CN117616434A - 量子计算 - Google Patents
量子计算 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117616434A CN117616434A CN202280046061.4A CN202280046061A CN117616434A CN 117616434 A CN117616434 A CN 117616434A CN 202280046061 A CN202280046061 A CN 202280046061A CN 117616434 A CN117616434 A CN 117616434A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photon
- quantum
- qubit
- photons
- emitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 259
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 259
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 259
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 114
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 633
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 360
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 238
- 230000005283 ground state Effects 0.000 claims description 235
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 209
- 230000005281 excited state Effects 0.000 claims description 119
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 117
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 95
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 80
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 79
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 74
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical group [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 70
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 claims description 69
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 59
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 48
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical group [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical group [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical group [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical group [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical group [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical group [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical group [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical group [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 42
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 32
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 21
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 19
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- NCMHKCKGHRPLCM-UHFFFAOYSA-N caesium(1+) Chemical compound [Cs+] NCMHKCKGHRPLCM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001419 rubidium ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 107
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 86
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 38
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 33
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 32
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 29
- 230000006870 function Effects 0.000 description 26
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 25
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 20
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 16
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 16
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 11
- 239000002585 base Chemical group 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 10
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 10
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 9
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 9
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 9
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 8
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 7
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 description 6
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 4
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 4
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 4
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 4
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 5-phenyl-2h-tetrazole Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=NNN=N1 MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001275 Niobium-titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 3
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- -1 lead sulfide Chemical class 0.000 description 3
- 229910052981 lead sulfide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229940056932 lead sulfide Drugs 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N niobium titanium Chemical compound [Ti].[Nb] RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N selanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Se] GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 2
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 2
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 2
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000013515 script Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Chemical group 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910001423 beryllium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 238000005389 semiconductor device fabrication Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
- G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/04—Arrangements for thermal management
- H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
一种量子计算系统，包括：多个光子腔体；多个耦合位置，其用于量子发射体定位，每个耦合位置与所述多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；光子生成器，其被配置为向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和多个光子输出通道，其位于所述多个腔体下游以输出所述图态。
Description
相关申请
本申请基于2022年3月16日提交的63/320,454号美国临时申请和2021年4月27日提交的282705号以色列专利申请并要求其优先权，两者的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及使用腔体量子电动力学(腔体QED)的量子计算以及相关设备、系统、计算机可读介质和方法。一些实施例涉及光子图态的生成。
背景技术
建立商业上有用的量子计算机(QC)可能由于许多原因而具有挑战性，例如，由于随着更多量子比特的添加，复杂性、噪声和串扰不断增加，从而导致扩展性问题。此外，量子计算算法可以利用纠缠态，并且一些量子计算架构可以使用纠缠态源(也称为资源态生成器)来获得那些纠缠态。本公开涉及用于在这种纠缠态源中使用或与之一起使用的机制。目前，量子计算仍然限于概念证明阶段，具有仅足以证明量子计算在原理上是可行的相对较小数量的量子比特。为了使量子计算实用于处理真实世界的问题，当前设备需要被放大以处理超过106的大量的量子比特，包括用于纠错的量子比特。
用于量子计算的量子比特通常托管在三个物理平台(或体系)之一中：超导体(超导态)、原子(例如离子态)和光子(光子态)。
与其他平台相比，光子平台提供了许多显著的实用优势。光子相对容易生成并且不需要低温或超高真空环境，并且微小化、可靠的光子器件及其通信基础设施的构造是利用现成的制造技术来完成的。因此，光子平台目前是实现实用量子计算设备所需的高级别规模化的领先候选平台。
然而，目前没有实现光子平台的全部潜力，这在很大程度上是因为在光子量子计算中生成用作纠缠资源的纠缠的光子态当前是高度低效的。常规布置依赖于晶体中的非线性效应来生成单光子。为了生成光子图态，使用线性光学元件以概率方式使这些光子纠缠。为此，生成的光子应该是不可区分的，是根据完美定时和相同形状的脉冲生成的。不幸的是，这种要求是以生成效率为代价的。此外，为了以一定数量的量子比特的光子图态结束，概率纠缠过程将需要更大数量的初始单光子，并且因此需要更大数量的元件。这些低效率点是累积的，并且严重限制了将光子平台规模化至有意义数量的量子比特的努力。
因此，非常期望具有用于生成光子图态的设备和方法，该方法减少或消除概率过程及其固有的低效率，并且替代地以最大效率或以改进的效率确定性地生成光子图态以用作量子比特。本公开的实施例实现或有助于该目的。
发明内容
一种用于量子计算架构中的纠缠态源可以使用基于物质或基于光的机制。基于物质的量子计算机制(例如使用捕获的离子、超导量子比特或量子点的那些量子计算机制)有时被认为比基于光的量子计算机制更有效地实现纠缠态。基于光的量子计算机制(例如硅光子)，被认为是更可扩展的和模块化的。因此，基于光的机制可能有助于解决上述可可扩展性问题。
使用与本公开一致的实施例，例如，使用光子量子计算，就有可能为使用大量量子比特的量子计算提供纠缠态源。这种架构还可以提供可在标准硅制造实验室中制造的可扩展架构。在与本公开一致的实施例中使用的基于腔体量子电动力学(腔体QED)的机制可以利用光和物质性质，并且因此可以用作这种架构中的纠缠态源，从而形成一种可扩展的架构，该架构甚至可以在标准硅制造实验室中以潜在的合理成本制造。
作为示例，与本公开一致的一些实施例包括新型纠缠光子簇态生成设备。更具体地，本公开包括腔体QED系统的芯片实施方式的描述。纠缠的光子可以用作量子计算机的基本构建块。
基于光子的量子计算是量子计算的几种方法之一。在光子量子计算机中，量子数据可以以光子的量子态存储。光子量子计算机的构建块可以包括纠缠的光子。因此，需要有效地生成纠缠的光子。
本公开的实施例能够提供或使得能够提供用于生成和纠缠单光子、多光子和可用于量子计算的光子图态的确定性设备和方法。通过避免概率过程，本公开可以实现高效率，允许生成的光子很大程度上可用于量子比特。
根据本公开的方面，提供了如本文所述的系统、方法、装置、集成电路器件、电路、集成电路器件的布局、计算机可读存储介质、非暂时性计算机可读存储介质和信号。从以下的从属权利要求、条款、附图和参考附图的示例性实施例的描述中，所公开的实施例的其他性质将是显而易见的。
一些公开的实施例涉及：在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和经由所述多个腔体下游的多个光子输出通道输出所述图态。
一些公开的实施例涉及：在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体；初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态；在至少一个第一实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使所述量子发射体量子比特和所述光子量子比特纠缠；和在至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。
一些公开的实施例涉及：将量子发射体耦合到腔体；生成具有第一时间轮廓的第一脏光子；使用所述第一脏光子来形成第一光子量子比特；生成具有第二时间轮廓的第二脏光子；使用所述第二脏光子来形成第二光子量子比特；使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来使所述第一光子量子比特与所述第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特；和使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算。
根据本公开的一个方面，提供了量子计算系统、方法和计算机可读介质(或非暂时性计算机可读介质)，其涉及：初始化谐振器耦合的(resonator-coupled)量子发射体的状态；接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；从每个图态中选择至少一个光子；经由所述谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；和将所述谐振器耦合的量子发射体从所述选择的光子解纠缠，其中所述解纠缠包括检测所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态或将所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
根据本公开的一个方面，提供了量子计算系统、方法和计算机可读介质(或非暂时性计算机可读介质)，其涉及：初始化具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，所述N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；调谐所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁的频率；调谐所述第二基态和所述第二激发态之间的第二跃迁的频率；调谐所述第二基态和所述第一激发态之间的第三跃迁的频率；以对应于所述第二跃迁的所述频率的频率馈送多个光子，从而将所述多个光子纠缠到所述谐振器耦合的量子发射体；和以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将所述谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。
一些公开的实施例涉及：多个光子处理级，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者；多个无预报连接，每个无预报连接位于相邻的光子处理级之间；和电路，其被配置为调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。
根据当前公开的主题的方面，提供了确定性光子图态生成器及其相关方法。将确定性单光子生成与确定性腔体增强的光子-原子纠缠相结合以产生时间序列化的纠缠的光子，并且在相关实施例中，将生成和纠缠单元并入到发射纠缠的光子的具有一个时间维度和一个或两个附加维度(例如一个或两个空间维度)的多维簇态的集成阵列中。
单光子生成、原子-光子纠缠和光子-光子纠缠可以通过光学腔体内的四态原子系统来完成，其跃迁可根据入射的光子的能量和偏振独立地进行。操作类型包括单光子获取、原子-光子纠缠、多光子纠缠以及原子量子比特的准备和测量。
根据一个方面，提供了一种用于获取量子纠缠的光子的图态的方法，该方法包括(光子源单元也可以称为光子生成器)：
提供用于获取(source)单光子的光子源单元，所述光子源单元包括布置在源-光学腔体的腔体内场内的源单元原子；
提供光子纠缠单元，其用于光子态的量子纠缠，光子纠缠单元原子设置在纠缠-光学腔体的腔体内场内；
向所述光子纠缠单元发送光子脉冲，以将所述纠缠单元原子设置为原子量子叠加态
向所述光子源单元发送光子脉冲以将所述源单元原子初始化为量子态|1>；
向所述光子源单元中发送处于第一光子模态的光子的光子脉冲，以使所述源单元原子输出处于第二光子模态的单光子，其中所述第一光子模态耦合到所述源单元原子的第一跃迁，并且其中所述第二光子模态耦合到所述源单元原子的第二跃迁；
将处于所述第二光子模态的所述单光子路由到所述光子纠缠单元，以形成第三光子模态与第四光子模态的叠加；
其中所述第三光子模态耦合到所述纠缠单元原子的第三跃迁；
其中所述第四光子模态不耦合到所述源单元原子的任何跃迁；
其中所述第四光子模态不耦合到所述纠缠-光学腔体；和
其中，处于第三光子模态和第四光子模态的叠加的光子与所述纠缠单元原子进行量子纠缠；
重复所述路由至少一次以将处于所述第二光子模态的至少一个附加单光子路由到与所述纠缠单元原子量子纠缠的处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加的所述光子纠缠单元；
对所述纠缠单元原子执行测量，从而使其与处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的光子解纠缠；
其中处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的至少两个光子是量子纠缠的；和
输出处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的至少两个光子作为时间序列化的相互纠缠的光子。
对纠缠单元原子执行测量可以包括在布洛赫球(Bloch sphere)的x-y平面中执行测量。
根据另一方面，提供了一种用于获取量子纠缠的光子的图态的装置，该装置包括：
多个单光子源单元；
第一级线性光学元件；和
第一多个纠缠单元；
其中所述多个单光子源单元、所述第一级线性光学元件和所述第一多个纠缠单元沿着预定空间轴对应地移位；
其中所述多个光子源单元中的每个单光子源单元将单光子输出到所述第一级线性光学元件，并由此输出到所述第一多个纠缠单元的相应纠缠单元中；和
其中所述第一多个纠缠单元以时间维度序列输出纠缠的光子的一维空间阵列。
所述单光子源单元和/或所述纠缠单元可以各自包括处于第一基态、第一激发态、第二基态、第二激发态或其叠加的原子，所述原子还被配置为选择性地经历：
所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁；
所述第一激发态和所述第二基态之间的第二跃迁；以及
所述第二基态和所述第二激发态之间的第三跃迁；
所述装置包括：光学腔体，其限定用于在其中布置原子的腔体内场；光子波导，其耦合到所述光学腔体；磁体，其被配置为在所述原子上产生磁场；以及激光源，其被配置为产生处于相干状态中的光子的脉冲，所述装置被配置为使得每个跃迁都在所述光学腔体的谐振内。
可以对第一跃迁和第二跃迁进行选择，使得它们相对于彼此正交偏振。
第一激发态和第二激发态可以处于相同的能级。
第一基态和第二基态可以处于彼此不同的能级。
激光源可以被配置为选择性地生成：
初始化光子的脉冲，所述初始化光子的脉冲被配置为通过诱发原子经历从所述第一基态经由所述第一激发态到所述第二基态的所述第一跃迁和所述第二跃迁来初始化所述原子；和
获取光子的脉冲，所述获取光子的脉冲被配置为通过诱发原子经历从所述第二基态经由所述第一激发态到所述第一基态的所述第二跃迁和所述第一跃迁来从所述原子获取单光子。
所述激光源可被配置为选择性地生成准备光子，所述准备光子被配置为将所述原子的状态设置为量子叠加态，所述准备光子处于第一准备模态和第二准备模态的叠加态，其中所述准备光子与所述原子的相互作用导致其第一基态和第二基态处于与所述第一准备模态和所述第二准备模态的叠加态对应的叠加态，即，所述相互作用导致原子的第一基态和第二基态处于概率幅度等于入射的准备光子的第一准备模态和第二准备模态的概率幅度的叠加。
所述原子可以是铷原子。
所述磁体可以是螺线管。
所述第一级线性光学元件可以包括相位控制。
所述装置还可以包括：
第二级线性光学元件；和
第二多个纠缠单元；
其中所述第二级线性光学元件和所述第二多个纠缠单元与所述多个单光子源单元、所述第一级线性光学元件和所述第一多个纠缠单元沿所述预定空间轴相对应地移位；和
其中从所述第一多个纠缠单元的每个相应纠缠单元输出的处于纠缠态的单光子被输入到所述第二级线性光学元件，并由此被输入到所述第二多个纠缠单元的相应纠缠单元。
所述第二多个纠缠单元可以被配置为以时间维度序列输出纠缠的光子的二维空间阵列。
所述装置可被配置为产生用来与量子计算机一起使用的纠缠的量子比特。
所述装置可以被配置为用于执行当前公开的主题的任何方面的方法。
前述发明内容提供所公开的实施例的某些示例以提供用于本公开的特色，而不旨在概括所公开的实施例的所有方面。所公开的实施例的附加特征和优点将在下面的描述中部分地阐述，并且将从描述中部分地显而易见，或者可以通过实践所公开的实施例来获知。所公开的实施例的特征和优点将通过所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和达到。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅是示例和解释，而不是对权利要求所公开的实施例的限制。附图是本说明书的一部分。附图示出了本公开的几个实施例，并且与描述一起用于解释如所附权利要求中所阐述的所公开的实施例的原理。
附图说明
当结合附图阅读时，通过参考以下具体实施方案可以最好地理解所公开的主题，其中：
图1示意性地示出了根据所公开的实施例的用于量子计算的装置。
图2A是图1所示装置的一个过程的状态图。
图2B是图1所示装置的另一过程的状态图。
图2C是显示图1所示装置的一个没有相互作用状况的状态图。
图2D是显示图1所示装置的另一个没有相互作用状况的状态图。
图2E示意性地示出了根据所公开的实施例对图1所示装置的原子进行测量。
图3示意性地示出了使用图1所示装置的原子与光子的纠缠。
图4A示意性地示出了根据所公开的实施例的单光子源单元。
图4B示意性地示出了从图4A的光子源单元产生按序列的一系列单光子。
图5A示意性地示出了根据所公开的实施例的用于光子态与原子态的量子纠缠的纠缠单元。
图5B示意性地示出了根据所公开的实施例的按序列的一系列光子态与原子态的量子纠缠。
图6是根据所公开的实施例的用于获取光子图态的方法的流程图。
图7示意性地示出了根据所公开的实施例的用于获取量子纠缠的光子态的多维簇态的设备。
图8示意性地示出了与本公开的一些实施例一致的耦合到腔体的原子。
图9A示意性地示出了根据本公开的一些实施例的可与耦合到腔体的原子一起使用的波导。
图9B示意性地示出了根据本公开的一些实施例的光子生成。
图9C示意性地示出了根据本公开的一些实施例的纠缠门。
图10示意性地示出了根据本公开的一些实施例的包括可与原子和光子芯片一起使用的真空室的系统。
图11A示意性地示出了根据与纠缠光子图相关的一些实施例的量子计算方法。
图11B示意性地示出了根据与纠缠光子图相关的一些实施例的量子计算方法。
图11C示意性地示出了根据与纠缠光子图相关的一些实施例的量子计算系统。
图11D示意性地示出了根据与根据一些公开的实施例的纠缠光子图、形成簇相关的一些实施例的量子计算系统。
图12A示意性地示出了与一些公开的实施例一致的与提供用于生成图态的多个腔体相关的量子计算系统的示例性实施方式。
图12B示意性地示出了与一些公开的实施例一致的提供多个腔体的光子生成器。
图12C是根据一些公开的实施例的与提供用于生成图态的多个腔体相关的示例过程的框图。
图12D示意性地示出了根据一些公开的实施例的与提供用于生成图态的多个腔体相关的量子计算系统的示例性实施方式。
图13A至图13C一起示意性地示出了根据与生成光子图态相关的一些实施例的系统的示例性实施方式。
图13D是根据与生成光子图态相关的一些实施例的示例过程的框图。
图14A示意性地示出了根据与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例的系统或装置的示例性实施方式。
图14B是根据一些与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例的示例过程的流程图。
图15(A)至图15(C)示意性地示出了根据本公开的一些实施例的使用耦合到谐振器(或腔体)的量子发射体的单光子拉曼相互作用(SPRINT)机制。
图16A是根据一些与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算方法的流程图。
图16B示意性地示出了根据一些与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算系统。
图16C示意性地示出了根据一些与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算系统。
图16D示意性地示出了根据一些与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算系统。
图17A示意性地示出了根据与无预报连接的使用相关的一些实施例的系统或装置的示例性实施方式。
图17B和图17C示意性地示出了根据与无预报连接的使用相关的一些实施例的光子处理级的示例性实施方式。
图17D是根据与无预报连接的使用相关的一些实施例的示例过程的流程图。
为了说明的简单和清晰，图中所示的元素不一定是按比例绘制的，并且一些元素的尺寸相对于其他元素可能被夸大。此外，附图中可以重复附图标记以指示对应的或类似的元件。
在下面的描述中，出于说明的目的，提供了各种工作示例。然而，应当理解，本公开可以在没有这些细节中的一个或多个的情况下实践。现在将详细参考本公开的非限制性示例，其示例在附图中示出。下面通过参考附图描述这些示例，其中相似的附图标记指代相似的元素。当示出相似的附图标记时，不重复对应的描述，并且感兴趣的读者参考先前讨论的附图能获得相同元素的描述。
本文参考系统、方法、装置或计算机可读介质来描述各种实施例。其意图在于，对其中之一的公开即为对其中所有的公开。例如，应当理解，本文描述的计算机可读介质的公开还构成了对由计算机可读介质实施的方法的公开，以及对用于经由例如至少一个处理器或电路实施那些方法的系统和装置的公开。应当理解，本公开的形式仅是为了便于讨论，并且在本公开的预期范围内，本文中的一个实施例的一个或多个方面可以与本文中的其他实施例的一个或多个方面组合。
具体实施方式
参考附图描述示例性实施例。附图不一定是按比例绘制的。虽然本文里描述了所公开的原理的示例和特性，但在不脱离所公开的实施例的精神和范围的情况下，修改、改变和其他实施是可能的。此外，词语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”以及其他类似形式旨在含义上等同并且是开放式的，其中这些词语中的任何一个后面的一个或多个项并不意味着是这一个或多个项的详尽列举，或者意味着仅局限于所列出的一个或多个项。还应注意，如本文和所附权利要求中所用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确指示。此外，本文中的诸如“第一”和“第二”的关系术语仅用于将一个实体或操作与另一实体或操作区分开，而不要求或暗示这些实体或操作之间的任何实际关系或顺序。
如本文所用，除非另有明确说明，术语“或”包括所有可能的组合，除非不可行。例如，如果声明部件可以包括A或B，则除非特别声明或不可行，部件可以包括A或B，或A和B。作为第二个示例，如果声明部件可以包括A、B或C，则除非特别声明或不可行，组件可以包括A，或B，或C，或A和B，或A和C，或B和C，或A和B和C。
本文所描述的实施例可涉及包含指令的非暂时性计算机可读介质或计算机可读介质，所述指令在由至少一个处理器(或系统或电路或装置)执行时致使所述至少一个处理器(或系统或电路或装置)执行根据本公开的实施例的方法。非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质)可以是能够以可由具有处理器的任何计算装置(或任何系统)读取以执行存储在存储器中的方法或任何其他指令的方式将数据存储在任何存储器中的任何介质。非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质)可以被实现为硬件、固件、软件或其任何组合。此外，该软件可以优选地被实现为有形地体现在程序存储单元或计算机可读介质上的应用程序，该程序存储单元或计算机可读介质由部分或某些装置和/或装置的组合构成。应用程序可以被上载到包括任何合适的架构(或电路)的机器，并由其执行。优选地，机器可以在具有诸如一个或多个中央处理单元(“CPU”)、存储器和输入/输出接口的硬件(或电路)的计算机平台上实现。计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。在本公开中描述的各种过程和功能可以是微指令代码的一部分或应用程序的一部分，或其任何组合，其可以由CPU执行，无论是否明确示出该计算机或处理器。此外，各种其他外围单元可以连接到计算机平台，诸如附加数据存储单元和真空室。此外，非暂时性计算机可读介质可以是除暂时性传播信号之外的任何计算机可读介质。
存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘、光盘、磁性介质、固态存储设备、闪存、其他永久、固定、易失性或非易失性存储器、或能够存储指令的任何其他机制。存储器可以包括集中的或分散的一个或多个分开的存储设备，其能够存储数据结构、指令或任何其他数据。存储器还可以包括包含用于让处理器执行的指令的存储器部分。存储器还可以用作处理器的工作暂存器或临时存储器。
一些实施例涉及至少一个处理器。“至少一个处理器”可以包括具有对一个或多个输入执行逻辑操作的电路的任何物理设备或设备组。例如，至少一个处理器可以包括一个或多个集成电路(IC)，包括专用集成电路(ASIC)、微芯片、微控制器、微处理器、中央处理单元(CPU)的全部或部分、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、服务器、虚拟服务器、或适于执行指令或执行逻辑操作的其他电路。由至少一个处理器执行的指令可以例如被预加载到集成有控制器或嵌入到控制器中的存储器中，或者可以被存储在单独的存储器中。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘、光盘、磁性介质、固态存储设备、闪存、其他永久、固定、或易失性存储器、或能够存储指令的任何其他机制。在一些实施例中，所述至少一个处理器可以包括多于一个的处理器。每个处理器可以具有相似的构造，或者处理器可以具有彼此电连接或断开的不同构造。例如，处理器可以是分开的多个电路或集成在单个电路中。当使用多于一个的处理器时，处理器可以被配置为独立地或协作地操作，并且可以位于同一位置或彼此远程定位。这些处理器可以电耦合、磁耦合、光学耦合、声学耦合、机械耦合或通过允许它们相互作用的其他手段耦合。
替代性地或附加地，一些实施例涉及电路(或集成电路或集成电路器件的布局)。电路(或集成电路或集成电路器件的布局)可以包括一个或多个功能单元(或一个或多个布局部分)，其中每个功能单元(或每个布局部分)被配置为执行一个或多个过程步骤。一个或多个功能单元(或一个或多个布局部分)可以被布置(例如，彼此定位和连接或与另一功能单元或与另一布局部分定位和连接)，使得电路(或集成电路或集成电路器件的布局)能够执行方法或过程的一些或所有步骤。例如，电路(或集成电路或集成电路器件的布局)可以执行根据一些公开的实施例的方法或过程的一些或全部步骤。
在本文描述的示例或实施例中，系统、装置、设备、集成电路器件或电路(例如光子芯片或光子集成电路(PIC))的至少一些特性，使用诸如光刻的制造方法形成，例如在硅基衬底上使用光刻工艺，以在硅基衬底上形成那些特性。还应当理解，可以对其他类型的衬底使用光刻工艺以在其上形成那些特性。还应当理解，可以使用替代性或附加的光刻之外的其他技术(例如，诸如蚀刻、掺杂、扩散、溅射或沉积或自组装技术的其他半导体器件制造技术)来在衬底上形成那些特性，其中，这些其他技术使得能够制造具有能够提供本文中所述的其功能的结构的那些特性。
以下段落提供了本公开中使用的术语的定义以及与本公开中使用的术语相关联的示例。应当理解，在使用这些术语在功能上描述特性的情况下，该特性可以用享有等效功能的另一特性来代替。本文描述的实施例和示例可以参考以下内容。
一些实施例涉及图态。图形指的是图态。图态表示一组量子比特之间的关系，量子比特是量子信息的基本单位。例如，可以使该组量子比特纠缠。一组量子比特之间的关系可以是纠缠关系。例如，量子比特可以存储在(或属于)双态量子力学系统中，例如光子、原子和量子发射体。例如，图态可以包括复合量子系统的表示。复合量子系统可以包括多个量子子系统。每个这样的子系统可以由图的节点或顶点来表示，并且一对子系统之间的纠缠或相互作用可以由连接该对对应顶点的边来表示。图态的示例包括：光子图态；簇态(clusterstate)，其图是d维晶格的连接的子集；或者格林伯格-霍恩-齐林格(Greenberger-Horne-Zeilinger)态(GHZ态)，其图是仅连接到中心顶点的许多顶点。
作为非限制性示例，图6和图7示出了用于获取光子图态(例如，在步骤609中示出的n个光子)的方法和设备。
一些实施例涉及光子态。光子态是指一个或多个光子的状况或配置。例如，光子态可以包括与一个或多个光子的自由度相关联的量子态。光子态的示例包括单光子态，其中该状态对应于在指定模态内恰好存在一个光子。作为非限制性示例，图4B和图5B示出了时间序列化的一系列单光子态412。
一些实施例涉及光子图态。光子图态是指如前所述的应用于光子的图态。例如，光子图态包括其中顶点代表光子态的光子状况。光子图态的示例包括：每个顶点对应于单光子量子比特的图态，其中量子比特描述单光子的路径、单光子的偏振、单光子的时间仓(time-bin)或单光子的频率；或每个顶点对应于连续可变光子量子比特的图态，其中量子比特表示光子数态的一对正交叠加态。
如前所述，图6和图7的图态是光子图态的一个非限制性示例。
一些实施例涉及光子量子比特。光子量子比特是指存储在(或属于)一个或多个光子或电磁场中的量子信息的基本单位。例如，光子量子比特包括以与电磁场的传播或静止模态相关联的自由度编码的量子比特。光子量子比特的示例包括以偏振、光子数目、相位、时间仓、频率或电磁场的位置编码的量子比特。所述电磁场可以是光子波导中的传播模态、真空中的传播模态、或限于电磁谐振器的模态。
一些实施例涉及量子发射体。量子发射体是指被配置为耦合到电磁模态的部件。例如，量子发射体包括具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁模态。换句话说，量子发射体可以是能够与光子相互作用的静止量子比特。静止量子比特可以指可用于存储和处理量子信息的材料量子系统。例如，静止量子比特可以指可进行以下操作(或满足以下条件)的量子比特：(i)在纳秒或更大的时间尺度上可靠地存储量子信息，(ii)可靠地执行计算和/或操作，包括可以将信息移动或转换为飞行量子比特(例如，非静止量子比特或光子)的操作，(iii)被可靠地测量或读出，和/或(iv)是高度纠缠的。静止量子比特的示例可以包括存储在量子发射体中或属于量子发射体的量子比特。例如，存储在铷或铯原子中或属于铷或铯原子的量子比特可以用作静止量子比特的源。例如，里德堡(Rydberg)原子也可以用作静止量子比特的源。使用里德堡原子可以导致有利于量子计算应用的性质，例如，(i)对电场和磁场的强响应，(ii)长衰减周期，和(iii)大的电偶极矩。里德堡原子可以指具有一个或多个电子的激发原子，这些电子具有高主量子数n。量子发射体的示例包括具有以下一者或更多者的量子系统：离子或中性原子的电子或核配置；材料衬底中缺陷或量子点的电子或核配置；或者包含一个或多个约瑟夫逊结(JosephsonJunction)的超导电路的配置。量子发射体可以是超导量子比特、量子点、原子、中性原子、离子、铷原子、铯原子、锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子。原子或离子可以来源于里德堡原子。超导量子比特可以指从超导材料(例如铝或铌-钛合金)获得的固态量子比特。超导量子比特可以包含或耦合到至少一个约瑟夫逊结。超导量子比特的示例可以包括电荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特和/或其混合(例如，传输子(transmon))。量子点可以指具有衬底(例如，诸如半导体粒子的固态衬底)的量子发射体，如前所述，该衬底具有展现量子力学原理的光学和/或电子性质。例如，量子点可以是具有与其体成分不同的光学和电子性质的纳米粒子。在存在高能光子(例如紫外线)的情况下，量子点中的电子可以被激发到高能态，并且当跃迁至基态时发射一个或多个光子。例如，量子点可以由一种或多种二元化合物(如硫化铅、硒化铅、硒化镉、硫化镉、碲化镉、砷化铟或磷化铟)制造。例如，量子点可以由砷化镓衬底中的砷化铟自组装。例如，量子点可以指固态衬底中的原子缺陷，例如金刚石中的氮空位中心。图1和图3所示的原子102、图4A和图4B中的原子402、图5A和图5B中的原子502、图8至图9C中的铷(87Rb)原子820和图10中的一个或多个原子1020是量子发射体的非限制性示例。
一些实施例涉及波动量子发射体。波动发射体是指其物理状况或性质随时间(至少时间上)波动的量子发射体。例如，量子发射体可能会波动，因为其谐振频率会因杂散磁场或电场而随时间变化。例如，波动发射体包括量子发射体，其跃迁频率可能由于环境噪声而随时间(时间上)波动。波动量子发射体的示例包括：原子，其跃迁频率由于随时间变化的磁场、电场或光子捕获场而波动；或量子点，其跃迁频率由于周围固态晶格中的随机电荷或自旋而波动。
一些实施例涉及量子发射体量子比特的状态。量子发射体量子比特的状态指量子发射体的状况或配置。例如，量子发射体的状态包括与描述量子发射体的哈密顿算符(Hamiltonian)的本征态的叠加相对应的量子发射体的配置。量子发射体量子比特的状态的示例包括对应于最低能量本征态的量子发射体的基态。
一些实施例涉及腔体或谐振器。腔体可以用作谐振器，并且谐振器指的是建立或支持振荡和/或简正模态的部件。例如，该振荡可以是一组离散的简正模态在相关联的一组离散的谐振频率下的谐振振荡。例如，谐振器可能能够将电磁场限制在具有特定振荡频率的电磁模态。例如，腔体或谐振器包括被配置为在空间和时间上限制电磁场的电磁谐振器。腔体或谐振器可以支持一组离散的电磁模态，每个电磁模态都与受限场的特定谐振频率和寿命相关联。腔体或谐振器的示例包括：光子腔体；光学腔体；回音廊模式(whisperinggallery mode)腔体；法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔体；或环形腔体。典型的腔体可以是光学腔体或微波腔体。图1和图3中的光学腔体103以及图8至图9C中的腔体818是谐振器的非限制性示例。
一些实施例涉及耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)。耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)是指能够与谐振器相互作用的量子发射体。例如，耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)可以包括布置成与由谐振器限制的电磁场相互作用的量子发射体，该量子发射体可以是被配置成在空间和时间上限制电磁场的部件或部件组。该部件或部件组可以支持一组离散的电磁模态，每个电磁模态都与受限场的特定谐振频率和寿命相关联。该耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)还可以被称为耦合到腔体的量子发射体、耦合到光子腔体的量子发射体或耦合到光学腔体的量子发射体，这取决于哪个部件用作谐振器。因此，耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)可以包括其偶极子场与谐振器(例如，腔体、光子腔体或光学腔体)的电磁模态重叠的量子发射体。
例如，布置在腔体(或光子腔体或谐振器或光学腔体)的腔体内场内的量子发射体(或原子)是耦合到腔体的量子发射体(或耦合到光子腔体的量子发射体，或耦合到谐振器的量子发射体，或耦合到光学腔体的量子发射体)。图1中包含在光学腔体103内的原子102、图8中配置810中耦合到腔体818的铷(87Rb)原子820和图9A至图9C中耦合到腔体818的铷(87Rb)原子820是耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)的非限制性示例。
一些实施例涉及耦合位置或耦合位点。耦合位置或耦合位点包括被配置为使得能够实现量子发射体和谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)之间的耦合的区域(例如，体积或区)。例如，其可以包括将量子发射体定位在谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)的腔体内场内的区域，或者使得量子发射体的偶极子场能够与谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)的电磁模态重叠的区域。
一些实施例涉及量子发射体定位。量子发射体定位是指布置或安置量子发射体以使得量子发射体与谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)之间能够相互作用。这种量子发射体定位的示例包括以下中的一个或多个：将量子发射体设置成位于耦合位置或耦合位点(例如，将量子发射体定位或置于耦合位置或耦合位点处)；将量子发射体耦合到谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)；将量子发射体设置在谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)的腔体内场内；在谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)附近捕获量子发射体；以光刻的方式将量子点置于谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)附近；或以光刻的方式将谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)置于自组装量子点附近。
一些实施例涉及捕获量子发射体(例如，原子或碱原子)。捕获量子发射体是指生成将量子发射体保持在耦合位置内的阱。例如，捕获量子发射体可以涉及使用电磁场的配置来限制量子发射体(或原子或碱原子)的空间自由度。捕获量子发射体(例如，原子或碱原子)的示例包括:使用电场和射频(或微波)场捕获离子；使用磁光阱(MOT)配置捕获原子；或者使用非谐振激光束(原子镊子)捕获原子。作为非限制性示例，图9A示出了用于携带脉冲或场以生成阱的实用波导910，并且图10示出了用于捕获一个或多个原子1020的磁光阱(MOT)。图9A中的脉冲或场被配置成将Rb原子820捕获在耦合位置处，例如紧邻腔体818(或图中的谐振器或环形)。该脉冲或场可被配置成生成和/或包含围绕波导910的倏逝场，使得倏逝场捕获可用于将Rb原子820保持在耦合位置处或耦合位置内。图10中的磁光阱被配置为在耦合位置处或在耦合位置内捕获一个或多个原子1020。
一些实施例涉及靠近光子腔体(或腔体或谐振器或光学腔体)。靠近光子腔体(或腔体或谐振器或光学腔体)是指处于光子腔体(或腔体或谐振器或光学腔体)的电磁模态内。靠近光子腔体(或腔体或谐振器或光学腔体)的示例包括：在法布里-珀罗腔体的两个反射表面之间；如之前所述，在耦合位置或耦合位点内，或在耦合位置或耦合位点处；如之前所述，在谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)的腔体内场内；在耦合位置或耦合位点内，或在耦合位置或耦合位点处，如之前所述，使得量子发射体的偶极子场能够与谐振器(或腔体或光子腔体或光学腔体)的电磁模态重叠；和/或在如前所述的回音廊腔体的倏逝场内。
一些实施例涉及将光子量子比特耦合到量子发射体，或者将量子比特耦合到原子量子比特。将(光子)量子比特耦合到量子发射体(原子量子比特)是指使得量子比特(一个或多个光子的量子比特)和量子发射体的量子比特(原子量子比特，即当原子用作量子发射体时原子的量子比特)之间能够相互作用。例如，如之前所述，将(光子)量子比特耦合到量子发射体(原子量子比特)可以包括通过在量子发射体(或原子)的偶极子场和量子比特(或光子量子比特)的电磁场之间产生重叠来使得量子比特(或光子量子比特)和量子发射体(或原子量子比特)之间能够相互作用。
一些实施例涉及超导量子比特。超导量子比特是指存储在超导电子电路中或属于超导电子电路(例如，使用超导体的电气元件的网络)的量子比特。例如，超导量子比特可以包括来自包含或耦合到一个或多个约瑟夫逊结的超导材料的电路。超导量子比特的示例包括：超导传输子量子比特；超导fluxonium量子比特；或超导玻色子量子比特。
一些实施例涉及包括量子点的量子发射体。量子发射体包括的量子点可以指具有衬底(例如，诸如半导体粒子的固态衬底)的量子发射体，该衬底具有展现量子力学原理的光学和/或电子性质。例如，量子点可以由布置成紧密限制电子或电子空穴的纳米级半导体材料形成。例如，包括量子点的量子发射体可以包括具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁自由度，其中该量子系统包括固态衬底内的空间限定区域，用于在所有三个维度中限制该衬底内的电荷载流子。包括量子点的量子发射体的示例包括：门定义的量子点，其中空间区域由通过电极控制的电场限定；或自组装的量子点，其中空间区域由带隙小于周围区域的材料组成。例如，量子点可以由砷化镓衬底中的砷化铟自组装。例如，量子点可以指固态衬底中的原子缺陷，例如金刚石中的氮空位中心。
一些实施例涉及光子-量子发射体纠缠。光子-量子发射体纠缠是指一个或多个光子的状态与一个或多个量子发射体的状态关联的情况。例如，一个或多个光子的状态可以与一个或多个量子发射体的状态相关，使得这些状态不能被彼此独立地描述。该纠缠例如产生那些状态的测量之间的相关性，将所述一个或多个光子的状态的测量与所述一个或多个量子发射体的状态的测量关联，由此可以使用该相关性来存储或处理相互信息。例如，光子-量子发射体纠缠可以包括由至少一个光子和至少一个量子发射体组成的复合量子系统的不分离(不可分离)状态，其中所述至少一个量子发射体与所述光子态(例如，所述至少一个光子的光子态)纠缠。作为非限制性示例，图3以双线310示出了原子102和光子302之间的纠缠。
一些实施例涉及纠缠门。如本文所使用，术语“纠缠门”是指引起量子元件(例如，任何量子粒子、量子粒子组或量子比特)之间的任何程度的纠缠的任何部件、部件组、控制顺序或操作(可逆的或不可逆的)。例如，纠缠门可以包括被配置成纠缠量子比特的量子电路。例如，先前描述的耦合到谐振器(或腔体、光子腔体或光学腔体)的量子发射体可以能够用作纠缠门。纠缠门或操作可以涉及通过波束分离器将单个光子发送到两个谐振器耦合的量子发射体。将两个量子发射体量子比特进一步映射成光子量子比特可以生成三光子纠缠态(即，Greenberger-Horne-Zeilinger状态)。纠缠门的示例包括：受控Z纠缠门(CZ门)；受控非纠缠门(CNOT门)；SWAP纠缠门的平方根；或虚SWAP纠缠门(iSWAP门)。
通过非限制性示例，图8和图9C示出了图8中的配置810中耦合到腔体818的铷(87Rb)原子820和图9C中耦合到腔体818的铷(87Rb)原子820被实施为纠缠(CZ)门，并且图5A至图5B示出了纠缠单元501(包括纠缠单元原子502)被实施为纠缠门。
受控Z门(CZ门)指可在两个量子比特上操作使得它们的组合量子态获得条件相移(例如，π的相移)的量子门。例如，当两个量子比特都处于与逻辑1相关联的状态时，两个量子比特的组合量子态可以获得π的相移，否则没有相移。通过非限制性示例，图3示出了受控Z门的实施方式，图8和图9C示出了耦合到配置810中的腔体818的铷(87Rb)原子820被实施为纠缠(CZ)门。
SWAP门指可在两个量子比特上操作使得第一量子比特的量子态被转移到第二量子比特，并且第二量子比特的量子态被转移到第一量子比特的量子门。例如，当两个量子比特由量子系统A和量子系统B表示时，使得A的量子态被转移到B，并且B的量子态被转移到A。作为非限制性示例，图2E示出了SWAP门201在原子102上执行量子比特的“读取”和“写入”操作。
一些实施例涉及将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。将量子发射体量子比特映射到光子量子比特是指将量子发射体量子比特转移到光子量子比特。例如，这种映射可以包括将存储在量子发射体的量子比特中的量子信息转移到一个或多个光子的量子比特。在一个示例中，将量子发射体量子比特映射到光子量子比特可以是如前所述对量子发射体量子比特和光子量子比特执行SWAP门操作的结果。例如，以对应于谐振器耦合的量子发射体的特定跃迁频率的频率馈送光子可以将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子上。通过非限制性示例，图2E示出了使用SWAP门201的映射，使得原子102(其是量子发射体的非限制性示例)的第一基态111和第二基态113的初始叠加态(概率幅度为γ和δ)被转移到出射的光子204(如图所示，具有概率幅度为δ和γ的模态1和模态2的叠加态)，并且入射的光子202的概率幅度为α和β的光子模态1和光子模态2的叠加被转移到原子102(如图所示，原子102被留在概率幅度为β和α的第一基态111和第二基态113的叠加态)。
一些实施例涉及光子芯片。光子芯片是指集成在光学或红外波长下工作的元件或部件的装置。例如，这种装置可以是微制造的。微制造工艺可以涉及如前所述的光刻。光子芯片的示例包括包含以下中的一者或多者的芯片：集成激光器；用于携带激光、光子的脉冲和/或一个或多个单光子的通道或波导；波导；开关；相位调制器；谐振器；干涉仪；波束分离器；光子放大器；非线性波导；非线性谐振器；幅度调制器；集成磁场生成器(例如螺线管)；检测器；以及一个或多个控制器(或电路)，其被配置为控制或接收来自芯片的上述元件或部件中的任何一者或多者的输出。
一些实施例涉及原子分配器。原子分配器是指布置成提供一个或多个原子的部件或部件组。原子分配器是布置成分配(或提供)一个或多个量子发射体的量子发射体分配器的非限制性示例。例如，原子分配器可以包括用于在腔室内生成原子蒸气的原子的源。该腔室通常可以包括真空室。原子分配器的示例包括被配置为电阻加热以分配或提供原子的源。所分配的原子例如可以是铯、钾、钠、铷和锂等中的一者或多者。
一些实施例涉及原子射流。原子射流是指一股或一束原子蒸气。该一股或一束原子蒸气可以由先前描述的原子分配器提供或分配。例如，原子射流可以包括定向波束，该定向波束包括从原子分配器冒出的热原子蒸气。
一些实施例涉及冷却原子射流。冷却原子射流是指冷却(或减少)射流中原子的运动和/或运动速度。例如，冷却原子射流可以包括冷却射流中原子的运动自由度。
一些实施例涉及在氮化硅层内形成的腔体(或谐振器)。例如，如先前所定义的，形成在氮化硅层内的腔体(或谐振器)可涉及包含连接区域的平面层，该连接区域包括氮化硅。连接区域可以嵌入在折射率低于氮化硅折射率的不同材料中。在氮化硅层内形成的腔体(或谐振器)可以形成在由二氧化硅包围的氮化硅区域中，其中该氮化硅区域可以包括直线或曲线，或者该氮化硅区域可以包括环。作为非限制性示例，可以在氮化硅区域中形成图1和图3中的光学腔体103以及图8至图9C中的腔体818。
一些实施例涉及脏光子。脏光子是指例如在执行量子计算时与另一光子可区分的光子。脏光子可以包括，例如，以多个时空模态(例如，多个时间轮廓)的混合态传播(巡回)的光子。通过腔体增强的原子-光子相互作用(例如，使用先前描述的耦合到谐振器的量子发射体或谐振器耦合的量子发射体)纠缠光子使得能够在量子计算操作中使用这种脏光子。这是因为通过腔体增强的原子-光子相互作用(例如，使用先前描述的耦合到谐振器的量子发射体或谐振器耦合的量子发射体)纠缠光子不要求使用不可区分的光子(清洁光子)，而在以线性光学进行的概率纠缠的情况下并非如此。例如，这意味着输入光子脉冲(例如，图4A中的脉冲404)不必被精确定时和成形。根据一些公开的实施例产生的单光子完全适合使用先前描述的耦合到谐振器的量子发射体或谐振器耦合的量子发射体进行量子比特纠缠，即使当光子展示出使其易于区分的不规则性时也是如此。
一些实施例涉及时间轮廓。时间轮廓是指传播的光子的场的时间包络。时间轮廓的示例包括：具有特定衰减时间和初始时间的指数递减或递增轮廓；具有特定初始时间和最终时间的恒定轮廓；或具有特定平均时间和时间方差的高斯轮廓。
一些实施例涉及光子延迟线。光子延迟线是指被布置成对一个或多个光子或光束的脉冲引入时间延迟的部件或部件组。例如，光子延迟线可以包括光子设置，该光子设置包括光子波导，该光子波导用于相对于未进入光子波导的脉冲延迟进入脉冲的到达时间。光学延迟线是光子延迟线的示例，其可以利用电磁频谱的可见段。光学延迟线可以具有固定的或可调谐的延迟。(光子或光学)延迟线可以由(光学)开关控制，该(光学)开关确定光学脉冲是否通过延迟线。例如，(光子或光学)延迟线可以在自由空间、光纤或片上波导中实施。
一些实施例涉及操纵碱原子(或操纵量子发射体)。操纵碱原子(或操纵量子发射体)是指控制碱原子(或量子发射体)的外部或内部状态(例如，状况或配置)。例如，内部状态可以对应于电子配置、核配置或其组合。例如，外部状态可以对应于碱原子在耦合位置中的运动。
一些实施例涉及冷却碱原子(或冷却量子发射体)。在本文中，冷却指的是减少碱原子(或量子发射体)的运动和/或速度。例如，冷却碱原子(或冷却量子发射体)可能影响碱原子(或量子发射体)的运动自由度。
一些实施例涉及无预报连接。无预报连接是指不使用预报(或前馈)的连接或链接。例如，可以通过从高度相关状态下生成的一对单光子中检测一个光子并且使用光子或光学延迟线来“预报”该对光子中的另一个光子以实现预报(或前馈)，由此在其检测之前已知另一个光子的状态(前馈)。因此，无预报连接指的是不需要且不涉及这种预报(或前馈)的连接或链接。
本文描述的实施例、条款、权利要求或示例涉及与用于量子计算的量子发射体(例如，离子、原子或量子点)耦合的一个或多个腔体(例如，本文描述的谐振器)的使用，以及它们的相关系统、设备、装置、方法、(非暂时性)计算机可读介质或计算机可读介质。该使用可以与本文描述的另一实施例兼容。
作为非限制性示例，本文描述的耦合的腔体和量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可以用于原子和光学腔体(或腔体QED)的示例配置之一中，该原子和光学腔体(或腔体QED)用于本文描述的用于确定性光子图态生成器的装置中。其中光学腔体(或谐振器)和原子(或量子发射体)被布置成使得它们之间的耦合发生在示例配置的原子阱或其他粒子阱(也称为耦合位置或耦合位点，或存在源光学腔体或纠缠光学腔体的腔体内场的位置(位点))中。在本公开的确定性光子图态生成器中的配置的示例中，腔体对应于光学腔体103，并且量子发射体对应于图1和图3所示的原子102、图4A和图4B中的原子402、图5A和图5B中的原子502。在其他非限制性示例中，腔体对应于图8至图9C中的腔体818，量子发射体对应于图8至图9C中的铷(87Rb)原子820，或图10中的一个或多个原子1020。
例如，本文所述的耦合的腔体和量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可用于光子腔体耦合的量子发射体的示例配置之一中，例如，在与提供用于生成图态的多个腔体相关的实施例中或在图12A至图12D中所示的那些实施例(例如，图12A、图12B和图12D中所示的示例光学腔体1112_1、1112_n、1138_1、1138_n和示例量子发射体1114_1、1114_n、1140_1、1140_n)中。
例如，本文所述的耦合的腔体和量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可用于腔体耦合的量子发射体的示例配置之一中，例如，与生成光子图态相关的实施例中或图13A至图13D所示的那些实施例(例如，图13A、图13B和图13C所示的示例腔体1202_1、1202_n和示例量子发射体1206_1、1206_n)中。
例如，本文所述的耦合的腔体和量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可用于腔体耦合的量子发射体的示例配置之一中，例如，与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例中，或在图14A至图15(A)到图15(C)中所示的那些实施例(例如，图14A中所示的示例腔体1404和示例量子发射体1402或图15(A)到图15(C)中所示的示例谐振器1434和示例量子发射体1432)中。
例如，本文所述的耦合的腔体和量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可用于谐振器耦合的量子发射体的示例配置之一中，例如，与纠缠光子图相关的实施例中或图11A至图11D中所示的那些实施例(例如，图11C或图11D中所示的示例谐振器1733和示例量子发射体1731)中。
例如，本文所述的耦合的腔体和量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可用于谐振器耦合的量子发射体的示例配置之一中，例如，在与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例中或图16A至图16D所示的那些实施例(例如，图16B至图16D所示的示例谐振器1833、1863和示例量子发射体1831)中。
例如，本文所述的耦合的腔体和量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可用于谐振器耦合的量子发射体的示例配置之一中，例如，与无预报连接的使用相关的实施例中或图17A至图17D所示的那些实施例(例如，图17B和图17C所示的示例谐振器1904、1944和示例量子发射体1902、1942)中。
在这些非限制性示例中的至少一些中使用微米尺度的光学腔体使得能够将单个光子(或者可替代地，两个或更多个光子)与单个原子耦合，由此光学腔体耦合的原子可以如图8到图9B所示用作光子生成器，或者如图8、图9A和图9C所示用作输入光子可以与之建立纠缠态的原子。
例如，耦合到图8中所示的腔体810的铷(87Rb)原子可以与(例如，使用光纤816或纳米光纤或片上波导形成的)波导一起使用，以生成光子(“单光子源”812或“光子生成器”)，或者纠缠通过的光子(“纠缠门”814，例如，受控Z门(CZ门))。
如图9A中的示例所示，波导可以包括用于携带用于生成阱的脉冲的实用波导910，该阱在耦合位置(例如，靠近腔体818(或图中的谐振器或环形))处捕获Rb原子820。该脉冲可被配置成生成围绕波导910的倏逝场，使得倏逝场捕获可用于将Rb原子820在耦合位置处捕获。用于生成倏逝场的脉冲的参数可以基于Rb原子820(或在其位置上使用的任何其他量子发射体)、腔体818、耦合位置和/或波导816、910、930的特定布置来确定。该脉冲可以被配置为使得其能够捕获光学纳米纤维(波导816)附近的冷原子(Rb原子820或量子发射体)。作为非限制性示例，对于直径约为400纳米的光学纳米纤维，大部分纤维引导的光在周围真空中的倏逝场中传播。当在纳米纤维的导模中注入具有两个波长的脉冲时，可以在该倏逝场中生成光学偶极子阱：第一脉冲可以是红失谐的，被配置为将原子拉向其倏逝场更强的纳米纤维。第二脉冲可以是蓝失谐的，被配置为提供防止(或阻止)原子碰撞到纳米纤维表面上的排斥电势。两种贡献的组合可导致耦合位置处(例如离纳米纤维表面约200纳米处)的电势最小。在一个实施例中，红失谐脉冲可以具有850纳米(或例如980纳米)的波长，而蓝失谐脉冲可以具有690纳米(或例如720纳米)的波长。检测器951可以位于实用波导910的端部，用于携带用于生成阱的脉冲，使得可以在检测器951处检测脉冲，并且可以基于来自检测器951的测量来执行对脉冲的适当控制。
如图9A中的示例所示，波导还可以包括用于输出光子的量子波导930。该输出的光子可以是由Rb原子820生成的光子(当腔体QED用作光子源812时)，或者它可以是与Rb原子820处于纠缠态的纠缠的光子(当腔体QED被用作纠缠(CZ)门814，并且光子通过量子波导930输入并且由量子波导930携带时)。这便于单光子生成，CZ门或原子态读出。开关/路由器970可以位于量子波导930的输出通道侧，使得当需要对输出光子进行测量(或检测)时，输出光子被引导到位于量子波导930的分支处的检测器952，该分支从量子波导930分出。
如图9B中所示的由原子820耦合到腔体818的配置示例所示，当该配置用于光子生成812时，实用波导910可以连接到泵浦激光输入，携带蓝色和红色激光，用于在波导910和腔体818(谐振器)之间的耦合位置处捕获原子820。可以在腔体818(谐振器)的相互作用距离内提供另一波导(例如，量子波导930)，使得所生成的光子可以由另一波导携带。
如图9C中所示的原子820耦合到腔体818的配置示例所示，当该配置用于纠缠(CZ)门814时，实用波导910可以携带蓝色激光和红色激光，用于在波导910和腔体818(谐振器)之间的耦合位置处捕获原子820。可以在腔体818(谐振器)的相互作用距离内提供另一波导(例如，量子波导930)，使得一个或多个单光子可以被携带在其中，从而有助于携带的光子和捕获的原子820之间经由腔体818(谐振器)的相互作用，由此该相互作用导致携带的光子变得与原子820纠缠并且然后作为纠缠的光子输出。
根据本公开的实施例，穿孔真空室1013可用于图10所示的示例布置1011中，其包括一个或多个光子芯片1015与基于冷原子源1017的资源态生成器(RSG)的组合，该组合形成混合系统1011的一部分，其中一个或多个激光1033和控制器(或控制系统1031)向光子芯片1015提供输入以控制其操作,或向磁光阱(MOT)提供输入以捕获一个或多个来自冷原子源1017的原子1020，并且其中连接到光子芯片1015的光子检测器1035检测光子芯片1015中的光子或来自光子芯片1015的光子，从而可以控制光子芯片1015输出光子态1041的簇态。例如，控制器(或控制系统1031)或/和光子芯片1015中的一者或两者可以包括电路和/或至少一个处理器和至少一个存储器，其中该电路和/或至少一个处理器被配置为执行根据一些公开的实施例在本文中描述的量子计算方法的一些或所有步骤。
一些实施例涉及多个光子腔体，每个光子腔体与一耦合位置和一量子发射体相关联。腔体是指可用作谐振器的结构、外壳或容器，如前所述，其是用于建立或支持振荡的部件。光子腔体因此可以指用于建立或支持与光子相关联的电磁模态的谐振器(或部件)。例如，光子腔体可对应于腔体QED设置中的腔体、光学腔体、回音廊模式腔体或法布里-珀罗腔体。耦合位置包括被配置为使得能够耦合量子发射体和光子腔体的区域(例如，体积或区)。例如，如前所述，其可以包括将量子发射体定位在光子腔体的腔体内场内，或者使得量子发射体的偶极子场能够与光子腔体的电磁模态重叠的区域。例如，当量子发射体处于耦合位置时，这使得量子发射体能够与光子腔体耦合，由此量子发射体与光子腔体的已建立或支持的电磁模态相互作用。如前所述,量子发射体是指被配置为耦合到电磁模态的部件。例如，量子发射体包括具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁模态。换句话说，量子发射体可以是能够与光子相互作用的静止量子比特。
当量子发射体在其相关联的耦合位置中耦合到光子腔体时(也称为光子腔体耦合的量子发射体)，量子发射体耦合到光子腔体的电磁模态。因此，量子发射体的偶极子场与光子腔体的电磁模态重叠，并且光子腔体耦合的量子发射体可以被配置为在被激励时释放或发射光子(例如，用作光子生成器)或者与通过光子腔体的光子相互作用(例如，用作纠缠光子的纠缠门)。因此，通过提供或具有多个光子腔体，每个光子腔体与一耦合位置和一量子发射体相关联，可以释放或发射多个光子、与多个光子相互作用或与光子多次相互作用。
例如，多个光子腔体耦合的量子发射体可以用作多个光子生成器。这些光子生成器可以同时(例如，并行地)提供多个单光子。多个光子腔体耦合的量子发射体可以用作多个纠缠门。这些纠缠门可以操作以同时(例如，并行地)纠缠多个光子。或者，多个光子腔体耦合的量子发射体可以用作光子生成器和纠缠门的组合(例如，作为包括至少一个光子生成器和至少一个纠缠门的部件的组)，以生成光子并随后与其相互作用。如前所述，光子生成器指的是单独光子的源，纠缠门指的是被配置成纠缠量子比特的部件或部件组或控制序列，量子比特在该情况下是属于光子的量子比特或光子量子比特。例如，纠缠门可以包括被配置成纠缠光子量子比特的量子电路。
作为非限制性示例，图4A和图4B示出了作为光子生成器来实施的源单元401(其包括作为量子发射体的源单元原子402)，图8到图9B示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818以用作光子生成器，图5A和图5B示出了作为纠缠门实施的纠缠单元501(其包括作为量子发射体的纠缠单元原子502)，并且图8和图9C示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818以用作纠缠门。
当用于纠缠门时，每个(例如，与耦合位置和光子腔体中的一者相关联的)量子发射体可以介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用，以例如生成图态(或多个图态)作为输出。如前所述，图态表示一组量子比特之间的关系，量子比特是量子信息的基本单位。因此，从连续入射的光子量子比特生成的图态(或多个图态)表示存储在输出光子中(或属于输出光子)的量子比特之间的关系。可以提供光子生成器以向多个光子腔体中的每一者供应光子，例如，以经由量子发射体使得连续入射的光子量子比特之间能够相互作用。在一些公开的实施例中，光子生成器可以包括被配置为提供光子的一个或多个光子腔体耦合的量子发射体。多个光子腔体中的每一者可以有助于光子量子比特和相关联的量子发射体之间的相互作用。多个输出通道也可以位于多个光子腔体的下游，以在光子量子比特和相关联的量子发射体之间的相互作用之后输出图态。例如，每个光子腔体可以具有用于输出图态的相关联的输出通道。替代性地，多个光子腔体中的一些或全部可以共享用于输出图态的输出通道。
作为非限制性示例，图12A示出了与提供用于生成图态的多个腔体相关的量子计算系统1100的示例性实施方式。图12A中的量子计算系统1100仅旨在有助于量子计算系统的一个示例性实施方式的概念化，而不将本公开限于任何特定实施方式。输出的一个或多个图态可以是例如一个或者多个时间序列的一系列纠缠的光子，其随后可以用作量子计算应用的量子比特。系统1100可以包括多个纠缠门1102_1至1102_n，每个纠缠门包括如前所述的适于纠缠光子量子比特的配置，其中n是大于1的任何整数。每个纠缠门1102_1至1102_n可以分别从光子生成器1104接收一系列输入光子1106_1至1106_n。纠缠门1102_1至1102_n中的每一者可以分别输出时间序列的一系列纠缠的光子1108_1至1108_n，以形成光子图态1110_1至1110_n或1122。图12A将输入光子1106_1至1106_n描绘为分开的光子而在它们之间没有连接体，以指示输入光子1106_1至1106_n在被输入到纠缠门1102_1至1102_n中之前的状态。在它们被输入到纠缠门1102_1至1102_n之前，输入光子1106_1至1106_n的这些状态是独立的，换句话说，它们不被纠缠(解纠缠)，并且它们之间不存在相关性。相反，时间序列化的一系列输出光子1108_1至1108_n经由双线1108A连接以指示它们的纠缠。光子之间的纠缠是指两个或更多个光子的状态与彼此的状态相关联的状况。例如，两个或更多个光子的状态可以以不能彼此独立地描述这些状态的方式彼此相关。该纠缠例如产生那些状态的测量之间的相关性，由此可以使用该相关性来存储或处理相互信息。
图12A中的纠缠门1102_1包括第一波导1118_1、光子腔体1112_1、量子发射体1114_1、第二波导1120_1和位于光子腔体1112_1和第二波导1120_1之间的耦合位置1116_1。类似地，图12A中的纠缠门1102_n包括第一波导1118_n、光子腔体1112_n、量子发射体1114_n、第二波导1120_n和位于光子腔体1112_n和第二波导1120_n之间的耦合位置1116_n。在下面的描述中，为纠缠门1102_1提供的细节可以类似地应用于纠缠门1102_n。
一些实施例涉及量子计算。量子计算可以指通过利用或应用一个或多个量子态性质(例如叠加、纠缠和干涉)来执行的计算。一些实施例涉及量子计算系统，且量子计算系统由此可包括被配置为有助于经由量子计算进行计算或操作的部件或部件组。例如，量子计算系统可以生成图态，该图态可以包括用于在量子计算中用作量子比特的多个时间序列的一系列纠缠的光子。
作为非限制性示例，图12A示出了与一些公开的实施例一致的量子计算系统1100的示例性实施方式。图12A中的量子计算系统1100包括多个纠缠门1102_1至1102_n。纠缠门1102_1至1102_n可各自从光子生成器1104接收一系列连续的输入光子1106_1至1106_n。纠缠门1102_1至1102_n一起可以从输入光子1106_1至1106_n生成图态1110_1至1110_n和/或1122中的任何一个，这些图态与时间序列的一系列纠缠的光子1108_1至1108_n相关联。
一些实施例涉及多个光子腔体。腔体是指可用作谐振器的结构、外壳或容器，如前所述，其是用于建立或支持在一组离散的谐振频率下的谐振振荡的部件。光子腔体因此可以指用于建立或支持与光子相关联的电磁模态的谐振器(或部件)。
作为非限制性示例，图12A和图12B示出了根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例的多个光子腔体1112_1至1112_n和1138_1至1138_n的示例性实施方式。光子腔体1112_1至1112_n可以分别被包括在纠缠门1102_1至1102_n中，并且可以有助于生成与纠缠的光子1108_1至1108_n的时间序列相关联的任何图态1110_1至1110_n或1122。光子腔体1138_1至1138_n可以分别被包括在光子生成单元1132_1至1132_n中，并且可以有助于生成一个或多个光子。
一些实施例涉及用于量子发射体定位的多个耦合位置。如前所述，耦合位置包括被配置为使得能够实现量子发射体和光子腔体之间的耦合的区域。例如，将量子发射体定位在耦合位置中使得量子发射体能够与光子腔体耦合，由此量子发射体与光子腔体的已建立或支持的电磁模态相互作用。如前所述,量子发射体是指被配置为耦合到电磁模态的部件。如前所述,量子发射体定位是指布置或安置量子发射体以使得量子发射体与光子腔体之间能够相互作用。因此，量子计算系统可以包括用于定位多个量子发射体并由此形成量子发射体和光子腔体的多个耦合对的多个耦合位置。这例如使得能够实现多个量子发射体和多个光子腔体之间的多重并发(例如，并行地)相互作用。
作为非限制性示例，图12A和图12B示出了根据一些公开的实施例的用于量子发射体定位的多个耦合位置的示例性实施方式。纠缠门(1102_1至1102_n)和光子生成单元(1132_1至1132_n)各自分别包括耦合位置(1116_1至1116_n和1142_1至1142_n)。耦合位置(1116_1至1116_n和1142_1至1142_n)位于光子腔体(1112_1至1112_n和1138_1至1138_n)和对应的波导(1120_1至1120_n和1134_1至1134_n)之间。将量子发射体(1114_1至1114_n和1140_1至1140_n)定位(例如，诱捕或捕获)在对应的耦合位置(1116_1至1116_n和和1142_1至1142_n)中，例如在对应的波导(1120_1至1120_n和1134_1至1134_n)和对应的光子腔体(1112_1至1112_n和1138_1至1138_n)之间，使得量子发射体(1114_1至1114_n和1140_1至1140_n)和对应的光子腔体(1112_1至1112_n和1138_1至1138_n)之间能够相互作用。
在一些实施例中，每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联。这种相关联指附属于或对应于。因此，每个耦合位置可以附属于或对应于不同的光子腔体，使得每个光子腔体能够与定位在其附属的或对应的耦合位置(例如，仅其对应的耦合位置)处的一个或多个量子发射体耦合。
作为非限制性示例，图12A示出了每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联的示例性实施方式。耦合位置1116_1与光子腔体1112_1相关联，并且耦合位置1116_n与光子腔体1112_n相关联，光子腔体1112_1和1112_n中的每一者是不同的(例如分开的)光子腔体。图12B还示出了每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联的示例性实施方式，其中耦合位置1142_1与光子腔体1138_1相关联，并且耦合位置1142_n与光子腔体1138_n相关联，光子腔体1138_1和1138_n中的每一者是不同的(例如分开的)光子腔体。
在一些公开的实施例中，与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。介导指有助于、使能或以其他方式促进相互作用。相互作用可以转移、传送、关联和/或建立入射的光子量子比特之间的相关性。例如，量子发射体可以有助于入射的光子之间的纠缠(例如，相互作用)，量子发射体是通过其实现入射的光子之间的这些相互作用的手段。连续指的是相继地，或顺序地，例如在时间序列中一个接一个地出现。如前所述，光子量子比特是指存储在一个或多个光子或电磁场中(或属于其)的量子信息的基本单位。例如，光子量子比特包括以与电磁场的传播或静止模态相关联的自由度编码的量子比特。光子量子比特可以展示出量子力学系统特有的特性，例如关于自由度(例如，竖直和水平偏振态中的一者或两者的自由度)的叠加和/或纠缠(例如，在多个光子量子比特之间或与量子发射体量子比特之间的纠缠)。因此，每个耦合位置可以具有定位在其中的对应的(例如，相关联的)量子发射体，以通过对应的(例如，相关联的)量子发射体有助于按顺序入射的光子量子比特之间的相互作用(例如，纠缠)，以生成图态。例如，每个量子发射体可以有助于多个光子量子比特的纠缠。
作为非限制性示例，图12A示出了量子发射体的示例性实施方式，与一些公开的实施例一致，该与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。纠缠门1102_1包括与耦合位置1116_1相关联的量子发射体1114_1。光子生成器1104经由波导1118_1向纠缠门1102_1提供多个单光子，例如，作为单独输入光子1106_1的序列。输入光子1106_1不彼此纠缠(或者说处于解纠缠状态)，如同所示出的，它们之间没有连接双线。纠缠门1102_1被配置为使得输入光子1106_1的每个光子经由光子腔体1112_1与量子发射体1114_1相互作用，由此输入光子1106_1的光子的光子量子比特变得与量子发射体1114_1的量子比特纠缠。一旦来自输入光子1106_01的多于一个的光子经历了与量子发射体1114_1的这种相互作用，则这些多于一个的光子彼此纠缠。这导致连续入射的光子量子比特变得纠缠并且作为纠缠的输出光子1108_1被输出。换句话说，量子发射体1114_1介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用。这些相互作用导致输出光子1108_1彼此纠缠，如互连的双线1108a所示。类似地，纠缠门1102_n包括与耦合位置1116_n相关联的量子发射体1114_n。纠缠门1102_n可以类似地接收输入光子1106_n并介导它们之间的相互作用以生成输出光子1108_n，所述输出光子1108_n被纠缠，如互连线1108a所示。
根据一些公开的实施例，量子发射体可以是能够与光子相互作用的静止量子比特。静止量子比特和质子如果被布置得当可以能够相互作用。作为非限制性示例，量子发射体可以是具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁模态。例如，量子发射体可以包括具有以下一者或多于一者的量子系统：离子或中性原子的电子或核配置；材料衬底中缺陷或量子点的电子或核配置；或者包含一个或多个约瑟夫逊结(Josephson Junction)的超导电路的配置。图12A示出了根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例的该量子发射体的非限制性示例。量子发射体1114_1可以被悬浮(例如，捕获)在光子腔体1112_1和波导1120_1之间，允许耦合位置1116_1内的量子发射体1114_1经由光子腔体1112_1与由波导1118_1携带的光子(例如，入射的光子量子比特)相互作用。
例如，量子发射体可以包括超导量子比特。如前所述，超导量子比特是指存储在超导电子电路中或属于超导电子电路(例如，使用超导体的电气元件网络)的量子比特。转到图12A或图12B，量子发射体1114_1至1114_n或1140_1至1140_n中的一者或多者可以包括超导电子电路或超导量子比特。
量子发射体可以例如包括量子点。如前所述，包括量子点的量子发射体可以指具有固态衬底(例如，半导体粒子)的量子发射体，该固态衬底具有展示量子力学原理的光学和/或电子性质。转到图12A或图12B，量子发射体1114_1至1114_n或1140_1至1140_n中的一者或多者可以包括量子点。
量子发射体可以例如包括原子。转到图12A或图12B，量子发射体1114_1至1114_n或1140_1至1140_n中的一者或多者可以包括原子，例如图1的原子102。根据一些公开的实施例，原子是中性的。中性是指原子缺少总体电荷，例如当原子中的质子数等于电子数时。根据一些公开的实施例，原子是离子。离子是指具有总体电荷的粒子或原子，例如具有不相等数量的质子和电子的原子。根据一些公开的实施例，如前所述，量子发射体包括铷原子。铷原子可以是中性的或可以是离子。根据一些公开的实施例，如前所述，量子发射体包括铯原子。根据一些公开的实施例，如前所述，量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
根据一些实施例，光子生成器被配置为向所述多个光子腔体供应光子。这些供应的光子然后可用作入射的光子，入射的光子量子比特属于入射的光子或与入射的光子相关。光子生成器是指被配置为提供一个或多个光子的部件或部件组。
例如，光子生成器可以指单独光子的源，如先前关于图8至图9B所述。作为另一示例，光子生成器可以对应于图4A的光子源单元401。因此，光子生成器可以向多个光子腔体中的每一者供应一个或多个光子，例如，供应多个序列的单独光子。作为非限制性示例，图12A、图12B和图12D示出了根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例的被配置为提供或生成光子的光子生成器的示例性实施方式。与一些公开的实施例一致，然后可以将这些光子供应给多个光子腔体，以供应入射的光子量子比特。光子生成器1104和1130可以经由波导1118_1将输入光子1106_1(或图12D中的光子1146_1)供应到光子腔体1112_1。光子生成器1104和1130还可以经由波导1118_n将输入光子1106_n(或图12D中的光子1146_n)供应到光子腔体1112_n。应当理解，可以存在一个以上的光子生成器，每个光子生成器向一个或多个光子腔体供应输入光子。
在一些公开的实施例中，光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到量子发射体。将光子量子比特耦合到量子发射体是指有助于光子量子比特和量子发射体之间的相互作用。例如，在光子量子比特和量子发射体之间没有物理接触的情况下，可以有助于这种相互作用。光子腔体可以例如用作使得光子量子比特和量子发射体之间能够这样相互作用的手段。这种相互作用例如可以引起光子量子比特和量子发射体的物理行为之间的统计相关性或对应性。因此，通过将光子量子比特耦合到量子发射体，光子腔体可引起光子量子比特和量子发射体的物理行为之间的统计相关性。例如，光子量子比特的状态变化可以与与其耦合的量子发射体量子比特的对应状态变化同时发生。光子腔体例如可以用作使光子量子比特与量子发射体量子比特能够纠缠的手段，这通过光子量子比特和量子发射体之间的这种耦合来实现。例如，耦合的光子量子比特可以对应于从光子生成器接收的输入光子(或入射的光子)或可以与之相关联。
作为非限制性示例，图12A和图12D示出了根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例的被配置为将光子量子比特耦合到量子发射体的光子腔体的示例性实施方式。光子腔体1112_1至1112_n中的每一者可以使得光子量子比特(例如，其与图12A中的输入光子1106_1至1106_n或图12D中的光子1146_1相关联)能够与量子发射体1114_1至1114_n耦合。例如，该耦合然后使得图12A中的输入光子1106_1至1106_n或图12D中的光子1146_1与量子发射体1114_1至1114_n之间能够纠缠。
一些公开的实施例涉及在所述多个腔体下游以输出图态的多个光子输出通道。下游是指紧接着的、跟随的或后续的。例如，下游可以指被被定位成跟随时间或空间流动或进展的方向。上游腔体可以是先前描述的多个光子腔体。所述多个光子输出通道例如可以位于输入光子的空间流动的方向之后。例如，所述多个光子输出通道可以位于所述多个腔体和输出图态之间。光子输出通道可以将时间序列的一系列纠缠的光子(例如，使用光子腔体耦合的量子发射体纠缠的光子)携带或传送到输出，输出由这些被纠缠的光子形成的图态。
作为非限制性示例，图12A示出了根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例的在多个腔体下游以输出图态的多个光子输出通道的示例性实施方式。多个光子输出通道分别位于光子腔体1112_1至1112_n之后(例如，跟随光子腔体1112_1至1112_n或在其下游)，每个光子输出通道携带或传送一系列纠缠的光子1108_1至1108_n。在图12A中，纠缠的光子1108_1至1108_n可以形成一个或多个图态，其是量子计算系统1100的输出。这种输出图态的示例包括对应于纠缠的光子1108_1的图态1110_1、对应于纠缠的光子1108_n的图态1110_n以及由纠缠的光子1108_1至1108_n的组合形成的图态1112(其也可以被称为簇态，它的图形是d维晶格的连接的子集)。应当注意，图态1110_1至1110_n和簇态1122仅意在作为示例性概念图示，而不限于特定图态或特定簇。
一些实施例涉及包括至少一个附加光子腔体的光子生成器。在包括纠缠光子的纠缠门的实施例中，可以提供用于向纠缠门供应光子的附加光子腔体。在包括光子生成器的实施例中，可以提供附加腔体以用作附加光子生成器。如前所述，关于光子腔体，附加光子腔体同样可以耦合到量子发射体，并且量子发射体可以与附加光子腔体的已建立或支持的电磁模态相互作用，使得耦合了附加光子腔体的量子发射体能够在激发时释放或生成一个或多个光子。例如，可以使用如图9B所示的附近波导910中携带的激光来进行激励。这使得附加光子腔体和量子发射体能够用作光子生成器。例如，与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例可以涉及用作图12A的光子生成器1104的这种光子生成器。
在一些公开的实施例中，光子生成器还包括至少一个附加量子发射体和用于量子发射体定位的至少一个附加耦合位置，每个附加耦合位置与所述至少一个附加光子腔体中的一个不同的附加光子腔体相关联。附加量子发射体可以是除了已经在纠缠中或光子生成器中提供的量子发射体之外的量子发射体。量子发射体可以具有与先前描述的配置类似的配置。当如前所述采用附加光子腔体时，可以提供附加耦合位置。可以具有与先前描述的配置类似的配置的附加耦合位置可以使得附加量子发射体能够耦合到附加光子腔体，并由此充当光子生成器。
本文描述的用于获取单光子的光子源单元是这种光子生成器的非限制性示例。例如，图8到图9B示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818可用作光子生成器，作为另一示例，图4A和图4B示出了包括至少一个附加光子腔体的光子生成器(例如，源单元401)的一个示例性实施方式。源单元401包括光学腔体(例如图1的光学腔体103)和原子402(例如，量子发射体)。在初始化脉冲403将原子402的状态初始化为状态111(图1)之后，生成脉冲404可引起图2A的跃迁121A和跃迁122A，导致原子402发射光子406。重复该过程产生图4B中的时间序列的一系列输出光子412。然后可以将这些输出光子提供给纠缠门1102_1至1102_n中的任何一个，使得纠缠门能够生成图态1110_1至1110_n。
作为非限制性示例，图12B示出了根据与提供多个腔体相关的一些实施例的光子生成器1130。光子生成器1130旨在有助于概念化示例性光子生成器，而不是将本公开限于特定实施方式细节。可以理解，附加配置、变型和实施方式可以用作与一些公开的实施例一起使用的光子生成器。图12B中的光子生成器1130在至少一个光子生成单元1132_1至1132_n中包括至少一个附加光子腔体(例如，光子腔体1138_1至1138_n)。如果光子生成器1130用作量子计算系统1100中的光子生成器1104，则所述至少一个附加光子腔体将是图12A中的量子计算系统1100的光子腔体1112_1至1112_n的附加光子腔体。虽然光子生成器1130被示出具有多个光子腔体1138_1至1138_n和多个光子生成单元1132_1至1132_n，但是这仅旨在是说明性的，并且光子生成器1130可以用单个附加光子腔体和单个光子生成单元来实施。
虽然下面的描述涉及多个光子生成单元1132_1至1132_n，但这仅仅是示例性实施方式，并且可以使用单个光子生成单元来实施光子生成器1130。图12B中的光子生成单元1132_1至1132_n与图12A中的纠缠门1102_1至1102_n类似地布置。每个光子生成单元1132_1至1132_n具有第一波导1134_1至1134_n、第二波导1136_1至1136_n、光子腔体1138_1至1138_n以及量子发射体1140_1至1140_n。量子发射体1140_1至1140_n可以被定位(例如，被悬浮或捕获)在其相关联的耦合位置1142_1至1142_n处，该耦合位置1142_1至1142_n位于其相关联的光子腔体1138_1至1138_n和第一波导1134_1至1134_n之间。例如，如上文关于图9B的单光子源812所描述的，第一波导1134_1至1134_n可携带激光(例如，光子1144_1至1144_n的脉冲)以在其耦合位置1142_1至1142_n处定位或捕获量子发射体1140_1至1140_n，且另外，第一波导1134_1至1134_n可携带激光(例如，光子1144_1至1144_n的脉冲)，其可激发量子发射体1140_1至1140_n以引起输出光子1146_1至1146_n的生成，经由第二波导1136_1至1136_n被输出。
例如，光子1144_1至1144_n的脉冲可以在初始化光子(例如，光子403)和生成光子(例如，光子404)之间交替，如上文关于图4A和图4B所描述的。
光子腔体1138_1至1138_n耦合到对应的量子发射体1140_1至1140_n，使得(附加的)光子腔体耦合的量子发射体1140_1至1140_n能够在激发时释放或生成一个或多个光子1146_1至1146_n。
释放或生成的光子1146_1至1146_n可作为输入光子1106_1至1106_n被提供给图12A的纠缠门1102_1至1102_n，如图12D所示。换句话说，在与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例中，图12B中的输出光子序列1146_1至1146_n可以对应于图12A的输入光子1106_1至1106_n，并且因此可以如图12D所示经由波导1118_1至1118_n被提供给纠缠门1102_1至1102_n。
因此，作为非限制性示例，图12D示出了用于生成图态的多个腔体，其中光子生成单元1132_1(具有光子腔体1138_1)被用作光子生成器1130和1104，用于将光子1146_供应给纠缠门1102_1(具有光子腔体1112_1)以生成与纠缠的输出光子1108_1相关联的图态1110_1。在与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些公开的实施例中，量子计算系统包括一个以上的光子生成单元1132_1与纠缠门1102_1的这种组合，每个组合被配置成生成图态。在与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些公开的实施例中，一个以上的光子生成单元可以向一个纠缠门供应光子。在与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些其他公开的实施例中，一个光子生成单元可以向一个以上的纠缠门供应光子。在与提供用于生成图态的多个腔体相关的这些公开的实施例中，可以提供控制器来控制(例如，直接地或在不同波导之间切换)一个或多个光子生成单元和一个或多个纠缠门之间的输入和输出光子的流动。例如，该控制器可以包括一个或多个处理器。还可以提供用于执行控制的存储器、电路部件或电路。
第二波导1136_1至1136_n可以携带耦合到光子腔体1138_1至1138_n的一个或多个特定电磁模态的场以生成输出光子1146_1至1146_n。
如前所述，一些公开的实施例涉及包括至少一个附加量子发射体的光子生成器。在上文与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例中描述的量子发射体的示例也可应用于光子生成器的至少一个附加量子发射体。例如，所述至少一个附加量子发射体可以包括能够与光子相互作用的静止量子比特。参考图12A和图12B，量子发射体1114_1至1114_n中的每一者可以具有与其相关联的静止量子比特，该静止量子比特经由对应的光子腔体1112_1至1112_n与光子1106_1至1106_n相互作用，并且量子发射体1140_1至1140_n中的每一者可以具有与其相关联的静止量子比特，该静止量子比特可以与输入光子1144_1至1144_n相互作用。例如，所述至少一个附加量子发射体可以包括超导量子比特。其中另一示例是所述至少一个附加量子发射体可以包括量子点。所述至少一个附加量子发射体可以例如包括原子，例如图4A中的原子402或图9B中的原子820。在另一示例中，如前所述，所述至少一个附加量子发射体可以包括铷原子。在又一示例中，如前所述，所述至少一个附加量子发射体可以包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
作为非限制性示例，图12C示出了根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的一些实施例的用于生成图态的示例过程1150。该示例过程1150可以是用于生成图态的量子计算方法的一部分。虽然图12C中的框图可以在下文中结合在其他附图中呈现的某些实施方式的实施例来描述，但是这些实施方式仅用于说明性目的，而不旨在用作对框图的限制。由于在整个本公开中描述了过程的步骤的示例，不重复先前描述的那些示例或仅结合图12C对其进行简单的总结。在一些公开的实施例中，示例过程1150可以由至少一个处理器或电路(例如在图10的控制系统1031和/或光子芯片1015中)执行，以执行本文描述的操作或功能。在一些公开的实施例中，过程1150的一些方面可以被实施为软件(例如，程序代码或指令)，该软件存储在提供有至少一个处理器的存储器、或者非暂时性计算机可读介质、或计算机可读介质中。在一些实施例中，过程1150的一些方面可以被实施为硬件(例如，特定目的电路)。在一些实施例中，过程1150可以被实施为硬件或者被实施为软件和硬件的组合。
图12C包括过程步骤(或方法步骤)1152至1156。在步骤1152中，该过程或该方法涉及在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。例如，图12A示出了多个量子发射体(例如，量子发射体1114_1至1114_n)在多个耦合位置(例如，耦合位置1116_1至1116_n)处耦合的示例性实施方式，使得每个量子发射体与不同的耦合位置相关联(例如，量子发射体1114_1与耦合位置1116_1相关联，并且量子发射体1114_n与耦合位置1116_n相关联)。此外，每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联(例如，耦合位置1116_1与光子腔体1112_1相关联，并且耦合位置1116_n与光子腔体1112_n相关联)。与对应耦合位置1116_1至1116_n相关联的量子发射体1114_1至1114_n中的每一者被配置为介导连续入射的光子量子比特(例如，其与输入光子1106_1至1106_n相关联)之间的相互作用以生成图态(例如，图态1110_1至1110_n及1122中的任何一个)。
在步骤1154中，该过程涉及向所述多个光子腔体供应光子，其中光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到量子发射体。例如，图12A示出了将光子供应到被配置为将光子量子比特耦合到量子发射体的所述多个光子腔体的示例性实施方式。光子生成器1104被配置为经由波导1118_1至1118_n向光子腔体1112_1至1112_n供应输入光子1106_1至1106_n。类似地，图12B的光子生成器1130或光子生成单元1132_1可以经由纠缠门1102_1至1102_n的波导1118_1至1118_n向光子腔体1112_1至1112_n供应输出光子1146_1至1146_n作为输入光子1106_1至1106_n，如图12D所示。光子腔体1112_1至1112_n然后可以将光子量子比特(例如，其与输入光子相关联)耦合到量子发射体1114_1至1114_n。换句话说，光子腔体1112_1至1112_n然后可以有助于光子量子比特(例如，其与输入光子相关联)与量子发射体1114_1至1114_n之间的相互作用。
在步骤1156中，与一些公开的实施例一致，该过程涉及经由所述多个腔体下游的多个光子输出通道输出图态。例如，图12A示出了经由所述多个腔体下游的多个光子输出通道输出图态的示例性实施方式。每个纠缠门1102_1至1102_n输出纠缠的光子1108_1至1108_n的图态1110_1至1110_n。此外，纠缠门1102_1至1102_n的组合可以共同输出簇态1122。
一些公开的实施例涉及非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)，其包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使所述至少一个处理器(或设备)执行根据一些公开的实施例的方法或过程。
例如，该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)可以包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使得所述至少一个处理器(或设备)执行本文所述的量子计算方法。根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的实施例，所述指令可使得所述至少一个处理器(或设备)执行图12C中所示的量子计算方法或过程1150。
先前针对与提供用于生成图态的多个腔体相关的实施例的每个系统特征描述的相同示例也可应用于该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)实施例的对应特征。
根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的其他实施例，存在包括至少一个处理器(和存储器)的设备、装置、系统、集成电路器件或电路，所述至少一个处理器(和存储器)被配置为执行图12C所示的量子计算方法或过程1150。先前针对与提供用于生成图态的多个腔体相关的实施例的每个系统特征描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
根据与提供用于生成图态的多个腔体相关的又一实施例，存在集成电路器件或电路的布局，其包括布局部分，每个布局部分被限定为对来自图12A中的量子计算系统1100或图12B中的光子生成器1130或图12D中的光子生成器1130和纠缠门1102_1的特征特性的组合的每个特性特征图形化。例如，存在集成电路器件或电路的布局，其包括：光子腔体布局部分，其被限定为将多个腔体图形化；耦合位置布局部分，其被限定为将用于量子发射体定位的多个耦合位置图形化，每个耦合位置与所述多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联；光子生成器布局部分，其被限定为将光子生成器或用于将由光子生成器供应的光子携带到所述多个光子腔体的通道图形化；以及输出通道布局部分，其被限定为将在所述多个腔体的下游的多个光子输出通道图形化。在一些公开的实施例中，光子生成器布局部分可以被限定为将至少一个附加光子腔体图形化。在那些公开的实施例中，光子生成器布局部分还可以被限定为将用于量子发射体定位的至少一个附加耦合位置图形化，每个附加耦合位置与所述至少一个附加光子腔体中的一个不同的附加光子腔体相关联。在一些公开的实施例中，集成电路器件或电路的布局还包括控制器布局部分，其被限定为将控制器图形化，所述控制器用于控制(例如，直接地或在不同波导之间切换)所述光子生成器与所述多个光子腔体之间的输入和输出光子的流动，以及所述多个光子输出通道，其中该控制器可以包括一个或多个处理器和存储器，电路部件或电路，以执行控制。
应当理解，当使用可以以光刻的方式定位的量子发射体(例如量子点)时，耦合位置布局部分可以被限定为也将量子发射体图形化。先前针对与提供用于生成图态的多个腔体相关的实施例的每个系统特征描述的相同示例也可应用于该实施例的对应特征。
一些公开的实施例涉及使用光子量子比特与量子发射体的一个或多个相互作用来生成光子图态，每个量子发射体耦合到腔体。这样的实施例可以涉及用于生成光子图态的量子计算方法。在用于生成光子图态的这种量子计算方法中，多个量子发射体可以被定位在与多个不同腔体(例如，用作谐振器的腔体，诸如光子腔体或光学腔体、回音廊模式腔体、法布里-珀罗腔体或环形腔体)相关联的多个耦合位点处。与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态可以被初始化，使得量子发射体被配置为在生成光子图态时执行特定功能。这种初始化指的是设置耦合到腔体的量子发射体(也称为腔体耦合的量子发射体)的基线条件。例如，初始化可以包括为腔体耦合的量子发射体建立起始调谐状态系统。例如，该起始调谐状态系统可以指处于多个状态的特定状态或叠加状态的腔体耦合的量子发射体。例如，这种初始化可以涉及使用激光或在量子发射体上施加磁场。光子量子比特然后可以在至少第一实例中朝向所述多个量子发射体发送，以在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门(例如，受控Z量子门或CZ门)。作为非限制性示例，纠缠门可以根据本文中关于图3、图5A至图5B和图9C描述的技术来实施。在至少一个第一实例传输之后，可以在至少一个第二实例传输中向所述多个量子发射体发送光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，并且其可以用于将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。作为非限制性示例，SWAP门可以根据本文关于图2E描述的技术来实施。例如，可以多次执行图3的纠缠门(例如执行n次，以将n个光子量子比特纠缠到量子发射体量子比特，如参考图6所述的)，接着执行图2E的SWAP门(例如，以从纠缠的光子量子比特解纠缠量子发射体量子比特)，以生成光子图态(例如，纠缠的光子量子比特的光子图态，其中量子发射体量子比特不再与那些纠缠的光子量子比特纠缠)。
例如，可以提供多个配置，每个配置至少包括在耦合位点处耦合到腔体的量子发射体。每个配置可以被初始化以在使用的多个操作模式之一下进行操作，例如：纠缠模式，其中一个或多个光子量子比特可以与与量子发射体相关联的量子发射体量子比特纠缠；以及SWAP模式，其中量子发射体量子比特的状态与光子量子比特的状态交换，从而将量子发射体量子比特与纠缠的光子量子比特解纠缠。在一个示例中，由于SWAP模式涉及交换量子比特状态，所以可以在以SWAP模式操作的腔体耦合的量子发射体上使用一个或多个光子(其具有特定期望状态)的初始化脉冲来初始化腔体耦合的量子发射体。通过将不同操作模式的这些配置组合到特定序列中，量子计算方法能够生成光子图态作为输出。例如，腔体耦合的量子发射体可以通过在SWAP模式下操作它并使其与初始化脉冲相互作用来被初始化。然后，可以引入多个光子以与在纠缠模式下操作的初始化的腔体耦合的量子发射体相互作用，从而将光子与腔体耦合的量子发射体纠缠。该腔体耦合的量子发射体然后可以再次在SWAP模式下操作，其中来自另一脉冲的光子与腔体耦合的量子发射体交换其状态，从而将腔体耦合的量子发射体与纠缠的光子解纠缠。这随后导致纠缠的光子的光子图态。作为非限制性示例，图6示出了该过程。
作为另一个非限制性示例，图13A至图13C示出了用于生成光子图态的量子计算系统1200的示例性实施方式，与一些公开的实施例一致。量子计算系统1200仅旨在有助于为了生成光子图态的量子计算系统的一个示例性实施方式的概念化，而不将本公开限于任何特定实施方式。量子计算系统1200可包括多个配置(1214_1至1214_n)，每个配置分别包括腔体(例如，腔体1202_1至1202_n)和量子发射体(例如，量子发射体1206_1至1206_n)，其中，该腔体用作能够建立或支持电磁模态的谐振器，并且该量子发射体位于耦合位点(例如，耦合位点1204_1至1204_n)，其中，n是大于1的任何整数。耦合位点1204_1至1204_n中的每一者可以与多个腔体(1202_1至1202_n)中的一个不同的腔体和多个量子发射体(1206_1至1206_n)中的一个不同的量子发射体相关联，例如，量子发射体1206_1可以被定位在与腔体1202_1相关联的耦合位点1204_1处，并且量子发射体1206_n可以被定位在与腔体1202_n相关联的耦合位点1204_n处。
量子计算系统1200还可以包括控制器1208、波导(1210_1至1210_n和1212_1至1212_n)和至少一个光子生成器1230。波导(1210_1至1210_n)可以被配置为例如通过在耦合位点处或在耦合位点周围围绕其表面建立倏逝场来有助于量子发射体(1206_1至1206_n)在耦合位点(1204_1至1204_n)处的定位(例如，捕获)。
控制器1208可以包括控制配置(1214_1到1214_n)的操作的电路或至少一个处理器。例如，控制器1208可以包括在以不同模式操作的不同操作阶段或配置(1214_1到1214_n)之间交替的开关。例如，在给定时间，每个配置(1214_1至1214_n)可以处于初始化阶段(例如，图13A)、纠缠阶段(例如，图13B)或SWAP阶段(例如，图13C)，其在下文中更详细地描述。控制器1208可以控制任何波导(1210_1至1210_n和1212_1至1212_n)的操作方面，例如，通过控制时序、相位、频率、强度、幅度、极性以及由波导携带的脉冲或激光的可能影响配置(1214_1至1214_n)的操作的任何其他特性。例如，控制器1208可以控制捕获激光(例如，蓝色和红色激光)的特性，以在耦合位点中捕获或定位量子发射体，该捕获激光可以被携带在波导1210_1至1210_n中，如图9A至图9C中的非限制性示例所示。控制器1208可以控制磁场或激光的特性，例如，可以在初始化期间使用该特性以在一个或多个量子发射体(1206_1至1206_n)中诱发期望的状态。控制器1208还可以分别控制量子发射体(1206_1至1206_n)和腔体(1202_1至1202_n)之间在耦合位点(1204_1至1204_n)处的耦合(例如，诱捕)。
控制器1208可以控制下文更详细描述的光子生成器1230的操作方面。控制器1208可以控制配置的操作的同步和时序方面(1214_1到1214_n)。例如，控制器1208可以在使配置1214_1被初始化的同时使另一配置1214_n作为纠缠门或SWAP门操作。替代性地，控制器1208可以使来自配置1214_n的输出在通道中运送并且用作配置1214_1的输入。作为一个非限制性示例，控制器1208可以包括开关，以针对每个配置(1214_1到1214_n)自动(例如，并且重复地)通过初始化阶段、纠缠阶段和SWAP阶段控制一个或多个循环。作为另一个非限制性示例，控制器1208可以包括时钟以同步不同配置(1214_1到1214_n)之间的操作，并且可选地，与附加部件和/或电路同步。作为另一个非限制性示例，控制器1208可以包括用于控制配置(1214_1至1214_n)的操作的至少一个处理器，例如，以同步或以其他方式监督或管理不同配置(1214_1至1214_n)的操作。
光子生成器1230可以光耦合到波导(1210_1至1210_n和1212_1至1212_n)以向配置(1214_1到1214_n)提供光子。控制器1208可以控制光子生成器1230的操作以根据配置(1214_1到1214_n)的不同操作阶段提供光子。例如，控制器1208可以使光子生成器1230分别在初始化阶段提供光子以初始化量子发射体(1206_1至1206_n)，在纠缠阶段为纠缠门(1216_1至1216_n)提供光子(1226_1至1226_n)，并且在SWAP阶段为SWAP门(1218_1至1218_n)提供光子(1228_1至1228_n)。
作为非限制性示例，至少一个光子生成器1230(例如，其由控制器1208控制)可以以与关于图4A、图4B和/或图9B描述的方式类似的方式操作。根据一些非限制性示例，光子生成器1230可以包括至少三个光子生成器(例如，每个光子生成器的操作类似于单光子源单元401或单光子源812)。第一光子生成器用于为初始化阶段提供光子(例如，以初始化量子发射体1206_1至1206_n)；第二光子生成器用于为纠缠阶段提供光子(1226_1至1226_n)(例如，以生成或操作作为纠缠门1216_1至1216_n的相关联的配置)；以及第三光子生成器用于为SWAP阶段提供光子(1228_1至1228_n)(例如，以生成或操作作为SWAP门1218_1至1218_n的相关联的配置)。替代性地，控制器1208可以控制光子生成器1230(例如，单个光子生成器)的操作方面以发射用于初始化阶段的光子1224_1至1224_n、用于纠缠阶段的光子1226_1至1226_n和用于SWAP阶段的光子1228_1至1228_n中的任何一者或多者。如上所述，控制器1230可以控制光子生成器1230的操作和配置(1214_1到1214_n)以循环通过不同的阶段并同步它们之间的操作。
控制器1208可以有助于控制量子计算系统1200的任何操作方面。例如，控制器1208可以通过控制波导(1210_1至1210_n)的一个或多个操作特性(例如，与波导中携带的脉冲或激光的波长、相位、幅度、极性和模式有关的特性)，来控制量子计算系统1200的部件或部件组，以便于在耦合位点(1204_1至1204_n)定位量子发射体(1206_1至1206_n)。控制器1208可以有助于初始化量子发射体量子比特的状态，每个状态和量子发射体量子比特与图13A中的每个量子发射体1206_1至1206_n相关联。控制器1208可进一步有助于发送与光子(1226_1至1226_n)相关联的光子量子比特，以用于图13B中的纠缠门1216_1至1216_n。控制器1208可进一步有助于发送与光子(1228_1至1228_n)相关联的光子量子比特，以分别用于图13C中的SWAP门1218_1至1218_n，从而可生成光子图态(诸如光子图态1220_1至1220_n)和/或簇态1222，如下文中更详细描述的。应当注意，纠缠门1216_1至1216_n和SWAP门1218_1至1218_n可以在适当的初始化过程之后分别从图13A中的配置1214_1至1214_n生成。例如，根据由控制器1208控制的操作的模式，配置(1214_1到1214_n)可以交替地在纠缠阶段以纠缠模式操作并且在SWAP阶段以SWAP模式操作。
一些实施例涉及用于生成光子图态的量子计算方法。光子图态是指一个或多个光子的状况或配置，其中，如前所述，光子态可以包括与一个或多个光子的自由度相关联的量子态。例如，光子图态可以表示一组光子量子比特之间的关系，每个光子量子比特表示量子信息的基本单位。例如，光子图态可以包括这样的状况，其中顶点可以代表光子态，并且其中光子态指代一个或多个光子的状况，并且其中边可以代表光子态之间的纠缠。例如，光子图态可以指多个纠缠的光子或其状态。
作为非限制性示例，图13A至图13C一同示出了用于生成光子图态(1220_1至1220_n和1222)的量子计算系统1200的示例性实施方式，与一些公开的实施例一致。量子计算系统1200包括位于对应波导(1210_1至1210_n)和腔体(1202_1至1202_n)之间的耦合位点(1204_1至1204_n)处的量子发射体(1206_1至1206_n)。
参考图13A，控制器1208可以控制光子生成器1230的操作，以向波导(1212_1至1212_n)提供光子序列(1224_1至1224_n)(例如，初始化光子的序列)，以分别初始化配置(1214_1至1214_n)的量子发射体(1206_1至1206_n)。参考图13B，控制器1208可控制光子生成器1230的操作以分别向波导(1212_1至1212_n)提供多个光子(1226_1至1226_n)，作为用于纠缠门(1216_1至1216_n)的光子量子比特的源，由此生成光子量子比特和量子发射体量子比特之间的纠缠门，如与两个光子量子比特(1234_1至1234_n)纠缠的量子发射体量子比特所示。参考图13C，控制器1208可控制光子生成器1230的操作以向波导(1212_1至1212_n)提供用于SWAP门(1218_1至1218_n)的一个或多个光子(1228_1至1228_n)，由此生成SWAP门(1218_1至1218_n)，并且将量子发射体量子比特(例如，其与量子发射体1206_1至1206_n相关联)映射到与反射的输出光子1236_1至1236_n相关联的光子量子比特。这留下了纠缠的光子1231_1至1232_n，其可根据纠缠门的输入和输出如何连接而形成光子图态1220_1至1220_n和/或簇1222。
在一个示例中，光子生成器1230可以包括多个光子生成器，一个光子生成器被配置为分别生成用于配置(1214_1至1214_n)的光子(1224_1至1224_n)，另一个光子生成器被配置为分别生成用于纠缠门(1216_1至1216_n)的光子(1226_1至1226_n)，并且另一个光子生成器被配置为分别生成用于SWAP门(1218_1至1218_n)的光子(1228_1至1228_n)。控制器1208可以根据需要在光子生成器之间切换以生成图态(1220_1至1220_n，和1222)。替代性地，控制器1208可以控制光子生成器1230(例如，其作为单个光子生成器)的操作，以生成分别用于初始化阶段、纠缠阶段和SWAP阶段的光子(1224_1至1224_n)、光子(1226_1至1226_n)(例如，第一传输实例)和光子(1228_1至1228_n)(例如，第二传输实例)。
一些实施例涉及在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体。如前所述,量子发射体是指被配置为耦合到电磁模态的部件。如前所述，耦合位点包括被配置为使得能够实现量子发射体和腔体(其为谐振器的示例)之间的耦合的区或区域。如前所述，腔体指的是用作谐振器以建立或支持振荡或简正模态的结构、外壳或容器。光子腔体是腔体的示例，其能够建立或支持与光子相关联的电磁模态。
如前所述，在多个耦合位点定位多个量子发射体是指布置或安置量子发射体以使得量子发射体与跟每个量子发射体相关联的一个或多个腔体之间能够相互作用。这种量子发射体定位的示例包括以下中的一个或多个：将量子发射体设置成位于耦合位点(例如，将量子发射体定位或置于耦合位点处)；将量子发射体耦合到腔体；将量子发射体布置在腔体的腔体内场内；在腔体附近捕获量子发射体；以光刻的方式将量子点置于腔体附近；或者以光刻的方式将腔体置于自组装量子点附近。例如，将量子发射体定位在所述多个耦合位点处。如前所述，捕获量子发射体是指生成将量子发射体保持在耦合位点内的阱。作为非限制性示例，图9A示出了用于携带脉冲或场以生成阱的实用波导910，并且图10示出了用于捕获一个或多个原子1020的磁光阱(MOT)。图9A中的脉冲或场被配置成在耦合位点处(例如紧邻腔体818(或图中的谐振器或环形))将Rb原子820(量子发射体的示例)捕获。该脉冲或场可被配置成生成和/或包含围绕波导910的倏逝场，使得倏逝场捕获可用于将Rb原子820保持在耦合位点处或耦合位点内。图10中的磁光阱被配置为在耦合位点处或在耦合位点内捕获一个或多个原子1020。
因此，量子计算系统可以包括用于定位多个量子发射体并由此形成量子发射体和腔体(例如光子腔体)的多个耦合对的多个耦合位点。这例如可以使得能够经由多个腔体实现多个量子发射体和多个光子之间的多重并发(例如，并行地)相互作用。应当理解，可以将多于一个的量子发射体耦合到一个腔体，或者可以将多于一个的腔体耦合到一个量子发射体并且以类似的方式同时(例如，并行地)起作用，前提是每个量子发射体和每个腔体之间的相互作用可以通过这种耦合得以实现。
作为非限制性示例，图13A至图13C示出了根据与生成光子图态相关联的一些实施例，多个量子发射体被定位在与多个腔体相关联的多个耦合位点处。配置(1214_1至1214_n)、纠缠门(1216_1至1216_n)和SWAP门(1218_1至1218_n)各自包括与腔体(1202_1至1202_n)相关联的耦合位点(1204_1至1204_n)。每个耦合位点(1204_1至1204_n)位于其相关联的腔体(1202_1至1202_n)和其相关联的波导(1210_1至1210_n)之间。如前面参考图9A至图9C所描述的，用于捕获耦合位点处的量子发射体的蓝色激光和红色激光可随之由波导(1210_1至1210_n)携带。这些蓝色激光和红色激光在波导(1210_1至1210_n)周围生成倏逝场，该倏逝场例如用于在其相关联的耦合位点(1204_1至1204_n)处或之内捕获相关联的量子发射体(1206_1至1206_n)或将其保持在其相关联的耦合位点(1204_1至1204_n)处或之内。控制器1208可以控制电路或光学元件以将量子发射体定位在耦合位点处。例如，控制器1208可以控制用于在耦合位点处捕获量子发射体的激光。控制器1208可以控制用于捕获的这些蓝色和红色激光的特性。量子发射体(1206_1至1206_n)在对应的耦合位点(1204_1至1204_n)中(例如在对应的波导(1210_1至1210_n)和腔体(1202_1至1202_n)之间)的定位(例如，诱捕或捕获)，例如通过使得每个量子发射体的偶极子场与相关联的腔体(量子发射体与该腔体耦合)的电磁模态能够重叠，使得量子发射体(1206_1至1206_n)与它的相关联的腔体(1202_1至1202_n)之间能够相互作用。例如，光子生成器1230可以包括多个光子生成器，一个光子生成器被配置为分别生成用于配置(1214_1至1214_n)的光子(1224_1至1224_n)，另一个光子生成器被配置为分别生成用于纠缠门(1216_1至1216_n)的光子(1226_1至1226_n)，并且另一个光子生成器被配置为分别生成用于SWAP门(1218_1至1218_n)的光子(1228_1至1228_n)。控制器1208可以根据需要在光子生成器之间切换以生成图态(1220_1至1220_n，和1222)。替代性地，控制器1208可以控制光子生成器1230(例如，其作为单个光子生成器)的操作，以生成分别用于初始化阶段、纠缠阶段和SWAP阶段的光子(1224_1至1224_n)、光子(1226_1至1226_n)(例如，第一传输实例)和光子(1228_1至1228_n)(例如，第二传输实例)。
一些实施例涉及初始化与多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态。如前所述，量子发射体量子比特是指存储在量子发射体中或属于量子发射体的量子信息的基本单位。初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特可以涉及设置用于量子发射体的基线条件。例如，初始化可以包括建立用于量子发射体的起始调谐状态系统。作为非限制性示例，图1示出了包含在光学腔体103内的原子102(量子发射体的示例)的四态系统101。这可以涉及准备处于第一基态和第二基态的叠加的量子发射体。初始化可以涉及诱发量子发射体经历从一状态到另一状态的一个或多个跃迁，例如，将量子发射体暴露于激光和/或通过将磁场应用到量子发射体。
在一些公开的实施例中，初始化可以使得量子发射体量子比特的状态对应于量子发射体的两个基态的相等叠加。基态可以是最低能量的静止状态，并且基态的能量可以低于激发态，例如，在零点能处。叠加可以指同时处于多个状态，例如直到进行测量。例如，叠加可以指将两个或更多个量子态相加(或叠加)，而相等叠加可以指这两个或更多个量子态具有相等概率。例如，图1示出了耦合到光学腔体103的原子102(量子发射体的示例)的四态系统101，其中可以分别在第一基态111和第二基态113的叠加初始化原子102。图2E和图3示出了耦合到腔体的量子发射体的这种初始化的状态的示例，其中在初始化过程之后，原子102(量子发射体的示例)处于第一基态111和第二基态113的初始叠加态。从一个状态到另一个状态的一个或多个跃迁的频率也可以通过使用激光的光偏移或通过施加磁场的塞曼偏移(Zeeman shift)来调谐。
作为一个非限制性示例，量子发射体量子比特(例如，与量子发射体相关联)中的一个或多个可以分别使用脉冲403和503如关于图4A和图5A所描述的那样被初始化到期望状态。作为另一个非限制性示例，量子发射体可以被初始化到图1所示的任何状态或状态的任何叠加。
在一个示例中，控制器(例如，控制器1208)可以控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路以初始化与多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特。例如，控制器可以控制光子脉冲生成器和/或磁场生成器以将量子发射体(量子发射体量子比特存储在其上，或量子发射体量子比特属于该量子发射体)暴露于激光和/或将磁场应用到量子发射体。例如，控制器可以控制图1中的光子脉冲生成器151和/或磁体141。然后，这可以诱发量子发射体经历从一状态到另一状态的一个或多个跃迁，直到达到用于下一阶段的期望状态。例如，下一阶段可以是纠缠阶段，并且量子发射体的期望状态使得量子发射体能够充当纠缠门(1216_1到1216_n)。下一阶段可以是SWAP阶段，并且量子发射体的期望状态使得量子发射体能够充当SWAP门(1218_1至1218_n)。作为非限制性示例，图3示出了用于纠缠阶段的期望状态的示例，并且图2E示出了用于SWAP阶段的期望状态的示例，该示例是初始化过程之后的第一基态111和第二基态113的初始叠加态。
一些实施例涉及在至少一个第一实例传输中向多个量子传输器发送光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使量子发射体量子比特和光子量子比特纠缠。如前所述，光子量子比特是指存储在(或属于)一个或多个光子或电磁场中的量子信息的基本单位。如前所述，“纠缠门”是指引起量子元件(例如，任何量子粒子、量子粒子组或量子比特)之间的任何程度纠缠的任何部件、部件组、控制顺序或操作(可逆的或不可逆的)。例如，受控Z纠缠门(CZ门)是一种纠缠门。作为纠缠门的非限制性示例，图3示出了受控Z纠缠门的实施方式，并且图8和图9C示出了耦合到配置810中的腔体818的铷(87Rb)原子820被实施为受控Z纠缠门。作为另一示例，图5A和图5B中的光子纠缠单元501是一种纠缠门。传输是指例如经由通道或波导传送或携带。因此，例如，在至少一个第一实例传输中向多个量子发射体发送光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门，其最初是指例如经由通道或波导向量子发射体携带光子(光子量子比特属于该光子)，以引起光子量子比特和量子发射体量子比特之间的纠缠(例如，如参考图6中的602至609的说明文字所述)。
在一个示例中，控制器(例如，控制器1208)可以控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路以在第一实例中向多个量子发射体传输光子量子比特。由此生成光子量子比特和量子发射体量子比特之间的纠缠门，并且量子发射体量子比特和光子量子比特纠缠。控制器可以例如控制光子生成器或光子源单元来提供光子量子比特所属的光子。控制器还可以控制开关、波束分离器和波导中的一者或多者，以引导所提供的光子并将其携带到量子发射体，量子发射体被初始化为处于用于纠缠门的期望状态，以引起光子量子比特和量子发射体量子比特之间的纠缠。
作为非限制性示例，根据与生成光子图态相关的一些实施例，图13B示出了量子计算系统1200，其包括波导(1212_1至1212_n)，该波导(1212_1至1212_n)用于向多个量子发射体传输光子量子比特，以在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门，以纠缠量子发射体量子比特和光子量子比特。例如，控制器1208可以控制光子生成器1230的操作，以例如在用于量子计算系统1200的纠缠门(1216_1至1216_n)的纠缠阶段期间向波导(1212_1至1212_n)提供光子1226_1至1226_n。控制器1208可以进一步控制腔体(1202_1至1202_n)如何起作用或如何与量子发射体(1206_1至1206_n)相互作用(例如通过控制输入腔体(1202_1至1202_n)的光脉冲的频率和/或其他特性)，以使光子1226_1至1226_n(例如，其经由波导1212_1至1212_n传输)经由其相关联的腔体1202_1至1202_n与量子发射体(1206_1至1206_n)相互作用，其中关联指的是它们被耦合以使得它们之间能够相互作用。这随后导致光子量子比特(例如，其与光子1226_1至1226_n相关联)与量子发射体量子比特(例如，其与相关量子发射体1206_1至1206_n相关联)纠缠在一起。控制器1208由此可以控制系统1200的操作方面，使得腔体(1202_1至1202_n)、波导(1210_1至1210_n和1212_1至1212_n)和位于耦合位点(1204_1至1204_n)处的量子发射体(1206_1至1206_n)整体作为纠缠门(1216_1至1216_n)操作，输出与量子发射体量子比特(1234_1至1234_n)纠缠的光子量子比特。
一些实施例涉及，在至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。如前所述，SWAP门指可在两个量子比特上操作的量子门，使得第一量子比特的量子态被转移到第二量子比特，并且第二量子比特的量子态被转移到第一量子比特。例如，图2E的SWAP门201可以是SWAP门的示例性实施方式。
因此，在示例中，在光子的第一实例传输之后，其导致光子量子比特(例如，其与在第一实例传输中传输的光子相关联)与量子发射体量子比特(例如，其来自位于作为纠缠门操作的耦合位点处的腔体和量子发射体)纠缠，控制器(例如，控制器1208)可以控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路，以引起(例如，另一光子序列的)第二实例传输。控制器可以控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路，以再次(在第一实例之后)向多个量子发射体传输光子量子比特，由此生成与量子发射体相互作用的第一光子的光子量子比特和量子发射体量子比特之间的SWAP门，并且将量子发射体量子比特映射到该光子量子比特。例如，控制器可以控制光子生成器或光子源单元以提供一个或多个光子，一个或多个光子量子比特属于这一个或多个光子。控制器还可以控制开关、波束分离器和波导中的一者或多者，以引导所提供的一个或多个光子并将其携带到量子发射体，量子发射体被初始化为处于用于SWAP门的期望状态，以使得量子发射体量子比特映射到该一个或多个光子量子比特。将量子发射体量子比特的状态从量子发射体映射或传输到光子的光子量子比特使量子发射体在映射或传输之前具有光子量子比特的状态。这实际上使量子发射体量子比特从之前作为纠缠门与其相互作用的纠缠的光子量子比特解纠缠，因为量子发射体量子比特现在具有未曾与那些光子量子比特纠缠的最后的光子量子比特的状态。然后，这仅使先前相互作用的那些光子量子比特彼此纠缠，其形成光子图态或簇态(例如，如参考图6中611的说明文字所描述的)。该映射还可以使量子发射体自由以再次被初始化到用于纠缠门的期望状态，以使其量子发射体量子比特与其他入射的光子的光子量子比特纠缠。
这种SWAP门操作可以基于以下文献中描述的描述的单光子拉曼相互作用(single-photon Raman interaction，SPRINT)机制：Bechler O.等人的“被动光子-原子量子比特交换操作(A passive photon-atom qubit swap operation)”，自然物理学(NaturePhysics)，14,996-1000(2018)，Rosenblum S.等人的“从光脉冲中提取单光子(Extractionof a single photon from an optical pulse)”，自然光子学(Nature Photonics)10,19–22(2016)，Shomroni,I.等人的“单光子控制的单原子开关对单光子的全光路由(All-optical routing of single photons by a one-atom switch controlled by a singlephoton)”科学(Science)，345.6199，903-906(2014)，其全部内容和与单光子提取和SPRINT机制相关的内容通过引用并入本文。例如，量子发射体在耦合位点处耦合到腔体。多能级量子发射体(例如，具有至少两个基态和至少一个激发态的单个原子例如Rb原子)中的两个跃迁经由腔体(例如，微谐振器)耦合到波导的不同方向。量子发射体、腔体和波导(例如，如图13C所示的量子发射体1206_1至1206_n、腔体1202_1至1202_n和波导1212_1至1212_n)的布置使得波导中携带的光或光子被波导倏逝地耦合到腔体中。这里，被倏逝地耦合是指能够通过波导周围的倏逝场相互作用或传输。当包括多个光子(例如，图13C中的光子1228_1至1228_n)的脉冲被引入到波导中(例如，图13C中的1212_1至1212_n)时，波导中的脉冲的第一光子来自一个方向，然后通过其倏逝耦合经由其耦合的腔体(例如，腔体1202_1至1202_n)与量子发射体(例如，量子发射体1206_1至1206_n)相互作用。这种相互作用使得来自该方向的脉冲的第一光子由于传输中的相消干涉而被确定地反射，如图13C中所示的反射光子1236_1至1236_n所示。第一光子和量子发射体之间的这种相互作用类似于将量子发射体量子比特映射到光子量子比特，如前面参考图2E中的SWAP门201或图13C中的SWAP门1218_1到1218_n所描述的。这种相互作用还导致量子发射体(例如，量子发射体1206_1至1206_n)从一基态到另一基态的拉曼转变，并且量子发射体对来自该方向的后续光子(例如，从该光子脉冲向前的第二光子，例如图13C中的光子1228_1至1228_n)变得透明。这意味着那些后续光子刚好被传输到波导的另一端。因此，来自该SPRINT机制的映射的光子是第一次与腔体耦合的量子发射体相互作用的输入脉冲的第一光子，并且因此被反射以在其最初来自的方向上被输出。图15(A)至图15(C)示出了该SPRINT机制，稍后将详细描述该机制。
作为非限制性示例，根据与生成光子图态相关的一些公开的实施例，图13C示出了系统1200，其在第一实例传输之后，在第二实例中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。例如，控制器1208可以控制光子生成器1230的操作，以例如在系统1200的SWAP阶段中分别向波导(1212_1至1212_n)提供光子(1228_1至1228_n)。控制器1208还可以控制光学元件或电路，例如开关和波导，以将光子量子比特(例如，其与光子1228_1至1228_n相关联)的第二实例传输导向量子发射体(1206_1至1206_n)。来自第二实例传输的光子量子比特(例如，其与光子1228_1至1228_n相关联)与量子发射体(1206_1至1206_n)之间的相互作用经由用作SWAP门(1218_1至1218_n)的腔体(1202_1至1202_n)，例如，分别引起腔体(1202_1至1202_n)和位于耦合位点(1204_1至1204_n)处的量子发射体(1206_1至1206_n)作为SWAP门操作，如关于图2E所描述的。因此，量子发射体(1206_1至1206_n)的状态可以分别与光子量子比特(例如，其与第二实例传输的光子1228_1至1228_n相关联)的状态一起传输(例如，交换)或映射到光子量子比特的状态。因此，第二实例传输可导致量子发射体量子比特(例如，其与量子发射体(1206_1至1206_n)相关联)与已经纠缠的光子量子比特(例如，其在纠缠阶段期间由第一实例传输生成)之间的解纠缠。每个SWAP门(1218_1至1218_n)可以输出相互纠缠的光子(1232_1至1232_n)，其被绘制为通过连接双线纠缠，其分别对应于光子图态1220_1至1220_n，或者簇态1222，这取决于使用SWAP门之前纠缠门的布置。
根据一些实施例，第一实例中的传输包括按顺序次序传输多个光子量子比特以引起多个光子-量子发射体纠缠，并且其中在第一实例之后进行第二实例中的传输以输出光子图态。顺序次序可指特定次序、设置为特定系列的进程、或一个接一个的系列。因此，第一传输实例的多个光子量子比特(例如，在纠缠阶段提供了多个光子)可以按顺序传输，例如，一个光子量子比特接一个光子量子比特，或者一个光子接一个光子(例如，如参考图6中的602至609的说明文字所描述的)。这然后使得量子发射体能够与一个接一个的光子相互作用，其量子发射体量子比特与每个光子量子比特一个接一个地纠缠在一起，导致多个光子-量子发射体纠缠。这导致多个光子量子比特与量子发射体量子比特纠缠在一起。为了输出不具有作为处于纠缠态的量子比特之一的量子发射体量子比特的光子图态，量子发射体量子比特必须从该多个光子量子比特解纠缠。因此，第二实例中的传输(其导致将量子发射体量子比特的状态从量子发射体映射到光子的光子量子比特，并且因此导致量子发射体量子比特从其他纠缠的光子量子比特解纠缠)在第一实例之后，仅使光子量子比特彼此纠缠，形成待输出的光子图态(例如，如参考图6中的610至612的说明文字所描述的)。
作为非限制性示例，当按顺序传输光子量子比特的第一实例以引起多个光子-量子发射体纠缠，以及在第一实例之后传输光子量子比特的第二实例以输出光子图态时，可以使用图13B中的纠缠门后跟随图13C中的SWAP门的组合或序列。例如，一个或多个光子生成器、一个或多个纠缠门和/或一个或多个SWAP门可以布置在图7所示的阵列708中，其中控制器控制连接不同阶段的线性光学和相位控制元件702、705，其中每个阶段包括光子生成器、纠缠门和/或SWAP门中的至少一者。下面参考图7提供关于该阵列可以如何操作以生成光子图态或簇态的进一步细节。
例如，如先前参考第一实例传输和纠缠门所描述的，控制器(例如，控制器1208)可首先控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路，以在第一实例中向多个量子发射体传输光子量子比特，由此量子发射体量子比特和光子量子比特纠缠。控制器可以例如控制光子生成器或光子源单元来提供光子量子比特所属的光子，以用于第一实例传输。控制器还可以控制开关、波束分离器和波导中的一者或多者，以引导所提供的光子并将其携带到量子发射体，量子发射体被初始化为(例如，在如先前参考初始化量子发射体量子比特的状态而描述的控制器的控制下)处于用于纠缠门的期望状态，以引起光子量子比特和量子发射体量子比特之间的纠缠。
如先前参考第二实例传输和SWAP门所描述的，控制器(例如，控制器1208)可控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路以引起(例如，另一光子序列的)第二实例传输。控制器可以控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路，以再次(在第一实例之后)向多个量子发射体传输光子量子比特，由此量子发射体量子比特不再跟与来自第一实例传输的光子相关联的光子量子比特纠缠。这实际上从纠缠的光子量子比特解纠缠了量子发射体量子比特，并且仅使先前相互作用的那些光子量子比特彼此纠缠，其形成光子图态或簇态(例如，如参考图6中611的说明文字所描述的)以待输出。例如，控制器可以控制光子生成器或光子源单元以提供一个或多个光子，一个或多个光子量子比特属于这一个或多个光子。控制器还可以控制开关、波束分离器和波导中的一者或多者，以引导所提供的光子并将其携带到量子发射体，量子发射体被初始化为(例如，在如先前参考初始化量子发射体量子比特的状态而描述的控制器的控制下)处于用于SWAP门的期望状态。
根据一些实施例，初始化涉及使用SWAP门。如前所述，SWAP门指可在两个量子比特上操作的量子门，使得第一量子比特的量子态被转移到第二量子比特，并且第二量子比特的量子态被转移到第一量子比特。这种交换意味着当在光子量子比特和量子发射体量子比特之间使用SWAP门时，量子发射体量子比特的状态被映射到光子量子比特，同时光子量子比特的状态被映射到量子发射体量子比特。因此，通过控制光子1228_1至1228_n(其被输入到波导1212_1至1212_n并且将其状态与量子发射体量子比特交换)的特性，使得它们对应于期望状态，可以在量子发射体量子比特和该光子1228_1至1228_n的光子量子比特之间使用SWAP门来将期望状态映射到量子发射体量子比特上，作为初始化步骤的一部分。该期望状态可以是例如用于纠缠门的。例如，控制器(或控制器1208)可控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路以控制或设置光子1228_1至1228_n的特性。例如，初始化光子可以被提供给腔体或被传输至腔体，以与量子发射体相互作用，从而在量子发射体和与初始化光子相关联的光子量子比特之间引起量子态的互换(例如交换)。
作为非限制性示例，图13C与图2E一起示出了使用SWAP门对量子发射体(1206_1至1206_n)进行初始化的示例性实施方式。控制器1208可以控制光子生成器1230的操作，以分别经由波导(1212_1至1212_n)向配置(1218_1至1218_n)提供光子(1228_1至1228_n)。例如，当初始化的量子发射体的期望状态是概率幅度为β和α的基态111、113的叠加，但是量子发射体(1206_1至1206_n)处于状态(例如，分别具有概率振幅γ和δ的图1的第一基态111和第二基态113)的叠加时，控制器1208可以控制以光子模态(例如，分别具有概率幅度α和β的图1的模态1和模态2)的叠加提供光子1228_1至1228_n。当光子1228_1至1228_n与量子发射体1206_1至1206_n相互作用时，它们的状态可以被交换，输出处于模态(例如，分别具有概率幅度δ和γ的模态1和模态2)的叠加的反射的光子1236_1至1236_n e，并且使量子发射体(1206_1至1206_n)处于基态111、113的叠加，其中基态111、113分别具有概率幅度β和α，如关于图2E所详细描述的。
根据一些实施例，初始化包括施加微波。微波可以指波长范围从大约一米到大约一毫米并且分别对应于大约300MHz和300GHz之间的频率的电磁辐射。
根据一些实施例，初始化包括施加光束。光束可以指在自由传播时围绕中轴保持集中的电磁波，或者由诸如波导的结构引导的电磁波。参考图13A，控制器1208可以控制光子生成器1230的操作方面，以经由任何波导(1210_1至1210_n和1212_1至1212_n)分别将光束应用到配置(1214_1至1214_n)。
根据一些实施例，多个量子发射体包括原子，并且其中定位包括在腔体附近捕获原子。如前所述，这种捕获可涉及使用蓝色激光和红色激光来捕获耦合位点处的量子发射体。参考图13A至图13C，量子发射体(1206_1至1206_n)中的一个或多个可以包括原子，例如图1的原子102。通过将原子在腔体(1202_1至1202_n)附近捕获，可以将原子定位在耦合位点(1204_1至1204_n)处。
根据一些实施例，多个量子发射体包括量子点，并且定位包括以下中的至少一者：以光刻的方式将量子点置于腔体附近；或者以光刻的方式将腔体置于自组装量子点附近。如前所述，包括量子点的量子发射体可以指具有衬底(例如，固态衬底或半导体粒子)的量子发射体，该衬底具有展示量子力学原理的光学和/或电子性质。自组装量子点可以指在三个方向上限制电荷载流子的半导体异质结构。参考图13A至图13C，量子发射体(1206_1至1206_n)中的一个或多个可以包括量子点。可使用光刻技术将量子点定位在耦合位点1204_1至1204_n处，例如以光刻的方式将量子点定位在腔体(1202_1至1202_n)附近，或以光刻的方式将腔体(1202_1至1202_n)定位在自组装量子点附近。
根据一些实施例，使用耦合到腔体的量子发射体来生成光子量子比特。例如，耦合到腔体的量子发射体可以被配置成生成或释放一个或多个光子。作为非限制性示例，图4A和图4B中的源单元401以及图8和图9B中的光子生成器812是耦合到腔体的量子发射体的这种使用的示例。这种耦合到腔体的量子发射体可以例如设置在图13A至图13C的光子生成器1230中。
根据一些公开的实施例，量子发射体可以是具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁模态。换句话说，如前所述。量子发射体可以包括能够与光子相互作用的静止量子比特。例如，量子发射体可以包括具有以下一者或多于一者的量子系统：离子或中性原子的电子或核配置；材料衬底中缺陷或量子点的电子或核配置。
根据一些实施例，量子发射体包括超导量子比特。如前所述，超导量子比特是指存储在超导电子电路中或属于超导电子电路(例如，使用超导体的电气元件网络)的量子比特，该超导电子电路包含一个或多个约瑟夫逊结。
根据一些实施例，量子发射体包括量子点。如前所述，包括量子点的量子发射体可以指具有衬底(例如，固态衬底或半导体粒子)的量子发射体，该衬底具有展示量子力学原理的光学和/或电子性质。
根据一些实施例，量子发射体包括原子。根据一些实施例，原子是中性的。中性是指原子缺少总体电荷，例如当原子中的质子数等于电子数时。根据一些可替代的实施例，原子是离子。离子是指具有总体电荷的粒子或原子，例如具有不相等数量的质子和电子的原子。根据一些实施例，如前所述，量子发射体包括铷原子或铯原子中的至少一者。铷原子或铯原子可以是中性的或是离子。根据一些实施例，如前所述，量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
根据一些实施例，纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。受控Z门(CZ门)指可在两个量子比特上操作的量子门，使得它们的组合量子态获得条件相移(例如，如前所述的π的相移)。例如，纠缠门1216_1至1216_n中的一个或多个可以用作CZ门、CNOT门、SWAP门的平方根或iSWAP门中的任何一者。例如，纠缠门1216_1可以是受控Z门(CZ门)。
作为非限制性示例，图13D示出了与一些公开的实施例一致的用于生成光子图态的示例过程1260(或示例方法)。虽然图13D中的框图可以在下文中结合在其他附图中呈现的某些实施方式的实施例来描述，但是这些实施方式仅用于说明性目的，而不旨在用作限制。由于在整个本公开中描述了过程的步骤的示例，其也可应用于示例过程1260，这些方面不再被重复或仅结合图13D对其进行简单的总结。在一些公开的实施例中，过程1260可以由至少一个处理器或电路(例如控制器1208)执行，其被配置为执行本文描述的操作或功能。在一些实施例中，过程1260的一些方面可以被实施为软件(例如，程序代码或指令)，该软件存储在提供有至少一个处理器的存储器、或者非暂时性计算机可读介质、或计算机可读介质中。在一些实施例中，过程1260的一些方面可以被实施为硬件(例如，特定目的电路)。在一些实施例中，过程1260可以被实施为软件和硬件的组合。
图13D包括过程步骤1262至1268。在步骤1262中，该过程涉及在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体。例如，参考图13A，量子发射体(1206_1至1206_)可以分别定位在与腔体(1202_1至1202_n)相关联的耦合位点(1204_1至1204_n)处。
在步骤1264中，该过程涉及初始化与多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态。初始化例如可以涉及使用SWAP门和/或施加微波。例如，初始化可以涉及控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路以初始化与多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特。该控制可以包括控制光子脉冲生成器和/或磁场生成器以将量子发射体(量子发射体量子比特存储在其上，或量子发射体量子比特属于该量子发射体)暴露于激光和/或将磁场应用到量子发射体。例如，可以以这种方式控制图1中的光子脉冲生成器151和/或磁体141。
在步骤1266中，该过程涉及在至少一个第一实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便纠缠量子发射体量子比特和光子量子比特。例如，在至少一个第一实例传输中传输可以涉及控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路，以在第一实例中向多个量子发射体传输光子量子比特。例如，该控制可以包括以下中的一者或多者：控制光子生成器或光子源单元来提供光子量子比特所属的光子；和控制开关、波束分离器和波导中的一者或多者，以引导所提供的光子并将其携带到量子发射体，量子发射体被初始化为处于用于纠缠门的期望状态，以引起光子量子比特和量子发射体量子比特之间的纠缠。
在步骤1268中，该过程涉及在至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。例如，在至少一个第二实例传输中传输可以涉及控制部件、部件组(例如，光学元件)或电路，以再次(在第一实例之后)向多个量子发射体传输光子量子比特，该控制可以例如包括以下中的一者或多者：控制光子生成器或光子源单元以提供一个或多个光子，一个或多个光子量子比特属于这一个或多个光子；和控制开关、波束分离器和波导中的一者或多者，以引导所提供的一个或多个光子并将其携带到量子发射体。
例如，在第一实例中传输可以包括按顺序传输多个光子量子比特以引起多个光子-量子发射体纠缠，并且可以在第一实例之后进行第二实例中的传输以输出光子图态。在一个示例中，该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)可以包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使得所述至少一个处理器(或设备)执行本文所述的过程或量子计算方法。根据与生成光子图态相关的一些实施例，该指令可使得所述至少一个处理器(或设备)执行图13D中所示的量子计算方法或过程1260。
先前针对与生成光子图态相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)实施例的对应特征。
根据与生成光子图态相关的其他实施例，存在包括至少一个处理器(和存储器)的设备、装置、系统、集成电路器件或电路，所述至少一个处理器(和存储器)被配置为执行图13D所示的量子计算方法或过程1260。先前针对与生成光子图态相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
根据与生成光子图态相关的又一实施例，提供了集成电路器件或电路的布局，其包括布局部分，每个布局部分被限定为将来自图13A至图13C中的系统1200的特征、图13B中的纠缠门1216_01至1216_n的特征、或图13C中的SWAP门1218_1至1218_n的特征的组合的每个特征图形化，根据与生成光子图态相关的一些实施例。例如，集成电路器件或电路的布局包括：腔体布局部分，其被限定为将多个腔体图形化；耦合位点布局部分，其被限定为将用于定位多个量子发射体的多个耦合位点图形化；和控制器布局部分，其被限定为将电路或至少一个处理器图形化。
在一些公开的实施例中，集成电路器件或电路的布局还包括光子生成器布局部分，其被限定为将光子生成器或用于将由光子生成器供应的光子携带到腔体或量子发射体的通道图形化。在一些公开的实施例中，光子生成器布局部分可以被限定为将另一腔体和用于将另一量子发射体定位到该另一腔体的另一耦合位点图形化。在一些公开的实施例中，电路布局部分可以被限定为将以下一者或多者图形化：波导，其用于携带一个或多个光子或激光；以及一个或多个线性光学元件，其用于执行涉及引导或输送一个或多个光子、控制一个或多个光子的流动、操纵一个或多个光子的状态和/或执行量子计算的各种功能。
在一些公开的实施例中，控制器布局部分被限定为将控制器图形化，该控制器用于控制(例如，在不同波导之间引导或切换)光子生成器与一个或多个纠缠门或一个或多个SWAP门之间的输入和输出光子的流动，其中该控制器可以包括一个或多个处理器和存储器，电路部件或电路，以执行控制。
应当理解，当使用可以以光刻的方式定位的量子发射体(例如量子点)时，耦合位置布局部分可以被限定为也将量子发射体图形化。先前针对与生成光子图态相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于该实施例的对应特征。
一些实施例涉及生成用于量子计算的光子图态。量子计算可以指通过利用或应用一个或多个量子态性质(例如叠加、纠缠和干涉)来执行的计算。如前所述，图态表示一组量子比特之间的关系，量子比特是量子信息的基本单位。光子图态是指表示一组光子量子比特之间的关系的图态。如前所述，光子量子比特是指存储在一个或多个光子或电磁场中(或属于一个或多个光子或电磁场)的量子信息的基本单位。例如，从连续入射的光子量子比特生成的图态(或多个图态)可以表示存储在(或属于)输出光子中的量子比特之间的关系。
生成用于量子计算的光子图态是指创造和/或提供通过利用或应用一个或多个量子态性质而执行的计算中可用的多个光子。所述多个光子可以具有一组相关联的光子量子比特，并且这组相关联的光子量子比特之间的关系可以使用图态来表示。例如，生成用于量子计算的光子图态可以包括确定用于生成光子图态的操作参数和指令。与与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例一致，并且如下所述，光子图态可以例如通过纠缠序列中的一个或多个光子量子比特来生成。在该示例中，光子图态可以是可以由图表示的多量子比特状态的类型，其中每个光子量子比特可以由图的顶点表示，并且一对光子量子比特之间的边可以表示该对光子量子比特之间的相互作用(例如纠缠)。
一些实施例涉及将量子发射体耦合到腔体。腔体是指可用作谐振器的结构、外壳或容器，如前所述，其是用于建立或支持电磁模态的部件。例如，腔体可对应于腔体QED设置中的腔体、光学腔体、回音廊模式腔体或法布里-珀罗腔体。如前所述,量子发射体是指被配置为耦合到电磁模态的部件。例如，量子发射体可以包括具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁模态。将量子发射体耦合到腔体是指使量子发射体和腔体之间能够相互作用。例如，通过使量子发射体的偶极子场与腔体的电磁模态能够重叠来使量子发射体的量子比特与腔体之间能够相互作用。当量子发射体在其相关联的耦合位置中耦合到腔体时(也称为腔体耦合的量子发射体)，量子发射体耦合到腔体的电磁模态。因此，腔体耦合的量子发射体可以被配置为在被激励时释放或发射光子(例如，用作光子生成器)或者与通过腔体的光子相互作用(例如，用作纠缠光子的纠缠门)。
作为非限制性示例，图4A和图4B示出了实施为光子生成器的源单元401(其包括作为量子发射体的源单元原子402)，图8到图9B示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818以用作光子生成器，图5A和图5B示出了作为纠缠门实施的纠缠单元501(其包括作为量子发射体的纠缠单元原子502)，并且图8和图9C示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818以用作纠缠门。
在一些实施例中，该耦合可以涉及将量子发射体定位在腔体的腔体内场内。如前所述,定位量子发射体是指布置或安置量子发射体以使得量子发射体与腔体之间能够相互作用。例如，将量子发射体定位在被配置为使得量子发射体和腔体之间能够耦合的区域内，其中该区域还可以被称为耦合位置或耦合位点。如前所述，量子发射体定位可以例如包括以下中的一者或多者：将量子发射体设置成位于耦合位置或耦合位点(例如，将量子发射体定位或置于耦合位置或耦合位点处)；将量子发射体布置在腔体的腔体内场内；在腔体附近捕获量子发射体；以光刻的方式将量子点置于腔体附近；或者以光刻的方式将腔体置于自组装量子点附近。如前所述，在腔体附近捕获量子发射体是指生成将量子发射体保持在与腔体相关联的耦合位置内的阱。例如，诸如电场、射频(或微波)场、磁光阱(MOT)配置和/或非谐振激光束(原子镊子)的电磁场的配置可用于将量子发射体保持在耦合位置内。图14A示出了耦合位置1420的非限制性示例。
根据一些实施例，量子发射体是能够与光子相互作用的静止量子比特。静止量子比特可以指可用于存储和处理量子信息的材料量子系统。例如，静止量子比特可以指可进行以下操作(或满足以下条件)的量子比特：(i)在纳秒或更大的时间尺度上可靠地存储量子信息，(ii)可靠地执行计算和/或操作，包括可以将信息移动或转换为飞行量子比特(例如，非静止量子比特或光子)的操作，(iii)被可靠地测量或读出，和/或(iv)是高度纠缠的。静止量子比特的示例可以包括存储在量子发射体中或属于量子发射体的量子比特。例如，存储在铷或铯原子中或属于铷或铯原子的量子比特可以用作静止量子比特的源。例如，里德堡(Rydberg)原子也可以用作静止量子比特的源。使用里德堡原子可以导致有利于量子计算应用的性质，例如，(i)对电场和磁场的强响应，(ii)长衰减周期，和(iii)大的电偶极矩。里德堡原子可以指具有一个或多个电子的激发原子，这些电子具有高主量子数n。
例如，量子发射体可以包括超导量子比特。如前所述，超导量子比特是指存储在超导电子电路中或属于超导电子电路(例如，使用超导体的电气元件网络)的量子比特。例如，超导量子比特可以指源自超导材料(例如铝或铌-钛合金)的固态量子比特。超导量子比特可以包含或耦合到至少一个约瑟夫逊结。超导量子比特的示例可以包括电荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特和/或其混合(例如，传输子(transmon))。
在一个示例中，量子发射体可以包括量子点。如前所述，包括量子点的量子发射体可以指具有衬底(例如，诸如半导体粒子的固态衬底)的量子发射体，该衬底具有展示量子力学原理的光学和/或电子性质。例如，量子点可以是具有与其本体成分不同的光学和电子性质的纳米粒子。在存在高能光子(例如紫外线)的情况下，量子点中的电子可以被激发到高能态，并且当跃迁至基态时发射一个或多个光子。例如，量子点可以由一种或多种二元化合物(如硫化铅、硒化铅、硒化镉、硫化镉、碲化镉、砷化铟或磷化铟)制造。例如，量子点可以在砷化镓衬底中由砷化铟自组装。例如，量子点可以指固态衬底中的原子缺陷，例如金刚石中的氮空位中心。
在一个示例中，量子发射体可以包括原子或离子中的至少一者。原子可以是中性的。中性是指原子缺乏总体电荷，例如当原子具有相等数量的质子和电子时。离子是指具有总体电荷的粒子或原子，例如具有不相等数量的质子和电子的原子。原子或离子可以来源于铷。和/或原子或离子可以来源于铯。在一个示例中，原子或离子可以来源于里德堡原子。在一个示例中，量子发射体可以包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
一些实施例涉及生成具有第一时间轮廓的第一脏光子。如前所述，脏光子是指例如在执行量子计算时与另一光子可区分的光子。脏光子可以包括，例如，在多个时空模态(例如，多个时间轮廓)的混合状态中的传播(巡回)的光子。例如，脏光子展示出不规则性(例如，在其时间轮廓中)，这使得其易于(例如，基于其时间轮廓中的不规则性)与另一光子区分开。如前所述，时间轮廓可以指传播光子的场的包络。时间轮廓的示例包括：具有特定衰减时间和初始时间的指数递减或递增轮廓；具有特定初始时间和最终时间的恒定轮廓；具有特定初始时间和最终时间，以及调制频率和相位的频率和相位调制轮廓；或具有特定平均时间和时间方差的高斯轮廓。
如前所述，光子量子比特是指存储在一个或多个光子或电磁场中(或属于一个或多个光子或电磁场)的量子信息的基本单位。使用脏光子来形成光子量子比特，或者使用第一脏光子来形成第一光子量子比特，是指建立或提供脏光子或第一脏光子作为光子量子比特或第一光子量子比特的源。然后，光子量子比特或第一光子量子比特被存储在脏光子或第一脏光子(或与其相关联的电磁场)中(或属于其)。例如，建立或提供脏光子或第一脏光子作为源可以涉及将脏光子或第一脏光子携带到一个或多个线性光学元件、携带脏光子或第一脏光子通过一个或多个线性光学元件、或从一个或多个线性光学元件携带脏光子或第一脏光子。例如，线性光学元件可以包括以下中的一者或多者：通道(例如，波导)、反射器(例如，镜子)、波束分离器、透镜、移相器或能够操纵光子的性质或运动的另一线性光学仪器。
生成脏光子或生成第一脏光子是指提供、释放或发射可与另一光子区分的光子，例如已经或将要提供、释放或发射的光子。如前所述，例如，由于用于提供、释放或发射光子的光子生成器不被控制为在其输入脉冲的时间和/或形状或频率方面是精确的，光子可能是“脏的”。根据一些公开的实施例生成的单光子完全适合使用本文所述的耦合到腔体的量子发射体进行光子量子比特纠缠，即使光子展示出使其易于区分的(例如，在其时间轮廓中的)不规则性时也是如此。
本文描述的用于获取单光子的光子源单元是这种能够提供潜在脏光子的光子生成器的非限制性示例。作为非限制性示例，图4A和图4B示出了由源单元401(包括作为量子发射体的源单元原子402)生成的发射的光子406和可能是脏光子的时间序列的一系列输出光子412。在另一个非限制性示例中，图8至图9B还示出了单光子，其可以是脏光子，由耦合到腔体818的铷(87Rb)原子820生成和输出。参考图4A和图4B中的源单元401，源单元401包括腔体(例如图1的光学腔体103)和原子402(例如，量子发射体)。在初始化脉冲403将原子402的状态初始化为状态111(图1)之后，生成脉冲404可引起图2A的跃迁121A和跃迁122A，导致原子402发射光子406。重复该过程产生图4B中的时间序列的一系列输出光子412。根据与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例，例如，在其脉冲时间和/或形状方面，不需要精确地控制生成脉冲404，并且输出光子因此可能是脏的。输出光子具有时间轮廓，其可能展示出不规则性并且因此可能是可区分的。
光子量子计算是指通过利用或应用一个或多个光子的一个或多个量子态性质来执行的计算。使用线性光学元件来生成光子图态的常规光子量子计算依赖于使用不可区分的光子(也称为清洁光子)，因为它们不展示出(例如，在其时间轮廓中的)任何不规则性。这是因为在这种常规光子量子计算中涉及的一些操作需要在多于一个光子之间使用相消干涉，并且这种相消干涉依赖于彼此不可区分的多于一个光子。例如，如果在那些常规量子计算中使用的光子是可区分的，则这可能导致所生成的光子图态的保真度的降低和计算中误差的增加。
相反，使用光子的纠缠通过腔体增强的量子发射体-光子相互作用来执行光子量子计算(例如，使用耦合到腔体的量子发射体，其也被称为腔体耦合的量子发射体)使得能够在量子计算操作中使用这种脏光子。这是因为通过腔体增强的量子发射体-光子相互作用纠缠光子使用腔体耦合的量子发射体作为纠缠那些光子的介导体。腔体耦合的量子发射体介导光子之间的相互作用以生成光子图态。介导指促使、使能或以其他方式有助于相互作用。相互作用可以传输、通信、关联和/或建立入射的光子量子比特之间的相关性。例如，腔体耦合的量子发射体可以有助于入射的光子之间的纠缠(例如，相互作用)，腔体耦合的量子发射体是实现入射的光子之间的这些相互作用的手段。因此，使用本文所述的与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例的光子量子计算，不要求使用不可区分的光子(也被称为清洁光子)，否则这将是用线性光学进行概率纠缠的情况。这意味着，如前所述，例如当生成用于量子计算的光子时，输入光子脉冲(例如，图4A中的生成脉冲404)不必被精确地定时和成形，并且可能导致生成具有未被精确控制或调谐的时间轮廓的脏光子。然而，使用一个或多个腔体耦合的量子发射体意味着那些生成的光子仍然适合用于量子计算操作。
一些实施例涉及生成具有第二时间轮廓的第二脏光子，并且一些实施例涉及使用第二脏光子来形成第二光子量子比特。例如，可以以类似于如前所述的生成和使用第一脏光子以形成第一光子量子比特的方式生成和使用第二脏光子以形成第二光子量子比特。先前关于生成和使用第一脏光子以及关于形成第一光子量子比特描述的示例也可应用于第二脏光子。
一些实施例涉及使用耦合到腔体的量子发射体来将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特。如前所述，一对纠缠的光子量子比特是指该对光子量子比特的状态被关联的状况。例如，该对光子量子比特的状态可以以不能彼此独立地描述这些(一个或多个)状态的方式彼此相关。该纠缠例如生成那些状态的测量之间的相关性，将一个光子量子比特的状态的测量与另一个光子量子比特的状态的测量相关联，由此可以使用该相关性来存储或处理相互信息。如前所述，耦合到腔体的量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)可以用作纠缠门。纠缠门是指被配置为纠缠量子比特的部件或部件组或控制序列。因此，腔体耦合的量子发射体可以例如以按顺序的方式与第一光子量子比特和第二光子量子比特相互作用，使得第一光子量子比特和第二光子量子比特与腔体耦合的量子发射体纠缠，并因此彼此纠缠。
作为非限制性示例，图5A和图5B示出了纠缠单元501(其包括作为量子发射体的纠缠单元原子502)被实施为纠缠门以生成时间序列化的一系列纠缠光子512，并且图8和图9C示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818以用作纠缠门。
一些实施例涉及使用该对纠缠的光子量子比特进行量子计算。执行量子计算可以指在光子量子比特上应用操作，其中应用操作依赖于利用或应用一个或多个量子态性质(例如叠加、纠缠和干涉)。纠缠的光子量子比特可以通过线性光学元件和/或经由量子发射体来携带或引导，从而使得能够传输和/或操纵用其编码的信息。
一些实施例涉及生成具有与第一时间轮廓和第二时间轮廓不同的第三时间轮廓的第三脏光子，并使用第三脏光子来形成第三光子量子比特。例如，可以以类似于如前所述的生成和使用第一脏光子或第二脏光子以形成第一光子量子比特或第二光子量子比特的方式生成和使用第三脏光子以形成第三光子量子比特。先前关于生成和使用第一脏光子或第二脏光子以及关于形成第一光子量子比特或第二光子量子比特描述的示例也可应用于第三脏光子。如前所述，时间轮廓是指传播的光子的场的时间包络。时间轮廓的示例包括：具有特定衰减时间和初始时间的指数递减或递增轮廓；具有特定初始时间和最终时间的恒定轮廓；或具有特定平均时间和时间方差的高斯轮廓。因此，第三脏光子的第三时间轮廓不同于第一脏光子和第二脏光子的第一时间轮廓和第二时间轮廓是指，第三脏光子的场具有与第一脏光子和第二脏光子的场不同地随时间作用或改变的轮廓。
一些实施例涉及使用耦合到腔体的量子发射体来将第三光子量子比特与第一光子量子比特或第二光子量子比特纠缠以形成三个纠缠的光子量子比特。例如，如前所述，腔体耦合的量子发射体可以例如以序列的方式与第三光子量子比特和第一光子量子比特或第二光子量子比特相互作用，使得第三光子量子比特和第一光子量子比特或第二光子量子比特与腔体耦合的量子发射体纠缠，并因此彼此纠缠。先前关于将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠而描述的示例也可应用于将第三脏光子与第一光子量子比特或第二光子量子比特纠缠。
一些实施例涉及使用这三个纠缠的光子量子比特进行量子计算。例如，如前面参考使用一对纠缠的光子量子比特进行量子计算所描述的，这三个纠缠的光子量子比特可以通过线性光学元件携带或由线性光学元件引导和/或经由量子发射体来携带或引导，从而使得能够传输和/或操纵用其编码的信息。
一些实施例涉及使用耦合到量子发射体的腔体来纠缠多个附加光子以生成光子图。附加光子是指除先前描述的第一脏光子、第二脏光子和/或第三脏光子之外的光子。例如，可以以类似于如前所述的生成和使用第一脏光子(或第二脏光子或第三脏光子)以形成第一光子量子比特(或第二光子量子比特或第三光子量子比特)的方式生成和使用附加光子以形成附加光子量子比特。先前关于生成和使用第一脏光子(或第二脏光子或第三脏光子)以及关于形成第一光子量子比特(或第二光子量子比特或第三光子量子比特)描述的示例也可应用于附加光子。使用耦合到量子发射体的腔体来纠缠多个附加光子是指耦合到腔体的量子发射体(或腔体耦合的量子发射体)用作纠缠门，如先前关于将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特而描述的。随着附加光子一个接一个地与腔体耦合的量子发射体纠缠，该腔体耦合的量子发射体生成纠缠的光子的光子图，该光子图包括附加光子以及第一脏光子和第二脏光子。如果对第三脏光子也使用腔体耦合的量子发射体来纠缠，则纠缠的光子包括第三光子。纠缠的光子的光子图可以例如然后用于量子计算。先前关于将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠或将第三光子量子比特与第一光子量子比特或第二光子量子比特纠缠而描述的示例也适用于纠缠多个附加光子。
作为非限制性示例，图5A和图5B示出了纠缠单元501(其包括作为量子发射体的纠缠单元原子502)被实施为纠缠门以生成时间序列的一系列纠缠光子512，并且图6示出了根据一些实施例的使用该纠缠单元501重复纠缠过程。用于重复步骤603至606的循环的步骤602导致纠缠单元原子(例如原子502)与多个光子的状态纠缠，从而使得能够生成具有n个纠缠的光子的光子图，如说明文字609、611所示。
在一些示例中，至少一些附加光子是脏的。附加的脏光子可以类似于先前描述的第一脏光子或第二脏光子，或稍后将描述的第三脏光子。例如，可以以与第一脏光子或第二脏光子类似的方式生成和使用脏的附加光子以形成附加光子量子比特。耦合到腔体的量子发射体然后可用于将所形成的附加光子量子比特与第一光子量子比特和/或第二光子量子比特(或任何其他光子量子比特)纠缠在一起，以形成多个纠缠的光子量子比特。该多个纠缠的光子量子比特然后可用于量子计算。本文描述的关于第一、第二或第三脏光子的示例和解释也可应用于脏的附加光子。
在一些实施例中，通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成第一脏光子。激光脉冲是指光脉冲形式的激光，例如包括特定平均光子数的时间限制脉冲。相干激光脉冲是指激光的波长在空间和时间上处于同相的激光脉冲。耦合到腔体的量子发射体(也称为腔体耦合的量子发射体)然后可用于从相干激光脉冲中提取光子。该提取的光子可以被认为是第一脏光子，其是通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成的。用于该提取的腔体耦合的量子发射体可以是与耦合到腔体的量子发射体(以使第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠)不同的腔体耦合的量子发射体。因此，用于提取的腔体耦合的量子发射体可以是用于纠缠的量子发射体的附加量子发射体。
作为非限制性示例，图15(A)至图15(C)示出了在从相干激光脉冲中提取光子时使用的单光子拉曼相互作用(SPRINT)机制，其基于耦合到腔体的量子发射体。该光子提取基于以下文献中描述的单光子拉曼相互作用(SPRINT)机制：Bechler O.等人的“被动光子-原子量子比特交换操作(A passive photon-atom qubit swap operation)”，自然物理学(Nature Physics)，14,996-1000(2018)，Rosenblum S.等人的“从光脉冲中提取单光子(Extraction of a single photon from an optical pulse)”，自然光子学(NaturePhoton)10,19–22(2016)，Shomroni,I.等人的“单光子控制的单原子开关对单光子的全光路由(All-optical routing of single photons by a one-atom switch controlled bya single photon)”科学(Science)，345.6199，903-906(2014)，其全部内容和与单光子提取和SPRINT机制相关的内容通过引用并入本文。例如，量子发射体1432在耦合位置1420处耦合到腔体1434，如图15(A)所示。多能级量子发射体(量子发射体1432或例如，具有至少两个基态和至少一个激发态的单个原子例如Rb原子)中的两个跃迁经由腔体1434(例如，微谐振器)耦合到波导1433a的不同方向。量子发射体1432、腔体1434和波导1433a的布置使得波导1433a中携带的光或光子通过波导1433a倏逝地耦合到腔体1434中。这里，被倏逝地耦合是指能够通过波导周围的倏逝场相互作用或传输。
如图15(A)所示，包括多个光子1436a、1436b、1436c的相干激光脉冲被引入到波导1443a中。如图15(B)所示，波导1433a中来自一个方向的相干激光脉冲的第一光子1436a然后通过其倏逝耦合1435经由腔体1434与量子发射体1432相互作用。这种相互作用使得来自该方向的相干激光脉冲的第一光子1436a由于传输中的相消干涉而被确定地反射，如图15(C)中所示的反射光子1439a所示。第一光子1436a和量子发射体1432之间的这种相互作用类似于将量子发射体量子比特映射到光子量子比特，如前面参考图2E中的SWAP门201所描述的。这种相互作用导致量子发射体1432从一基态到另一基态的拉曼转变，并且量子发射体1432对来自该方向的后续光子(例如，来自相干激光脉冲的第二光子1436b和第三光子1436c)变得透明。换句话说，如图15(C)所示，后续光子(例如，来自相干激光脉冲的第二光子1436b和第三光子1436c)刚被传输到波导1433a的另一端。然后，反射的光子1439a可以用作第一脏光子，该第一脏光子通过使用耦合到腔体1434的量子发射体1432从相干激光脉冲提取而生成。因此，基于SPRINT机制的腔体耦合的量子发射体可用于从相干激光脉冲中提取脏光子。从SPRINT机制提取的脏光子是相干激光脉冲的第一次与腔体耦合的量子发射体相互作用的第一光子，并且因此被反射到在其最初来自的方向上被输出。由于相干激光脉冲的后续光子刚被传输，相干激光脉冲的与腔体耦合的量子发射体相互作用的第一光子被提取为反射的光子，而相干激光脉冲的其余光子如同未受影响般继续进行。
在一些实施例中，通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成第二脏光子。例如，可以与先前描述的通过从相干激光脉冲提取生成第一脏光子的方式相似的方式，通过从相干激光脉冲提取生成第二脏光子。例如，第一脏光子和第二脏光子可以通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成。先前描述的关于生成第一脏光子的示例也可应用于生成第二脏光子。类似地，在一些实施例中，第三脏光子和/或附加光子可以通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成。
在一些实施例中，从波动量子发射体生成第一脏光子。如前所述，波动量子发射体是指其物理状况或性质按时间(至少时间上)改变的量子发射体。例如，量子发射体可能会波动，因为其谐振频率会因杂散磁场或电场而随时间变化。这种波动量子发射体可用于生成第一脏光子。例如，波动量子发射体可以用作待耦合到本文所述的用于获取单光子的光子源单元(例如，图4A中的源单元401)或光子生成器(例如图9B中的与腔体谐振器818耦合的量子发射体820)中的腔体的量子发射体，使得波动量子发射体可以在激发时提供光子。
在一些实施例中，从波动量子发射体生成第二脏光子。例如，第一脏光子和第二脏光子中的至少一者可以从波动量子发射体生成。在一些实施例中，第三脏光子和/或附加光子从波动量子发射体生成。前面关于从波动量子发射体生成的第一脏光子描述的示例也可应用于这样的实施例。
在一些实施例中，第一脏光子和第二脏光子的光谱在耦合到腔体的量子发射体的相互作用带宽内。光谱是指电磁辐射的波长范围。第一脏光子和第二脏光子的光谱是指与第一脏光子和第二脏光子相关联的电磁辐射的波长范围。耦合到腔体的量子发射体的相互作用带宽是指可能与耦合到腔体的量子发射体相互作用的频率范围。例如，量子发射体的相互作用带宽可以是量子发射体的吸收光谱，其中电磁场更可能以落在相互作用带宽内的频率与量子发射体相互作用。类似地，在一些实施例中，第三脏光子和/或附加光子的光谱可以在耦合到腔体的量子发射体的相互作用带宽内。
在一些实施例中，第二时间轮廓不同于第一时间轮廓。如前所述，时间轮廓是指传播的光子的场的包络。时间轮廓的示例包括：具有特定衰减时间和初始时间的指数递减或递增轮廓；具有特定初始时间和最终时间的恒定轮廓；或具有特定平均时间和时间方差的高斯轮廓。因此，第二脏光子的第二时间轮廓不同于第一脏光子的第一时间轮廓是指第二脏光子和第一脏光子的场具有不同地随时间作用或改变的轮廓。类似地，在一些实施例中，第三脏光子和/或附加光子的时间轮廓可以不同于第一时间轮廓。
在一些其他实施例中，第二时间轮廓与第一时间轮廓相同。在这样的其他实施例中，第二脏光子和第一脏光子的场具有随时间以相同方式作用或改变的轮廓。类似地，在一些实施例中，附加光子的时间轮廓可以与第一时间轮廓相同。
在一些实施例中，从光学延迟线获得第一脏光子和第二脏光子中的至少一者。如前所述，光学延迟线是指被布置成对一个或多个光子的脉冲引入时间延迟的部件或部件组。光学延迟线可以具有固定的或可调谐的延迟。例如，光学延迟线可以由光学开关控制，该光学开关确定光学脉冲是否通过延迟线。光学延迟线可以例如在自由空间、在光纤和/或在片上波导中实现。在一个示例中，光学延迟线可以被配置为同步用于获得第一脏光子和第二脏光子中的至少一者的时机。例如，光学延迟线可以被配置为携带第一脏光子和第二脏光子中的至少一者，使得第一脏光子和第二脏光子以序列的方式被提供给耦合到腔体的量子发射体，并且使得第一脏光子和第二脏光子与耦合到腔体的量子发射体一个接一个地纠缠在一起。用于选择性地接合光学延迟线的光学开关还可以设置有至少一个处理器或电路。该处理器或电路可以被配置为控制光学开关以延长所述第一脏光子和第二脏光子中的至少一者的行进路径。在另一示例中，当生成一个或多个光子时，可以通过波束分离器发送光子以生成两个分开的脉冲，然后可以将一个或两个脉冲引导到光学延迟线中，该光学延迟线被配置为在由光学延迟线携带的一个或两个脉冲中生成时间延迟。时间延迟可以改变光子的时间相干性，导致脉冲具有不同的时间轮廓，并因此导致输出一个或多个脏光子。
在一些实施例中，第一脏光子和第二脏光子各自是图的一部分，其中该图包含缺少量子发射体量子比特的光子量子比特。图是指表示量子比特组之间的纠缠关系的图态，如前所述，量子比特是量子信息的基本单位。这可能意味着该图是光子图，并且第一脏光子和第二脏光子不来自量子发射体，而是来自不涉及量子发射体的另一源。在一些实施例中，第一脏光子和第二脏光子各自是图的一部分，其中该图包含光子和量子发射体量子比特。这可能意味着第一脏光子和第二脏光子中的至少一者来自量子发射体，或者来自使用量子发射体生成光子的光子生成器。
作为非限制性示例，图14A示出了根据与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例的示例性系统1400或示例性装置。图14A中的系统1400包括：腔体1404；能耦合到腔体1404的量子发射体1402；光子生成器1416a、1416b，其被配置为生成脏光子；以及电路1418，其被配置为执行根据本文描述的与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例的量子计算方法。
图14A示出了两个分开的光子生成器1416a、1416b，但是应当理解，单个光子生成器可以生成第一脏光子1406a和第二脏光子1406b。在一些示例中，根据一些与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例,光子生成器1416a、1416b可以包括耦合到腔体的量子发射体(例如，图15(A)至图15(C)中耦合到腔体1434的量子发射体1432)，并且如前所述,光子生成器1416a、1416b可以被配置为通过使用耦合到腔体的量子发射体(例如，耦合到图15(A)至图15(C)中的腔体1434的量子发射体1432)从相干激光脉冲提取来生成第一脏光子1406a和/或第二脏光子1406b。在一些示例中，如前所述，光子生成器1416a、1416b中的量子发射体可以是原子或波动的量子发射体。
在一示例中，电路1418可以被配置为控制光子生成器1416a、1416b以生成具有第一时间轮廓的第一脏光子1406a和具有第二时间轮廓的第二脏光子1406b，并且电路1418可以被配置为使用第一脏光子1406a来形成第一光子量子比特并且使用第二脏光子1406b来形成第二光子量子比特。
图14A中的系统1400包括被配置为携带一个或多个光子或激光的波导1412a、1412b。例如，图14A中的波导1412a、1412b可以用于与图8至图9C中的波导816、910、930相同的目的。电路1418可以包括一个或多个线性光学元件，其被配置为执行涉及引导或输送一个或多个光子、控制一个或多个光子的流动、操纵一个或多个光子的状态和/或执行量子计算的各种功能。例如，电路1418可以被配置为使用一个或多个线性光学元件来：将量子发射体1402耦合到腔体1404；使用耦合到腔体1404的量子发射体1402将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特1408；和使用该对纠缠的光子量子比特1408进行量子计算。在与生成用于量子计算的光子图态相关的一些公开的实施例中，可以提供控制器1414以控制(例如，在不同波导之间引导或切换)一个或多个光子生成器和一个或多个纠缠门之间的输入和输出光子的流动。例如，该控制器1414可以包括一个或多个处理器。还可以提供用于执行控制的存储器、电路部件或电路。
例如，电路1418可以从光子生成器1416a、1416b接收第一脏光子1406a和第二脏光子1406b，并且输出第一脏光子1406A和第二脏光子1406b，使得它们可以作为光子的序列被携带在波导1412A、1412b中。在一示例中，电路1418还可以包括光学延迟线，该光学延迟线被配置为携带第一脏光子1406a和第二脏光子1406b中的至少一者，如先前对于与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例所描述的。第一脏光子1406a和第二脏光子1406b然后可以通过第一脏光子1406a或第二脏光子1406b与波导1412a提供的腔体1404之间的倏逝耦合1425经由腔体1404与量子发射体1402相互作用，如先前参考图15(A)至图15(C)所描述的。量子发射体1402与第一脏光子1406a和第二脏光子1406b之间的这种相互作用然后可导致第一光子量子比特与第二光子量子比特的纠缠，如先前关于与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例所描述的。
作为非限制性示例，图14B示出了根据与生成用于量子计算的光子图态相关的一些实施例的示例过程1450。由于在整个本公开中描述了过程的步骤的示例，不重复先前描述的那些示例或仅结合图14B对其进行简单的总结。在一些公开的实施例中，示例过程1450由至少一个处理器或电路(例如在图10的控制系统1031和/或光子芯片1015中，或图14A的电路1418和/或控制器1414中)执行，以执行本文描述的操作或功能。在一些公开的实施例中，过程1450的一些方面可以被实施为软件(例如，程序代码或指令)，该软件存储在提供有至少一个处理器的存储器、或者非暂时性计算机可读介质、或计算机可读介质中。在一些实施例中，过程1450的一些方面可以被实施为硬件(例如，特定目的电路)。在一些实施例中，过程1450可以被实施为硬件或者被实施为软件和硬件的组合。
图14B包括过程步骤(或方法步骤)1452至1464。将容易理解，各种实施方式是可能的，并且可以利用组件或装置的任何组合来实施示例过程。还将容易理解，可以改变所示的过程以修改步骤的顺序、删除步骤、或进一步包括附加步骤，例如针对本文描述的示例或实施例的步骤。
在步骤1452中，该过程涉及将量子发射体耦合到腔体。如前所述，图14A和图15(A)至图15(C)示出了耦合到腔体1404、1434的量子发射体1402、1432的示例。
在步骤1454中，该过程涉及生成具有第一时间轮廓的第一脏光子，并且在步骤1456中，使用第一脏光子形成第一光子量子比特。在步骤1458中，该过程涉及生成具有第二时间轮廓的第二脏光子，并且在步骤1460中，使用第二脏光子形成第二光子量子比特。如前所述，图14A示出了用于形成第一光子量子比特和第二光子量子比特的第一脏光子1406a和第二脏光子1406b的示例。
在步骤1462中，该过程涉及使用耦合到腔体的量子发射体来将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特。在步骤1464中，该过程涉及使用该对纠缠的光子量子比特进行量子计算。图14A示出了如前所述的示例的一对纠缠的光子量子比特1408。
如前所述，传统的量子计算依赖于线性光学来生成图，这要求与之一起使用的光子几乎是不可区分的(“干净的”)，从而可以实现相消干涉。在这种常规的量子计算中，光子之间的任何可区分性导致图的保真度的降低或误差。使用非线性元件，例如使用光子和耦合到腔体的量子发射体之间的相互作用，使得用可区分的(“脏的”)光子进行量子计算成为可能。本文描述的与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例提供了能够使用“脏的”(可区分的)光子的这种光子量子计算的说明性示例。
例如，该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)可以包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使得所述至少一个处理器(或设备)执行本文所述的过程或量子计算方法。根据与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例,该指令可使得所述至少一个处理器(或设备)执行图14B中所示的量子计算方法或过程1450。
先前针对与生成用于量子计算光子图态相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)实施例的对应特征。
根据与生成用于量子计算的光子图态相关的其他实施例，存在包括至少一个处理器(和存储器)的设备、装置、系统、集成电路器件或电路，所述至少一个处理器(和存储器)被配置为执行图14B所示的量子计算方法或过程1450。先前针对与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
根据与生成用于量子计算的光子图态相关的又一另外实施例,提供了集成电路器件或电路的布局，其包括布局部分，每个布局部分被限定为将来自图14A中的系统1400或图15(A)至图15(C)中的光子生成器1130的特征的组合的每个特征图形化。例如，集成电路器件或电路的布局包括：腔体布局部分，其被限定为将腔体图形化；耦合位置布局部分，其被限定为将用于将量子发射体耦合到腔体的耦合位置图形化；光子生成器布局部分，其被限定为将光子生成器或用于将由光子生成器供应的光子携带到腔体的通道图形化；以及电路布局部分，其被限定为将电路图形化。在一些公开的实施例中，光子生成器布局部分可以被限定为将另一腔体和用于将另一量子发射体耦合到该另一腔体的另一耦合位置图形化。在一些公开的实施例中，电路布局部分可以被限定为将以下一者或多者图形化：波导，其用于携带一个或多个光子或激光；以及一个或多个线性光学元件，其用于执行涉及引导或输送一个或多个光子、控制一个或多个光子的流动、操纵一个或多个光子的状态和/或执行量子计算的各种功能。
在一些公开的实施例中，集成电路器件或电路的布局还包括控制器布局部分，其被限定为将控制器图形化，该控制器用于控制(例如，在不同波导之间引导或切换)一个或多个光子生成器与一个或多个纠缠门之间的输入和输出光子的流动，其中该控制器可以包括一个或多个处理器和存储器，电路部件或电路，以执行控制。
应当理解，当使用可以以光刻的方式定位量子发射体(例如量子点)时，耦合位置布局部分可以被限定为也将量子发射体图形化。先前针对与生成用于量子计算的光子图态相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于该实施例的对应特征。
一些公开的实施例涉及初始化谐振器耦合的量子发射体的状态。量子发射体可以包括任何被配置为耦合到电磁模态的部件，谐振器可以包括建立电磁模态的任何部件，并且谐振器耦合的量子发射体可以包括能够与谐振器相互作用的量子发射体。例如，谐振器耦合的量子发射体可以包括在空间和时间上限制电磁场的部件或部件组。该部件或部件组可以支持一组离散的电磁模态，每个电磁模态都与受限场的特定谐振频率和寿命相关联。初始化谐振器耦合的量子发射体的状态可以涉及设置用于谐振器耦合的量子发射体的基线条件。例如，初始化可以包括为谐振器耦合的量子发射体建立起始调谐状态系统。被初始化的谐振器耦合的量子发射体可以是多个被初始化的谐振器耦合的量子发射体中的一个。多个谐振器耦合的量子发射体的初始化可以同时或顺序发生。
作为非限制性示例，图1示出了包含在光学腔体103内的原子102的四态系统101。这可以涉及准备处于第一基态和第二基态的叠加的谐振器耦合的量子发射体。初始化可以涉及诱发谐振器耦合的量子发射体经历从一状态到另一状态的一个或多个跃迁。
在一些公开的实施例中，初始化可以使得谐振器耦合的量子发射体的状态是两个基态的相等叠加。基态可以是最低能量的静止状态，并且基态的能量可以被称为零点能。叠加可以指同时处于多个状态，例如直到进行测量。例如，叠加可以指将两个或更多个量子态相加(或叠加)，而相等叠加可以指这两个或更多个量子态具有相等概率。
图2E和图3示出了谐振器耦合的量子发射体的这种初始化的状态的示例，其中在初始化过程之后，原子102(量子发射体的示例)处于第一基态111和第二基态113的初始叠加态。从一个状态到另一个状态的一个或多个跃迁的频率也可以通过使用激光的光偏移或通过施加磁场来调谐。
作为非限制性示例，与纠缠光子图或图11A至图11D中所示的那些有关的实施例涉及这样初始化谐振器耦合的量子发射体(例如，图11C或图11D中所示的示例谐振器1733和示例量子发射体1731)的状态。
例如，谐振器可以包括腔体；光子腔体；光学腔体；回音廊模式(whisperinggallery mode)腔体；法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔体；或环(形)腔体。如前所述，谐振器耦合的量子发射体可以包括其偶极子场与谐振器的电磁模态重叠的量子发射体，例如布置在谐振器的腔体内场内的量子发射体或原子。作为非限制性示例，图11C示出了布置在谐振器的腔体内场内的这种量子发射体或原子的示例，其具有示例谐振器1733和示例量子发射体1731。
作为非限制性示例，量子发射体可以是具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁模态。换句话说，如前所述，量子发射体可以是能够与光子相互作用的静止量子比特。例如，量子发射体可以包括具有以下一者或多于一者的量子系统：离子或中性原子的电子或核配置；材料衬底中缺陷或量子点的电子或核配置；或者包含一个或多个约瑟夫逊结(Josephson Junction)的超导电路的配置。例如，量子发射体可以是超导量子比特、量子点、原子、中性原子、离子、铷原子、铯原子、锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子(中性或离子形式)中的任何一者或多者。例如，量子发射体可以包括超导量子比特。例如，量子发射体可以包括量子点。例如，量子发射体可以包括原子。原子(例如铷原子或铯原子)可以是中性的。或者，该原子可以是离子。类似地，如果使用锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子，则该原子可以是中性的或是离子形式。
一些公开的实施例涉及接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；以及从每个图态中选择至少一个光子。图态表示一组量子比特之间的关系，量子比特是量子信息的基本单位，并且光子图态是指如前所述的应用于光子的图态。例如，光子图态可以包括其中顶点可以代表光子态的光子状况，并且其中光子态指代一个或多个光子的状况。例如，至少两个光子图态中的每一者可以是先前描述的光子图态(例如，与一个或多个光子的自由度相关联的量子态)，其是代表复合量子系统的量子态。复合量子系统可以包括多个量子子系统。每个子系统可以由图的节点或顶点表示。例如，每个光子图态可以具有代表光子态的顶点，其中每个顶点对应于单光子量子比特。例如，该单光子量子比特可以描述单光子的路径、单光子的偏振、单光子的时间仓或单光子的频率。或者，每个顶点可以对应于连续可变光子量子比特，其中量子比特表示光子数态的一对正交叠加态。
至少两个光子图态可以例如通过光子图态生成器(例如，本文描述的确定性光子图态生成器，或能够生成包含至少两个光子的光子图态的任何其他类型的生成器)来提供。从每个图态中选择至少一个光子可以涉及在通道(或波导)中携带每个图态的这至少两个光子，并且使用(束)分离器将该至少两个光子分成单独的单光子，由此从每个图态选择至少一个光子。
作为非限制性示例，可以使用诸如图11D中所示的开关1735、1737的开关来引导通道(或波导)中的该至少两个光子和/或将该至少两个光子分离为单独的单光子。附加地或替代性地，可以使用单个光子生成器(例如，本文描述的光子源单元)、本文描述的被配置为生成光子的谐振器耦合的量子发射体和/或被配置为用作光子生成器的光学腔体耦合的原子(如图8至图9B所示)来提供至少一个光子或使至少一个光子可用于选择。
然后，选择来自每个光子图态的至少一个光子以通过纠缠门馈送，如下所述，使得从该至少两个光子图态选择的光子可以彼此纠缠，并且最终纠缠该至少两个光子图态。例如，该纠缠的光子态形成或生成纠缠的光子的更大的簇。例如，通过纠缠门的馈送可以是按顺序的。
作为非限制性示例，可以形成或生成具有一个时间维度和一个或两个附加维度(诸如一个或两个空间维度)的纠缠的光子的多维簇。这种簇态可以由作为连接的d维晶格的子集的图来表示。这种簇的非限制性示例包括图10所示的光子态簇1041、图11D所示的纠缠光子簇1748、图6所示的处于纠缠态的n个光子态的时间序列化的簇态、以及图7所示的光子簇和/或图态中的纠缠的光子的时间序列405。
作为非限制性示例，与纠缠光子图或图11A至图11D中所示的那些有关的实施例涉及该接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；以及从每个图态中选择至少一个光子。
一些公开的实施例涉及经由谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门。例如，该经由谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门可以涉及顺序地(即，逐个地)通过波导馈送选择的光子，使得每个选择的光子经由谐振器与谐振器耦合的量子发射体相互作用，由此那些选择的光子的光子态变得与谐振器耦合的量子发射体的状态纠缠，并且因此与彼此的状态纠缠。
如前所述，纠缠门指的是被配置为纠缠量子比特的部件或部件组。例如，纠缠门可以包括被配置成纠缠量子比特的量子电路。纠缠门可以包括先前描述的谐振器耦合的量子发射体，其被配置为用作纠缠门。例如，纠缠门可以是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。谐振器耦合的量子发射体可以被配置为用作这些门中的任何一者或多者。
作为非限制性示例，图11C或图11D示出了被实施为纠缠门的谐振器耦合的量子发射体(例如，示例谐振器1733和示例量子发射体1731)。图3示出了受控Z门实施方式。图5A和图5B示出了作为纠缠门实施的纠缠单元501(其包括纠缠单元原子502)。并且图8和图9C示出了耦合到配置810中的腔体818(其被实施为纠缠门)的铷(87Rb)原子820。
波导的非限制性示例包括图9A至图9C中的量子波导930或图11C至图11D中的通道1736。
图11D示出了光子通过纠缠门的顺序馈送。在该示例中，来自两个图态1742、1744的光子1743、1745被顺序地馈送到通道1736(例如，波导)以形成或生成纠缠的光子1748的簇。光子1743选自光子图态1742，并且光子1745选自光子图态1744。这些选择的光子1743、1745被顺序地馈送通过纠缠门(例如，谐振器耦合的量子发射体，诸如示例谐振器1733和示例量子发射体1731)，以形成或生成纠缠的光子态的簇(例如，纠缠的光子1748的簇)。所形成或生成的纠缠的光子态的簇然后可用于执行量子计算中的操作。
图5B和图6还示出了以处于纠缠态的n个光子态的时间序列化的簇态的形式的示例簇，其中由图4B中的单光子源单元401生成的时间序列的一系列单光子412逐个地被馈送通过纠缠单元501以生成时间序列化的一系列纠缠的光子512(例如，在步骤608中重复n次步骤602至步骤606)。
作为非限制性示例，与纠缠光子图或图11A至图11D中所示的那些相关的实施例涉及经由谐振器耦合的量子发射体(例如，经由耦合到图11C或图11D中所示的示例谐振器1733的示例量子发射体1731)顺序地馈送选择的光子通过纠缠门。
一些公开的实施例涉及从一个或多个选择的光子解纠缠谐振器耦合的量子发射体。解纠缠是指将某物从纠缠中解放出来(例如，消除纠缠的状况)。从一个或多个选择的光子解纠缠谐振器耦合的量子发射体是指从先前描述的光子-量子发射体纠缠中解放谐振器耦合的量子发射体，其中量子发射体的状态与一个或多个选择的光子的一个或多个状态(光子态)纠缠。例如，解纠缠可以包括检测谐振器耦合的量子发射体的状态或将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
检测谐振器耦合的量子发射体的状态使其与最后一个与其相互作用的光子的纠缠坍塌，将谐振器耦合的量子发射体从该光子和谐振器耦合的量子发射体先前曾与之相互作用的任何其他光子解纠缠。
如前所述，将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态是指将谐振器耦合的量子发射体量子比特的状态传输到附加光子量子比特。例如，将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态可以是对量子发射体量子比特和附加光子量子比特执行SWAP门操作的结果，其中SWAP门操作导致谐振器耦合的量子发射体的状态被传输到附加光子，并且附加光子的状态被传输到谐振器耦合的量子发射体。换句话说，可以通过在量子发射体和附加光子上应用SWAP门来实现映射。如前所述，以对应于谐振器耦合的量子发射体的特定跃迁的频率的频率馈送附加光子可以将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子上，同时使谐振器耦合的量子发射体与选择的光子解纠缠，因为谐振器耦合的量子发射体的状态已经与该附加光子的状态交换。
图6的步骤610示出了解纠缠的示例，其涉及对纠缠单元原子执行测量，换句话说，检测纠缠单元原子(其是诸如原子502的谐振器耦合的量子发射体的示例)的状态。例如，该测量可以是图2E中示意性示出的测量200。执行测量200将纠缠单元原子从与光子的量子纠缠解纠缠，使n个光子态的时间序列化的簇态处于纠缠态，以待被输出用于量子计算中使用的量子比特。
图2E示出了解纠缠的示例，其涉及使用SWAP门201从原子映射到光子，其可用于在原子102的量子比特上执行“读取”或“写入”操作。在所示示例中，入射的光子的状态与原子(其是诸如原子502的谐振器耦合的量子发射体的示例)的状态交换。
作为非限制性示例，与纠缠光子图或图11A至图11D中所示的那些有关的实施例涉及该将谐振器耦合的量子发射体(例如，耦合到示例谐振器1733的示例量子发射体1731)从选择的光子解纠缠。如前所述，例如，解纠缠可以包括检测谐振器耦合的量子发射体的状态或将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
作为非限制性示例，图11A示出了根据与纠缠光子图相关的实施例的量子计算方法1710，以形成或生成纠缠的光子的簇。图11A所示的量子计算方法1710包括：步骤1711，初始化谐振器耦合的量子发射体的状态；步骤1713，接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；步骤1715，从每个图态中选择至少一个光子；步骤1717，经由谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；以及步骤1719，将谐振器耦合的量子发射体从选择的光子解纠缠。所选择的光子通过纠缠门的馈送可以是按顺序的。例如，如图11B所示，解纠缠包括步骤1721的检测谐振器耦合的量子发射体的状态或/和步骤1722的将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
先前针对与纠缠光子图相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于图11A和图11B所示的实施例。
一些公开的实施例涉及量子计算系统，其包括谐振器耦合的量子发射体、多个开关、以及被配置为控制所述多个开关的至少一个处理器或电路。
例如，谐振器耦合的量子发射体可以是如前所述的。谐振器可以是环形回音廊模式腔体。替代性地或附加地，谐振器可包括不同形状和/或配置的谐振器，其能耦合到量子发射体以实现相同的效果。谐振器可以能够与量子发射体相互作用以有助于波导中携带的光子与量子发射体之间的相互作用。例如，谐振器可以具有与量子发射体的偶极子场重叠的电磁模态，和/或具有可以在其中布置或定位量子发射体的腔体内场。
开关是指被配置为建立或断开电路中的连接的部件或部件组。例如，所述多个开关可以是能够建立或断开与通道(波导)的连接的部件或部件组，光子、一个或多个光子的脉冲、激光或任何电磁束可以通过所述通道(波导)来携带。
“至少一个处理器”可以包括具有对一个或多个输入执行逻辑操作的电路的任何物理设备或设备组。量子计算系统还可以包括用于存储将由至少一个处理器执行的指令的存储器。
电路可以包括一个或多个功能单元(或一个或多个布局部分)，其中每个功能单元(或每个布局部分)被配置为执行一个或多个过程步骤。一个或多个功能单元(或一个或多个布局部分)可以被布置(例如，彼此定位和连接或与另一功能单元或与另一布局部分定位和连接)，使得电路能够执行方法或过程的一些或所有步骤。例如，电路可以执行根据一些公开的实施例的方法或过程的一些或全部步骤。
例如，至少一个处理器或电路可以被配置为控制该多个开关以执行本文描述的量子计算方法的一个或多个步骤。
图11C示出了根据与纠缠光子图以形成或生成纠缠的光子的簇相关的实施例的量子计算系统1730的示例。量子计算系统1730可以与图11A和图11B所示的量子计算方法1710相关。例如，量子计算系统1730可以被配置为执行量子计算方法1710。图11C所示的量子计算系统包括：谐振器耦合的量子发射体(例如，耦合到图11C所示的示例谐振器1733的示例量子发射体1731)；多个开关1735、1737；和至少一个处理器(或图11C所示的控制器1739)，其被配置为控制所述多个开关1735、1737以：初始化谐振器耦合的量子发射体1731的状态；接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；从每个图态中选择至少一个光子；经由谐振器耦合的量子发射体1731馈送选择的光子通过纠缠门；和从选择的光子解纠缠谐振器耦合的量子发射体1731。所选择的光子通过纠缠门的馈送可以是按顺序的。解纠缠可以涉及检测谐振器耦合的量子发射体1731的状态或将谐振器耦合的量子发射体1731的状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
图11C中的量子计算系统1730还可以包括用于携带激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场生成器或螺线管)的多个通道1736(例如，波导)，该激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场生成器或螺线管)用于初始化谐振器耦合的量子发射体1731、至少两个光子和/或附加光子的状态。量子发射体1731可以耦合到谐振器，该谐振器可以是环形回音廊模式腔体1733，如图11C所示。应当理解，可以将具有不同形状和/或配置的另一谐振器耦合到量子发射体1731以实现相同的效果，只要与如前所述，该另一谐振器能够与量子发射体耦合即可。
所述多个开关包括诸如图11D中所示的开关1735、1737的开关，其可用于将所述至少两个光子引导到通道(或波导)和/或在将所述至少两个光子分离成单独的单光子时引导所述至少两个光子。
图11D示出了与纠缠光子图相关的实施例的示例，其中图11C中所示的量子计算系统1730用于纠缠光子图1742、1744以形成或生成纠缠的光子1748的簇。如前所述，(从光子图态1742)选择的光子1743和(从光子图态1744)选择的光子1745可以经由通道1736(例如波导)被顺序地馈送通过纠缠门(例如，谐振器耦合的量子发射体，诸如图11C或图11D所示的示例谐振器1733和示例量子发射体1731)，由此所选择的光子1743，1745与谐振器耦合的量子发射体1733、1731相互作用从而被纠缠，当来自光子图态1742、1744的所有光子已经经过纠缠门时最终形成或生成纠缠的光子的簇1748。纠缠的光子1748的簇然后可用于执行量子计算中的操作。
先前针对与纠缠光子图相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于图11C和图11D所示的实施例的对应系统特征。
一些公开的实施例涉及非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)，其包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使所述至少一个处理器(或设备)执行根据一些公开的实施例的方法或过程。
例如，该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)可以包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使得所述至少一个处理器(或设备)执行本文所述的量子计算方法。根据与纠缠光子图以形成或生成纠缠的光子的簇相关的实施例，该指令可使得所述至少一个处理器(或设备)执行图11A或图11B中所示的量子计算方法1710。
先前针对与纠缠光子图相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)实施例的对应特征。
根据与纠缠光子图以形成或生成纠缠的光子的簇相关的其他实施例，存在包括至少一个处理器(和存储器)的设备、装置、系统、集成电路器件或电路，所述至少一个处理器(和存储器)被配置为执行图11A或图11B所示的量子计算方法1710。先前针对与纠缠光子图相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
根据与纠缠光子图以形成或生成纠缠的光子的簇相关的又一其他实施例，存在集成电路器件或电路的布局，其包括布局部分，每个布局部分被限定将对来自图11C或图11D中所示的量子计算系统1730的特征的组合的每个特征图形化。例如，存在集成电路器件或电路的布局，其包括：谐振器耦合的量子发射体布局部分，其被限定为将一个或多个谐振器和用于定位谐振器耦合的量子发射体(例如，图11C或图11D中所示的示例谐振器1733和示例量子发射体1731)的至少一个耦合位置图形化。开关布局部分，其被限定为将多个开关1735、1737图形化；和控制器布局部分，其被限定为将至少一个处理器(或图11C所示的控制器1739)图形化，该至少一个处理器被配置为控制所述多个开关1735、1737以：初始化谐振器耦合的量子发射体1731的状态；接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；从每个图态中选择至少一个光子；经由谐振器耦合的量子发射体1731馈送选择的光子通过纠缠门；和从选择的光子解纠缠谐振器耦合的量子发射体1731。所选择的光子通过纠缠门的馈送可以是按顺序的。解纠缠可以涉及检测谐振器耦合的量子发射体1731的状态或将谐振器耦合的量子发射体1731的状态映射到附加光子的状态中的至少一者。集成电路器件或电路的布局还可以包括通道布局部分，该通道布局部分被限定为将用于携带激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场生成器或螺线管)的多个通道1736(例如，波导)图形化，该激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场生成器或螺线管)用于初始化谐振器耦合的量子发射体1731、至少两个光子和/或附加光子的状态。
应当理解，当使用可以以光刻的方式定位的量子发射体(例如量子点)时，可以将谐振器耦合的量子发射体布局部分限定为将一个或多个谐振器和谐振器耦合的量子发射体(例如，量子点)图形化。先前针对与纠缠光子图相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于该实施例的对应特征。
根据与纠缠光子图以形成或生成纠缠的光子的簇相关的又一其他实施例，存在用于控制或初始化图11C所示的量子计算系统1730的方法，其中该方法包括图11A或图11B所示的量子计算方法1710的对应方法步骤。根据与纠缠光子图以形成或生成纠缠的光子的簇相关的又一其他实施例，存在信号或数据载波信号，其携带使用图11C或图11D所示的量子计算系统1730或图11A或图11B所示的量子计算方法1710生成的簇、图态或光子量子比特。先前针对与纠缠光子图相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
本文描述的与纠缠光子图相关的实施例能够使用量子发射体-光子纠缠门来纠缠光子图。例如，图11C或图11D所示的量子计算系统1730或图11A或图11B所示的量子计算方法1710可用于形成或生成光子态的簇(例如，图11D所示的纠缠的光子1748的簇)。这种量子发射体-光子纠缠门，例如原子-光子受控-Z(CZ)门，可用于纠缠光子图以形成纠缠的光子态的更大的簇。这种纠缠光子图的方式可导致脏(可区分的)光子的簇，其中脏光子是指与另一光子可区分的光子。例如，如前所述，脏光子可以包括在多个时空模态(例如，多个时间轮廓)的混合状态中的传播(巡回)的光子。然而，应当理解，在执行量子逻辑门操作时使用这种量子发射体-光子纠缠门(例如，谐振器耦合的量子发射体)意味着即使当这些光子展示出使其可区分的不规则性时，也可以使用该脏(可区分的)光子的簇来执行量子计算操作。
一些公开的实施例涉及具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，该N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态。激发态和基态是相对术语，其中激发态具有比基态更高的能级。例如，基态可以指最低能量的静止状态，并且基态的能量可以被称为零点能。激发态是指具有比基态更高的能量的任何量子态。激发指的是在选定的起始点(其通常是基态)之上的能级的增加，但有时也可以是已激发态。能量的量子(例如光子或声子)的自发或诱发发射可在系统(例如量子发射体或原子)被促进至激发态之后不久发生，使系统返回至具有较低能量的状态，例如较小激发态或基态。N配置是指可以由字母“N”的形状表示的布置。以N配置布置的至少四个能级是指由“N”形中的端点或顶点表示的至少四个能级中的每一者，以及由“N”形中的边表示的连接较低能级与较高能级的跃迁。例如，至少四个能级可以指谐振器耦合的量子发射体的至少四个能级，每个能级对应于第一基态、第二基态、第一激发态或第二激发态中的一者，并且N配置中的每个边可以表示一个基态和一个激发态之间的跃迁。
根据N配置谐振器耦合的量子发射体的一些实施例，例如图16A至图16D中所示的那些(例如，图16B至图16D中所示的示例谐振器1833、1863和示例量子发射体1831)，通过控制或设置第一基态、第二基态、第一激发态、第二激发态以及谐振器耦合的量子发射体的那些状态中的两个状态之间的跃迁频率，谐振器耦合的量子发射体可以被配置为执行不同类型的操作。这使得能够控制谐振器耦合的量子发射体执行不同的操作。例如，可以控制同一谐振器耦合的量子发射体，使得其可以用于执行SWAP门操作或受控Z(CZ)门操作。例如，具有特定频率和幅度的受控磁场可以使得能够控制或操纵与那些状态相关联的能级，从而可以从谐振器耦合的量子发射体生成、释放或发射特定类型的光子。
如前所述，量子发射体包括任何被配置为耦合到电磁模态的部件；谐振器包括建立电磁模态的任何部件；并且谐振器耦合的量子发射体可以包括能够与谐振器相互作用的量子发射体。例如，谐振器耦合的量子发射体可以包括在空间和时间上限制电磁场的部件或部件组。该部件或部件组可以支持一组离散的电磁模态，每个电磁模态都与受限场的特定谐振频率和寿命相关联。该谐振器例如可以包括：腔体；光子腔体；光学腔体；回音廊模式(whispering gallery mode)腔体；法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔体；或环(形)腔体。如前所述，谐振器耦合的量子发射体可以包括其偶极子场与谐振器的电磁模态重叠的量子发射体，例如布置在谐振器的腔体内场内的量子发射体或原子。作为非限制性示例，图16B至图16D以示例谐振器1833、1863和示例量子发射体1831示出了布置在谐振器的腔体内场内的这种量子发射体的示例，。
量子发射体例如可以是具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到谐振器的电磁模态。如前所述，量子发射体可以是能够与光子相互作用的静止量子比特。例如，量子发射体可以包括具有以下一者或多于一者的量子系统：离子或中性原子的电子或核配置；材料衬底中缺陷或量子点的电子或核配置；或者包含一个或多个约瑟夫逊结(Josephson Junction)的超导电路的配置。例如，量子发射体可以包括超导量子比特、量子点、原子、中性原子、离子、铷原子、铯原子、锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子(中性或离子形式)中的任何一者或多者。例如，量子发射体可以包括超导量子比特或量子点中的一者。例如，量子发射体可以包括原子。量子发射体可以例如包括铷原子或铯原子中的至少一者。原子(或铷原子或铯原子)可以是中性的。替代性地，原子(或铷原子或铯原子)可以是离子。在另一示例中，量子发射体可以包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，并且类似地，原子可以是中性的或为离子形式。
在一些公开的实施例中，谐振器耦合的量子发射体包括耦合到至少一个谐振器的量子发射体。例如，谐振器耦合的量子发射体可以是耦合到一个谐振器的一个量子发射体。在另一示例中，谐振器耦合的量子发射体可以是耦合到两个谐振器的一个量子发射体，或者谐振器耦合的量子发射体可以包括耦合到单个量子发射体的两个谐振器。在又一示例中，谐振器耦合的量子发射体可以包括耦合到单个量子发射体的两个以上的谐振器。
作为非限制性示例，图1示出了包含在具有第一基态111、第一激发态112、第二基态113和第二激发态114的光学腔体103(其是谐振器的示例)内的原子102(其是量子发射体的示例)的四态系统101，图16B示出了耦合到谐振器1833的量子发射体1831，其中该谐振器耦合的量子发射体1831具有以N配置1801布置的第一基态1821、第二基态1823、第一激发态1822和第二激发态1824，并且图16D示出了耦合到单个量子发射体1831的两个谐振器1833、1863。
一些公开的实施例涉及初始化谐振器耦合的量子发射体的状态。如前所述，谐振器耦合的量子发射体的状态是指量子发射体的状况或配置。例如，谐振器耦合的量子发射体的状态可以是电子状态、核状态或其组合。初始化谐振器耦合的量子发射体的状态可以指设置用于谐振器耦合的量子发射体的基线条件。例如，初始化可以包括为谐振器耦合的量子发射体建立起始调谐状态系统。例如，起始调谐状态系统可以指处于特定状态的谐振器耦合的量子发射体，或处于来自其N配置的第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态的状态的叠加态的谐振器耦合的量子发射体。
在一些公开的实施例中，初始化谐振器耦合的量子发射体的状态包括准备处于第一基态和第二基态的叠加态的谐振器耦合的量子发射体。叠加可以指同时处于多个状态，例如直到进行测量。例如，叠加可以指将两个或更多量子态相加(或叠加)。例如，初始化谐振器耦合的量子发射体的状态、设置基线条件、建立起始调谐状态系统和/或准备谐振器耦合的量子发射体可以涉及使用具有模态的适当叠加的脉冲(例如，激光脉冲或光子组)，使得当谐振器耦合的量子发射体与该脉冲相互作用时，与模态的适当叠加相关联的期望状态被映射到谐振器耦合的量子发射体。
在一些示例中，叠加态是第一基态和第二基态的相等叠加。相等叠加可以指这两个或更多个量子态具有相等概率。
作为非限制性示例，图2E和图3示出了谐振器耦合的量子发射体的初始化的状态的示例，其中在初始化过程之后，原子102(量子发射体的示例)处于第一基态111和第二基态113的初始叠加态，并且图1示出了包含在光学腔体103内的原子102的四态系统101。初始化该四态系统可以涉及准备处于第一基态和第二基态的叠加的谐振器耦合的量子发射体。该初始化可以涉及诱发谐振器耦合的量子发射体经历从一状态到另一状态的一个或多个跃迁。例如，当在本文描述的图5A和图5B中的纠缠单元501中使用纠缠单元原子502(其也具有如原子102中的四态系统)时，初始化纠缠单元原子502涉及将原子502准备为叠加态这是通过引入处于模态1和模态2的适当叠加的脉冲503来完成的，以便在期望的状态下交换。
一些公开的实施例涉及调谐两个状态之间的跃迁的频率。跃迁指的是能级的变化，例如从一个状态到另一个状态的变化。跃迁的频率指的是两个状态的能级之间的能量差。当具有对应于跃迁频率的频率的一个或多个光子与谐振器耦合的量子发射体相互作用时，可能发生跃迁。调谐跃迁的频率是指调整、调节和/或设置该跃迁的频率。例如，调谐两个状态之间的跃迁的频率可以涉及以下中的一者或多者：使用磁场和/或激光。例如，通过使用激光的光偏移和/或通过使用磁场的塞曼偏移，可以对跃迁的频率进行调谐。
一些公开的实施例涉及以下中的一者或多者：调谐第一基态和第一激发态之间的第一跃迁的频率；调谐第二基态和第二激发态之间的第二跃迁的频率；以及调谐第二基态和第一激发态之间的第三跃迁的频率；在一个示例中，第一跃迁、第二跃迁和第三跃迁的频率的调谐在初始化之前开始。对跃迁的一个或多个频率的调谐可以通过使用激光的光偏移来进行。光偏移可以指ac-Stark偏移，这是在激光场中偏移原子能级的微扰效应。对跃迁的一个或多个频率的调谐可以通过施加磁场来进行。例如，对跃迁的一个或多个频率的调谐可以通过使用磁场施加塞曼偏移来进行。
作为非限制性示例，图1示出了激光源151，该激光源151提供了：脉冲，其用于改变原子102(耦合到谐振器的量子发射体的示例)的状态；磁体141，其用于产生磁场，该磁场被配置为确保跃迁在光学腔体103(谐振器的示例)的带宽内和/或设置激发态或基态的能级；和跃迁121、122、123，其具有与特定相互作用的光子模态1、2、3相关联的特定能量，如图2A和图2B所示。
作为非限制性示例，图16B示出了跃迁1841、1842、1843，并且图16C示出了激光源1851和磁场生成器1853，该激光源1851和磁场生成器1853被配置为提供可用于这样调谐跃迁的频率的激光或磁场。
一些公开的实施例涉及以对应于第二跃迁的频率的频率馈送多个光子，从而将该多个光子纠缠到谐振器耦合的量子发射体。例如，馈送多个光子包括顺序地馈送多个单光子。该顺序馈送可以涉及通过波导逐个馈送该多个光子，使得每个光子经由谐振器与谐振器耦合的量子发射体相互作用，其中该多个光子逐个与谐振器耦合的量子发射体耦合。第二跃迁在第二基态和第二激发态之间。在一个示例中，可以准备/初始化处于第一基态和第二基态的叠加态的谐振器耦合的量子发射体，并且当具有与第二跃迁的频率相对应的频率的光子被馈送到波导时，光子经由谐振器(通过波导周围的倏逝场)与谐振器耦合的量子发射体相互作用。这种相互作用导致谐振器耦合的量子发射体发生从第二基态到第二激发态的第二跃迁。谐振器耦合的量子发射体然后跃迁回第二基态，释放或发射输出光子。这一系列事件对发射的光子产生π相移，条件是谐振器耦合量子发射体处于第二基态。因此，发射的光子可以与谐振器耦合的量子发射体纠缠在一起。
作为非限制性示例，图16B示出了量子发射体1831的第二基态1823和第二激发态1824之间的第二跃迁1842。作为非限制性示例，图3示出了模态3中的入射的光子301(光子模态3与第二基态133和第二激发态114之间的跃迁123相关联)，其导致发生跃迁123A和随后的跃迁123B，由此发射与原子102纠缠的出射的光子302(其是谐振器耦合的量子发射体的示例)。
例如，该纠缠可以涉及使用谐振器耦合的量子发射体来充当纠缠门。如前所述，纠缠门指的是被配置为纠缠量子比特(例如，多个光子的光子量子比特)的部件或部件组或控制序列。例如，纠缠门可以包括被配置成纠缠量子比特的量子电路。纠缠门可以包括先前描述的谐振器耦合的量子发射体，其被配置为用作纠缠门。纠缠门例如可以是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。谐振器耦合的量子发射体可以被配置为用作这些门中的任何一者或多者。
作为非限制性示例，图3示出了受控Z门的实施方式，图5A和图5B示出了作为纠缠门实施的纠缠单元501(其包括纠缠单元原子502)，并且图8和图9C示出了耦合到配置810中的腔体818(其被实施为纠缠门)的铷(87Rb)原子820。
可以向其馈送光子的波导的非限制性示例包括图9A至图9C中的量子波导930或图16B至图16D中的波导1838、1868。可以顺序地馈送光子。
一些公开的实施例涉及以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。如前所述，将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子是指将谐振器耦合的量子发射体量子比特的状态传输到光子的量子比特。例如，将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子可以是对量子发射体量子比特和光子的量子比特执行SWAP门操作的结果，其中SWAP门操作导致谐振器耦合的量子发射体的状态被传输到光子，并且光子的状态被传输到谐振器耦合的量子发射体。换句话说，可以通过在量子发射体和光子上应用SWAP门来实现映射。
如前所述，以对应于谐振器耦合的量子发射体的特定跃迁的频率的频率馈送光子可以将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子上，同时使谐振器耦合的量子发射体与彼此纠缠的先前相互作用的光子解纠缠，因为谐振器耦合的量子发射体的状态已经与该馈送的光子的状态交换。
当馈送的光子的状态被传输到谐振器耦合的量子发射体时，以对应于谐振器耦合的量子发射体的特定跃迁的频率的频率馈送光子也可以将谐振器耦合的量子发射体初始化到初始状态，诸如第一基态或第二基态。第一跃迁是在第一基态和第一激发态之间，并且第三跃迁是在第二基态和第一激发态之间。因此，例如，以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子进一步初始化谐振器耦合的量子发射体以对应于第一基态或第二基态中的至少一者。在一个示例中，可以准备/初始化处于第一基态和第二基态的叠加态的谐振器耦合的量子发射体，并且当具有与第一跃迁的频率和第三跃迁的频率的叠加对应的频率的光子被馈送到波导时，光子经由谐振器(通过波导周围的倏逝场)与谐振器耦合的量子发射体相互作用。这种相互作用导致光子的叠加态与谐振器耦合的量子发射体的叠加态交换。
作为非限制性示例，图16B示出了第一基态1821和第一激发态1822之间的第一跃迁1841，以及在第二基态1823和第一激发态1822之间的第三跃迁1843。作为非限制性示例，图2E示出了SWAP门201，其中处于光子模态1和光子模态2(光子模态1和光子模态2分别与跃迁121和跃迁122相关联)的叠加的入射的光子202导致发生图2A中的跃迁121A和随后的跃迁122A，以及图2B中的跃迁122B和随后的跃迁121B。然后，出射的光子204留下原子102的状态，并且原子102留下入射的光子202的状态。
图16A示出了根据与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算方法1810。图16A所示的量子计算方法1810包括：步骤1811，初始化具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，该N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；步骤1813，调谐第一基态和第一激发态之间的第一跃迁的频率；步骤1815，调谐第二基态和第二激发态之间的第二跃迁的频率；步骤1817，调谐第二基态和第一激发态之间的第三跃迁的频率；步骤1818，以对应于第二跃迁的频率的频率馈送多个光子，从而将该多个光子纠缠到谐振器耦合的量子发射体；以及步骤1819，以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。在一个示例中，在步骤1818中，可以顺序地馈送多个光子。
先前针对与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于图16A所示的实施例。例如，初始化谐振器耦合的量子发射体的状态可以包括准备处于第一基态和第二基态的叠加态的谐振器耦合的量子发射体。在一个示例中，第一跃迁、第二跃迁和第三跃迁的频率的调谐可以在初始化之前发生。在一个示例中，对跃迁的一个或多个频率的调谐通过使用激光的光偏移或通过施加磁场来进行。在一个示例中，馈送多个光子可以包括顺序地馈送多个单光子。以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子可以进一步初始化谐振器耦合的量子发射体以对应于第一基态或第二基态中的至少一者。
一些公开的实施例涉及量子计算系统，其包括：谐振器耦合的量子发射体，其具有以N配置布置的至少四个能级，该N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；和至少一个处理器或电路。例如，谐振器耦合的量子发射体可以是如前所述配置的。谐振器可以是环形回音廊模式腔体。替代性地或附加地，谐振器可包括不同形状和/或配置的谐振器，其能耦合到量子发射体以实现相同的效果。谐振器可以能够与量子发射体相互作用以有助于波导中携带的光子与量子发射体之间的相互作用。例如，谐振器可以具有与量子发射体的偶极子场重叠的电磁模态，和/或具有可以在其中布置或定位量子发射体的腔体内场。
“至少一个处理器”可以包括具有对一个或多个输入执行逻辑操作的电路的任何物理设备或设备组。量子计算系统还可以包括用于存储将由至少一个处理器执行的指令的存储器。
电路可以包括一个或多个功能单元(或一个或多个布局部分)，其中每个功能单元(或每个布局部分)被配置为执行一个或多个过程步骤。一个或多个功能单元(或一个或多个布局部分)可以被布置(例如，彼此定位和连接或与另一功能单元或与另一布局部分定位和连接)，使得电路能够执行方法或过程的一些或所有步骤。例如，电路可以执行根据一些公开的与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的方法或过程的一些或全部步骤。
例如，图16B示出了根据一些与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算系统1830。量子计算系统1830可以与图16A所示的量子计算方法1810相关。例如，量子计算系统1830可以被配置为执行量子计算方法1810。图16B所示的量子计算系统包括：谐振器耦合的量子发射体(例如，图16B至图16D中所示的耦合到示例谐振器1833的示例量子发射体1831)，其具有以N配置1801布置的至少四个电平，N配置1801具有第一基态1821、第二基态1823、第一激发态1822和第二激发态1824；以及至少一个处理器或电路1839，其被配置为执行本文所述的量子计算方法，例如量子计算方法1810。
图16B中的量子计算系统1830还可以包括用于携带激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场生成器或螺线管)的多个通道(例如，波导1836、1838)，该激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场生成器或螺线管)用于初始化谐振器耦合的量子发射体1831的状态。波导1836可以起到与图9A至图9C中的实用波导910相同的作用，并且波导1838可以起到与图9A至图9C中的量子波导930相同的作用。量子发射体1831可以耦合到谐振器，该谐振器可以是环形回音廊模式腔体1833，如图16B至图16D所示。量子发射体1831可以耦合到两个谐振器1833、1863，如图16D所示。应当理解，可以将具有不同形状和/或配置的另一谐振器耦合到量子发射体1831以实现相同的效果，只要与如前所述，该另一谐振器能够与量子发射体耦合即可。
图16C示出了根据一些与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算系统1850。与量子计算系统1830相比，量子计算系统1850还包括以下中的至少一者：激光源1851；或磁场生成器1853，其被配置为提供激光或磁场，所述激光或磁场可用于初始化谐振器耦合的量子发射体和/或调谐跃迁的频率。激光源1851可以提供用于光偏移(例如，ac-Stark偏移)的激光，从而调谐跃迁的至少一个频率。磁场生成器1853可以提供磁场，磁场的施加用于调谐跃迁的至少一个频率。
图16D示出了根据一些与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的量子计算系统1860。与量子计算系统1830或量子计算系统1850相比，量子计算系统1850还包括附加谐振器1863和附加波导1868。在量子计算系统1850中，两个谐振器1833、1863耦合到单个量子发射体1831，并且每个谐振器1833、1863设置有其自己的波导1838、1868，用于通过围绕波导1838、1868建立的倏逝场将其中携带的光子与相关联的谐振器1833、1863耦合。应当理解，还可以提供多于一个的顶部波导1836，使得每个谐振器具有其自己的实用波导。
先前针对与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的每个步骤描述的的相同示例，或针对量子计算方法1810的每个步骤描述的相同示例也可应用于图16B至图16D所示的实施例。
一些公开的实施例涉及非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)，其包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使所述至少一个处理器(或设备)执行根据一些公开的实施例的方法或过程。
例如，该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)可以包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使得所述至少一个处理器(或设备)执行本文所述的量子计算方法。根据与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例或图16A至图16D所示的那些实施例，所述指令可使得所述至少一个处理器(或设备)执行图16A中所示的量子计算方法1810。
先前针对与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例或图16A至图16D所示的那些实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)实施例的对应特征。
与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的其他实施例包括设备、装置、系统、集成电路器件或电路，它们包括至少一个处理器(和存储器)，所述至少一个处理器(和存储器)被配置为执行图16A所示的量子计算方法1810。先前针对与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的又一实施例包括集成电路器件或电路的布局，其具有布局部分，每个布局部分被限定为将来自图16B至图16D中所示的量子计算系统1830、1850、1860的特征的组合的每个特征图形化。例如，一些实施例可以包括集成电路器件或电路的布局，其具有：谐振器耦合的量子发射体布局部分，其被限定为将一个或多个谐振器和用于定位谐振器耦合的量子发射体(例如，图16B、图16C或图16D中所示的示例谐振器1833、1863和示例量子发射体1831)的至少一个耦合位置图形化。电路布局部分，其被限定为将电路(例如，图16B至图16D中的至少一个处理器或电路1839)图形化，该电路被配置为执行本文所述的量子计算方法，例如量子计算方法1810。
谐振器耦合的量子发射体布局部分，其可以被限定将两个或更多个谐振器(其与用于定位一个谐振器耦合的量子发射体的一个耦合位置相关联)(例如，图16D中所示的示例谐振器1833、1863和示例量子发射体1831)图形化。应当理解，当使用可以以光刻的方式定位的量子发射体(例如量子点)时，可以将谐振器耦合的量子发射体布局部分限定为将谐振器耦合的量子发射体(例如，量子点)图形化。先前针对与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例或图16A至图16D所示的那些实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于该实施例的对应特征。
集成电路器件或电路的布局还可以包括通道布局部分，其被限定为将用于携带激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场产生体或螺线管)的多个通道(例如，波导1836、1838)图形化，该激光(或脉冲)或磁场施加器(例如，磁场产生体或螺线管)用于初始化谐振器耦合的量子发射体1831的状态。
集成电路器件或电路的布局还可以包括激光或磁场布局部分，其被限定为将激光源1851或磁场生成器1853中的至少一者图形化，该至少一者被配置为提供激光或磁场，所述激光或磁场可用于初始化谐振器耦合的量子发射体和/或调谐跃迁的频率。
根据与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的又一实施例，提供了一种用于控制图16B至图16D所示的量子计算系统1830、1850、1860的方法，其中该方法包括图16A所示的量子计算方法1810的对应方法步骤。根据与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的其他实施例，可以提供携带多个光子的信号或数据载波信号，所述多个光子纠缠到图16B至图16D所示的谐振器耦合的量子发射体1831，或者图16A所示的量子计算方法1810。先前针对与N配置谐振器耦合的量子发射体相关的实施例或图16A至图16D所示的那些实施例的每个步骤描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
量子计算可以利用纠缠态之间的纠缠来执行某些量子计算操作和/或算法。在大多数常规光子量子计算系统中，通过概率方案获得来自纠缠态源的输出，所述纠缠态源有时被称为资源态生成器(RSG)。这意味着利用或者产生这种类型的输出执行量子计算涉及由于不可预测或不一致的输入而考虑前馈测量(也称为预报)。本文描述的一些实施例能够以确定性方式输出纠缠态(例如，光子图态或多个纠缠的光子)，即，能够经由确定性方案输出可预测或一致的纠缠态。由此，当执行量子计算时，例如当执行涉及生成光子图的计算时，无需考虑前馈(预报)。例如，一些公开的实施例涉及无预报连接的使用以及能够以确定性方式生成或输出纠缠态(例如，光子图态或多个纠缠的光子)的资源态生成器的使用。
一些实施例涉及量子计算系统。量子计算指通过利用或应用一个或多个量子态性质(例如叠加、纠缠和干涉)来执行的计算。
一些实施例涉及具有多个光子处理级的量子计算系统。光子处理级是指被配置为接收一个或多个光子作为输入、与所述一个或多个光子一起或对所述一个或多个光子执行一个或多个操作、并且从所述一个或多个操作输出结果的部件组。例如，所述一个或多个操作可以包括导致发射、传输、放大、检测和/或调制包括所述一个或多个光子的脉冲的空间或时间操作。在一些实施例中，每个光子处理级包括至少两个线性光学元件。在一些实施例中，每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者。在一个示例中，光学开关可以包括移相器。在这样的示例中，关于级设置的决策可以包括关于移相器的设置的决策。级设置可以指由光子处理级的一个或多个部件使用的参数。
在一些实施例中，可以被包括在光子处理级中的光子生成器可以包括耦合到谐振器的量子发射体。换句话说，光子生成器包括耦合到谐振器的量子发射体。
本文描述的用于获取光子的光子生成器或光子源单元是能够提供光子的光子生成器的非限制性示例。作为非限制性示例，图4A和图4B示出了由源单元401(包括作为量子发射体的源单元原子402)生成的发射的光子406和可能是单光子的时间序列的一系列输出光子412。在另一个非限制性示例中，图8至图9B还示出了光子，其可以是单光子，由耦合到腔体818的铷(87Rb)原子820生成和输出。参考图4A和图4B中的源单元401，源单元401包括腔体(例如图1的光学腔体103)和原子402(例如，量子发射体)。在初始化脉冲403将原子402的状态初始化为状态111(图1)之后，生成脉冲404可引起图2A的跃迁121A和跃迁122A，导致原子402发射光子406。重复该过程生成图4B中的时间序列的一系列输出光子412。根据一些实施例，不需要精确地控制生成脉冲404，例如，在其脉冲时间和/或形状方面，并且输出光子因此可能是脏的。输出光子是脏的是指输出光子具有时间轮廓，其可以展示出不规则性并且因此可能是彼此可区分的。例如，与使用无预报连接相关的一些公开的实施例可以是这样的实施例，因为在执行涉及量子计算的操作时能够使用脏光子可以使得在量子计算中能够使用无预报连接。
每个光子处理级还可以包括附加的线性光学元件。例如，该附加的线性光学元件可以包括以下中的一者或多者：通道(例如，波导)、反射器(例如，镜子)、波束分离器、透镜、移相器或能够影响或操纵光子的性质或运动的另一线性光学仪器。
在一些实施例中，光子处理级在时域中分离。在时域中分离是指光子处理级以使得每个光子处理级在不同时间执行功能的方式被控制。该功能例如可以是接收输入、执行操作和/或生成或输出输出。在一个示例中，控制器可以控制每个光子处理级，使得多个光子处理级中的每个光子处理级的输入、操作和输出被控制为使至少输入和输出被控制，使得一个光子处理级的输出可以作为另一个光子处理级的输入被馈送。作为非限制性示例，在图7中，多个光子处理级702、704、706沿着时间轴405布置。
在一些实施例中，光子处理级在空间域中分离。在空间域中分离是指每个光子处理级位于空间的不同区域(体积或区)中。取决于光子处理级之间的布置和连接(例如，使用开关、连接和/或诸如波导的通道)，这可以使得多个光子处理级能够同时(例如，并行地)运行，其中可以控制(例如，同步)来自那些并行运行的输出，使得这些输出中的至少一些可以作为另一光子处理级的输入被馈送。作为非限制性示例，在图7中，沿空间轴710布置多个光子处理级，作为由沿适当空间轴710移位的一系列脉冲馈送的相似部件的阵列708。
一些实施例涉及耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)。在量子计算系统或装置包括多个光子处理级的示例中，至少一些光子处理级可以包括量子发射体。量子发射体可以耦合到谐振器。例如，光子处理级可以包括一个或多个谐振器耦合的量子发射体。如前所述,量子发射体是指被配置为耦合到电磁模态的部件。例如，量子发射体可以包括具有非谐性光谱的静止量子系统，该静止量子系统被配置为耦合到电磁模态。谐振器(或腔体)指的是结构、外壳或容器，如前所述，其是用于建立或支持振荡和/或简正模态的部件。例如，该振荡可以是在一组离散的谐振频率处的谐振振荡。例如，谐振器可以能够将电磁场限制在具有特定振荡频率的电磁模态。例如，谐振器可对应于腔体QED设置中的腔体、光学腔体、回音廊模式腔体或法布里-珀罗腔体。耦合到谐振器的量子发射体(也被称为谐振器耦合的量子发射体)是指能够与谐振器相互作用的量子发射体。例如，耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)可以包括布置成与由谐振器限制的电磁场相互作用的量子发射体。因此，耦合到谐振器的量子发射体(或谐振器耦合的量子发射体)可以包括其偶极子场与谐振器的电磁模态重叠的量子发射体。当量子发射体在其相关联的耦合位置耦合到谐振器时，量子发射体耦合到谐振器的电磁模态，并且由此，谐振器耦合的量子发射体可以被配置为在被激励时释放或发射光子(例如，用作光子生成器)或者经由其与谐振器的耦合而与在谐振器附近的波导中被携带的光子相互作用(例如，如前所述，用作SWAP门或用于纠缠光子的纠缠门)。
作为非限制性示例，图4A和图4B示出了作为光子生成器来实施的源单元401(其包括作为量子发射体的源单元原子402)，图8到图9B示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818(其是谐振器的示例)以用作光子生成器，图5A和图5B示出了作为纠缠门实施的纠缠单元501(其包括作为量子发射体的纠缠单元原子502)，图8和图9C示出了作为量子发射体的铷(87Rb)原子820，其耦合到腔体818(其是谐振器的示例)以用作纠缠门，并且图17B和图17C示出了耦合到谐振器1904、1944的量子发射体1902、1942，该量子发射体1902、1942用作纠缠门。
例如，量子发射体可以被配置为当向量子发射体传输光子量子比特时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特。如前所述，量子发射体可以被实施为纠缠门。作为非限制性示例，图3示出了受控Z门(CZ门)的实施方式，并且图8和图9C示出了耦合到配置810中的腔体818(其为示例谐振器，并且其被实施为纠缠门)的铷(87Rb)原子820(其为示例量子发射体)。
在一些实施例中，量子发射体可以被配置为当向量子发射体传输光子量子比特时将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。如前所述，将量子发射体量子比特映射到光子量子比特是指将量子发射体量子比特传输到光子量子比特。例如，这种映射可以是使用谐振器耦合的量子发射体作为SWAP门以将谐振器耦合的量子发射体的状态与光子的状态交换的结果，以使得光子在保持谐振器耦合的量子发射体的先前状态的同时被反射。如前所述，SWAP门指可在两个量子比特上操作的量子门，使得第一量子比特的量子态被转移到第二量子比特，并且第二量子比特的量子态被转移到第一量子比特。作为非限制性示例，图2E示出了SWAP门201使用该SWAP操作在原子102上执行量子比特的“读取”和“写入”操作。
作为非限制性示例，图15(A)至图15(C)示出了使用耦合到谐振器的量子发射体的SWAP门背后的机制。该机制是在以下文献中描述的单光子拉曼相互作用(SPRINT)机制：Bechler O.等人的“被动光子-原子量子比特交换操作(A passive photon-atom qubitswap operation)”，自然物理学(Nature Physics)，14,996-1000(2018)，Rosenblum S.等人的“从光脉冲中提取单光子(Extraction of a single photon from an opticalpulse)”，自然光子学(Nature Photon)10,19–22(2016)，Shomroni,I.等人的“单光子控制的单原子开关对单光子的全光路由(All-optical routing of single photons by aone-atom switch controlled by a single photon)”科学(Science)，345.6199，903-906(2014)，其全部内容和与单光子提取和SPRINT机制相关的内容通过引用并入本文。例如，量子发射体1432在耦合位置1420处耦合到谐振器1434，如图15(A)所示。多能级量子发射体(量子发射体1432或例如，具有至少两个基态和至少一个激发态的单个原子例如Rb原子)中的两个跃迁经由谐振器1434(例如，微谐振器)耦合到波导1433a的不同方向。量子发射体1432、谐振器1434和波导1433a的布置使得波导1433a中携带的光或光子通过波导1433a倏逝地耦合到谐振器1434中。这里，被倏逝地耦合是指能够通过波导周围的倏逝场相互作用或传输。
如图15(A)所示，多个光子1436a、1436b、1436c被引入到波导1433a中。如图15(B)所示，波导1433a中来自一个方向的第一光子1436a然后通过其倏逝耦合1435经由谐振器1434与量子发射体1432相互作用。这种相互作用使得来自该方向的第一光子1436a由于传输中的相消干涉而被确定地反射，如图15(C)中所示的反射光子1439a所示。第一光子1436a和量子发射体1432之间的这种相互作用类似于将量子发射体量子比特映射到光子量子比特，例如，如前面参考图2E中的SWAP门201所描述的。这种相互作用导致量子发射体1432从一基态到另一基态的拉曼转变，并且量子发射体1432对来自该方向的后续光子(例如，第二光子1436b和第三光子1436c)变得透明。如图15(C)所示，这意味着那些后续光子(例如，第二光子1436b和第三光子1436c)只被传输到波导1433a的另一端。反射的光子1439a然后可以用作光子量子比特，耦合到谐振器1434的量子发射体1432的量子发射体量子比特的状态映射到该光子量子比特。因此，可以在SWAP门中使用基于SPRINT机制的谐振器耦合的量子发射体。
SPRINT机制也可以用在根据一些公开的实施例的光子生成器中。例如，当多个光子1436a、1436b、1436c被包括在引入波导1433a的相干激光脉冲中时，来自该SPRINT机制的映射的光子是第一次与谐振器耦合的量子发射体相互作用的相干激光脉冲的第一光子1436a，并且因此被反射以在其最初来自的方向上被输出。相干激光脉冲的后续光子(例如，第二光子1436b和第三光子1436c)只是被传输，如同未受影响地继续进行，而相干激光脉冲的待与谐振器耦合的量子发射体相互作用的第一光子被提取为反射光子，并且然后可以被输出为单光子。这使得光子生成器能够用作被配置为提供单光子的单光子源。
在一些实施例中，量子发射体可被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。介导指促使、使能或以其他方式有助于相互作用。相互作用可以传输、通信、关联和/或建立入射的光子量子比特之间的相关性。例如，谐振器耦合的量子发射体可以有助于入射的光子之间的纠缠(例如，相互作用)，谐振器耦合的量子发射体是实现入射的光子之间的这些相互作用的手段。连续指的是接连地，或顺序地，例如一个接一个的时间序列。如前所述，光子量子比特是指存储在(或属于)一个或多个光子或电磁场中的量子信息的基本单位。例如，光子量子比特包括以与电磁场的传播或静止模态相关联的自由度编码的量子比特。光子量子比特可以展示出量子力学系统特有的特性，例如关于自由度(例如，竖直和水平偏振态中的一者或两者的自由度)的叠加和/或纠缠(例如，在多个光子量子比特之间或与量子发射体量子比特之间)的纠缠。因此，谐振器耦合的量子发射体有助于通过量子发射体的入射的顺序光子量子比特之间的相互作用(例如纠缠)以生成图态。例如，每个量子发射体可以有助于多个光子量子比特的纠缠。
图态表示量子比特组之间的关系，如前所述，量子比特是量子信息的基本单位。该关系例如可以指相互纠缠。光子量子比特是指存储在(或属于)一个或多个光子或电磁场中的量子信息的基本单位。例如，从连续入射的光子量子比特生成的图态(或多个图态)可以表示存储在(或属于)输出光子中的量子比特之间的关系。该关系例如可以指那些光子量子比特相互纠缠。
在一些实施例中，量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。静止量子比特可以指可用于存储和处理量子信息的材料量子系统。例如，静止量子比特可以指可进行以下操作(或满足以下条件)的量子比特：(i)在纳秒或更大的时间尺度上可靠地存储量子信息，(ii)可靠地执行计算和/或操作，包括可以将信息移动或转换为飞行量子比特(例如，非静止量子比特或光子)的操作，(iii)被可靠地测量或读出，和/或(iv)是高度纠缠的。静止量子比特的示例可以包括存储在量子发射体中或属于量子发射体的量子比特。例如，存储在铷或铯原子中或属于铷或铯原子的量子比特可以用作静止量子比特的源。例如，里德堡(Rydberg)原子也可以用作静止量子比特的源。使用里德堡原子可以导致有利于量子计算应用的性质，例如，(i)对电场和磁场的强响应，(ii)长衰减周期，和(iii)大的电偶极矩。里德堡原子可以指具有一个或多个电子的激发原子，这些电子具有高主量子数n。
在一些实施例中，量子发射体包括超导量子比特。如前所述，超导量子比特是指存储在超导电子电路中或属于超导电子电路(例如，使用超导体的电气元件网络)的量子比特。例如，超导量子比特可以指源自超导材料(例如铝或铌-钛合金)的固态量子比特。超导量子比特可以包含或耦合到至少一个约瑟夫逊结。超导量子比特的示例可以包括电荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特和/或其混合(例如，传输子(transmon))。
在一些实施例中，量子发射体包括量子点。如前所述，包括量子点的量子发射体可以指具有衬底(例如，诸如半导体粒子的固态衬底)的量子发射体，该衬底具有展示量子力学原理的光学和/或电子性质。例如，量子点可以是具有与其本体成分不同的光学和电子性质的纳米粒子。在存在高能光子(例如紫外线)的情况下，量子点中的电子可以被激发到高能态，并且当跃迁至基态时发射一个或多个光子。例如，量子点可以由一种或多种二元化合物(如硫化铅、硒化铅、硒化镉、硫化镉、碲化镉、砷化铟或磷化铟)制造。例如，量子点可以在砷化镓衬底中由砷化铟自组装。例如，量子点可以指固态衬底中的原子缺陷，例如金刚石中的氮空位中心。
在一些实施例中，量子发射体包括中性原子或离子中的至少一者。中性是指原子缺乏总体电荷，例如当原子具有相等数量的质子和电子时。离子是指具有总体电荷的粒子或原子，例如具有不相等数量的质子和电子的原子。原子或离子可以来源于铷，和/或原子或离子可以来源于铯。在一个示例中，原子或离子可以来源于里德堡原子。在一个示例中，量子发射体可以包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者可以是中性的或可以是离子形式的。
一些实施例涉及多个无预报连接。如前所述，无预报连接是指不使用预报(或前馈)的连接或链接。例如，可以通过从高度相关状态下生成的一对单光子中检测一个光子并且使用光子或光学延迟线来“预报”该对光子中的另一个光子以实现预报(或前馈)，由此在检测之前已知另一个光子的状态(前馈)。因此，无预报连接指的是不需要且不涉及这种预报(或前馈)的连接或链接。
如前所述，传统的量子计算系统依赖于预报，因为其中使用的纠缠态源是概率的。相反，本公开的一些实施例生成光子的方式可以使得所生成的光子是否彼此纠缠是可确定的或已知的(例如，确定地生成光子)。因此，本公开的一些实施例，例如与使用无预报连接相关的实施例，不需要使用用于预报的常常是复杂的布置。因此，可能不需要预报连接(例如光学延迟线和布置成使得能够预报的各种其他光学元件)。因此，本公开的一些实施例可以利用“无预报”(非预报)的一个或多个连接。在一些实施例中，每个无预报连接位于相邻光子处理级之间。
作为非限制性示例，图17A示出了根据与无预报连接的使用相关的一些实施例的示例性系统1901或示例性装置。多个无预报连接1913a、1913b、1913c、1913位于相邻的光子处理级之间(例如，在第一处理级1900a和第四处理级1900d之间，在第二处理级1900b和第四处理级1900d之间，以及在第三处理级1900c和第四处理级1900d之间)，第一处理级1900a、第二处理级1900b和第三处理级1900c中的每一者生成了纠缠的光子1908a、1908b、1908c，并且无预报连接1913a、1913b、1913c被用于将那些纠缠的光子携带到相邻的处理级(第四处理级1900d)，其通过纠缠来自不同先前处理级的那些纠缠的光子来生成簇态1908d，并且经由无预报连接1913输出簇态1908d。
一些实施例涉及被配置为调整相邻级之间的光子流动的电路，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。电路可以包括用于实现功能的电子器件。例如，电路可以包括一个或多个功能单元，其中每个功能单元被配置为执行一个或多个处理步骤。一个或多个功能单元可以被布置(例如，彼此定位和连接或与另一功能单元定位和连接)，使得电路能够执行方法或过程的一些或所有步骤。例如，电路可以执行根据一些公开的实施例的方法或过程的一些或全部步骤。例如，电路可以包括能够执行功能的一个或多个光学元件或组件。根据一些实施例，电路可以指被配置为执行所公开的过程的一个或多个步骤的处理器。
如前所述，光子处理级是指被配置为接收一个或多个光子作为输入、与所述一个或多个光子一起或对所述一个或多个光子执行一个或多个操作、并且从所述一个或多个操作输出结果的部件组。调整阶段之间的光子流动可以指管理或控制一个或多个光子在两个部件组之间的移动，该两个部件组被配置为接收一个或多个光子作为输入、与所述一个或多个光子一起或对所述一个或多个光子执行一个或多个操作、并且从所述一个或多个操作输出结果。例如，管理或控制一个或多个光子的移动可以涉及以下中的一者或多者：设置从一阶段传输到另一阶段的光子的时机或光子的数量；协调或同步各阶段的输入、操作和/或输出；通过引导、切换、阻挡、分离和/或相移所述一个或多个光子来操纵或调节光子流动；和/或确定或做出关于级设置的决策，其可以涉及对光子处理级内的光学元件的设置进行修改或改变。
“没有来自先前级的输入”可以指与已经发生、正在发生或将要发生在被调整的光子流动的上游(例如，在时间意义上之前)的光子处理级中的任何事无关的调整。这可以指确定或做出关于级设置或光子流动的决策，而不需要关于在先前级中做出的决策的输入或信息。
例如，图17A中的示例性系统1901或示例性装置还可以包括电路，该电路被配置为管理或控制第一处理级1900a、第二处理级1900b、第三处理级1900c和第四处理级1900d之间的一个或多个光子(例如，在无预报连接1913a、1913b、1913c中携带的纠缠的光子1908a、1908b、1908c)的移动，使得第四处理级1900d可以能够经由无预报连接1913输出簇态1908d。
在一些实施例中，关于级设置的决策包括光学开关的设置。例如，决策可以包括是将光学开关设置为“打开”状态还是“关闭”状态。例如，决策可以包括设置光学开关以将其输入连接到两个输出中的第一个亦或是两个输出中的第二个。在一些实施例中，关于级设置的决策包括移相器的设置。例如，决策可以包括是否相移和/或改变赋予光子的相移量。关于级设置或光子流动的决策可以在没有关于在先前级中做出的决定的输入或信息的情况下来确定。例如，可以在不接收或不知道在先前级中光学元件的设置和/或不接收或使用来自先前级的输出的情况下设置光子处理级中光学开关的设置。
作为非限制性示例，图17B示出了根据与无预报连接的使用相关的一些公开的实施例的示例性光子处理级1900a。该示例性光子处理级1900a是包括在图17A中的系统1901中的光子处理级1900a的示例。根据本文描述的公开的实施例，图17B中的光子处理级1900a包括：谐振器1904；能耦合到谐振器1904的量子发射体1902；无预报连接1913a；光子生成器1916a、1916b，其被配置为生成光子；以及第一电路1918a和第二电路1918b，其被配置为控制或管理来自光子生成器1916a、1916b的光子的移动。
图17B示出了两个分开的光子生成器1916a、1916b，但是应当理解，单个光子生成器可以生成第一光子1906a和第二光子1906b。在一些示例中，如前所述,光子生成器1916a、1916b可以包括耦合到谐振器的量子发射(例如，图15(A)至图15(C)中耦合到谐振器1434的量子发射体1432)，并且光子生成器1916a、1916b可以被配置为使用单光子拉曼相互作用(SPRINT)机制生成第一光子1906a和/或第二光子1906b，其中量子发射体耦合到谐振器(例如，图15(A)至图15(C)中耦合到谐振器1434的量子发射体1432)。在一些示例中，如前所述，光子生成器1916a、1916b中的量子发射体可以是原子或波动的量子发射体。
在一个示例中，第一电路1918a和第二电路1918b可以被配置为控制光子生成器1916a、1916b以生成具有第一时间轮廓的第一光子1906a和具有第二时间轮廓的第二光子1906b，并且电路1918a可以被配置为使用第一光子1906a来形成第一光子量子比特并且使用第二光子1906b来形成第二光子量子比特。
图17B中的光子处理级1900a包括被配置为携带一个或多个光子或激光的波导1912a、1912b。例如，图17B中的波导1912a、1912b可以用于与图8至图9C中的波导816、910、930相同的目的。第一电路1918a和第二电路1918b可以包括一个或多个线性光学元件，其被配置为执行涉及引导或输送一个或多个光子、控制一个或多个光子的流动、操纵一个或多个光子的状态和/或执行量子计算的各种功能。例如，第一电路1918a和第二电路1918b可以被配置为使用一个或多个线性光学元件来：将量子发射体1902耦合到谐振器1904；使用耦合到谐振器1904的量子发射体1902将第一光子量子比特(与第一光子1906a相关联)与第二光子量子比特(与第二光子1906b相关联)纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特1908a；以及使用无预报连接1913a将该对纠缠的光子量子比特1908a传输到另一光子处理级。在与使用无预报连接相关的一些公开的实施例中，可以提供控制器1914以控制(例如，在不同波导之间引导或切换)一个或多个光子生成器、包括耦合到谐振器1904的量子发射体1902的一个或多个纠缠门、和无预报连接1913a之间的输入和输出光子的流动。例如，该控制器1914可以包括一个或多个处理器。还可以提供用于执行控制的存储器、电路部件或电路。
第一和第二电路1918a和/或1918b可以例如从光子生成器1916a、1916b接收第一光子1906a和第二光子1906b，并且输出第一光子1906a和第二光子1906b，使得它们可以以顺序方式(例如作为光子的序列)在波导1912a中被携带。在一示例中，电路1918a、1918b还可以包括光学延迟线，该光学延迟线被配置为携带第一光子1906a和第二光子1906b中的至少一者，如本文对于与生成用于量子计算的光子图态相关的一些公开的实施例所描述的。第一光子1906a和第二光子1906b然后可以通过第一光子1906a或第二光子1906b与波导1912a提供的谐振器1904之间的倏逝耦合1925经由谐振器1904与量子发射体1902相互作用，如先前参考图15(A)至图15(C)所描述的。量子发射体1902与第一光子1906a和第二光子1906b之间的这种相互作用随后可引起量子发射体1902与第一光子1906a之间的纠缠，以及量子发射体1902与第一光子1906b之间的纠缠，导致第一光子1906a与第二光子1906b之间的纠缠，如本文关于与纠缠门相关的一些实施例所述。用多个连续光子重复这些成对纠缠生成纠缠的光子的图态(或光子图态)。
作为非限制性示例，图17C示出了根据与无预报连接的使用相关的一些公开的实施例的示例性光子处理级1900d。该示例性光子处理级1900d是包括在图17A中的系统1901中的光子处理级1900d的示例。图17C中的光子处理级1900d包括谐振器1944；能耦合到谐振器1944的量子发射体1942；无预报连接1913a、1913b、1913c、1913；第一电路1918a和第二电路1918b，其被配置为根据本文描述的公开的实施例来控制或管理光子在无预报连接1913a、1913b、1913c、1913和波导1912a、1912b之间的移动。第一电路1918a，经由与其他光子处理级1900a、1900b、1900c相应的无预报连接1913b、1913c、1913接收纠缠的光子1908a、1908b、1908c(例如参见图17A和图17B)(这些纠缠的光子1908a、1908b、1908c可以是纠缠的光子量子比特对或纠缠的光子量子比特的光子图态)，控制它们的移动，使得来自每个纠缠的组的一个光子量子比特(或每个光子图态)逐个被馈送到波导1912a，由此耦合到谐振器1944的量子发射体1942使那些连续的光子量子比特逐个与其自身纠缠，导致来自不同光子图态的那些光子态纠缠以生成簇态1908d。与生成的簇态1908d相关联的那些纠缠的光子量子比特的移动或传输然后由第二电路控制或管理，该第二电路1918b经由无预报连接1913输出光子量子比特，从而图17A的系统1901可以生成簇态1908d或光子图态。一旦已经生成了期望的纠缠的光子量子比特、簇态或光子图态，则可以通过使用量子发射体1902和量子发射体1942来从其与纠缠的光子量子比特、簇态或光子图态的纠缠中解纠缠或释放光子处理级1900a中的量子发射体1902和光子处理级1900d中的量子发射体1942，以如本文所述的根据与SWAP门相关的一些实施例或示例实施SWAP门。
一些实施例涉及经由多个无预报连接传输或接收多个光子，每个连接位于相邻光子处理级之间，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者。如前所述，无预报连接指的是不需要且不涉及这种预报(或前馈)的连接或链接。因此，经由多个无预报连接传输或接收多个光子是指通过不涉及前馈(例如，不使用光学延迟线来提供前馈)的连接来传输所述多个光子。
一些实施例涉及调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。如前所述，调整相邻级之间的光子流动可以指管理或控制一个或多个光子在两个相邻部件组之间的移动。如前所述，没有来自先前级的输入可以指确定或做出关于级设置或光子流动的决策，而不需要关于在先前级中做出的决策的输入或信息。
在一些实施例中，至少一些光子处理级包括耦合到谐振器的量子发射体。这种实施例的示例还可以包括当将光子量子比特向量子发射体传输时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特。如前所述，量子发射体可以被实施为纠缠门以实现这种效果。
这种实施例的示例可以包括当将光子量子比特向量子发射体传输时将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。如前所述，将量子发射体量子比特映射到光子量子比特是指将量子发射体量子比特传输到光子量子比特。例如，这种传输可以是在SWAP门中使用量子发射体的结果。
这种实施例的示例可以包括介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。如前所述，介导指促使、使能或以其他方式有助于相互作用。相互作用可以传输、通信、关联和/或建立入射的光子量子比特之间的相关性。如前所述，图态表示一组量子比特之间的关系，量子比特是量子信息的基本单位。该关系例如可以指相互纠缠。
作为非限制性示例，图17D示出了根据与无预报连接的使用相关的一些实施例的示例过程1950。该示例过程1950可以是用于量子计算中的量子计算方法的一部分。由于在整个本公开中描述了过程的步骤的示例，并且不重复先前描述的那些示例或仅结合图17D对其进行简单的总结。在一些公开的实施例中，示例过程1950由至少一个处理器或电路(例如在图10的控制系统1031和/或光子芯片1015中，或在图17B和图17C的第一电路1918a、第二电路1918b和/或控制器1914中)执行，以执行本文描述的操作或功能。在一些公开的实施例中，过程1950的一些方面可以被实施为软件(例如，程序代码或指令)，该软件存储在提供有至少一个处理器的存储器、或者非暂时性计算机可读介质、或计算机可读介质中。在一些实施例中，过程1950的一些方面可以被实施为硬件(例如，特定目的电路)。在一些实施例中，过程1950可以被实施为硬件或者被实施为软件和硬件的组合。
图17D包括过程步骤(或方法步骤)1952至1954。将容易理解，各种实施方式是可能的，并且可以利用组件或装置的任何组合来实施示例过程。还将容易理解，可以改变所示的过程以修改步骤的顺序、删除步骤、或进一步包括附加步骤，例如针对本文描述的示例或实施例的步骤。
在步骤1952中，该过程涉及经由多个无预报连接传输或接收多个光子。图17A至图17C示出了传输光子或接收光子1908a、1908b和1908c的无预报连接1913a、1913b、1913c、1913的示例。
在步骤1954中，该过程涉及调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。图17A示出了光子(例如纠缠的光子1908a，1908b，1908c)在相邻光子处理级之间被传输和接收的示例，(例如，在第一处理级1900a和第四处理级1900d之间，在第二处理级1900b和第四处理级1900d之间，以及在第三处理级1900c和第四处理级1900d之间)，其中每个处理级独立于来自先前处理级的任何输入或信息而操作。
传统的光子量子计算依赖于线性光学来生成图，该图要求一对光子中的一个光子被“预报”或测量以确定另一个光子的状态。在这种传统的光子量子计算中，利用了诸如光学延迟线之类的预报连接。与本文描述的无预报连接的使用相关的实施例示出了能够利用无预报连接的示例。
例如，该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)可以包括指令，当这些指令由至少一个处理器(或设备)执行时使得所述至少一个处理器(或设备)执行本文所述的过程或量子计算方法。根据与无预报连接的使用相关的实施例，所述指令可使得所述至少一个处理器(或设备)执行图17D中所示的量子计算方法或过程1950。
先前针对与无预报连接的使用相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于该非暂时性计算机可读介质(或计算机可读介质或计算机程序)实施例的对应特征。
根据与生成用于量子计算的光子图态相关的其他实施例，存在包括至少一个处理器(和存储器)的设备、装置、系统、集成电路器件或电路，所述至少一个处理器(和存储器)被配置为执行图17D所示的量子计算方法或过程1950。先前针对与无预报连接的使用相关的实施例的每个过程或系统特征描述的相同示例也可应用于这些实施例的对应特征。
根据与无预报连接的使用相关的又一实施例，提供了集成电路器件或电路的布局，其包括布局部分，根据与无预报连接的使用相关的一些实施例，每个布局部分被限定为将来自图17A中的系统1901的特征、图17B中的光子处理级1900a的特征、图17C中的光子处理级1900d的特征、或基于图15(A)至图15(C)中的机制的光子生成器的特征的组合的特征图形化。例如，集成电路器件或电路的布局包括：光子处理级布局部分，其被限定为将光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者图形化；连接布局部分，其被限定为将多个无预报连接图形化，每个连接位于相邻光子处理级之间；和电路布局部分，其被限定为将电路或至少一个处理器图形化，该电路或至少一个处理器被配置为调整相邻级之间的光子流动。
在一些公开的实施例中，光子处理级布局部分被限定为将光子生成器或用于将由光子生成器供应的光子携带到谐振器或量子发射体的通道图形化。在一些公开的实施例中，将光子生成器图形化可以包括将另一谐振器和用于将另一量子发射体耦合到该另一谐振器的另一耦合位置图形化。在一些公开的实施例中，电路布局部分可以被限定为将以下一者或多者图形化：波导，其用于携带一个或多个光子或激光；以及一个或多个线性光学元件，其用于执行涉及引导或输送一个或多个光子、控制一个或多个光子的流动、操纵一个或多个光子的状态和/或执行量子计算的各种功能。
在一些公开的实施例中，电路布局部分被限定为将控制器图形化，该控制器用于控制(例如，在不同波导之间引导或切换)光子生成器与一个或多个纠缠门或一个或多个SWAP门之间的输入和输出光子的流动，其中该控制器可以包括一个或多个处理器和存储器，电路部件或电路，以执行控制。
图1示意性地示出了根据本公开的实施例的用于量子计算的装置100。例如，装置100可以是根据本公开的实施例的确定性光子图态生成器的一部分。装置100包括包含在具有输入/输出光子波导104和105的光学腔体103内的原子102的四态系统101。例如，在四态系统101中使用的原子102、光学腔体103和波导104、105布置可以是耦合到图9A至图9C中所示的腔体(或谐振器)和波导布置的原子或耦合到本文所述的腔体(或谐振器)和波导布置的量子发射体中的任何一者。激光源151提供脉冲以改变原子102的状态，并由此诱发光子的发射。四态系统101包括原子102的下列状态：第一基态111、第一激发态112、第二基态113和第二激发态114。第一基态111和第一激发态112之间的跃迁121具有能量E1，并且与相互作用的光子模态1相关联。第一激发态112和第二基态113之间的跃迁122具有能量E2，并且与相互作用的光子模态2相关联。第二基态113和第二激发态114之间的跃迁123具有能量E4，并且与相互作用的光子模态3相关联。可以选择跃迁122和123，使得它们相对于彼此正交偏振。光子180处于非相互作用的光子模态4中，其不与光学腔体103中的原子102的任何跃迁相关联。光子模态4中的光子180不穿过与光学腔体103和原子102相关联的波导，因此不与其相互作用。模态在文本中以下划线粗体表示其模态编号，在附图中以方框中的粗体模态编号表示。
装置100还包括产生磁场的磁体141。磁场可以被配置为确保跃迁在光学腔体103的带宽内。其可以进一步被配置为确保第一激发态112和第二激发态114处于相同的能级，即E2和E4相等。因此，在跃迁122(光子模态2)中发射的光子具有与在跃迁123(光子模态3)中发射的光子相同的能量。第一基态111和第二基态113可以保持在不同的能级(即，E1≠E4)，从而便于彼此独立地处理跃迁121和跃迁123。
本文的术语“模态”(或“光子模态”)表示在一些边界条件下电磁波方程的解。作为非限制性示例，给定模态可以应用于具有以780纳米波长为中心的特定脉冲形状、在(单模态)光纤中向左传播并且具有竖直偏振的光子的脉冲。任何参数(方向、偏振、尺寸、发散等)的改变使原来分配的模态不再适用，并且将光子的模态改变为不同的、可能未限定的模态。在本公开的实施例中，原子跃迁耦合到入射的/出射的光子的模态1、模态2或模态3。
然而，如图1所示，本实施例的原子跃迁与模态4中的光子之间不存在耦合。
在第一基态111和第二基态113之间不存在直接跃迁。它们之间的能量差E3是由于靠近光学腔体103的磁体141的磁场引起的基态的能量分离而生成的。根据该实施例，跃迁的能量差(特别是由于磁场引起的能量差)是提供单独地处置不同跃迁的能力的一个因素。用于单独地处置跃迁的另一因素涉及用于激发跃迁的光子的偏振，如下面更详细地讨论的。因此，控制/选择能力152使用跃迁的单独处置来控制和选择由不同跃迁的单独处置启用的各种功能。
在相关实施例中，磁体141是螺线管或其他类型的电磁体。在另一相关实施例中，原子102的区域中的磁场为50高斯(Gauss)或更大。在又一相关实施例中，激光源151位于装置101内或装置101外；并且在再一另外相关实施例中，提供了多个专用激光源。
在另一实施例中，装置100与附加功能单元(由省略号161表示)结合到小型化部件中以用于特定目的。
在另一个相关的实施例中，原子102是铷原子，例如同位素87Rb的原子。
图2A是装置100的原子102(图1)的跃迁的状态图，其最初处于第一基态111，标记为状态|1>a(以虚线示出)。经由波导104(图1)的入射的光子171激发原子102中的从第一基态111到第一激发态112的跃迁121A。之后跟随从第一激发态112到第二基态113的跃迁122A的跃迁121A是跃迁序列，该跃迁序列导致经由波导104的出射的光子172在与入射的光子171的方向相反的方向上发射。光子171被指定为处于状态|0>p，并且其方向极性被表示为σ+。相反，光子172被指定为处于状态|1>p，并且其方向极性被表示为σ–。在跃迁122A之后，原子102被指定为处于状态|0>a。
在根据本公开的实施例的单光子源单元中使用上述和图2A中所示的跃迁，如下所述和所示。本文的动词“获取”及其变型表示根据本公开的实施例的光子的提供，包括单光子的提供、光子脉冲的提供和单光子的簇态的提供。本文的术语“单光子源”表示每次只获取单光子的情况。
图2B是装置100的原子102(图1)的跃迁的状态图，其最初处于第二基态113，状态|0>a(以虚线示出)。经由波导105(图1)的入射的光子173激发原子102中的从第二基态113到第一激发态112的跃迁122B。之后跟随从第一激发态112到第一基态111的跃迁121B的跃迁122B是跃迁序列，该跃迁序列导致经由波导105的出射的光子174在与入射的光子173的方向相反的方向上发射。光子173处于状态|1>p，并且其方向极性为σ+。相反，光子174处于状态|0>p，并且其方向极性为σ+。在跃迁121B之后，原子102处于状态|1>a。
在根据实施例的源单元中也使用上述和图2B中所示的跃迁，如下所述和所示。
图2C是一个状态图，示出了在第二基态113中(在状态|0>a中)的原子102对于在状态|0>p中的入射的σ+光子175没有跃迁。入射的σ+光子175没有变化地继续前行。
同样，图2D是一个状态图，示出了在第一基态111中(在状态|1＞a中)的原子102对于在状态|1＞p中的入射的σ–光子176没有跃迁。入射的σ–光子176没有变化地继续前行。
图2E示出了根据本公开的实施例的SWAP门201，该SWAP门201在原子102上执行量子比特的“读取”和“写入”操作，特别是使得能够进行装置100的原子的测量200。该图结合了先前讨论和图2A至图2D所示的跃迁的结果。在图2E中，原子102最初处于第一基态111和第二基态113的叠加态，其中第一基态111和第二基态113分别具有概率振幅γ和δ。入射的光子202处于分别具有概率幅度α和β的光子模态1和光子模态2的叠加(在图2E中，处于光子模态的叠加的单光子(例如202)被示出为两个光子；应当理解，这并不意味着存在两个分开的光子)。由于图2A至2D中描述的过程是相干的，入射的光子的状态与原子的状态交换；出射的光子204处于分别具有概率幅度δ和γ的模态1和模态2的叠加态，并且原子102被留在第一基态111和第二基态113的叠加态，其中第一基态111和第二基态113分别具有概率振幅β和α。通过适当地选择入射的光子的状态并且通过测量出射的光子204的方向偏振，这种相互作用允许在单个步骤中测量和设置原子102的状态。在相关实施例中，这在纠缠方法中使用，如下所述。
如图3所示，原子102最初处于基态111和基态113的叠加，并且入射的光子301处于模态3和(非相互作用的)模态4的叠加，并且具有能量E4。(为了与处于模态1和模态2中的光子的以上描述区分开来，处于模态3和模态4中的光子将分别表示为和/>)由于原子102和入射的光子301最初可以通过它们各自的叠加来描述，原子和发射的光子302被纠缠。特别地，原子102和发射的光子302处于尺寸-2的簇态中，其中第一模态对应于出射的光子的模态3和模态4的叠加(原子处于其原子102的第一基态111中)，并且第二模态对应于出射的光子/>的模态3和模态4的互补的叠加(原子处于其原子102的第二基态113中)。(本领域技术人员将认识到这是具有段-金伯协议(Duan-Kimble protocol)的受控-Z门的一种实施方式。)不同的输入状态可概括如下：
·入射的光子301处于模态4中，并且原子102处于其第一基态111中：它们之间没有相互作用。
·入射的光子301处于模态4中，并且原子102处于其第二基态113中：它们之间没有相互作用。
·入射的光子301处于模态3中并且原子102处于其第一基态111中：原子不受影响，但是光子的波形是相位翻转的(即，原子与腔体内场处于非相互作用状态，这意味着光子与空的腔体相互作用；因此，与空的腔体谐振的光子诱发腔体内场积聚，这又导致出射的光子302相对于处于非相互作用模态4中的光子的相位翻转)；和
·入射的光子301处于模态3中并且原子102处于其第二基态113中：原子从第二基态跃迁到第二激发态114(示出为跃迁123A)，然后跃迁回第二基态(示出为跃迁123B)，并且在该过程中发射光子302，其也具有能量E4(即，原子与腔体内场处于相互作用状态中，这意味着跃迁123由处于模态3中的入射的光子处置；因此，原子消除了腔体内场的积聚，并且不发生出射的光子302的相位翻转)。
量子纠缠在附图中由连接原子102和光子302的双线310进行图示。在适用的情况下，双线图形约定还指示光子之间的量子纠缠。
图4A示意性地示出了根据本公开的实施例的单光子源单元401。源单元401包括对应于图1的装置100的装置。特别地，源单元原子402对应于图1中的原子102，但是为了清楚起见，从图4A中省略了对应于装置100的那些元件(例如光学腔体103)的其他元件。
为了将源单元401初始化为初始|1＞a状态，引入了处于状态|1＞p中的多个σ–光子的初始化脉冲403。如果原子402已经处于第一基态111中(处于状态|1＞a中)，则如上所述和如图2D所示，初始化脉冲403将对原子402没有影响，原子402将保持在状态|1>a中。然而，如果原子402处于第二基态113中(处于状态|0>a中)，则初始化脉冲403进入源单元401的第一光子将使原子402跃迁到第一基态111(处于状态|1>a中)，如图2B所示并如上所述，从而将源单元401初始化到期望的初始状态。
回到图4A，在引入初始化脉冲403之后，将处于状态|0>p中的多个σ+光子的生成脉冲404引入到源单元401中。时间轴405示出了生成脉冲404跟随初始化脉冲403的序列。首先使源单元401初始化，使得原子402处于|1>a状态中，生成脉冲404的处于|0>p状态中的第一σ+光子将引起图2A的跃迁，如前所述，导致处于|1>p状态中的单σ–光子406的输出。光子406沿与生成脉冲404的光子相反的方向输出，因此容易与生成脉冲404的其他光子(这些其他光子被丢弃)分离。
图4B示意性地示出了根据本公开的实施例的从单光子源单元401产生特定数量的时间序列化的一系列单光子412。时间序列化的一系列初始化脉冲-生成脉冲对410被输入到源单元401中，导致对于每对初始化脉冲-生成脉冲输入具有时间序列化的一系列412单光子输出。输出光子是单独输出的，并且在该操作时还没有纠缠。
需要强调的是，根据本公开的实施例的从单光子源单元401散发的单光子均可用于该架构；通过腔体增强的原子-光子相互作用纠缠光子不需要使用不可区分的光子，就像线性光学的概率纠缠那样。特别地，输入光子脉冲(例如，脉冲404)不必被精确地定时和成形。根据本公开的实施例生成的单光子完全适于量子比特纠缠，即使它们展示出使其容易地可区分的不规则性。
图5A示意性地示出了根据本公开的实施例的用于光子态与纠缠单元原子502的原子态的量子纠缠的纠缠单元501。纠缠单元501包括对应于图1的装置100的装置。特别地，原子502对应于图1中的原子102，但是为了清楚起见，从图5A中省略了对应于装置100的那些元件的其他元件。
纠缠单元501必须首先通过将原子502设置为量子叠加态来准备。这是通过引入处于模态1和模态2的适当叠加的脉冲503来完成的，以便在期望的状态下交换。此后，与原子502有关的纠缠机制对应于图3所示的和前面描述的过程。通过对原子502的状态进行测量200，原子502与先前与其纠缠的任何光子之间的纠缠被破坏。如前所述，图2E示出了根据本公开的实施例的测量200。应当注意，如上面参考图1所描述的并且如图1所示的装置100因此能够纠缠光子与原子102并且也能破坏该纠缠(通过测量200)。
图5B示意性地示出了根据本公开的实施例的的时间序列的一系列单光子态412与准备的原子502的叠加态的量子纠缠。纠缠操作导致纠缠的时间序列的一系列光子512。在执行测量200之后，原子502本身不再与系列512的光子纠缠，但是光子保持彼此纠缠。系列512的光子被表示为通过双线相互相连接到单个原子，表明它们相互纠缠在一起。
图6是根据本公开的实施例的用于获取光子图态的方法的流程图。在相关实施例中，该方法由装置100的控制/选择单元152执行，如在图1中详细描述的和先前描述的。在准备步骤601中，通过利用处于模态1和模态2的适当叠加的脉冲503将纠缠单元原子(例如纠缠单元501原子502)设置为状态以便如前所述地在期望状态下进行交换。
在准备之后，循环起始点602开始步骤的循环以通过循环末端点608重复n次。
在循环602-608内，步骤603通过注入处于状态|1>p中的σ–光子的脉冲403，将源单元原子(例如，源单元401原子402)初始化到状态|1>a，如前所述。
接下来，在步骤604中，通过将处于模态1的光子的经典激光脉冲404注入到源单元中来生成单光子，如先前所示和详细描述的，并且在说明文字605中阐释。
接着，在步骤606中，将来自步骤604的单模态2光子路由到处于模态3和模态4的叠加的纠缠单元(例如，具有原子502的纠缠单元501)中：
并随后与纠缠单元原子量子纠缠。
说明文字607详细描述了光子模态3如何与纠缠单元501原子502的循环跃迁123(图1)相互作用，而光子模态4没有相互作用。该特定配置实施了受控Z量子门。
在循环末端608，在n次重复之后，纠缠单元原子(例如原子502)的状态将与n个光子的状态纠缠在一起，如在说明文字609中阐释的。
在步骤610中，在布洛赫球(Bloch sphere)的x-y平面中对纠缠单元原子(例如，原子502)进行测量，例如测量200，其在图2E中示意性地示出并且如先前所详述。执行测量200将纠缠单元原子从与光子量子纠缠解纠缠，使n个光子态的时间序列化的簇态处于纠缠态。还应注意，由本公开的实施例所提供的装置100能够作为纠缠单元(例如纠缠单元501)进行操作，并且能够执行测量200而无需附加的测量设备。这个步骤在说明文字611中阐释。
最后，在步骤612中，输出n个纠缠的光子的时间序列化的簇态，用于量子计算中的量子比特。
图7示意性地示出了根据本公开的实施例的设备，其采用基于装置100的多个装置的布置来获取量子纠缠的光子态的多维图态或簇态。在本实施例中，输出与纠缠的光子的时间维度序列组合的一维空间阵列；并且在相关实施例中，输出与纠缠的光子的时间维度序列组合的二维空间阵列。在这些实施例中，线性光学元件以有限的能力被明智地用于执行特定的附加功能，而不是作为基本部件，从而避免了如前所述的线性光学的困难和缺点。
在所示的实施例中，一系列脉冲701被馈送到单光子源单元702，单光子源单元702的单光子输出通过第一阶段线性光学和相位控制元件703到达第一阶段纠缠单元704，然后由此到达第二阶段线性光学和相位控制元件705，再到达第二阶段纠缠单元706，然后又由此到达输出通道707，该输出通道707输出处于光子簇态和/或图态中的纠缠的光子的时间序列405。沿着空间轴710布置的是由相似的脉冲的系列馈送的相似部件的阵列708，如图7所示。在相关实施例中，空间轴710是x-y平面中的x轴、y轴或其组合。对于一维空间阵列，可能只需要第一阶段线性光学、相位控制元件和纠缠单元来输出时间维度序列中纠缠的光子的一维空间阵列。对于二维空间阵列的x轴和y轴两者，也使用了第二阶段线性光学、相位控制元件和纠缠单元来输出时间维度序列中纠缠的光子的二维空间阵列。在所有情况下，单光子源、线性光学和相位控制元件以及对应的纠缠单元(或在两阶段操作的情况下的对应的纠缠单元)各自沿着适当空间轴710对应地移位。
应当理解，本文使用光学光子或光学元件描述的实施例、条款、权利要求或示例也可以使用具有电磁频谱的其他频率的光子(例如微波和红外光子)来实施。因此，本文中对光学光子的所有引用也被认为是一般地公开光子还应当理解，本文描述的使用光子或光子芯片的实施例、条款、权利要求或示例也可以使用声子代替光子或作为光子的补充来实施。因此，本文中对光子的所有引用都被认为也公开了声子，因为这种基于光子的实施方式可以导致等效的基于声子的功能。本公开采用开放式许可语言，例如指示一些实施例或限定“可以”采用、涉及或包括特定特征。术语“可以”和其他开放式术语的使用意在指示虽然不是每个实施例都可以采用所公开的特定特征，但是至少一个实施例采用所公开的特定特征。
与示例确定性光子图态生成器相关的条款：
条款1：一种用于获取量子纠缠的光子的图态的方法，所述方法包括：
提供用于获取单光子的光子源单元，所述光子源单元包括布置在源-光学腔体的腔体内场内的源单元原子；
提供光子纠缠单元，其用于光子态的量子纠缠，所述光子纠缠单元原子设置在纠缠-光学腔体的腔体内场内；
向所述光子纠缠单元发送光子脉冲，以将所述纠缠单元原子设置为原子量子叠加态
向所述光子源单元发送光子脉冲以将所述源单元原子初始化为量子态|1>；
向所述光子源单元中发送处于第一光子模态的光子的光子脉冲，以使所述源单元原子输出处于第二光子模态的单光子，其中所述第一光子模态耦合到所述源单元原子的第一跃迁，并且其中所述第二光子模态耦合到所述源单元原子的第二跃迁；
将处于所述第二光子模态的所述单光子路由到所述光子纠缠单元的第三光子模态与第四光子模态的叠加；
其中所述第三光子模态耦合到所述纠缠单元原子的第三跃迁；
其中所述第四光子模态不耦合到所述源单元原子的任何跃迁；
其中所述第四光子模态不耦合到所述纠缠-光学腔体；和
其中，处于第三光子模态和第四光子模态的叠加的输出光子与所述纠缠单元原子进行量子纠缠；
重复所述路由至少一次以将处于所述第二光子模态的至少一个附加单光子路由到与所述纠缠单元原子量子纠缠的处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加的所述光子纠缠单元；
对所述纠缠单元原子执行测量，从而使其与处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的光子解纠缠；
其中处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的至少两个光子是量子纠缠的；和
输出处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的至少两个光子作为时间序列化的相互纠缠的光子。
条款2：根据条款1所述的方法，其中对所述纠缠单元原子执行测量包括在布洛赫球(Bloch sphere)的x-y平面中执行测量。
条款3：一种用于供应量子纠缠的光子的图态的装置，所述装置包括：
多个单光子源单元；
第一级线性光学元件；和
第一多个纠缠单元；
其中所述多个单光子源单元、所述第一级线性光学元件和所述第一多个纠缠单元沿着预定空间轴对应地移位；
其中所述多个光子源单元中的每个单光子源单元将单光子输出到所述第一级线性光学元件，并由此输出到所述第一多个纠缠单元的对应纠缠单元中；和
其中所述第一多个纠缠单元以时间维度序列输出纠缠的光子的一维空间阵列。
条款4：根据条款3所述的装置，其中所述单光子源单元和/或所述纠缠单元各自包括：
处于第一基态、第一激发态、第二基态、第二激发态或其叠加的原子；
所述原子还被配置为选择性地经历：
所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁；
所述第一激发态和所述第二基态之间的第二跃迁；以及
所述第二基态和所述第二激发态之间的第三跃迁；
所述装置包括：光学腔体，其限定用于在其中布置原子的腔体内场；光子波导，其耦合到所述光学腔体；磁体，其被配置为在所述原子上产生磁场；以及激光源，其被配置为产生处于相干状态中的光子的脉冲，所述装置被配置为使得每个跃迁都在所述光学腔体的谐振内。
条款5：根据条款4所述的装置，其中选择所述第一跃迁和所述第二跃迁，使得它们相对于彼此正交偏振。
条款6：根据条款4和5中任一项所述的装置，其中所述第一激发态和所述第二激发态处于相同的能级。
条款7：根据条款4至6中任一项所述的装置，其中所述第一基态和所述第二基态处于彼此不同的能级。
条款8：根据条款4至7中任一项所述的装置，其中所述激光源被配置为选择性地生成：
初始化光子的脉冲，所述初始化光子的脉冲被配置为通过诱发原子经历从所述第一基态经由所述第一激发态到所述第二基态的所述第一跃迁和所述第二跃迁来初始化所述原子；和
获取光子的脉冲，所述获取光子的脉冲被配置为通过诱发原子经历从所述第二基态经由所述第一激发态到所述第一基态的所述第二跃迁和所述第一跃迁来从所述原子获取单光子。
条款9：根据条款4至8中任一项所述的装置，所述激光源被配置为选择性地生成准备光子，所述准备光子被配置为将所述原子的状态设置为量子叠加态，所述准备光子处于第一准备模态和第二准备模态的叠加态，其中所述准备光子与所述原子的相互作用导致其第一基态和第二基态处于与所述第一准备模态和所述第二准备模态的叠加态对应的叠加态。
条款10：根据条款4至9中任一项所述的装置，其中所述原子是铷原子。
条款11：根据条款4至10中任一项所述的装置，其中所述磁体是螺线管。
条款12：根据条款3至11中任一项所述的装置，其中所述第一级线性光学元件包括相位控制。
条款13：根据条款3至12中任一项所述的装置，还包括
第二级线性光学元件；和
第二多个纠缠单元；
其中所述第二级线性光学元件和所述第二多个纠缠单元与所述多个单光子源单元、所述第一级线性光学元件和所述第一多个纠缠单元沿所述预定空间轴相对应地移位；和
其中从所述第一多个纠缠单元的每个对应纠缠单元输出的处于纠缠态的单光子被输入到所述第二级线性光学元件，并由此被输入到所述第二多个纠缠单元的对应纠缠单元。
条款14：根据条款13所述的装置，其中所述第二多个纠缠单元被配置为以时间维度序列输出纠缠的光子的二维空间阵列。
条款15：根据条款3至14中任一项所述的装置，被配置为生成与量子计算机一起使用的纠缠的量子比特。
条款16：根据条款3至15中任一项所述的装置，被配置为执行根据条款1和2中任一项所述的方法。
所公开的实施例可以包括以下要点特征中的任何一个(单独地或与一个或多个其他要点特征组合)，无论是通过至少一个处理器或电路实施为系统和/或方法，和/或存储为非暂时性计算机可读介质或计算机可读介质上的可执行指令。
·量子计算系统
·多个光子腔体
·多个耦合位置，其用于量子发射体定位，每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态
·光子生成器，其被配置为向多个光子腔体供应光子，其中光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到量子发射体
·多个光子输出通道，其位于多个腔体下游以输出图态
·能够与光子相互作用的静止量子比特
·超导量子比特
·量子点
·原子
·中性的原子
·是离子的原子
·量子发射体包括铷原子
·量子发射体包括铯原子
·量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者
·光子生成器包括至少一个附加光子腔体
·光子生成器包括至少一个附加量子发射体和用于量子发射体定位的至少一个附加耦合位置，每个附加耦合位置与至少一个附加光子腔体中的一个不同的附加光子腔体相关联
·至少一个附加量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特
·至少一个附加量子发射体包括超导量子比特
·至少一个附加量子发射体包括量子点
·至少一个附加量子发射体包括原子
·至少一个附加量子发射体包括铷原子
·至少一个附加量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者
·一种用于生成图态的量子计算方法
·在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态
·向多个光子腔体供应光子，其中光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到量子发射体
·经由多个腔体下游的多个光子输出通道输出图态
·一种包括指令的(非暂时性)计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器执行量子计算方法
·在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态
·向多个光子腔体供应光子，其中光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到量子发射体
·经由多个腔体下游的多个光子输出通道输出图态
·用于生成光子图态的量子计算方法
·在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体
·初始化与多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态
·在至少一个第一实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使量子发射体量子比特和光子量子比特纠缠
·在至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特
·第一实例传输包括按顺序次序传输多个光子量子比特以引起多个光子-量子发射体纠缠，并且在第一实例传输之后进行第二实例传输以输出光子图态
·初始化包括使用SWAP门
·初始化包括施加微波
·初始化包括施加光束
·包括原子的多个量子发射体，其中定位包括将原子捕获在腔体附近
·多个量子发射体包括量子点，并且定位包括以下中的至少一者：以光刻的方式将量子点置于腔体附近；或者以光刻的方式将腔体置于自组装量子点附近
·使用耦合到腔体的量子发射体来生成的光子量子比特
·量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特
·量子发射体包括超导量子比特
·量子发射体包括量子点
·量子发射体包括原子
·中性的原子
·是离子的原子
·量子发射体包括铷原子或铯原子中的至少一者
·量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者
·纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者
·纠缠门是受控Z门(CZ门)
·一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器执行用于生成光子图态的量子计算方法
·在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体
·初始化与多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态
·在至少一个第一实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便纠缠量子发射体量子比特和光子量子比特
·在至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特
·用于生成光子图态的量子计算系统
·多个腔体
·多个耦合位点，其用于在多个耦合位点处定位多个量子发射体，每个耦合位点与多个腔体中的一个不同的腔体相关联
·至少一个处理器，其被配置为初始化与多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态
·至少一个处理器，其被配置为在至少一个第一实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便纠缠量子发射体量子比特和光子量子比特
·至少一个处理器，其被配置为在至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。
·一种生成用于量子计算的光子图态的方法
·将量子发射体耦合到腔体
·生成具有第一时间轮廓的第一脏光子
·使用第一脏光子来形成第一光子量子比特
·生成具有第二时间轮廓的第二脏光子
·使用第二脏光子来形成第二光子量子比特
·使用耦合到腔体的量子发射体来将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特
·使用一对纠缠的光子量子比特进行量子计算
·使用耦合到量子发射体的腔体来纠缠多个附加光子以生成光子图
·至少一些脏的附加光子
·生成具有与第一时间轮廓和第二时间轮廓不同的第三时间轮廓的第三脏光子
·使用第三脏光子来形成第三光子量子比特
·使用耦合到腔体的量子发射体来将第三光子量子比特与第一光子量子比特或第二光子量子比特纠缠以形成三个纠缠的光子量子比特
·使用一对纠缠的光子量子比特进行量子计算包括使用三个纠缠的光子量子比特进行量子计算
·第一脏光子和第二脏光子通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成
·第一脏光子和第二脏光子各自是图的一部分，并且其中图包含缺少量子发射体量子比特的光子量子比特，或光子和量子发射体量子比特
·从光学延迟线获得第一脏光子和第二脏光子中的至少一者
·第一脏光子和第二脏光子的光谱在耦合到腔体的量子发射体的相互作用带宽内
·第一脏光子和第二脏光子中的至少一者是从波动量子发射体生成的·量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特
·量子发射体包括超导量子比特
·量子发射体包括量子点
·量子发射体包括原子或离子中的至少一者
·原子或离子从铷获取
·原子或离子从铯获取
·量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者
·第二时间轮廓不同于第一时间轮廓
·第二时间轮廓与第一时间轮廓相同
·一种生成用于量子计算的光子图态的系统
·腔体
·能耦合到腔体的量子发射体
·光子生成器，其被配置为生成脏光子
·电路被配置为将量子发射体耦合到腔体
·电路被配置为控制光子生成器以生成具有第一时间轮廓的第一脏光子
·电路被配置为使用第一脏光子来形成第一光子量子比特
·电路被配置为控制光子生成器以生成具有第二时间轮廓的第二脏光子
·电路被配置为使用第二脏光子来形成第二光子量子比特
·电路被配置为使用耦合到腔体的量子发射体来将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特
·电路被配置为使用一对纠缠的光子量子比特进行量子计算
·一种包括指令的(非暂时性)计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器执行生成用于量子计算的光子图态的方法
·将量子发射体耦合到腔体
·生成具有第一时间轮廓的第一脏光子
·使用第一脏光子来形成第一光子量子比特
·生成具有第二时间轮廓的第二脏光子
·使用第二脏光子来形成第二光子量子比特
·使用耦合到腔体的量子发射体来将第一光子量子比特与第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特
·使用一对纠缠的光子量子比特进行量子计算
·一种量子计算方法
·初始化谐振器耦合的量子发射体的状态
·接收至少两个光子图态，至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子
·从每个图态中选择至少一个光子
·经由谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门
·将谐振器耦合的量子发射体从选择的光子解纠缠，其中解纠缠包括检测谐振器耦合的量子发射体的状态或将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态中的至少一者
·纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者
·顺序地馈送选择的光子通过纠缠门
·通过在量子发射体和附加光子上应用SWAP门来实现映射
·谐振器耦合的量子发射体的初始化的状态是两个基态的相等叠加
·量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特
·量子发射体包括超导量子比特
·量子发射体包括量子点
·量子发射体包括中性原子
·量子发射体包括为离子的原子
·量子发射体包括铷原子或铯原子
·量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者
·量子计算系统
·谐振器耦合的量子发射体
·多个开关
·至少一个处理器，其被配置为控制多个开关以初始化谐振器耦合的量子发射体的状态
·至少一个处理器，其被配置为控制多个开关以接收至少两个光子图态，至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子
·至少一个处理器，其被配置为控制多个开关以从每个图态中选择至少一个光子
·至少一个处理器，其被配置为控制多个开关以经由谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门
·至少一个处理器，其被配置为控制多个开关以从选择的光子解纠缠谐振器耦合的量子发射体，其中解纠缠包括检测谐振器耦合的量子发射体的状态或将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态中的至少一者
·纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者
·顺序地馈送选择的光子通过纠缠门
·通过在量子发射体和附加光子上应用SWAP门来映射
·谐振器耦合的量子发射体的初始化的状态是两个基态的相等叠加
·量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特
·量子发射体包括超导量子比特、量子点或原子中的一者
·一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器执行量子计算方法
·初始化谐振器耦合的量子发射体的状态
·接收至少两个光子图态，至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子
·从每个图态中选择至少一个光子
·经由谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门
·将谐振器耦合的量子发射体从选择的光子解纠缠，其中解纠缠包括检测谐振器耦合的量子发射体的状态或将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到附加光子的状态中的至少一者
·一种量子计算方法
·初始化具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态
·调谐第一基态和第一激发态之间的第一跃迁的频率
·调谐第二基态和第二激发态之间的第二跃迁的频率
·调谐第二基态和第一激发态之间的第三跃迁的频率
·以对应于第二跃迁的频率的频率馈送多个光子，从而将该多个光子纠缠到谐振器耦合的量子发射体
·以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子
·谐振器耦合的量子发射体的状态是电子状态、核状态或其组合
·在初始化之前进行对第一跃迁、第二跃迁和第三跃迁的频率的调谐
·对跃迁的一个或多个频率的调谐通过使用激光的光偏移来进行
·对跃迁的一个或多个频率的调谐通过施加磁场的塞曼偏移来进行
·以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子以进一步初始化谐振器耦合的量子发射体以对应于第一基态或第二基态中的至少一者
·通过顺序地馈送多个单光子来馈送多个光子
·通过准备处于第一基态和第二基态的叠加态的谐振器耦合的量子发射体来初始化谐振器耦合的量子发射体的状态
·叠加态是第一基态和第二基态的相等叠加
·谐振器耦合的量子发射体包括耦合到单个量子发射体的两个谐振器
·量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特
·量子发射体包括超导量子比特或量子点中的一者
·量子发射体包括中性原子
·量子发射体包括离子
·量子发射体包括铷原子或铯原子中的至少一者
·量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者
·量子计算系统
·谐振器耦合的量子发射体，其具有以N配置布置的至少四个能级，N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态
·电路，其被配置为初始化谐振器耦合的量子发射体的状态
·电路，其被配置为调谐第一基态和第一激发态之间的第一跃迁的频率
·电路，其被配置为调谐第二基态和第二激发态之间的第二跃迁的频率
·电路，其被配置为调谐第三基态和第二激发态之间的第一跃迁的频率
·电路，其被配置为以对应于第二跃迁的频率的频率馈送多个光子，从而将该多个光子纠缠到谐振器耦合的量子发射体
·电路，其被配置为以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子
·激光器，其用于光偏移，从而调谐至少一个跃迁的频率
·磁场生成器，其用于提供磁场，磁场的施加用于调谐至少一个跃迁的频率
·谐振器耦合的量子发射体包括耦合到单个量子发射体的两个谐振器
·一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器执行量子计算方法
·初始化具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态
·调谐第一基态和第一激发态之间的第一跃迁的频率
·调谐第二基态和第二激发态之间的第二跃迁的频率；
·调谐第二基态和第一激发态之间的第三跃迁的频率；
·以对应于第二跃迁的频率的频率馈送多个光子，从而将该多个光子纠缠到谐振器耦合的量子发射体
·以对应于第一跃迁或第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子
·量子计算系统
·多个光子处理级，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者
·多个无预报连接，每个无预报连接位于相邻的光子处理级之间
·电路，其被配置为调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入
·光子处理级在时域中分离
·光子处理级在空域中分离
·关于级设置的决策包括光学开关的设置
·光学开关包括移相器
·关于级设置的决策包括移相器的设置
·光子生成器包括耦合到谐振器的量子发射体
·至少一些光子处理级包括量子发射体
·量子发射体耦合到谐振器
·量子发射体被配置为当将光子量子比特向量子发射体传输时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特
·量子发射体被配置为当将光子量子比特向量子发射体传输时将量子发射体量子比特映射到光子量子比特
·量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态
·量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特
·量子发射体包括超导量子比特
·量子发射体包括量子点
·量子发射体包括中性原子或离子中的至少一者
·原子是铷原子或离子是铷离子。
·原子是铯原子或离子是铯离子。
·量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者
·一种量子计算方法
·经由多个无预报连接传输或接收多个光子，每个连接位于相邻光子处理级之间，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者
·调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入
·至少一些光子处理级包括耦合到谐振器的量子发射体
·当将光子量子比特向量子发射体传输时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特
·当将光子量子比特向量子发射体传输时将量子发射体量子比特映射到光子量子比特
·介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态
·一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器执行量子计算方法
·经由多个无预报连接传输或接收多个光子，每个连接位于相邻光子处理级之间，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者
·调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入
本文还公开了以下条款。
第一组条款：
条款1：一种量子计算系统，包括：多个光子腔体；多个耦合位置，其用于量子发射体定位，每个耦合位置与所述多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；光子生成器，其被配置为向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和多个光子输出通道，其位于所述多个腔体下游以输出所述图态。
条款2：一种用于生成图态的量子计算方法，所述方法包括：在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和经由所述多个腔体下游的多个光子输出通道输出所述图态。
条款3：一种包括指令的(非暂时性)计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器或电路执行时，使所述至少一个处理器或电路执行根据条款2所述的方法。
条款4：根据条款1所述的系统、根据条款2所述的方法或根据条款3所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款5：根据条款1或4所述的系统、根据条款2或4所述的方法或根据条款3或4所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
条款6：根据条款1或条款4至5所述的系统、根据条款2或条款4至5所述的方法或根据条款3或条款4至5所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括量子点。
条款7：根据条款1或条款4至6所述的系统、根据条款2或条款4至6所述的方法或根据条款3或条款4至6所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括原子。
条款8：根据条款1或条款4至7所述的系统、根据条款2或条款4至7所述的方法或根据条款3或条款4至7所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括铷原子。
条款9：根据条款1或条款4至8所述的系统、根据条款2或条款4至8所述的方法或根据条款3或条款4至8所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括铯原子。
条款10：根据条款1或条款4至9所述的系统、根据条款2或条款4至9所述的方法或根据条款3或条款4至9所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
条款11：根据条款7至10所述的系统、根据条款7至10所述的方法或根据条款7至10所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是中性的。
条款12：根据条款7至10所述的系统、根据条款7至10所述的方法或根据条款7至10所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是离子。
条款13：根据条款1或条款4至12所述的系统，其中所述光子生成器包括至少一个附加光子腔体。
条款14：根据条款13所述的系统，其中所述光子生成器包括至少一个附加量子发射体和用于量子发射体定位的至少一个附加耦合位置，每个附加耦合位置与所述至少一个附加光子腔体中的一个不同的附加光子腔体相关联。
条款15：根据条款14所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款16：根据条款14或15所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括超导量子比特。
条款17：根据条款14至16所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括量子点。
条款18：根据条款14至17所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括原子。
条款19：根据条款14至18所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括铷原子。
条款20：根据条款14至19所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括铯原子。
条款21：根据条款14至20所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
条款22：根据条款18至21所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是中性的。
条款23：根据条款18至21所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是离子。
第二组条款：
条款31：一种用于生成光子图态的量子计算方法，所述方法包括：在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体；初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态；在至少一个第一实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使所述量子发射体量子比特和所述光子量子比特纠缠；和在所述至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将所述量子发射体量子比特映射到所述光子量子比特。
条款32-一种(非暂时性)计算机可读存储介质，包括当由至少一个处理器或电路执行时使所述至少一个处理器或电路执行根据条款31所述的方法的指令。
条款33-一种用于生成光子图态的量子计算系统，所述系统包括：多个腔体；
多个耦合位点，其用于在所述多个耦合位点处定位多个量子发射体，每个耦合位点与所述多个腔体中的一个不同的腔体相关联；和至少一个处理器，其被配置为：初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态；在至少一个第一实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使所述量子发射体量子比特和所述光子量子比特纠缠；和在所述至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将所述量子发射体量子比特映射到所述光子量子比特。
条款34：根据条款31所述的方法、根据条款32所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33所述的系统，其中所述第一实例传输包括按顺序次序传输多个光子量子比特以引起多个光子-量子发射体纠缠，并且其中在所述第一实例传输之后进行所述第二实例传输以输出光子图态。
条款35：根据条款31或34所述的方法、根据条款32或34所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或34所述的系统，其中初始化涉及使用SWAP门。
条款36：根据条款31或条款34至35所述的方法、根据条款32或条款34至35所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至35所述的系统，其中初始化包括施加微波。
条款37：根据条款31或条款34至36所述的方法、根据条款32或条款34至36所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至36所述的系统，其中初始化包括施加光束。
条款38：根据条款31或条款34至37所述的方法、根据条款32或条款34至37所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至37所述的系统，其中所述多个量子发射体包括原子，并且其中定位包括在腔体附近捕获所述原子。
条款39：根据条款31或条款34至38所述的方法、根据条款32或条款34至38所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至38所述的系统，其中所述多个量子发射体包括量子点，并且定位包括以下中的至少一者：以光刻的方式将所述量子点置于腔体附近；或者以光刻的方式将所述腔体置于自组装量子点附近。
条款40：根据条款31或条款34至39所述的方法、根据条款32或条款34至39所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至39所述的系统，其中使用耦合到腔体的量子发射体来生成所述光子量子比特。
条款41：根据条款31或条款34至40所述的方法、根据条款32或条款34至40所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至40所述的系统，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款42：根据条款31或条款34至41所述的方法、根据条款32或条款34至41所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至41所述的系统，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
条款43：根据条款31或条款34至42所述的方法、根据条款32或条款34至42所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至42所述的系统，其中所述量子发射体包括量子点。
条款44：根据条款31或条款34至43所述的方法、根据条款32或条款34至43所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至43所述的系统，其中所述量子发射体包括原子。
条款45：根据条款31或条款34至44所述的方法、根据条款32或条款34至44所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至44所述的系统，其中所述量子发射体包括铷原子。
条款46：根据条款31或条款34至45所述的方法、根据条款32或条款34至45所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至45所述的系统，其中所述量子发射体包括铯原子。
条款47：根据条款31或条款34至46所述的方法、根据条款32或条款34至46所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至46所述的系统，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
条款48：根据条款44至47所述的方法、根据条款44至47所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款44至47所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是中性的。
条款49：根据条款44至47所述的方法、根据条款44至47所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款44至47所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是离子。
条款50：根据条款31或条款34至49所述的方法、根据条款32或条款34至49所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至49所述的系统，其中所述纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。
条款51：根据条款31或条款34至50所述的方法、根据条款32或条款34至50所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款33或条款34至50所述的系统，其中所述纠缠门是受控Z门(CZ门)。
第三组条款：
条款61：一种生成用于量子计算的光子图态的方法，所述方法包括：将量子发射体耦合到腔体；生成具有第一时间轮廓的第一脏光子；使用所述第一脏光子来形成第一光子量子比特；生成具有第二时间轮廓的第二脏光子；使用所述第二脏光子来形成第二光子量子比特；使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来将所述第一光子量子比特与所述第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特；和使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算。
条款62：一种包括指令的(非暂时性)计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器或电路执行时，使所述至少一个处理器或电路执行根据条款61所述的方法。
条款63：一种生成用于量子计算的光子图态的系统，所述系统包括：腔体；能够耦合到所述腔体的量子发射体；光子生成器，其被配置为生成脏光子；和电路，其被配置为：将所述量子发射体耦合到所述腔体；控制所述光子生成器以生成具有第一时间轮廓的第一脏光子；使用所述第一脏光子来形成第一光子量子比特；控制所述光子生成器以生成具有第二时间轮廓的第二脏光子；使用所述第二脏光子来形成第二光子量子比特；使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来将所述第一光子量子比特与所述第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特；和使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算。
条款64：根据条款61所述的方法、根据条款62所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63所述的系统，还包括使用耦合到所述量子发射体的所述腔体来纠缠多个附加光子以生成光子图。
条款65：根据条款64所述的方法、根据条款64所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款64所述的系统，其中至少一些所述附加光子是脏的。
条款66：根据条款61或条款64至65所述的方法、根据条款62或条款64至65所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至65所述的系统，还包括：生成具有与所述第一时间轮廓和所述第二时间轮廓不同的第三时间轮廓的第三脏光子；使用所述第三脏光子来形成第三光子量子比特；使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来将所述第三光子量子比特与所述第一光子量子比特或所述第二光子量子比特纠缠以形成三个纠缠的光子量子比特；和其中所述使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算包括使用所述三个纠缠的光子量子比特进行量子计算。
条款67：根据条款61或条款64至66所述的方法、根据条款62或条款64至66所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至66所述的系统，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子是通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成的。
条款68-根据条款61或条款64至67所述的方法、根据条款62或条款64至67所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至67所述的系统，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子各自是图的一部分，并且其中所述图包含缺少量子发射体量子比特的光子量子比特、或光子和量子发射体量子比特。
条款69：根据条款61或条款64至68所述的方法、根据条款62或条款64至68所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至68所述的系统，其中从光学延迟线获得所述第一脏光子和所述第二脏光子中的至少一者。
条款70：根据条款61或条款64至69所述的方法、根据条款62或条款64至69所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至69所述的系统，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子的光谱在耦合到所述腔体的所述量子发射体的相互作用带宽内。
条款71：根据条款61或条款64至70所述的方法、根据条款62或条款64至70所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至70所述的系统，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子中的至少一者是从波动量子发射体生成的。
条款72：根据条款61或条款64至71所述的方法、根据条款62或条款64至71所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至71所述的系统，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款73：根据条款61或条款64至72所述的方法、根据条款62或条款64至72所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至72所述的系统，其中所述第二时间轮廓不同于所述第一时间轮廓。
条款74：根据条款61或条款64至72所述的方法、根据条款62或条款64至72所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至72所述的系统，其中所述第二时间轮廓与所述第一时间轮廓相同。
条款75：根据条款61或条款64至74所述的方法、根据条款62或条款64至74所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至74所述的系统，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款76：根据条款61或条款64至75所述的方法、根据条款62或条款64至75所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至75所述的系统，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
条款77：根据条款61或条款64至76所述的方法、根据条款62或条款64至76所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至76所述的系统，其中所述量子发射体包括量子点。
条款78：根据条款61或条款64至77所述的方法、根据条款62或条款64至77所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至77所述的系统，其中所述量子发射体包括原子。
条款79：根据条款61或条款64至78所述的方法、根据条款62或条款64至78所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至78所述的系统，其中所述量子发射体包括铷原子。
条款80：根据条款61或条款64至79所述的方法、根据条款62或条款64至79所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至79所述的系统，其中所述量子发射体包括铯原子。
条款81：根据条款61或条款64至80所述的方法、根据条款62或条款64至80所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款63或条款64至80所述的系统，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
条款82：根据条款78至81所述的方法、根据条款78至81所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款78至81所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是中性的。
条款83：根据条款78至81所述的方法、根据条款78至81所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款78至81所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是离子。
第四组条款：
条款91：一种量子计算方法，包括：初始化谐振器耦合的量子发射体的状态；接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；从每个图态中选择至少一个光子；经由所述谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；和将所述谐振器耦合的量子发射体从所述选择的光子解纠缠，其中所述解纠缠包括检测所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态或将所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
条款92-一种量子计算系统，包括：谐振器耦合的量子发射体；多个开关；和至少一个处理器或电路，其被配置为控制所述多个开关以：初始化所述谐振器耦合的量子发射体的状态；接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；从每个图态中选择至少一个光子；经由所述谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；和将所述谐振器耦合的量子发射体从所述选择的光子解纠缠，其中所述解纠缠包括检测所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态或将所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
条款93：一种包括指令的(非暂时性)计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器或电路执行时，使所述至少一个处理器或电路执行根据条款91所述的方法。
条款94：根据条款91所述的方法、根据条款92所述的系统、或根据条款93所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。
条款95：根据条款91或94所述的方法、根据条款92或94所述的系统、或根据条款93或94所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中馈送所述选择的光子通过纠缠门是按顺序进行的。
条款96：根据条款91或条款94至95所述的方法、根据条款92或条款94至95所述的系统、或根据条款93或条款94至95所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中通过在所述量子发射体和附加光子上应用SWAP门来实现所述映射。
条款97：根据条款91或条款94至96所述的方法、根据条款92或条款94至96所述的系统、或根据条款93或条款94至96所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述谐振器耦合的量子发射体的经初始化的状态是两个基态的相等叠加。
条款98：根据条款91或条款94至97所述的方法、根据条款92或条款94至97所述的系统、或根据条款93或条款94至97所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款99：根据条款91或条款94至98所述的方法、根据条款92或条款94至98所述的系统、或根据条款93或条款94至98所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
条款100：根据条款91或条款94至99所述的方法、根据条款92或条款94至99所述的系统、或根据条款93或条款94至99所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括量子点。
条款101：根据条款91或条款94至100所述的方法、根据条款92或条款94至100所述的系统、或根据条款93或条款94至100所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括原子。
条款102：根据条款91或条款94至101所述的方法、根据条款92或条款94至101所述的系统、或根据条款93或条款94至101所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括铷原子。
条款103：根据条款91或条款94至102所述的方法、根据条款92或条款94至102所述的系统、或根据条款93或条款94至102所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括铯原子。
条款104：根据条款91或条款94至103所述的方法、根据条款92或条款94至103所述的系统、或根据条款93或条款94至103所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
条款105：根据条款101至104所述的方法、根据条款101至104所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款101至104所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是中性的。
条款106：根据条款101至104所述的方法、根据条款101至104所述的(非暂时性)计算机可读存储介质或根据条款101至104所述的系统，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是离子。
第五组条款：
条款111：一种量子计算方法，包括：初始化具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，所述N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；调谐所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁的频率；调谐所述第二基态和所述第二激发态之间的第二跃迁的频率；调谐所述第三基态和所述第二激发态之间的第一跃迁的频率；以对应于所述第二跃迁的频率的频率馈送多个光子，从而将所述多个光子纠缠到所述谐振器耦合的量子发射体；和以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将所述谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。
条款112：一种量子计算系统，包括：谐振器耦合的量子发射体，其具有以N配置布置的至少四个能级，所述N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；和电路，其被配置为：初始化所述谐振器耦合的量子发射体的状态；调谐所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁的频率；调谐所述第二基态和所述第二激发态之间的第二跃迁的频率；调谐所述第三基态和所述第二激发态之间的第一跃迁的频率；以对应于所述第二跃迁的所述频率的频率馈送多个光子，从而将所述多个光子纠缠到所述谐振器耦合的量子发射体；和以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将所述谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。
条款113：根据条款112所述的系统，还包括以下至少一者：激光器，其用于光偏移，从而调谐至少一个跃迁的频率；或磁场生成器，其用于提供磁场，所述磁场的施加用于调谐至少一个跃迁的频率。
条款114：一种包括指令的(非暂时性)计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器或电路执行时，使所述至少一个处理器或电路执行根据条款111所述的方法。
条款115：根据条款111所述的方法、根据条款112至113所述的系统、或根据条款114所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态是电子状态、核状态或其组合。
条款116：根据条款111或115所述的方法、根据条款112至113或条款115所述的系统、或根据条款114或115所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中对所述第一跃迁、所述第二跃迁和所述第三跃迁的频率的调谐在所述初始化之前进行。
条款117：根据条款111或条款115至116所述的方法、根据条款112至113或条款115至116所述的系统、或根据条款114或条款115至116所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中对跃迁的一个或多个频率的调谐可以通过使用激光的光偏移来进行。
条款118：根据条款111或条款115至117所述的方法、根据条款112至113或条款115至117所述的系统、或根据条款114或条款115至117所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中对跃迁的一个或多个频率的调谐通过通过施加磁场的塞曼偏移来进行。
条款119：根据条款111或条款115至118所述的方法、根据条款112至113或条款115至118所述的系统、或根据条款114或条款115至118所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子进一步初始化所述谐振器耦合的量子发射体以对应于所述第一基态或所述第二基态中的至少一者。
条款120：根据条款111或条款115至119所述的方法、根据条款112至113或条款115至119所述的系统、或根据条款114或条款115至119所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述馈送多个光子包括顺序地馈送多个单光子。
条款121：根据条款111或条款115至120所述的方法、根据条款112至113或条款115至120所述的系统、或根据条款114或条款115至120所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述初始化所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态包括准备处于所述第一基态和所述第二基态的叠加态的所述谐振器耦合的量子发射体。
条款122：根据条款121所述的方法、根据条款121所述的系统、或根据条款121所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述叠加态是所述第一基态和所述第二基态的相等叠加。
条款123：根据条款111或条款115至122所述的方法、根据条款112至113或条款115至122所述的系统、或根据条款114或条款115至122所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述谐振器耦合的量子发射体包括耦合到单个量子发射体的两个谐振器。
条款124：根据条款111或条款115至123所述的方法、根据条款112至113或条款115至123所述的系统、或根据条款114或条款115至123所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款125：根据条款111或条款115至124所述的方法、根据条款112至113或条款115至124所述的系统、或根据条款114或条款115至124所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
条款126：根据条款111或条款115至125所述的方法、根据条款112至113或条款115至125所述的系统、或根据条款114或条款115至125所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括量子点。
条款127：根据条款111或条款115至126所述的方法、根据条款112至113或条款115至126所述的系统、或根据条款114或条款115至126所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括原子。
条款128：根据条款111或条款115至127所述的方法、根据条款112至113或条款115至127所述的系统、或根据条款114或条款115至127所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括铷原子。
条款129：根据条款111或条款115至128所述的方法、根据条款112至113或条款115至128所述的系统、或根据条款114或条款115至128所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括铯原子。
条款130：根据条款111或条款115至129所述的方法、根据条款112至113或条款115至129所述的系统、或根据条款114或条款115至129所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
条款131：根据条款127至130所述的方法、根据条款127至130所述的系统、或根据条款127至130所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是中性的。
条款132：根据条款127至130所述的方法、根据条款127至130所述的系统、或根据条款127至130所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是离子。
第六组条款：
条款141：一种量子计算系统，包括：多个光子处理级，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者；多个无预报连接，每个无预报连接位于相邻的光子处理级之间；和电路，其被配置为调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。
条款142：一种量子计算方法，包括：经由多个无预报连接传输或接收多个光子，每个连接位于相邻光子处理级之间，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者；和调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。
条款143：根据条款142所述的方法，其中至少一些光子处理级包括耦合到谐振器的量子发射体，并且所述方法还包括：当将所述光子量子比特向所述量子发射体传输时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特；当将所述光子量子比特向所述量子发射体传输时将量子发射体量子比特映射到光子量子比特；或介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。
条款144：一种包括指令的(非暂时性)计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器或电路执行时，使所述至少一个处理器或电路执行根据条款142或143所述的方法。
条款145：根据条款141所述的系统、根据条款142至143所述的方法、或根据条款144所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中至少一些光子处理级在时域中分离。
条款146：根据条款141或145所述的系统、根据条款142至143或条款145所述的方法、或根据条款144或145所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中至少一些光子处理级在空域中分离。
条款147：根据条款141或条款145至146所述的系统、根据条款142至143或条款145至146所述的方法、或根据条款144或条款145至146所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述关于级设置的决策包括所述光学开关的设置。
条款148：根据条款141或条款145至147所述的系统、根据条款142至143或条款145至147所述的方法、或根据条款144或条款145至147所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述光学开关包括移相器。
条款149：根据条款148所述的系统、根据条款148所述的方法、或根据条款148所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述关于级设置的决策包括所述移相器的设置。
条款150：根据条款141或条款145至149所述的系统、根据条款142至143或条款145至149所述的方法、或根据条款144或条款145至149所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中所述光子生成器包括耦合到谐振器的量子发射体。
条款151：根据条款141或条款145至150所述的系统、根据条款142至143或条款145至150所述的方法、或根据条款144或条款145至150所述的(非暂时性)计算机可读存储介质，其中至少一些所述光子处理级包括量子发射体。
条款152：根据条款151所述的系统、根据条款151所述的方法、或根据条款151所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体耦合到谐振器。
条款153：根据条款152所述的系统、根据条款152所述的方法、或根据条款152所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体被配置为：当将光子量子比特向所述量子发射体传输时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特；当将所述光子量子比特向所述量子发射体传输时将所述量子发射体量子比特映射到光子量子比特；或介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。
条款154：根据条款150至153所述的系统、根据条款150至153所述的方法、或根据条款150至153所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
条款155：根据条款150至154所述的系统、根据条款150至154所述的方法、或根据条款150至154所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
条款156：根据条款150至155所述的系统、根据条款150至155所述的方法、或根据条款150至155所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体包括量子点。
条款157：根据条款150至156所述的系统、根据条款150至156所述的方法、或根据条款150至156所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体包括原子。
条款158：根据条款150至157所述的系统、根据条款150至157所述的方法、或根据条款150至157所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体包括铷原子。
条款159：根据条款150至158所述的系统、根据条款150至158所述的方法、或根据条款150至158所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体包括铯原子。
条款160：根据条款150至159所述的系统、根据条款150至159所述的方法、或根据条款150至159所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
条款161：根据条款157至160所述的系统、根据条款157至160所述的方法、或根据条款157至160所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是中性的。
条款162：根据条款157至160所述的系统、根据条款157至160所述的方法、或根据条款157至160所述的(非暂时性)计算机可读介质，其中所述原子、所述铷原子、所述铯原子，或锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者，是离子。
本文公开的系统和方法涉及与常规方式相比的非常规改进。所公开的实施例的描述不是穷举的，并且不限于所公开的精确形式或实施例。通过考虑所公开的实施例的说明和实践，实施例的修改和适配将是显而易见的。另外，所公开的实施例不限于本文所讨论的示例。
为了说明的目的，呈现了上述说明。它不是穷举的，并且不限于所公开的精确形式或实施例。通过考虑所公开的实施例的说明和实践，实施例的修改和适配将是显而易见的。例如，所描述的实施方式包括硬件和软件，但是与本公开一致的系统和方法可以单独实现为硬件。
本公开的特征和优点从具体实施方式中显而易见，因此，意在所附权利要求覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有系统和方法。如本文所使用的，不定冠词“一”和“一种”是指“一个或多个”。类似地，复数术语的使用不一定表示复数，除非其在给定上下文中是明确的。“和”或“或”等词指“和/或”，除非另有明确指示。此外，由于通过研究本公开将容易发生许多修改和变化，因此不期望将该公开限制于所图示和描述的精确构造和操作，并且因此，所有合适的修改和等效物可诉诸于落入本公开范围内。
基于本说明书的书面描述和方法的计算机程序在软件开发者的技能范围内。可使用各种编程技术来创建各种功能、脚本、程序或模块。例如，程序、脚本、功能、程序部分或程序模块可以用或通过语言(包括JAVASCRIPT、C、C++、JAVA、PHP、PYTHON、RUBY、PERL、BASH或其他编程或脚本语言)设计。这些软件部分或模块中的一个或多个可以集成到计算机系统、非暂时性计算机可读介质或现有通信软件中。程序、模块或代码也可以作为固件或电路逻辑来实施或复制。
此外，虽然本文中描述了说明性实施例，其范围可以包括具有基于本公开的等效元素、修改、省略、组合(例如，跨多个实施例的方面的组合)、适配或改变的任何和所有实施例。权利要求书中的元素将基于在权利要求书中使用的语言被广义地解释，并且不限于在本说明书中描述的示例或者在申请的进行期间描述的示例，这些示例将被解释为非排他的。此外，可以以任何方式修改所公开的方法的步骤，包括通过重新排序步骤或插入或删除步骤。因此，本说明书和示例仅被认为是示例性的，其真正范围和精神由以下权利要求及其等同物的全部范围表示。
Claims (120)
1.一种量子计算系统，包括：
多个光子腔体；
多个耦合位置，其用于量子发射体定位，每个耦合位置与所述多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；
光子生成器，其被配置为向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和
多个光子输出通道，其位于所述多个腔体下游以输出所述图态。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述量子发射体包括量子点。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述量子发射体包括原子。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述原子是中性的。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述原子是离子。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述量子发射体包括铷原子。
9.根据权利要求5所述的系统，其中所述量子发射体包括铯原子。
10.根据权利要求5所述的系统，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述光子生成器包括至少一个附加光子腔体。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述光子生成器包括至少一个附加量子发射体和用于量子发射体定位的至少一个附加耦合位置，每个附加耦合位置与所述至少一个附加光子腔体中的一个不同的附加光子腔体相关联。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括超导量子比特。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括量子点。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括原子。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括铷原子。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个附加量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
19.一种用于生成图态的量子计算方法，所述方法包括：
在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；
向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和
经由所述多个腔体下游的多个光子输出通道输出所述图态。
20.一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行量子计算方法，所述量子计算方法包括：
在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；
向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和
经由所述多个腔体下游的多个光子输出通道输出所述图态。
21.一种用于生成光子图态的量子计算方法，所述方法包括：
在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体；
初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态；
在至少一个第一实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使所述量子发射体量子比特和所述光子量子比特纠缠；和
在所述至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将所述量子发射体量子比特映射到所述光子量子比特。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一实例传输包括按顺序次序传输多个光子量子比特以引起多个光子-量子发射体纠缠，并且其中在所述第一实例传输之后进行所述第二实例传输以输出光子图态。
23.根据权利要求21所述的方法，其中初始化涉及使用SWAP门。
24.根据权利要求21所述的方法，其中初始化包括施加微波。
25.根据权利要求21所述的方法，其中初始化包括施加光束。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述多个量子发射体包括原子，并且其中定位包括在腔体附近捕获所述原子。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述多个量子发射体包括量子点，并且定位包括以下中的至少一者：以光刻的方式将所述量子点置于腔体附近；或者以光刻的方式将所述腔体置于自组装量子点附近。
28.根据权利要求21所述的方法，其中使用耦合到腔体的量子发射体来生成所述光子量子比特。
29.根据权利要求21所述的方法，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
30.根据权利要求21所述的方法，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
31.根据权利要求21所述的方法，其中所述量子发射体包括量子点。
32.根据权利要求21所述的方法，其中所述量子发射体包括原子。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述原子是中性的。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述原子是离子。
35.根据权利要求32所述的方法，其中所述量子发射体包括铷原子或铯原子中的至少一者。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
37.根据权利要求21所述的方法，其中所述纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。
38.根据权利要求21所述的方法，其中所述纠缠门是受控Z门(CZ门)。
39.一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行用于生成光子图态的量子计算方法，所述量子计算方法包括：
在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体；
初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态；
在至少一个第一实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使所述量子发射体量子比特和所述光子量子比特纠缠；和
在所述至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将所述量子发射体量子比特映射到所述光子量子比特。
40.一种用于生成光子图态的量子计算系统，所述系统包括：
多个腔体；
多个耦合位点，其用于在所述多个耦合位点处定位多个量子发射体，每个耦合位点与所述多个腔体中的一个不同的腔体相关联；和
至少一个处理器，其被配置为：
初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态；
在至少一个第一实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使所述量子发射体量子比特和所述光子量子比特纠缠；和
在所述至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成SWAP门，以将所述量子发射体量子比特映射到所述光子量子比特。
41.一种生成用于量子计算的光子图态的方法，所述方法包括：
将量子发射体耦合到腔体；
生成具有第一时间轮廓的第一脏光子；
使用所述第一脏光子来形成第一光子量子比特；
生成具有第二时间轮廓的第二脏光子；
使用所述第二脏光子来形成第二光子量子比特；
使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来将所述第一光子量子比特与所述第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特；和
使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述方法还包括使用耦合到所述量子发射体的所述腔体来纠缠多个附加光子以生成光子图。
43.根据权利要求42所述的方法，其中至少一些所述附加光子是脏的。
44.根据权利要求41所述的方法，还包括：
生成具有与所述第一时间轮廓和所述第二时间轮廓不同的第三时间轮廓的第三脏光子；
使用所述第三脏光子来形成第三光子量子比特；
使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来将所述第三光子量子比特与所述第一光子量子比特或所述第二光子量子比特纠缠以形成三个纠缠的光子量子比特；和
其中所述使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算包括使用所述三个纠缠的光子量子比特进行量子计算。
45.根据权利要求41所述的方法，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子是通过使用耦合到腔体的量子发射体从相干激光脉冲提取来生成的。
46.根据权利要求41所述的方法，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子各自是图的一部分，并且其中所述图包含缺少量子发射体量子比特的光子量子比特、或光子和量子发射体量子比特。
47.根据权利要求41所述的方法，其中从光学延迟线获得所述第一脏光子和所述第二脏光子中的至少一者。
48.根据权利要求41所述的方法，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子的光谱在耦合到所述腔体的所述量子发射体的相互作用带宽内。
49.根据权利要求41所述的方法，其中所述第一脏光子和所述第二脏光子中的至少一者是从波动量子发射体生成的。
50.根据权利要求41所述的方法，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
51.根据权利要求41所述的方法，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
52.根据权利要求41所述的方法，其中所述量子发射体包括量子点。
53.根据权利要求41所述的方法，其中所述量子发射体包括原子或离子中的至少一者。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述原子或所述离子从铷获取。
55.根据权利要求53所述的方法，其中所述原子或所述离子从铯获取。
56.根据权利要求53所述的方法，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
57.根据权利要求41所述的方法，其中所述第二时间轮廓不同于所述第一时间轮廓。
58.根据权利要求41所述的方法，其中所述第二时间轮廓与所述第一时间轮廓相同。
59.一种生成用于量子计算的光子图态的系统，所述系统包括：
腔体；
能够耦合到所述腔体的量子发射体；
光子生成器，其被配置为生成脏光子；和
电路，其被配置为：
将所述量子发射体耦合到所述腔体；
控制所述光子生成器以生成具有第一时间轮廓的第一脏光子；
使用所述第一脏光子来形成第一光子量子比特；
控制所述光子生成器以生成具有第二时间轮廓的第二脏光子；
使用所述第二脏光子来形成第二光子量子比特；
使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来将所述第一光子量子比特与所述第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特；和
使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算。
60.一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行生成用于量子计算的光子图态的方法，所述方法包括：
将量子发射体耦合到腔体；
生成具有第一时间轮廓的第一脏光子；
使用所述第一脏光子来形成第一光子量子比特；
生成具有第二时间轮廓的第二脏光子；
使用所述第二脏光子来形成第二光子量子比特；
使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来将所述第一光子量子比特与所述第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特；和
使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算。
61.一种量子计算方法，包括：
初始化谐振器耦合的量子发射体的状态；
接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；
从每个图态中选择至少一个光子；
经由所述谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；和
将所述谐振器耦合的量子发射体从所述选择的光子解纠缠，其中所述解纠缠包括检测所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态或将所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。
63.根据权利要求61所述的方法，其中馈送所述选择的光子通过纠缠门是按顺序进行的。
64.根据权利要求61所述的方法，其中通过在所述量子发射体和附加光子上应用SWAP门来实现所述映射。
65.根据权利要求61所述的方法，其中所述谐振器耦合的量子发射体的经初始化的状态是两个基态的相等叠加。
66.根据权利要求61所述的方法，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
67.根据权利要求61所述的方法，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
68.根据权利要求61所述的方法，其中所述量子发射体包括量子点。
69.根据权利要求61所述的方法，其中所述量子发射体包括中性原子。
70.根据权利要求61所述的方法，其中所述量子发射体包括为离子的原子。
71.根据权利要求61所述的方法，其中所述量子发射体包括铷原子或铯原子。
72.根据权利要求61所述的方法，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
73.一种量子计算系统，包括：
谐振器耦合的量子发射体；
多个开关；和
至少一个处理器，其被配置为控制所述多个开关以：
初始化所述谐振器耦合的量子发射体的状态；
接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；
从每个图态中选择至少一个光子；
经由所述谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；和
将所述谐振器耦合的量子发射体从所述选择的光子解纠缠，其中所述解纠缠包括检测所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态或将所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
74.根据权利要求73所述的系统，其中所述纠缠门是受控Z门(CZ门)、受控非门(CNOT门)、SWAP门的平方根或虚SWAP门(iSWAP门)中的一者。
75.根据权利要求73所述的系统，其中馈送所述选择的光子通过纠缠门是按顺序进行的。
76.根据权利要求73所述的系统，其中通过在所述量子发射体和附加光子上应用SWAP门来实现所述映射。
77.根据权利要求73所述的系统，其中所述谐振器耦合的量子发射体的经初始化的状态是两个基态的相等叠加。
78.根据权利要求73所述的系统，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
79.根据权利要求73所述的系统，其中所述量子发射体包括超导量子比特、量子点或原子中的一者。
80.一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行量子计算方法，所述量子计算方法包括：
初始化谐振器耦合的量子发射体的状态；
接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；
从每个图态中选择至少一个光子；
经由所述谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；和
将所述谐振器耦合的量子发射体从所述选择的光子解纠缠，其中所述解纠缠包括检测所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态或将所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态映射到附加光子的状态中的至少一者。
81.一种量子计算方法，包括：
初始化具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，所述N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；
调谐所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁的频率；
调谐所述第二基态和所述第二激发态之间的第二跃迁的频率；
调谐所述第二基态和所述第一激发态之间的第三跃迁的频率；
以对应于所述第二跃迁的所述频率的频率馈送多个光子，从而将所述多个光子纠缠到所述谐振器耦合的量子发射体；和
以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将所述谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。
82.根据权利要求81所述的方法，其中所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态是电子状态、核状态或其组合。
83.根据权利要求81所述的方法，其中对所述第一跃迁、所述第二跃迁和所述第三跃迁的频率的调谐在所述初始化之前进行。
84.根据权利要求81所述的方法，其中对跃迁的一个或多个频率的调谐可以通过使用激光的光偏移来进行。
85.根据权利要求81所述的方法，其中对跃迁的一个或多个频率的调谐通过施加磁场的塞曼偏移来进行。
86.根据权利要求81所述的方法，其中以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子进一步初始化所述谐振器耦合的量子发射体以对应于所述第一基态或所述第二基态中的至少一者。
87.根据权利要求81所述的方法，其中所述馈送多个光子包括顺序地馈送多个单光子。
88.根据权利要求81所述的方法，其中所述初始化所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态包括准备处于所述第一基态和所述第二基态的叠加态的所述谐振器耦合的量子发射体。
89.根据权利要求88所述的方法，其中所述叠加态是所述第一基态和所述第二基态的相等叠加。
90.根据权利要求81所述的方法，其中所述谐振器耦合的量子发射体包括耦合到单个量子发射体的两个谐振器。
91.根据权利要求81所述的方法，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
92.根据权利要求81所述的方法，其中所述量子发射体包括超导量子比特或量子点中的一者。
93.根据权利要求81所述的方法，其中所述量子发射体包括中性原子。
94.根据权利要求81所述的方法，其中所述量子发射体包括离子。
95.根据权利要求81所述的方法，其中所述量子发射体包括铷原子或铯原子中的至少一者。
96.根据权利要求81所述的方法，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
97.一种量子计算系统，包括：
谐振器耦合的量子发射体，其具有以N配置布置的至少四个能级，所述N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；和
电路，其被配置为：
初始化所述谐振器耦合的量子发射体的状态；
调谐所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁的频率；
调谐所述第二基态和所述第二激发态之间的第二跃迁的频率；
调谐所述第二基态和所述第一激发态之间的第三跃迁的频率；
以对应于所述第二跃迁的所述频率的频率馈送多个光子，从而将所述多个光子纠缠到所述谐振器耦合的量子发射体；和
以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将所述谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。
98.根据权利要求97所述的系统，还包括以下至少一者：
激光器，其用于光偏移，从而调谐至少一个跃迁的频率；或
磁场生成器，其用于提供磁场，所述磁场的施加用于调谐至少一个跃迁的频率。
99.根据权利要求97所述的系统，其中所述谐振器耦合的量子发射体包括耦合到单个量子发射体的两个谐振器。
100.一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行量子计算方法，所述量子计算方法包括：
初始化具有以N配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，所述N配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；
调谐所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁的频率；
调谐所述第二基态和所述第二激发态之间的第二跃迁的频率；
调谐所述第二基态和所述第一激发态之间的第三跃迁的频率；
以对应于所述第二跃迁的所述频率的频率馈送多个光子，从而将所述多个光子纠缠到所述谐振器耦合的量子发射体；和
以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将所述谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。
101.一种量子计算系统，包括：
多个光子处理级，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者；
多个无预报连接，每个无预报连接位于相邻的光子处理级之间；
电路，其被配置为调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。
102.根据权利要求101所述的系统，其中所述光子处理级在时域中分离。
103.根据权利要求101所述的系统，其中所述光子处理级在空域中分离。
104.根据权利要求101所述的系统，其中所述关于级设置的决策包括所述光学开关的设置。
105.根据权利要求101所述的系统，其中所述光学开关包括移相器。
106.根据权利要求105所述的系统，其中所述关于级设置的决策包括所述移相器的设置。
107.根据权利要求101所述的系统，其中所述光子生成器包括耦合到谐振器的量子发射体。
108.根据权利要求101所述的系统，其中至少一些所述光子处理级包括量子发射体。
109.根据权利要求108所述的系统，其中所述量子发射体耦合到谐振器。
110.根据权利要求109所述的系统，其中所述量子发射体被配置为：
当将光子量子比特向所述量子发射体传输时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特；
当将所述光子量子比特向所述量子发射体传输时将所述量子发射体量子比特映射到光子量子比特；或
介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。
111.根据权利要求108所述的系统，其中所述量子发射体包括能够与光子相互作用的静止量子比特。
112.根据权利要求108所述的系统，其中所述量子发射体包括超导量子比特。
113.根据权利要求108所述的系统，其中所述量子发射体包括量子点。
114.根据权利要求108所述的系统，其中所述量子发射体包括中性原子或离子中的至少一者。
115.根据权利要求114所述的系统，其中所述原子是铷原子或所述离子是铷离子。
116.根据权利要求114所述的系统，其中所述原子是铯原子或所述离子是铯离子。
117.根据权利要求108所述的系统，其中所述量子发射体包括锶原子、铒原子、钇原子、钙原子、钡原子、铍原子或镁原子中的至少一者。
118.一种量子计算方法，包括：
经由多个无预报连接传输或接收多个光子，每个连接位于相邻光子处理级之间，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者；和
调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。
119.根据权利要求118所述的方法，其中至少一些光子处理级包括耦合到谐振器的量子发射体，并且所述方法还包括：
当将所述光子量子比特向所述量子发射体传输时将量子发射体量子比特纠缠到光子量子比特；
当将所述光子量子比特向所述量子发射体传输时将量子发射体量子比特映射到光子量子比特；或
介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态。
120.一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行量子计算方法，所述量子计算方法包括：
经由多个无预报连接传输或接收多个光子，每个连接位于相邻光子处理级之间，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者；和
调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IL282705 | 2021-04-27 | ||
| US202263320454P | 2022-03-16 | 2022-03-16 | |
| US63/320,454 | 2022-03-16 | ||
| PCT/IB2022/000564 WO2022263933A2 (en) | 2021-04-27 | 2022-04-27 | Quantum computation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117616434A true CN117616434A (zh) | 2024-02-27 |
Family
ID=85685268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280046061.4A Pending CN117616434A (zh) | 2021-04-27 | 2022-04-27 | 量子计算 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (3) | US11847535B2 (zh) |
| CN (1) | CN117616434A (zh) |
| WO (1) | WO2023175567A1 (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11800629B2 (en) * | 2019-02-26 | 2023-10-24 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Magneto-optical trap method and apparatus using positive and negative g-factors |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3748905B2 (ja) | 1993-08-27 | 2006-02-22 | 三洋電機株式会社 | 量子効果デバイス |
| US5917195A (en) | 1995-02-17 | 1999-06-29 | B.A. Painter, Iii | Phonon resonator and method for its production |
| US7236667B2 (en) | 2004-06-29 | 2007-06-26 | The Johns Hopkins University | Techniques for use of nanocavities to enhance quantum processing with photons and the Zeno effect |
| US7944317B2 (en) * | 2008-08-11 | 2011-05-17 | Honeywell International Inc. | Cold atom micro primary standard |
| US8941053B1 (en) * | 2011-09-28 | 2015-01-27 | Sandia Corporation | High data-rate atom interferometers through high recapture efficiency |
| US9128246B2 (en) | 2011-10-17 | 2015-09-08 | University Of Maryland, College Park | Systems, methods, and devices for optomechanically induced non-reciprocity |
| US8975617B2 (en) | 2013-06-03 | 2015-03-10 | Dan Berco | Quantum interference device |
| US9858531B1 (en) | 2013-08-02 | 2018-01-02 | University Of Maryland | Fault tolerant scalable modular quantum computer architecture with an enhanced control of multi-mode couplings between trapped ion qubits |
| WO2016157184A1 (en) | 2015-03-30 | 2016-10-06 | Yeda Research And Development Co. Ltd. | All-optical single-atom photon router controlled by a single photon |
| US20190181611A1 (en) * | 2017-12-08 | 2019-06-13 | Oewaves, Inc. | Common mode noise suppression of optical frequency combs for optical clock applications |
| EP3864110A1 (en) * | 2018-10-12 | 2021-08-18 | California Institute of Technology | Controlling alkaline earth atoms for quantum computing and metrology applications |
| US11475347B1 (en) | 2018-11-21 | 2022-10-18 | PsiQuantum Corp. | Systems and methods for generating entanglement between qubits |
| US11501198B1 (en) | 2019-01-22 | 2022-11-15 | PsiQuantum Corp. | Generation of an entangled photonic state from primitive resources |
| US11150609B1 (en) * | 2019-09-25 | 2021-10-19 | National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc | Trapped ion platform with optical input and output |
| US11522117B2 (en) | 2020-03-18 | 2022-12-06 | Massachusetts Institute Of Technology | Phononic bus for coherent interfaces between a superconducting quantum processor, spin memory, and photonic quantum networks |
| CA3174231A1 (en) | 2020-03-30 | 2021-10-07 | Psiquantum, Corp. | Encoded fusion measurements with local adaptivity |
| US20210406756A1 (en) * | 2020-06-25 | 2021-12-30 | IonQ, Inc. | Cooling high motional states in ion trap quantum computers |
| IL282705A (en) | 2021-04-27 | 2022-11-01 | Yeda Res & Dev | A deterministic photonic graph state generator |
| US20230194343A1 (en) | 2021-12-17 | 2023-06-22 | President And Fellows Of Harvard College | Efficient source of shaped single photons based on an integrated diamond nanophotonic system |
-
2022
- 2022-04-27 CN CN202280046061.4A patent/CN117616434A/zh active Pending
-
2023
- 2023-03-16 WO PCT/IB2023/052601 patent/WO2023175567A1/en unknown
- 2023-04-14 US US18/300,584 patent/US11847535B2/en active Active
- 2023-04-14 US US18/300,629 patent/US11983607B2/en active Active
- 2023-10-10 US US18/378,617 patent/US20240127099A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230419150A1 (en) | 2023-12-28 |
| US20240127099A1 (en) | 2024-04-18 |
| WO2023175567A1 (en) | 2023-09-21 |
| US20230297872A1 (en) | 2023-09-21 |
| US11847535B2 (en) | 2023-12-19 |
| US11983607B2 (en) | 2024-05-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Perfect quantum state transfer in a superconducting qubit chain with parametrically tunable couplings | |
| US11699738B2 (en) | Qubit array reparation | |
| Reiserer et al. | Cavity-based quantum networks with single atoms and optical photons | |
| JP4615014B2 (ja) | 量子コヒーレントシステム及び動作 | |
| Perez-Leija et al. | Coherent quantum transport in photonic lattices | |
| US20220222567A1 (en) | Photonic Quantum Networking for Large Superconducting Qubit Modules | |
| US11972324B2 (en) | Entangling gate for entangled graph state generation | |
| US20230222375A1 (en) | Quantum circuit, quantum computer, and method of manufacturing quantum circuit | |
| AU2022210786A1 (en) | Generation and measurement of entangled systems of photonic gkp qubits | |
| US20240127099A1 (en) | Resonator couplable to alkali atom for qubit generation and entanglement | |
| Duan et al. | Robust probabilistic quantum information processing with atoms, photons, and atomic ensembles | |
| US11977955B2 (en) | Multiple cavity-coupled emitters for generating a graph state | |
| McMahon et al. | Towards quantum repeaters with solid-state qubits: spin-photon entanglement generation using self-assembled quantum dots | |
| Malinowski | Unitary and dissipative trapped-ion entanglement using integrated optics | |
| Ruskuc et al. | Scalable Multipartite Entanglement of Remote Rare-earth Ion Qubits | |
| Yamamoto et al. | Optically controlled semiconductor spin qubits for quantum information processing | |
| Pompili | Multi-Node Quantum Networks with Diamond Qubits | |
| Gao | Towards large scale quantum networks | |
| Owens | Toward a logical qubit demonstration with trapped ions in a scalable quantum computing architecture | |
| Walsh | Microwave and optical control of sub-diffraction spin qubits in diamond at cryogenic temperatures | |
| Erickson | Mixed-Species Quantum Logic with Trapped Ions for Gate Teleportation, Metrology, and High-Fidelity Indirect Readout | |
| Isenhower | DEMONSTRATION OF RYDBERG BLOCKADE AND A NEUTRAL ATOM CNOT GATE | |
| Ocola | A nanophotonic device as a quantum network node for atoms in optical tweezers | |
| Bechler | Atom-photon interactions in open quantum systems | |
| Barter | Deterministic quantum feedback control in probabilistic atom-photon entanglement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |