相互作用。

举例来说，当提供具有与等于ΔE1的能量对应的波长的可见光子66时，长寿命量子位16可吸收光子66中的一者且从状态16H跃迁到状态17H。长寿命量子位16可随后从状态17H跃迁到状态16H且发射具有相同能量ΔE1的光子66。

然而，由于长寿命量子位16是量子系统，因此长寿命量子位16不必处于确定量子状态。替代地，长寿命量子位可处于状态叠加。并且，长寿命量子位16及可见光子66可共同处于其中长寿命量子位16已经或尚未与光子相互作用的状态叠加。一般来说，由长寿命量子位16及可见光子66组成的量子系统的量子状态涵盖长寿命量子位16与可见光子66之间的各种各样的可能相互作用。因此，长寿命量子位16与可见光子66的量子状态可被纠缠。

已看到，例如图6中所图解说明的那些的能量结构可用于通过微波光子及可见光子中的任一者将长寿命量子位16耦合到其它量子对象。可利用此性质来将来自多个源中的选定一者的量子信息存储于长寿命量子位16中及/或将量子信息从长寿命量子位16传送到多个目的地中的选定一或多者。可利用此性质来通过长寿命量子位16将量子信息从微波光子变换成可见光子及/或通过长寿命量子位16将量子信息从可见光子变换成微波光子。

长寿命量子位16可通过各种机构耦合到微波光子及/或短寿命量子位12。这些包含：

·经由电场进行耦合；及

·经由磁场进行耦合；

一些实施例具有优化这些耦合机构中的一或多者的物理构造。

在一些实施例中，所述耦合促成电子偶极自旋谐振(“EDSR”)相互作用。

长寿命量子位16可耦合到微波光子的电场分量。为了优化电耦合，微波光子可作为驻波模式存在于谐振器中，其中驻波模式具有最大电场强度的一或多个波腹。长寿命量子位16可位于紧密接近于最大电场强度的波腹之处(例如，在所述波腹的数微米内)。

在根据图6A中所图解说明的实例实施例的设备60中，微波光子可存在于硅层63上的金属谐振器结构61中。电绝缘层62(例如，二氧化硅层)将谐振器结构61与层63分隔开。谐振器结构61中的微波光子具有其中电场强度在波腹64处最大的驻波模式。长寿命量子位16-1位于硅衬底63中或上接近于节点64之处。

电场相互作用具有足够长范围，使得在一些实施例中，长寿命量子位耦合到不在谐振腔中的光子(例如，接近于长寿命量子位16的光学波导中的光子)的电场。

长寿命量子位16可耦合到微波光子的磁场分量。为了优化电磁耦合，微波光子可作为驻波模式存在于谐振器中，其中驻波模式具有最大磁场强度的一或多个波腹及/或最大电场强度的一或多个波腹。举例来说，长寿命量子位16可位于紧密接近于最大磁场强度的波腹之处(例如，在其数微米内)。举例来说，图6A展示位于硅衬底63中或上紧密接近于波腹65之处的长寿命量子位16-2，在所述波腹处，驻波模式的磁场强度是最大化的。

在一些实施例中，谐振器结构61包括共面波导(“CPW”)谐振器。CPW谐振器可包括共面波导，所述共面波导具有分段成电容式耦合到信号馈入线的短柱的信号引脚。CPW谐振器可以取决于短柱的长度的频率支持驻波谐振。电场波腹位于短柱的端部处。

在一些实施例中，谐振器结构61具有高质量因子(“Q因子”)。Q因子是谐振器的中心频率与谐振器的带宽的比率。在一些实施例中，谐振器结构61具有是至少10⁵或至少10⁶的Q因子。

符号

指示量子状态，其中由第一箭头表示的电子(或空穴)是下自旋且由第二箭头表示的核子是上自旋。

在其中可形成束缚激子的系统中可发生自旋跃迁。量子数0可指示无束缚激子，且量子数1可指示存在一个束缚激子。在指示可包含激子状态、电子(或空穴)自旋状态及核自旋状态的系统的量子状态的符号中，激子量子数可后续接着电子(空穴)自旋，电子(空穴)自旋后续接着核自旋。举例来说，符号

指示量子状态，其中存在一个束缚激子，空穴是下自旋且核自旋是上自旋。图6B的右手栏中使用此符号。

在图6B中所图解说明的系统中，在吸收了具有能量ΔE_A的光子时可形成束缚激子。在T中心中，ΔE_A对应于约1326nm的光子波长。可通过将具有此波长的光引导于T中心处而形成束缚激子。当存在束缚激子时，图6B的右侧上展示的较高能级67A、67B、67C、67D的系统是可用的。当不存在束缚激子时，仅较低能级66A、66B、66C、66D是可用的。T中心处于包含其中存在束缚激子的状态及其中不存在束缚激子的另一状态的状态叠加是可能的。

图6B的右手侧上的能级中的任一者之间的跃迁是可能的。这些跃迁可分类为：

·翻转电子或空穴自旋但不翻转核自旋的跃迁(例如，电子顺磁性谐振(EPR)跃迁)。跃迁69C1、69C2、69D1及69D2是其中仅电子或空穴自旋翻转的跃迁的实例；

·翻转核自旋但不翻转电子自旋的跃迁(例如，核磁谐振(NMR)跃迁)。跃迁69C3、69C4、69D3及69D4是其中仅核自旋翻转的跃迁的实例；

·其中电子或空穴自旋及核自旋两者均翻转的交叉跃迁。(例如，EDSR跃迁)。跃迁69C5、69C6、69D5及69D6是交叉跃迁的实例。

·包含束缚激子的状态与不包含束缚激子的状态之间的跃迁也是可能的。

·包含束缚激子的状态与不包含束缚激子的状态之间的跃迁也是可能的(例如，从状态66A、66B、66C、66D中的一者到状态67A、67B、67C、67D中的一者的跃迁)。

在包含多个核自旋的量子系统(例如T中心)中，一般来说，跃迁的能级针对核自旋中的不同者将是不同的。可通过以下操作选择特定可用核自旋来通过上述跃迁中的选定一者与另一量子位进行量子相互作用：如本文中所描述将所述核自旋耦合到所述另一量子位，使得所述另一量子位的量子状态之间的跃迁涉及与所述选定跃迁的能量差匹配的能量差。

在具有不成对电子且支持束缚激子状态的量子系统(例如T中心)中，可将量子信息存储于不成对电子中或束缚激子的空穴中。如下文所描述，涉及空穴的跃迁的能量差不同于涉及电子的跃迁的能量差。可通过以下操作选择电子或空穴自旋来通过上述跃迁中的选定一者与另一量子位进行量子相互作用：如本文中所描述将包含电子或空穴的系统耦合到所述另一量子位，使得所述另一量子位的量子状态之间的跃迁涉及与电子或空穴的所述选定跃迁的能量差匹配的能量差。

跃迁69C1、69C2、69C3、69C4、69C5、69C6、69D1、69D2、69D3、69D4、69D5及69D6中的任一者可用于以电子或空穴自旋或以核自旋或者以这些中的两者或更多者的组合将量子信息编码。这些跃迁分别对应于能量ΔE_C1、ΔE_C2、ΔE_C3、ΔE_C4、ΔE_C5、ΔE_C6、ΔE_D1、ΔE_D2、ΔE_D3、ΔE_D4、ΔE_D5及ΔE_D6。针对T中心，这些能量对应于针对ΔE_C5、ΔE_C6、ΔE_D5及ΔE_D6具有约1MHz到100MHz的频率以及针对ΔE_C1、ΔE_C2、ΔE_C3、ΔE_C4、ΔE_D1、ΔE_D2、ΔE_D3及ΔE_D4具有约1GHz到约100GHz的频率的光子。

在一些实施例中，将T中心中的核自旋及电子或空穴自旋初始化为已知量子状态。举例来说，可通过将自旋光学地泵激到所要能级及/或通过施加脉冲以翻转所述自旋(“pi脉冲”)而将所述自旋设定到所要状态。举例来说，初始状态可为

随后，将T中心耦合到可含有具有能量ΔE_C1的光子的波导。所述耦合可通过控制光子的波长、控制ΔE_C1及/或控制本文中在其它处描述的耦合机构来达成。

光子可导致到状态

的跃迁。光子可处于状态(例如，存在及不存在)的叠加。结果是核自旋及电子或空穴自旋的系统可最终处于依据光子状态将量子信息编码的状态

与

的特定叠加。如果光子经由可用交叉跃迁耦合到发光中心，那么在吸收或发射光子后，核自旋及电子或空穴自旋两者即刻翻转。这些跃迁可因此用于产生状态

与

的特定叠加。作为纠缠态的部分，在单独考虑的情况下，核自旋是处于状态

与

的自旋混合。

另一实例应用经驱动跃迁来在T中心的核自旋或者包含核自旋及电子或空穴自旋的其它晶体缺陷中存储量子状态。在此实例中，电子或空穴自旋最初处于特定量子状态(例如，上自旋、下自旋或上自旋与下自旋的叠加)。举例来说，可通过如本文中在其它处描述致使短寿命量子位与电子或空穴自旋之间发生量子状态传送而设定电子或空穴自旋的量子状态。

如果期望，那么可将可用核自旋初始化到已知状态，例如下自旋或上自旋。接着可以来自外部源(例如，激光器)的光子照明T中心，所述外部源具有与涉及核自旋的自旋跃迁的能量匹配的波长。在一些情形中，所述跃迁是也涉及电子或空穴的交叉跃迁。在T中心或其中存在多个核自旋的其它晶体缺陷中，可通过照明T中心的光子的能量选择核自旋中的哪一者经历与电子或空穴自旋的量子相互作用。可以相干pi脉冲的形式提供光子。使用通过pi脉冲触发的跃迁是以核自旋存储电子或空穴自旋状态的高效方式。

在EDSR中，发生其中电子自旋及核自旋两者翻转的跃迁。以状态

开始的EDSR跃迁将产生状态

EDSR跃迁有利地强耦合到电场。一些实施例应用EDSR跃迁来将电子自旋的量子状态传送到核自旋状态及/或将核自旋的量子状态传送到电子或空穴自旋状态及/或使电子或空穴自旋与核自旋的量子状态纠缠。在一些此类实施例中，核自旋及电子或空穴自旋是在T中心中。

本发明说明解释通过耦合电子自旋的量子状态与核自旋的量子状态来使用电子自旋的各种方式。一般来说，在存在包含空穴自旋的束缚激子的情况下，可以本文中所描述的相同方式将空穴自旋与核自旋耦合，除了束缚激子中的空穴自旋的能级将通常不同于电子自旋的能级。

电子自旋与空穴自旋之间在能级上的差异的主要原因是，取决于空穴的环境，空穴的g因子可与电子的g因子相差高达至少两倍(例如，当电子的g因子是2时，取决于空穴的环境，所述空穴的g因子可在约1到4的范围内)。能级通常随g因子大致线性地按比例扩缩。本文中所描述的用于使ΔE变化以翻转电子的自旋的相同机构也可应用于使ΔE变化以翻转空穴的自旋。

作为另一实例，可使用具有能量ΔE_C5的光子来使用跃迁

到

可通过控制光子的波长、控制ΔE_C5及/或控制本文中在其它处描述的耦合机构达成耦合。

图7A及7B示意性地图解说明其中长寿命量子位16经布置以耦合到可见光子66的系统70。系统70具有与图4的系统40共同的元件。在图7中以与图4中相同的参考提及这些元件。

在系统70中，由位于光学谐振器72中或非常接近所述光学谐振器之处的发光中心43提供长寿命量子位16。光学谐振器72经设计以具有对应于具有能量ΔE1或ΔE2(参见图6)的光子的频率的谐振频率。有利地，长寿命量子位16可位于所述光学谐振器内在光学电场的模式最大值处。

光学谐振器72可具有任何适合结构。光学谐振器的各种设计是已知的。系统70可并入有适合于与包含发光中心43的衬底42集成的任何光学谐振器。在图7A中，光学谐振器72包括环形谐振器。举例来说，谐振器72可如泰特(Tait)等人arXiv:2001.05100中所描述制成，所述文献特此出于所有目的以引用的方式并入本文中。举例来说，可在包括薄(例如，～200nm到500nm厚)硅层(理想地，硅-28)的绝缘体上硅(SOI)平台上制作微环形谐振器。硅-28层可形成于寄主硅晶片(所述硅晶片可具有硅的天然同位素浓度)上的较厚(例如，～3μm厚)氧化硅层上。在一些实施例中，处于或非常接近于谐振器72的谐振频率的光子具有回音壁模式。

光学谐振器72光学地耦合到光学波导74，借此可见光子66可被引入到谐振器72中或从谐振器72载运到其它位置。

长寿命量子位16具有经选择以准许光子66与长寿命量子位16之间的充分耦合的位置及定向。举例来说，在一些实施例中，长寿命量子位16位于对应于微环形谐振器的中心且垂直于所述微环形谐振器的平面而延伸的轴上。在一些实施例中，长寿命量子位16具有距材料界面500nm或更小的深度。在一些实施例中，长寿命量子位16具有在绝缘体上硅装置层中大约穿过所述绝缘体上硅装置层的一半的深度。

可通过控制ΔE1或ΔE2及/或光学谐振器72的谐振频率使得光学谐振器72的光频率紧密匹配ΔE1及ΔE2中的一者来调整光学谐振器72中长寿命量子位16与光子66之间的耦合。

举例来说，可通过改变长寿命量子位16的位置处电磁场的强度来调整ΔE1及ΔE2。在所图解说明实施例中，这是通过控制电力供应器75以在部分56与电导体75A之间施加电位差来达成。

举例来说，可通过以下操作来调整谐振器72的谐振频率：

·例如通过操作微机电系统(MEMS)使谐振器72的边界的光学性质发生变化；

·改变结构性质，例如引入附着到谐振器72的边界并更改其与光子66的相互作用的气体；

·通过将力施加到衬底52或施加到谐振器72本身而使谐振器72发生应变。

·改变驱动强度及/或长寿命量子位16到谐振器72的耦合以利用谐振器72中的非线性效应。

·将电磁场施加到谐振器72。

·改变谐振器72的温度。

在一些实施例中，光学谐振器72的谐振频率囊括包含ΔE1或ΔE2的频率范围。

系统70应用量子跃迁，所述量子跃迁具有与用于耦合到可见光子66的光学范围中的频率对应的能量差。举例来说，此跃迁可包含轨道跃迁或形成激子的跃迁。所述跃迁影响其中存储量子信息的量子系统的量子状态(例如，电子自旋、空穴自旋、核自旋、自旋组合、激子)。所述跃迁可致使长寿命量子位16的量子状态与光学谐振器72中的光子状态纠缠。

在一些实施例中，长寿命量子位包括可个别或共同存储量子信息的多个量子粒子。举例来说，长寿命量子位16可包括电子或空穴自旋及至少一个核自旋两者。核自旋可具有比电子或空穴自旋长的相干时间。将超导量子位12的量子状态作为核自旋的量子状态来存储可为合意的。

在一些实施例中，使用量子状态传送来致使超导量子位的状态传送到核自旋的量子状态。进行此的实例方式是将超导量子位12的量子状态传送到电子或空穴自旋的量子状态，例如上文所描述，且接着将电子或空穴的量子状态传送到核自旋的量子状态。

可使用类似于上文所描述的状态传送过程的方法来引起量子相互作用，例如长寿命自旋量子位与短寿命超导量子位之间的状态传送或纠缠。举例来说，可使自旋量子位及超导量子位两者准备好进入适当本征态。接着，可通过上文所描述的方法使其相干地相互作用，从而产生类似于图2中所展示的那些的两个量子位拉比振荡。如果此相互作用在奇数个半拉比周期之后停止，那么达成状态传送。如果替代地，所述相互作用在(N/2+1/4)个拉比周期之后停止，其中N是整数，那么在两个量子位之间产生纠缠态。

可使用电子自旋或空穴自旋量子位来将超导量子位14的量子状态远距离传输到可见光子。举例来说，可通过将电子初始化成上自旋状态且允许其与呈纠缠对的两个光子中的一者相互作用而使长寿命量子位的电子自旋与入射光子纠缠。此相互作用将纠缠传送到电子自旋，从而形成自旋-光子纠缠态。接着，可以与上文所描述的方法相似的方法使电子自旋与超导量子位12纠缠。在已建立此纠缠之后，可在贝尔(Bell)状态(纠缠)基础中对超导量子位12及电子自旋量子位进行联合测量。可将那些测量的结果应用于选择对来自原始纠缠对的第二光子执行的操作以将超导量子位14的状态“前馈”到光子量子位。举例来说，可将测量结果供应到经典控制电子器件，所述经典控制电子器件可在查找表中查找前馈操作且接着控制电路来实施前馈操作。光子量子位可接着将所述量子信息传送到遥远电子自旋量子位，所述遥远电子自旋量子位又可将所述状态传送到遥远超导量子位。

长寿命量子位16与可见光子66的状态纠缠便于机构将长寿命量子位16耦合到外部系统。可见光子具有明显高于室温下的热能的能量(约26meV-由k_BT给出，其中k_B是波兹曼常数且T是以开尔文为单位的温度)。举例来说，具有1μm波长的波长的近红外可见光子的能量是约1.2eV。在此实例中，可见光子具有比室温热能大超过40倍的能量。由于此，可见光子66可在长寿命量子位16位于其中而不受热噪声过度影响的冷冻器外部运输。使用适合光纤或其它已知光子运输机构，可长距离载运光子66。

此机构可用于在长寿命量子位16与可能位于远离量子位16之处的一个、两个或更多个其它量子位之间形成纠缠。在一些实施例中，长寿命量子位16被致使与之纠缠的所述其它量子位是本文中所描述的其它长寿命量子位16。长寿命量子位16可为相同的。举例来说，经纠缠长寿命量子位16可为T中心。

在以上说明中，已将长寿命量子位16描述为由单个发光中心(例如杂质原子或晶体缺陷)提供。这是可能的，但不如此要求。在任一实施例中，长寿命量子位可由多个相同或几乎相同的发光中心提供。如此的一些优点是到光子的较佳耦合及不需要那么精确地放置个别发光中心。长寿命量子位16的系集可有效地表现为单个较强耦合的长寿命量子位16。

作为有效地用作单个长寿命量子位的长寿命量子位系集的使用的实例，在一些实施例中，多个长寿命量子位16位于光学谐振器72中或紧密邻近于所述光学谐振器。举例来说，多个长寿命量子位16可包括T中心。举例来说，多个长寿命量子位16可位于光学环形谐振器的环内在所述环形谐振器的谐振频率下光子的光学电场的模式最大值处。

在一些实施例中，长寿命量子位是由在1到约10⁵或约1到2000或约40到1000的范围中的数目个发光中心提供。光子到N个相同长寿命量子位的系集的耦合往往随

增加。然而，数目N越大，使长寿命量子位表现相同或几乎相同便越困难。如果长寿命量子位表现不同，那么系集的相干时间可减少。对于N的较大值，与较小数目个长寿命量子位相比，较大数目个间隔开的长寿命量子位可具有较宽环境范围且可在其耦合到的光子的场的具有不同强度的位置处暴露于所述场。因此，N可被选择为足够大以在系集仍具有对于既定应用足够长的相干时间的同时获得到光子(微波或可见光子)的所要耦合强度。

在期望针对长寿命量子位使用发光中心的系集的情况下，使所述发光中心彼此相同且将所述发光中心放置成使得所述发光中心通过其耦合到光子的磁场或电场的强度针对包含于长寿命量子位16中的所有发光中心类似是有益的。

缺陷中心(例如，T中心)可具有相对于缺陷中心位于其中的晶格的若干个定向中的任一者。举例来说，T中心可具有12个定向中的任一者。在一些实施例中，具有多个不同定向的缺陷中心包含于提供长寿命量子位的系集中。在一些实施例中，排除具有某些选定定向的缺陷中心加入提供长寿命量子位的系集。举例来说，这可通过选择性地偏移具有选定定向的缺陷中心的能级使得这些缺陷中心无法耦合到包含于系集中的缺陷中心可耦合到的光子而完成。可针对缺陷中心的选定定向例如通过使晶格沿选定定向发生应变而偏移能级。

图8示意性地图解说明由多个模块82(图解说明模块82-1、82-2到82-N)构成的量子计算机系统80的实例架构。根据本文中所描述的任一实施例，每一模块82包括冷冻器82A，所述冷冻器冷却包含各自耦合到对应长寿命量子位16的一或多个短寿命量子位12的量子计算子系统82B。模块82可视需要包含其它环境控制系统，例如高真空系统、电磁辐射屏蔽、振动隔离。短寿命量子位12可为量子信息处理系统13的部分，所述量子信息处理系统包含其它量子位、用于操纵量子位的量子状态的设备、用于以不同方式耦合量子位的信息等。在所图解说明实例中，长寿命量子位16通过微波谐振器20耦合到短寿命量子位12。

光子载体84在一个模块82-1的长寿命量子位16与另一模块82-2的长寿命量子位之间延伸。举例来说，光子载体84可包括光纤、光学波导、由引导光子56穿过自由空间的光学元件(例如镜、透镜、折射元件等)构成的光学系统等。光子载体84提供路径，通过所述路径，光子56可从一个长寿命量子位16附近行进，射出装纳所述一个长寿命量子位16的冷冻器82A，传到装纳第二长寿命量子位16的冷冻器82A，进入装纳第二长寿命量子位16的冷冻器且与第二长寿命量子位16相互作用。通过此机构，可使第一与第二长寿命量子位16的量子状态纠缠。光子载体84可任选地经连接以将光子状态载运到共同装载多个远程量子位的多个目的地，使得长寿命量子位16可通过光子载体84中的可见光子状态同时与多个远程量子位纠缠。

在一些实施例中，任一模块82可包含耦合到一或多个其它模块82中的对应长寿命量子位16的两个或更多个长寿命量子位16。在此些实施例中，单个光子可使两个、三个、四个或更多个长寿命量子位16纠缠，所述长寿命量子位中的一些或全部可能在不同模块82中。

系统80的一般架构是有利的，这是因为其允许量子计算机的量子位(例如，短寿命量子位12)散布在多个冷冻器82A当中。这是有益的，因为使冷冻器足够大以装纳大型量子计算机同时将量子计算机的组件冷却到必要低温呈现极端困难且还呈现操作挑战。另外，使系统80具有具延长长度的光子载体84的可能性可用于使模块82广泛地散布。举例来说，系统80可应用于在广泛散布的模块82当中安全地散布量子信息。

在上文所论述的实施例中，已发现T中心可有利地用作长寿命量子位16。图9图解说明T中心90的结构。所述T中心是其中硅晶体中的硅原子已被两个碳原子91A及91B及键合到碳原子91B的氢原子92替代的位置。碳原子91A具有一个不成对电子。碳原子91A的不成对电子的自旋状态可用作长寿命量子位16。

T中心还可装载束缚激子。若干个束缚激子(例如，0或1)可用作长寿命量子位16。束缚激子中的空穴的自旋状态还可用作长寿命量子位16或用作用于以核自旋将量子信息编码的中间状态。

可形成及毁坏束缚激子使得其仅在被需要时存在。激子可用于从外部源(例如可见光子或微波光子)接收量子信息且将所述量子信息传送到具有量子信息的极长相干时间的自旋流形(例如核自旋)。束缚激子中的空穴的波函数具有相对大的空间范围，这促进空穴的自旋到光子的耦合，如本文中在其它处所描述。

T中心具有使其特别适合用作长寿命量子位16的以下性质：

·T中心展现长自旋相干时间(>2.1ms电子自旋及>1s核自旋)；

·T中心具有窄光学线宽(<30MHz)；

·T中心可耦合到O频带光子(包含约1326nm的波长)；

·T中心可提供多个(例如，4个)可存取自旋流形；

·T中心较弱地但可控地耦合到晶格应变；

·T中心较弱地但可控地耦合到电场；

·T中心可支持可用于存储量子信息(例如，在空穴自旋中)的激子。

可通过以高能量碳及高能量氢辐照硅主体而在所述硅主体中形成T中心。此辐照后续接着高温退火以达成T中心形成。在一些实施例中，通过将硬掩模施加到硅主体且经由硬掩模中的孔隙辐照所述硅主体内的所要位置而在所述所要位置处形成T中心。

如上文所提及，T中心具有数个可存取自旋流形。这些包含：

·一个不成对电子自旋；

·一个激子空穴自旋(如果存在激子)；

·一个氢核自旋；及

·两个碳核自旋。

可能以这些自旋中的任一者的量子状态存储量子信息。

可以核自旋流形中的任一者存储量子信息。这可通过各种方法完成。这些方法可应用于以核自旋流形中的两者或更多者中的每一者存储相同或不同量子信息。在一些实施例中，以电子或空穴自旋状态的量子状态将来自微波或可见光子的量子信息编码，如本文中在其它处所描述。随后，以核自旋中的一者的自旋状态将量子信息编码。在一些实施例中，同时以电子或空穴自旋及一或多个核自旋的自旋状态将来自微波或可见光子的量子信息编码。

一般来说，在包含电子或空穴自旋及多个不同核自旋的量子系统(T中心是此系统的一个实例)中，可通过参与相互作用的光子的频率选择各种自旋跃迁。针对电子或空穴自旋与核自旋中的每一对自旋，一组能级是可用的。举例来说，可将这些能级识别为：

·

能量＝0；

·

能量＝NMR1；

·

能量＝EPR1；及

·

能量＝NMR2+EPR1；

其中单箭头表示电子或空穴自旋，且双箭头表示核自旋。这些能级通常针对不同核自旋是不同的，这允许选择个别核自旋用于此些跃迁。这些能级之间的跃迁可与轨道跃迁及/或束缚激子的形成或毁灭组合。取决于多个核自旋中有哪些核自旋加入，此些组合还将通常对应于不同能量。

可通过例如在同时施加经选择以刺激电子翻转跃迁的RF频调(例如，将

连接到

的具有与能量EPR2对应的频率的频调)的同时使下自旋电子状态光学地循环而选择性地将个别核自旋初始化为具有所要自旋状态(例如，上自旋)。可通过使核自旋或电子自旋翻转的机构使激发态|1↓>发生松弛，电子将最终累积被翻转概率，但如果在电子翻转到上自旋状态时核自旋是上自旋，那么EPR1 RF频调将驱动电子返回到下自旋状态。如果所产生状态具有下自旋电子，那么其会被光场迅速地再次激发。类似地，如果系统松弛成

那么EPR2场使电子返回到下自旋状态，此时电子被迅速地再次激发。仅

状态不会被迅速地再次激发，因此系统初始化到所述状态中。在存在多个核自旋的情况下，能量EPR2将针对不同核自旋是不同的。可能通过施加RF频调选择将多个核自旋中的哪一核自旋初始化，所述RF频调对应于用于选定核自旋的EPR2的值。

将核自旋初始化到所要状态的另一方式是测量核自旋，且如果核自旋尚未处于所要自旋状态，那么施加pi脉冲以致使核自旋处于所要自旋状态。

作为本文中所描述的技术的实例应用，可将超导量子位置于特定状态。举例来说，这可通过在超导量子位是其部分的量子计算机中执行量子计算而完成。接着，可以T中心的电子自旋存储超导量子位的量子状态且接着将所述量子状态传送到T中心的较长寿命氢核自旋。可针对T中心的碳核自旋中的每一者重复此过程。此过程可存储超导量子位的高达三个状态，任选地对所存储状态作为自旋来操作，且随后视需要将所述三个状态中的任一者检索到超导量子位。另外，可将所述三个状态中的任一者传送到可见光子并运输到任何地方。

在一些实施例中，将T中心或其它晶体缺陷中的多个核自旋应用于量子错误校正。举例来说，可将本文中所描述的技术应用于使用多个核自旋来进行多数决局部错误校正。根据本文中所描述的实例中的任一者，可以一个核自旋存储所关注量子位状态。接着，可使用两个或更多个其它核自旋作为用于以逻辑量子位将所关注状态编码以进行错误校正或错误检测的辅助。错误校正可例如沃德荷(Waldherr)等人的固态混合自旋寄存器中的量子错误校正(Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register)(自然506，204-207(2014))中所描述而操作，所述文献特此以引用的方式并入本文中。

在一些实施例中，将长寿命量子位16(例如T中心)应用于纠缠纯化。在此些实施例中，可使用电子或空穴自旋作为操作量子位且可使用核自旋作为存储器量子位。举例来说，考虑其中在可能彼此远离的两个或更多个节点处在量子状态之间形成纠缠是合意的情形。每一节点可包含包括电子或空穴自旋及至少一个核自旋的长寿命量子位16。可在操作量子位之间建立纠缠(例如，使用可见光子，如本文中所描述)。接着可经由状态传送将所产生纠缠传送到存储器量子位，如本文中所描述。接着再次使操作量子位纠缠，但此次，在每一节点处经由条件操作将所述纠缠映射到每一存储器量子位上。通过重复此过程且通过执行适当测量，可致使不同节点处的存储器量子位以极高纯度纠缠。接着，视需要，可将所述纠缠映射回到操作量子位上。对描述可使用本文中所描述的长寿命量子位16应用量子纯化的基本原理的参考是卡尔布(Kalb)等人科学356，928-932(2017)，所述文献特此以引用的方式并入本文中。

在上文所给出的实例中的一些中，短寿命量子位是超导量子位。本发明技术还可应用于其中短寿命量子位是另一类型的量子位(例如量子点或离子阱)的情形。针对其中短寿命量子位是由量子点提供的情形，量子点可相对于本文中所描述的其它结构(例如，谐振器、光学结构、长寿命量子位、长寿命量子位位于其中的硅衬底等)定位。在其中短寿命量子位包括通过磁场陷捕的离子(即，离子阱量子位)的情形中，磁场可经配置以陷捕邻近于在谐振器附近的位置处包含长寿命量子位的装置的表面及/或长寿命量子位的离子，使得离子阱量子位可耦合到长寿命量子位，如本文中所描述。

本文中所描述的方法及系统可应用于任何量子信息处理系统。举例来说，短寿命量子位12可为任何当前已知或未来开发的量子信息处理系统的部分。

包含本文中所描述的技术的系统还可包含非量子计算机系统，所述非量子计算机系统经配置以通过执行例如以下各项的功能而控制一组量子位执行量子计算：

·设定量子位的状态，

·操纵量子位的状态，

·致使量子位中的不同者的量子状态彼此纠缠，及/或

·执行量子测量。

此非量子计算机系统可经配置以执行以上功能以便实施呈适合于量子计算的编程语言的命令。非量子计算机系统可使用以下各项实施：经专门设计的硬件、可配置硬件、通过能够在数据处理器上执行的软件(其可任选地包括“固件”)的布建而配置的可编程数据处理器、经专门编程、经配置或经构造以执行本文中详细解释的方法中的一或多个步骤的专用计算机或数据处理器，及/或这些中的两者或更多者的组合。经专门设计的硬件的实例是：逻辑电路、专用集成电路(“ASIC”)、大规模集成电路(“LSI”)、极大规模集成电路(“VLSI”)等等。可配置硬件的实例是：一或多个可编程逻辑装置，例如可编程阵列逻辑(“PAL”)、可编程逻辑阵列(“PLA”)，及现场可编程门阵列(“FPGA”)。可编程数据处理器的实例是：微处理器、数字信号处理器(“DSP”)、嵌入式处理器、图形处理器、数学协处理器、通用计算机、服务器计算机、云计算机、主机计算机、计算机工作站等等。举例来说，用于装置的控制电路中的一或多个数据处理器可通过执行处理器可存取的程序存储器中的软件指令而实施本文中所描述的方法。

非量子计算机系统可为集中式或分散式的。在处理是分散式的情况下，可集中地或分散地维持包含软件及/或数据的信息。此信息可通过通信网络(例如局域网(LAN)、广域网(WAN)或因特网)、有线或无线数据链路、电磁信号或者其它数据通信通道在不同功能单元之间交换。

阅读本公开的所属领域的技术人员将理解，上文所描述的技术具有许多方面及应用。这些包含但不限于：

A.操作以使用由量子系统提供的第二量子位将量子信息从第一量子位传导到一或多个第三量子位的设备及方法，所述量子系统具有具对应于微波频率的第一能量差的第一对量子状态及具对应于光频率的第二能量差的第二对量子状态。所述方法致使通过微波光子状态在微波频率下介导而在所述第一与第二量子位之间发生量子相互作用以使所述第一与第二量子位纠缠及/或将所述第一量子位的量子状态的全部或部分传送到所述第二量子位。所述方法随后致使通过可见光子状态在光频率下介导而在所述第二量子位与一或多个第三量子位之间发生量子相互作用以使所述第二与第三量子位纠缠及/或将所述第二量子位的量子状态传送到所述第三量子位。举例来说，所述第一量子位可由超导电路、量子点或离子阱提供，在一些实施例中，所述第二量子位是由硅中的缺陷中心(例如T中心)提供。举例来说，所述第一对量子状态可包括：T中心中的不成对电子的上自旋及下自旋状态、T中心中的核自旋的上自旋及下自旋状态、通过自旋翻转跃迁分隔开的多粒子自旋系统的自旋状态(例如，不成对电子自旋及核自旋的自旋状态)。举例来说，所述第二对量子状态可包括通过轨道跃迁或形成激子的跃迁分隔开的状态，其中所述跃迁具有在以下两种情况下不同的能量：在所述第二量子位处于所述第一对的所述量子状态中的一者时执行所述跃迁与在所述第二量子位处于所述第一对的所述量子状态中的另一者时执行所述跃迁。在一些实施例中，所述第一、第二及第三量子位是量子计算机的部分。

B.将量子信息存储于硅中的缺陷中心中的设备及方法。在一些实施例中，所述缺陷中心是T中心。在一些实施例中，从第一量子位接收量子信息、将其存储于所述缺陷中心中且随后将其返回到所述第一量子位。在一些实施例中，将所述量子信息存储于所述缺陷中心中达长于所述第一量子位的相干时间的时间。在一些实施例中，所述第一量子位包括超导电路或者量子点或离子阱。在一些实施例中，将所述量子信息从所述缺陷中心传送到第三量子位。在一些实施例中，在所述量子信息被存储于所述缺陷中心中时操纵所述量子信息。

C.将量子信息存储于硅中的T中心中的设备及方法。在一些实施例中，以T中心中的不成对电子的自旋状态存储量子信息。在一些实施例中，以T中心中的核自旋的自旋状态存储量子信息。在一些此类实施例中，将量子信息从第一量子位直接传送到核自旋。在一些实施例中，将量子信息从第一量子位传送到T中心中的不成对电子的自旋状态且随后从不成对电子的自旋状态传送到核自旋状态。在一些实施例中，使用T中心来以T中心的四个自旋状态(三个核自旋及个不成对电子自旋)中的两者或三者或者四者同时存储两组或三组或者四组量子信息。在一些实施例中，以T中心的自旋状态中的两者或三者或者四者存储相同量子信息。在一些实施例中，以T中心的三个或更多个自旋状态存储相同量子信息且使用所述自旋状态中的两者或更多者进行量子错误校正。

D.使用硅中的原子上相同的晶体缺陷的系集来存储量子信息的设备及方法。在一些实施例中，所述晶体缺陷是T中心。

E.用于具有散布在多个物理分隔开的受控环境中的多个量子位的量子计算机系统中的量子计算的设备及方法。举例来说，受控环境可包括超低温度及/或高真空环境。可使用本文中所描述的技术在单独受控环境中的不同者中的量子位之间传送量子信息。

F.用于使物理分隔开的量子位纠缠或在其之间传送量子相互作用的设备及方法，所述量子位以通过1.3meV或更小的能量分隔开的量子状态存储量子信息。所述方法涉及通过经由微波光子将第一量子位耦合到第二量子位且接着将所述第二量子位耦合到可见光子而将量子信息中的一些或全部从所述第一量子位传导到可见光子中。在一些实施例中，所述第二量子位是硅中的发光中心。举例来说，所述第二量子位可包括杂质原子、缺陷中心(例如，T中心)，或原子或缺陷中心系集。

术语的解释

除非上下文另外清晰地要求，否则遍及说明及权利要求书：

·“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等等应与排他性或穷尽性意义相反地以包含性意义理解；即，在“包含但不限于”的意义上；

·“连接”、“耦合”或其任何变体意指两个或更多个元件之间的直接或间接的任何连接或耦合；元件之间的耦合或连接可为物理、逻辑或其组合；

·“本文中”、“上文”、“下文”及类似导入字词在用于描述本说明书时，应是指本说明书作为整体，且并不指代本说明书的任何特定部分；

·“或”在参考两个或更多个项目的列表时，涵盖所述字词的以下所有解释：列表中的项目中的任一者、列表中的所有项目以及列表中项目的任何组合；

·单数形式“(a)”、“(an)”及“所述(the)”还包含任何适当复数形式的含义。

在本说明书及任何随附权利要求书中使用的指示例如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下面”、“上面”、“下方”等等方向的字词(在存在的情况下)取决于所描述及图解说明的设备的特定定向。本文中所描述的标的物可采取各种替代定向。因此，这些方向性术语没有严格定义，且不应狭义地解释。

在上文提及组件(例如，软件模块、处理器、组合件、装置、电路等)的情况下，除非另有指示，否则提及所述组件(包含提及“构件”)应解释为包含作为所述组件的等效物的执行所描述组件的功能(即，功能上等效)的任何组件，包含在结构上不等效于所公开结构的执行本发明的所图解说明示范性实施例中的功能的组件。

在本文中描述包含步骤及/或动作序列的方法的情况下，替代实例可以不同次序执行所述步骤及/或动作。一些过程或方框可以被删除、移动、添加、细分、组合及/或修改及/或以子组合形式采用以提供替代实施例。并且，每一步骤或动作可以各种不同方式实施。并且，虽然有时将步骤或动作展示为串行执行，但这些步骤或动作可替代地并行执行，或者可在不同时间执行。

出于图解目的，本文中已描述系统、方法及设备的特定实例。这些仅是实例。本文中所提供的技术可适用于除上文所描述的实例系统外的系统。在本发明的实践中，许多更改、修改、添加、省略及排列是可能的。本发明包含所属领域的技术人员将显而易见的对所描述实施例的变化形式，包含通过以下方式获得的变化形式：用等效特征、元件及/或动作替换特征、元件及/或动作；来自不同实施例的特征、元件及/或动作的混合及匹配；将来自本文中所描述的实施例的特征、元件及/或动作与其它技术的特征、元件及/或动作组合；及/或从所描述实施例中省略组合特征、元件及/或动作。

本文中将各种特征描述为存在于“一些实施例”中。此类特征不是强制性的并且可能不存在于所有实施例中。本发明的实施例可包含此类特征中的零个、任一个或者两个或更多个的任何组合。此仅限于此类特征中的某些特征与此类特征中的其它特征不兼容的程度，在此意义上，所属领域的技术人员将不可能构造组合此些不兼容特征的实际实施例。因此，对“一些实施例”拥有特征A及“一些实施例”拥有特征B的说明应被解释为对发明人也考虑组合特征A及B的实施例的明确指示(除非说明另外陈述或特征A与B根本不兼容)。

因此，旨在将所附权利要求书及所介绍的技术方案解释为包含可合理推断的所有此类修改、排列、添加、省略及子组合。权利要求书的范围不应受实例中所陈述的优选实施例限制，而是应作为整体被赋予与本说明一致的最广泛解释。

Claims

1.一种用于存储量子信息的方法，所述方法包括：

提供处于将第一量子信息编码的第一量子状态的第一量子位，所述第一量子位具有以对应于微波频率的能量ΔE_SQ分隔开的第一与第二经量化能级；

通过微波光子状态将所述第一量子位耦合到硅中的第一发光中心，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的量子状态经历量子相互作用，其中所述第一发光中心的所述量子状态将所述第一量子信息编码。

2.根据权利要求1所述的方法，其包括将所述第一量子位与所述第一发光中心解耦合。

3.根据权利要求2所述的方法，其包括将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心达基本上等于所述第一量子位及所述第一发光中心的两量子位拉比频率的n个半周期的时间，其中n是奇整数。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中所述第一发光中心具有以能量ΔE_LC1分隔开的第一与第二经量化能级，且将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心包括调整所述能量ΔE_LC1及所述能量ΔE_SQ中的一者或两者使得ΔE_LC1与ΔE_SQ基本上相等。

5.根据权利要求4所述的方法，其包括通过将电场施加到所述第一发光中心而调整所述能量ΔE_LC1。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其包括通过将RF驱动信号施加到所述第一发光中心而调整所述能量ΔE_LC1。

7.根据权利要求4到6中任一权利要求所述的方法，其包括通过将应变施加到所述第一发光中心位于其中的所述硅而调整所述能量ΔE_LC1。

8.根据权利要求4到7中任一权利要求所述的方法，其中所述第一发光中心是在磁场中，且所述方法包括通过改变所述发光中心处所述磁场的强度而调整所述能量ΔE_LC1。

9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的方法，其中所述第一发光中心拥有以能量差ΔE_LC2与所述第一能级分隔开的第三能级，且所述方法包括将所述第一发光中心的所述量子状态耦合到具有对应于ΔE_LC2的谐振频率的第一谐振器中的光子状态，使得所述第一谐振器中的所述光子状态将所述第一量子状态编码。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一谐振器中的所述光子状态是可见光子状态。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一谐振器中的所述光子状态对应于在约1μm到约5μm的范围内的光波长。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其包括将所述光子状态的光子递送到第二谐振器且将所述第二谐振器耦合到第二发光中心，使得所述第二发光中心的量子状态将所述第一量子信息编码。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其中使所述第一谐振器中的所述光子状态与第二谐振器中的另一光子状态纠缠，且所述方法包括将所述第二谐振器耦合到第二发光中心，使得所述第二发光中心的量子状态将所述第一量子信息编码。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其包括通过经由另一微波光子状态将所述第二发光中心耦合到第二物质量子位而以所述第二物质量子位的量子状态将所述第一量子信息编码，其中所述第二物质量子位及所述第二发光中心的量子状态参与量子相互作用，使得所述第二物质量子位的所述量子状态将所述第一量子信息编码。

15.根据权利要求14所述的方法，其包括将所述第二物质量子位与所述第二发光中心解耦合。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其包括使所述光子状态与三个或更多个发光中心纠缠。

17.根据权利要求2到16中任一权利要求所述的方法，其包括通过经由另一微波光子状态将所述第一发光中心耦合到所述第一量子位而将所述第一量子信息返回到所述第一量子位，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的量子状态参与量子状态传送相互作用，使得所述第一量子位的所述量子状态将所述第一量子信息编码。

18.根据权利要求1到17中任一权利要求所述的方法，其中所述第一发光中心包括硅晶体中的晶体缺陷。

19.根据权利要求1到17中任一权利要求所述的方法，其中所述第一发光中心包括发光中心系集，其中所述系集中的所述发光中心中的每一者包括硅晶体中的晶体缺陷。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述晶体缺陷包括T中心。

21.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述晶体缺陷具有不成对基态自旋且包括I中心或M中心或Al1中心或Ga1中心或氮-碳中心或者硅损坏中心。

22.根据权利要求18到21中任一权利要求所述的方法，其中所述晶体缺陷包括具有电子自旋的电子及具有空穴自旋的空穴中的至少一者，且所述第一发光中心的所述第一及第二经量化能级分别包括所述电子或所述空穴的下自旋状态及上自旋状态。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述晶体缺陷包括至少一个核自旋，且所述方法进一步包括以所述核自旋的量子状态将所述电子或所述空穴的量子状态编码，使得所述核自旋将所述第一量子信息编码。

24.根据权利要求18到21中任一权利要求所述的方法，其中所述晶体缺陷包括至少一个不成对电子或空穴自旋及至少一个核自旋，且所述方法进一步包括以所述至少一个不成对电子或空穴自旋与所述至少一个核自旋的联合量子状态将所述第一量子信息编码。

25.根据权利要求24所述的方法，其中以所述不成对电子或空穴自旋与所述核自旋的所述联合量子状态将所述第一量子信息编码包括引起交叉跃迁。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述交叉跃迁包括电子偶极自旋谐振(EDSR)跃迁。

27.根据权利要求24到26中任一权利要求所述的方法，其进一步包括通过将所述不成对电子或空穴自旋设定为具有经初始化量子状态且引起所述不成对电子或空穴自旋及/或所述核自旋的自旋跃迁而恢复所述第一量子信息。

28.根据权利要求20到27中任一权利要求所述的方法，其中所述晶体缺陷包括多个核自旋，且所述方法包括：

以所述核自旋中的第一者将所述第一量子信息编码；

致使所述第一量子位将第二量子信息编码；

将所述第一量子位与所述第一发光中心解耦合；及

29.根据权利要求18到28中任一权利要求所述的方法，其包括在将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心之前通过以光脉冲照明所述晶体缺陷中心而形成束缚激子。

30.根据权利要求22到29中任一权利要求所述的方法，其包括以所述空穴的自旋状态将所述第一量子信息编码。

31.根据权利要求1到17中任一权利要求所述的方法，其中所述发光中心包括硅晶体中的杂质原子。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述杂质原子包括双施体原子。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述双施体是硒、碲或硫原子。

34.根据权利要求18到33中任一权利要求所述的方法，其中所述硅晶体中的至少95％的硅原子是硅-28。

35.根据权利要求14到34中任一权利要求所述的方法，其中所述第一量子位是在第一冷冻器中且所述第二物质量子位是在第二冷冻器中，且所述第一与第二谐振器是通过在所述第一及第二冷冻器外部经过的光学路径而连接。

36.根据权利要求35所述的方法，其中在所述第一及第二冷冻器外部的所述光学路径的至少一部分处于大于ΔE_SQ/k_B的温度，其中k_B是波兹曼常数。

37.根据权利要求35或36所述的方法，其中所述光学路径包括光纤。

38.根据权利要求1到37中任一权利要求所述的方法，其中ΔE_SQ是1.3meV或更小。

39.根据权利要求1到38中任一权利要求所述的方法，其中所述第一量子位是超导量子位。

40.根据权利要求1到38中任一权利要求所述的方法，其中所述第一量子位包括量子点或离子阱。

41.一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的方法，所述方法包括：

将具有具以能量ΔE₁分隔开的对应能级的两个量子状态的超导量子位耦合到硅中的发光中心，所述发光中心具有具以接近ΔE₁的能量分隔开的对应能级的第一及第二量子状态以及具有分别以能量ΔE₂及ΔE₃与对应于所述第一及第二状态的所述能级分隔开的对应能级的第三及第四量子状态；

随后将所述发光中心耦合到光学结构，所述光学结构支持具有对应于所述能量ΔE₂及/或ΔE₃的频率的光子模式。

42.根据权利要求41所述的方法，其中ΔE₂≠ΔE₃。

43.根据权利要求41或42所述的方法，其中将所述超导量子位耦合到所述发光中心是通过具有对应于所述能量ΔE₁的微波谐振频率的谐振器执行。

44.根据权利要求41到43中任一权利要求所述的方法，其包括维持所述超导量子位与所述发光中心之间的所述耦合达等于所述经耦合超导量子位及所述发光中心的两量子位拉比频率的奇数个周期的时间且接着将所述超导量子位与所述发光中心解耦合。

45.根据权利要求41到44中任一权利要求所述的方法，其中所述光学结构是光学谐振器。

46.根据权利要求41到45中任一权利要求所述的方法，其包括检测所述光学结构中的光子。

47.一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的方法，所述方法包括：

通过微波光子使所述超导量子位的所述量子状态与发光中心的量子状态纠缠；及

随后使所述发光中心的所述量子状态与可见光子状态纠缠。

48.根据权利要求47所述的方法，其包括在使所述发光中心的所述量子状态与所述可见光子纠缠之前操纵所述发光中心的所述量子状态。

49.一种用于存储第一量子信息的方法，所述方法包括：

耦合具有第一量子状态的量子位与硅中的T中心中的电子自旋或空穴自旋以将所述第一量子状态传送到所述电子自旋或空穴自旋的量子状态；及，

将所述电子自旋或空穴自旋与所述量子位解耦合。

50.根据权利要求49所述的方法，其包括随后引起所述电子自旋或空穴自旋的所述量子状态与所述T中心的多个核自旋中的第一核自旋的量子状态之间的量子相互作用，使得以所述第一核自旋将所述第一量子信息中的一些或全部编码。

51.根据权利要求49或50所述的方法，其包括将所述量子位设定为具有第二量子状态；及

52.根据权利要求51所述的方法，其进一步包括将所述电子自旋或空穴自旋与所述量子位解耦合；及

53.一种用于存储量子信息的设备，所述设备包括

第一量子位，其具有以对应于微波频率的能量ΔE_SQ分隔开的第一与第二经量化能级；

硅中的发光中心，其具有以能量ΔE_LC1分隔开的第一与第二经量化能级；及

用于通过微波光子将所述第一量子位耦合到所述发光中心的构件。

54.根据权利要求53所述的设备，其中所述第一量子位是超导量子位。

55.根据权利要求53所述的设备，其中所述第一量子位是量子点或离子阱。

56.根据权利要求53到55中任一权利要求所述的设备，其中所述用于耦合的构件包括微波谐振器。

57.根据权利要求53到56中任一权利要求所述的设备，其中所述用于耦合的构件包括用于调整所述能量ΔE_LC1及所述能量ΔE_SQ中的一者或两者使得ΔE_LC1与ΔE_SQ基本上相等的构件。

58.根据权利要求53到57中任一权利要求所述的设备，其包括用于将所述第一量子位耦合到所述发光中心达基本上等于所述第一量子位及所述发光中心的两量子位拉比频率的n个半周期的时间的构件，其中n是奇整数。

59.根据权利要求53到58中任一权利要求所述的设备，其中所述发光中心包括T中心。

60.根据权利要求53到58中任一权利要求所述的设备，其中所述发光中心包括T中心系集。

61.根据权利要求57或58所述的设备，其包括用于将所述T中心的不成对电子选择性地耦合到所述T中心的核自旋的构件。

62.根据权利要求53到61中任一权利要求所述的设备，其中所述发光中心是在硅衬底中且所述第一量子位是支撑在所述硅衬底上。

63.一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的设备，所述设备包括：

超导量子位，其具有具以能量ΔE₁分隔开的对应能级的两个量子状态；

硅中的发光中心，其具有具以接近ΔE₁的能量分隔开的对应能级的第一及第二量子状态以及具有分别以能量ΔE₂及ΔE₃与对应于所述第一及第二量子状态的所述能级分隔开的对应能级的第三及第四量子状态；

用于将所述超导量子位耦合到所述发光中心的构件；及，

用于将所述发光中心耦合到光学结构的构件，所述光学结构支持具有对应于所述能量ΔE₂及/或ΔE₃的频率的光子模式。

64.一种用于在多个间隔开的量子位当中形成量子纠缠的方法，所述量子位中的每一者具有以对应于微波频率的能量ΔE_SQ分隔开的第一与第二经量化能级，所述方法包括：

通过微波光子状态将所述量子位中的每一者耦合到硅中的对应发光中心，所述发光中心具有至少第一、第二及第三经量化能级，其中所述第一与第二能级以对应于所述微波光子状态的能量的能量差分隔开且所述第一与第三能级以对应于可见光子的能量的能量差分隔开；及，

通过光学结构将所述发光中心中的每一者耦合到所述对应发光中心中的其它者，所述光学结构支持一或多个可见光子状态，所述一或多个可见光子状态具有对应于所述发光中心在所述第一与第三能级之间的量子跃迁的能量。

65.一种用于量子计算的方法，其包括：

将量子信息作为量子位状态存储于硅晶体中的缺陷中，其中所述缺陷包括多个杂质原子，所述多个杂质原子共同包含具有对应电子自旋状态的至少一个不成对电子及各自具有对应核自旋状态的多个核自旋；

将所述自旋状态中的一者设定为表示所述量子位信息且使用多个所述核自旋对所述量子位信息进行量子错误校正或错误检测。

66.根据权利要求65所述的方法，其包括使用所述多个核自旋进行多数决局部错误校正。

67.根据权利要求65所述的方法，其包括使用所述多个核自旋作为用于以逻辑量子位将所述量子位信息编码的辅助。

68.根据权利要求65到67中任一权利要求所述的方法，其中所述缺陷包括T中心、I中心或M中心。

69.根据权利要求65到67中任一权利要求所述的方法，其中所述缺陷包括T中心。

70.根据权利要求65到69中任一权利要求所述的方法，其中所述核自旋的不同核自旋状态之间的跃迁的能级针对所述核自旋中的不同者是不同的。

71.一种用于量子纠缠纯化的方法，所述方法包括：

提供硅晶体中的第一及第二缺陷，其中所述第一及第二缺陷各自包括包含电子或空穴自旋的操作量子位及包含核自旋的至少一个存储器量子位；

使所述第一及第二缺陷的所述操作量子位的量子状态纠缠；

通过状态传送将所述纠缠传送到所述第一及第二缺陷中的每一者的所述至少一个存储器量子位。

72.根据权利要求71所述的方法，其包括重复以下步骤：

使所述第一及第二缺陷的所述操作量子位的量子状态纠缠；及

73.根据权利要求71或72所述的方法，其中所述缺陷包括T中心、I中心或M中心。

74.根据权利要求71或72所述的方法，其中所述缺陷包括T中心。

75.一种用于将量子信息存储于硅晶体中的缺陷中的方法，所述方法包括：

设定所述缺陷的电子或空穴自旋的量子状态以将第一量子信息编码且将所述缺陷的第一核自旋初始化到第一初始核自旋状态；

以第一光子照明所述缺陷，所述第一光子具有与涉及所述电子或空穴自旋及所述第一核自旋的第一自旋跃迁的能量匹配的第一波长。

76.根据权利要求75所述的方法，其进一步包括

设定所述缺陷的所述电子或空穴自旋的量子状态以将第二量子信息编码且将所述缺陷的第二核自旋初始化到第二初始核自旋状态；

以第二光子照明所述缺陷，所述第二光子具有与涉及所述电子或空穴自旋及所述第二核自旋的第二自旋跃迁的能量匹配的第二波长。

77.根据权利要求75或76所述的方法，其中所述第一跃迁是交叉跃迁。

78.根据权利要求75到77中任一权利要求所述的方法，其中以相干pi脉冲的形式提供所述第一光子。

79.根据权利要求75到78中任一权利要求所述的方法，其中所述缺陷包括T中心、I中心或M中心。

80.根据权利要求75到78中任一权利要求所述的方法，其中所述缺陷包括T中心。

81.一种具有本文中所描述的任何新的及发明性的特征、特征的组合或特征的子组合的设备。

82.一种具有本文中所描述的任何新的及发明性的步骤、动作、步骤及/或动作的组合或者步骤及/或动作的子组合的方法。