DE112012001735T5

DE112012001735T5 - Modulare Anordnung von Quantensystemen mit fester Kopplung zur Quanteninformationsverarbeitung

Info

Publication number: DE112012001735T5
Application number: DE112012001735.8T
Authority: DE
Inventors: Mark B. Ketchen; Chad T. Rigetti; Matthias Steffen; Jay M. Gambetta
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2014-03-13
Also published as: CN103563084B; WO2012173711A1; US20120326720A1; GB2507208A; WO2012173712A1; CN103582949A; US20120319085A1; DE112012001847T5; CN103582949B; GB201400204D0; GB201400205D0; CN103563084A; GB2506077A; US20120319684A1; US8642998B2; US9379303B2

Abstract

Ein Quanteninformationsverarbeitungssystem beinhaltet ein erstes kombiniertes Quantensystem, ein zweites kombiniertes Quantensystem, eine Vielzahl mit dem System verbundener elektromagnetischer Feldquellen und eine einstellbare elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten kombiniertes Quantensystem und dem zweiten kombinierten Quantensystem.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Priorität wird beansprucht auf der Grundlage der Provisorischen US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 61/497 018, eingereicht am 14. Juni 2011, mit dem Titel „ARRAY OF THREE DIMENSIONAL SUPERCONDUCTING QUBIT/CAVITY CLUSTERS FOR QUANTUM COMPUTING”, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen ist. Diese Anmeldung ist verwandt mit den gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldungen mit dem Titel „ARRAY OF QUANTUM SYSTEMS IN A CAVITY FOR QUANTUM COMPUTING”, eingereicht am xx/xx/xx, Akten-Nr. #YOR920110314US2 und zugehörige Serien-Nr. [xx/xxx,xxx], die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft die Quanteninformationsverarbeitung und insbesondere einen modularen Aufbau für Quanteninformationsverarbeitungs-Hardware auf der Grundlage einer Anordnung von Quantensystemclustern.
Bei der Quanteninformationsverarbeitung handelt es sich um einen neuen Ansatz zur Informationsverarbeitung, bei der Informationen in Systemen gespeichert und verarbeitet werden, die nicht den Gesetzen der klassischen Mechanik, sondern den Gesetzen der Quantenmechanik folgen. Theoretisch konnte gezeigt werden, dass solche Computer in der Lage sind, wichtige Probleme unter Verwendung von exponentiell geringeren Datenverarbeitungsressourcen (z. B. Operationen, Speicherelemente) als klassische Computer zu lösen. Demgemäß bietet die Quantenphysik eine Grundlage für das Erreichen einer Datenverarbeitungsleistung zum Bearbeiten bestimmter Arten von Problemen, die mit der derzeitigen maschinellen Datenverarbeitung nicht lösbar sind.
Analog zu klassischen Bits wird die Grundeinheit einer Quanteninformation als Quantenbit oder Qubit bezeichnet. Um Aufgaben der Quanteninformationsverarbeitung auszuführen, muss eine physische Verkörperung einer Vielzahl von Quantenbits entwickelt und realisiert werden. Diese physischen Verkörperungen werden ebenso als Quantenbits oder Qubits bezeichnet. Der Begriff „Qubit” wird somit unter Bezugnahme auf das physische System, das die Verkörperung bewirkt, und die Einheit der darin gespeicherten Quanteninformation gebraucht.
Das physische quantenmechanische System, das die Verkörperung eines Qubits vornimmt, muss mindestens zwei verschiedene und unterscheidbare Eigenzustände aufweisen, um mindestens zwei Logikzustände darzustellen. Desgleichen können Verkörperungen verwendet werden, bei denen die Anzahl verschiedener und unterscheidbarer Eigenzustände größer als zwei ist. Diese zusätzlichen Eigenzustände können ausdrücklich zum Darstellen zusätzlicher Logikzustände oder anderweitig für eine Informationsverarbeitungs-Task verwendet werden. Insbesondere können zusätzliche Eigenzustände genutzt werden, um eine Messung der beiden Eigenzustände zu ermöglichen, welche die beiden Logikzustände codieren; oder um Transformationen des Hilbert-Raums zu ermöglichen, der den beiden Eigenzuständen zugehörig ist, welche die beiden Logikzustände codieren.
Als mögliche Strukturen und Entwicklungsgrundlagen für die Quanteninformationsverarbeitung sind verschiedene physische Systeme und Fachgebiete der Physik vorgeschlagen worden. Hierzu gehören, ohne darauf beschränkt zu sein: Festkörper-Kernspins, die elektronisch oder mittels Kernmagnetresonanz gemessen und gesteuert werden, eingefangene Ionen, Atome in optischen Resonatoren (Resonator-Quantenelektrodynamik), Flüssigkeitskernspins, Freiheitsgrade der Elektronenladung oder des Elektronenspins in Quantenpunkten, supraleitende Quantenschaltungen auf der Grundlage von Josephson-Übergängen und Elektronen in Helium.
Derzeit befassen sich die aktivsten Forschungsbereiche in Bezug auf die Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Qubits, eingefangenen Ionen, eingefangenen Atomen und Quantenpunkten. Der bisher größte in einem dieser Systeme gebaute Quantencomputer besteht aus ungefähr 10 bis 16 Qbits, und die meisten Implementierungen zielen auf die Darstellung eines speziellen Quantenalgorithmus oder Quantenzustands ab.
Die Anforderungen an den Bau eines großen Quantencomputers sind komplizierter als quantenmechanische Eigenschaften wie beispielsweise Überlagerung und Verschränkung für sich genommen. Um einen praktischen Quantencomputer zu bauen, muss eine Reihe von Anforderungen erfüllt werden. Eine Anforderung besteht darin, dass ein System von Qubits vorhanden sein muss, die in einen bekannten Zustand initialisiert werden können. Eine weitere Anforderung besteht in der Fähigkeit, diesen Zustand durch Ausführen von Ein- und Mehr-Qubit-Gatteroperationen zu beeinflussen, sodass jede beliebige Logikoperation ausgeführt werden kann. Schließlich muss das Ergebnis der Berechnung durch bekannte Techniken gemessen werden. Außerdem muss ein Quantensystem streng von der Umgebung abgeschirmt sein, damit die sensibel erzeugten Überlagerungs- und Verschränkungszustände für eine ausreichend lange Zeit (d. h. die Kohärenzzeit) erhalten bleiben. Um das Quantensystem gemäß den Schritten des gewünschten Algorithmus zu beeinflussen, muss es jedoch auch unbedingt mit der äußeren Umgebung gekoppelt sein, wodurch Rauscheffekte eingeführt werden, die die Kohärenzzeiten verkürzen.
KURZDARSTELLUNG
Beispielhafte Ausführungsformen betreffen ein Quanteninformationssystem, das ein erstes kombiniertes Quantensystem, ein zweites kombiniertes Quantensystem, eine Vielzahl mit dem System verbundener elektromagnetischer Feldquellen und eine einstellbare elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten kombinierten Quantensystem und dem zweiten kombinierten Quantensystem beinhaltet.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen betreffen ein modulares Datenverarbeitungssystem, das einen ersten Qubit-Cluster, einen zweiten Qubit-Cluster und einen dazwischen angeordneten abstimmbaren Koppler beinhaltet, der den ersten Qubit-Cluster und den zweiten Qubit-Cluster miteinander koppelt.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen betreffen ein Quanten-Datenverarbeitungssystem, das einen ersten Qubit-Cluster mit einer ersten Wechselwirkungsstärke, einen zweiten Qubit-Cluster mit einer zweiten Wechselwirkungsstärke und eine zwischen dem ersten Qubit-Cluster und dem zweiten Qubit-Cluster angeordneten Teilschaltung beinhaltet, die zum Abstimmen der ersten und zweiten Wechselwirkungsstärke konfiguriert ist.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Quanteninformationsverarbeitung, das ein Anlegen eines elektromagnetischen Feldes an eine Vielzahl Qubits, die in einem Wellenleiterresonator oder einem geeigneten Quantenbus angeordnet sind, ein Einstellen des elektromagnetischen Feldes zum Erzeugen eines Quantenzustands in jedem aus der Vielzahl von Qubits und ein Einstellen des elektromagnetischen Feldes beinhaltet, um jedes Qubit mit jedem anderen aus der Vielzahl von Qubits zu koppeln.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Quanteninformationsverarbeitung, wobei das Verfahren beinhaltet: Erzeugen eines ersten elektromagnetischen Feldes in einem ersten Gehäuse mit einer ersten Vielzahl von Qubits, Erzeugen eines zweiten elektromagnetischen Feldes in einem zweiten Gehäuse mit einer zweiten Vielzahl von Qubits und Erzeugen eines dritten elektromagnetischen Feldes zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse, um die erste Vielzahl von Qubits mit der zweiten Vielzahl von Qubits zu koppeln.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden durch die Techniken der vorliegenden Erfindung realisiert. Weitere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden hierin ausführlich beschrieben und als Teil der beanspruchten Erfindung angesehen. Zum besseren Verständnis der Erfindung mit den Vorteilen und den Merkmalen wird auf die Beschreibung und die Zeichnungen verwiesen.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGSANSICHTEN
Der als Erfindung anzusehende Gegenstand wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung eingehend dargelegt und ausdrücklich beansprucht. Die obigen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar, wobei:
1 ein Beispiel einer beispielhaften dreidimensionalen Qubit-Cluster-Vorrichtung veranschaulicht;
2 ein beispielhaftes zweidimensionales Mehr-Qubit-Gittersystem von mehreren dreidimensionalen Qubit-Cluster-Vorrichtungen veranschaulicht;
3 ein beispielhaftes dreidimensionales Mehr-Qubit-Gittersystem von mehreren dreidimensionalen Qubit-Cluster-Vorrichtungen veranschaulicht; und
4 einen Ablaufplan eines Verfahrens zur Quanteninformationsverarbeitung gemäß beispielhaften Ausführungsformen veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren setzen große Mengen (z. B. in der Größenordnung von Tausenden und mehr) von gekoppelten Qubits in einem modularen System ein, das verändert, geprüft, beschrieben, auf das zugegriffen werden und das als kleineres System betrieben werden kann. Jedes kleinere Teilsystem kann zu diesem Zweck vom restlichen System angeordnet und getrennt sein. Weitere Teilsysteme können zu dem kompletten System hinzugefügt oder von diesem entfernt werden, ohne dass die Leistung der Mehrheit der Teilsysteme beeinflusst wird, aus denen das komplette System besteht. Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren stellen eine Grundstruktur für die Konstruktion, den Aufbau, die Prüfung, die Beschreibung und den Betrieb eines modularen Quantencomputers dar.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen betreffen die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren eine modulare Struktur für ein Quanteninformationsverarbeitungssystem, wobei die physischen Verkörperungen von Qubits in zwei Ebenen der physischen Organisation und Struktur angeordnet sind. Diese beiden Ebenen werden als „Cluster” und „Anordnung” bezeichnet.
Die erste Strukturebene ist ein „Cluster”. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen werden Qubits zu kleinen Clustern von ungefähr einem bis zwanzig Qubits zusammengefasst. Jedes Qubit in einem Cluster ist elektromagnetisch oder anderweitig mit mindestens einem anderen Qubit in dem Cluster gekoppelt. Diese Kopplung wird durch eine physische oder elektromagnetische Struktur bewirkt, die innerhalb des Clusters oder nahe diesem integriert ist oder als dessen Gehäuse dient. Auf diese Weise wird jeder Cluster von Qubit-Qubit-Wechselwirkungen zwischen Qubit-Paaren durchdrungen, aus denen der Cluster besteht. Daher bildet jeder Cluster ein kombiniertes Quantensystem.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen setzen die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren abstimmbare und einstellbare Elemente ein: die Struktur, die die Qubit-Qubit-Kopplung innerhalb des Clusters vermittelt, wird als an die Zeitspanne gebunden angesehen, die durch die kohärente Lebensdauer eines Qubits innerhalb des Clusters vorgegeben ist. Da eine Abstimmbarkeit die Kopplung des Clusters mit externen Feldquellen erfordert, lässt die Verwendung lediglich von fest vorgegebenen Kopplungen innerhalb des Clusters den Aufbau und den Betrieb von Qubit-Clustern mit nur sehr wenigen Verbindungen zu der externen elektromagnetischen Umgebung zu.
Auf diese Weise ist jeder Cluster vor allem elektromagnetisch von der elektromagnetischen Umgebung und von allen anderen Clustern getrennt, mit Ausnahme der Anregung von Wechselwirkungen zwischen Clustern oder des Anlegens elektrischer Felder zum Steuern, Messen oder anderweitigen Durchführen von erforderlichen Prozessen zum Ausführen einer Task zur Quanteninformationsverarbeitung. Jeder Cluster kann deshalb als ein unabhängiges kombiniertes Quantensystem betrachtet werden.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen handelt es sich bei einer zweiten Strukturebene um eine „Anordnung” (array). Eine Vielzahl oben beschriebener Cluster ist so angeordnet und miteinander verbunden, dass sie eine Cluster-Anordnung bilden. Jeder Cluster ist jedem anderen Cluster in Bezug auf die physische Verkörperung der Qubits in dem Cluster vergleichbar. Jedoch können verschiedene Cluster unterschiedliche Anzahlen von Qubits (allerdings immer innerhalb des oben beschriebenen Rahmens) und untereinander geringfügig verschiedene oder variierende Eigenschaften aufweisen.
Jeder Cluster in der Anordnung ist mit mindestens einem anderen Cluster in der Anordnung durch eine physische oder elektromagnetische Struktur oder einen entsprechenden Mechanismus gekoppelt, der in einer Weise abstimmbar oder einstellbar ist, dass sich die Wechselwirkungsstärke zwischen einem Qubit in einem Cluster und einem Qubit in dem benachbarten Cluster in einem beträchtlich kürzeren Zeitraum als die typische kohärente Lebensdauer von Qubits in zwei miteinander verbundenen Clustern ändert.
Da jeder Cluster in der Anordnung im Wesentlichen jedem anderen Cluster in der Anordnung vergleichbar ist, ist auch jede Verbindung zwischen einem Cluster-Paar in der Anordnung im Wesentlichen jeder anderen Verbindung zwischen anderen Cluster-Paaren in der Anordnung vergleichbar.
Wenn der Mechanismus, der die Wechselwirkung zwischen zwei Clustern steuert, in die Position AUS geschaltet wird, sind die Wechselwirkungsstärken zwischen jedem der Qubits in dem ersten Cluster und den Qubits in dem zweiten Cluster geringer als in dem Zeitraum, der für die kohärente Lebensdauer der Qubits in den beiden miteinander verbundenen Clustern typisch ist. Auf diese Weise erfolgen die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Clustern so, dass bei Wechselwirkungen in der Position AUS jeder Cluster ein kombiniertes Quantensystem bildet, das von dem durch jeden anderen Cluster in der Anordnung gebildeten kombinierten Quantensystem unabhängig und getrennt bleibt. Jeder Cluster kann unabhängig von jedem anderen Cluster beschrieben, geprüft, optimiert und betrieben werden. Auf diese Weise erzeugen die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen ein modulares Quanteninformationsverarbeitungssystem.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen erzeugen die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren Qubit-Cluster, die eine auf klassische Weise simulierbare Anzahl von Quantenebenen beinhalten. Mehrere Cluster können miteinander gekoppelt werden, um eine Cluster-Anordnung zu erzeugen, die für größere Quanteninformationsverarbeitungs-Anwendungen verwendet werden können. Im Folgenden wird beschrieben, dass eine Anordnung mehrere Cluster und einen Mechanismus (d. h. einen abstimmbaren Koppler) beinhaltet, der jeden Cluster mit anderen Clustern (d. h. benachbarten Clustern in der Anordnung) verbindet und von diesen wieder trennt. Jeder der Cluster in der Anordnung kann zum Zweck des Abstimmens, Prüfens, Beschreibens, Bewertens und Betreibens von allen anderen Clustern getrennt werden. Deshalb beinhaltet jede Anordnung auf klassische Weise simulierbare (d. h. auf einem modernen klassischen Computer simulierbare) Teilsysteme, die durch einen abstimmbaren Koppler miteinander verbunden sind, mittels dessen jedes Teilsystem von allen anderen Teilsystemen in der Anordnung wirksam getrennt werden kann. Demgemäß wird ein Quantencomputer auf der Grundlage des Hinzufügens oder Verbindens weiterer Teilsysteme zu der Anordnung aufgebaut und betrieben. Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren beschreiben, schätzen ein und bewerten die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers abschnittsweise in Übereinstimmung mit den klassischen rechentechnischen Grenzen für Simulationen großer Quantensysteme. Bei den hierin beschriebenen Anordnungen handelt es sich deshalb um modulare physische Systeme, die Qubit-Cluster beinhalten, die mit elektromagnetischen Feldquellen und abstimmbaren Kopplern gekoppelt sind, die wiederum mit elektromagnetischen oder mechanischen Steuerungen verbunden sind. Die Qubit-Cluster weisen jeweils fest vorgegebene Wechselwirkungsstärken auf, die untereinander durch eine Teilschaltung (z. B. den abstimmbaren Koppler) gekoppelt sind, der die Wechselwirkungsstärken zwischen Clustern aufeinander abstimmt.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann ein Quanteninformationsverarbeitungssystem ein erstes kombiniertes Quantensystem (z. B. einen ersten Qubit-Cluster), ein zweites kombiniertes Quantensystem (z. B. einen zweiten Qubit-Cluster), mit dem System verbundene elektromagnetische Feldquellen und eine einstellbare elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten kombinierten Quantensystem und dem zweiten kombinierten Quantensystem aufweisen. Die kombinierten Quantensysteme können jeweils ein Gehäuse, das einen Resonator definiert, in dem Resonator angeordnete Quantensysteme und eine mit dem Resonator verbundene elektromagnetische Feldquelle enthalten. Jedes der kombinierten Quantensysteme ist mit einer der elektromagnetischen Feldquellen gekoppelt. Außerdem ist die elektromagnetische Feldquelle so konfiguriert, dass sie Transformationen des Quantenzustands des ersten und des zweiten kombinierten Quantensystems erzeugt oder hemmt. Die elektromagnetische Feldquelle ist auch so konfiguriert, dass sie eine vorausgehende Quantenmessung des gesamten kombinierten Quantensystems oder eines Teils davon bewirkt. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen weist jedes erste bzw. zweite kombinierte Quantensystem ein oder mehrere messbare Attribute auf, die für einen Aspekt des Quantenzustands des kombinierten Quantensystems kennzeichnend sind. Außerdem ist jedes erste bzw. zweite kombinierte Quantensystem mit einer Vorrichtung gekoppelt, um eine Messung eines Attributs des kombinierten Quantensystems zu ermöglichen, die für den Quantenzustand des kombinierten Quantensystems kennzeichnend ist. Darüber hinaus installiert eine Wandlung und Messung des Systems einen Algorithmus, eine Task und/oder ein Programm zur Quanteninformationsverarbeitung und führt dieses aus. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann das System eine elektronische Schaltung enthalten, die zwischen dem ersten kombinierten Quantensystem und dem zweiten kombinierten Quantensystem angeordnet ist, um auf diese Weise das erste System mit dem zweiten System zu koppeln. Außerdem kann es sich bei dem ersten kombinierten Quantensystem und dem zweiten kombinierten Quantensystem um Qubit-Cluster handeln, und die elektromagnetische Feldquelle ist so konfiguriert, dass sie einen oder mehrere Quantenzustände in den Qubit-Clustern erzeugt
1 veranschaulicht ein Beispiel einer beispielhaften Qubit-Cluster-Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 enthält ein Gehäuse 105 mit einem darin definierten Resonator 110. Die Vorrichtung 100 kann ferner einen innerhalb des Resonators 110 angeordneten Qubit-Cluster 115 enthalten. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird jedes der Qubits 115 anhand eines Beispiels eines supraleitenden Josephson-Übergangs beschrieben. Gemäß der vorliegenden Beschreibung ist jedoch klar, dass jeder Qubit-Typ eingesetzt werden kann, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, Quantenpunkte, Elektronen- oder Kernspins oder deren Ansammlungen. Die Vorrichtung 100 kann ferner eine externe elektromagnetische Quelle 120 (z. B. ein Koaxialkabel) enthalten, die mit dem Gehäuse 105 verbunden ist und ein elektromagnetisches Feld innerhalb des Resonators 110 bereitstellt. Demgemäß kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei dem Gehäuse 105 um einen elektromagnetischen Wellenleiter für das an das Gehäuse 105 angelegte elektromagnetische Feld handelt. Die Qubits 115 können innerhalb des Resonators 110 auf vielfältige Weise angeordnet werden. Der Ort und die Ausrichtung eines Qubits innerhalb des Resonators können sich darauf auswirken, wie stark dieses mit der Resonatormode gekoppelt ist. Jedes Qubit 115 kann als Dipol mit einem zugehörigen Dipolmomentvektor angesehen werden. Die Stärke seiner Wechselwirkung mit dem Resonator 110 ist überwiegend durch das Skalarprodukt des Dipolmomentvektors mit dem elektrischen Feldvektor am Ort des Qubits 115 bestimmt. Demgemäß können Anpassungen von Ort und Ausrichtung eines Qubits in Bezug auf das elektrische Feldprofil der betreffenden Mode dazu dienen, die Stärke der Qubit-Resonator-Kopplung und damit wiederum der Qubit-Qubit-Kopplung einzustellen, da die Qubits durch ihre beiderseitige Wechselwirkung mit der Resonatormode einer direkten effektiven Qubit-Qubit-Wechselwirkung unterliegen. Bei der Vorrichtung 100 handelt es sich um eine skalierte Vorrichtung, die mehrere Qubits 115 enthält. Demgemäß kann der Resonator 110 ein großes Volumen an elektromagnetischen Moden aufnehmen, wobei zwischen dem Resonator 110 und den Qubits eine starke Kopplung besteht. Darüber hinaus besteht auch zwischen den einzelnen Qubits 115 innerhalb des Resonators eine starke Kopplung, die durch Einstellen des elektromagnetischen Feldes von der elektromagnetischen Quelle 120 gesteuert und abgestimmt werden kann. Die Vorrichtung 100 wird deshalb zum Zweck der Quanteninformationsverarbeitung von dem einzelnen 3D-Qubit auf eine große Plattform gekoppelter 3D-Qubits erweitert. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen ist der Skalierungsprozess modular aufgebaut. 1 veranschaulicht einen einzelnen Qubit-Cluster 100 gemäß der Beschreibung. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen werden acht Qubits 115 veranschaulicht, die auf vielfältige Weise angeordnet werden können, um eine gewünschte Kopplung zwischen den Qubits zu erreichen. Es ist einsichtig, dass es zahlreiche Wege und Möglichkeiten zur Kopplung der Qubits 115 gibt. Die Qubits 115 sind in einem achteckigen Muster veranschaulicht, jedoch sind andere beispielhafte Ausführungsformen keinesfalls auf dieses Muster beschränkt. Darüber hinaus können weniger oder mehr als acht Qubits 115 in dem Resonator 110 angeordnet sein. Acht Qubits 115 werden dargestellt, da sie sich sehr ähnlich wie ein herkömmliches NMR-Molekül verhalten, das im Folgenden hierin beschrieben wird, und daher bestens untersucht und beschrieben sind.
Demgemäß veranschaulicht 1 supraleitende Qubits (z. B. acht wie ein Oberlicht angeordnete Qubits) innerhalb des Resonators 115, bei dem es sich gemäß der Beschreibung um einen supraleitenden Wellenleiterresonator mit höchstem Gütefaktor handelt, um die Qubit-Cluster-Vorrichtung 100 zu bilden. Im Folgenden wird beschrieben, wie zur Erweiterung weitere Qubit-Cluster-Vorrichtungen mit der Qubit-Cluster-Vorrichtung 100 gekoppelt werden können.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes Mehrfach-Qubit-System 200 in Form eines zweidimensionalen Gitters mehrerer 3D-Qubit-Cluster-Vorrichtungen A1, A2, B1, B2. Die Vorrichtungen A1, A2, B1, B2 dienen lediglich der Veranschaulichung und können auf eine größere Anzahl von Qubit-Cluster-Vorrichtungen erweitert werden, beispielsweise auf eine Anzahl von Zeilen und Spalten in der Größenordnung von A1 bis An, B1 bis Bm, wobei n und m ganze Zahlen sind. Darüber hinaus beinhaltet jede der Vorrichtungen A1, A2, B1, B2 eine der Vorrichtung 300 von 3 vergleichbare Struktur. Zum Beispiel enthält die Vorrichtung A1 ein Gehäuse 205 mit einem darin definierten Resonator 210 auf. Die Vorrichtung A1 kann ferner einen innerhalb des Resonators 210 angeordneten Qubit-Cluster 215 enthalten. Die Vorrichtung A1 kann ferner eine externe elektromagnetische Quelle 220 (z. B. ein Koaxialkabel) enthalten, die mit dem Gehäuse 205 verbunden ist und innerhalb des Resonators 210 ein elektromagnetisches Feld bereitstellt. Das System 200 enthält ferner elektromagnetische Resonatoren 250, die zwischen benachbarte Vorrichtungen A1, A2, B1, B2 durch Verbindungselemente 251 (z. B. Übertragungsleitungen) verbunden sind, welche die Resonatoren 210 mit den elektromagnetischen Resonatoren 250 koppeln. Die Resonatoren 250 sind mit den betreffenden Vorrichtungen A1, A2, B1, B2 durch eine geeignete Kopplungseinheit gekoppelt, je nach Typ des in der Kopplung eingesetzten Resonators beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, durch eine Übertragungsleitung und einen Wellenleiter. Zum Beispiel kann es sich bei den Resonatoren 250 um Mikrowellenresonatoren handeln, die entweder aus diskreten Bauelementen (einzelnen Kapazitäten und Induktivitäten) oder aus einem kurzen Abschnitt einer Übertragungsleitung bestehen. Bei der Übertragungsleitung kann es sich unter anderem um eine Koaxial- oder Streifenleitung oder einen Wellenleiter handeln. Diese Resonatoren sind durch Einbeziehung bestimmter nichtlinearer Materialien oder Schaltkreiselemente abstimmbar gestaltet. Als Beispiel für ein nichtlineares Schaltkreiselement sei ein Josephson-Übergang genannt, der sich wie eine abstimmbare Induktivität verhalten kann. Ein möglicher Aufbau kann aus einem Übertragungsleitungsresonator bestehen, der aus einem kurzen Abschnitt eines koplanaren Wellenleiters mit Josephson-Übergängen besteht, der in den mittleren Leiter oder in die Lücke zwischen dem mittleren Leiter und der Masseebene eingefügt ist. Ein weiterer Resonator kann eine durch einen oder mehrere Josephson-Übergänge unterbrochene supraleitende Windung enthalten, die sich wie eine magnetfeldabhängige Induktivität verhält. Unabhängig vom Typ des eingesetzten Resonators sind die Resonatoren 250 dergestalt abstimmbar, dass benachbarte Vorrichtungen A1, A2, B1, B2 miteinander gekoppelt werden. Durch Abstimmen der betreffenden elektromagnetischen Felder können Qubit-Gruppen in einer Vorrichtung A1, A2, B1, B2 mit einer benachbarten Qubit-Gruppe in einer anderen Vorrichtung A1, A2, B1, B2 gekoppelt werden. Demgemäß werden nicht nur Qubits mit deren entsprechenden Resonatoren und anderen in deren Resonatoren befindlichen Qubits gekoppelt, sondern Qubit-Gruppen können auch im gesamten System 200 miteinander gekoppelt werden, was im Folgenden beschrieben wird.
Das System 200 ist unter Verwendung des kompletten Mehrfach-Qubit-Systems 200 zur nichtlokalen Verschränkung, Teleportation und Fehlerkorrektur in der Lage. Auf dieser Skalierungsstufe können weitere Skalierungsprobleme behandelt werden, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Wärmeausgleich, physische Montage und Signalbereitstellung (d. h. E/A-Probleme). Es dürfte klar sein, dass die Skalierung ausgehend von der 3D-Qubit-Vorrichtung 200 in 2 zu der Qubit-Cluster-Vorrichtung 300 in 3 und der zweidimensionalen Anordnung dieser in 2(b) gezeigten Einheitszellen führt, wenn im Grunde identische Kopien der in den beiden ersten Stufen entwickelten Systeme verwendet werden. Schließlich kann eine Anzahl zweidimensionaler Anordnungen vertikal übereinander gestapelt werden, um eine dreidimensionale Anordnung zu bilden. 3 veranschaulicht ein beispielhaftes gitterförmiges 3D-Mehrfach-Qubit-System 300 von mehreren hierin beschriebenen 3D-Qubit-Cluster-Vorrichtungen. Zur Veranschaulichung sind zwei der Systeme 200 von 2 gezeigt. 3 soll zusätzlich die Skalierung der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren zeigen. Es ist klar, dass zu dem System 300 weitere Systeme 200 hinzugefügt werden können, um die Größe des Quantencomputers noch mehr zu erweitern.
Gemäß hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen kann die Kopplung von Qubits innerhalb eines Clusters sowie die Kopplung einzelner Qubits zwischen Clustern durch das Einwirken von elektromagnetischen Feldern erreicht werden. Messungen der Qubits können anschließend durchgeführt werden, um die Quantenzustände der Qubits zu ermitteln. Das Einwirken der elektromagnetischen Felder sowie die nachfolgenden Messungen des Quantenzustands beschrieben ein Gesamtverfahren zur Quanteninformationsverarbeitung. 4 veranschaulicht einen Ablaufplan eines Verfahrens 400 für ein Verfahren zur Quanteninformationsverarbeitung gemäß beispielhaften Ausführungsformen. In Block 410 kann ein erstes elektromagnetisches Feld an einen ersten Qubit-Cluster (beispielsweise die Vorrichtung A1 von 2) angelegt und eingestellt werden. In Block 420 kann ein zweites elektromagnetisches Feld an einen zweiten Qubit-Cluster (zum Beispiel die Vorrichtung A2 von 2) angelegt und eingestellt werden. Durch das hierin beschriebene Anlegen der elektromagnetischen Felder an den betreffenden Qubit-Cluster werden Qubits innerhalb der Cluster miteinander gekoppelt und Quantenzustände angeregt. In Block 430 kann zwischen dem ersten und zweiten Qubit-Cluster ein drittes Magnetfeld angelegt und eingestellt werden (beispielsweise durch Anlegen eines Feldes mit einer Resonanzfrequenz von dem zwischen den Vorrichtungen A1, A2 angeordneten Resonator 250). Zum Beispiel kann ein drittes Feld an die elektromagnetischen Resonatoren 250 sowie die Vorrichtungen A1 und A2 angelegt werden. Gemäß der vorliegenden Beschreibung werden durch Anlegen des dritten Magnetfeldes einzelne Qubits innerhalb des ersten Qubit-Clusters mit einzelnen Qubits in dem zweiten Qubit-Cluster gekoppelt und dadurch die Qubit-Cluster miteinander gekoppelt. Die Blöcke 410, 420 und 430 werden wiederholt und während jedes Durchlaufs verändert, um einen bestimmten Quantenalgorithmus oder ein bestimmtes Fehlerkorrekturschema auszuführen (Block 450). In Block 440 können geeignete Messungen der Quantenzustände durchgeführt werden, beispielsweise durch Messen des Quantenflusses einzelner Qubits.
Im Folgenden werden mehrere Eigenschaften beispielhafter Systeme und Verfahren näher beschrieben. Die hierin erörterte Physik eines Systems mit mehreren kreisförmig (wie ein Oberlichtfenster) angeordneten und dispersiv zu einer einzelnen bosonischen Resonatormode gekoppelten Qubits ist bestens bekannt (z. B. ein NMRQC). Gemäß beispielhaften Ausführungsformen werden die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren mit fest vorgegebenen Qubit-Frequenzen und fest vorgegebener Qubit-Qubit-Kopplung implementiert. Auf diese Weise können bekannte NMR-Steuertechniken genutzt werden. In der NMR-Technologie werden Larmor-Frequenzen eingesetzt, wodurch die Qubits dazu neigen, sich auf die angelegten elektromagnetischen Felder auszurichten. Außerdem können chemische Verschiebungen, welche die Abhängigkeit der Energieniveaus von der elektronischen Umgebung in einem Molekül beschreiben, ausgelöst werden, um die Abhängigkeit von den Energieniveaus in einem bestimmten Resonator in den hierin beschriebenen beispielhaften Qubit-Clustern zu ermitteln. Durch Nutzung solcher bekannter Techniken kann eine allseitige Steuerung der hierin beschriebenen beispielhaften Qubit-Cluster erreicht werden. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen können Qubit-Frequenzen durch Leitungen gesteuert werden, die in den Resonator eingeführt sind. Durch geeignete Auswahl von Qubit-Frequenzen und anharmonischen Schwingungen können Hamiltonoperatoren erzielt werden, die den Hamiltonoperatoren in der NMR vergleichbar sind, wo es sowohl lang- als auch kurzlebige Kopplungsterme vergleichbarer Stärke gibt, aber nur der langlebige Teil von Bedeutung ist, da dieser in erster Ordnung in die Störungstheorie eingeht. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen können Spins einzelner Qubits innerhalb eines Resonators ausgewählt werden.
Im NMRQC beschreiben ZZ-Austausch und -Wechselwirkung den Spinaustausch zwischen benachbarten Molekülen. Dieses Konzept kann auf die Beschreibung des Spinaustauschs in Qubits erweitert werden, was in beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird. Ein Hamilton-Operator vom NMR-Typ ergibt sich, wenn eine effektive ZZ-Wechselwirkung zwischen Qubits in einem bestimmten Resonator im Vergleich zum außeraxialen J-Kopplungsterm, das heißt, der Kopplung des Winkelmoments wechselwirkender Qubits, bedeutsam ist. Diese ZZ-Wechselwirkung geht auf zwei physikalische Ursachen zurück. Erstens tritt die ZZ-Wechselwirkung in der Zweiebenen-Näherung auf, wenn die Resonator-Qubit-Kopplung in der Störungstheorie in vierter Ordnung behandelt wird. Zweiten tritt sie auf, wenn weitere Qubit-Ebenen außerhalb des rechentechnischen Teilbereichs ordnungsgemäß modelliert werden. Die beiden Effekte lassen sich so beeinflussen, dass sie einander nicht aufheben, sondern sich addieren. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen ist bei den hierin beschriebenen Systemen und Verfahren, die Schaltungen zum Verwenden eines Hamilton-Operators vom NMR-Typ aufweisen, das Verständnis und die Nutzung dieser beiden Ursachen des ZZ-Wechselwirkungsterms erforderlich. Die Stärke des Effektes nimmt drastisch zu, wenn sich der 1 --> 2-Übergang eines Qubits in einem Cluster dem 0 --> 1-Übergang eines anderen nähert. Durch Nutzung dieser physikalischen Erscheinungen können die hierin beschriebenen Qubit-Cluster in der beschriebenen Weise skaliert werden.
Um bei einer beispielhaften Ausführungsform den Hamilton-Operator vom NMR-Typ zu erzeugen, der gekennzeichnet ist durch: a) fest vorgegebene Qubit-Übergangsfrequenzen und b) durch eine ZZ-Wechselwirkung beherrschte fest vorgegebene Qubit-Qubit-Kopplungen, muss das hierin beschriebene System die folgenden Eigenschaften aufweisen: 1) Jedes Qubit wird so gesteuert und beeinflusst, dass es sich wie ein effektives Zweiebenensystem verhält; 2) Jedes Qubit wechselwirkt mit mindestens einem anderen Qubit mit einer Kopplungsenergie, die wesentlich größer als die Qubit-Relaxations- und -Dekohärenzraten ist; 3) Das System gestattet das Anlegen eines frequenz- und amplitudenmodulierten Mikrowellen-Steuerfeldes an die Qubits; und 4) Das System gestattet das Auslesen des Quantenzustands aller Qubits.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen werden zwei Qubit-Gatter erzeugt, ohne die beiden zu verschränkenden Qubits zu beeinflussen, während die Wechselwirkungen zwischen allen anderen Paaren wieder in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit rücken. Bei neueren NMR-Experimenten an Mehrsein-Molekülen in der Flüssigphase konnte eine hochgenaue Steuerung von E_1q = 1,3 × 10^–4 und E_2q = 4,7 × 10^–3 gezeigt werden. Es wird vermutet, dass diese durch die Schwierigkeit begrenzt sind, die Spins zuvor zu polarisieren. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen hingegen können die hierin beschriebenen Qubits (d. h. supraleitende Qubits) leicht initialisiert werden. Bei den höheren Larmor-Frequenzen (ungefähr 1 bis 10 GHz gegenüber 50 bis 500 MHz) werden jedoch zusätzliche Schritte unternommen, um eine genaue numerische Impulsoptimierung zu erreichen.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen werden Qubits innerhalb der hierin beschriebenen beispielhaften Cluster durch Anlegen von Resonanz- oder resonanznahen Signalen an den Resonator gemessen, in dem sie sich befinden. Die Ergebnisse können gemäß den bewährten Verfahren zum gemeinsamen dispersiven Ablesen gewonnen werden. Einzelergebnisse können durch Anlegen von Steuersignalen an ein benachbartes Kopplungselement gewonnen werden, das durch seine Nichtlinearität zur Signalverstärkung geeignet ist.
Demgemäß ist klar, dass die hierin beschriebenen beispielhaften Cluster bekannte und bestens beschriebene Merkmale des NMRQC und wünschenswerte Attribute von Qubits wie beispielsweise supraleitende Attribute miteinander kombinieren.
Ferner wird hierin beschrieben, dass zur Erweiterung der in 3 veranschaulichten Qubit-Cluster zu größeren Anordnungen, wie sie zum Beispiel in 2 und 3 beschrieben werden, weitere Cluster hinzugefügt werden. Bei den in 2 und 3 beschriebenen beispielhaften Systemen 200, 300 vermitteln die abstimmbaren Resonatoren mit hohem Gütefaktor (z. B. der Resonator 250) Wechselwirkungen zwischen „identischen” Qubits in getrennten Clustern. Zum Beispiel sind in 2 einige der Qubits 215 mit Q1 markiert worden. Der Resonator 250 zwischen den Vorrichtungen A1, A2 kann zur Resonanz mit einem Qubit-Paar (z. B. Qubits A1Q1, A2Q1) auf eine Frequenz fq1 abgestimmt werden. Das Anlegen eines Feldes mit dieser Frequenz fq1 führt zu einem verstärkten Austausch von Quanteninformationen von den Qubits A1Q1 und A2Q1 mit dem Kopplungsresonator 250 zwischen den Vorrichtungen A1, A2. Es kommt nicht zur Unterdrückung der Qubit-Relaxation, sondern zu einer verstärkten Resonanz der Qubit-Austauschrate in den Resonator 250. Jedes der Qubits A1Q1, A2Q1 wechselwirkt mit dem Resonator gemäß dem Ausdruck:
Dabei ist g_c gleich der Kopplungsstärke zwischen dem Resonator 250 und dem cQED-Cluster-Resonator (d. h. einem der Resonatoren 210 der Vorrichtungen A1, A2), g_q und Δ_q sind gleich der Kopplungsstärke des Standard-cQED-Qubit-Resonators bzw. der Verstimmung innerhalb des Qubit-Clusters 215, σ_q ist gleich dem Qubit-Operator und c gleich dem Operator des Resonators 250. Wenn die Vorrichtungen A1, A2 und der Resonator 250 in Resonanz stehen, verläuft die Qubit-Qubit-Wechselwirkung nur mit dem halben Betrag bzw. g_cg_q/2 Δ_q. Neuerdings konnte für einen abstimmbaren Resonator gezeigt werden, dass dieses Kopplungsschema zwischen Qubits in getrennten Resonatoren einen Betrieb mit einer Gatterfehlerrate von 10^–2 hervorbringen kann, die mit jeglichen Verbesserungen des Gütefaktors Q des abstimmbaren Resonators 250 linear zunimmt. Theoretisch konnte gezeigt werden, dass die Gatterfehlerrate um einen Faktor 5 bis 10 erhöht werden kann.
Wenn der Resonator 250 verstimmt ist, wirkt eine Restkopplung lediglich über eine dispersive Kopplung dritter Ordnung durch jede der Vorrichtungen A1, A1 und den Resonator 250, wobei der Effekt proportional ist zu: H off / eff ≅ g 2 / cg 2 / q(σ – / aσ + / b + σ + / aσ – / b)/Δ 2 / qΔ off / c
Das Ein/Aus-Verhältnis dieser abstimmbaren Kopplung beträgt somit: H off / eff ≅ Δ_aΔ off / c/g_cg_q das für verfügbare Parameter 100 bis 1000 beträgt.
Gemäß der vorliegenden Beschreibung können für den Resonator 250 viele verschiedene Resonatortypen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein abstimmbares Standardkopplungselement, das zum Vermitteln von Wechselwirkungen zwischen Qubits benachbarter Cluster (z. B. den Vorrichtungen A1, A2) verwendet wird, Josephson-Übergänge enthalten, die in das Modenvolumen einer 2D- oder einer 3D-Resonatorstruktur integriert sind und Steuerfelder anlegen. Bei diesem abstimmbaren Koppler kann es sich um eine passive, aber abstimmbare Einheit wie beispielsweise einen Resonator mit Frequenzabstimmung handeln; oder um eine aktive Einheit wie beispielsweise einen parametrischen Josephson-Konverter, dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Pumpleistung mit dem Gütefaktor einhergeht. Derzeit verfügbare Technologien haben abstimmbare Resonatoren mit Q_abstimmbar = 3 × 10⁴ erreicht. Als Resonator 250 können auch verlustfreie Josephson-Frequenzkonverter eingesetzt werden. Verlustfreie Josephson-Frequenzkonverter können als Frequenzkonverter mit einem Gütefaktor dienen, der von der eingespeisten Pumpleistung abhängt, und verfügen somit über die Möglichkeit, eine sehr starke Cluster-Cluster-Kopplung mit einem größeren EIN/AUS-Verhältnis zu erzeugen. Verlustfreie Josephson-Frequenzkonverter können auch als Ausleseelement eingesetzt werden, das zum vorausschauenden gemeinsamen Einzelauslesen geeignet ist, was für Quanten-Fehlerkorrektursysteme eine wertvolle Ressource darstellt.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen können von der Skalierung nicht nur wie soeben beschrieben die benachbarten Vorrichtungen A1, A2, sondern auch die in 2 gezeigte komplette 2D-Anordnung mit den Vorrichtungen B1, B2 erfasst werden. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann eine 2 × 2-Clusteranordnung (z. B. mit den Vorrichtungen A1, A2, B1, B2) für die Quanteninformationsverarbeitung durch Kopplung nächstliegender Nachbarn über zwischengeschaltete Resonatoren 250 erstellt werden. Desgleichen kann ferner eine beliebige 3 × 3-Anordnung oder eine größere Anordnung oder eine beliebige 3D-Anordnung nach 3 entwickelt werden, indem Resonatoren 250 zum Koppeln nächstliegender Nachbarn eingesetzt werden. Bei diesen Beispielen kann eine 2 × 2-Anordnung 32 Qubits, eine 3 × 3-Anordnung 72 Qubits, eine 8 × 8-Anordnung 512 Qubits und so weiter enthalten, wodurch sich Fähigkeiten der Quanteninformationsverarbeitung demonstrieren lassen. Dieser Skalierungsansatz verwendet vorteilhafterweise modular wiederholte Einheiten, die hierin beschriebene bekannte und nachgewiesene physikalische Effekte nutzen und die E/A-Probleme verringern, da zum Beispiel pro Qubit-Cluster eine Steuerleitung eingesetzt werden kann.
Die in 1 bis 3 veranschaulichten Beispiele zeigen eine beispielhafte Qubit-Anordnung. Es ist einsichtig, dass die Qubit-Cluster in anderen, beispielsweise dreieckigen, sechseckigen oder anderen Gitterstrukturen angeordnet werden können. Sie können auch zu dreidimensionalen Gittern erweitert werden (z. B. zu dem kubischen Gitter von 3). Unabhängig davon, ob die Qubit-Cluster in einem 1D- 2D- oder 3D-Gitter angeordnet sind, können die physischen Strukturen so angeordnet werden, dass sie ein 3D-Volumen einnehmen, um E/A-Probleme zu lösen oder aus anderen Gründen. In dem Fall eines kubischen 3D-Gitters von 3 können zweidimensionale quadratische Gitterebenen auf unterschiedliche Weise durch zusätzliche abstimmbare Resonatoren miteinander verbunden werden, um zum Beispiel topologisch eine stark erweiterte zweidimensionale Anordnung oder eine echt dreidimensionale Anordnung zu bilden, bei der jeder innere Qubit-Cluster mit seinen sechs nächsten Nachbarn verbunden ist, mit vier in derselben Ebene und je einem direkt oberhalb und unterhalb.
Zu den sich ergebenden technischen Möglichkeiten gehört der Einsatz von Qubit-Clustern, die zum Koppeln einzelner Qubits für die Quanteninformationsverarbeitung angeordnet sind.
Die hierin gebrauchten Begriffe dienen nur zur Beschreibung einzelner Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Die hierin gebrauchten Einzahlformen „ein”, „eine” und „der, die, das” sollen gleichermaßen die Mehrzahlformen beinhalten, sofern aus dem Zusammenhang nichts anderes hervorgeht. Ferner ist klar, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend” bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder das Hinzukommen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Aktionen und Gleichwertiges aller Mittel oder Schritte plus Funktionselemente in den folgenden Ansprüchen sollen alle Strukturen, Materialen oder Aktionen zum Ausführen der Funktion in Verbindung mit anderen ausdrücklich beanspruchten Elementen beinhalten. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt worden, erhebt jedoch nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder auf Beschränkung auf die Erfindung in der offenbarten Form. Viele Änderungen und Varianten sind dem Fachmann offensichtlich, ohne vom Schutzumfang und Wesensgehalt der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Grundgedanken der Erfindung und der praktischen Anwendung bestmöglich zu beschreiben und anderen Fachleuten das Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit diversen Änderungen zu ermöglichen, wie sie für den einzelnen vorgesehenen Anwendungsfall geeignet sind.
Die hierin gezeigten Ablaufpläne stellen lediglich ein Beispiel dar. An diesem Schaubild oder den hierin beschriebenen Schritten (oder Operationen) können viele Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die Schritte in einer abweichenden Reihenfolge ausgeführt oder Schritte können hinzugefügt, entfernt oder geändert werden. Alle diese Änderungen werden als Bestandteil der beanspruchten Erfindung angesehen.
Zwar ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden, dem Fachmann ist jedoch klar, dass sowohl heute als auch in Zukunft diverse Verbesserungen und Erweiterungen vorgenommen werden können, die in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen. Diese Ansprüche sind so auszulegen, dass sie den ordnungsgemäßen Schutz der oben beschriebenen Erfindung gewährleisten.

Claims

Quanteninformationsverarbeitungssystem, das aufweist: ein erstes kombiniertes Quantensystem; ein zweites kombiniertes Quantensystem; eine Vielzahl mit den Systemen verbundener elektromagnetischer Feldquellen; und eine einstellbare elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten kombinierten Quantensystem und dem zweiten kombinierten Quantensystem.
System nach Anspruch 1, wobei das erste kombinierte Quantensystem und das zweite kombinierte Quantensystem jeweils aufweisen: ein Gehäuse, in dem ein Resonator definiert ist; eine Vielzahl in dem Resonator angeordneter Quantensysteme; und eine mit dem Resonator verbundene elektromagnetische Feldquelle.
System nach Anspruch 1, wobei jedes der kombinierten Quantensysteme mit einer aus der Vielzahl von elektromagnetischen Feldquellen gekoppelt ist.
System nach Anspruch 3, wobei die elektromagnetische Feldquelle so konfiguriert ist, dass sie Transformationen des Quantenzustands des ersten und zweiten kombinierten Quantensystems erzeugt.
System nach Anspruch 3, wobei die elektromagnetische Feldquelle so konfiguriert ist, dass sie Transformationen des Quantenzustands des ersten und zweiten kombinierten Quantensystems hemmt.
System nach Anspruch 3, wobei die elektromagnetische Feldquelle so konfiguriert ist, dass sie eine projektive Quantenmessung des gesamten kombinierten Quantensystems oder eines Teils davon durchführt.
System nach Anspruch 1, wobei jedes erste beziehungsweise zweite kombinierte Quantensystem ein oder mehrere messbare Attribute aufweist, die für den Quantenzustand des kombinierten Quantensystems kennzeichnend sind.
System nach Anspruch 1, wobei jedes erste beziehungsweise zweite Quantensystem mit einer Vorrichtung gekoppelt ist, um eine Messung eines Attributs des kombinierten Quantensystems zu ermöglichen, das für den Quantenzustand des kombinierten Quantensystems kennzeichnend ist.
System nach Anspruch 3, wobei eine Wandlung und Messung des Systems einen Algorithmus, eine Task und/oder ein Protokoll zur Quanteninformationsverarbeitung einsetzt und ausführt.
System nach Anspruch 1, das ferner eine zwischen dem ersten kombinierten Quantensystem und dem zweiten kombinierten Quantensystem angeordnete elektronische Schaltung aufweist und dadurch das erste System elektromagnetisch mit dem zweiten System koppelt.
System nach Anspruch 1, das ferner eine mit der einstellbaren elektromagnetischen Kopplung gekoppelte elektromagnetische Feldquelle aufweist.
System nach Anspruch 3, wobei das erste kombinierte Quantensystem eine erste Vielzahl von Qubits und das zweite kombinierte Quantensystem eine zweite Vielzahl von Qubits aufweist.
System nach Anspruch 12, wobei die erste Vielzahl von Qubits so in der ersten Qubit-Anordnung angeordnet sind, dass jedem aus der ersten Vielzahl von Qubits zugehörige Moden miteinander gekoppelt werden, und wobei die zweite Vielzahl von Qubits so in der zweiten Qubit-Anordnung angeordnet sind, dass jedem aus der zweiten Vielzahl von Qubits zugehörige Moden miteinander gekoppelt werden.
System nach Anspruch 12, wobei die elektromagnetische Feldquelle so konfiguriert ist, dass sie einen oder mehrere Quantenzustände in jedem aus der der Vielzahl von Qubits erzeugt.
Modulares Datenverarbeitungssystem, das aufweist. einen ersten Qubit-Cluster; einen zweiten Qubit-Cluster; und einen dazwischen angeordneten abstimmbaren Koppler, der den ersten Qubit-Cluster mit dem zweiten Qubit-Cluster koppelt.
Quanteninformationsverarbeitungssystem, das aufweist: einen ersten Qubit-Cluster mit einer ersten Wechselwirkungsstärke; einen zweiten Qubit-Cluster mit einer zweiten Wechselwirkungsstärke; und eine zwischen dem ersten Qubit-Cluster und dem zweiten Qubit-Cluster angeordnete Teilschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die erste und zweite Wechselwirkungsstärke aufeinander abstimmt.
Verfahren zur Quanteninformationsverarbeitung, das aufweist: Zuführen eines elektromagnetischen Feldes zu einer Vielzahl in einem Wellenleiterresonator angeordneter Qubits; Einstellen des elektromagnetischen Feldes, um einen Quantenzustand in jedem aus der Vielzahl von Qubits zu erzeugen; und Einstellen des elektromagnetischen Feldes, um jedes aus der Vielzahl von Qubits mit den anderen zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner ein Messen des Quantenzustands jedes aus der Vielzahl von Qubits aufweist.
Verfahren zur Quanteninformationsverarbeitung, das aufweist: Erzeugen eines ersten elektromagnetischen Feldes in einem ersten Gehäuse, das eine erste Vielzahl von Qubits aufweist; Erzeugen eines zweiten elektromagnetischen Feldes in einem zweiten Gehäuse, das eine zweite Vielzahl von Qubits aufweist; und Erzeugen eines dritten elektromagnetischen Feldes zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse, um die erste Vielzahl von Qubits mit der zweiten Vielzahl von Qubits zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner aufweist: Einstellen des ersten elektromagnetischen Feldes, um einen Quantenfluss in jedem aus der ersten Vielzahl von Qubits zu erzeugen; und Messen des Quantenflusses jedes aus der ersten Vielzahl von Qubits.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner aufweist: Einstellen des zweiten elektromagnetischen Feldes, um einen Quantenfluss in jedem aus der Vielzahl von Qubits zu erzeugen; und Messen des Quantenflusses jedes aus der zweiten Vielzahl von Qubits.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner ein Abstimmen des dritten elektromagnetischen Feldes aufweist, um eine Kopplung zwischen der ersten Vielzahl von Qubits und der zweiten Vielzahl von Qubits einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner aufweist. Einstellen des ersten elektromagnetischen Feldes, um eine Kopplung zwischen jedem aus der ersten Vielzahl von Qubits einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner aufweist: Einstellen des zweiten elektromagnetischen Feldes, um eine Kopplung zwischen jedem aus der zweiten Vielzahl von Qubits einzustellen.