ES2912461T3

ES2912461T3 - Control óptico de bits cuánticos atómicos para el control de fase de operación

Info

Publication number: ES2912461T3
Application number: ES19701923T
Authority: ES
Inventors: Christopher Monroe; Marko Cetina; Norbert Linke; Shantanu Debnath
Original assignee: University of Maryland at Baltimore; University of Maryland at College Park
Current assignee: University of Maryland at Baltimore; University of Maryland at College Park
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2022-05-26
Anticipated expiration: 2039-01-04
Also published as: EP3735392A1; WO2019136213A1; US11710061B2; CN111902358A; US11004009B2; EP3735392B1; US20230080146A1; JP7050153B6; CN111902358B; EP4039635A1; JP2021509982A; US20230267356A1; DK3735392T3; US20190205784A1; JP7050153B2

Abstract

Un método para el control óptico de bits cuánticos atómicos (qubits), que comprende: identificar una operación de qubit; y controlar los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación de qubit, caracterizado por: los haces ópticos están configurados en una configuración insensible a la fase, y los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación multiqubit.

Description

DESCRIPCIÓN

Control óptico de bits cuánticos atómicos para el control de fase de operación

REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS

La presente solicitud de patente reivindica la prioridad de la solicitud no provisional estadounidense n° 16/239.319, titulada "CONTROL ÓPTICO DE BITS CUÁNTICOS ATÓMICOS PARA EL CONTROL DE FASE DE OPERACIÓN", presentada el 3 de enero de 2019, y la solicitud de patente provisional estadounidense n° 62/613.608, titulada "CONTROL ÓPTICO DE BITS CUÁNTICOS ATÓMICOS PARA EL CONTROL DE FASE DE OPERACIÓN", y presentada el 4 de enero de 2018.

DERECHOS DE LICENCIA DEL GOBIERNO

Esta invención ha sido realizada con el apoyo del gobierno en el marco de W911NF-16-1-0082 concedido por la Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA). El gobierno tiene ciertos derechos sobre la invención.

Antecedentes de la invención

Los aspectos de la presente divulgación generalmente se relacionan con sistemas cuánticos, y más específicamente, con los métodos para controlar coherentemente las fases cuánticas en los bits cuánticos atómicos (qubits) mediadas por campos de control, como se aplica a las puertas lógicas cuánticas, y en conexión con las interacciones generalizadas entre qubits.

Los átomos atrapados son una de las principales implementaciones para el procesamiento de información cuántica. Los qubits basados en átomos pueden utilizarse como memorias cuánticas, como puertas cuánticas en ordenadores y simuladores cuánticos, y pueden actuar como nodos para redes de comunicación cuántica. Los qubits basados en iones atómicos atrapados presentan una rara combinación de atributos. Por ejemplo, los qubits basados en iones atómicos atrapados tienen muy buenas propiedades de coherencia, pueden prepararse y medirse con una eficacia cercana al 100% y se entrelazan fácilmente entre sí modulando su interacción de Coulomb con campos de control externos adecuados, como campos ópticos o de microondas. Estos atributos hacen que los qubits atómicos resulten atractivos para operaciones cuánticas ampliadas, como cálculos o simulaciones cuánticas. Sin embargo, la sincronización, estabilidad y control de las fases de los qubits son fundamentales para el rendimiento de operaciones cuánticas extendidas.

En consecuencia, son deseables técnicas que permitan el control de fase en las operaciones de qubits de base atómica. US 2016/064108 se refiere a sistemas y métodos para atrapar partículas utilizando luz proyectada.

XP080118335, GARCIA-RIPOLL J J ET AL: "Fast and robust two-qubit gates for scalable ion trap quantum computing", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 1 de junio de 2003 (2003-06-01), es un Documento de No Patente relativo a puertas rápidas y robustas de dos qubits para computación cuántica escalable de atrapamiento de iones,

XP055568617, M Saffman ET AL: "Quantum information with Rydberg atoms", Reviews of Modern Physics, 1 Agosto 2010 (2010-08-01), páginas 2313-2363, es un Documento de No Patente relativo a un procesador cuántico de atrapamiento de iones.

US 2017/262765 se refiere a la representación y/o manipulación de unidades de información en computación cuántica. WO 2017/111949 se refiere a un dispositivo acoplador para realizar puertas lógicas cuánticas.

Resumen de la divulgación

A continuación se presenta un resumen simplificado de uno o más aspectos con el fin de aportar una comprensión básica de los mismos. Este resumen no es una visión general extensa de todos los aspectos contemplados, y no pretende identificar los elementos clave o críticos de todos los aspectos ni delinear el alcance de alguno o todos los aspectos. Su propósito es presentar algunos conceptos de uno o más aspectos de forma simplificada como preludio a la descripción más detallada que se presenta más adelante.

La divulgación describe técnicas para controlar operaciones de qubits dentro de un cristal de iones atómicos atrapados utilizando haces de láser. Se describen varios grados de libertad de los campos aplicados y de la estructura de los qubits atómicos que permiten el control de las fases de las diversas operaciones cuánticas aplicadas a los qubits de iones atrapados.

En un aspecto de la divulgación, se describe un método para el control óptico de bits cuánticos atómicos (qubits) que incluye la identificación de una operación de qubit, y el control de los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación de qubit, donde los haces ópticos están configurados en una configuración insensible a la fase, y donde los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación multiqubit.

En otro aspecto de la divulgación, se describe un sistema de procesamiento de información cuántica (QIP) para el control óptico de qubits atómicos que incluye una o más fuentes ópticas, y un controlador óptico, donde el controlador óptico está configurado para identificar una operación de qubit; y campos de control en haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación de qubit, donde los haces ópticos están configurados en una configuración insensible a la fase, y donde los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación multiqubit.

En otro aspecto de la divulgación, un medio legible por ordenador que almacena un código con instrucciones ejecutables por un procesador para el control óptico de qubits atómicos incluye código para identificar una operación de qubit, y código para controlar los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación de qubit, donde los haces ópticos están configurados en una configuración insensible a la fase, y donde los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación multiqubit. Se describen aquí métodos, aparatos y medios de almacenamiento legibles por ordenador para varios aspectos asociados al control óptico de bits cuánticos atómicos para el control de fase de operación.

Breve descripción de las ilustraciones

Las ilustraciones adjuntas ilustran solo alguna implementacion y, por lo tanto, no deben considerarse limitantes del alcance general.

La FIG. 1A ilustra una vista de una cámara de vacío que aloja electrodos para el atrapamiento de iones atómicos un cristal lineal

de acuerdo con los aspectos de la divulgación.

La FIG. 1B es un diagrama que ilustra un ejemplo de un diagrama de nivel de energía reducido que muestra la aplicación de radiación láser para la inicialización de estado de acuerdo con los aspectos de la divulgación.

La FIG. 1C es un diagrama que ilustra un ejemplo de un diagrama de nivel de energía reducido que muestra la aplicación de radiación láser para la detección del estado de qubits a través de fluorescencia de acuerdo con los aspectos de la divulgación.

La FIG. 2A es un diagrama que ilustra un ejemplo de geometría de haz Raman de acuerdo con los aspectos de la divulgación. La FIG. 2B es un diagrama que ilustra un diagrama de niveles de energía que muestra las transiciones Raman estimuladas coherentes que acoplan los estados del qubit de acuerdo con los aspectos de la divulgación.

Las FIG. 3A y 3B son diagramas que ilustran ejemplos de haces ópticos copropagantes y contrapropagantes de acuerdo con los aspectos de esta divulgación.

La FIG.4 es un diagrama que ilustra un ejemplo de dispositivo informático de acuerdo con los aspectos de esta divulgación. La FIG. 5 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método de acuerdo con los aspectos de esta divulgación. La FIG. 6A es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de sistema de procesamiento de información cuántica (QIP) de acuerdo con los aspectos de esta divulgación.

La FIG. 6B es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de controlador óptico de acuerdo con los aspectos de esta divulgación.

Descripción detallada

La descripción detallada que se expone a continuación en relación con las ilustraciones adjuntas pretende ser una descripción de diversas configuraciones y no pretende representar las únicas configuraciones en las que se pueden poner en práctica los conceptos descritos en este documento. La descripción detallada incluye detalles específicos con el fin de proporcionar una comprensión completa de varios conceptos. Sin embargo, los expertos en la materia podrán ver que estos conceptos pueden ponerse en práctica sin estos detalles específicos. En algunos casos, los componentes conocidos se muestran en forma de diagrama de bloques para evitar oscurecer dichos conceptos.

Como se ha descrito antes, los átomos atrapados pueden utilizarse para implementar el procesamiento de información cuántica. Los qubits basados en iones atómicos pueden utilizarse como diferentes tipos de dispositivos, incluyendo, entre otros, memorias cuánticas, puertas cuánticas en ordenadores y simuladores cuánticos, y nodos para redes de comunicación cuántica. Los qubits basados en iones atómicos atrapados pueden tener muy buenas propiedades de coherencia, pueden prepararse y medirse con una eficacia cercana al 100% y pueden entrelazarse fácilmente entre sí modulando su interacción de Coulomb con campos de control externos adecuados, como campos ópticos o de microondas. Tal como se utiliza en esta divulgación, los términos "iones atómicos", "átomos" e "iones" pueden utilizarse indistintamente para describir las partículas que van a ser confinadas, o que están realmente confinadas, en una trampa para formar un cristal o una disposición o configuración similar. Esta divulgación describe técnicas en forma de métodos o procesos y equipos o aparatos para utilizar haces de láser para controlar las operaciones de qubits dentro de un cristal de iones atómicos atrapados. Estas técnicas pueden aprovechar varios grados de libertad de los campos aplicados y de la estructura del qubit atómico que permiten controlar las fases de las diversas operaciones cuánticas aplicadas a los qubits de iones atrapados. La sincronización, la estabilidad y el control de las fases de los qubits son fundamentales para el rendimiento de las operaciones cuánticas extendidas, como las utilizadas en los cálculos cuánticos o en las simulaciones cuánticas.

La geometría o estructura típica de la trampa de iones utilizada para la información cuántica y la metrología es la trampa de Paul de radiofrecuencia (RF) lineal (también denominada trampa RF, trampa de superficie o simplemente trampa de Paul), en la que los electrodos cercanos

mantienen potenciales eléctricos estáticos y dinámicos que conducen a un confinamiento armónico no homogéneo efectivo de los iones. La trampa de Paul de radiofrecuencia es un tipo de trampa que utiliza campos eléctricos para atrapar o confinar partículas cargadas en una región, posición o ubicación concreta. Cuando los iones atómicos se enfrían con láser a temperaturas muy bajas en una trampa de este tipo, los iones atómicos forman un cristal estacionario de qubits (por ej., una disposición estructurada de qubits), con repulsión de Coulomb que equilibra la fuerza de confinamiento externa. Para una anisotropía de la trampa suficiente, los iones pueden formar un cristal lineal a lo largo de la dirección débil de confinamiento, y esta es la disposición típicamente empleada para aplicaciones en información cuántica y metrología. La FIG. 1A ilustra una vista parcial de una cámara de vacío 100 que aloja electrodos para el atrapamiento de iones atómicos en un cristal lineal 110 usando una trampa de Paul de RF lineal. En el ejemplo mostrado en la FIG. 1A, una cámara de vacío en un sistema cuántico incluye electrodos para atrapar 20 iones atómicos de iterbio (por ej., iones 171Yb+) que están confinados en el cristal lineal 110 y que se enfrían con láser para estar casi en reposo. Aunque en este ejemplo se muestran 20 iones atómicos, el número de iones atómicos atrapados puede ser configurable y se pueden atrapar más o menos de 20 iones atómicos. Los átomos se iluminan con radiación láser sintonizada a una resonancia en 171Yb+ y la fluorescencia de los iones atómicos se reproduce en una cámara. En este ejemplo, los iones atómicos están separados por una distancia 115 de unas 5 micras (mm) entre sí, tal como muestra la fluorescencia. La separación de los iones atómicos está determinada por un equilibrio entre la fuerza de confinamiento externa y la repulsión de Coulomb.

La fuerte fluorescencia de los iones atómicos individuales atrapados depende del ciclo eficiente de los fotones, por lo que la estructura atómica del ion debe tener una fuerte transición óptica cerrada que permita el enfriamiento por láser del movimiento, la inicialización del estado de qubit y la lectura eficiente del qubit. Esto puede descartar muchas especies de iones atómicos, aparte de los iones atómicos simples con un electrón exterior solitario, como los alcalinotérreos (Be+, Mg+, Ca+, Sr+, Ba+) y determinados metales de transición (Zn+, Hg+, Cd+, y Yb+). Dentro de estos iones atómicos, los bits cuánticos pueden ser representados por dos niveles electrónicos estables, a menudo caracterizados por un espín efectivo con los dos estados | y |, o equivalentemente |1) y |0). La FIG. 1B y FIG. 1C muestran los diagramas de niveles de energía reducidos 120 y 150, respectivamente, para el ion atómico 171Yb+, donde los niveles de qubit |T y |1) 130 están representados por los niveles hiperfinos estables en el estado electrónico de tierra, y están separados por frecuencia. u 0/2n = 12.642812 GHz Los estados electrónicos excitados |e) y |e') 140 en 171Yb+ están a su vez divididos por un acoplamiento hiperfino menor y están separados de los estados de tierra por un intervalo óptico que tiene una energía correspondiente a una longitud de onda óptica de 369,53 nm.

La radiación láser sintonizada justo por debajo de la resonancia en estas transiciones ópticas permite el enfriamiento láser Doppler para confinar los iones atómicos cerca del fondo de la trampa. Otras formas más sofisticadas de enfriamiento por láser pueden hacer que los iones atómicos estén casi en reposo en la trampa.

Cuando se aplica al átomo un haz de láser bicromático (por ej., un haz con dos tonos producidos por bandas laterales resultantes de la modulación óptica) resonante con ambas transiciones |T) ^ |e) y |) ^ |e'), éste cae rápidamente en el estado | l ) y deja de interactuar con el campo de luz, permitiendo la inicialización del qubit con una fidelidad esencialmente del 100% (ver, por ej., la FIG. 1B).

Cuando se aplica un único haz de láser resonante con la transición |T) ^ |e), una transición óptica de ciclo cerrado hace que un ion en el estado |T) tenga una fuerte fluorescencia mientras que un ion en el estado | l ) permanece oscuro porque la frecuencia del láser está lejos de su resonancia (ver, por ej., la FIG. 1C). La recogida de incluso una pequeña fracción de esta fluorescencia permite la detección del estado del qubit atómico con una eficiencia o precisión casi perfecta. Otras especies atómicas pueden tener esquemas de inicialización/detección similares.

En las FIG. 1B y 1C, todas las transiciones permitidas desde los estados electrónicos excitados |e) y |e') 140 se ilustran como flechas onduladas descendentes. Por otra parte, la radiación láser aplicada (que se muestra como flechas rectas ascendentes) impulsa estas transiciones para la inicialización al estado | l ) como se muestra en la FIG. 1B, y para la detección por fluorescencia del estado de qubit (|T) = fluorescencia, | l ) = no fluorescencia) como se muestra en la FIG.

1C.

Para transiciones coherentes entre niveles de qubits, puede haber operaciones de rotación de qubits simples y operaciones de multiqubits entrelazadas. Las operaciones de rotación de qubits simples también se pueden referir como operaciones de qubits simples o simplemente como volteo de qubits.

Con respecto a las operaciones de rotación de qubits simples, los niveles de qubits |t) y | l ) 130 en las FIG. 1B y 1C pueden acoplarse directamente con campos de control externos, dando lugar a operaciones de rotación de qubits simples. Para un campo de onda en ejecución (resonante) descrito por E(t) = E⁰eikx.iot-iy, donde k es el vector de onda, o es la frecuencia de campo, y y la fase, en la resonancia (o = rao) el resultado es una operación de rotación en el qubit en la posición x (asumiendo la aproximación de onda rotativa y que la fase y es constante durante la operación), como se ilustra abajo en las ecuaciones (1) y (2):

|0> -> cos (0 /2) |0> c+‘°s in (0 /2 ) |1>. ( I)

|1> -► cos(0/2) |1> - e- ' °s in (0 /2 ) |0>. <2)

donde 0 = Qt y ^ = k • x - y. Aquí Q = ^ Eo/h es la frecuencia de Rabi que parametriza el acoplamiento campo-qubit suponiendo una transición dipolar efectiva con momento ^. Para campos ópticos Raman de dos campos A y B con acoplamiento a través de un nivel virtual intermedio, la frecuencia Rabi efectiva es proporcional a oaob, la frecuencia efectiva del campo se convierte en la diferencia toa - ob, el vector de onda k viene dado por la diferencia de vector de onda Sk = kA - kB entre los dos campos, y la fase se convierte en la diferencia de fase S^= Sk^ x-( yA - yB). En la práctica, los dos campos Raman deben salvar la división de frecuencia del qubit oo. Esto puede lograrse con elementos de modulación discretos o con el uso de un láser de peine de frecuencias de bloqueo de modo. Un peine de frecuencias ópticas es una fuente de láser que tiene un espectro con una serie de líneas de frecuencia discretas e igualmente espaciadas. El efecto de peinado puede ser generado por varios mecanismos, incluyendo la modulación periódica (por ej., en amplitud y/o fase) de un láser de onda continua, la mezcla de cuatro ondas en medios no lineales, o por la estabilización del tren de pulsos generado por un láser de bloqueo de modo (por ej., el láser de peine de frecuencia de bloqueo de modo descrito anteriormente).

Para dos rotaciones sucesivas en el qubit separadas por un tiempo T, la fase acumulada del qubit es y+ oT. Si el campo de control es un acoplamiento de campo único en el dominio óptico, esto puede requerir el control de la fase y frecuencia óptica a lo largo de operaciones extendidas (por ej., operaciones más largas o más implicadas). Sin embargo, para los acoplamientos Raman ópticos de dos campos entre qubits, la fase acumulada del qubit es yA - yb (oa - ob)T, lo que requiere el control de la diferencia de frecuencia oa - ob y la diferencia de fase yA - yb. Cuando los campos se originan en el mismo láser y siguen trayectorias similares, las diferencias de frecuencia y de fase suelen crearse con un modulador óptico accionado por campos de RF o microondas, que son mucho más fáciles de controlar que las fases ópticas absolutas. Además, utilizando haces Raman copropagantes (por ej., haces Raman que se propagan en una misma dirección), la fase efectiva sobre un desplazamiento dx = 1 ^m solo es de |Sk|dx ~ oo dx/c = 2 tc(4,2 x 10-5) radianes para el sistema 171Yb+. Dado este nivel de rechazo del ruido de fase, los acoplamientos de dos campos se utilizan generalmente en las técnicas descritas a continuación.

Con respecto a las operaciones de entrelazado de multiqubits, el movimiento de muchos iones atrapados se acopla a través de la interacción de Coulomb, como un conjunto de péndulos que están conectados por muelles. Una forma natural de implementar puertas lógicas cuánticas de entrelazado entre iones atómicos en un cristal es utilizar el movimiento como intermediario, como se ilustra en la FIG. 2A, que muestra un diagrama 200 que ilustra un ejemplo de geometría de haz Raman y donde la aplicación de los haces produce movimiento en los qubits. En el diagrama 200, hay haces ópticos 210 y 220 dirigidos a la red lineal o cristal 110 que tiene los qubits de iones atómicos. Los haces ópticos en la misma dirección pueden denominarse haces ópticos copropagantes y los haces ópticos en direcciones opuestas pueden denominarse haces ópticos no copropagantes o contrapropagantes. Los haces 210 (copropagantes) son haces enfocados o conducidos individualmente, mientras que el haz 220 (que se contrapropaga con respecto a los haces 210) es un haz global no enfocado. Tal y como se utilizan aquí, los términos haces ópticos, haces, campos ópticos y campos pueden utilizarse indistintamente.

El uso del movimiento como intermediario puede lograrse aplicando fuerzas dipolares ópticas o de microondas dependientes del estado del qubit a los iones atómicos. Existen muchos protocolos para la creación de puertas NO controladas y otras operaciones de entrelazado de multiqubits relacionadas, utilizando esta fuerza dependiente del estado del qubit aplicada externamente. A efecto ilustrativo, la popular operación de puerta Molmer-Sorensen (también llamada operación de puerta MS, Ising o XX) entre dos qubits de iones atrapados, aunque la dependencia de la fase es similar en muchas clases de puertas similares

Las FIG. 3A y 3B muestran los diagramas 300 y 330, respectivamente, que ilustran ejemplos de geometrías de haces que tienen haces ópticos copropagantes y contrapropagantes de acuerdo con los aspectos de esta divulgación. En el diagrama 300, los haces ópticos copropagantes 210a y 210b (similares a los haces copropagantes 210 de la FIG. 2A) se dirigen ambos a un ion atómico 320a (por ej., un ion atómico en el cristal 110) y se propagan en la misma dirección o similar. En el diagrama 330, un haz óptico copropagante 210c y un haz óptico contrapropagante (o no copropagante) 220a (similar al haz contrapropagante 220 de la FIG. 2A) se dirigen ambos a un ion atómico 320b y se propagan en direcciones opuestas o sustancialmente opuestas.

Volviendo a la FIG. 2A, el diagrama 200 muestra la geometría del haz Raman para un ejemplo de puerta de dos qubits entre los iones seleccionados mostrados. Los haces contrapropagantes (par de haces) 210 y los haces 220 que se propagan en direcciones opuestas se solapan en dos iones atrapados, y las transiciones Raman que se acoplan a los modos de movimiento colectivos permiten las operaciones de entrelazado. Para las rotaciones de un solo qubit, los iones individuales son dirigidos, y puede no ser necesario para una geometría de contrapropagación.

Se considera el acoplamiento a través de un único modo de movimiento de captación de iones en la frecuencia rom. En general, la operación de puerta de Molmer-Sorensen requiere dos direcciones no copropagantes o contrapropagantes de los haces láser (A y B) con vectores de onda kA y kB que impulsan conjuntamente las transiciones de banda lateral superior e inferior. El haz a lo largo de la dirección A tiene un solo componente de frecuencia A oa con fase óptica ^ a y el haz a lo largo de la dirección B tiene dos frecuencias con fase óptica ^ b de modo que las dos beatnotes resultantes entre A y B están cerca de las transiciones de banda lateral superior (+) e inferior (-). Existen dos configuraciones espectrales para realizar estas beatnotes bicromáticas en el haz B con respecto a la frecuencia del haz A, como se ilustra abajo en las ecuaciones (3) y (4):

Es decir, una de las posibles configuraciones de las beatnotes bicromáticas en el haz B es sensible a la fase (ecuación (3)) y la otra posible configuración es insensible a la fase (ecuación (4)).

Tal como están escritas, las ecuaciones (3) y (4) suponen que >

< roA, un signo menos adicional debe ser factorizado en el lado derecho de las ecuaciones (3) y (4).

Un aspecto importante es que la configuración insensible a la fase tiene beatnotes laterales superiores e inferiores de signos opuestos (ro⁰» rom ± 8), por lo que la fase óptica acumulada de una interacción que implique ambas beatnotes se cancelará. La evolución de dos qubits bajo la puerta XX se muestra abajo en la ecuación (5):

|00> — |00> — «|11> e - |Jf (5)

|11> — |11> - í|00>

^| 01 ^{) - *} 101 ^{> —} 1110 ⁾

donde la fase efectiva de la puerta XX es % = (^a - ^ b) para el caso sensible a la fase y % = 0 para el caso insensible a la fase.

A la vista de la descripción anterior, y debido a que la sincronización, la estabilidad y el control de las fases de los qubits es fundamental para el rendimiento de las operaciones cuánticas extendidas, la divulgación proporciona varias técnicas que pueden utilizarse para el control de fase de qubits de iones atrapados. En consecuencia, a continuación se describen varias técnicas para manipular los campos ópticos (por ej., haces de láser) de manera que se pueda controlar la fase de las operaciones del qubit para operaciones cuánticas extendidas, en las que las desviaciones de las fases ópticas pueden conducir a la decoherencia. La polarización requerida de los haces Raman para conducir las transiciones en el qubit depende de la estructura atómica de los niveles del qubit y sus acoplamientos a los estados excitados. Como ejemplo, la divulgación considera el sistema 171Yb+ que se muestra en un diagrama de niveles de energía 230 donde las transiciones Raman estimuladas coherentes acoplan los dos estados de qubit etiquetados |0) y |1) y separados por frecuencia roq, impulsados por campos láser a 355 nm con polarizaciones a+ / a+ o a_ / a_ para los dos haces Raman (por ej., cualquier proceso Raman es impulsado con ambos haces polarizados a+ o a_). Sin embargo, debe entenderse que otros sistemas distintos del sistema 171Yb+, con niveles y reglas de selección de transición posiblemente diferentes, también se pueden usar en conexión con las características descritas en el presente documento.

Como se ha descrito antes, es importante tener el control de la manera en que los campos o haces ópticos (por ej., generados por un láser u otra fuente óptica) están orientados, incluyendo el control de su geometría, polarización y/o frecuencia, por ejemplo.

Un aspecto es que la frecuencia de los haces puede ser sintonizada de dos maneras diferentes como se ha descrito antes. Un enfoque es siendo sensible a la fase óptica (configuración "sensible a la fase") y el otro no siendo sensible a la fase óptica (configuración "insensible a la fase"). Como las fases ópticas varían en distancias pequeñas, si hay algún ruido y el sistema es sensible a la fase, eso puede causar problemas durante la operación. Cualquiera que sea el valor instantáneo de la fase, se escribe, se imparte o se imprime al sistema cuántico y a medida que se añaden más operaciones (por ej., operaciones cuánticas extendidas), la fase puede variar e introducir ruido. No obstante, puede haber técnicas que se pueden usar para cancelar dicho ruido.

Los esfuerzos previos se habían centrado en sistemas basados en configuraciones sensibles a la fase. Sin embargo, si estos sistemas se limitan a realizar operaciones cortas, es posible impartir esta fase y resolverla inmediatamente (por ej., cancelarla) mediante un interferómetro muy rápido porque es posible utilizar el mismo láser (por ej., la fuente óptica) para hacer ambas cosas. La fase óptica instantánea suele fluctuar durante un largo periodo de tiempo, pero no varía durante experimentos cortos u operaciones simples. La mayoría de los experimentos u operaciones en el pasado han sido cortos y las configuraciones sensibles a la fase se implementaban y manejaban fácilmente como se ha descrito antes. Por ejemplo, un experimento u operación corta o rápida, como la calibración, por ejemplo, podía basarse en una configuración sensible a la fase porque podía controlarse fácilmente. Por lo tanto, no era necesario implementar configuraciones insensibles a la fase. Por otro lado, los esfuerzos actuales pueden requerir operaciones cuánticas prolongadas y puede ser necesario implementar configuraciones insensibles a la fase. Es decir, en cálculos cuánticos largos o extendidos puede ser no deseable que la fase se escriba o imprima en el sistema porque puede derivar con el tiempo y limitar la precisión de todo el sistema.

Otro aspecto descrito antes y que es relevante en esta divulgación es la geometría de los campos o haces como se ilustra en las FIG. 2A, 2B, 3A, y 3B, por ejemplo. Como se muestra en relación con estas figuras, un diagrama 230 en la FIG. 2B muestra que los niveles de qubit están separados en energía y puede haber diferentes enfoques para habilitar las transiciones en los niveles de qubit. Un enfoque es que para cambiar el nivel del qubit, el estado atómico se cambia por una gran cantidad de energía y ese cambio es impulsado por una transición óptica directa. Un problema de este enfoque es que es sensible a la fase óptica. El láser o la radiación óptica usado para habilitar la transición termina escribiendo la fase óptica en el sistema.

Un enfoque diferente, y que puede ser utilizado en relación con las diversas técnicas descritas aquí para el control óptico de qubits atómicos para el control de fase en las operaciones cuánticas, es utilizar microondas y no transiciones ópticas. Por ejemplo, en los ejemplos de sistemas descritos antes, puede haber tres (3) niveles, y para un qubit en un nivel inferior es posible realizar una transición de dos fotones (Raman) primero hacia arriba en energía y luego hacia abajo en energía (ver, por ej., la FIG. 1B). La diferencia de frecuencia entre los dos haces de láser utilizados para la transición es la fase relevante. Debido a la diferencia de frecuencia, la fase es una fase de microondas en lugar de una fase óptica. Además, dado que ambos haces derivan típicamente del mismo láser o fuente óptica utilizando un modulador, la fase de microondas es fácil de controlar y su longitud de onda es grande, por lo que puede ser menos preocupante con respecto a las derivas. Al igual que en la lógica clásica hay operaciones de un solo bit y operaciones multibits, se pueden usar dos haces ópticos como se ha descrito antes para realizar operaciones de un solo qubit (por ej., rotación o volteo de qubits) pero operaciones de multiqubits (por ej., cálculos cuánticos extendidos). Las operaciones de un solo bit simplemente cambian los estados de los qubits y es posible hacerlo con haces de microondas en lugar de con haces ópticos; sin embargo, dado que se utilizan láseres para generar los haces que golpean los qubits individuales y que al menos algunos de los haces deben enfocarse, puede ser más fácil utilizar haces ópticos, ya que son más fáciles de enfocar que los haces de microondas. Por lo tanto, se pueden utilizar procesos Raman o de dos fotones con los dos haces ópticos que copropagan haces ópticos para realizar una rotación o volteo de qubits (por ej., una operación de qubit único). Si, en cambio, se utilizan haces ópticos contrapropagantes, es posible no solo voltear el qubit sino también impartir un golpe al qubit (por ej., acoplamiento de movimiento).

Para operaciones multiqubit, para entrelazar los qubits (por ej., iones atómicos), se necesita una fuerza (por ej., acoplamiento de movimiento) y los haces ópticos contrapropagantes se pueden usar en este caso ya que tener emisión y absorción en una misma dirección (por ej., haces copropagantes) no produciría la fuerza necesaria para operaciones multiqubit.

En vista de lo anterior, la presente divulgación propone el uso de configuraciones insensibles a la fase para permitir no solo operaciones a largo plazo (por ej., cálculos cuánticos extendidos), sino también para permitir operaciones de un solo qubit que sean insensibles al movimiento (por ej., para evitar la decoherencia) mediante el uso de haces copropagantes y operaciones de multiqubits mediante el uso de haces contrapropagantes. En consecuencia, la presente divulgación proporciona técnicas que consideran al menos si se va a utilizar una configuración sensible a la fase o insensible a la fase, si se va a realizar una operación de un solo qubit o multiqubits, y si las operaciones van a acoplar movimiento (por ej., sensibles al movimiento) o no van a acoplar movimiento (por ej., insensibles al movimiento).

Una característica relacionada con el control de fase es que puede ser suficiente para dirigir individualmente (por ej., enfocar individualmente) los iones atómicos atrapados desde solo uno de los dos haces Raman no copropagantes o contrapropagantes (ver, por ej., las FIG. 2A, 3B). Es decir, puede ser suficiente tener uno de los haces enfocados mientras el otro no está enfocado. Una geometría natural es tener un único haz global (por ej., haz 220) que se contrapropaga a N haces individuales de direccionamiento para N qubits de iones atrapados (por ej., haces 210). En un ejemplo, si el haz global está apagado, puede ser posible voltear un qubit disponiendo los haces individuales para que sean insensibles a la fase. También es posible el direccionamiento (o enfoque) individual de ambas direcciones del haz Raman, y puede proporcionar más flexibilidad en el control de la frecuencia de los haces. Esta opción, sin embargo, puede aumentar la complejidad de la operación de control.

Otra característica relacionada con el control de fase es que todas las trayectorias de los haces Raman deben ser lo más idénticas posible (por ej., trayectorias similares) para beneficiarse del rechazo de modo común de las fuentes de ruido derivadas de las inestabilidades de posición de los componentes ópticos (por ej., componentes ópticos en las operaciones de control óptico). Es decir, dado que se están utilizando dos haces, es útil tener las mismas trayectorias para cancelar las fuentes de ruido comunes. Las operaciones de rotación de un solo bit deben ser copropagantes, y la correlación con el apuntamiento o la posición del haz debido a los desplazamientos de frecuencia necesarios entre los haces debe ser minimizada.

Otra característica relacionada con el control de fase es que las configuraciones insensibles a la fase de las transiciones Raman deben utilizarse para la estabilidad de fase. Con las operaciones de rotación copropagantes, la geometría o configuración insensible a la fase es necesaria para que el sistema no tenga una memoria de fases ópticas entre las operaciones de entrelazado (por ej., multiqubit) y de rotación (por ej., qubit único). Es decir, como se ha descrito antes, las configuraciones insensibles a la fase son útiles para realizar operaciones largas y para tener tanto haces copropagantes para las operaciones de un solo qubit como haces contrapropagantes para las operaciones multiqubit.

Otra característica relacionada con el control de fase es que el direccionamiento individual de los haces puede ser tal que cada haz sea modulado independientemente utilizando una variedad de técnicas, y para las compuertas Raman XX insensibles a la fase, puede requerir el uso de accionamientos de RF bicromáticos en cada haz direccionado individualmente. Es decir, los haces direccionados individualmente pueden tener múltiples tonos. Lo que diferencia una rotación de un qubit único de una rotación de un qubit único que también imparte una fuerza (por ej. sensible al movimiento) es la conservación de la energía. Si el objetivo es simplemente voltear el qubit, entonces la beatnote entre los haces tiene que coincidir con la energía del qubit. De lo contrario, si el objetivo es añadir o restar movimiento, es necesario cambiar un poco la frecuencia. Como el láser que produce los haces está modulado, se producen bandas laterales (por ej., bicromáticas) que pueden utilizarse para dirigir las fuerzas. Como se ha descrito, este efecto puede aplicarse a los haces que se dirigen individualmente porque permite una configuración insensible a la fase, pero también puede aplicarse a los haces globales.

Otra característica relacionada con el control de fase es que una trayectoria desequilibrada a+ / a+ frente a a_ / a_ para las transiciones Raman va acompañada de desplazamientos AC Stark relativamente grandes, por lo que la polarización óptima de cualquier proceso Raman es utilizar un láser bicromático en el que sus dos componentes de frecuencia estén polarizados linealmente con las direcciones de polarización ortogonales entre sí (por ej., lin 1 lin), y donde ambas direcciones de polarización sean perpendiculares al campo magnético de cuantificación. Sin embargo, las operaciones de rotación copropagante pueden no funcionar con una sola polarización lineal a lo largo de cualquier dirección debido a las reglas de selección de transición. Así, los haces de rotación pueden necesitar tener un componente de helicidad (por ej., desequilibrio de a+ frente a a_), optimizado para permitir rotaciones sin impartir desplazamientos AC Stark demasiado grandes. Es decir, la polarización puede utilizarse para anular los desplazamientos AC Stark que se producen cuando en lugar de subir y bajar entre dos niveles de qubit como resultado de una interacción de láser, la interacción de láser hace subir y bajar al mismo nivel de qubit. La polarización utilizada puede ser estática o dinámica.

Cuando los haces Raman son generados a partir de un solo peine de frecuencia óptico, la estabilidad de fase entre los dientes del peine debe ser mantenida utilizando una técnica de bloqueo directo que retroalimente directamente al láser. No se prefieren técnicas de retroalimentación, ya que estas técnicas pueden requerir una modulación de RF más compleja en las trayectorias de los haces.

Con respecto ahora a la FIG. 4 ilustrada, se trata de un ejemplo de dispositivo informático 400 de acuerdo con los aspectos de la divulgación. El dispositivo informático 400 puede representar un único dispositivo informático, múltiples dispositivos informáticos o un sistema informático distribuido, por ejemplo. El dispositivo informático 400 puede configurarse como un ordenador cuántico (por ej., un sistema de procesamiento de información cuántica (QIP)), un ordenador clásico, o una combinación de funciones de computación cuántica y clásica. Por ejemplo, el dispositivo informático 400 puede utilizarse para procesar información utilizando algoritmos cuánticos basados en la tecnología de iones atrapados y, por lo tanto, puede implementar métodos para controlar coherentemente las fases cuánticas en los bits cuánticos atómicos (qubits) mediados por campos de control, tal como se aplica a las puertas lógicas cuánticas, y en relación con las interacciones generalizadas entre qubits. Un ejemplo genérico del dispositivo informático 400 como un sistema QIP que puede implementar los diversos controles de fase descritos aquí se ilustra en un ejemplo mostrado en las FIG. 6A y 6B.

En un ejemplo, el dispositivo informático 400 puede incluir un procesador 410 para llevar a cabo funciones de procesamiento asociadas con una o más de las características descritas en el presente documento. El procesador 410 puede incluir un conjunto único o múltiple de procesadores o procesadores multinúcleo. Además, el procesador 410 puede implementarse como un sistema de procesamiento integrado y/o un sistema de procesamiento distribuido. El procesador 410 puede incluir una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento cuántico (QPU), una unidad de procesamiento gráfico (GPU), o una combinación de estos tipos de procesadores. En un aspecto, el procesador 410 puede referirse a un procesador general del dispositivo informático 400, que también puede incluir procesadores adicionales 410 para realizar funciones más específicas, como funciones de control de fase.

En un ejemplo, el dispositivo informático 400 puede incluir una memoria 420 para almacenar instrucciones ejecutables por el procesador 410 para llevar a cabo las funciones descritas en este documento. En una realización, por ejemplo, la memoria 420 puede corresponder a un medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código o instrucciones para realizar una o más de las funciones u operaciones descritas en este documento. En un ejemplo, la memoria 420 puede incluir instrucciones para realizar aspectos de un método 500 descrito más adelante en relación con la FIG. 5. Al igual que el procesador 410, la memoria 420 puede referirse a una memoria general del dispositivo informático 400, que también puede incluir memorias adicionales 420 para almacenar instrucciones y/o datos para funciones más específicas, como instrucciones y/o datos para el control de fase.

Además, el dispositivo informático 400 puede incluir un componente de comunicaciones 430 para establecer y mantener comunicaciones con una o más partes utilizando hardware, software y servicios como se describe en este documento. El componente de comunicaciones 430 puede realizar las comunicaciones entre componentes en el dispositivo informático 400, así como entre el dispositivo informático 400 y dispositivos externos, como dispositivos localizados a través de una red de comunicaciones y/o dispositivos conectados en serie o localmente al dispositivo informático 400. Por ejemplo, el componente de comunicaciones 430 puede incluir uno o más buses, y puede incluir además componentes de cadena de transmisión y componentes de cadena de recepción asociados con un transmisor y un receptor, respectivamente, operables para interconectar con dispositivos externos.

Además, el dispositivo informático 400 puede incluir un almacén de datos 440, que puede constar de cualquier combinación adecuada de hardware y/o software, que proporcione un almacenamiento masivo de información, bases de datos y programas empleados en conexión con las implementaciones descritas en este documento. Por ejemplo, el almacén de datos 440 puede ser un repositorio de datos para el sistema operativo 460 (por ej., SO clásico o SO cuántico). En una implementación, el almacén de datos 440 puede incluir la memoria 420.

El dispositivo informático 400 también puede incluir un componente de interfaz de usuario 450 operable para recibir entradas de un usuario del dispositivo informático 400 y además operable para generar salidas para presentarlas al usuario o para proporcionarlas a un sistema diferente (directa o indirectamente). El componente de interfaz de usuario 450 puede incluir uno o más dispositivos de entrada, incluyendo entre otros, un teclado, un teclado numérico, un ratón, una pantalla táctil, un digitalizador, una tecla de navegación, una tecla de función, un micrófono, un componente de reconocimiento de voz, cualquier otro mecanismo capaz de recibir una entrada de un usuario, o cualquier combinación de los mismos. Además, el componente de interfaz de usuario 450 puede incluir uno o más dispositivos de salida, incluyendo entre otros, una pantalla, un altavoz, un mecanismo de feedback áptico, una impresora, cualquier otro mecanismo capaz de presentar una salida a un usuario, o cualquier combinación de los mismos.

En una implementación, el componente de interfaz de usuario 450 puede transmitir y/o recibir mensajes correspondientes al funcionamiento del sistema operativo 460. Además, el procesador 410 puede ejecutar el sistema operativo 460 y/o aplicaciones o programas, y la memoria 420 o el almacén de datos 440 pueden almacenarlos.

Cuando el dispositivo informático 400 se implementa como parte de una solución de infraestructura basada en la nube, el componente de interfaz de usuario 450 puede utilizarse para permitir a un usuario de la solución de infraestructura basada en la nube interactuar remotamente con el dispositivo informático 400.

La FIG. 5 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método 500 para el control óptico de qubits atómicos de acuerdo con los aspectos de la presente divulgación. En un aspecto, el método 500 puede realizarse en un sistema informático, como el sistema informático 400 descrito antes, donde, por ejemplo, el procesador 410, la memoria 420, el almacén de datos 440, y/o el sistema operativo 460 pueden utilizarse para realizar las funciones del método 500. Similarmente, las funciones del método 500 pueden ser realizadas por uno o más componentes de un sistema QIP como el sistema QIP 605 y sus componentes (por ej., el controlador óptico 620 y sus subcomponentes).

En 510, el método 500 incluye la identificación de una operación de qubit. Por ejemplo, puede determinarse si una operación de qubit a considerar es una operación de qubit simple o una operación multiqubit.

En 520, el método 500 incluye controlar campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación de qubit, donde los haces ópticos están configurados en una configuración insensible a la fase, y donde los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación multiqubit.

En un aspecto del método 500, los haces ópticos incluyen haces ópticos copropagantes cuando la operación de qubit es una operación de qubit único y debe ser insensible al movimiento.

En un aspecto del método 500, los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación de qubit único y debe ser sensible al movimiento.

En un aspecto del método 500, los qubits atómicos corresponden a iones atómicos en un cristal formado por una trampa de iones y el método 500 puede incluir además configurar los haces ópticos para incluir dos haces Raman contrapropagantes, donde el control de los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos incluye dirigirse individualmente a uno de los iones atómicos enfocando un primero de los dos haces Raman contrapropagantes sobre el ion atómico, y donde un segundo de los dos haces Raman contrapropagantes es un haz global. En un aspecto, el método 500 incluye conducir bicromáticamente el primero de los dos haces Raman contrapropagantes que se dirigen individualmente a un ion atómico modulando la frecuencia del haz para producir bandas laterales En un aspecto, el método 500 incluye configurar una primera trayectoria óptica para el primero de los dos haces Raman contrapropagantes para que sea la misma que una segunda trayectoria óptica para el segundo de los dos haces Raman contrapropagantes.

En otro aspecto del método 500, los qubits atómicos corresponden a iones atómicos en un cristal formado por una trampa de iones y el método 500 puede incluir además la configuración de los haces ópticos para incluir hasta N haces Raman de direccionamiento individual para N iones atómicos en el cristal con múltiples frecuencias ópticas en cada uno de los haces Raman de direccionamiento individual, y un único haz Raman global contrapropagante contra los N haces Raman de direccionamiento individual. En una implementación, el número de haces Raman direccionados individualmente puede ser N¹y el número de iones atómicos puede ser N², donde N¹< N².

En otro aspecto del método 500, los qubits atómicos corresponden a iones atómicos en un cristal formado por una trampa de iones y el método 500 puede incluir además configurar los haces ópticos que incluyen dos haces Raman contrapropagantes, donde el control de los campos en los haces ópticos aplicados a por lo menos uno de los qubits atómicos incluye dirigir individualmente uno de los iones atómicos enfocando un primero de los dos haces Raman contrapropagantes sobre el ion atómico y enfocando un segundo de los dos haces Raman contrapropagantes sobre el ion atómico.

En otro aspecto del método 500, la operación de qubits es una de las operaciones multiqubits en un cálculo cuántico extendido, y la configuración insensible a la fase se utiliza en todo el cálculo cuántico extendido

En otro aspecto del método 500, el control de los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación de qubit incluye el control de una polarización de los haces ópticos para compensar un desplazamiento AC Stark de un nivel de qubit en al menos uno de los qubits atómicos. La polarización de los haces ópticos para compensar el desplazamiento AC Stark está configurada para equilibrar el desplazamiento AC Stark y permitir diferentes tipos de puertas cuánticas asociadas con la realización de las operaciones cuánticas. Además, la polarización de los haces ópticos es una polarización dinámica, una polarización estática o una combinación de ellas. En otro aspecto del método 500, el método 500 incluye además configurar los haces ópticos para que sean haces Raman, donde la configuración incluye generar los haces Raman a partir de un peine de frecuencia óptica único y/o resultante de la modulación de una fuente óptica, o de múltiples fuentes coherentes de fase bloqueadas, y donde se mantiene una estabilidad de fase entre los múltiples tonos o dientes del peine de frecuencia óptica único utilizando una técnica de bloqueo que retroalimenta directamente la fuente óptica.

En otro aspecto del método 500, el control de los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación del qubit incluye adicionalmente el control de una o más de una geometría, un espectro o una polarización de los haces ópticos.

En otro aspecto del método 500, la operación del qubit es una operación de rotación y los haces ópticos incluyen haces ópticos copropagantes que tienen una helicidad configurada para permitir la operación de rotación mientras que también cancelan al menos una porción de un desplazamiento AC Stark. En un ejemplo, la helicidad incluye un desequilibrio entre la polarización a+ frente a polarización a_.

La FIG. 6B es un diagrama de bloque 600 que ilustra un ejemplo de un sistema QIP 605 de acuerdo con los aspectos de esta divulgación. El sistema QIP 605 también se puede referir como un sistema de computación cuántica, un dispositivo informático, o similar. En un aspecto, el sistema QIP 605 puede corresponder a porciones de una implementación de ordenador cuántico del dispositivo informático 400 de la FIG. 4.

El sistema QIP 605 puede incluir una fuente 660 que proporciona especies atómicas (por ej., un flujo de átomos neutros) a una cámara 650 que tiene una trampa de iones 670 que atrapa las especies atómicas una vez ionizadas (por ej., fotoionizadas) por un controlador óptico 620 (ver, por ej., la FIG. 6B). La cámara 650 puede ser un ejemplo de la cámara de vacío 100 de la FIG. 1A. Las fuentes ópticas 630 en el controlador óptico 620 pueden incluir una o más fuentes de láser que pueden utilizarse para la ionización de las especies atómicas, el control (por ej., control de fase) de los iones atómicos, para fluorescencia de los iones atómicos que pueden ser monitorizados y rastreados por algoritmos de procesamiento de imagen que operan en un sistema de imagen 640 en el controlador óptico 620, y/o para realizar las funciones de control óptico descritas en esta divulgación. En un aspecto, las fuentes ópticas 530 pueden implementarse por separado del controlador óptico 620.

El sistema de imágenes 640 puede incluir un generador de imágenes de alta resolución (por ej., una cámara CCD) para monitorizar los iones atómicos mientras son suministrados a la trampa de iones o después de que han sido suministrados a la trampa de iones 670. En un aspecto, el sistema de imagen 640 se puede implementar separado del controlador óptico 620, sin embargo, el uso de fluorescencia para detectar, identificar y etiquetar iones atómicos utilizando algoritmos de procesamiento de imagen puede necesitar ser coordinado con el controlador óptico 620.

El sistema QIP 605 también puede incluir un componente de algoritmos 610 que puede operar con otras partes del sistema QIP 605 (no mostrado) para realizar algoritmos cuánticos u operaciones cuánticas, incluyendo operaciones de qubit único u operaciones de multiqubit, así como cálculos cuánticos extendidos. Como tal, el componente de algoritmos 610 puede proporcionar instrucciones a varios componentes del sistema QIP 605 (por ej., al controlador óptico 620) para habilitar la implementación de los algoritmos cuánticos u operaciones cuánticas, y en consecuencia, implementar las diversas técnicas de control de fase descritas en este documento.

La FIG. 6B muestra al menos una porción del controlador óptico 620. En este ejemplo, el controlador óptico 620 puede incluir un controlador de haz 621, las fuentes ópticas 630 y el sistema de imagen 640. Como se muestra en las líneas de puntos, una o ambas fuentes ópticas 630 y el sistema de imagen 640 pueden implementarse por separado, pero en comunicación con el controlador óptico 620. El sistema de imagen 640 incluye un CCD 641 (o una cámara similar) y un componente de algoritmos de procesamiento de imagen 642. Las fuentes ópticas 630 incluyen un modulador 625 y múltiples fuentes láser 635a, ... , 635b, que pueden utilizarse para una o más de las funciones descritas antes (por ej., ionización, fluorescencia, control de fase).

El controlador de haz 621 está configurado para realizar varios aspectos descritos en aquí para controlar coherentemente las fases cuánticas en qubits atómicos mediadas por campos de control, como se aplica a las puertas lógicas cuánticas, y/o en conexión con las interacciones generalizadas entre qubits. Por ejemplo, el controlador de haz 621 puede incluir un componente de operación de qubit 622 configurado para identificar o determinar si se va a realizar una operación de qubit único y/o una operación multiqubit, y configurar las operaciones en consecuencia. El controlador de haz 621 también puede incluir un componente de geometría 623 configurado para determinar y habilitar diferentes configuraciones de geometría como se describe en este documento. El controlador de haz 621 también puede incluir un componente de frecuencia 624 configurado para determinar y habilitar diferentes frecuencias como se describe en este documento. El controlador de haz 621 también puede incluir un componente de polarización 625 configurado para determinar y habilitar diferentes polarizaciones como se describe en este documento. El controlador de haz 621 también puede incluir un componente de fase 626 configurado para determinar y habilitar diferentes operaciones de fase como se describe en este documento. Los diversos componentes del controlador de haz 621 pueden operar individualmente o en combinación para realizar las diversas funciones descritas en esta divulgación, por ejemplo, el método 500 de la FIG. 5. Además, el controlador de haz 621 (y uno o más de sus subcomponentes) puede configurarse para habilitar configuraciones insensibles a la fase para realizar operaciones largas y para tener tanto haces copropagantes para operaciones de un solo qubit como haces contrapropagantes para operaciones multiqubits.

Aunque la presente divulgación se ha proporcionado de acuerdo con las realizaciones mostradas, una persona con conocimientos ordinarios en la materia reconocerá fácilmente que podría haber variaciones en las realizaciones y esas variaciones entrarían dentro del alcance de la presente divulgación. En consecuencia, una persona con conocimientos ordinarios en la materia puede realizar muchas modificaciones sin alejarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para el control óptico de bits cuánticos atómicos (qubits), que comprende:

identificar una operación de qubit; y controlar los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación de qubit,

caracterizado por:

los haces ópticos están configurados en una configuración insensible a la fase, y

los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación multiqubit.

2. El método de la reivindicación 1, donde los haces ópticos incluyen haces ópticos copropagantes cuando la operación de qubit es una operación de qubit único y debe ser insensible al movimiento.

3. El método de la reivindicación 1, donde los haces ópticos incluyen haces ópticos contrapropagantes cuando la operación de qubit es una operación de qubit único y debe ser sensible al movimiento.

4. El método de la reivindicación 1, donde los qubits atómicos corresponden a iones atómicos en un cristal formado por una trampa de iones.

5. El método de la reivindicación 4, que comprende además configurar los haces ópticos para incluir hasta N haces Raman de direccionamiento individual para N iones atómicos en el cristal con múltiples frecuencias ópticas en cada uno de los haces Raman de direccionamiento individual, y un único haz Raman global contrapropagante contra los N haces Raman de direccionamiento individual.

6. El método de la reivindicación 1, donde la operación de qubits es una de las múltiples operaciones de qubits en un cálculo cuántico extendido, y donde la configuración insensible a la fase se utiliza en todo el cálculo cuántico extendido.

7. El método de la reivindicación 1, donde el control de los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación del qubit incluye el control de una polarización de los haces ópticos para compensar un desplazamiento de AC Stark de un nivel de qubit en al menos uno de los qubits atómicos.

8. El método de la reivindicación 7, donde la polarización de los haces ópticos para compensar el desplazamiento de AC Stark está configurada para equilibrar el desplazamiento de AC Stark y habilitar diferentes tipos de puertas de qubit asociadas con la realización de la operación cuántica.

9. El método de la reivindicación 8, donde la polarización de los haces ópticos es una polarización dinámica, una polarización estática, o una combinación de las mismas.

10. El método de la reivindicación 1, que comprende además configurar los haces ópticos para que sean haces Raman, donde la configuración incluye generar los haces Raman a partir de un peine de frecuencias ópticas único y/o resultante de la modulación de una fuente óptica, o a partir de múltiples fuentes coherentes de fase bloqueadas, y donde se mantiene una estabilidad de fase entre los múltiples tonos o dientes del peine de frecuencias ópticas único utilizando una técnica de bloqueo que retroalimenta directamente a la fuente óptica.

11. El método de la reivindicación 1, donde el control de los campos en los haces ópticos aplicados al menos a uno de los qubits atómicos para el control de fase de la operación del qubit incluye adicionalmente el control de una o más de una geometría, un espectro o una polarización de los haces ópticos.

12. El método de la reivindicación 1, donde la operación del qubit es una operación de rotación y los haces ópticos incluyen haces ópticos copropagantes que tienen una helicidad configurada para permitir la operación de rotación al tiempo que se cancela al menos una porción de un desplazamiento de AC Stark.

13. El método de la reivindicación 12, donde la helicidad incluye un desequilibrio entre la a+ polarización frente a a_ polarización.

14. El método de la reivindicación 11, donde los componentes de frecuencia de los haces ópticos dan lugar a beatnotes bicromáticas en uno de los haces ópticos, y la configuración insensible a la fase es una configuración espectral que hace que las beatnotes bicromáticas en el único haz óptico sean insensibles a la fase.