DE112017001164T5

DE112017001164T5 - Auslesen von Quantenzuständen von Mikrowellenfrequenz-QUBITS mit Photonen mit optischer Frequenz

Info

Publication number: DE112017001164T5
Application number: DE112017001164.7T
Authority: DE
Inventors: Hanhee Paik; Jason Scott Orcutt; Lev Samuel Bishop; Jay Gambetta; James Rozen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-11-22
Also published as: US10295582B2; WO2018002770A1; US20180003753A1; GB201900518D0; JP2019522815A; GB2567080A; CN109196797A; GB2567080B; CN109196797B; JP6899615B2

Abstract

Techniken betreffen ein Auslesen eines Qubits, das an einen Mikrowellenresonator gekoppelt ist. Ein Mikrowellensignal mit einer Mikrowellenresonatorfrequenz wird in den Mikrowellenresonator eingegeben, der an das Qubit gekoppelt ist. Ein Mikrowellenauslesesignal von dem Mikrowellenresonator wird an einen Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben. Das Mikrowellenauslesesignal enthält einen Qubit-Zustand des Qubits. Der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ist so konfiguriert, dass er das Mikrowellenauslesesignal in ein optisches Signal umwandelt. Als Reaktion darauf, dass das optische Signal von dem N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben wird, wird bestimmt, dass sich das N Qubit in einem vordefinierten Qubit-Zustand befindet. Als Reaktion darauf, dass kein optisches Signal von dem N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben wird, wird bestimmt, dass sich das N Qubit nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft opto-elektronische Vorrichtungen und insbesondere ein Auslesen von Quantenzuständen von Mikrowellenfrequenz-Qubits mit Photonen mit optischer Frequenz.
HINTERGRUND
In einem Ansatz, der als Schaltkreis-Quantenelektrodynamik bezeichnet wird, verwendet das Quanten-Computing nichtlineare supraleitende Einheiten, die als Qubits bezeichnet werden, um Quanteninformationen bei Mikrowellenfrequenzen zu bearbeiten und zu speichern, und Resonatoren (wie z.B. einen zweidimensionalen (2D) planaren Hohlleiter oder wie einen dreidimensionalen (3D) Mikrowellenhohlraum), um Qubits auszulesen und eine Interaktion zwischen ihnen zu ermöglichen. Zum Beispiel kann jedes supraleitende Qubit einen oder mehrere Josephson-Übergänge aufweisen, die parallel zu den Verbindungsstellen durch Kondensatoren überbrückt werden. Die Qubits sind kapazitiv an 2D- oder 3D-Mikrowellenhohlräume gekoppelt. Die dem Qubit zugehörige elektromagnetische Energie wird in den Josephson-Übergängen und in den kapazitiven und induktiven Elementen gespeichert, die das Qubit bilden.
In einem Beispiel wird zum Auslesen des Qubit-Zustands ein Mikrowellensignal an den Mikrowellenauslesehohlraum angelegt, der bei der Hohlraumfrequenz an das Qubit gekoppelt ist, die dem Qubit-Zustand A entspricht. Ein übertragenes (oder reflektiertes) Mikrowellensignal durchläuft mehrere Wärmeisolierungsstufen und rauscharme Verstärker, die erforderlich sind, um das Rauschen zu blockieren oder zu verringern und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Das Mikrowellensignal wird bei Raumtemperatur gemessen. Ein hohes Mikrowellensignal gibt an, dass sich das Qubit im Zustand A befindet. Eine Mikrowellenauslesung stellt eine stabile Signalamplitude zum Steuern bereit, und handelsübliche Standard-(COTS) Hardware, die den größten Teil von Mikrowellenfrequenzbereichen abdeckt, steht zur Verwendung zur Verfügung. Ein Mikrowellenauslesesignal muss jedoch von thermischem Rauschen isoliert und mit minimalem Rauschen verstärkt hinzugefügt werden.
Quantensysteme wie beispielsweise supraleitende Qubits sind gegenüber elektromagnetischem Rauschen sehr empfindlich, insbesondere in den Mikrowellen- und Infrarotbereichen. Um diese Quantensysteme vor Mikrowellen- und Infrarot-Rauschen zu schützen, werden mehrere Schichten von Filterung, Dämpfung und Isolierung angewendet. Von besonderem Interesse sind die Schutzschichten, die auf den Eingangs- und Ausgangs- (E/A) Leitungen verwendet werden, die auch als Übertragungsleitungen bezeichnet werden, die mit dem Quantensystem verbunden sind und die Eingangs- und Ausgangssignale jeweils zu und von dem Quantensystem übertragen. In dem Fall von supraleitenden Qubits sind diese E/A-Leitungen (Übertragungsleitungen) für gewöhnlich Mikrowellen-Koaxialleitungen oder -Hohlleiter. Einige der Techniken oder Komponenten, die verwendet werden, um das Rauschen zu blockieren oder zu dämpfen, das sich in diese Übertragungsleitungen fortpflanzt oder in diese eindringt, sind Dämpfer, Zirkulatoren, Isolatoren, Tiefpass-Mikrowellenfilter, Bandpass-Mikrowellenfilter und Infrarotfilter auf Grundlage von verlustreichen absorbierenden Materialien. Diese Rauschisolierungskomponenten und Mikrowellensignal-Verstärkungstechniken erfordern jedoch eine große Menge an zusätzlicher Mikrowellen-Hardware und Kosten.
Daher besteht beim Stand der Technik ein Bedarf, sich mit dem oben genannten Problem zu beschäftigen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von einem ersten Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auslesen von N Qubits bereit, die jeweils an N Mikrowellenresonatoren gekoppelt sind, wobei das Verfahren aufweist: ein Eingeben von N Mikrowellen-Eingangsauslesesignalen bei N Mikrowellenresonatorfrequenzen in die N Mikrowellenresonatoren, die jeweils an die N Qubits gekoppelt sind, wobei N eine ganze Zahl ist, wobei eine der N Mikrowellenresonatorfrequenzen einzeln einem der N Mikrowellenresonatoren entspricht; ein Ausgeben von N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignalen von den N Mikrowellenresonatoren an N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler, wobei die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einen Qubit-Zustand der N Qubits enthalten, wobei die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale in N optische Signale umwandeln, wobei eines der N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einem der N Qubits entspricht; in Reaktion auf irgendeines der N optischen Signale, die von den N Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern ausgegeben werden, ein Bestimmen, dass sich entsprechende der N Qubits in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden; und in Reaktion auf kein von den N Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern ausgegebenes optisches Signal ein Bestimmen, dass sich entsprechende der N Qubits nicht in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
Bevorzugt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, wobei N = 1 ist.
Von einem weiteren Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung ein System zum Auslesen von N Qubits bereit, wobei das System aufweist: N Mikrowellenresonatoren, die an die N Qubits gekoppelt sind, wobei die N Mikrowellenresonatoren so konfiguriert sind, dass sie N Mikrowellen-Eingangsauslesesignale bei N Mikrowellen-Resonatorfrequenzen empfangen und N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale ausgeben, wobei N eine ganze Zahl ist; und N -Wandler, die so konfiguriert sind, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale von den N Mikrowellenresonatoren empfangen, wobei die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einen Qubit-Zustand der N Qubits enthalten, wobei die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale in N optische Signale umwandeln, wobei eines der N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einem der N Qubits entspricht, wobei bestimmte der N Qubits jeweils als in einem vordefinierten Qubit-Zustand befindlich definiert werden, wenn entsprechende der N optischen Signale durch entsprechende der N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben werden, wobei entsprechende der N Qubits als nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindlich definiert werden, wenn keine entsprechenden der N optischen Signale durch entsprechende der N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben werden.
Bevorzugt stellt die vorliegende Erfindung ein System bereit, wobei N = 1 ist.
Von einem weiteren Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung ein System zum Auslesen von einem oder mehreren Qubits bereit, wobei das Auslesesystem aufweist: einen oder mehrere Mikrowellenhohlleiter; einen oder mehrere optische Wellenleiter; und einen oder mehrere Mikrowelle-zu-Licht-Wandler, die so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere Mikrowellenauslesesignale, die dem einen oder den mehreren Qubits entsprechen, über den einen oder die mehreren Hohlleiter empfangen, wobei der eine oder die mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere optische Signale für das eine oder die mehreren Qubits, die sich in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden, über den einen oder die mehreren optischen Wellenleiter ausgeben, wobei der eine oder die mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie keine optischen Signale für das eine oder die mehreren Qubits ausgeben, die sich nicht in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Auslesen eines an einen Mikrowellenresonator gekoppelten Qubits bereitgestellt. Das Verfahren enthält ein Eingeben eines Mikrowellensignals bei einer Mikrowellenresonatorfrequenz in den Mikrowellenresonator, der an das Qubit gekoppelt ist, und ein Ausgeben eines Mikrowellenauslesesignals von dem Mikrowellenresonator an einen Mikrowelle-zu-Licht-Wandler. Außerdem enthält das Mikrowellenauslesesignal einen Qubit-Zustand des Qubits, und der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ist so konfiguriert, dass er das Mikrowellenauslesesignal in ein optisches Signal umwandelt. Ferner enthält das Verfahren in Reaktion auf das optische Signal, das durch den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben wird, ein Bestimmen, dass sich das Qubit in einem vordefinierten Qubit-Zustand befindet, und in Reaktion darauf, dass kein optisches Signal von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben wird, ein Bestimmen, dass sich das Qubit nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Auslesen von N Qubits bereitgestellt, die jeweils an N Mikrowellenresonatoren gekoppelt sind. Das Verfahren enthält ein Eingeben von N Mikrowellen-Eingangsauslesesignalen bei N Mikrowellenresonatorfrequenzen in die N Mikrowellenresonatoren, die jeweils an die N Qubits gekoppelt sind, wobei N eine ganze Zahl ist, und wobei eine der N Mikrowellenresonatorfrequenzen einzeln einem der N Mikrowellenresonatoren entspricht. Das Verfahren enthält ein Ausgeben von N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignalen von den N Mikrowellenresonatoren an N Mikrowellen-zu-Optisch-Wandler. Die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale enthalten einzeln einen Qubit-Zustand der N Qubits. Die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler sind so konfiguriert, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale in N optische Signale umwandeln, und eines der N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einem der N Qubits entspricht. Außerdem enthält das Verfahren in Reaktion auf irgendeines der optischen Signale, die durch den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben werden, ein Bestimmen, dass sich die entsprechenden der N Qubits in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden, und in Reaktion darauf, dass kein optisches Signal von den N Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern ausgegeben wird, ein Bestimmen, dass sich die entsprechenden der N Qubits nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein System zum Auslesen eines Qubits bereitgestellt. Das System enthält einen Mikrowellenresonator, der an das Qubit gekoppelt ist. Der Mikrowellenresonator ist so konfiguriert, dass er ein Mikrowellensignal bei einer Mikrowellenresonatorfrequenz empfängt und ein Mikrowellenauslesesignal ausgibt und das Mikrowellenauslesesignal einen Qubit-Zustand des Qubits enthält. Das System enthält einen Mikrowelle-zu-Licht-Wandler, der so konfiguriert ist, dass er das Mikrowellenauslesesignal von dem Mikrowellenresonator empfängt. Der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ist so konfiguriert, dass er das Mikrowellenauslesesignal in ein optisches Signal umwandelt, und das Qubit wird als in einem vordefinierten Qubit-Zustand befindlich definiert, wenn das optische Signal von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben wird. Das Qubit wird als nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindlich definiert, wenn kein optisches Signal von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben wird.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein System zum Auslesen von N Qubits bereitgestellt. Das System enthält N Mikrowellenresonatoren, die an die N Qubits gekoppelt sind, und die N Mikrowellenresonatoren sind so konfiguriert, dass sie N Mikrowellen-Eingangsauslesesignale bei N Mikrowellenresonatorfrequenzen empfangen und N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale ausgeben, wobei N eine ganze Zahl ist. N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler sind so konfiguriert, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale von den N Mikrowellenresonatoren empfangen, und die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale enthalten einzeln einen Qubit-Zustand der N Qubits. Die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler sind so konfiguriert, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale in N optische Signale umwandeln. Eines der N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale entspricht einzeln einem der N Qubits, und bestimmte der N Qubits sind jeweils als in einem vordefinierten Qubit-Zustand definiert, wenn entsprechende der N optischen Signale durch entsprechende der N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben werden. Entsprechende der N Qubits sind als nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindlich definiert, wenn keine entsprechenden der N optischen Signale durch entsprechende der N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Auslesesystem zum Auslesen von einem oder mehreren Qubits bereitgestellt. Das Auslesesystem enthält einen oder mehrere Mikrowellenhohlleiter, einen oder mehrere optische Wellenleiter, und einen oder mehrere Mikrowelle-zu-Licht-Wandler, die so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere Mikrowellenauslesesignale, die dem einen oder den mehreren Qubits entsprechen, über den einen oder die mehreren Hohlleiter empfangen. Der eine oder die mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandler sind so konfiguriert, dass sie ein oder mehrere optische Signale für das eine oder die mehreren Qubits, die sich in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden, über den einen oder die mehreren optischen Wellenleiter ausgeben. Der eine oder die mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandler sind so konfiguriert, dass sie keine optischen Signale für das eine oder die mehreren Qubits ausgeben, die sich nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allein zu Beispielzwecken unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1A eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung (Qubit-Auslesesystem) zum Messen eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist.
1B ein Ablaufplan ist, der einen Beispielbetrieb der Auslesearchitektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt.

2 eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung zum Messen eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist.
3 eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung zum Messen eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist.
4 eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung zum Messen eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist.
5 ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Auslesen eines Qubits ist, das an einen Mikrowellenausleseresonator gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gekoppelt ist.
6 ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Auslesen von N Qubits ist, die jeweils an Mikrowellenausleseresonatoren gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gekoppelt sind.
7 eine Tabelle zur Veranschaulichung von herkömmlichem Auslesen pro Qubit gegenüber Auslesen unter Verwendung von Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlung pro Qubit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist.
8 eine Tabelle zur Veranschaulichung eines Vergleichs der Hardware-Anforderungen für ein N Qubit-Auslesen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Alternative Ausführungsformen sind denkbar, ohne von dem Schutzumfang dieses Dokuments abzuweichen. Zu beachten ist, dass verschiedene Verbindungen und positionsbezogene Beziehungen (z.B. über, unter, neben usw.) zwischen Elementen in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen dargelegt werden. Diese Verbindungen und/oder positionsbezogenen Beziehungen können, sofern nicht anders angegeben, direkt oder indirekt sein und sind in dieser Hinsicht keinesfalls als einschränkend zu verstehen. Dementsprechend kann eine Kopplung von Entitäten auf eine direkte oder indirekte Kopplung verweisen, und eine positionsbezogene Beziehung zwischen Entitäten kann eine direkte oder indirekte positionsbezogene Beziehung sein. Als Beispiel für eine indirekte positionsbezogene Beziehung enthalten Verweise auf ein Ausbilden einer Schicht „A“ über einer Schicht „B“ Situationen, in denen sich eine oder mehrere Zwischenschichten (z.B. Schicht „C“) zwischen der Schicht „A“ und der Schicht „B“ befindet bzw. befinden, solange die relevanten Merkmale und Funktionalitäten von Schicht „A“ und Schicht „B“ nicht durch die Zwischenschicht(en) wesentlich verändert werden.
Eine oder mehrere Ausführungsformen enthalten Vorrichtungen und Verfahren zum Auslesen eines Quantenzustands von Qubits durch Umwandeln des Mikrowellenauslesesignals in optische Photonen. Der Prüfer misst den Qubit-Zustand bei Raumtemperatur (über eine Photonenmessvorrichtung) durch Empfangen der optischen Photonen mit den Informationen über den Qubit-Zustand über einen Lichtwellenleiter.
In einem System nach dem Stand der Technik wird die typische Einrichtung für Mikrowellensteuerung und -auslesung erörtert. Ein typischer Hardware-Aufwand für ein Auslesen eines einzelnen Qubits erfordert 3 Isolatoren, 1 bis 2 Zirkulatoren, 2 Verstärker, Koaxialkabel und eine gute Thermalisierung aller Komponenten. Das Volumen pro Qubit (Volumen/Qubit) beträgt ungefähr 0,001 Kubikmeter (m³) und das Gewicht pro Qubit (Gewicht/Qubit) beträgt ungefähr 1 Kilogramm (kg). Die Ausleseeinrichtung nach dem Stand der Technik ist nicht skalierbar, wie zum Beispiel nicht skalierbar auf 100 Qubits, da die gesamte Ausleseeinrichtung für 100 Qubits nicht in einen Kryoschrank nach derzeitigem Stand der Technik passt. Das Mikrowellenauslesen nach dem Stand der Technik erfordert eine Menge an Hardware: ein großer Raumbedarf, große Masse und große thermische Masse.
Ausführungsformen stellen ein kleineres und leichteres Auslesesystem bereit, sodass die Ausgabekette mit Lichtwellenleitern keine große thermische Masse aufweist. Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen eine skalierbare Lösung für 100 Qubits oder mehr bereit. Für eine N (N > 1 ist eine ganze Zahl) Menge von Qubits kann in einer oder mehreren Ausführungsformen Multiplexing verwendet werden.
Unter folgender Bezugnahme auf die Figuren ist 1A eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung 100 (Qubit-Auslesesystem) und veranschaulicht eine Messung eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 1A veranschaulicht die Messung des Quantensystems in Reflexion, aber es sollte klar sein, dass die Messung vorgenommen werden kann, wenn das Quantensystem in Übertragung arbeitet. Wenn der Ausleseresonator in Übertragung arbeitet, nutzen die Eingangs- und Ausgangssignale dieselbe Übertragungsleitung nicht gemeinsam, und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit gelangt das Eingangssignal auf eine Übertragungsleitung und das Ausgangssignal verlässt die andere Übertragungsleitung. Wenn der Ausleseresonator in Reflexion arbeitet, nutzen die Eingangs- und Ausgangssignale dieselbe Übertragungsleitung gemeinsam, wie in 1A dargestellt.
Die Auslesearchitektur/Mikrowellen- und optische Vorrichtung 100 dient zum Auslesen von Mikrowellen-Qubits unter Verwendung einer Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlung. Die Auslesearchitektur/Mikrowellen- und optische Vorrichtung 100 verwendet einen Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 in einer Mikrowellen-Qubit-Auslesevorrichtung 60.
Die Auslesearchitektur/Mikrowellen- und optische Vorrichtung 100 enthält ein Quantensystem 70, das ein Mikrowellen-Qubit 72 und ein Mikrowellenausleseresonator 74 ist. In einem Beispiel kann das Quantensystem 70 ein supraleitendes Quantensystem sein, und das Mikrowellen-Qubit 72 kann ein supraleitendes Qubit sein. In einem Beispiel kann der Mikrowellenausleseresonator 74 als ein zweidimensionaler (2D) Mikrowellenhohlraum oder ein dreidimensionaler (3D) Mikrowellenhohlraum umgesetzt sein.
Der Mikrowellenausleseresonator 74 ist ausgelegt, um den Zustand des Mikrowellen-Qubits 72 auszulesen (d.h. zu prüfen). In einer Umsetzung kann das Mikrowellen-Qubit 72 ein supraleitendes Transmon-Qubit sein, das einen Josephson-Übergang enthält. In einer Umsetzung kann das Mikrowellen-Qubit 72 kapazitiv an den Mikrowellenausleseresonator 74 gekoppelt sein. Für Mikrowellenausleseresonatoren gibt es verschiedene Auslegungen. Zu Beispielen für den Mikrowellenausleseresonator 74 können ein Induktor und Kondensator, ein koplanarer Hohlleiterresonator, ein koplanarer Streifenleitungsresonator, ein konzentrierter Elementresonator, ein 3D-Wellenleiter-Hohlraum und/oder ein zylindrischer Hohlraum zählen. Zu beachten ist, dass das Mikrowellen-Qubit 72 zu Erklärungszwecken zwar ein Transmon-Qubit-Schaltkreis sein kann, es aber klar sein sollte, dass das Mikrowellen-Qubit 72 keinesfalls als darauf eingeschränkt zu verstehen ist und auf andere supraleitende Qubit-Schaltkreise angewendet werden kann, die keine Transmon-Qubit-Schaltkreise sind.
Obwohl in diesem Beispiel ein Qubit 72 und ein Ausleseresonator 74 dargestellt sind, kann das Quantensystem 70 ein oder mehrere Qubits 72 und einen oder mehrere Mikrowellenausleseresonatoren 74 enthalten/darstellen, wobei jedes Qubit 72 an seinen eigenen Mikrowellenausleseresonator 74 gekoppelt ist.
Die Auslesevorrichtung 60 enthält einen Mikrowellenzirkulator 80, einen Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 und einen Abschlusspunkt 30. Das Auslesesystem 100 enthält Übertragungsleitungen als Mikrowellenhohlleiter 1, 71 und 81, und optische Wellenleiter 2 und 4 auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Mikrowelle-zu-Licht-Wandlers 50. Die Auslesevorrichtung 60 und das Quantensystem 70 befinden sich beide in einem Kühlschrank 150, der für ein niedriges thermisches Rauschen und, falls erforderlich, für Supraleitfähigkeit auf eine vordefinierte Temperatur kühlt. Die Elemente unter der gestrichelten Linie werden auf der vordefinierten Temperatur gehalten, einschließlich Hohlleitern (d.h. Übertragungsleitungen). In einer Umsetzung kann der Kühlschrank 150 die Temperatur auf der vordefinierten Temperatur von ungefähr 10 Millikelvin (mK) halten, was der typischen Temperatur entspricht, die zum Unterdrücken von thermischer Anregung und Rauschen verwendet wird. Der Kühlschrank 150 kann ein Kryoschrank sein, der die Auslesevorrichtung 60, das Quantensystem 70 und zugehörige Hohlleiter auf der 10-mK-Stufe hält. Die Auslesevorrichtung 60 kann aus supraleitenden Materialien bestehen, die gemäß den Prinzipien von Supraleitfähigkeit arbeiten, wenn sie auf die vordefinierte Temperatur gekühlt sind. Außerdem kann das Quantensystem 70 aus supraleitenden Materialien bestehen.
Der Mikrowellenzirkulator 80 ist mit dem Quantensystem 70 über eine Übertragungsleitung 71 verbunden. Ein Mikrowellensignalgenerator 20 überträgt ein Eingangsmikrowellensignal 21 über eine Übertragungsleitung 1 an den Zirkulator 80.
Das Eingangsmikrowellensignal 21 wird in einen Anschluss des Zirkulators 80 eingegeben/von einem Anschluss des Zirkulators 80 empfangen, und das Eingangsmikrowellensignal 21 wird nach einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn (d.h. in Pfeilrichtung) durch den nächsten Anschluss ausgegeben. Der Zirkulator 80 ist mit drei Anschlüssen veranschaulicht. Dieses Beispiel zeigt den Zirkulator 80, der mit dem ersten Anschluss mit dem Eingang/Ausgang des Quantensystems 70 verbunden ist. Der zweite Anschluss des Zirkulators 80 ist mit dem Mikrowelleneingang des Mikrowelle-zu-Licht-Wandlers 50 verbunden. Der dritte Anschluss des Zirkulators 80 ist mit dem Mikrowellensignalgenerator 20 verbunden.
Der Mikrowellensignalgenerator 20 (oder ein anderer Signalgenerator (nicht gezeigt), der mit dem Mikrowellen-Qubit verbunden ist), ist so konfiguriert, dass er ein Mikrowellensignal (nicht gezeigt) bei der Qubit-Resonanzfrequenz (f_q) des Mikrowellen-Qubits 72 generiert, und dieses Qubit-Signal (f_q) wird in das Quantensystem 70 eingegeben. Das Eingangs-Qubit-Resonanzfrequenzsignal initialisiert, bearbeitet, erregt oder steuert das Qubit 72. Jeder Qubit-Zustand erzeugt eine eindeutige Ausleseresonatorresonanz. Zum Messen oder Erschließen des Zustands des supraleitenden Qubits 72 wird ein Eingangsauslesesignal 21 durch den Mikrowellensignalgenerator 20 oder einen anderen Generator bei der Ausleseresonanzfrequenz (f_r) des Ausleseresonators 74 generiert. Das Eingangsauslesesignal 21 wird an das Quantensystem 70 gesendet. Das Eingangsauslesesignal 21 wird in den Ausleseresonator 74 bei Resonanz (oder nahe der Resonanz des Ausleseresonators 74) über den Zirkulator 80 eingegeben, sodass der Ausleseresonator 74 erregt wird. Der Ausleseresonator 74 generiert (oder resoniert) ein Ausgangsauslesesignal 11 bei der Ausleseresonanzfrequenz (f_r). Das Ausgangsauslesesignal 11, das den Ausleseresonator 74 nach einer dispersiven Interaktion mit dem Qubit 72 verlässt, überträgt (Quanten-) Informationen über den Zustand des Qubits 72, d.h. ob sich das Qubit 72 im Grundzustand, erregten Zustand und/oder in einer Überlagerung dieser beiden Zustände befindet. Diese Qubit-Informationen sind entweder in der Phase und/oder der Amplitude des Ausgangs-Mikrowellenauslesesignals 11 verschlüsselt. Das Ausgangsauslesesignal 11 ist das Resonatorauslesesignal, das von dem Ausleseresonator 74 auf der Übertragungsleitung 71 an den Zirkulator und anschließend an den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 auf der Übertragungsleitung 81 ausgegeben wird. Der Zirkulator 80 ist so ausgelegt, dass er (in Drehung) das Resonator-Ausgangsauslesesignal 11 an den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 leitet. Das Resonator-Ausgangsauslesesignal 11 ist ein Mikrowellensignal bei (oder nahe an) der Ausleseresonanzfrequenz (f_r) des Ausleseresonators 74.
Gleichzeitig ist ein optischer Signalgenerator 22 (z.B. eine optische Pumpe) so konfiguriert, dass er ein optisches Pumpensignal 23 bei der optischen Pumpenfrequenz (f_p) generiert. Der optische Signalgenerator 22 überträgt das optische Pumpensignal 23 auf der Übertragungsleitung 2 zu dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50. Gleichzeitig ist ein optischer Signalgenerator 24 so konfiguriert, dass er ein optisches Eingangssignal 25 bei einer optischen Eingangssignalfrequenz (f_EA) generiert. Der optische Signalgenerator 24 überträgt das optische Eingangssignal 25 zu dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50.
Der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 ist so konfiguriert, dass er (gleichzeitig) das Ausgangsauslesesignal 11 mit dem Qubit-Zustand des Qubits 72 und das optische Pumpensignal 23 empfängt. Das optische Eingangssignal 25 ist optional, das zum Kennzeichnen oder Beeinflussen des Mikrowelle-zu-Licht-Wandlers 50 verwendet werden kann. Der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 wandelt das Ausgangs-Mikrowellenauslesesignal 11 bei der Frequenz f_oo in ein optisches Ausgangssignal 27 um. Das optische Ausgangssignal 27 wird von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 zu einem optischen Photon-Detektor 26 über eine Übertragungsleitung 4 (auf der Ausgangsseite) übertragen. Das optische Ausgangssignal 27 enthält die Informationen des Qubit-Zustands des Qubits 72, und der optische Photon-Detektor 26 ist so konfiguriert, dass er den Qubit-Zustand durch Erkennen eines optischen Photons in dem optischen Ausgangssignal 27 ausliest/extrahiert. Der optische Photon-Detektor 26 kann auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, zum Beispiel 4 Kelvin (d.h. auf Stufe 4 K befindlich).
Das restliche optische Pumpensignal 23 wird in eine optische Abfangeinrichtung 28 geleitet. Eine optische Abfangeinrichtung oder Strahlabfangeinrichtung ist eine Vorrichtung zum Absorbieren der Energie von Photonen oder anderen Teilchen in einem energetischen Strahl. Das restliche Ausgangsauslesesignal 11 wird am Abschlusspunkt 30 aufgelöst. Der Abschlusspunkt 30 kann eine 50-Ohm-Last sein, und der Abschlusspunkt ist auf die vordefinierte Temperatur gekühlt, z.B. 10 mK. In einer Umsetzung kann der Abschlusspunkt 30 ein Widerstand sein.
Gemäß Ausführungsformen wird in der Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung 50 ein Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11, das Informationen über den Qubit-Zustand enthält, unter Verwendung der Leistung des optischen Pumpensignals 23 in ein optisches Signal umgewandelt (z.B. ist die Frequenz gleich ungefähr (≈) 193 Terahertz (THz)). Es wird angemerkt, dass die Frequenz der optischen Pumpe (f_p) = ausgegebene Mikrowellensignalfrequenz (f_r) + optische Ausgangssignalfrequenz ist, umgewandelt aus dem Mikrowellensignal (f_oo).
1B ist ein Ablaufplan 150, der einen Beispielbetrieb der Auslesearchitektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. In diesem Beispiel kann der Qubit-Zustand A (auf den austauschbar als Quantenzustand A verwiesen wird) dem erregten Zustand entsprechen.
Am Block 152 wird ein Mikrowellen-Eingangsauslesesignal 21 in den Ausleseresonator 74 eingegeben, sodass der Ausleseresonator 74 das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 ausgibt, das die Informationen über den Qubit-Zustand des Qubits 72 enthält. In einer Umsetzung liegt das Mikrowelleneingangssignal 21 bei der Ausleseresonatorfrequenz (f_r).
Am Entscheidungsblock 154 kann der Ablauf zwei verschiedene Vorgänge aufweisen, je nachdem, ob sich das Qubit 72 im Qubit-Zustand A befindet. Falls „Nein“, befindet sich das Qubit 72 nicht im Qubit-Zustand A, und das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 ist am Block 156 Null oder niedrig. Ein niedriges Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 wird als ein vordefinierter Wert definiert, der unter einem vordefinierten Schwellenwert für den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 zum Umwandeln in ein optisches Signal liegt. In einer Umsetzung ist ein niedriges Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 zu klein für den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50, um für eine optische Umwandlung erkannt und/oder verwendet zu werden.
Am Block 158 gelangt das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 von dem Ausleseresonator 74 in den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50. Da das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 niedrig ist (oder unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt), wird am Block 160 kein Mikrowellensignal durch den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 umgewandelt. Dementsprechend wird am Block 162 kein optisches Signal durch den Photon-Detektor 26 erkannt, und daher bestätigt das Erkennen (durch den Photon-Detektor 26), dass sich das Qubit 72 nicht im Qubit-Zustand A befindet.
Alternativ verzweigt sich der Ablauf am Block 154 bei „Ja“ zum Block 164, da sich das Qubit 72 in dem Qubit-Zustand A befindet. Am Block 164 gelangt das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 von dem Ausleseresonator 74 in den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50.
Am Block 166 wandelt der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 in das ausgegebene optische Signal 27 um, das den Qubit-Zustand enthält.
Am Block 168 wird das optische Ausgangssignal 27 durch den optischen Photon-Detektor 26 erkannt, und dieses Erkennen (von mindestens einem optischen Photon) des optischen Ausgangssignals 27 durch den optischen Photon-Detektor 26 bestätigt, dass sich das Qubit 72 in dem Zustand A befindet. In einer Umsetzung ist der Qubit-Zustand in der Photon-Anzahl oder optischen Leistung (und nicht notwendigerweise in der Phase oder Amplitude) enthalten. Ein Erkennen oder ein Nicht-Erkennen des optischen Signals (d.h. „Ja“ im Zustand A) bestimmt, ob sich das Qubit 72 im Zustand A befindet.
2 ist eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung 100 (Qubit-Auslesesystem) und veranschaulicht eine Messung eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In 1 und 2 sind identische Elemente enthalten, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt, da sie hierin bereits vorher erörtert wurden.
2 enthält den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 und stellt weitere Details bereit. In diesem Beispiel wird der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 als eine optisch-mechanische Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung dargestellt. Die optisch-mechanische Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung 50 enthält einen piezooptisch-mechanischen Oszillator/Resonator 205. Der piezooptischmechanische Oszillator 205 enthält Piezomaterial, das auf Grundlage des Mikrowellen-Ausgabeauslesesignals 11 in Verbindung mit dem optischen Pumpensignal 23 und dem optischen Eingangssignal 25 oszilliert (d.h. sich bewegt). Die optisch-mechanische Mikrowelle-zu-Licht-Wandlervorrichtung 50 wandelt das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 in das optische Ausgangssignal 27 zur Erkennung durch den optischen Photon-Detektor 26 um. In einer Umsetzung muss der optisch-mechanische Oszillator nicht piezoelektrisch sein. In einer Umsetzung kann der optisch-mechanische Oszillator ein photonischer kristalloptischer Strahlhohlraum oder ein dielektrischer opto-mechanischer Membranhohlraum sein.
Zum Beispiel wird das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11, das die Informationen über den Qubit-Zustand enthält, in der opto-mechanischen Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung 50 unter Verwendung der Leistung des optischen Pumpensignals 23 in ein optisches Ausgangssignal 27 umgewandelt (als optische Frequenz von ungefähr (≈) 193 Terahertz (THz)). In der opto-mechanischen Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung 50 moduliert das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 die optische Frequenz durch mechanisches Vibrieren des optischen Resonators 205 und wird unter Verwendung des optischen Pumpensignals 23 von der optischen Pumpe 22 in das optische Ausgangssignal 27 umgewandelt.
3 ist eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung 100 (Qubit-Auslesesystem) und veranschaulicht eine Messung eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In 1 und 3 sind identische Elemente enthalten, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt, da sie hierin bereits vorher erörtert wurden.
3 stellt weitere Details des Mikrowelle-zu-Licht-Wandlers 50 bereit. In diesem Beispiel wird der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 als ein elektro-optischer Mikrowelle-zu-Licht-Wandler dargestellt. Der elektro-optische Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 enthält einen optischen Auslesekopplungsresonator 310 (λ'), eine elektro-optische Vorrichtung 305 (f) und einen optischen Pumpenkopplungsresonator 315 (λ). Der optische Auslesekopplungsresonator 310 (λ') ist an die elektro-optische Vorrichtung 305 (f) gekoppelt, und der optische Pumpenkopplungsresonator 315 (λ) ist ebenfalls an die elektro-optische Vorrichtung 305 (f) gekoppelt.
In diesem Beispiel hat der optische Auslesekopplungsresonator 310 (λ') eine Wellenlänge λ', die der optischen Ausgangsfrequenz f_oo des optischen Ausgangssignals 27 entspricht (oder mit dieser übereinstimmt). Die elektro-optische Vorrichtung 305 (f) hat eine freie Spektralbereichfrequenz (f), die der Ausleseresonatorfrequenz f_r des Mikrowellen-Ausgangsauslesesignals 11 entspricht (oder mit dieser übereinstimmt). Außerdem hat der optische Pumpenkopplungsresonator 315 (λ) eine Wellenlänge A, die der Pumpenfrequenz f_p des optischen Pumpensignals 23 entspricht (oder mit dieser übereinstimmt). Die elektro-optische Vorrichtung 305 enthält einen Mikrowellenresonator bei f und einen optischen Resonator aus einem elektro-optischen Material, dessen optische Resonanzfrequenz sich ändert, wenn ein Mikrowellen-Photon von dem Mikrowellenresonator f verwendet wird.
Zum Beispiel wird das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11, das die Informationen über den Qubit-Zustand enthält, in der elektro-optischen Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung 50 unter Verwendung der Leistung des optischen Pumpensignals 23 in ein optisches Ausgangssignal 27 umgewandelt (z.B. Frequenz ≈ 193 THz). Die elektro-optische Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung 50 verwendet den elektro-optischen Effekt für die Umwandlung, was dem Mikrowellensignal ermöglicht, die optische Frequenz zu modulieren. Wenn das optische Pumpensignal 23 und das Mikrowellensignal 11 in die elektro-optische Vorrichtung 305 gelangen, wird das Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 in das optische Ausgangssignal 27 umgewandelt.
4 ist eine schematische Darstellung einer Architektur/Mikrowellen- und optischen Vorrichtung 100 (Qubit-Auslesesystem) und veranschaulicht eine Messung eines Quantensystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In 4 ist das Auslesesystem 100 für ein gemultiplextes Auslesen von mehreren Qubits konfiguriert. In 1, 3 und 4 sind identische Elemente enthalten, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt, da sie hierin bereits vorher erörtert wurden.
4 enthält mehrere elektro-optische Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50_1 bis 50_N, die jeweils ihren eigenen optischen Auslesekopplungsresonator 310 (λ1' bis λN'), ihre eigene elektro-optische Vorrichtung 305 (f1 bis fN) und ihren eigenen optische Pumpenkopplungsresonator 315 (λ1 bis λN) enthalten. Jeder optische Auslesekopplungsresonator 310 (λ1' bis λN') ist an seine jeweilige elektro-optische Vorrichtung 305 (f1 bis fN) gekoppelt, und jeder optische Pumpenkopplungsresonator 315 (λ1 - λN) ist ebenfalls an seine eigene elektro-optische Vorrichtung 305 (f1 bis fN) gekoppelt. N ist eine ganze Zahl, die die letzte Nummer des betreffenden Elements darstellt.
In diesem Beispiel hat der optische Auslesekopplungsresonator 310 (λ'1 bis AN') eine Wellenlänge λ1' bis λN' (oder Frequenzen), die jeweils den optischen Ausgangsfrequenzen f_oo1 bis f_ooN des optischen Ausgangssignals 27 entsprechen (oder mit diesen übereinstimmen). Jeder einzelne optische Auslesekopplungsresonator 310 gibt Licht des optischen Ausgangssignals 27 ab, nachdem die Mikrowelleneingangssignale 11 in die optischen Ausgangssignale 27 unter Verwendung der Pumpe 23 umgewandelt wurden. Die Ausleseresonatorfrequenzen f_r1 bis f_rN der Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale 11 werden gemultiplext und auf dem Mikrowellenhohlleiter 71, 81 zu jeweiligen elektro-optischen Vorrichtungen 305 (f1 bis f2) übertragen. Dementsprechend haben die elektro-optischen Vorrichtungen 305 (f1 bis f2) Frequenzen (f1 bis f2), die der Ausleseresonatorfrequenz f_r1 bis f_rN der Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale 11 entsprechen (oder mit diesen übereinstimmen).
Außerdem sind mehrere Pumpenfrequenzen f_p1 bis f_pN der optischen Pumpensignale 23 vorhanden. Dementsprechend haben die optischen Pumpenkopplungsresonatoren 315 (λ1 bis λN) jeweils Wellenlängen λ1 bis λN (oder Frequenzen), die der Pumpenfrequenz f_p1 bis f_pN von optischen Pumpensignalen 23 entsprechen (oder mit diesen übereinstimmen).
Das Mikrowellen-Quantensystem 70 enthält N-Qubits 72 und N-Mikrowellenausleseresonatoren 74. Jedes der N-Qubits 72 ist an seinen eigenen von N-Mikrowellenausleseresonatoren 74 gekoppelt. Jeder einzelne der N-Mikrowellenausleseresonatoren 74 ist ausgelegt, um den Zustand des jeweiligen der N-Qubits 72 auszulesen (d.h. zu prüfen). Eines der N-Qubits 72 ist an einen der N-Ausleseresonatoren 74 gekoppelt.
Mehrere gemultiplexte Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale 11, die jeweils Informationen von mehreren Qubit-Zuständen für jedes der N-Qubits 72 enthalten, gelangen in die Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtungen 50_1 bis 50_N. Jede Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlungsvorrichtung 50_1 bis 50_N hat eine leicht unterschiedliche Frequenz (f1 bis fN), die so ausgelegt ist, dass jedes Mikrowellen-Ausgangsauslesesignal 11 (mit einer jeweiligen Frequenz f_r1 bis f_rN) von jedem der N-Qubits 72 selektiv umgewandelt wird. Diese Einstellung ermöglicht ein gleichzeitiges Auslesen von mehreren Qubit-Zuständen für jedes der N-Qubits 72, indem die jeweiligen gemultiplexten Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale 11 (mit jeweiligen Auslesefrequenzen f_r1 bis f_rN) in ein gemultiplextes optisches Ausgangssignal 27 auf einem optischen Wellenleiter 4 und N Photon-Detektoren (ausgangsseitig) über jeweilige Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50_1 bis 50_N umgewandelt werden. Es sollte klar sein, dass jede Bezeichnung 1 bis N so zu interpretieren ist, dass sie den jeweiligen entsprechenden Elementen, Signalen, Frequenzen, Wellenlängen, Vorrichtungen usw. zugehörig ist.
5 ist ein Ablaufplan 500 eines Verfahrens zum Auslesen eines Qubits 72, das an einen Mikrowellenausleseresonator 74 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gekoppelt ist. Auf 1A, 1B, 2, 3, 4, 7 und/oder 8 kann Bezug genommen werden.
Am Block 505 wird ein Mikrowellen-Eingangsauslesesignal 21 bei einer Mikrowellenresonatorfrequenz in den Mikrowellenausleseresonator 74 eingegeben, der an das Qubit 72 gekoppelt ist.
Am Block 510 wird ein Mikrowellenauslesesignal 11 von dem Mikrowellenausleseresonator 74 an einen Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 ausgegeben, und das Mikrowellenauslesesignal 11 enthält Informationen über einen Qubit-Zustand des Qubits 72, wobei der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 so konfiguriert ist, dass er das Mikrowellenauslesesignal in ein optisches Signal umwandelt.
Am Block 515 wird in Reaktion darauf, dass das optische Signal 27 von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 ausgegeben wird, bestimmt, dass sich das Qubit 72 in einem vordefinierten Qubit-Zustand befindet. Am Block 520 wird in Reaktion darauf, dass kein optisches Signal von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 ausgegeben wird, bestimmt, dass sich das Qubit 72 nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet.
Ein Bestimmen, dass sich das Qubit 72 in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet, weist ein Umwandeln des Mikrowellenauslesesignals 11 in das optische Signal 27 durch den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 auf. Der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 ist so konfiguriert, dass er das optische Signal 27 ausgibt.
Ein Photon-Detektor 26 erkennt das optische Signal 27 (mindestens ein optisches Photon darin) aus dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50. Ein Erkennen des optischen Signals durch den Photon-Detektor 26 wird verwendet, um zu bestimmen, dass sich das Qubit in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet. In Reaktion darauf, dass der Photon-Detektor 26 keinen optischen Signalausgang von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 erkennt, wird das Erkennen keines optischen Signals verwendet, um zu bestimmen, dass sich das Qubit 72 nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet. Von dem Photon-Detektor wird kein optisches Signal erkannt, weil das Mikrowellenauslesesignal 11 unter einem Schwellenwert für den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 liegt, wodurch verursacht wird, dass der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler kein optisches Signal ausgibt.
In einer Umsetzung nimmt ein Operator, der den Photon-Detektor 26 ausliest, die Bestimmung in den Blöcken 525 und 530 vor. In einer Umsetzung kann ein Computer mit einem Prozessor, im Computer umgesetzten Anweisungen und einem Arbeitsspeicher mit dem Photon-Detektor 26 verbunden sein, und der Computer ist so konfiguriert, dass er ein Erkennen des optischen Signals 27 durch den Photon-Detektor 26 wiedererkennt, sodass der Computer die Bestimmung in den Blöcken 525 und 530 vornehmen kann.
Der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 ist eine Vorrichtung, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einer elektro-optischen Vorrichtung (3 und 4), einer optisch-mechanischen Vorrichtung (1), einer optisch-piezoelektrischen Vorrichtung (2), einer magneto-optischen Vorrichtung oder jeder Vorrichtung besteht, die ein Quanten-Mikrowellensignal in ein optisches Signal umwandeln kann.
Der Mikrowellenausleseresonator 74 ist ein Mikrowellenhohlraum (z.B. ein 1D-, 2D- oder 3D-Mikrowellenauslesehohlraum).
Der Mikrowellenresonator 74, das Qubit 72 und der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 werden auf eine vordefinierte Temperatur gekühlt, die viel niedriger als eine Temperatur von thermischem Rauschen ist.
6 ist ein Ablaufplan 600 eines Verfahrens zum Auslesen von N Qubits 72 , die jeweils an Mikrowellenresonatoren 74 (z.B. 1 bis N Mikrowellenausleseresonatoren) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gekoppelt sind. Auf 1A, 1B, 2, 3, 4, 5, 7 und/oder 8 kann Bezug genommen werden.
Am Block 605 werden N Mikrowellen-Eingangsauslesesignale 21 bei N verschiedenen Mikrowellenresonatorfrequenzen in die N Mikrowellenausleseresonatoren 74 eingegeben, an die die N Qubits 72 jeweils gekoppelt sind, wobei N eine ganze Zahl ist, wobei jede der N Mikrowellenresonatorfrequenzen einzeln einem der N Mikrowellenresonatoren 74 entspricht. Die N verschiedenen Mikrowellenresonatorfrequenzen entsprechen den N Mikrowellenresonatoren 74 auf einer Eins-zu-Eins-Grundlage.
Am Block 610 werden N Mikrowellenauslesesignale 11 (z.B. können 1 bis N Mikrowellenauslesesignale auf den Hohlleitern 71 und 81 gemultiplext werden) jeweils von den N Mikrowellenresonatoren 74 an N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50_1 bis 50_N ausgegeben, und die N Mikrowellenauslesesignale 11 enthalten einzeln Informationen über einen Qubit-Zustand von jedem der N Qubits, wobei die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 so konfiguriert sind, dass sie die N Mikrowellenauslesesignale 11 in N optische Signale 27 umwandeln (z.B. 1 bis N optische Signale auf dem optischen Wellenleiter 4). Eines der N Mikrowellenauslesesignale 11 entspricht einzeln einem der N Qubits 72.
Am Block 615 wird in Reaktion darauf, dass irgendeines der N optischen Signale 27 von den Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern 50_1 bis 50_N ausgegeben wird, bestimmt, dass sich entsprechende der N Qubits 72 in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
Am Block 620 wird in Reaktion auf kein von den N Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern 50_1 bis 50_N ausgegebenes optisches Signal bestimmt, dass sich bestimmte entsprechende der N Qubits 72 nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
Die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50_1 bis 50_N sind so konfiguriert, dass sie die N optischen Ausgangssignale 27 in ein mehrfaches optisches Signal multiplexen, die auf einer optischen Leitung 4 ausgegeben werden, die zu N Photon-Detektoren führt.
Ein oder mehrere Mikrowellenhohlleiter 71, 81 koppeln den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler mit dem Mikrowellenresonator 74. Ein oder mehrere optische Wellenleiter 2, 4 sind an den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 gekoppelt. Ein oder mehrere Mikrowellenzirkulatoren 80 verbinden den Mikrowellenresonator 74 und den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50.
Es sollte klar sein, dass die Auslesevorrichtung 70 und/oder jede Vorrichtung in der Auslesevorrichtung 70 auf einem Chip umgesetzt werden kann, zum Beispiel als integrierte Schaltung. Es sollte klar sein, dass der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 und/oder jede Vorrichtung in dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler 50 auf einem Chip umgesetzt werden kann, zum Beispiel als integrierte Schaltung.
Zu Veranschaulichungszwecken und nicht zur Einschränkung sind in 7 und 8 Tabellen gezeigt, die den Leser dabei unterstützen sollen, die Verringerung des Hardware-Aufwands und die Verringerung der Hardware-Anforderungen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zu verstehen.
7 ist eine Tabelle 700 zur Veranschaulichung von herkömmlichem Auslesen pro Qubit gegenüber Auslesen unter Verwendung von Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlung pro Qubit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Tabelle 700 veranschaulicht 4 Zeilen, betitelt mit Hardware-Anforderung, physischer Raumbedarf pro Qubit-Einrichtung, Skalierung und Anforderung für gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
Für ein Auslesen jedes Qubits weist die herkömmliche Mikrowellenauslesung eine größere Hardware-Anforderung als die optische Auslesung unter Verwendung von Ausführungsformen mit Mikrowelle-zu-Licht-Umwandlung auf.
8 ist eine Tabelle 800 zur Veranschaulichung eines Vergleichs der Hardware-Anforderung für ein N Qubit-Auslesen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Tabelle 800 veranschaulicht 5 Zeilen, betitelt mit Ausleseansteuerleitung, Isolatoren, Zirkulatoren, Quantenverstärker und Pumpenleitungen.
Tabelle 8 zeigt einen Vergleich zwischen einer herkömmlichen Auslesung, herkömmlicher Multiplex-Auslesung und optischer Auslesung mit einem Multiplexen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Zum Auslesen von N Qubit-Auslesungen (wobei N eine ganze Zahl ist) erfordert die optische Auslesung mit Multiplexen für N Qubits in Ausführungen weniger Hardware-Vorrichtungen als eine herkömmliche Auslesung oder herkömmliche Auslesung mit Multiplexen.
Zu technischen Auswirkungen und Vorteilen zählen verbesserte Qubit-Auslesesysteme und -verfahren, beispielsweise durch Verwenden von einem oder mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern. Technische Vorteile stellen eine neuartige Struktur und ein Verfahren bereit, das einen Quantenzustand von Qubits, dessen Signal bei Mikrowellenfrequenz liegt, unter Verwendung von optischen Photonen über optische Wellenleiter ausliest. Ferner stellen Ausführungsformen eine erhebliche Verringerung der Menge von schweren Mikrowellenkomponenten bereit und ermöglichen somit die Aufwärtsskalierung von Mikrowellen-Qubits unter geringeren Hardware-Anforderungen im Vergleich zum Stand der Technik. Außerdem offenbaren Ausführungsformen das Auslesen von Quantenzuständen von Mikrowellen-Qubits in einer thermisch und elektrisch isolierteren Umgebung mit Auslesekabeln, die auf kalten Stufen enden.
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin unter Bezugnahme auf Veranschaulichungen von Ablaufplänen und/oder Blockschaubildern von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Block der Ablaufplandarstellungen und/oder der Blockschaubilder und Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplandarstellungen und/oder den Blockschaubildern durch von einem Computer lesbare Programmanweisungen ausgeführt werden können.
Die Ablaufpläne und Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder den Blockschaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Anweisungen darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zum Umsetzen der bestimmten logischen Funktion(en) aufweisen. In einigen alternativen Umsetzungen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren gezeigt auftreten. Zum Beispiel können zwei nacheinander gezeigte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden, was von der beteiligten Funktionalität abhängt. Es ist ferner anzumerken, dass jeder Block der Blockschaubilder und/oder der Ablaufplandarstellungen sowie Kombinationen von Blöcken in den Blockschaubildern und/oder der Ablaufplandarstellung durch spezielle auf Hardware beruhende Systeme umgesetzt werden können, welche die angegebenen Funktionen oder Handlungen durchführen oder Kombinationen aus Spezial-Hardware und Computeranweisungen ausführen.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zweck der Veranschaulichung erstellt, sie sollen aber keineswegs erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt sein. Für Fachleute sind viele Modifizierungen und Variationen offenkundig, die nicht von dem Schutzbereich und dem Erfindungsgedanken der beschrieben Ausführungsformen abweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, der praktischen Anwendung oder technischen Verbesserung gegenüber auf dem Markt gefundenen Technologien bestmöglich zu erklären oder anderen Fachleuten das Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zum Auslesen von N Qubits, die jeweils an N Mikrowellenresonatoren gekoppelt sind, wobei das Verfahren aufweist: ein Eingeben von N Mikrowellen-Eingangsauslesesignalen mit N Mikrowellenresonatorfrequenzen in die N Mikrowellenresonatoren, die jeweils an die N Qubits gekoppelt sind, wobei N eine ganze Zahl ist, wobei eine der N Mikrowellenresonatorfrequenzen einzeln einem der N Mikrowellenresonatoren entspricht; ein Ausgeben von N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignalen von den N Mikrowellenresonatoren an N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler, wobei die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einen Qubit-Zustand der N Qubits enthalten, wobei die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale in N optische Signale umwandeln, wobei eines der N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einem der N Qubits entspricht; in Reaktion auf irgendeines der N optischen Signale, die von den N Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern ausgegeben werden, ein Bestimmen, dass sich entsprechende der N Qubits in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden; und in Reaktion auf kein von den N Mikrowelle-zu-Licht-Wandlern ausgegebenes optisches Signal ein Bestimmen, dass sich entsprechende der N Qubits nicht in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei N = 1.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Bestimmen, dass sich das Qubit in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet, ein Umwandeln des Mikrowellenauslesesignals in das optische Signal durch den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner ein Ausgeben des optischen Signals durch den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner aufweisend ein Erkennen des optischen Signals von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler durch einen Photon-Detektor.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Erkennen des optischen Signals durch den Photon-Detektor verwendet wird, um zu bestimmen, dass sich das Qubit in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei in Reaktion darauf, dass ein Photon-Detektor keinen optischen Signalausgang von dem Mikrowelle-zu-Licht-Wandler erkennt, das Erkennen keines optischen Signals verwendet wird, um zu bestimmen, dass sich das Qubit nicht in dem vordefinierten Qubit-Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei kein optisches Signal von dem Photon-Detektor erkannt wird, weil das Mikrowellenauslesesignal unter einem Schwellenwert für den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler liegt, wodurch verursacht wird, dass der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler kein optisches Signal ausgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler eine Vorrichtung ist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einer elektro-optischen Vorrichtung, einer optisch-mechanischen Vorrichtung, einer optisch-piezoelektrischen Vorrichtung und einer magneto-optischen Vorrichtung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Mikrowellenresonator ein Mikrowellenhohlraum ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Mikrowellenresonator, das Qubit und der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler auf eine vordefinierte Temperatur gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vordefinierte Temperatur in einem Bereich von ungefähr 0,01 bis 0,1 Kelvin liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die N Mikrowelle-zu-Licht Wandler so konfiguriert sind, dass sie die N optischen Signale in einen einzelnen optischen Signalausgang auf einer optischen Leitung multiplexen.
System zum Auslesen von N Qubits, wobei das System aufweist: N Mikrowellenresonatoren, die an die N Qubits gekoppelt sind, wobei die N Mikrowellenresonatoren konfiguriert sind, um N Mikrowellen-Eingangsauslesesignale bei N Mikrowellenresonatorfrequenzen zu empfangen und N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale auszugeben, wobei N eine ganze Zahl ist; und N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler, die so konfiguriert sind, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale von den N Mikrowellenresonatoren empfangen, wobei die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einen Qubit-Zustand der N Qubits enthalten, wobei die N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie die N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale in N optische Signale umwandeln, wobei eines der N Mikrowellen-Ausgangsauslesesignale einzeln einem der N Qubits entspricht, wobei bestimmte der N Qubits jeweils als in einem vordefinierten Qubit-Zustand befindlich definiert werden, wenn entsprechende der N optischen Signale durch entsprechende der N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben werden, wobei entsprechende der N Qubits jeweils als nicht in einem vordefinierten Qubit-Zustand befindlich definiert werden, wenn keine entsprechenden der N optischen Signale durch entsprechende der N Mikrowelle-zu-Licht-Wandler ausgegeben werden.
System nach Anspruch 14, wobei N = 1.
System nach Anspruch 15, ferner aufweisend einen oder mehrere Mikrowellenhohlleiter, die den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler an den Mikrowellenresonator koppeln.
System nach einem der Ansprüche 15 oder 16, ferner aufweisend einen oder mehrere optische Wellenleiter, die an den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler gekoppelt sind.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner aufweisend einen Photon-Detektor, der konfiguriert ist, um das optische Signal durch Erkennen von einem oder mehreren optischen Photonen zu erkennen.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler eine Vorrichtung ist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einer elektro-optischen Vorrichtung, einer optisch-mechanischen Vorrichtung, einer optisch-piezoelektrischen Vorrichtung und einer magneto-optischen Vorrichtung besteht.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der Mikrowellenresonator ein Mikrowellenhohlraum ist.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei der Mikrowellenresonator, das Qubit und der Mikrowelle-zu-Licht-Wandler auf eine vordefinierte Temperatur gekühlt werden.
System nach Anspruch 21, wobei die vordefinierte Temperatur in einem Bereich von ungefähr 0,01 bis 0,1 Kelvin liegt.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 22, ferner aufweisend einen Zirkulator, der den Mikrowellenresonator und den Mikrowelle-zu-Licht-Wandler verbindet.
Auslesesystem zum Auslesen von einem oder mehreren N Qubits, wobei das Auslesesystem aufweist: einen oder mehrere Mikrowellenhohlleiter; einen oder mehrere optische Wellenleiter; und einen oder mehrere Mikrowelle-zu-Licht-Wandler, die konfiguriert sind, um ein oder mehrere Mikrowellenauslesesignale, die dem einen oder den mehreren Qubits entsprechen, über den einen oder die mehreren Hohlleiter zu empfangen, wobei der eine oder die mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere optische Signale für das eine oder die mehreren Qubits, die sich in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden, über den einen oder die mehreren optischen Wellenleiter ausgeben, wobei der eine oder die mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandler so konfiguriert sind, dass sie keine optischen Signale für das eine oder die mehreren Qubits ausgeben, die sich nicht in einem vordefinierten Qubit-Zustand befinden.
System nach Anspruch 24, wobei der eine oder die mehreren Mikrowellenhohlleiter, der eine oder die mehreren optischen Wellenleiter und der eine oder die mehreren Mikrowelle-zu-Licht-Wandler auf eine vordefinierte Temperatur gesetzt werden, die im Bereich von ungefähr 0,01 bis 0,1 Kelvin liegt.