CN116245186A - 一种寻址操控系统、构建量子逻辑门的装置及量子计算机 - Google Patents

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CN116245186A CN202211667666.3A CN202211667666A CN116245186A CN 116245186 A CN116245186 A CN 116245186A CN 202211667666 A CN202211667666 A CN 202211667666A CN 116245186 A CN116245186 A CN 116245186A
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Abstract

本文公开一种寻址操控系统、构建量子逻辑门的装置及量子计算机，包括：偏转模块和成像模块；偏转模块包括设置于量子比特阵列两侧的第一偏转单元和第二偏转单元，设置为：由第一偏转单元和第二偏转单元分别接收一束入射激光，生成用于寻址操控第一预设数值对寻址激光；成像模块包括第一成像单元和第二成像单元，设置为：将寻址激光对聚焦照射到需要被寻址操控的量子比特上；其中，成像模块、偏转模块与量子比特阵列的相对位置，使得不同量子比特的寻址激光对的频率差相同。本发明实施例根据被寻址量子比特数生成相应的寻址激光对，复用了激光功率，节约了激光功率；每个声光器件只需一套电控系统，降低了电控系统复杂度，提升了系统的可扩展性。

Description

一种寻址操控系统、构建量子逻辑门的装置及量子计算机
技术领域
本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种寻址操控系统、构建量子逻辑门的装置及量子计算机。
背景技术
量子计算机在解决一些特定问题上相对于经典计算机具有显著加速，在基础科学研究、量子通讯及密码学、人工智能、金融市场模拟、气候变化预测和新药开发等领域具有广泛的应用前景。离子或原子量子计算机在相干时间和逻辑门保真度等衡量量子计算性能的关键指标等方面具有优异表现。寻址操控系统是离子量子计算机的核心部件；寻址操控的目的是从时间和空间上选择性地控制任意数量量子比特的状态，也可以说成是自主控制激光照射的量子比特数量、位置和照射时间，通常可以利用激光来操控离子量子比特的状态。
目前常见的基于激光的离子量子比特寻址方式主要有以下几种：一、基于多通道声光调制器(MAOM，multi-channel acousto-optic modulator)的离子量子比特寻址；其缺点是需要事先为每一个离子分配一个通道及一束激光，控制电路数量和激光功率随离子数量线性增长，不具备可扩展性。二、基于芯片阱的离子量子比特寻址；例如在芯片阱上制备多个区域，包括存储区和操控区等；操控激光只照射操控区，需要对离子进行操控时，将离子输运到操控区；该方案涉及离子的输运，耗时较长，会增加量子计算时间消耗。三、利用交叉声光偏转器(AOD)的离子量子比特寻址；两个AOD相互垂直，组成一个偏转单元；两个AOD产生级数相反的衍射光斑，以抵消AOD引起的频率移动；一个偏转单元可实现沿两个AOD射频场波矢矢量差方向的一维寻址；两个偏转单元寻址方向相互垂直，可实现二维寻址；该方案存在功率浪费，进行多离子寻址时容易引起串扰。
综上，如何提升离子量子比特寻址的可扩展性和寻址效率，成为量子计算设计中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、构建量子逻辑门的装置及量子计算机，能够提升寻址操控系统的可拓展性。
本发明实施例提供了一种寻址操控系统，包括：偏转模块和成像模块，成像模块位于量子比特阵列和偏转模块之间；
偏转模块包括按照预设分布位置设置于量子比特阵列两侧的第一偏转单元和第二偏转单元，设置为：由第一偏转单元和第二偏转单元分别接收一束入射激光，生成用于寻址操控第一预设数值个量子比特的第一预设数值对寻址激光；
成像模块包括第一成像单元和第二成像单元，设置为：将生成的寻址激光对聚焦照射到需要被寻址操控的量子比特上；
其中，所述成像模块、所述偏转模块与所述量子比特阵列的相对位置，使得不同量子比特的寻址激光对中的两束寻址激光的频率差相同，所述量子比特的寻址激光对包括：来自于所述第一偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光和来自于所述第二偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光。
另一方面，本发明实施例还提供一种构建量子逻辑门的装置，包括上述寻址操控系统。
再一方面，本发明实施例还提供一种量子计算机，包括上述寻址操控系统。
本申请技术方案包括：偏转模块和成像模块，成像模块位于量子比特阵列和偏转模块之间；偏转模块包括按照预设分布位置设置于量子比特阵列两侧的第一偏转单元和第二偏转单元，设置为：由第一偏转单元和第二偏转单元分别接收一束入射激光，生成用于寻址操控第一预设数值个量子比特的第一预设数值对寻址激光；成像模块包括第一成像单元和第二成像单元，设置为：将生成的寻址激光对聚焦照射到需要被寻址操控的量子比特上；其中，所述成像模块、所述偏转模块与所述量子比特阵列的相对位置，使得不同量子比特的寻址激光对中的两束寻址激光的频率差相同，所述量子比特的寻址激光对包括：来自于所述第一偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光和来自于所述第二偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光。本发明实施例根据被寻址量子比特数量生成相应的寻址激光对，实现了激光功率的复用，节约了激光功率；每个声光器件只需一套电控系统，电控系统复杂度不随量子比特数量增加而增长，提升了寻址操控系统的可扩展性。
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为本发明实施例寻址操控系统的结构框图；
图2为本发明应用示例一寻址操控系统的示意图；
图3为本发明应用示例另一寻址操控系统的示意图；
图4为本发明应用示例再一寻址操控系统的示意图；
图5为本发明应用示例还一寻址操控系统的示意图；
图6为本发明应用示例还一寻址操控系统的示意图；
图7为本发明应用示例还一寻址操控系统的示意图。
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为本发明实施例寻址操控系统的结构框图，如图1所示，包括：偏转模块和成像模块，成像模块位于量子比特阵列和偏转模块之间；
偏转模块包括按照预设分布位置设置于量子比特阵列两侧的第一偏转单元和第二偏转单元，设置为：由第一偏转单元和第二偏转单元分别接收一束入射激光，生成用于寻址操控第一预设数值个量子比特的第一预设数值对寻址激光；
需要说明的是，本发明实施例根据实际实施情况，偏转单元产生的寻址激光的数量可以大于等于被寻址操控的量子比特的数量。例如，为了寻址N个量子比特，由于量子比特排列方式、偏转单元摆放方式等原因，除用于寻址操控的N对寻址激光对外，偏转单元还可能产生其它不用于寻址操控的激光。
成像模块包括第一成像单元和第二成像单元，设置为：将生成的寻址激光对聚焦照射到需要被寻址操控的量子比特上。
其中，成像模块、偏转模块与量子比特阵列的相对位置设置为，使得不同量子比特的寻址激光对中的两束寻址激光的频率差相同，量子比特的寻址激光对包括：来自于第一偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光和来自于第二偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光。
在一种示例性实例中，本发明实施例量子比特包括中性原子型量子比特或/和离子型量子比特。
需要说明的是，本发明实施例中不同量子比特的寻址激光对中的两束寻址激光的频率差相同，但是在实际实施过程中，不同寻址激光对中的两束寻址激光的频率差可以有一定的误差，不必严格相同。
需要说明的是，本发明实施例寻址操控系统可以包含多个偏转模块，一个偏转模块包含两个偏转单元，不同偏转模块的偏转单元可以重新组合形成新的偏转模块用于寻址操控。例如第一偏转模块包含第一偏转单元1和第二偏转单元1，第二偏转模块包含第一偏转单元2和第二偏转单元2，第一偏转单元1和第二偏转单元1可以组合成新的第三偏转模块，用于寻址操控。再如，第一偏转模块包含第一偏转单元1和第二偏转单元1；第二偏转模块包含第二偏转单元1和第二偏转单元2，第一偏转单元1和第二偏转单元2可以组合成第三偏转模块，用于寻址操控。
本发明实施例根据被寻址量子比特数量生成相应的寻址激光对，实现了激光功率的复用，节约了激光功率；每个声光器件只需一套电控系统，电控系统复杂度不随量子比特数量增加而增长，提升了寻址操控系统的可扩展性。
在一种示例性实例中，成像模块的第一成像单元和第二成像单元，分别用于对寻址操控一个量子比特的寻址激光对中一束寻址激光进行聚焦处理。
在一种示例性实例中，本发明实施例第一偏转单元和第二偏转单元均包括一个以上声光器件；
其中，声光器件包括声光调制器(AOM)或声光偏转器(AOD)。
本发明实施例寻址操控系统可以应用于一维、二维和三维的量子比特阵列。
在一种示例性实例中，本发明实施例量子比特阵列为一维量子比特阵列时，第一偏转单元和第二偏转单元均包括一个声光器件。
在一种示例性实例中，本发明实施例量子比特阵列为二维量子比特阵列时，第一偏转单元和第二偏转单元均包括两个声光器件。
在一种示例性实例中，本发明实施例量子比特阵列为三维量子比特阵列时，第一偏转单元和第二偏转单元均包括两个或三个声光器件。
在一种示例性实例中，本发明实施例量子比特阵列为三维量子比特阵列时，本发明寻址操控系统包含一个偏转模块，偏转模块包含两个偏转单元，每个偏转单元包含三个声光器件。
在一种示例性实例中，本发明实施例量子比特阵列为三维量子比特阵列时，本发明寻址操控系统包含两个偏转模块，每个偏转模块包含两个偏转单元，两个偏转模块共用其中一个偏转单元，故寻址操控系统总共包含三个偏转单元，每个偏转单元包含两个声光器件。
在一种示例性实例中，本发明实施例第一偏转单元和第二偏转单元按照预设分布位置设置于量子比特阵列的两侧，包括：
量子比特阵列为一维量子比特阵列时，第一偏转单元和第二偏转单元分别位于一维量子比特阵列的两侧；
量子比特阵列为二维量子比特阵列时，第一偏转单元和第二偏转单元按照镜面对称的方式设置在二维量子比特阵列的两侧；
量子比特阵列为三维量子比特阵列时，第一偏转单元和第二偏转单元关于三维量子比特阵列与z方向平行的中心轴成90°旋转对称分布，三维量子比特阵列的三个方向分别为x方向、y方向和z方向。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的用于寻址操控同一量子比特的寻址激光对中两束寻址激光的频率差为：
与量子比特基矢能级差相差第二预设数值；或者，
与构建量子逻辑门所使用的运动模式的本征频率相差第三预设数值。
在一种示例性实例中，本发明实施例用于寻址操控的激光是远失谐激光，寻址激光对中的两束寻址激光的频率差设置为与量子比特基矢能级差相差第二预设数值，其中第二预设数值可以是小于500兆赫兹(MHz)的数值。当第二预设数值等于零时，寻址激光对可以引起被寻址量子比特的拉曼跃迁；当第二预设数值等于运动模式的本征频率时，寻址激光对可以引起被寻址量子比特的红/蓝边带跃迁，可用于边带冷却等；当第二预设数值与运动模式本征频率相差第四预设数值(第四预设数值可以是小于500MHz的数值，通常可选取为10kHz量级的数值)时，寻址激光对可用于构建多比特量子逻辑门。在一种示例性实例中，本发明实施例中的运动模式可以是量子比特阵列的集体振动模式，也可以是量子比特的局域振动模式。
在一种示例性实例中，本发明实施例用于寻址操控的激光是近失谐的激光，寻址激光对中的两束寻址激光的频率差设置为与构建量子逻辑门的运动模式的本征频率相差第三预设数值，其中第三预设数值可以是小于500MHz的数值，通常可选取为10kHz量级的数值。在一种示例性实例中，本发明实施例中的运动模式可以是量子比特阵列的集体振动模式，也可以是量子比特的局域振动模式。
需要说明的是，寻址激光可以包含一个频率成分，也可以包含多个频率成分，寻址激光包含的频率成分个数不应视作对本发明的限制。当寻址激光包含多个频率成分时，不同量子比特的寻址激光对中两束激光的频率差相同，是指对应频率成分的频率差相同。例如，第一量子比特的寻址激光对包含第一寻址激光和第二寻址激光，其中，第一寻址激光包含两个频率成分，记为第一频率成分和第二频率成分，第二寻址激光包含一个频率成分，记为第三频率成分；第二量子比特的寻址激光对包含第三寻址激光和第四寻址激光，第三寻址激光包含两个频率成分，记为第四和第五频率成分，第四寻址激光包含一个频率成分，记为第六频率成分。第三寻址激光和第一寻址激光来自同一个偏转单元，第二寻址激光和第四寻址激光来自另一个偏转单元。频率差相同是指第一频率成分与第三频率成分的频率差和第四频率成分与第六频率成分的频率差相同；第二频率成分与第三频率成分的频率差和第五频率成分与第六频率成分的频率差相同。
在一种示例性实例中，本发明实施例偏转模块和成像模块之间还包括处理模块，设置为执行以下处理：
调整偏转模块出射的激光的光斑直径；和/或，
将偏转模块的出光点投影到成像模块的第一主焦点处。
在一种示例性实例中，本发明实施例假设第一偏转单元和第一成像单元位于量子比特阵列两侧中的第一侧，第二偏转单元和第二成像单元位于量子比特阵列两侧中的第二侧，则本发明实施例处理模块包括两个部分，可以记为第一处理单元和第二处理单元，分别位于第一偏转单元和第一成像单元之间，以及第二偏转单元和第二成像单元之间。
在一种示例性实例中，本发明实施例处理模块由望远镜系统构成；在一种示例性实例中，本发明实施例处理模块的第一处理单元和第二处理单元分别由一个以上望远镜系统构成。
在一种示例性实例中，本发明实施例处理模块的第一处理单元和第二处理单元分别由一个望远镜系统构成，通过望远镜系统实现处理模块的所有功能。
在一种示例性实例中，处理模块包括扩束单元和投影单元；其中，
扩束单元设置为：调整偏转模块出射的激光的光斑直径；
投影单元设置为：将偏转模块的出光点投影到成像模块的第一主焦点处。这里第一主焦点又称为物方焦点，是平行于光轴的出射光线对应的物点。
在一种示例性实例中，处理模块中的第一处理单元和第二处理单元均包括扩束单元和投影单元。
在一种示例性实例中，本发明实施例扩束单元和投影单元分别由一个望远镜系统构成。在一种示例性实例中，扩束单元和投影单元均位于偏转模块和成像模块之间。当扩束单元和投影单元由不同的望远镜系统构成时，可以由本领域技术人员参照光学原理确定具体分布位置。
在一种示例性实例中，本发明实施例寻址操控系统还包括射频驱动模块，设置为：产生并控制施加于偏转模块的射频驱动场。
在一种示例性实例中，本发明实施例射频驱动模块是设置为对产生的射频驱动场进行以下部分或全部参数的控制：数量、频率、相位和强度。
本发明实施例还提供一种构建量子逻辑门的装置，包括上述寻址操控系统。
本发明实施例还提供一种量子计算机，包括上述寻址操控系统。
以下通过应用示例对本发明实施例进行简要说明，应用示例仅用于陈述本发明实施例，并不用于限定本发明的保护范围。
应用示例
图2为本发明应用示例一寻址操控系统的示意图，如图2所示，以声光偏转器(AOD)作为偏转模块的组成为例，对声光器件的寻址原理进行说明；AOD基于声光效应，可通过施加于AOD的射频驱动场(RF场)来控制出射激光的性质；在一种示例性实例中，本发明实施例可以通过RF场的频率控制出射光的偏转角度以及频率，通过RF场的功率控制出射激光的功率；参见图2，频率为f0的入射激光，以适当角度入射至AOD后，产生一级衍射光(出射激光)，出射激光频率改变δf，|δf|为RF场的频率，并伴随着偏转角度改变θ。利用出射激光偏转角度随RF场频率改变而变化的性质，可以利用AOD的以下工作原理实现寻址操控：通过改变RF场的频率，可以将出射激光照射到不同位置的离子上；其潜在的问题是不同离子感受到的激光频率不同。
以下通过附图3-5对本发明应用示例的寻址操控系统进行示例说明，上述不同离子感受到激光频率不同的问题，将通过本发明应用示例进行的处理得到解决，其核心是只要保证每个离子的寻址激光对的频率差相同即可。
本发明每个偏转单元包含的声光器件数量可由本领域技术人员更具实际实施情况进行灵活调整。在一种示例性实例中，本发明实施例对于一维寻址，第一偏转单元和第二偏转单元分别包含一个声光器件；对于二维寻址，第一偏转单元和第二偏转单元分别包含两个声光器件；对于三维寻址，第一偏转单元和第二偏转单元分别偏转单元包含三个声光器件；在一种示例性实例中，本发明应用实例，对于三维寻址，偏转模块可以包含三个偏转单元，每个偏转单元包含两个声光器件。
本发明应用示例中，成像模块、偏转模块与量子比特阵列的相对位置可以调整，例如，可以基于计算机仿真等方式进行调整，使得不同量子比特的寻址激光对中两束激光的频率差相同。在量子计算过程中，尤其是量子逻辑门的制备，无需照射到每个量子比特上的激光的绝对频率相同，只需要每个量子比特的寻址激光对的频率差相同即可。例如，假设入射到第一偏转单元和第二偏转单元的入射激光的激光频率为f1和f2。当施加到第一偏转单元和第二偏转单元的射频驱动场频率为δf1时，由第一偏转单元产生的第一寻址激光照射到第一量子比特，由第二偏转单元产生的第二寻址激光照射到第一量子比特，第一寻址激光和第二寻址激光的频率差为f1-f2；当施加到第一偏转单元和第二偏转单元的射频驱动场频率为δf2时，由第一偏转单元产生的第三寻址激光照射到第二量子比特，由第二偏转单元产生的第四寻址激光照射到第二量子比特，第三寻址激光和第四寻址激光的频率差依然为f1-f2；由此，虽然不同量子比特感受到的激光的绝对频率不同，但是不同量子比特的寻址激光对中两束寻址激光的频率差相同。
图3为本发明应用示例另一寻址操控系统的示意图，如图3所示，寻址操控系统对一维量子比特阵列进行寻址操控，第一偏转单元和第二偏转单元分别位于一维量子比特阵列的两侧，即一维离子链的两侧(通过偏转单元的出射激光从不同方向(例如成180度角的两个方向)照射一维量子比特阵列中量子比特)，第一偏转单元和第二偏转单元分别包含一个声光器件；偏转模块和一维量子比特阵列之间还有成像模块。偏转模块用于控制寻址激光的出射方向，成像模块用于将出射激光聚焦照射到相应的量子比特上；为了使得不同量子比特的寻址激光对的频率差相同，本应用示例需要设置偏转模块和成像模块相对于量子比特阵列的摆放位置。在一种示例性实例中，本应用示例第一偏转单元和第二偏转单元中的声光器件偏转特性相同，即出射激光的偏转角与频率改变量的关系相同；第一成像单元和第二成像单元相对于量子比特阵列的距离等于第一成像单元(或第二成像单元)的有效焦距；偏转模块相对于成像模块的距离也等于第一成像单元(或第二成像单元)的有效焦距。需要说明的是，上述设置只是一种示例，并不能视作对本申请的限制，本应用实例中的声光器件的选取、偏转模块与成像模块的位置分布可根据具体实施情况做出调整，只要能满足不同量子比特寻址激光对的频率差相同即可。
图4为本发明应用示例再一寻址操控系统的示意图，如图4所示，寻址操控系统对二维量子比特阵列进行寻址操控，第一偏转单元和第二偏转单元分别位于二维量子比特阵列的两侧；在一种示例性实例中，本应用示例第一偏转单元和第二偏转单元关于二维量子比特阵列平面镜面对称，第一偏转单元和第二偏转单元分别包含两个主轴不重合的声光器件，声光器件的主轴是指施加到声光器件的RF场的波矢方向；成像模块位于偏转模块与二维量子比特阵列之间，参见图4，第一偏转单元和第二偏转单元关于二维量子比特平面镜面对称分布；第一成像单元和第二成像单元也关于二维量子比特阵列镜面对称分布；第一偏转单元和第二偏转单元中分别包含第一AOD和第二AOD两个AOD，第一偏转单元/第二偏转单元中的第一AOD和第二AOD相互垂直放置；第一AOD的主轴沿量子比特阵列的行方向，第二AOD的主轴沿量子比特阵列的列方向，本应用实例中的行方向与列方向是二维平面两个互相垂直的方向，并不一定是量子比特的排列方向；第一偏转单元和第二偏转单元中的第一AOD偏转特性相同，施加的射频驱动场频率和数量相同；第一偏转单元和第二偏转单元中的第二AOD偏转特性相同，施加的射频驱动场频率和数量相同；但同一个第一偏转单元/第二偏转单元中的第一AOD与第二AOD偏转特性可以不同，施加的射频驱动场频率和数量也可以不同；经过成像模块后的寻址激光的传播方向垂直于量子比特阵列平面。需要说明的是，上述设置只是一种示例，并不能视作对本发明的限制，本应用实例中声光器件的选取、偏转模块与成像模块的位置分布可根据具体实施情况做出调整，只要能满足不同量子比特寻址激光对的频率差相同即可；例如，第一偏转单元/第二偏转单元中的第一AOD和第二AOD并不一定互相垂直，还可以是其它角度。
图5为本发明应用示例还一寻址操控系统的示意图，如图5所示，寻址操控系统对三维量子比特阵列进行寻址操控，为了方便描述，定义三维量子比特阵列的三个方向分别为x、y和z方向(不一定为量子比特排列的方向)。本应用示例偏转模块包含第一偏转单元和第二偏转单元，关于三维量子比特阵列与z方向平行的中心轴成90°旋转对称分布；第一偏转单元的寻址激光经过成像模块后，沿x方向入射到三维量子比特阵列；第二偏转单元的寻址激光经过成像模块后沿y方向入射到三维量子比特阵列；第一偏转单元和第二偏转单元中均包含第一AOD、第二AOD和第三AOD(为便于标记和区分，在附图中第一偏转单元中的第一AOD、第二AOD和第三AOD分别用AOD1、AOD2和AOD3标记，第二偏转单元中的第一AOD、第二AOD和第三AOD分别用AOD1＇、AOD2＇和AOD3＇标记)，第一AOD主轴沿-z方向，第二AOD主轴到+z方向的角度为135°，第三AOD的主轴到+z的方向的角度为-135°；第一AOD负责将寻址激光沿z方向扫描；第一偏转单元的第二AOD和第三AOD负责将寻址激光沿y方向扫描；第二偏转单元的第二AOD和第三AOD负责将寻址激光沿x方向扫描；第一偏转单元和第二偏转单元的第一AOD偏转特性相同，施加的RF场的频率和数量相同；第二AOD偏转特性相同；第三AOD偏转特性相同。需要说明的是，本应用示例的上述设置只是一种示例，并不能视作对本申请的限制，本应用示例中声光器件的选取、偏转模块与成像模块的位置分布可根据具体实施情况做出调整，只要能满足不同量子比特寻址激光对的频率差相同即可。
本发明应用示例的寻址操控系统，一个量子比特的寻址激光对中两束寻址激光的频率差由入射激光的频率以及施加到偏转模块中的声光器件上的RF场频率共同决定。当入射激光的频率相对于量子比特的跃迁是远失谐时(激光频率与跃迁频率相差大于20GHz，例如对于镱-171离子，寻址操控激光的波长可以选取为355nm，是远失谐激光)，本发明应用示例寻址操控系统寻址激光对中两束寻址激光的频率差设置为与量子比特基矢相差第二预设数值；在一种示例性实例中，第二预设数值是小于500MHz的数值，通常可选取为kHz到MHz量级的数值；在一种示例性实例中，本发明应用示例第二预设数值与量子比特运动模式的本征频率大致相等(例如相等，或者相差百kHz以内)；此时寻址激光对中的两束寻址激光可以通过拉曼跃迁的方式，激发量子比特基矢之间的边带跃迁(即改变量子比特内态的同时改变运动状态)，由此可以实现边带冷却、量子逻辑门的制备等。当入射激光的频率相对于量子比特的跃迁是近共振时(激光频率与跃迁频率相差小于1GHz)，本发明应用示例寻址激光对中两束寻址激光的频率差设置为与量子比特运动模式的本征频率相差第三预设数值；在一种示例性实例中，第三预设数值小于500MHz；例如对于Yb-171离子，入射激光选取为411纳米(nm)激光，与
Figure BDA0004015213780000121
跃迁近共振，寻址激光对的频率差与集体运动模式的本征频率ω相差第三预设数值δ(通常可以选取为10kHz量级的数值)，利用本发明应用示例寻址操控系统产生两对寻址激光对，同时照射到两个需要被操控的量子比特上，通过调控寻址激光的相位、强度、频率和照射时间，可以实现量子逻辑门。
需要说明的是，本应用实例入射到偏转模块的入射激光的频率成分的个数不受限制，可以是一个或多个。
在一种示例性实例中，本发明应用示例寻址操控系统偏转模块和成像模块之间还包括扩束单元，设置为改变出射激光的光斑大小。为了将寻址激光更好地聚焦，需要将入射到成像模块的出射激光的光斑大小尽可能变大，而声光器件(例如AOD)的有效孔径对光斑大小有所限制，因此需要对声光器件出射的激光的光斑进行调整。在一种示例性实例中，本发明应用示例中的扩束单元可以是第一望远镜系统，第一望远镜系统可以包括两个凸透镜，或者一个凸透镜和一个凹透镜；本应用实例中透镜的焦距选择、位置摆放可以通过计算机仿真等方式进行确定和调整。
在一种示例性实例中，本发明应用示例寻址操控系统，偏转模块和成像模块之间还包括投影单元，设置为将偏转模块出光点(第一偏转单元和第二偏转单元的出光点)投影到成像模块的第一主焦点处(第一成像单元和第二成像单元的第一主焦点)；参见图6，由于成像模块的有效通光孔径有限，偏转角较大的寻址激光可能从成像模块的边缘入射，将会被成像模块切割遮挡，使得功率损失以及光斑模式损失，最终导致寻址激光无法聚焦到设计尺寸或者激光无法照射到量子比特上；为了解决这个问题，本发明应用示例寻址操控系统在偏转模块和成像模块之间设置投影单元，如图7所示，假设第一偏转单元和第一成像单元对寻址激光对中的一束寻址激光进行处理，第二偏转单元和第二成像单元对寻址激光对中的另一束寻址激光进行处理，投影单元将第一偏转单元出光点投影到第一成像单元第一主焦点处，将第二偏转单元出光点投影到第二成像单元第一主焦点处；第一主焦点是指第一成像单元靠近第一偏转单元一侧的主焦点(第二成像单元靠近第二偏转单元一侧的主焦点)；在一种示例性实例中，本发明应用示例第一成像单元的第一主焦点靠近第一成像单元的端面，本发明应用示例第二成像单元的第二主焦点靠近第二成像单元的端面，这可以通过调整成像模块的设计实现，属于已知技术。在一种示例性实例中，本发明应用示例将第一偏转单元出光点投影到第一成像单元第一主焦点处是指处于第一偏转单元出光点的点光源发出的光，在第一成像单元第一主焦点处汇聚。本发明应用示例将第一偏转单元出光点投影到第一成像单元第一主焦点，使得偏转角较大的寻址激光依然能从第一成像单元中心位置附近入射，减少了激光功率的损失与光斑模式的变形。
本发明应用实例投影单元可以是由两个透镜组成的望远镜系统，如附图7所示，投影单元由两个凸透镜组成，第一偏转单元的出光点距离第一个透镜等于第一个透镜的焦距；第一个透镜与第二透镜的距离等于两个透镜的焦距之和；第二个透镜距离第一主焦点的距离等于第二个透镜的焦距。第二偏转单元的出光点距离第一个透镜等于第一个透镜的焦距；第一个透镜与第二透镜的距离等于两个透镜的焦距之和；第二个透镜距离第一主焦点的距离等于第二个透镜的焦距。需要说明的是，各个器件的距离可以有一定的误差，不用严格等于设定距离。
本发明应用实例中投影单元和扩束单元可以是同一个望远镜系统。
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 (11)

1.一种寻址操控系统，包括：偏转模块和成像模块，成像模块位于量子比特阵列和偏转模块之间；
偏转模块包括按照预设分布位置设置于量子比特阵列两侧的第一偏转单元和第二偏转单元，设置为：由第一偏转单元和第二偏转单元分别接收一束入射激光，生成用于寻址操控第一预设数值个量子比特的第一预设数值对寻址激光；
成像模块包括第一成像单元和第二成像单元，设置为：将生成的寻址激光对聚焦照射到需要被寻址操控的量子比特上；
其中，所述成像模块、所述偏转模块与所述量子比特阵列的相对位置设置为，使得不同量子比特的寻址激光对中的两束寻址激光的频率差相同，所述量子比特的寻址激光对包括：来自于所述第一偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光和来自于所述第二偏转单元的照射在该量子比特上的一束寻址激光。
2.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，所述第一偏转单元和所述第二偏转单元均包括一个以上声光器件；
其中，所述声光器件包括声光调制器AOM或声光偏转器AOD。
3.根据权利要求2所述的寻址操控系统，其特征在于：
所述量子比特阵列为一维量子比特阵列时，所述第一偏转单元和所述第二偏转单元均包括一个声光器件；
所述量子比特阵列为二维量子比特阵列时，所述第一偏转单元和所述第二偏转单元均包括两个声光器件；
所述量子比特阵列为三维量子比特阵列时，所述第一偏转单元和所述第二偏转单元均包括两个或三个声光器件。
4.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，所述第一偏转单元和第二偏转单元按照预设分布位置设置于量子比特阵列的两侧，包括：
所述量子比特阵列为一维量子比特阵列时，所述第一偏转单元和所述第二偏转单元分别位于所述一维量子比特阵列的两侧；
所述量子比特阵列为二维量子比特阵列时，所述第一偏转单元和所述第二偏转单元按照镜面对称的方式设置在所述二维量子比特阵列的两侧；
所述量子比特阵列为三维量子比特阵列时，所述第一偏转单元和所述第二偏转单元关于所述三维量子比特阵列与z方向平行的中心轴成90°旋转对称分布，所述三维量子比特阵列的三个方向分别为x方向、y方向和z方向。
5.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，用于寻址操控同一量子比特的寻址激光对中两束寻址激光的频率差为：
与所述量子比特的基矢能级差相差第二预设数值；或者，
与构建量子逻辑门所使用的运动模式的本征频率相差第三预设数值。
6.根据权利要求1所述的寻址操控系统，其特征在于，所述偏转模块和成像模块之间还包括处理模块，设置为执行以下处理：
调整所述偏转模块出射的激光的光斑直径；和/或，
将所述偏转模块的出光点投影到成像模块的第一主焦点处。
7.根据权利要求6所述的寻址操控系统，其特征在于，所述处理模块由望远镜系统构成。
8.根据权利要求1-7任一项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射频驱动模块，设置为：
产生并控制施加于偏转模块的射频驱动场。
9.根据权利要求8所述的寻址操控系统，其特征在于，所述射频驱动模块是设置为对产生的所述射频驱动场进行以下参数的控制：数量、频率、相位和强度。
10.一种构建量子逻辑门的装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的寻址操控系统。
11.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的寻址操控系统。
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