CN116324751A - 先进的量子处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开用于使量子位在一对处理元件之间穿梭的量子处理装置和方法。特别地，用于使量子位在包括多个处理元件的量子处理装置中从第一处理元件穿梭到第二处理元件的所公开方法包含：在所述第一处理元件与所述第二处理元件之间应用最佳偏置配置，以通过将所述量子位在所述第一处理元件与所述第二处理元件之间的一个或多个状态转变点中花费的时间减到最少的方式使所述量子位从所述第一处理元件穿梭到所述第二处理元件。

Description

先进的量子处理系统和方法
技术领域
本公开的各方面涉及一种先进处理设备，其包括量子处理元件的阵列，且特别地但非排他地，涉及用于执行量子处理且用于沿着量子处理元件的阵列传送量子信息的架构。
背景技术
正在进行开发以实施新型先进处理设备，这些处理设备可使用与当前处理器不同的方法实施功能强大的计算。此类先进处理设备有望提供远超过当前装置的计算能力。举例来说，正在开发可根据量子力学规则执行计算的量子处理器。已经探索用于实施量子比特(量子位)、量子处理器的基本计算单元和量子架构的装置的实现方法并且取得不同程度的成功。
针对大规模通用量子计算的最有前景的路线需要量子误差校正，这是一种能够使用现实噪声量子位处理量子信息的技术，前提是噪声低于容错阈值。
例如“表面码”的一些量子误差校正方法允许误差阈值高达1％。可使用多个量子位平台达到此误差级别。然而，为了用表面码进行任何有意义的操作，需要大量量子位，因此需要可扩展到大量量子位(例如，需要108个)的平台。对于此类大量量子位的需求在量子计算领域中带来挑战，即使对于最有前景的平台也是如此。
为了制造“误差校正量子计算机”，需要可扩展架构。此类架构将理想地并入大量量子位，这些量子位彼此相对非常接近并协同操作以实施误差校正量子计算。另外，制造架构应该是可行的。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供一种用于使量子位在量子处理装置中从第一处理元件穿梭到第二处理元件的方法，所述量子处理装置包括多个处理元件，所述方法包括：在第一处理元件与第二处理元件之间应用最佳偏置配置，以通过将量子位在第一处理元件与第二处理元件之间的一个或多个状态转变点中花费的时间减到最少的方式使量子位从第一处理元件穿梭到第二处理元件。
量子处理装置可进一步包含位于第一处理元件与第二处理元件之间的一个或多个传送元件，且所述方法可进一步包含在一个或多个传送元件的对之间应用最佳偏置配置，使得量子位在一个或多个传送元件之间和/或处理元件与传送元件之间的一个或多个状态转变点中花费的时间减到最少。
在一些实施例中，一个或多个传送元件中的每一者具有量子位的相干时间最高的停留偏置点，并且使量子位从第一处理元件穿梭到第二处理元件包括应用最佳偏置配置，使得量子位在停留偏置点处停留在一个或多个传送元件中的每一者中。
在一些实施例中，通过调谐量子位自旋轨道和量子位隧道效应的相互作用来获得停留偏置点。
所述方法可进一步包含：确定在量子位从第一处理元件穿梭到第二处理元件时引入量子位中的累积相位旋转，且一旦量子位穿梭到第二处理元件，校正引入量子位中的累积相位旋转。
在又其它实施例中，所述方法进一步包含通过在量子位穿梭到第二处理元件时和/或一旦量子位穿梭到第二处理元件，执行动态去耦来校正量子位中的相位误差或相位旋转。
另外，量子处理装置还可包含布置在处理元件对或传送元件对之间的一个或多个交换耦合栅极，所述交换耦合栅极可配置成控制量子位从一个元件转变到另一元件所花费的时间。
在本公开的另一方面中，提供一种量子处理设备，其包括：被配置成作为量子位操作的多个量子处理元件；被配置成通过穿梭电子或空穴在量子位之间传送量子信息的多个量子处理元件；其中量子处理元件以预定几何形状布置。
每一量子处理元件可与对应电极相关联；且为了使电子或空穴在邻近处理元件对之间穿梭，在对应电极对之间应用最佳偏置电压，以通过将电子或空穴在处理元件对之间的状态转变点中花费的时间减到最少的方式使量子位在邻近处理元件对之间穿梭。
在一些实施例中，一个或多个交换耦合栅极可位于量子处理元件对之间，一个或多个交换耦合栅极被配置成在穿梭时减小邻近处理元件对之间的势垒，以将电子或空穴在状态转变点中花费的时间减到最少。
在量子位空闲(即不穿梭)时，施加到对应处理元件的电极的电压处于量子位的相干时间最高的停留偏置点(通常恰好低于使量子位从一个处理元件转变到另一处理元件所需的电压偏置)。
使量子位在邻近处理元件之间穿梭包括施加最佳偏置电压，使得电子或空穴在停留偏置点处停留在量子处理元件对中的每一者中。
在一些实施例中，通过调谐量子位自旋轨道和量子位隧道效应的相互作用来获得停留偏置点。
在一些实施例中，量子处理装置可为基于硅的装置，且在一些特定实例中可为硅MOS装置。在此类系统中，多个处理元件是具有对量子位进行编码的电子或空穴的量子点。此外，多个处理元件和/或传送元件可形成N×M矩阵，其中N和M是整数值。
在本公开的第三方面中，提供一种用于使量子位在量子处理装置中从第一处理元件穿梭到第二处理元件的方法，所述量子处理装置包括多个处理元件，其中处理元件中的每一者具有量子位的相干时间最高的停留偏置点，并且使量子位从第一处理元件穿梭到第二处理元件，且所述方法包括在第一处理元件与第二处理元件之间应用最佳偏置配置，以使量子位在停留偏置点处停留在一个或多个传送元件中的每一者中。
在一些实施例中，最佳偏置配置使量子位在不到60纳秒中在第一处理元件与第二处理元件之间穿梭。
附图说明
图1A是大规模量子计算设备的示意性表示。
图1B是根据本公开的一些实施例的可扩展量子处理装置的俯视图的示意性表示。
图2A和2B示出根据本公开的一些实施例的一对量子点的示意图。
图3是说明根据本公开的一些实施例的用于校准可扩展量子处理装置的实例方法的流程图。
图4是说明根据本公开的实施例的去谐轴的稳定性图。
图5是说明随去谐轴而变的量子位频率的图表。
图6是说明随去谐轴而变的相干时间的图表。
图7是说明用于使用位于间隔开的处理元件中的量子位执行2量子位操作的实例方法的流程图。
图8是说明斜坡速率实验的脉冲示意图。
图9是说明随斜坡时间而变的量子位相干性的图表。
图10是说明随斜坡时间而变的量子位保真度的图表。
图11是说明随时间施加的ESR脉冲和去谐轴的对应状态和量子位状态的脉冲示意图。
图12是说明根据本公开的一些实施例的光谱实验的脉冲示意图。
图13是量子状态层析实验的示意性表示。
图14是重构自旋状态的布洛赫球表示。
图15是示出具有用于保真度表征的动态去耦的脉冲序列的示意图。
图16是示出回波条纹以及拟合结果的图表。
图17是示出随斜坡转移的数目而变的归一化回波幅度的图表。
图18是示出用于测量斜坡时间相依性的脉冲示意图的示意图。
图19是示出随斜坡时间而变的纯转移误差的图表。
虽然本发明可采用各种修改和替代形式，但是在附图中借助于实例展示了特定实施例并且对其进行详细描述。然而，应理解，附图和详细描述并不意图将本发明限于所公开的特定形式。意图涵盖属于如由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代方案。
具体实施方式
存在与可扩展量子计算架构相关联的许多工程挑战。一个挑战与维持静态或空闲量子位(即，所存储的信息量子比特)的相干性相关联。量子位的相干性通常由于例如电荷和电噪声的各种因素而随时间减少。
可扩展量子计算架构的另一问题是与量子信息处理编码中的最近邻相互作用相关联的设计限制。通常，量子位可仅与其最近邻者相互作用。量子位分开越远，量子位之间的耦合就越低。因为这一点，大多数可扩展的基于硅的量子计算架构要求量子位密集定位(通常彼此之间小于50纳米)。此紧密定位的量子位常常会导致其它问题。因为每一量子位需要控制电极和电荷感测元件(它们也同样密集地封装)，所以量子位之间的串扰常常出现。也就是说，提供为控制一个量子位的信号可能无意地影响相邻量子位。
与可扩展量子计算架构相关联的又另一问题涉及量子位的传送。对于量子处理，常常需要量子位与并不是其最近邻者的另一量子位相互作用。在此情况下，需要将量子位传送到接近另一量子位的位置(从而使它们可相互作用)，且接着需要将量子位传送回其原始位置。应广泛地理解，量子位在更长距离的此传送或穿梭也引起量子位中不期望的去相干。
本公开的各方面试图解决这些问题中的一个或多个。在某些实施例中，本文中所描述的系统和方法通过将单个量子位存储在受电荷和电噪声影响最小的配置中而扩展单个量子位的相干性。为此目的，本公开的发明人已识别处理元件的最佳偏置配置，所述最佳偏置配置使得量子位的进动频率变得对偏置电压中的小变化不敏感，且将电荷和电噪声对量子位状态去相干性的影响减至最小，从而产生较高的保真度。特别地，确定用于量子位停留在特定位置中的最佳偏置配置邻近于将量子位从一个位置传送到另一个位置所需的偏置电压且恰好在所述偏置电压之前。此最佳偏置配置在本公开中被称作“停留偏置点”，且量子位从一个位置穿梭到另一位置的偏置电压在本公开中被称作“转变偏置”和“状态转变点”。
在本公开的又其它方面中，本文中所描述的方法和系统通过以最小的相干性损失使量子位从一个位置传送/穿梭到另一位置之间来实现量子位之间的远程通信。特别地，本公开的发明人已确定，可通过确保量子位在转变偏置或状态转变点配置中花费的时间保持在最小值来将在使量子位从一个位置传送/穿梭到另一位置期间的去相干性减到最小。特别地，本发明人已识别，将量子位从一个位点转变到另一位点的去谐斜坡时间减少会将去相干性最小化且实现量子位的高保真度穿梭。通过确保量子位在停留偏置点处停留在一个位点中并且在短的去谐斜坡时间内从一个位点转变到另一位点，本公开的各方面实现以最小的相干性损失远距离传送量子位。
在本公开的其它方面中，所描述的系统和方法有助于放松与量子信息处理码中的最近邻相互作用相关联的本设计限制，且允许将量子位进一步间隔开，但仍允许它们彼此相互作用。因为可以使用上述技术将量子位相干地从一个位点穿梭到另一位点，所以有可能用穿插的传送元件将处理元件在可扩展量子处理装置中稀疏地间隔开。传送元件可用于将量子位从一个处理元件传送到另一处理元件。处理元件的这种稀疏间隔有助于在仍实现间隔开的量子位之间的相互作用时减少系统中的串扰。
应了解，停留偏置点和状态转变点对于相同可扩展量子处理架构中的不同量子位可不同，且最可能将与其它可扩展量子处理架构的停留偏置点和状态转变点不同。然而，这些偏置值不随时间变化。因此，可偶发地或周期性地校准可扩展量子处理装置以确定用于可扩展量子处理装置中的每对位点的停留偏置点和状态转变点。每当需要可扩展量子处理装置执行计算时，可接着使用这些所确定的点。
除上文外，本公开的发明人还已确定，通过将量子位从一位点传送/穿梭到另一位点而引入的相位误差不仅在量子位从第一位点传送/穿梭到第二位点时保持相同，而且还可校正。
将在以下部分中详细地描述本公开的这些方面和其它方面。
实例可扩展量子处理装置
在某些实施例中，本公开的各方面可在例如图1A中所展示的模块化量子处理装置的模块化量子处理装置中实施。特别地，图1A示出经由远距离量子位耦合器106彼此耦合的多个量子位阵列或量子处理模块102(各自包含多个处理元件或量子位104)。此外，本地电子设备108穿插这些量子处理模块102。在图1A中，将本地/经典电子设备放置在量子位平面中。替代地，这些电子设备模块108可位于单独芯片上且通过倒装芯片或其它类似技术连接到量子位模块102。经典电子设备可包含模/数转换器、数/模转换器以及向量调制，使得最小数目个控制线需要与外部介接。参考图4描述了此架构的一个实例，参见《npi量子信息文章》中L.M.K.温德塞芬(L.M.K.Vandersypen)等人的“介接量子点和供体中的自旋量子位--热、密集且相干(Interfacing spin qubits in quantum dots and donors-hot,dense,and coherent)”，所述文章以引用的方式并入本文中。
此外，在一些实施例中，其中执行当前公开的方法的量子处理装置(其可为图1A中所示的模块102中的一个)包含穿插有多个传送元件的多个处理元件。在一些实施例中，处理元件和传送元件可布置在N×M矩阵中(其中N和M为整数值)。
图1B说明此量子处理装置102的简化俯视图。处理元件110在图1B中描绘为实心点且传送元件112描绘为未填充的点。处理元件110和传送元件112的放置可以使得处理元件110彼此的距离足以防止串扰(串扰常常在量子处理装置包含处理元件，但不包含传送元件的先前已知架构中发生)。
在一些实施例中，处理元件110包含硅/介电质界面和适合于将硅中的一个或多个电子或空穴限制在界面附近的电极布置，以形成可作为一个或多个量子位操作的一或多个量子点。传送元件112类似地构造为量子点，唯一的区别在于它们不作为量子位操作。替代地，通过从邻近处理元件或传送元件隧穿而使量子位停留在传送元件112中。
量子处理装置102还包含安置在处理元件周围的多个控制部件(未示出)。控制部件包含与电极相互作用以实现量子操作的开关。多个控制线连接到控制部件以实现多个处理元件的同时操作。
图2说明如图1B中所示的量子处理装置/模块200(包含处理元件110和传送元件112)的简化视图。图2A是俯视图且图2B是侧面横截面图。在所描述的实施例中，量子处理装置200包含硅衬底202和电介质层204，所述电介质层在此实例中是二氧化硅。可使用同位素富集的硅28Si。这可为在常规硅衬底上生长的外延层。
量子处理装置200可包含自旋量子位，即，在电子或空穴的自旋中编码的量子位。由于量子位与主晶中核自旋的超精细耦合减少，因此硅/二氧化硅系统中自旋量子位的实施方案提供与大多数化合物半导体相比增加的自旋相干性。通常，为了产生量子位，使用静电场将少量电子限制在量子点中。
为了这样做，量子处理装置200包含第一电极206，所述第一电极可操作以在硅衬底202与介电质层204之间的界面205附近形成量子点210。图2B示出可限制电子或空穴的区域210。分别地，施加到电极206的足够正电压将致使电子限制在区域210中且附接到电介质层204，而施加到电极206的足够负电压将致使空穴限制在区域210中且邻近于电介质层204。
举例来说，单个电子可限制在区域210中，因此形成受限量子点。可在隔离电子的自旋中编码单一量子位。替代地，可使用在单一量子点中电子或空穴的自旋来编码量子位。还可使用额外电极结构来辅助对量子点的限制。在替代实施例中，可在相应的一个或多个量子点的一个或多个电子或空穴的自旋上对单一量子位进行编码。还可在界面处引入其它元件以促进电子限制，例如掺杂区或电介质区。另外，可使用界面上方或下方的隔离全局电极来修改界面处的总电子浓度。
与传送元件112相关联的第二电极207可操作以使处理元件量子位能够(通常经由隧穿)从区域210传送到区域211。第一电极206与第二电极207之间的电位差(或电压偏置)规定量子位保持在区域210中还是移动到区域211。如先前所描述，使量子位从处理元件110穿梭到传送元件112且反之亦然所需的电压偏置称为转变偏置或“状态转变点”。如果在电极206与207之间施加的电位差为正且足以引起量子位的隧穿，则在电极206下形成的量子位会穿梭到电极207下的区域211。替代地，如果在电极206与207之间施加的电位差为负且足以引起量子位的隧穿，则区域211下的量子位会穿梭回区域210。使量子位从一个量子点隧穿到另一量子点所需的转变偏置的值取决于两个量子点之间的势垒、两个量子点之间的距离等。
除处理元件110和传送元件112之外，量子处理装置200还可包含电荷感测元件以读出当量子位停留在电极206下，隧穿到区域211或停留在电极207下时形成于所述电极206下的量子位的状态。在图2中所示的量子处理装置的实例部分中，此电荷感测元件描绘为邻近于处理元件110和传送元件112的单一电子晶体管(SET)208。在其它实施例中，在不脱离本公开的范围的情况下，可在与处理元件和传送元件相同的平面上或在与处理元件和传送元件不同的平面中采用不同的电荷感测元件，例如量子点接触(QPC)传感器、隧道结传感器或基于栅极的分散传感器。
另外，量子处理装置200还可包含用于控制量子位的自旋的控制元件(未示出)。控制元件传递也称为电子自旋共振信号的磁微波信号和也称为核磁共振信号或NMR信号的ESR信号和RF信号，以用于控制量子位的自旋。在实例系统中，控制元件可为传输线、作为图1和/或2中所示的架构的一部分或在与处理/传送元件不同的平面或芯片上的部分的全局控制元件。
在一些实施例中，量子处理装置200还可包含在处理元件对、传送元件对或处理元件和传送元件对之间的交换耦合栅极(未示出)，所述交换耦合栅极也称为J栅极。交换耦合栅极通常被配置成调谐两个量子位位点之间的交换耦合，且尤其减少或增加邻近量子位位点之间的势垒以减少或增加电子或空穴从一个量子位位点转变到另一个量子位位点花费的时间。
在本文所描述的可扩展量子计算架构中，根据上文所论述以及图1B和图2中所说明的原理配置或作为例如图1A中所示的模块化互连结构的模块化互连结构配置的大量量子位装置一起操作以执行误差校正的量子计算。
用于校准量子处理装置的方法
如先前所论述，为了实现相干的停留和穿梭，本公开的系统和方法校准量子处理装置以识别用于以最小相干损耗存储和穿梭量子位所需的参数。
图3说明用于这样做的实例方法300，即用于识别用于以最小相干性在两个位置之间存储和穿梭量子位的参数的方法。将相对于一对量子点，例如处理元件110量子点和传送元件112量子点来描述方法300。然而，应了解，对于在量子处理装置中的最近邻量子点的所有其它对可重复此方法，包含在其它相邻处理元件110与传送元件112之间、相邻传送元件112之间和相邻处理元件110之间。
方法在步骤302处开始，其中确定一对相邻量子点之间，例如在处理元件110的量子点210与传送元件112的量子点212之间的停留点。在某些实施例中，这通过首先确定两个量子点之间的转变点来确定。
如先前所描述，为了将电子或空穴从一个量子点传送到另一个量子点，例如从区域210传送到区域211，将电压差施加到两个电极206和207使得限制在一个电极下的电子或空穴通过隧穿移动到另一个电极下的区域。在本公开中将分别将区域210和区域211称为量子点位点A和量子点位点B。
在一个例子中，电极207的栅极电压与点间转变电压之间的差定义为去谐ε。当去谐值改变(即，随着电极207的栅极电压改变)时，它改变位于个别位点中的自旋状态之间的能量差。在另一例子中，去谐轴可定义为电极206和207的栅极电压(甚至J栅极，如果采用的话)的组合且可由所述栅极电压的组合扫描。
图4说明示出此去谐的实例的稳定性图400。x轴表示在位点B处施加的栅极电压，且y轴表示分别在位点A 207和206处施加的栅极电压。线402定义用于量子位转移的去谐轴。电荷感测元件(例如SET 208)可用于：a)感测在位点A和B处的电荷，b)确定量子位是否停留在位点A或位点B中，c)确定量子位何时在两个位点之间穿梭以及d)确定转变点。举例来说，当量子位从位点A隧穿到位点B时，随着位点A电荷状态从满变为空，在SET电流中注意到一个光点。此光点解释为量子位从位点A到位点B的穿梭。
在一个实例中，为了确定转变点，增加去谐值ε且感测在位点A处的对应电荷。去谐轴上观察到感测电荷中的光点的点确定为转变点。这被定义为ε＝0且在图4中通过点404标记。
一旦确定转变点，便可确定停留点。如先前所解释，停留点是去谐轴上电荷和电噪声对量子位的影响最小的点。在一个实施例中，可基于对随去谐轴402而变的量子位进动频率和ESR频率的确定而确定此停留点。举例来说，可增加去谐轴值且可检测到量子位频率。
图5示出说明随去谐轴(x轴)而变的量子位进动频率(沿着y轴)和ESR频率的曲线图500。如曲线图500中所见，量子位的进动频率和ESR频率在去谐值朝向ε＝0(即转变点)增加时稳定地增加，且随后在去谐轴处于ε＝0时，即当量子位穿梭到位点B时突然下降。检测到进动频率和ESR频率的突然变化的去谐值被确定为转变点。此外，由于斯塔克位移与隧穿杂交之间的竞争，量子位频率变得对电荷噪音引起的去谐波动不敏感的去谐值被识别为所述位点的停留点。
在另一实例中，可(例如使用汉恩(Hahn)回波实验)通过测量沿着去谐轴的不同位置处的量子位的相干时间来确定停留点。沿着去谐轴的量子位的相干时间最高的点被确定为所述位点的停留点。图6示出说明此情况的图表600。如从图式中所见，基于特定实验和特定位点，确定在所述位点的量子位的相干时间在大致-0.5mV的去谐值下最高(约300微秒)，所述去谐值被确定所述位点的停留点。
返回到方法300，一旦针对两个位点中的每一个确定停留点，就在步骤304处确定当量子位在位点A与位点B之间穿梭时发生的相位旋转。
一般来说，当量子位穿梭时，传送电子或空穴会经历电干扰和磁干扰，这会影响电子/空穴的自旋和相位，从而导致对应量子位中的去相干。
此外，因为电子或空穴限制在电介质层204之下，且电介质层204在其结构中可具有微观变化，所以一个量子点中的量子位可与另一量子点中的量子位表现不同。
由于这些已知问题，广泛认为将量子位从一个量子点传送到另一量子点将引起量子位中的严重自旋和相位去相干。然而，本公开的发明人已研究此类误差对量子位从一个位点(例如处理元件110量子点)移动到另一位点(例如传送元件112量子点)的影响，且已确定通过量子位的此类移动(如果快速地在停留点之间进行)引入的误差不仅随时间保持相同，而且可校正。特别地，确定如果使用所确定的停留点且使用短斜坡时间传送量子位，则量子位仅经历小极化误差，但在一些情况下可经历相位误差。
在一个实施例中，可使用转移后量子位自旋的量子状态层析来确定对由两个位点之间的穿梭引起的量子位(例如旋转、去相干、去极化和泄漏)的影响。也可通过测量用于转移后量子位自旋的拉姆齐(Ramsey)条纹来确定通过两个位点之间的穿梭引入的对量子位的相位(例如相位旋转和去相)的影响。可通过重复所述过程来放大穿梭过程的潜在较小影响。在实例中，可在位点A处(且优选地在所确定的停留点处)用特定自旋初始化量子位，且接着量子位可多次穿梭到位点B并返回。每当量子位穿梭到位点B并返回时，可通过沿着多个轴线投影而确定其自旋相位。另外，还可在预定停留时间之后确定量子位自旋的相位，而不会使量子位来回穿梭。使用这一点，可确定通过使量子位在位点A和B对之间穿梭而引入的相位旋转。
一旦确定每个位点的停留点，且确定通过使量子位在两个位点穿梭而引入的转变点和相位旋转，方法300结束。
此后，当量子处理设备100用于量子计算且需要在位于两个间隔开的处理元件的量子位之间执行两个量子位操作时，量子位中的一个可从其原始位点穿梭到另一量子位的位点且随后在执行2量子位操作后穿梭回。
图7说明用于使用量子位执行2量子位操作的实例方法700，所述量子位定位于彼此间隔开的两个处理元件110处。在本文描述的实例方法中，假定两个处理元件110由5个传送元件112个量子点分隔开。然而，应了解这仅为实例，且在实施方案中，量子位必须穿梭的传送元件112的数目可改变。
方法在步骤702处开始，其中量子位自旋在所述处理元件110的停留点处保持在第一处理元件110中。可使用方法300计算停留点。
在步骤704处，第一处理元件110与其相邻传送元件112之间的电压偏置斜升到相邻传送元件的停留点，使得量子位从第一处理元件110隧穿到相邻传送元件112。在某些实施例中，进行此操作的斜坡时间足够小(例如大致50ns)以将量子位在状态转变点中花费的时间减至最小。在其它实施例中，斜坡时间可进一步减小到几纳秒或可能减小到亚纳秒级，以进一步将量子位在状态转变点处花费的时间减至最小。
在步骤706处，确定是否需要更多穿梭。举例来说，因为当前传送元件112与第二处理元件110之间存在一个或多个传送元件112。如果确定需要更多穿梭，则重复方法步骤704。
然而，重复每一后续时间步骤704，当前传送元件112与下一传送元件112之间的电压偏置斜升到下一传送元件的停留点，使得量子位从当前传送元件隧穿到下一传送元件。
重复此过程，直到在步骤706处确定不需要更多穿梭为止。此后，方法进行到步骤708，其中在所穿梭量子位与停留在第二处理元件的量子位之间执行给定两位操作。在某些实施例中，如果在从第一处理元件穿梭到第二处理元件期间发生任何相位旋转，(例如基于每一中间穿梭的已知相位旋转)计算累积相位旋转，且在执行量子位操作之前校正累积相位旋转。
一旦完成操作，就可利用与参考步骤704和706所描述的过程类似的过程使穿梭量子位穿梭回到第一处理元件。当量子位再次返回到第一处理单元时，校正在返回穿梭期间确定的累积相位旋转。
实验结果
在与图2中所示的系统类似的系统上进行实验。
实验1：斜坡速率相依性
斜坡时间是将位点A和B之间的偏置电压去谐以使得从位点A中的停留偏置点切换到位点B中的停留偏置点所花费的时间。
本公开的发明人确定当在位点A和B之间穿梭时，较快斜坡速率显示最高量子位相干性和量子位保真度。
图8说明此实验的脉冲示意图800。特别地，通过在量子位上应用半πESR脉冲来准备量子位叠加状态。这之后是用于使量子位从位点A穿梭到位点B的多个斜坡以及投影ESR脉冲。
在不同斜坡时间下多次进行此操作。接着针对不同斜坡时间测量量子位的相干性和保真度。图9说明示出随单一返回行程的斜坡时间(x轴)而变的所测量相干性(y轴)的图表900。如在图9中所见，相干性与斜坡时间负相关，即，斜坡时间增加时，量子位的相干性减小。
图10说明示出随斜坡时间而变的量子位保真度的图表1000。从图10中可见，对于较短斜坡时间(在大致0到80ns之间)或较快斜坡速率，保真度最高，且随着斜坡时间增加(例如在此实例中，高于100ns)保真度减小。
实验2：为了确认量子位的极化可以高保真度在位点之间传送。
在用于确认量子位的极化是否可以高保真度在位点之间传送的任何实验中，主要问题通常是当去谐轴值ε变得等于塞曼(Zeeman)分裂时，位点A和B中的相对自旋的能级将最终匹配，从而归因于由电子移动产生的自旋轨道场或自旋量化轴中的较小位点差异而有助于从位点A到位点B的自旋翻转隧穿过程。为了避免形成这些退化点，可例如通过使用J栅极在塞曼能量之上增强隧道耦合。大型隧道耦合的另一优点是它还抑制由于非绝热隧穿导致的状态泄漏，且可使斜坡速率更快。
在实验期间，为了将极化误差放大到可测量的水平，在位点之间重复地转移自旋(在向下或向上状态中初始化)。参见图11，其示出用于极化转移保真度实验的脉冲示意图。打开(X)和关闭(I)368ns长的π脉冲以准备自旋向上和自旋向下初始状态两者且测量找到自旋向上和自旋向下状态的概率。从一个位点到另一位点，去谐斜坡脉冲区段中的总时间每一去谐斜坡增加56ns。以56ns间隔施加去谐斜坡以确保自旋转移到另一位点。
在一个实例中，从在n个连续转移斜坡F_pol↑,n(或1-F_pol↑,n)和F_pol↓,n(或1-F_pol↓,n)之后找到与输入状态相同(或相反)的自旋状态的概率获得自旋相关的极化转移保真度F_pol↑和F_pol↓。这些概率可如下建模，将转移引起的自旋翻转处理为无记忆过程-
Figure BDA0004100254050000121
一旦计算出值F_pol↑和F_pol↓，就确定自旋向上和自旋向下情况的极化转移保真度分别为
Figure BDA0004100254050000122
和/>
Figure BDA0004100254050000123
确定自旋计划保真度足够高，以证明在以下实验中忽略去极化效应是合理的。
实验3：确定穿梭之后是否保持量子位相干性
还通过采用拉姆齐(Ramsey)型光谱技术来确定在量子位跨位点移动之后是否保持量子位相干性。图12说明用于光谱实验的脉冲示意图。在位点A处的向下状态中准备的自旋首先旋转一半，且接着在点间去谐脉冲期间累积相位持续停留时间tdwell，直到第二半π脉冲将相位投影到极化(向上或向下)。
在此技术中，使用半πESR脉冲(在与位点A处的拉莫尔(Larmor)频率共振时)，在向上和向下状态的相等叠加中初始地准备量子位自旋。接着去谐ε在纳秒时间标度上从ε1(在位点A中)下降到ε2(在位点A或B中)，持续时间为tdwell。在迂回到去谐轴值ε2期间获取的相位随后通过第二半πESR脉冲投影到自旋极化。
根据此实验，确定随在去谐值ε2处花费的时间tdwell而变的最终自旋向上概率(pup)的振荡是可见的，而与停留时间tdwell无关，这表明整个过程是相位相干的。重要的是，针对ε2>0量子位的频率开始快速地改变且在约30MHz下(与图5中所见的位点之间的量子位共振频率差一致)饱和，指示电子实际上完全转移到饱和区(ε2>5mV)中的位点所B。这产生自旋可传送到不同位点中，同时维持相位相干性的结论。
上文所描述的拉姆齐型光谱技术准许准确地测量随电压(参见图5)而变的量子位进动频率且建立对隧道耦合量子点阵列中的量子位分散的理解。
由于拉姆齐型光谱测量瞬时本征态之间的能量分裂，因此可忽略来自较小自旋翻转隧穿项的贡献，且可使用简单四层模型来如下预测量子位进动频率fQ-
Figure BDA0004100254050000131
其中fA(B)是在位点A(B)处的裸量子位频率。此处，α指示沿着ε轴的栅极B电压变化在局部状态之间的能量差上的杠杆臂、tc指示隧道耦合并且ts指示其自旋相依性(如果自旋向上较大，则为正相依性)。fA(B)进一步参数化为fA(B)＝fZ+ηA(B)ε+(-)ΔfAB/2，其中fZ为ε＝0处的裸量子位频率的平均值，ηA(B)说明斯塔克位移常数，且ΔfAB给出ε＝0处的位点之间的量子位频率差。这解释了在200mV上沿着ε轴测量的量子位频率fQ。此建模还可用于确定去谐轴ε的起点。使用从单独实验(0.21eV/V)提取的杠杆臂，获得tc＝104GHz、ts＝-3.4MHz、ηA(B)＝39(-7.1)MHz/V和ΔfAB＝33.4MHz的最佳拟合。此外，在此例子中，在点间转变点处的电极207电压的值计算为968.85±0.04mV，其以实验方式定义ε＝0的点。此模型还允许精确地计算给定栅极电压条件的波函数杂交。应注意，由于自旋轨道相互作用，量子位频率在点间隧道耦合中显示出很小自旋相依性。此外，发现停留点(大约ε＝7mV),其中由于斯塔克位移与隧穿杂交之间的竞争，量子位频率对电荷噪音导致的去谐波动一阶不敏感。值得注意的是，量子位穿梭可在纳米内完成，比量子位去相时间快几个数量级。
实验4：隧穿对量子位的影响
执行量子状态层析实验以确定隧穿对量子位的影响。特别地，在具有和没有位点到位点转移的情况下，针对自旋状态执行量子状态层析。
如在图13中示意性地示出，在初始化到向下状态之后，通过半πESR脉冲在位点A(ε＝10mV)中准备预转移电子自旋状态|+y>。自旋随后转移到位点B(ε＝10mV)，或其在位点A中空闲与转移将花费的时间量相同的时间量。
十种类型的预测量控制-具有变化相位(通过微波相位f控制)的八个半p旋转以及识别(I)和π旋转(X)操作-用于有效地改变之后的自旋向上读出的测量基础状态|ψv>，且帮助减少测量偏置误差。
另外，通过在向下或向上状态中准备的自旋的自旋向上概率的交错测量来获得状态准备和测量保真度FM,↑(↓)。FM,↑(↓)测量为80.4％(87.9％)，从而允许测量可见性校正。
在对于十次测量基础状态中的每一者的4，000次重复之后，随后使用最大似然估计从校正的自旋向上概率pv重构转移前或转移后自旋状态的密度矩阵ρ。图14示出在位点间转移过程前后的重构自旋状态的布洛赫球表示1400。还显示到xy、yz、zx平面上的投影。转移过程的主要净作用为相移
Figure BDA0004100254050000145
其根源在于量子位频率的位点相依性。图14中的插图示出用于个别状态的密度矩阵元素的幅度(高度)和相位(颜色)。举例来说，在不转移的情况下，状态1402和1404具有零相位旋转，而状态1406具有在-π/2与-π之间的相位，且状态1408作为在π/2与π之间的相位。在进行转移的情况下，状态1410、1412具有零相位，而状态1414具有在0与-π/2之间的相位，且状态1416具有在0与π/2之间的相位。
转移前或转移后自旋状态的密度矩阵ρ限制为非负厄米特，且通过复杂矩阵L来表达：
Figure BDA0004100254050000141
L为对角元素为实数的2×2下三角矩阵，且具有三个独立参数，由
Figure BDA0004100254050000142
指示。为了获得最接近的物理ρ，将以下成本函数C最小化：
Figure BDA0004100254050000143
所得ρ的状态保真度由
Figure BDA0004100254050000144
定义，其中ρideal为在布洛赫球1400的中纬线上的最接近纯状态的密度矩阵。也就是说，理想的转移过程被视为不更改自旋极化的相位栅极。应注意，状态保真度的此定义隐式地忽略任何相干的相位误差。为了估计统计误差，执行蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟以产生所估计状态保真度的分布，从所述分布围绕其中位值计算西格玛(68.27％)置信区间。
这进一步验证位点到位点量子位转移可视为相位旋转栅极。其旋转角
Figure BDA0004100254050000151
可与ε相依性量子位频率(由位点相依的塞曼能量主导)有关。比较将转移之后的重构自旋状态与理想情况-即在将理想相位栅极施加到准确的|+y>状态之后获得的纯状态相比较，在状态准备和测量(SPAM)中不存在误差时估计/>
Figure BDA0004100254050000152
的状态保真度。替代地，在校正SPAM误差之后，无转移的自旋状态具有/>
Figure BDA0004100254050000153
的保真度。结果指示转移过程为高度相干的，且另一量化方法可用于评估相关联的误差。
为了从SPAM误差解决单个传送过程中的相位误差，采用其中在状态准备与测量之间重复多次传送斜坡脉冲的序列。可使用拉姆齐干扰技术评估剩余自旋相干性。此协议放大相位误差，导致相位振荡幅度随着转移循环的数目n衰减。在连续转移的误差概率不相关的情况下，幅度衰减将为指数级的。
此外，为了改进转移保真度以及研究噪声频谱，在斜坡序列中引入动态去耦步骤。采用图15中所示的协议，其中在两个相同系列的转移斜坡之间施加去耦π脉冲。回波条纹(参见图16)通过扫描投影轴的角φ来测量，从而展现条纹相位不会随转移循环而改变，正如预期一般。随n个斜坡转移(参见图17)而变的回波条纹的幅度衰减产生每次转移的相位误差
Figure BDA0004100254050000154
这意味着转移过程中诱发的相位误差的主导部分无法重新聚焦。
动态去耦脉冲的这种低效表明底层误差机制不由残余29Si核自旋的缓慢自发翻转或具有1/f型光谱(例如量子点层级中的波动)的常规电荷噪音主导。
另外，通过改变如图18中所示的斜坡速率来进行实验。特别地，改变斜坡时间，而特定量子位位点中的停留时间是固定的。使用此技术研究去谐斜坡速率的影响，验证较慢斜坡速率会降低转移保真度(参见图19)。这排除任何绝热性效应-采用的去谐斜坡速率已相对于隧穿能隙和谷线分裂绝热。基于由1/f去谐噪声引起的绝热性效应的理论框架正确地捕获定性斜坡时间相依性-斜坡越慢，在不利的点间转变区花费越多时间，从而引起噪音诱发的激励。通过说明不保真度的总体位移大致1.5％，与斜坡速率无关来最好地描述实验数据。这可指示每次转移都存在一些误差源，所述误差源不由在点间转变区处花费的时间引起。
观察到的每次转移约2％的相干性损失量对应于在相位相干性衰减到1/e或约2mm的距离(假设40nm位点间距)之前跨越约50个位点的自旋转移。在仅需要自旋极化(例如，用于量子位读出)的情况下，可在极化衰减到自旋向上情况的1/e之前在2500个位点或约100mm上传送电子。虽然自旋转移中的此准确性认为远程自旋之间的相干耦合是可实现的，但依赖于量子位移动的容错性量子计算架构将需要经调适以增强转移保真度的装置设置。根据以上实验，可识别以下所要特征：静电地控制点间隧穿速率以保证绝热通道的能力；通过控制自旋轨道耦合或在较低磁场下操作可实现的相邻位点中的拉莫尔频率差的减小以及产生较小电荷噪音的制作工艺的改进。
应了解，尽管上文所描述的系统和方法说明硅金属氧化物半导体(MOS)量子点，但当前公开的系统和方法也可应用于硅锗系统中。
此外，图1和2中所说明的架构仅为可实施本发明的各方面的合适的可扩展量子计算架构的实例。应了解，所公开的实施例可在任何其它合适的架构中实施。
如本文所使用的术语“包括”(及其语法变化)是以“具有”或“包含”的包含性含义而不是以“仅由…组成”的含义来使用。
本领域的普通技术人员将了解在不脱离概括地描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对如特定实施例中所示的本发明作出许多变化和/或修改。因此，本发明的实施例应被视为在所有方面都是说明性而非限制性的。

Claims (23)

1.一种用于使量子位在量子处理装置中从第一处理元件穿梭到第二处理元件的方法，所述量子处理装置包括多个处理元件，所述方法包括：
在所述第一处理元件与所述第二处理元件之间应用最佳偏置配置，以通过将所述量子位在所述第一处理元件与所述第二处理元件之间的一个或多个状态转变点中花费的时间减到最少的方式使所述量子位从所述第一处理元件穿梭到所述第二处理元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述量子处理装置进一步包含位于所述第一处理元件与所述第二处理元件之间的一个或多个传送元件，且所述方法进一步包括在所述一个或多个传送元件的对之间应用所述最佳偏置配置，使得所述量子位在所述一个或多个传送元件之间和/或处理元件与传送元件之间的一个或多个状态转变点中花费的时间减到最少。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述一个或多个传送元件中的每一个具有所述量子位的相干时间最高的停留偏置点，且使所述量子位从所述第一处理元件穿梭到所述第二处理元件包括应用所述最佳偏置配置，使得所述量子位在所述停留偏置点处停留在所述一个或多个传送元件中的每一个中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：
确定当所述量子位从所述第一处理元件穿梭到所述第二处理元件时引入所述量子位中的累积相位旋转；以及
一旦所述量子位穿梭到所述第二处理元件时，校正引入所述量子位中的所述累积相位旋转。
5.根据权利要求3所述的方法，其中通过调谐量子位自旋轨道和量子位隧穿效应的相互作用来获得所述停留偏置点。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述量子处理装置是基于硅的系统。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述量子处理装置是硅MOS系统。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个处理元件是具有对所述量子位进行编码的电子或空穴的量子点。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括通过在所述量子位穿梭到所述第二处理元件时和/或一旦在所述量子位穿梭到所述第二处理元件，执行动态去耦来校正所述量子位中的相位误差或相位旋转。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个处理元件形成N×M矩阵，其中N和M为整数值。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述量子处理装置进一步包括布置在处理元件对或传送元件对之间的一个或多个交换耦合栅极，所述交换耦合栅极可配置成控制所述量子位从一个元件转变到另一元件所花费的时间。
12.一种量子处理装置，其包括：
被配置成作为量子位操作的多个量子处理元件；
被配置成通过穿梭电子或空穴在量子位之间传送量子信息的多个量子处理元件；
所述量子处理元件以预定几何形状布置。
13.根据权利要求12所述的量子处理装置，其中：
每一量子处理元件与对应电极相关联；和
其中为了使所述电子或空穴在一对邻近处理元件之间穿梭，在所述对应电极对之间施加最佳偏置电压，以通过将所述电子或空穴在所述处理元件对之间的状态转变点中花费的时间减到最少的方式使所述量子位在所述邻近处理元件对之间穿梭。
14.根据权利要求12所述的量子处理装置，其进一步包括：
处于量子处理元件对之间的一个或多个交换耦合栅极，所述一个或多个交换耦合栅极被配置成在穿梭时减小所述邻近处理元件对之间的势垒，以将所述电子或空穴在状态转变点中花费的时间减到最少。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的量子处理装置，其中当量子位处于空闲状态时，施加到所述对应处理元件的电压将所述量子位维持在所述量子位的相干时间最高的停留偏置点处。
16.根据权利要求15所述的量子处理装置，其中使所述量子位在邻近处理元件之间穿梭包括施加所述最佳偏置电压，使得所述电子或空穴在所述停留偏置点处停留在所述量子处理元件对中的每一个中。
17.根据权利要求15或16所述的量子处理装置，其中通过调谐量子位自旋轨道和量子位隧穿效应的相互作用来获得所述停留偏置点。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的量子处理装置，其中所述量子处理装置是基于硅的系统。
19.根据权利要求18所述的量子处理装置，其中所述量子处理装置是硅MOS系统。
20.根据权利要求19所述的量子处理装置，其中所述多个量子位是量子点。
21.根据权利要求12至20中任一项所述的量子处理装置，其中所述多个处理元件形成N×M矩阵，其中N和M为整数值。
22.一种用于使量子位在量子处理装置中从第一处理元件穿梭到第二处理元件的方法，所述量子处理装置包括多个处理元件，其中所述处理元件中的每一个具有所述量子位的相干时间最高的停留偏置点，且使所述量子位从所述第一处理元件穿梭到所述第二处理元件包括在所述第一处理元件与所述第二处理元件之间应用最佳偏置配置，使得所述量子位在所述停留偏置点处停留在所述一个或多个传送元件中的每一个中。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述最佳偏置配置使所述量子位在不到60纳秒中在所述第一处理元件与所述第二处理元件之间穿梭。
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