CN117916744A - 用囚禁离子量子计算机中的同时纠缠门构建量子电路 - Google Patents

用囚禁离子量子计算机中的同时纠缠门构建量子电路 Download PDF

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CN117916744A CN202280049703.6A CN202280049703A CN117916744A CN 117916744 A CN117916744 A CN 117916744A CN 202280049703 A CN202280049703 A CN 202280049703A CN 117916744 A CN117916744 A CN 117916744A
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Abstract

一种使用包括经典计算机、系统控制器和量子处理器的离子阱量子计算系统执行计算的方法，该方法包括：通过所述经典计算机计算电路，所述电路使用一或多个有效任意同时纠缠(EASE)门来实现选择的一组门操作；通过所述系统控制器在所述量子处理器上实现所计算的电路；通过所述系统控制器测量所述量子处理器中量子位状态的布居；以及通过所述经典计算机输出所测量的所述量子处理器中量子位状态的布居。

Description

用囚禁离子量子计算机中的同时纠缠门构建量子电路
政府权利
本发明是在美国国家标准技术研究所授予的合同编号70NANB16H168的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。
技术领域
本发明一般涉及在离子阱量子计算机中执行计算的方法，更具体地，涉及使用有效任意同时纠缠(efficient arbitrary simultaneous entangling，EASE)门构建量子电路的方法。
背景技术
与经典计算机的功能相比，量子计算机已被证明可以提高某些计算任务的性能。传统上，用于执行此类计算任务的量子算法是由一组顺序执行的包括单量子位门和双量子位门的通用门编译的。然而，即使使用当今存在的不同的可用量子计算架构，也不能实现类似于传统计算中使用的单指令多数据(single instruction,multipledata，SIMD)处理的同时(并行)计算，从而产生比期望的计算时间更长的计算时间。
因此，需要并行处理的方法来执行高效的量子计算。
发明内容
本发明的实施例提供了一种使用包括经典计算机、系统控制器和量子处理器的离子阱量子计算系统执行计算的方法。该方法包括：通过所述经典计算机计算电路，所述电路使用一或多个有效任意同时纠缠(EASE)门来实现选择的一组门操作；通过所述系统控制器在所述量子处理器上实现所计算的电路；通过所述系统控制器测量所述量子处理器中量子位状态的布居(population)；以及通过所述经典计算机输出所测量的所述量子处理器中量子位状态的布居。
本发明的实施例还提供了一种离子阱量子计算系统。所述离子阱量子计算系统包括：量子处理器，其包括多个量子位，每个量子位包括具有两个超精细态的囚禁离子；一个或多个激光器，其被配置为发射激光束，所述激光束被提供给所述量子处理器中的囚禁离子；经典计算机；和系统控制器。所述经典计算机被配置为执行操作，所述操作包括：计算电路，所述电路使用一个或多个有效任意同时纠缠(EASE)门来实现选择的一组门操作。所述系统控制器被配置为执行控制程序，以控制所述一个或多个激光器对所述量子处理器执行操作，所述操作包括：在所述量子处理器上实现所计算的电路；以及测量所述量子处理器中量子位状态的布居。所述经典计算机被进一步配置为输出所测量的所述量子处理器中量子位状态的布居。
本发明的实施例还提供了一种离子阱量子计算系统。所述离子阱量子计算系统包括：经典计算机；量子处理器，所述量子处理器包括多个量子位，每个量子位包括具有两个超精细态的囚禁离子；非易失性存储器，其中存储有多个指令；系统控制器，其被配置为执行控制程序，以控制一个或多个激光器对所述量子处理器执行操作；和非易失性存储器，其中存储有多个指令。当由一或多个处理器执行时，所述多个指令使所述离子阱量子计算系统执行操作，所述操作包括：通过所述经典计算机计算电路，所述电路使用一或多个有效任意同时纠缠(EASE)门来实现选择的一组门操作；通过所述系统控制器在所述量子处理器上实现所计算的电路；通过所述系统控制器测量所述量子处理器中量子位状态的布居；以及通过所述经典计算机输出所测量的所述量子处理器中量子位状态的布居。
附图说明
为了能够详细地理解本发明的上述特征，可以通过参考实施例对上文简要总结的本发明进行更具体描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应将附图视为对本发明范围的限制，因为本发明可以允许其他同等高效的实施例。
图1是根据一个实施例的离子阱量子计算机的局部视图。
图2示出了根据一个实施例的用于将离子约束在一条链中的离子阱的示意图。
图3示出了根据一个实施例的一条囚禁离子链中的每个离子的示意性能量图。
图4A、图4B和图4C示出了一条五个囚禁离子的链的一些示意性集体横向运动模式结构。
图5A和图5B示出了根据一个实施例的每个离子的运动边带谱和运动模式的示意图。
图6示出了根据一个实施例说明用于构建实现作用于n个量子位的CZ门层的电路的方法的流程图。
图7示出了根据一个实施例说明用于构建实现作用于n个量子位的CNOT门层的没有辅助量子位的电路的方法的流程图。
图8示出了根据一个实施例说明用于构建实现作用于n个量子位的CNOT门层的具有n/2个辅助量子位的电路的方法的流程图。
图9示出了根据一个实施例说明用于构建实现作用于n个量子位(n＝5,6)的C(n-1)Z门的电路的方法的流程图。
图10示出了根据一个实施例说明用于构建使用2n个辅助量子位实现作用于n个量子位的C(n-1)Z门的电路的方法的流程图。
图11示出了根据一个实施例说明用于构建实现作用于n个量子位的量子位排列门的电路的方法的流程图。
图12示出了根据一个实施例说明用于构建实现作用于n个量子位的受控SWAP门的电路的方法的流程图。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来指示附图中共有的相同元件。在附图和以下描述中，使用包括X轴、Y轴和Z轴的正交坐标系。为方便起见，假定图中箭头表示的方向为正方向。可以设想，在一些实施例中公开的元件可以有益地用于其他实施方案而无需具体叙述。
具体实施方式
本文描述的实施例通常涉及一种在量子计算机(如离子阱量子计算机)中使用有效任意同时纠缠(EASE)门构建量子电路的方法和系统。与传统计算中使用的单指令多数据(SIMD)处理类似，使用EASE门的并行处理提供了更高效的量子计算过程。
能够使用囚禁离子进行量子计算的整体系统将包括经典计算机、系统控制器和量子处理器。经典计算机执行支持和系统控制任务，包括通过使用诸如图形处理单元(GPU)的用户界面来选择要运行的量子算法，将所选择的量子算法编译成一系列量子电路，将该系列量子电路转换成激光脉冲以施加在量子处理器上，以及通过使用中央处理单元(CPU)来预先计算优化激光脉冲的参数。用于执行分解和执行量子算法的任务的软件程序存储在经典计算机内的非易失性存储器中。量子处理器包括与各种硬件耦合的囚禁离子，所述硬件包括用于操纵囚禁离子的内部超精细态(量子位状态)的激光器和用于读出囚禁离子的内部超精细态的声光调制器。系统控制器在开始在量子处理器上运行所选择的算法时从经典计算机接收预先计算的激光脉冲的参数、控制与控制用于在量子处理器上运行所选择的算法的任何和所有方面相关联的各种硬件，并在运行算法结束时将量子处理器的读数以及量子计算结果的输出返回到经典计算机。
一般硬件配置
图1是根据一个实施例的离子阱量子计算系统100(或简称为系统100)的局部示意图。系统100包括经典(数字)计算机102和系统控制器104。图1所示的系统100的其他组件与量子处理器相关，包括沿Z轴延伸的囚禁离子组106(即，示出为彼此大约等间隔的五个圆)。囚禁离子组106中的每个离子是具有核自旋I和电子自旋S的离子，所述核自旋I和所述电子自旋s之间的差为零，例如正镱离子171Yb+、正钡离子133Ba+、正镉离子111Cd+或113Cd+，它们都具有核自旋和2S1/2超精细态。在一些实施例中，囚禁离子组106中的所有离子是相同物种和同位素(例如，171Yb+)。在一些其他实施例中，囚禁离子组106包括一种或多种物种或同位素(例如，一些离子为171Yb+，一些其他离子为133Ba+)。在另外的实施例中，囚禁离子组106可包括相同物种的各种同位素(例如，Yb的不同同位素、Ba的不同同位素)。囚禁离子组106中的离子用单独的激光束单独寻址。经典计算机102包括中央处理单元(CPU)、存储器和支持电路(或I/O)(未示出)。存储器连接到CPU，并且可以是一个或多个容易获得的存储器，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、软盘、硬盘或任何其他形式的本地或远程数字存储。软件指令、算法和数据可以被编码并存储在存储器中，用于指示CPU。支持电路(未示出)也连接到CPU，用于以常规方式支持处理器。支持电路可包括常规高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统等。
成像物镜108，如具有例如0.37的数值孔径(NA)的物镜，沿着Y轴收集来自离子的荧光并且将每个离子映射到多通道光电倍增管(PMT)110(或一些其他的成像装置)上，用于测量各个离子。沿X轴提供的来自激光器112的拉曼激光束对离子执行操作。衍射分束器114创建使用多通道声光调制器(AOM)118分别切换的拉曼激光束阵列116。AOM 118被配置为通过分别控制拉曼激光束116的发射来选择性地作用于各个离子。与拉曼激光束116非共传播的全局拉曼激光束120从不同方向一次照射所有离子。在一些实施例中，可以使用各个拉曼激光束(未示出)而不是单个全局拉曼激光束120分别照射各个离子。系统控制器(也称为“RF控制器”)104控制AOM 118并且因此控制将被施加到囚禁离子组106中的囚禁离子的激光脉冲的强度、定时和相位。CPU 122是系统控制器104的处理器。ROM 124存储各种程序，RAM 126是各种程序和数据的工作存储器。存储单元128包括非易失性存储器，如硬盘驱动器(HDD)或闪存，并且即使断电也存储各种程序。CPU 122、ROM 124、RAM 126和存储单元128经由总线130互连。系统控制器104执行存储在ROM 124或存储单元128中的控制程序，并使用RAM 126作为工作区。控制程序包括软件应用程序，其包括可由CPU 122执行的程序代码，以执行与接收和分析数据以及控制用于实现并操作本文所讨论的离子阱量子计算系统100的方法和硬件的任何和所有方面相关联的各种功能。
图2示出了根据一个实施例的用于约束组106中的离子的离子阱200(也称为“Paul阱”)的示意图。约束势由静态(DC)电压和射频(RF)电压二者施加。静态(DC)电压VS施加到端盖电极210和212，以沿Z轴(也称为“轴向”或“纵向”)约束离子。由于离子之间的库仑相互作用，组106中的离子在轴向上几乎均匀分布。在一些实施例中，离子阱200包括沿Z轴延伸的四个双曲线形电极202、204、206和208。
在操作期间，将正弦电压V1(具有振幅VRF/2)施加到相对的一对电极202、204，并且将与正弦电压V1相移180°的正弦电压V2(具有振幅VRF/2)以驱动频率ωRF施加到相对的另一对电极206、208，从而产生四极电势。在一些实施例中，正弦电压仅施加到相对的一对电极202、204，并且相对的另一对电极206、208接地。四极电势在垂直于Z轴的X-Y平面上(也称为“径向”或“横向”)为每个囚禁离子产生有效约束力，该约束力与RF电场消失的鞍点(即，轴向(Z方向)上的位置)的距离成比例。每个离子在径向(即，X-Y平面中的方向)上的运动近似为谐振(称为长期运动)，恢复力在径向上朝向鞍点，并可分别通过弹簧常数kx和ky进行建模。在一些实施例中，当四极电势在径向上对称时，径向上的弹簧常数被建模为相等。然而，在一些不期望的情况下，离子在径向上的运动可能由于物理阱配置中的一些不对称、由于电极表面的不均匀而产生的小DC贴片电势等而扭曲，并且由于这些和其他外部扭曲源，离子的中心可能偏离鞍点。
尽管未示出，但不同类型的阱是微制造的阱芯片，其中使用与上述方法类似的方法将离子或原子保持或约束在微制造的阱芯片表面上方的适当位置。激光束，例如上述拉曼激光束，可以被施加到离子或原子上，因为它们正好位于表面上方。
图3示出了根据一个实施例的囚禁离子组106中的每个离子的示意性能量图300。囚禁离子组106中的每个离子是具有核自旋I和电子自旋S的离子，核自旋I和电子自旋S之间的差为零。在一个示例中，每个离子可以是正镱离子171Yb+，其具有核自旋和2S1/2超精细态(即，两个电子态)，其能量分裂对应于ω01/2π＝12.642812GHz的频率差(称为“载频”)。在其他示例中，每个离子可以是正钡离子133Ba+、正镉离子111Cd+或113Cd+，它们都具有核自旋和2S1/2超精细态。量子位由两个超精细态构成，表示为|0>和|1>，其中选择超精细基态(即，2S1/2超精细态中的低能态)来表示|0>。在下文中，术语“超精细态”、“内部超精细态”和“量子位”可互换地用于表示|0>和|1>。通过已知的激光冷却方法，如多普勒冷却或分辨边带冷却，可以将每个离子冷却(即，可以降低离子的动能)到接近任何运动模式m的没有声子激发的运动基态|0>m(即，nph＝0)，然后通过光泵浦在超精细基态|0>中制备量子位状态。这里，|0>表示囚禁离子的单独量子位状态，而具有下标m的|0>m表示囚禁离子组106的运动模式m的运动基态。
每个囚禁离子的单独量子位状态可由例如355纳米(nm)的锁模激光器经由激发的2P1/2能级(表示为|e>)来操纵。如图3所示，来自激光器的激光束可以在拉曼配置中被分成一对非共传播的激光束(具有频率ω1的第一激光束和具有频率ω2的第二激光束)，并且相对于|0>和|e>之间的跃迁频率ω0e以单光子跃迁失谐频率Δ＝ω1-ω0e失谐，如图3所示。双光子跃迁失谐频率δ包括调节由第一和第二激光束提供给囚禁离子的能量的量，当组合时，所述能量用于使囚禁离子在超精细态|0>和|1>之间转移。当单光子跃迁失谐频率Δ远大于双光子跃迁失谐频率(也简称为“失谐频率”)δ＝ω1-ω2-ω01(以下表示为±μ，μ是正值)、单光子Rabi频率Ω0e(t)和Ω1e(t)(其与时间相关，并且由第一和第二激光束的振幅和相位确定，在状态|0>和|e>之间以及状态|1>和|e>之间分别以该频率发生Rabi振荡)、以及从激发态|e>的自发发射率时，以双光子Rabi频率Ω(t)诱导两个超精细态|0>和|1>之间的Rabi振荡(称为“载波跃迁”)。双光子Rabi频率Ω(t)的强度(即，振幅的绝对值)与Ω0eΩ1e/2Δ成比例，其中Ω0e和Ω1e分别是由于第一和第二激光束而产生的单光子Rabi频率。在下文中，用于操纵量子位的内部超精细态(量子位状态)的拉曼配置中的该组非共传播激光束可被称为“复合脉冲”或简称为“脉冲”，并且所得到的双光子Rabi频率Ω(t)的时间依赖性图案可被称为脉冲的“振幅”或简称为“脉冲”，下面将对它们进行说明和进一步描述。失谐频率δ＝ω1-ω2-ω01可被称为复合脉冲的失谐频率或脉冲的失谐频率。由第一和第二激光束的振幅确定的双光子Rabi频率Ω(t)的振幅可被称为复合脉冲的“振幅”。
应当注意，在本文所提供的讨论中使用的特定原子物种仅是在电离时具有稳定且定义良好的双能级能量结构并且具有光学上可访问的激发态的原子物种的一个示例，因此不意图限制根据本发明的离子阱量子处理器的可能的配置、规格等。例如，其他离子物种包括碱土金属离子(Be+、Ca+、Sr+、Mg+、Ba+)或过渡金属离子(Zn+、Hg+、Cd+)。
纠缠形成
图4A、图4B和图4C示出了例如五个囚禁离子的组106的集体横向运动模式(也简称为“运动模式结构”)的一些示意性结构。这里，由于施加到端盖电极210和212的静态电压VS引起的约束势与径向上的约束势相比较弱。囚禁离子组106在横向上的集体运动模式由囚禁离子之间的库仑相互作用与离子阱200产生的约束势相结合来确定。囚禁离子经历集体横向运动(称为“集体横向运动模式”、“集体运动模式”或简称“运动模式”)，其中每个模式都有一个与其相关的不同能量(或等效为频率)。具有第m个最低能量的运动模式在下文中称为|nph>m，其中，nph表示运动模式中的运动量子(以能量激发为单位，称为声子)的数量，并且在给定的横向上的运动模式的数量M等于组106中的囚禁离子的数量。图4A-图4C示意性地示出了位于组106中的五个囚禁离子可能经历的不同类型的集体横向运动模式的示例。图4A是具有最高能量的共同运动模式|nph>M的示意图，其中M是运动模式的数量。在共同运动模式|n>M中，所有离子都在横向上同相振荡。图4B是具有第二高能量的倾斜运动模式|nph>M-1的示意图。在倾斜运动模式中，两端的离子在横向上异相(即，在相反方向)移动。图4C是较高阶运动模式|nph>M-3的示意图，其能量低于倾斜运动模式|nph>M-1的能量，其中离子以更复杂的模式图案移动。
应当注意，上述特定配置只是根据本发明的用于约束离子的阱的几个可能示例中的一个，并且不限制根据本发明的阱的可能配置、规范等。例如，电极的几何形状不限于上述双曲线电极。在其他示例中，产生有效电场以使离子在径向上的运动为谐振的阱可以是多层阱，其中多个电极层被堆叠并且RF电压被施加到两个对角相对的电极，或者表面阱，其中所有电极都位于芯片上的单个平面中。此外，阱可以被划分为多个段，相邻的段的对可以通过穿梭一个或多个离子来连接，或者通过光子互连来耦合。阱也可以是在微制造的离子阱芯片上彼此紧密布置的单个囚禁区域的阵列，如上所述那样。在一些实施例中，除了上述RF分量之外，四极电势还具有空间上变化的DC分量。
在离子阱量子计算机中，运动模式可以作为数据总线来中介两个量子位之间的纠缠，该纠缠被用来执行两个量子位之间的纠缠门(称为“XX门”)。也就是说，两个量子位中的每一个都与运动模式纠缠，然后通过使用运动边带激发将该纠缠转移到两个量子位之间的纠缠，如下所述。图5A和图5B示意性地示出了根据一个实施例的在具有频率ωm的运动模式|nph>M中，组106中离子的运动边带频谱的视图。如图5B所示，当复合脉冲的失谐频率为零(即，第一和第二激光束之间的频率差被调谐到载波频率，δ＝ω1-ω2-ω01＝0)时，在量子位状态|0>和|1>之间发生简单Rabi振荡(载波跃迁)。当复合脉冲的失谐频率为正时(即，第一和第二激光束之间的频率差被调谐为高于载波频率，δ＝ω1-ω2-ω01＝μ>0，称为蓝边带)，在复合的量子位运动态|0>|nph>m和|1>|nph+1>m之间发生Rabi振荡(即，当量子位状态|0>翻转到|1>时，发生从表示为|nph>m的具有nph声子激发的第m运动模式到表示为|nph+1>m的具有(nph+1)声子激发的第m运动模式的跃迁)。当复合脉冲的失谐频率为负时(即，第一和第二激光束之间的频率差被调谐为比载波频率低了运动模式|nph>m的频率ωm，δ＝ω1-ω2-ω01＝-μ＜0，称为红边带)，在组合的量子位运动态|0>|nph>m和|1>|nph-1>m之间发生Rabi振荡(即，当量子位状态|0>翻转到|1>时，发生从运动模式|nph>m到少一个声子激发的运动模式|nph-1>m的跃迁)。
通过将具有振幅Ω(i)和Ω(j)和失谐频率μ的、持续时间τ(称为“门持续时间”)的脉冲施加在边带上，可以在一对第i和第j量子位之间实施纠缠门操作(XX门)XXij(θij)
|0>i|0>j→cos(θij)|0>i|0>j-isin(θij)|1>i|1>j
|0>i|1>j→cos(θij)|0>i|1>j-isin(θij)|1>i|0>j
|1>i|0>j→-isin(θij)|0>i|1>j+cos(θij)|1>i|0>j
|1>i|1>j→-isin(θij)|0>i|0>j+cos(θij)|1>i|1>j
其中θij是第i和第j量子位之间的纠缠相互作用，定义为
是量化第i量子位与具有频率ωm的第m运动模式之间的耦合强度的Lamb-Dicke参数，并且M是运动模式的数量(等于组106中的离子数量N)。在上面所示的例子中，对振幅Ω(i)和Ω(j)进行调制。在其他实施例中，也可以调制失谐频率μ，以在一对第i和第j量子位之间实现期望的纠缠门操作(XX门)，XXij(θij)。
通过适当调整振幅Ω(i)可以在任意对量子位上同时执行此纠缠门操作，这种门在下文中被称为有效任意同时纠缠(EASE)门，并被定义为需要注意的是，可以通过本文描述的方法实现的EASE门不限于这种特定形式。例如，EASE门可以是以下形式：其中 是泡利算子，其被定义在指向布洛赫球(Bloch spare)上赤道的向量上，方位角为φi，作用于量子位i，自由参数θij是量子位i和j之间的纠缠耦合。
EASE门与适当的单量子位门相结合，可用于在任意成对的量子位上单独或同时实现各种双量子位门操作，例如ZZ门、受控Z(CZ)门、受控非(CNOT)门和SWAP门。第i和第j量子位上的ZZ门ZZij(θij)根据第i和第j个量子位的逻辑异或(XOR)，将相位添加到双量子位状态|x>i|y>j(x,y＝{0,1})：直到全局相位。以第i量子位(控制位)为条件并以第j量子位(目标位)为目标的CZ门操作，仅当第i和第j量子位都处于状态|1>时，才将相位eiπ(＝-1)添加到双量子位状态|x>i|y>j(x,y＝{0,1}):其中x·y是第i和第j量子位的逻辑与。以第i量子位(控制位)为条件并以第j量子位(目标位)为目标的CNOT门操作，如果第i量子位(控制位)在状态|1>，则翻转第j量子位(目标位)，否则使第i和第j量子位都保持不变，从而将双量子位状态|x>i|y>j(x,y＝{0,1})转换为双量子位状态 其中是第i和第j量子位的逻辑异或(XOR)。第i和第j量子位之间的SWAP门操作交换第i和第j量子位，从而将双量子位状态|x>i|y>j(x,y＝{0,1})转换为双量子位状态 与EASE门一起使用的单量子位操作包括旋转门X(θ)、Y(θ)和Z(θ)、Hadamard门相位门和反相门其中旋转门X(θ)、Y(θ)和Z(θ)分别根据X(θ)：＝ 和 转换量子位的状态|0>和|1>。
用EASE门构建量子电路
在量子计算中，量子算法被选择并分解为一系列量子电路，包括在量子处理器上实现的单量子位门操作、双量子位门操作和多量子位门操作。在一些实施例中，使用常用的量子电路(即量子门操作的某些序列)来分解量子算法。这样的量子电路包括Clifford电路(也称为“稳定器电路”)、多控非门、量子位排列(permutation)门、受控SWAP门和受控排列门。例如，Clifford电路是众所周知的可以由经典计算机有效模拟的电路。量子算法通常被分解为Clifford电路项和非Clifford电路项。多控非门用于运行量子算法，包括Grover算法和量子近似优化算法，实现可逆逻辑，如Reed-Müller类，以及模拟强相互作用材料。量子排列门用于运行量子算法，包括串匹配算法，并使用量子增强的Ewald方法模拟相互作用材料。受控SWAP门用于运行量子算法，包括离散对数算法和Shor算法。受控排列门用于运行量子算法，包括量子串匹配算法。
作用于n个量子位的Clifford电路是一种量子电路，其可以仅由CZ门层(即，n个量子位中的一对或多对量子位上的多个CZ门的组合)、CNOT门层(即，n个量子位中一对或多对量子位上的多个CNOT门的组合)、Hadamard门层(即，n个量子位中的一个或多个量子位上的多个Hadamard H门的组合)和相位门层(即，n个量子位中的一个或多个量子位上的多个相位S门的组合)组成。已经示出了任意Clifford电路被分解为H-S-CZ-CNOT-H-CZ-S-H的正常形式，其中H、S、CZ和CNOT分别代表Hadamard门层、相位门层、CZ门层和CNOT门层。由于Hadamard门H和相位门S是单量子位门操作并且可以被同时且高效地实现，所以在这里描述的实施例中，由EASE门高效地构建在Clifford电路的分解中使用的CZ门层和CNOT门层，以及多控非门和量子位排列门。
在以下描述中，实现门操作或门操作层的电路的“构建”是指通过经典计算机(例如，数字计算机)将给定的门操作或门操作层分解为一个或多个EASE门和单量子位门,以及通过经典计算机对一个或多个EASE门和单量子位门的序列进行计算，它们将要在量子处理器上作为所选择的量子算法的运行的一部分来实现，以完成计算操作。使用通过本文描述的方法有效地构建的门操作和门操作层，可以有效地执行整体量子计算。
CZ门层
如上所述，作用于n个量子位的CZ门层是一个或多个CZ门的组合，每个CZ门都在n个量子位中的一对量子位上。在下面的描述中，将每一对上的CZ门都包含在CZ门层中的成对量子位称为“参与对”，并且将参与对中的量子位称为“参与量子位”。例如，对于包含在成对量子位(1，2)、(1，4)、(3，6)和(3，8)上的CZ门的CZ门层，其中量子位被编号为0,1,…,n-1，参与对是(1，2)、(1，4)、(3，6)和(3，8)，参与量子位是1、2、3、4、6和8。
图6示出了根据一个实施例说明构建实现作用于n个量子位的CZ门层的电路的方法600的流程图。方法600从框602开始，其中，包括在CZ门层中的一个或多个CZ门中的每一个被经典计算机分解为ZZ门和反相S-1门的组合，直到全局相位。在框602中，第i和第j量子位对上的CZ门被分解为第i和第j量子位上的ZZ门ZZij(θij)，其中和第i和第j量子位上的反相S-1门。对于包括在CZ门层中的所有参与对上的一个或多个CZ门，重复进行该分解。
在框604中，通过经典计算机将所有参与对上的ZZ门(即，改变ZZ门和反相S-1门的顺序，使得所有ZZ门(concatenate)级联)集合在一个区块中。框604中的这种操作是可能的，因为ZZ门和反相S-1门可交换(即，ZZ门与反相S-1门的顺序可以互换而不影响门操作的结果)。因此，CZ层现在被分解为一个区块的ZZ门∏i,jZZij(θij)，其中对于所有参与对(i，j)和一层的反相S-1门，
在框606中，由经典计算机构建实现一个区块的ZZ门(∏i,jZZij(θij))的电路。该电路包括一个EASE门和多个Hadamard门H层，因为该区块的ZZ门(∏i,jZZij(θij))可以通过将EASE门， 其中对于参与对(i，j)，与Hadamard门层共轭(conjugating)(即，在EASE门之前和之后应用Hadamard门层)来实现。Hadamard门层包括在所有参与量子位上的Hadamard门。
因此，实现包括在量子位的参与对(i，j)上的CZ门的CZ门层的整个电路包括：包括在所有参与量子位上的Hadamard门的Hadamard门层；一个EASE门，其中对于参与对(i，j)，包括所有参与量子位上的Hadamard门的另一Hadamard门层；包括集合在参与量子位上的反相S-1门的反相层。因此，与使用包括单量子位门和双量子位门、需要O(n2)个双量子位门的通用门集合的传统方法相比，方法600提供了改进的效率。
CNOT门层
作用于n个量子位的CNOT门层是一个或多个CNOT门的组合，每个CNOT门在n个量子位中的一对量子位上。与上面关于CZ门层的描述类似，包含在CNOT门层中的CNOT门所在的成对量子位被称为“参与对”，并且参与对中的量子位被称为“参与量子位”。通常，CNOT门层可以写成，布尔变量的输入集通过n×n转换矩阵MCNOT到布尔变量的输出集的线性转换。每个布尔变量bi(i＝0,1,…,n-1)都由n个量子位表示。在本文描述的实施例中，提供了两种构建实现CNOT门层的电路的方法，一种没有辅助量子位，另一种具有辅助量子位。
图7示出了根据一个实施例说明构建电路的方法700的流程图，该电路实现了作用于n个量子位的CNOT门层，没有辅助量子位。此方法700从框702开始，其中由经典计算机将表示CNOT门层的转换矩阵MCNOT因式分解为n×n下三角矩阵和n×n上三角矩阵的乘积。矩阵MCNOT的这种因式分解是通过本领域公知的上下(LU)分解方法来执行的，并且对于这种情况，可以通过经典计算机以O(n3)的时间标度来有效地执行。
在框704中，由经典计算机构建实现由上三角矩阵U的每一行表示的线性转换的电路。在的条件下，上三角矩阵U的第i行对应于布尔变量bj(j＝i+1,…,n-1)与第i布尔变量bi的模(modulo)2相加，这对应于以第j布尔变量bj(j＝i+1,…,n-1)为条件并以第i布尔变量bi为目标的CNOT门，其中该组CNOT门可以由一个EASE门 其中与适量的单量子位门实现。重复电路的这种构建以实现上三角矩阵U的所有n行。因此，在框704中构建的电路包括n个EASE门和多个单量子位门。
在框706中，由经典计算机构建实现由下三角矩阵L的每一行表示的线性转换的电路。在的条件下，下三角矩阵L的第i行对应于布尔变量bj(j＝0,…,i-1)与第i布尔变量bi的模2相加，这对应于以第j布尔变量bj(j＝0,…,i-1)为条件并以第i布尔变量bi为目标的CNOT门，其中该组CNOT门可以由一个EASE门 其中i>j,与适量的单量子位门实现。重复电路的这种构建以实现下三角矩阵L的所有n行。因此，在框706中构建的电路包括n个EASE门和多个单量子位门。
因此，实现作用于n个量子位的CNOT门层的没有辅助量子位的整个电路包括2n个EASE门和多个单量子位门。因此，与本领域已知的使用包括多个单量子位门和多个双量子位门的需要Ω(n2/log(n))个双量子位门的通用门集合的传统方法相比，方法700提供了改进的效率。
图8示出了根据一个实施例说明构建电路的方法800的流程图，所述电路实现作用于n个量子位的CNOT门层，具有n/2个辅助量子位。在这里描述的例子中，为了简单起见，假设n是2m，其中m是自然数。然而，本领域普通技术人员会容易地知道，方法800可以应用于n是任意数的情况。方法800从框802开始，其中通过经典计算机将表示CNOT门层的转换矩阵MCNOT因式分解为n×n下三角矩阵 和n×n上三角矩阵的乘积。矩阵MCNOT的这种因式分解是通过本领域公知的上下(LU)分解方法来执行的，并且可以通过经典计算机以O(n3)的时间标度来有效地执行。框802中的该分解过程与上述方法700的框702中的分解过程相同。
在框804中，由经典计算机构建电路，该电路使用一个辅助量子位实现由上三角矩阵U的每个2×2区块对角元素 第一行表示的线性转换。在的条件下，上三角矩阵 的第一行对应于布尔变量bi+1与第i布尔变量bi的模2相加。在本文描述的示例中，该电路包括以布尔变量bi+1为条件并以在状态|0>制准的辅助量子位为目标的第一CNOT门。该第一CNOT门将布尔变量bi+1临时复制到该辅助量子位。该电路随后包括以该辅助量子位为条件并以布尔变量bi为目标的第二CNOT门。该第二CNOT门执行布尔变量bi+1与布尔变量bi的模2相加。该电路然后包括与第一CNOT门相同的第三CNOT门。该第三CNOT门将该辅助量子位转换回状态|0>，使得该辅助量子位可以在以下步骤中被重复使用。对于i＝0,2,4,…,，这三个CNOT门中的每一个都可以由一个EASE门和多个单量子位门同时实现。因此，在框804中构建的电路包括三个EASE门和多个单量子位门。
在框806中，由经典计算机构建电路，该电路使用两个辅助量子位实现由上三角矩阵U的每个4×4区块对角元素(i＝0,4,8,…)的2×2个非对角元素表示的线性转换。在框802中构建的电路已经实现了由两个2×2区块对角元素和表示的的线性转换。因此，在框806中要构建的电路实现由2×2非对角元素表示的线性转换。这些线性转换对应于，在的条件下，布尔变量bj(j＝i+2,i+3)与第i布尔变量的模2相加，和在的条件下，布尔变量bj(j＝i+2,i+3)与第i+1布尔变量bi+1的模2相加，其对应于以第j布尔变量bj(j＝i+1,…,n-1)为条件并且以第i+1布尔变量bi+1为目标的CNOT门，其中因此，类似于框804，该电路包括以布尔变量和bi+3为条件并且以在状态|0>制备的第一辅助量子位为目标的第一组CNOT门的第一组，和以布尔变量和bi+3为条件并且以在状态|0>制备的第二辅助量子位为目标的第一组CNOT门的第二组。该第一组CNOT门将布尔变量和分别临时复制到第一辅助量子位和第二辅助量子位。该电路随后包括第二组CNOT门、以第一辅助量子位为条件并以布尔变量为目标的CNOT门、以第二辅助量子位为条件并以布尔变量bi+1为目标CNOT门。该第二组CNOT门执行布尔变量与布尔变量的模2相加，和布尔变量bi+1与布尔变量的模2相加。然后该电路包括与第一组CNOT门相同的第三组CNOT门。该第三组CNOT门将第一辅助量子位和第二辅助量子位数转换回状态|0>,使得这些辅助量子位可以在以下步骤中重复使用。这三组CNOT门中的每一组都可以通过一个EASE门以及多个单量子位门来实现。因此，在框806中构建的电路包括三个EASE门和多个单量子位门。
在框808中，由经典计算机构建电路，该电路使用2l-1个辅助量子位实现由上三角矩阵U的每个2l×2l区块对角元素的2l-1×2l-1非对角元素(l＝3,4,…,m＝logn)表示的线性转换。该电路包括第一组CNOT门，每个CNOT门都以布尔变量 为条件并以2l-1个辅助量子位之一为目标，每个辅助量子位都是在状态|0>制备的。第一组2l-1个CNOT门将布尔变量临时复制到辅助量子位。该电路随后包括第二组CNOT门，每个CNOT门都以辅助量子位之一为条件并以布尔变量为目标。该第二组CNOT门执行布尔变量与布尔变量的模2相加。该电路然后包括与第一组CNOT门相同的第三组CNOT门。该第三组CNOT门将辅助量子位转换回状态|0＞,使得这些辅助量子位可以在以下步骤中重复使用。这些组的2l-1CNOT门中的每一个都可以由一个EASE门和多个单量子位门同时实现。随后从l＝3到l＝m(＝logn)重复此步骤。因此，在框808中构建的电路包括(m-2)×3个EASE门和多个单量子位门。
在框810中，由经典计算机构建电路，该电路使用n/2个辅助量子位实现由下三角矩阵L表示的线性转换。框810中的电路的构建遵循框804-808中的步骤。在框810中构建的电路包括3logn(＝3m)个EASE门和多个单量子位门。
因此，实现作用于n个量子位的CNOT门层的具有n/2个辅助量子位的整个电路包括6logn(＝6m)个EASE门和多个单量子位门。因此，与使用包括多个单量子位门和多个双量子位门的需要Ω(n2/log(n))个双量子位门的通用门集合的传统方法相比，方法800提供了改进的效率。
多控非门
如果所有(n-1)个量子位都处于状态|0＞，则作用于n个量子位的多控非门(表示为Cn-1非门，也称为Toffoli-n门)翻转目标位的值。例如，仅当两个控制位都处于状态|1>时，应用于这两个控制位和一个目标位的C2非门(称为“Toffoli-3门”或简称为“Toffoli门”)才反转目标位，否则保持所有三个量子位不变，从而将三量子位状态|x>|y>|z>(x,y,z＝{0,1})转换成三量子位状态 多控非门可以简单地通过将多控Z门(表示为Cn-1Z门)与应用于目标量子位的Hadamard门共轭(即，在Cn-1Z门之前和之后将Hadamard门应用于目标量子位)来获得。因此，在本文描述的例子中，提供了构建Cn-1非的方法。
通常，Cn-1Z门将n量子位状态|b0b1…bn-1>转换为其中被定义为使用等式 可以扩展指数其根据是
式中是输入的布尔值bj的所有不同长度-l XOR模式的和，并且cl(k,m)表示出现在第k长度-l模式中的第m量子位索引，并且nCl是n选择l。因此，由该Cn-1Z门的转换可以写成 例如，C2Z门将三量子位状态转换为其中T1＝x+y+z(线性项)，(长度2的XOR模式)，和(长度3的XOR模式)。
图9示出了根据一个实施例说明用于构建实现作用于n个量子位(n＝5，6)的Cn-1Z门的电路的方法900的流程图。方法900从框902开始，其中由经典计算机构建电路，该电路将展开中的Cn-1Z门的一组被选择的XOR模式Tl临时复制到辅助量子位。对于C4Z门(n＝5)，所选择的一组XOR模式包括长度2的XOR模式、和和长度5的XOR模式并且这些XOR模式中每个都被复制到每个在状态|0>制备的四个辅助量子位之一上。为此转换，该电路包括：各以布尔变量b2和b3之一为条件并以第一辅助量子位为目标的两个CNOT门、各以布尔变量b2和b4之一为条件并以第二辅助量子位为目标的两个CNOT门、各以布尔变量b3和b4之一为条件并以第三辅助量子位为目标的两个CNOT门、以及各以布尔变量b0、b1、b2、b3和b4之一为条件并以第四辅助量子位为目标的五个CNOT门。对于C5Z门(n＝6)，所选择的一组XOR模式包括：长度2的XOR模式和长度4的XOR模式 和和长度6的XOR模式并且这些XOR模式中每个都被复制到每个在状态|0>制备的七个辅助量子位之一上。为该转换，该电路包括：分别以布尔变量b3和b5为条件并以第一辅助量子位为目标的两个CNOT门、分别以布尔变量b4和b5为条件并以第二辅助量子位为目标的两个CNOT门、分别以布尔变量b0、b1、b2和b5为条件并以第三辅助量子位为目标的四个CNOT门、分别以布尔变量b0、b1、b3和b4为条件并以第四辅助量子位为目标的四个CNOT门、分别以布尔变量b0、b2、b3和b4为条件并以第五辅助量子位为目标的四个CNOT门、分别以布尔变量b1、b2、b3和b4为条件并以第六辅助量子位为目标的四个CNOT门、以及分别以布尔变量b0、b1、b2、b3、b4和b5为条件并以第七辅助量子位为目标的六个CNOT门。所有的CNOT门都可以通过一个EASE门以及适量的单量子位门同时实现。因此，在框902中构建的电路包括一个EASE门和多个单量子位门。
在框904中，由经典计算机构建电路，该电路实现在展开中的Cn-1Z门的展开中的所有项Tl。所有这些项都可以通过带有适当选择的旋转角度θij和θ的ZZ门ZZij(θij)和旋转门ZZ(θ)的组合来实现。所有这些ZZ门都可以由一个EASE门和适量的单量子位门来实现。因此，在框904中构建的电路包括一个EASE门和多个单量子位门。
在框906中，构建包括与框902中相同的一组CNOT门的电路。该电路将所有辅助量子位转换回状态|0>，使得这些辅助量子位可以在以下步骤中重复使用。如上所述，该组CNOT门可以由一个EASE门和适量的单量子位门同时实现。因此，在框906中构建的电路包括一个EASE门和多个单量子位门。
因此，实现作用于n个量子位(n＝5,6)的Cn-1Z门的整个电路包括三个EASE门和多个单量子位门。由于Toffoli-n门可以简单地通过将Cn-1Z门与应用于目标量子位的Hadamard门共轭来获得，因此实现Toffoli-5和Toffoli-6门的电路也包括三个EASE门和多个单量子位门。
应该注意的是，如上所述构建的Toffoli-6门可以用于有效地实现Cn-1Z门(n≥6)。在本领域中已知可以使用n/2个Toffoli-6门来分解Cn-1Z门。因此，Cn-1Z门可以使用3n/2个EASE门和多个单量子位门来实现。因此，与使用包括多个单量子位门和多个双量子位门的需要至少2n个双量子位门的通用门集合的传统方法相比，方法800提供了改进的效率。
图10示出了根据一个实施例说明用于构建电路的方法1000的流程图，该电路使用O(2n)个辅助量子位来实现作用于n个量子位的Cn-1Z门。方法1000从框1002开始，其中构建实现上述展开中的Cn-1Z门的线性项Tl的电路。在框1002中构建的电路与在方法900的框902中构建的电路相同，并且包括量子位j(j＝0,1,…,n-1)上的多个Z门。
在框1004中，构建临时将Cn-1Z门的展开中的所有XOR模式Tl(l＝2,…,n)复制到辅助量子位的电路。有个长度l的XOR模式，每个XOR模式都被复制到辅助量子位。该电路包括多个CNOT门，每个CNOT门都以布尔变量bj为条件并以在状态|0>制备的辅助量子位为目标。所有CNOT门都可以由一个EASE门和适量的单量子位门同时实现。因此，在框1004中构建的电路包括一个EASE门和多个单量子位门。
在框1006中，由经典计算机构建电路，该电路实现对每个XOR模式Tl(l＝2,…,n)的相移所有XOR模式都已经被复制到辅助量子位，因此在框1006中构建的电路包括辅助量子位上的多个Z门。
在框1008中，由经典计算机构建将所有辅助量子位转换回状态|0>的电路。在框1008中构建的电路与在框1004中构建的电路相同，并且包括一个EASE门和多个单量子位门。
因此，使用2n个辅助量子位实现作用于n个量子位的Cn-1Z门的整个电路包括两个EASE门和多个单量子位门。因此，与使用包括多个单量子位门和多个双量子位门的需要至少2n个双量子位门的通用门集合的传统方法相比，方法1000提供了改进的效率。
量子排列门
图11示出了根据一个实施例说明构建实现作用于n个量子位的量子位排列门的电路的方法1100的流程图。方法1100从框1102开始，其中将量子位排列操作分解为多个SWAP门。在本领域中已知，量子位排列操作可以实现为使用n个辅助量子位的四层SWAP门，或者不使用辅助量子位的六层SWAP门。
在框1104中，将每个SWAP门分解为多个CNOT门。在本领域中已知SWAP门可以实现为三个CNOT门。
在框1106中，由经典计算机构建实现CNOT门的电路。由于每个CNOT门可以由一个EASE门以及适量的单量子位门来实现，所以在框1106中构建的电路包括三个EASE门和多个单量子位门。
因此，实现量子位排列的整个电路包括12个EASE门和多个单量子位门，使用n个辅助量子位，或者包括18个EASE门和多个单量子位门，不使用辅助量子位。因此，与使用包括多个单量子位门和多个双量子位门的需要O(n)个双量子位门的通用门集合的传统方法相比，方法1100提供了改进的效率。
受控排列门
图12示出了根据一个实施例说明构建电路的方法1200的流程图，该电路实现作用于n个量子位的受控排列门。方法1200从框1202开始，其中将受控排列门分解为具有共享控制的多个受控SWAP门。在本领域中已知，每个受控SWAP门可以实现为七个CNOT门。
在框1204中，由经典计算机构建实现CNOT门的电路。由于七个CNOT门中的每一个可以由一个EASE门与适量的单量子位门同时实现，因此在框1204中构建的电路包括七个EASE门和多个单量子位门。
因此，实现受控排列门的整个电路包括O(1)个EASE门和多个单量子位门。因此，与使用包括多个单量子位门和多个双量子位门的需要O(n)个双量子位门的通用门集合的传统方法相比，方法1200提供了改进的效率。
使用本文描述的方法来实现受控排列门，可以降低使用受控排列的量子算法的复杂性。例如，在长度N的文本中匹配长度M的模式的字符串匹配算法的电路深度可以从降到 辅助量子位的数量也减少了log N。
在量子计算机上实现了包括一个或多个EASE门和多个单量子位门的各种量子电路，这些量子电路由经典计算机通过使用本文所述的方法形成，并与其他量子电路组合以执行量子计算。每个EASE门可以通过美国申请16/578137(标题为“SimultaneouslyEntangling Gates For Trapped-Ion Quantum Computers”)和美国申请16/854043(标题为“Amplitude,Frequency,And Phase Modulated Simultaneous Entangling Gates ForTrapped-Ion Quantum Computers”)中详细描述的方法在量子计算机上实现，这两件申请通过引用并入本文。可以通过将激光脉冲应用于每个参与量子位来实现在量子处理器内对任意对量子位同时执行纠缠门操作的EASE门，其中每个脉冲的幅度和相位由经典计算机内的软件程序适当调整。由软件程序确定的脉冲被施加到量子处理器(n个囚禁离子的链)内的参与量子位，以通过系统控制器的控制，在所选量子位对上执行EASE门操作。
在量子计算结束时，通过由成像物镜108获得并映射到PMT 110上的测量来确定(读出)量子处理器(包括囚禁离子组106)内(囚禁离子)的量子位状态的布居，从而可以确定量子计算的结果并将其作为输入提供给经典计算机(例如，数字计算机)。量子计算的结果然后可以由经典计算机102处理并输出到用户接口，例如经典计算机102的图形处理单元(GPU)，打印在纸上和/或保存在经典计算机102的存储器中。量子计算的结果可以由经典计算机用来执行期望的活动或获得通常不能由经典计算机单独确定或在合理的时间内确定的问题的解。已知当今传统计算机(即，经典计算机)难以解决或无法确定并且可以通过使用从所执行的量子计算获得的结果来解决的问题可以包括但不限于模拟复杂分子和材料的内部化学结构以及因式分解大整数。
与本领域已知的其他现有的量子电路构建方法相比，本文描述的使用EASE门构建量子电路的方法在计算复杂性方面有所改进。作用于n个量子位的CZ门层可以通过一个EASE门和多个单量子位门通过上述方法600来实现，而传统方法使用包括多个单量子位门和多个双量子位门的需要O(n2)个双量子位门的通用门集合。通过上述方法700，可以由2n个EASE门和多个单量子位门并且不使用辅助量子位来实现作用于n个量子位的CNOT门层，而传统方法需要O(n2)个双量子位门。作用于n个量子位的CNOT门层可以通过上述方法800由6log n个EASE门和多个单量子位门并且使用n/2个辅助量子位来实现，而传统方法需要O(n2)个双量子位门。Toffoli-5和Toffoli-6门可以通过上述方法900由3个EASE门和多个单量子位门来实现，而传统方法需要至少10个和12个双量子位门。通过上述方法900，作用于n个量子位的Toffoli-n门可以由3n/2个EASE门和多个单量子位门来实现，而传统方法需要至少2n个双量子位门。通过上述方法1000，作用于n个量子位的Toffoli-n门可以由2个EASE门并使用O(2n)个辅助量子位来实现，而传统方法需要至少2n个双量子位门。量子位排列操作和作用于n个量子位的受控排列门可以分别通过O(1)个EASE门(即，所需EASE门的数量随着量子位数量n的增加而恒定)和多个单量子位来实现，而传统方法需要O(n)个双量子位门。
虽然前述内容涉及特定实施例，但是可以在不脱离其基本范围的情况下设计出其他和进一步的实施例，并且其范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种使用包括经典计算机、系统控制器和量子处理器的离子阱量子计算系统执行计算的方法，该方法包括：
通过所述经典计算机计算电路，所述电路使用一个或多个有效任意同时纠缠EASE门来实现选择的一组门操作；
通过所述系统控制器在所述量子处理器上实现所计算的电路；
通过所述系统控制器测量所述量子处理器中量子位状态的布居；以及
通过所述经典计算机输出所测量的所述量子处理器中量子位状态的布居。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控Z门的层，每个受控Z门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括一个EASE门和多个单量子位门。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控非门的层，每个受控非门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括2n个EASE门和多个单量子位门。
4.根据权利要求1所述的方法，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控非门的层，每个受控非门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括6logn个EASE门和多个单量子位门，使用n/2个辅助量子位。
5.根据权利要求1所述的方法，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的多控非门，以及
所计算的电路包括3n/2个EASE门和多个单量子位门。
6.根据权利要求1所述的方法，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的量子位排列门，以及
所计算的电路包括12个EASE门和多个单量子位门，使用n个辅助量子位，或者包括18个EASE门和多个单量子位门，不使用n个辅助量子位。
7.根据权利要求1所述的方法，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的受控排列门，以及
所计算的电路包括O(1)个EASE门和多个单量子位门。
8.一种离子阱量子计算系统，其包括：
量子处理器，其包括n个量子位，每个量子位包括具有两个超精细态的囚禁离子；
一个或多个激光器，所述激光器被配置为发射激光束，所述激光束被提供给所述量子处理器中的囚禁离子；
经典计算机，所述经典计算机被配置为执行操作，所述操作包括：
计算电路，所述电路使用一个或多个有效任意同时纠缠EASE门来实现选择的一组门操作；和
系统控制器，所述系统控制器被配置为执行控制程序，以控制所述一个或多个激光器在所述量子处理器上执行操作，所述操作包括：
在所述量子处理器上实现所计算的电路；以及
测量所述量子处理器中量子位状态的布居，
其中所述经典计算机被进一步配置为输出所测量的所述量子处理器中量子位状态的布居。
9.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控Z门的层，每个受控Z门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括一个EASE门和多个单量子位门。
10.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控非门的层，每个受控非门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括2n个EASE门和多个单量子位门。
11.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控非门的层，每个受控非门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括6logn个EASE门和多个单量子位门，使用n/2个辅助量子位。
12.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的多控非门，以及
所计算的电路包括3n/2个EASE门和多个单量子位门。
13.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的量子位排列门，以及
所计算的电路包括12个EASE门和多个单量子位门，使用n个辅助量子位，或者包括18个EASE门和多个单量子位门，不使用n个辅助量子位。
14.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的受控排列门，以及
所计算的电路包括O(1)个EASE门和多个单量子位门。
15.一种离子阱量子计算系统，其包括：
经典计算机；
量子处理器，所述量子处理器包括n个量子位，每个量子位包括具有两个超精细态的囚禁离子；
系统控制器，所述系统控制器被配置为执行控制程序，以控制一个或多个激光器在所述量子处理器上执行操作；和
非易失性存储器，其中存储有多个指令，当由一或多个处理器执行时，所述多个指令使所述离子阱量子计算系统执行操作，所述操作包括：
通过所述经典计算机计算电路，所述电路使用一个或多个有效任意同时纠缠EASE门来实现选择的一组门操作；
通过所述系统控制器在所述量子处理器上实现所计算的电路；
通过所述系统控制器测量所述量子处理器中量子位状态的布居；以及
通过所述经典计算机输出所测量的所述量子处理器中量子位状态的布居。
16.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控Z门的层，每个受控Z门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括一个EASE门和多个单量子位门。
17.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作集合包括一个或多个受控非门的层，每个受控非门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括2n个EASE门和多个单量子位门。
18.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括一个或多个受控非门的层，每个受控非门被应用于所述量子处理器中的n个量子位中的一对量子位，并且
所计算的电路包括6logn个EASE门和多个单量子位门，使用n/2个辅助量子位。
19.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的多控非门，以及
所计算的电路包括3n/2个EASE门和多个单量子位门。
20.根据权利要求8所述的离子阱量子计算系统，其中
所选择的一组门操作包括作用于所述量子处理器中的n个量子位的量子位排列门，以及
所计算的电路包括12个EASE门和多个单量子位门，使用n个辅助量子位，或者包括18个EASE门和多个单量子位门，不使用n个辅助量子位。
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