ES2938997T3 - Arquitectura de ordenador cuántico basada en puertas multi-qubit - Google Patents

Abstract

La divulgación describe varios aspectos de una implementación práctica de la arquitectura de puerta multi-qubit. Se describe un método que incluye habilitar iones en la trampa de iones que tienen tres niveles de energía, habilitando un modo de movimiento de baja velocidad de calentamiento (p. ej., modo en zig-zag) en un estado fundamental de movimiento con los iones en la trampa de iones; y realizar un protocolo de Cirac y Zoller (CZ) utilizando el modo de movimiento de tasa de calentamiento bajo como estado de movimiento del protocolo CZ y uno de los niveles de energía como estado auxiliar del protocolo CZ, donde realizar el protocolo CZ incluye implementar el multi -Puerta qubit. El método también incluye realizar uno o más algoritmos utilizando la puerta multi-qubit, incluido el algoritmo de Grover, el algoritmo de factorización de Shor, el algoritmo de optimización de aproximación cuántica (QAOA), los algoritmos de corrección de errores, y simulaciones cuánticas y hamiltonianas. También se describe un sistema correspondiente que admite la implementación de una arquitectura de puerta multiqubit. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Arquitectura de ordenador cuántico basada en puertas multi-qubit

Antecedentes de la divulgación

Los aspectos de la presente divulgación se refieren en general a sistemas cuánticos, y más específicamente, a una implementación práctica de una arquitectura de puertas de múltiples qubits en un sistema de iones atrapados para realizar operaciones cuánticas.

Las arquitecturas de los ordenadores cuánticos convencionales que pueden considerarse para implementaciones prácticas se basan en la ejecución de un conjunto universal básico de puertas, a menudo definido por puertas de un solo qubit y puertas de dos qubits. Esto se debe principalmente al hecho de que las puertas múltiples de qubits (o puertas multi-qubit) son difíciles de realizar de forma fiable en la práctica. En los sistemas de iones atrapados, se ha propuesto la implementación directa de puertas multi-qubit e incluso se ha demostrado en experimentos, aunque con baja calidad Las puertas multi-qubit ensambladas a partir de varias puertas de uno o dos qubits han dado mejores resultados y han sido el método preferente hasta ahora. Han sido escasos los esfuerzos de diseño sistemáticos para construir máquinas computacionales a partir de dicho enfoque debido a la dificultad de su implementación práctica.

La enorme ventaja de operar ordenadores cuánticos basados en una puerta multi-qubit arbitraria deriva de las formas eficientes en que diferentes algoritmos se descomponen en los conjuntos de instrucciones nativas de un ordenador cuántico o de un sistema de procesamiento de información cuántica (QIP). Por ejemplo, una puerta controlada-ncontrolada NOT (por ej., una puerta de tres qubits también conocida como puerta de Toffoli) es la base de muchos algoritmos cuánticos como los circuitos aritméticos, algoritmos de optimización y algoritmo de Grover, y normalmente requiere que se descomponga en seis (6) puertas de dos qubits (por ej., puertas CNOT) para que pueda implementarse de forma práctica. Así, en lugar de tener que tomar una única puerta multi-qubit y descomponerla en muchas operaciones nativas más pequeñas (por ej., puertas de dos qubits), poder ejecutar dichas puertas multi-qubit como su propia operación nativa única puede hacer que la implementación de una amplia gama de algoritmos cuánticos sea mucho más eficaz en un ordenador cuántico o en un sistema QIP.

En consecuencia, son deseables técnicas que permitan una implementación práctica de puertas multi-qubit flexibles para cálculos cuánticos, incluyendo la implementación en una cadena de qubits de iones atrapados.

Resumen de la divulgación

A continuación, se presenta un resumen simplificado de uno o más aspectos con el fin de proporcionar una comprensión básica de los mismos. Este resumen no es una descripción exhaustiva de todos los aspectos contemplados, y no pretende identificar los elementos clave o críticos de todos los aspectos ni delimitar el alcance de alguno o de 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 una implementación práctica de una arquitectura de puerta multi-qubit en un sistema de iones atrapados para cálculos cuánticos. Más aún, la divulgación describe varios circuitos de aplicación que pueden implementarse en dicha arquitectura para obtener ganancias de rendimiento. En un aspecto de la divulgación, se describe un método para implementar una puerta multi-qubit utilizando una trampa de iones, que comprende: proporcionar iones en la trampa de iones para que cada uno sea utilizado como un qubit separado, teniendo cada ion tres niveles de energía; llevar un modo de movilidad a un estado fundamental de movimiento con los iones en la trampa de iones, siendo el modo de movilidad diferente de un modo de centro de masa (CoM) y teniendo un perfil de frecuencia espacial basado en un espaciamiento de los iones en la trampa de iones causando que el modo de movilidad tenga una baja velocidad de calentamiento; ejecutar un protocolo Cirac y Zoller (CZ) utilizando el modo de movilidad como estado de movilidad del protocolo CZ y uno de los niveles de energía como estado auxiliar del protocolo CZ; y tras aplicar el protocolo CZ, implementar directamente la puerta multi-qubit como una única operación nativa utilizando los iones preparados en la trampa de iones, teniendo la puerta multi-qubit tres o más qubits.

Se describe un sistema para implementar una puerta multi-qubit en una trampa de iones que incluye la trampa de iones con múltiples iones que incluyen tres niveles de energía, un controlador óptico configurado para controlar los iones en la trampa de iones, un componente de configuración, en el que el componente de configuración está configurado para habilitar un modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento en un estado fundamental de movimiento con los iones en la trampa de iones, y aplicar, al menos con el controlador óptico, el protocolo CZ utilizando el modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento como estado de movilidad del protocolo CZ y uno de los niveles de energía como estado auxiliar del protocolo CZ, en el que el protocolo CZ implementa la puerta multi-qubit utilizando al menos un subconjunto de los iones en la trampa de iones.

En este documento se describen métodos, aparatos y medios de almacenamiento legibles por ordenador para diversos aspectos asociados con la implementación de una arquitectura de puerta multi-qubit en un sistema de iones atrapados y los circuitos de aplicación para dicha arquitectura.

Breve descripción de los esquemas

Los esquemas adjuntos ilustran solo algunas implementaciones y, por tanto, no deben considerarse limitativos del alcance.

• La FIG. 1 ilustra un ejemplo de una descripción general de un protocolo para implementar puertas multi-qubit de acuerdo con ciertos aspectos de la divulgación

• La FIG. 2A ilustra una vista del atrapamiento de iones atómicos en un cristal lineal de acuerdo con ciertos aspectos de la divulgación.

• La FIG. 2B ilustra un ejemplo de un modo zig-zag con iones atómicos atrapados de acuerdo con ciertos aspectos de la divulgación.

• La FIG. 3 ilustra un ejemplo de esquema de direccionamiento óptico para implementar puertas multi-qubit utilizando iones atómicos atrapados de acuerdo con ciertos aspectos de la presente divulgación.

• La FIG. 4 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un dispositivo informático de acuerdo con ciertos aspectos de esta divulgación.

• La FIG. 5 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método de acuerdo con ciertos aspectos de esta divulgación.

• La FIG. 6A es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de un sistema de procesamiento de información cuántica (QIP) de acuerdo con ciertos aspectos de esta divulgación.

• La FIG. 6B es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de un componente de algoritmos del sistema QIP de la FIG. 6A de acuerdo con ciertos aspectos de esta divulgación.

Descripción detallada

La descripción detallada que se expone a continuación en relación con las figuras 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 aquí descritos. La descripción detallada incluye detalles específicos con el fin de proporcionar una completa comprensión de diversos conceptos. Sin embargo, será evidente para los expertos en la materia que estos conceptos pueden ponerse en práctica sin estos detalles específicos. En algunos casos, algunos componentes bien conocidos se muestran en forma de diagrama de bloques para evitar ensombrecer tales conceptos. En su trabajo original, Cirac y Zoller (CZ) describieron un protocolo para realizar o implementar puertas multi-qubit o puertas multi-control, como la puerta n-controlada Z (puerta CnZ) (ver, por ej., Quantum Computations with Cold Trapped Ions, Phys. Rev. Lett. 74, 4091, publicado el 15 de mayo de 1995). Un ejemplo donde se utiliza una puerta ncontrolada Z es una puerta controlada-controlada-NOT (CCNOT), que utiliza dos controles (CC - Z, más dos puertas Hadamard) y también se conoce como puerta Toffoli. La puerta de Toffoli es una puerta de 3 qubits que constituye una puerta universal para la computación cuántica. Las puertas n-controladas Z pueden implementarse para un número mayor de qubits (por ej., para más de los tres qubits de una puerta Toffoli). Por ejemplo, en un caso donde existe un conjunto de 4 qubits (por ej., un subconjunto de qubits 1, 3, 4 y 6 de un conjunto mayor de qubits) en los estados x1, x3, x4 y x6, el signo del qubit 6 se invierte si los qubits de control 1, 3 y 4 están en el estado "1" y el qubit 6 también está en el estado "1"; de lo contrario, el signo del qubit 6 no se invierte, es decir, el qubit 6 se mantiene sin cambios. Cambiar el signo del qubit 6 cambia efectivamente el signo del estado cuántico general que implica a los cuatro qubits de este ejemplo. Dado que la puerta n-controlada Z básicamente invierte el signo del estado general de los qubits implicados si y solo si todos los qubits están en el estado "1", no hay una designación especial para el "objetivo". Cuando el qubit 6 se complementa con dos puertas Hadamard antes y después de aplicar la puerta ncontrolada Z, éste es un ejemplo de una puerta controlada-controlada-controlada NOT (CCCNOT) que tiene tres controles, donde los qubits 1, 3 y 4 son los controles. En general, una puerta n-controlada Z puede convertirse en una puerta n-controlada NOT aplicando dos puertas Hadamard a cada lado en un qubit "especial", lo que convierte a ese qubit en el qubit objetivo. La puerta n-controlada Z es una puerta muy particular y el protocolo descrito por Cirac y Zoller, aunque teóricamente posible, era difícil de implementar en la vida real con alta fidelidad.

En 1999, M0lmer y S0rensen propusieron una puerta de dos qubits (denominada en adelante puerta MS) para la computación cuántica. Esta puerta resultó ser más práctica para su implementación que las puertas propuestas utilizando el protocolo Cirac y Zoller (CZ). La puerta MS superó muchos de los retos reales y las no idealidades de las puertas basadas en el protocolo CZ o puertas CZ, como la sensibilidad al movimiento térmico de los iones. La implementación de alta fidelidad de la puerta CZ requiere que el movimiento de los iones se enfríe y se mantenga en el estado fundamental mecánico cuántico, lo que añade requisitos experimentalmente desafiantes. Como resultado, hoy en día poca gente se fija en el protocolo CZ porque es muy difícil de implementar y existe una alternativa viable. En consecuencia, las arquitecturas actuales para construir ordenadores cuánticos o sistemas de procesamiento cuántico de la información (QIP) se basan en el uso de puertas MS.

Las puertas CZ, sin embargo, son deseables porque con ellas es posible implementar directamente ciertas puertas multi-qubit y son flexibles al permitir la elección o selección de cualquier n qubits de un conjunto mayor de qubits con los que implementar puertas multi-qubit, lo que hace que las puertas CZ sean preferibles sobre las puertas MS para la ejecución eficiente de algunos algoritmos cuánticos importantes. Aunque las puertas MS pueden utilizarse para implementar puertas multi-qubit, normalmente se limitan a una combinación uniforme de interacciones de pares (dosqubit) entre todos los pares posibles en el conjunto de qubits y no a la interacción multi-qubit como es posible con las puertas CZ, haciendo que el uso de puertas MS sea menos efectivo que las puertas CZ en muchas implementaciones de algoritmos. Un ejemplo de dicho enfoque se describe en la Solicitud de Patente estadounidense N° 16/234,112, titulada "USO DE INTERACCIONES GLOBALES EN CONSTRUCCIONES DE CIRCUITOS CUÁNTICOS EFICIENTES" y presentada el 27 de diciembre de 2018.

Los sistemas QIP actuales basados en la tecnología de iones atrapados (por ej., que utilizan trampas de iones, también denominadas trampas de superficie) pueden proporcionar un marco en el que se pueden implementar puertas CZ sorteando los problemas y los retos encontrados inicialmente con su implementación. Esto permitiría descomponer varios tipos de algoritmos de forma más eficiente con el uso de puertas Cz . Algunos problemas se descomponen de forma muy natural en lo que se conoce como puertas primitivas. Si estas puertas primitivas pueden implementarse en un ordenador cuántico o en un sistema QIP, el problema en cuestión podrá resolverse de forma altamente efectiva. Por ejemplo, una puerta C4-Z que se implemente con puertas de dos qubits puede requerir hasta 15 o 16 puertas MS. Por lo tanto, pueden ser necesarias muchas puertas de dos qubits para romper una puerta Cn-Z, que a su vez puede implementarse utilizando una única puerta multi-qubit como la puerta CZ. En otro ejemplo, un número típico de puertas de dos qubits (como las puertas CNOT) que se necesitan para realizar una puerta NOT de n controles escala linealmente con n (~An, donde A es una constante, de aproximadamente 12). Aunque en principio puede ser posible tomar una puerta multi-qubit y descomponerla en puertas de pares (por ej., puertas MS de dos qubits), este enfoque no es muy efectivo, ya que en la mayoría de los casos se necesitan muchas puertas MS. Además, si el sistema está limitado a aplicar puertas de dos qubits a los vecinos más cercanos (u otras restricciones), el número general de compuertas puede aumentar aún más debido a estas restricciones dependiendo de la distribución de los n 1 qubits que participan en la puerta dentro del resto del sistema de qubits.

La presente divulgación describe diversos aspectos de cómo implementar puertas CZ de forma efectiva utilizando la tecnología de iones atrapados y cómo, una vez implementadas las puertas CZ, se pueden realizar diversos tipos de algoritmos y/o cálculos con las puertas CZ de forma muy eficiente.

Primero, para implementar puertas CZ utilizando la tecnología de iones atrapados, puede ser necesario utilizar tres (3) niveles de energía separados dentro del átomo o ion individual. Estos pueden denominarse |0> y |1> del estado del qubit y |a > como alguna forma de estado auxiliar que esté disponible (ver, por ej., la FIG. 1). Por tanto, cada átomo o ion en una trampa de iones o trampa de superficie que se utilice como parte de la tecnología de iones atrapados tendrá esta configuración En los sistemas actuales de iones atrapados, uno se centra en utilizar solo dos niveles de energía en los átomos o iones.

Segundo, una vez que los átomos cargados se han cargado en una trampa, todos ellos interactúan entre sí debido a la interacción de Coulomb (repulsión mutua debido a la carga), y esta interacción conduce a un movimiento acoplado de las posiciones de los iones en la cadena, referido como un estado de movilidad. Es decir, si uno de los iones se agita, todos los iones se agitarán. Si hay k iones, habrá 3k modos normales de movimiento o estados de movilidad (k modos normales para cada una de las direcciones x, y y z). Centrándonos en una de las direcciones (por ej., uno de los dos modos transversales en una cadena de iones), uno de estos modos de movimiento trivial es el modo del centro de masa (CoM), en el que todos los átomos cargados (iones o iones atómicos) se mueven juntos. Otro de estos modos de movimiento es el modo zig-zag, en el que los iones adyacentes se mueven en direcciones opuestas (ver, por ej., la FIG. 2B ). Como se ha descrito antes, para las puertas CZ es deseable un modo en el que todos los iones estén acoplados para permitir interacciones multi-cuerpo. El modo CoM y el modo zig-zag son ejemplos de tales modos, en los que si uno de los iones es golpeado (por ej., se excita el movimiento), el movimiento de todos los demás iones se excita. Una condición para implementar puertas CZ entonces es escoger o seleccionar un modo donde todos los iones estén muy bien acoplados a su estado de movilidad.

Según lo propuesto por Cirac y Zoller, el modo a utilizar era el modo CoM. Este presenta una serie de desafíos, razón por la cual el protocolo original para implementar puertas CZ no fue ampliamente utilizado y las puertas MS llegaron a ser el enfoque preferido en su lugar.

La FIG. 1 muestra un diagrama 100 que ilustra una descripción general del protocolo original para implementar puertas multi-qubit según lo propuesto por Cirac y Zoller. Como parte del protocolo original, el estado de movilidad, el modo CoM, necesita ser reducido a un estado fundamental de movimiento (por ej., |0>m). Es decir, el estado de movilidad debe enfriarse eliminando todos los quantums de movilidad o manteniendo el estado de movilidad en el estado fundamental mecánico cuántico durante el tiempo que dure la puerta. Por lo general, esto no es fácil de hacer, pero la tecnología actual de trampas de iones ahora es capaz de llevar y mantener un estado de movilidad en el estado fundamental de movimiento.

Puede haber múltiples estados a considerar, que en el diagrama 100 se muestran como x1, x2, x3,..., xn correspondientes a los qubits (por ej., iones) que se utilizarán para implementar una puerta multi-qubit. Debe entenderse que estos estados se proporcionan a modo de ilustración y que el protocolo tiene la flexibilidad de utilizar los estados de cualquier conjunto o subconjunto de iones en una trampa. Como parte del protocolo, el primer estado, x1, interactúa primero con el estado de movilidad que es el modo CoM (operación 1), después el siguiente estado, x2, interactúa con el estado de movilidad (operación 2), después el siguiente estado, x3, interactúa con el estado de movilidad (operación 3), y así sucesivamente hasta que el último estado, xn, interactúa con el estado de movilidad (operación n). Se puede utilizar un láser o un haz óptico para excitar los distintos estados para que interactúen con el estado de movilidad.

Una vez realizada esta parte del protocolo, el protocolo continúa descendiendo y haciendo que los distintos estados interactúen en orden inverso con el estado de movilidad. Por ejemplo, el estado x3 interactúa con el estado de movilidad (operación 2n -3), el estado x2 interactúa con el estado de movilidad (operación 2n -2) y, por último, el estado x1 interactúa con el estado de movilidad (operación 2n -1). Así pues, el protocolo general asciende por los estados a medida que interactúa con el estado de movilidad y luego desciende por los estados a medida que interactúa de nuevo con el estado de movilidad, con las interacciones que implican los niveles de energía separados y el estado de movilidad, que en este caso es el estado CoM. Al final del protocolo el resultado es una puerta multi-qubit muy específica.

Uno de los retos de utilizar el enfoque descrito anteriormente en relación con el diagrama 100 de la FIG. 1 es que después de llevar el estado de movilidad a un estado fundamental de movimiento y realizar las diversas operaciones del protocolo, el estado de movilidad estará en un estado particular (entrelazado y superpuesto) del estado fundamental y un estado excitado con una sola excitación, y no puede cambiar de este estado específico de movimiento, de lo contrario el protocolo no funciona y la puerta multi-qubit no opera como se esperaba. Pero siempre hay algún calentamiento natural o inducido que tiene lugar en el estado de movilidad. Por ejemplo, la presencia de algunas fluctuaciones del campo eléctrico en la trampa que contiene los iones (por ej., los qubits) puede hacer que el estado de movilidad se excite y salga del estado de movimiento específico creado durante el proceso de puerta. En otras palabras, el calentamiento puede tomar el estado de movilidad desde el estado particular (compuesto solo por el estado fundamental y un estado excitado con una sola excitación) y convertirlo en un estado térmico, lo que a su vez hace que el protocolo/puerta multi-qubit tenga un rendimiento deficiente. Debido a que es difícil mantener el modo CoM frío todo el tiempo, el protocolo CZ original para implementar puertas multi-qubit es muy difícil de implementar en la práctica con alta fidelidad.

Esta divulgación propone un enfoque diferente. En lugar de utilizar un modo CoM para el estado de movilidad, se proponen en su lugar modos de baja velocidad de calentamiento (por ej., un modo de movilidad con alta frecuencia espacial) para la implementación de puertas multi-qubit. Además, la presente divulgación propone el uso de niveles Zeeman o niveles D (por ej., estados excitados metaestables) para los estados auxiliares, en los que pueden utilizarse diversos métodos para mejorar el tiempo de coherencia de dichos estados (por ej., el uso de esquemas de iterbio (Yb) y bario (Ba)). Otras características que se proponen en esta divulgación incluyen un esquema de direccionamiento óptico para realizar el sistema, el diseño de la puerta para hacerlo robusto contra la deriva de frecuencia de modo utilizando técnicas similares a la modulación de amplitud/modulación de frecuencia (AM/FM), el uso de técnicas de impulsos compensados para hacer que los impulsos pi (n) y 2pi (2n) de banda lateral roja sean robustos contra las derivas de intensidad del láser, así como la consideración de las fases de espín y movilidad y cómo controlarlas de forma robusta.

Con respecto al estado de movilidad, un enfoque consiste en utilizar modos en zig-zag o algo parecido a un modo en zig-zag para los modos de baja velocidad de calentamiento. La FIG. 2A ilustra un diagrama 200a del atrapamiento de iones atómicos 220 en un cristal lineal 210, donde los iones atómicos 220 (por ej., qubits) pueden ser excitados a un modo zig-zag como se muestra en un diagrama 200b en la FIG. 2B. El cristal lineal 210 puede formarse en una cámara de vacío que aloja electrodos como parte de una trampa de iones (ver por eje, la trampa de iones 670 de la FIG. 6A) para confinar los iones atómicos 220.

Volviendo al diagrama 200a de la FIG. 2A, los iones atómicos 220 que están atrapados y forman el cristal lineal 210 pueden usarse para implementar el procesamiento de información cuántica, y por lo tanto, las puertas multi-qubit necesarias para dicho procesamiento. Los qubits basados en iones atómicos pueden utilizarse como distintos tipos de dispositivos, entre ellos 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 eficiencia 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 utilizan 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.

La geometría o estructura de trampa de iones típica utilizada para fines de información cuántica y metrología es la trampa Paul de radiofrecuencia lineal (RF) (también denominada trampa RF, trampa de superficie o simplemente trampa Paul), en la que electrodos cercanos mantienen potenciales eléctricos estáticos y dinámicos que conducen a un confinamiento armónico no homogéneo efectivo de los iones. La trampa Paul de RF es un tipo de trampa que utiliza campos eléctricos para atrapar o confinar partículas cargadas en una región, posición o ubicación concretas. Cuando los iones atómicos se enfrían con láser a temperaturas muy bajas en una trampa de este tipo, los iones atómicos forman un cristal fijo de qubits (por ej., una disposición estructurada de qubits), con la repulsión de Coulomb equilibrando la fuerza de confinamiento externa. Para la anisotropía de la trampa suficiente, los iones pueden formar un cristal lineal a lo largo de la dirección débil de confinamiento, y ésta es la disposición que se suele emplear en aplicaciones de información cuántica y metrología. Como ya se ha mencionado, las fluctuaciones del campo eléctrico, posiblemente causadas por los electrodos cercanos en la trampa, pueden calentar el estado de movilidad desde un modo o estado fundamental o cero hasta un estado térmico.

En el ejemplo mostrado en el diagrama 200a, los iones de iterbio (por ej., 171 iones Yb+) que están confinados en el cristal lineal 210 se enfrían con láser para que estén casi en reposo. El número de iones atómicos 220 atrapados puede ser configurable. En este ejemplo, los iones atómicos 220 están separados por una distancia 215 de aproximadamente 5 micras (|jm) entre sí, como se muestra por fluorescencia. La separación de los iones atómicos viene determinada por un equilibrio entre la fuerza de confinamiento externa y la repulsión de Coulomb.

La fluorescencia intensa de los iones atómicos atrapados depende de la eficiencia del ciclo de fotones, por lo que la estructura atómica del ion debe tener una transición óptica cerrada intensa que permita el enfriamiento por láser del movimiento, la inicialización del estado del 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+ e Yb+). Dentro de estos iones atómicos, los bits cuánticos pueden representarse mediante dos niveles electrónicos estables, a menudo caracterizados por un espín efectivo con dos estados |f> y |j>, o equivalentemente |1> y |0>.

Para transiciones coherentes entre niveles de qubits, puede haber operaciones de rotación de qubits simples y operaciones de entrelazamiento de qubits múltiples. Las operaciones de rotación de un único qubit también pueden denominarse operaciones de un solo qubit o simplemente volteo de qubits. Con respecto a las operaciones de entrelazamiento multi-qubit, el movimiento de muchos iones atrapados se acopla a través de la interacción de Coulomb, como un conjunto de péndulos conectados por muelles. Una forma natural de implementar puertas lógicas cuánticas de entrelazamiento entre iones atómicos en un cristal es utilizar el movimiento como intermediario.

Volviendo al diagrama 200b de la FIG. 2B, se muestra un ejemplo en el que varios iones atómicos 220 están dispuestos en un modo zig-zag con iones adyacentes que se mueven en direcciones opuestas, como indican las flechas. Este modo tiene una frecuencia bien definida basada en parte en el espaciado 215 entre los iones atómicos 220. Debido a su alta frecuencia espacial, resulta que este modo no se calienta muy bien (por ej., porque es un modo de baja velocidad de calentamiento). Es decir, una vez que el modo zig-zag se enfría hasta su estado fundamental de movimiento, la forma de excitar este modo fuera de su estado fundamental de movimiento es hacer que el ruido o las fluctuaciones del campo eléctrico causadas, por ejemplo, por los electrodos de la trampa, tengan un patrón o perfil espacial que coincida estrechamente con el perfil espacial del modo zig-zag. Dado que los iones atómicos 220 están separados entre sí unas 5 jm , es muy improbable que cualquier fluctuación de campo eléctrico de bajo ruido existente coincida con el patrón o perfil espacial del modo zig-zag. En consecuencia, el modo zig-zag permanecerá generalmente en su estado fundamental de movimiento, lo cual es deseable si el modo zig-zag se va a utilizar como estado de movilidad para que el protocolo CZ implemente puertas multi-qubit.

Otra condición para implementar puertas CZ de forma efectiva utilizando la tecnología de iones atrapados es tener tres (3) niveles de energía separados, que en el diagrama 100 de la FIG. 1 se muestra como, |0), |1), y el estado auxiliar |a >. Como se ha mencionado antes, esta divulgación propone el uso de niveles Zeeman o niveles D (por ej., estados excitados metaestables) para el estado auxiliar |a >. Para posibilitar esto, el entorno operativo necesita ser bastante estable teniendo, por ejemplo, un buen blindaje de campo magnético (u otras formas de blindaje) protegiendo los iones atómicos 220.

Un esquema óptico que puede utilizarse como parte de un ordenador cuántico o sistema QIP para permitir la implementación y el uso de puertas multi-qubit se describe en el diagrama 300 de la FIG. 3, donde un único haz óptico amplio 310 se aplica a todos los iones atómicos 220 desde una dirección y cada uno de los iones atómicos 220 se dirige entonces individualmente (por ej., se controla individualmente) con un haz óptico específico 320 desde otra dirección. En este ejemplo, estos dos haces impulsan la transición Raman entre los diferentes niveles del qubit (típicamente en el estado fundamental). Las direcciones de los haces 310 y 320 pueden ser de 180 grados entre sí (por ej., direcciones opuestas) o de 90 grados entre sí (por ej., direcciones perpendiculares o normales). Al tener haces ópticos en tal configuración, y usando la polarización adecuada, es posible abordar los estados qubit y los estados auxiliares de un ion atómico individual 220. Cuando se desea usar niveles D, puede utilizarse un haz láser de frecuencia estabilizada enfocado en cada ion para impulsar la transición al nivel D.

Otro aspecto asociado con la implementación y el uso de puertas multi-qubit basadas en la tecnología de iones atrapados es que el potencial de atrapamiento que confina los iones puede fluctuar con el tiempo, lo que puede causar que la frecuencia del estado de movimiento (por ej., una frecuencia de modo) se desvíe un poco. Aunque esta deriva en la frecuencia del modo puede estabilizarse en principio, en casos realistas se produce y el sistema tiene que ser capaz de manejar los cambios de frecuencia cuando se producen. Cuando se implementa una puerta multi-qubit y hay interacciones con ella, es importante saber exactamente cuál es la frecuencia del modo para poder utilizar técnicas que hagan que las interacciones sean robustas frente a las derivas. Por ejemplo, realizando la modulación de amplitud (AM) y/o modulación de frecuencia (FM) en el láser o haz óptico implicado en las interacciones (por ej., usando un modulador acústico-óptico (AOM)), es posible ajustar y/o diseñar el impulso o secuencias de impulsos proporcionados por el haz láser para hacerlos más robustos frente a las derivas de frecuencia. Es decir, el impulso o las secuencias de impulsos pueden hacerse menos sensibles a las derivas de frecuencia y/o compensar las derivas de frecuencia mediante modulación AM y/o FM.

Otro aspecto asociado con la implementación y el uso de puertas multi-qubit basadas en la tecnología de iones atrapados es que hay casos en los que se utiliza un láser o un haz óptico para interactuar con la puerta multi-qubit y la intensidad del haz láser cambia o deriva con el tiempo. Aunque puede ser posible ajustar directamente la intensidad del haz láser, esto puede no ser suficiente para obtener los niveles de precisión necesarios (por ej., una precisión de 10-4). Un enfoque que puede utilizarse en este caso es la aplicación de técnicas de impulsos compensados o de secuencias compensadas, en las que, en lugar de proyectar un impulso sobre la puerta multi-qubit, se utiliza una secuencia de impulsos con fase cambiante para producir una intensidad general estable del haz láser. Se han utilizado métodos similares en resonancia magnética nuclear (RMN) y pueden aplicarse a las puertas multi-qubit.

Como se ha descrito antes, esta divulgación propone el uso de modos de orden superior para el estado de movilidad (por ej., modos zig-zag, modos de baja velocidad de calentamiento, modos de alta frecuencia espacial) y el uso de estados internos del átomo como estados auxiliares (por ej., niveles Zeeman o niveles D) para realizar el protocolo CZ mientras se superan los problemas y desafíos que hicieron que el protocolo CZ fuera difícil de implementar en primera instancia. Esto permite la implementación directa de puertas multi-qubit (por ej., puerta n-controlada Z o puerta Cn -Z) en lugar de tener que descomponer la puerta en un gran número de interacciones de pares utilizando puertas de dos qubits (por ej., puertas MS).

Con la capacidad de utilizar la tecnología de iones atrapados para implementar puertas multi-qubit o puertas multicontrol utilizando las diversas modificaciones del protocolo CZ que se ha comentado antes, y con la capacidad añadida de mantener la calidad de estos tipos de puertas durante el largo tiempo necesario para ejecutar un cálculo cuántico determinado utilizando, por ejemplo, el direccionamiento óptico individual, compensación de deriva de frecuencia de modo, y/o compensación de deriva de intensidad del haz láser, ahora es posible realizar diversos algoritmos de forma más eficiente.

Un primer algoritmo de este tipo es el algoritmo de Grover, donde la implementación de puertas multi-qubit permite la implementación eficiente a nivel de circuito de oráculos o funciones similares. El algoritmo de Grover es un algoritmo utilizado para resolver problemas de satisfacibilidad.

El algoritmo de Grover se puede usar en diversos tipos de problemas de búsqueda, incluyendo en búsquedas en bases de datos no ordenadas, por lo que realizando la búsqueda desde un enfoque de computación cuántica, es posible hacerlo de una forma óptima y conseguir una mejora de la velocidad cuadrática con respecto al mejor enfoque de la computación clásica. Por ejemplo, cuando se consulta una guía telefónica organizada por apellidos y se facilita el número de una persona, para averiguar de quién es el número que se ha facilitado en un enfoque informático clásico es necesario consultar cada entrada de la guía telefónica hasta encontrar una coincidencia con el número, porque la guía telefónica no está ordenada por los números de teléfono, salvo un caso especial en el que el número de teléfono esté correlacionado con el apellido de una persona. Así, si hay m entradas, es necesario buscar m veces en el peor de los casos, o m/2 veces de media para encontrar el nombre que coincide con el número proporcionado. Si en cambio la guía telefónica se almacena en una base de datos cuántica, lo que se puede hacer es crear un oráculo, que es una construcción o función de un predicado en el que buscar. Así, aunque un oráculo puede reconocer una respuesta, no está configurado para encontrarla.

Normalmente, un oráculo se puede construir para recibir una única entrada y, si esa entrada es la respuesta correcta, el oráculo devolverá un "1" o un indicador similar/equivalente como salida; de lo contrario, si la entrada no es la respuesta correcta, el oráculo devolverá un "0" o un indicador similar/equivalente como salida. Por lo tanto, un oráculo permite que se proporcione una consulta como una entrada, igual que cuando se busca el número en una base de datos de una guía telefónica Clásicamente, solo se puede hacer una consulta a la vez. El oráculo clásico devuelve entonces la salida "0" o "1" en función de si la entrada proporcionada satisface la condición preasignada.

Una versión cuántica del oráculo utilizado en el algoritmo de Grover puede utilizar como entrada una superposición de todos los estados al mismo tiempo. Para todos aquellos términos de entrada para los que se satisface la condición de preasignado, el oráculo cuántico "marcará" esas entradas (en paralelo, si hay más). Cada iteración del operador de Grover (que consiste en el oráculo y una operación de "inversión sobre la media") amplificará la probabilidad de que se detecten las respuestas correctas tras la medición. La aplicación repetida del operador de Grover hará evolucionar rápidamente un estado inicial hacia un estado en el que la medición arrojará una respuesta correcta con una probabilidad muy alta. En el algoritmo de Grover, el oráculo cuántico puede ejecutarse Vm veces y la probabilidad de encontrar la respuesta será del orden de 1 (~100%). En lugar de buscar en el orden de m veces como en el caso clásico, en el enfoque cuántico solo necesita buscar en el orden de Vm veces.

Si el oráculo cuántico es una función booleana, entonces el oráculo cuántico puede ser una puerta n-controlada Z o una puerta Cn-Z. En una implementación simple del algoritmo de Grover, la implementación de la puerta Cn-Z es el oráculo cuántico. Si el oráculo cuántico se implementa usando interacciones por pares con puertas de dos qubits (por ej., puertas MS), esta descomposición puede acabar siendo muy difícil de hacer dependiendo del número de qubits, lo que resulta en un circuito muy complicado. En su lugar, el uso de una sola puerta multi-qubit para la implementación del oráculo cuántico es mucho más efectivo.

Un tipo similar del enfoque descrito antes en relación con el algoritmo de Grover se puede utilizar para resolver problemas con un algoritmo de optimización aproximada cuántica (QAOA). El QAOA proporciona un enfoque heurístico para resolver ciertos problemas de optimización, y tiene en cuenta las condiciones que deben cumplirse y algunas cláusulas booleanas. Por ejemplo, supongamos que un grafo dado incluye m vértices o puntos y aristas que conectan pares arbitrarios de vértices y el objetivo es bipartitizar el grafo dado. Se puede utilizar el QAOA para determinar la mejor manera de proceder en la eliminación de bordes para lograr una separación bipartita. El QAOA es, por tanto, un tipo de técnica para resolver problemas de búsqueda, que podría utilizarse para resolver problemas de optimización como el problema de los viajantes de comercio.

En general, el QAOA intenta averiguar si se han satisfecho estas cláusulas booleanas. Para ello, puede ser necesario implementar una operación multi-control, ya que dicha operación, tal y como se aplica en un ordenador cuántico o QIP, induce la operación en el qubit objetivo solo si todos los qubits de control se encuentran en un estado (por ej., "0" no satisfecho, "1" satisfecho). La puerta multi-control NOT o la puerta multi-control Z se pueden utilizar, por tanto, para implementar fácilmente el paso de comprobación de la satisfacibilidad mencionado antes en un ordenador cuántico. Por muy grande que sea el ordenador cuántico (o el tamaño de la condición de satisfacibilidad), cada condición que deba satisfacerse puede implementarse como una sola puerta multi-qubit. Esto es muy potente en un entorno cuántico porque en un ordenador cuántico es posible cargar cada patrón al mismo tiempo para probar simultáneamente todos los patrones y encontrar los patrones que satisfacen la condición preespecificada.

Por ejemplo, en algunos sistemas de iones atrapados, es posible tener 50 o más qubits en una trampa de iones y puede haber condiciones en las que 50 o más bits comprendan cada cláusula. En estos casos, el número de bits implicados en la cláusula determina el tamaño de la puerta multi-qubit a utilizar. Como tal, cada cláusula que se utilice puede convertirse en una puerta n-controlada NOT, donde n puede ser mayor que 50, y las condiciones del QAOA pueden implementarse utilizando estas puertas.

Debe entenderse a partir de esta divulgación que poder implementar una puerta multi-qubit o multi-control como una operación nativa es más eficaz que tener que descomponer la puerta en unidades más pequeñas de operaciones nativas. Además, el enfoque descrito aquí para implementar una puerta multi-qubit o multi-control utilizando modificaciones al protocolo Cz puede aplicarse a cualquier número arbitrario de controles (por ej., dos o más controles) y puede ser más flexible que otros enfoques que utilizan unidades más pequeñas como la operación nativa pero con un número limitado de controles.

La realización de las técnicas aquí descritas puede tener ventajas adicionales respecto a un procesador de trampa de iones totalmente conectado. Si se utiliza un modo como el modo zig-zag, en el que todos los iones están acoplados, es posible implementar una puerta arbitraria n-controlada Z con un coste (o recursos) casi "plano", en el sentido de que mientras que el coste de hacer la puerta aumenta en función de n, el enfoque descrito en esta divulgación será casi independiente de cómo se distribuyan esos n+1 qubits dentro del ordenador cuántico o sistema de procesamiento de información cuántica.

Aún más, el ordenador cuántico o sistema de procesamiento de información cuántica puede ser modular, es decir, puede tener múltiples módulos de qubits. Ejemplos de tales sistemas modulares se describen en la Solicitud de Patente estadounidense N° 16/199.993, titulada "Ordenador cuántico definido por software" y presentada el 26 de noviembre de 2018, cuyo contenido se incorpora por referencia en el presente documento. Cuando el tamaño del problema o la aplicación a realizar es mayor que el número de qubits que puede manejar un único módulo, puede ser posible "teletransportar" algunos qubits entre módulos, y siempre que el tamaño de las "cláusulas" sea menor que el número de qubits de un módulo (y por tanto pueda implementarse con una puerta n-controlada NOT o una puerta n-controlada Z), es posible implementar el algoritmo de forma eficiente.

Además de los algoritmos descritos más arriba, otras aplicaciones implican el uso de la aritmética, como sumas o multiplicaciones, por ejemplo. La aritmética de números enteros es algo que los ordenadores clásicos hacen bastante bien. Sin embargo, hay casos en los que es necesario realizar operaciones aritméticas en los ordenadores cuánticos para resolver, por ejemplo, problemas de logaritmos discretos, una generalización del conocido algoritmo de factorización de Shor. En el algoritmo de factorización de Shor hay que realizar muchas operaciones aritméticas antes de aplicar los resultados a una operación de transformada cuántica de Fourier (QFT). Las operaciones aritméticas del algoritmo de factorización de Shor deben realizarse mediante un enfoque cuántico, y estos circuitos aritméticos cuánticos suelen incluir puertas NOT, puertas controladas-NOT y puertas controladas-controladas-NOT.

Como se utiliza en esta divulgación, una puerta controlada-controlada-NOT y una puerta controlada-controlada-Z pueden considerarse puertas similares o equivalentes (dentro de dos puertas de Hadamard aplicadas al objetivo) y, como se ha mencionado antes, una puerta controlada-controlada-NOT se denomina generalmente puerta de Toffoli. Uno de los aspectos versátiles de la puerta de Toffoli es que puede utilizarse para escribir cualquier algoritmo clásico, ya que es una puerta universal en computación clásica reversible. Así pues, la puerta de Toffoli tiende a utilizarse en un contexto de computación cuántica cuando una parte del circuito cuántico está motivada por y/o basada en operaciones reversibles clásicas. Así, los circuitos cuánticos que tengan al menos alguna parte basada en operaciones reversibles clásicas tendrán este tipo de puertas multi-qubit. Algunos ejemplos de estos circuitos reversibles incluyen circuitos lógicos reversibles, especialmente del tipo Reed-Muller, que son aplicables a problemas de minimización o mapeo.

Además de utilizar puertas multi-qubit en circuitos aritméticos cuánticos, estos tipos de puertas también pueden utilizarse en códigos cuánticos de corrección de errores y sus circuitos de destilación.

Otra aplicación de las puertas multi-qubit descritas en esta divulgación incluye simulaciones cuánticas tales como las utilizadas para modelar o simular diversas propiedades de los materiales. Debido a que algunas simulaciones de materiales implican modelar fuertes correlaciones entre partículas cuánticas (por ej., fuerzas efectivas en física nuclear), las puertas multi-qubit pueden ser utilizadas como parte de algoritmos que simulan las interacciones entre múltiples partículas.

Otra aplicación de las puertas multi-qubit descritas en esta divulgación incluye la puerta Select-V, típicamente usada para simulaciones Hamiltonianas usando combinaciones lineales de algoritmos de procesamiento de señales cuánticas o unitarias. Son los algoritmos de simulación asintóticamente mejores, y también pueden utilizarse para implementar directamente matrices Toeplitz y Hankel o matrices circulantes y sus variantes para el seguimiento visual. La implementación de la puerta Select-V requiere el uso de puertas multi-qubit o multi-control. Sin embargo, la mayoría de estos algoritmos presuponen tolerancia a fallos.

La FIG. muestra un ejemplo de un dispositivo informático 400 que está configurado para implementar puertas multiqubit utilizando la versión modificada del protocolo CZ como se ha descrito antes y para realizar uno o más algoritmos que utilizan las puertas multi-qubit. 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 aquí. El procesador 410 puede incluir un conjunto único o múltiple de procesadores o procesadores multi-núcleo. 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 para permitir la implementación de puertas multi-qubit y realizar diversos algoritmos con dichas puertas

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 aquí. 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 aquí. En un ejemplo, la memoria 420 puede incluir instrucciones para realizar los 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, tales como instrucciones y/o datos para implementar puertas multi-qubit, mantener dichas puertas en funcionamiento, y/o realizar algoritmos basados en dichas puertas.

Además, el dispositivo informático 400 puede incluir un componente de comunicaciones 430 que permite establecer y mantener comunicaciones con una o más partes utilizando hardware, software y servicios. El componente de comunicaciones 430 puede realizar comunicaciones entre componentes en el dispositivo informático 400, así como entre el dispositivo informático 400 y dispositivos externos, tales como dispositivos ubicados 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 ser cualquier combinación adecuada de hardware y/o software, que proporciona almacenamiento masivo de información, bases de datos y programas empleados en relación con las implementaciones descritas aquí. Por ejemplo, el almacén de datos 440 puede ser un repositorio de datos para el sistema operativo 460 (por ej., un 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 su presentación al usuario o para proporcionar 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 háptico, 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, programas o algoritmos, 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 de forma remota con el dispositivo informático 400.

La FIG. 5 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método 500 para implementar una puerta multi-qubit utilizando una trampa de iones. En un aspecto, el método 500 se puede realizar en un sistema informático como el sistema informático 400 descrito anteriormente, donde, por ejemplo, el procesador 410, la memoria 420, el almacén de datos 440, y/o el sistema operativo 460 se pueden utilizar para realizar las funciones del método 500. De manera similar, 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 componente de configuración 615, el controlador óptico 620, la trampa de iones 670, y/o el componente de algoritmos 610 y sus subcomponentes).

En 510, el método 500 incluye habilitar iones (por ej., iones atómicos 220) en la trampa de iones que incluyen tres niveles de energía (por ej., estados qubit 10), 11), y el estado auxiliar |a ».

En 520, el método 500 incluye habilitar un modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento (por ej., modo zig­ zag en el diagrama 200b de la FIG. 2B) en un estado fundamental de movimiento con los iones en la trampa de iones. En 530, el método 500 incluye aplicar un protocolo CZ usando el modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento como un estado de movilidad del protocolo CZ y uno de los niveles de energía como un estado auxiliar del protocolo CZ (por ej., una versión modificada del protocolo CZ para la implementación práctica). La aplicación del protocolo CZ incluye la implementación de la puerta multi-qubit. La puerta multi-qubit puede implementarse utilizando al menos un subconjunto de los iones en la trampa de iones, por ejemplo.

En el método 500, la puerta multi-qubit es una operación de puerta nativa única. La puerta multi-qubit puede ser una puerta qubit multi-control. La puerta multi-qubit puede ser una puerta n-controlada o una puerta Cn-Z.

En otro aspecto del método 500, el modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento es un modo zig-zag. El modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento puede ser uno al que todos los iones del sistema de iones atrapados están fuertemente acoplados, y el modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento puede tener un perfil de frecuencia espacial que es diferente de un perfil de frecuencia espacial de ruido de campo eléctrico de fondo. En este ejemplo, la conectividad todo-a-todo que ofrece este modo permite implementar una puerta n-controlada Z (o una puerta n-controlada NOT) entre un conjunto arbitrario de qubits de la cadena.

En un enfoque alternativo, la implementación de una puerta multi-qubit descrita en esta sección entre un conjunto específico de qubits podría utilizar un modo de movilidad diferente que acople efectivamente todos los qubits en la puerta, pero no otros qubits que no participan en esta puerta. Es decir, el modo de movilidad que se elige o selecciona depende del conjunto de iones sobre el que se aplica la puerta. Por ejemplo, si la puerta implica a los iones 1, 3, 16 y 17 en una cadena de 17 iones, es posible utilizar un modo "oscilante" en el que estos cuatro iones se acoplan fuertemente, pero algunos de los iones no se acoplan muy bien. Esto ayudará a gestionar o minimizar la excitación de otros iones que no participan en la puerta. Aunque esta elección del modo no es universal para cualquier conjunto de iones, lo destacado aquí es que es posible utilizar un modo diferente dependiendo del conjunto de iones involucrados en la puerta.

En otro aspecto del método 500, el método 500 puede incluir la selección del modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento basado en los iones sobre los que se aplica la puerta. Por ejemplo, el modo de movilidad de baja velocidad de calentamiento seleccionado puede ser un modo oscilante o un modo de zig-zag dependiendo de qué iones en cadena o cristal se están utilizando para la puerta que se está implementando.

En otro aspecto del método 500, el estado auxiliar es uno de los estados fundamentales Zeeman (por ej., niveles Zeeman) o un estado excitado metaestable (por ej., niveles D).

Otros aspectos del método 500 incluyen la implementación de la puerta multi-qubit utilizando al menos un subconjunto de los iones en la trampa de iones mediante el control del subconjunto de los iones utilizando un esquema de direccionamiento óptico que implica un único haz óptico amplio en una primera dirección y un haz óptico individual para cada uno de los iones en el subconjunto de los iones en una segunda dirección. Las direcciones primera y segunda son direcciones opuestas (180 grados) o las direcciones primera y segunda son direcciones perpendiculares o normales (90 grados).

Otros aspectos del método 500 incluyen la implementación de la puerta multi-qubit utilizando al menos un subconjunto de los iones en la trampa de iones mediante la modulación de los haces ópticos aplicados al subconjunto de iones para compensar las derivas de frecuencia en el modo de movilidad. La modulación puede ser una modulación de amplitud (AM), una modulación de frecuencia (FM), una modulación de fase (PM), o cualquier combinación de las tres. Además, la modulación puede ser realizada por uno o más AOMs (por ej., los AOMs 645).

Otros aspectos del método 500 incluyen la implementación de la puerta multi-qubit utilizando al menos un subconjunto de los iones en la trampa de iones utilizando o aplicando haces ópticos para controlar el subconjunto de los iones y aplicando o ejecutando una compensación de impulsos a una intensidad de los haces ópticos para reducir las derivas de intensidad.

El método 500 puede incluir además la realización de uno o más algoritmos utilizando la puerta multi-qubit. El uno o más algoritmos pueden incluir el algoritmo de Grover, y uno o más oráculos del algoritmo de Grover se implementan utilizando la puerta multi-qubit. El uno o más algoritmos pueden incluir el QAOA, y una o más condiciones de las cláusulas booleanas del QAOA se implementan utilizando la puerta multi-qubit. El uno o más algoritmos pueden incluir el algoritmo de factorización de Shor, y uno o más circuitos aritméticos del algoritmo de factorización de Shor se implementan utilizando la puerta multi-qubit, donde la puerta multi-qubit puede ser una puerta NOT, una puerta controlada-NOT, o una puerta controlada-controlada-NOT. El uno o más algoritmos pueden incluir un algoritmo de corrección de errores, y los circuitos de destilación del algoritmo de corrección de errores se implementan utilizando la puerta multi-qubit. El uno o más algoritmos incluyen una simulación cuántica (por ej., una simulación de material), y al menos una de las interacciones multi-cuerpo realizadas como parte de la simulación cuántica se realiza utilizando la puerta multi-qubit. El uno o más algoritmos pueden incluir simulaciones Hamiltonianas, y una puerta Select-V de las simulaciones Hamiltonianas se implementa utilizando la puerta multi-qubit.

La FIG. 6A es un diagrama de bloques 600 que ilustra un ejemplo de un sistema QIP 605 de acuerdo con ciertos aspectos de esta divulgación. El sistema QIP 605 también puede denominarse sistema de computación cuántica, ordenador cuántico, 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. En algunas realizaciones, la fuente 660 está dentro de la cámara 650. La trampa de iones 670 puede utilizarse para atrapar iones en un cristal lineal (como se ilustra en el diagrama 200a de la FIG. 2A). Las fuentes ópticas 630 en el controlador óptico 620 pueden incluir una o más fuentes láser o de haz óptico que pueden utilizarse para la ionización de las especies atómicas, el control (por ej., control de fase) de los iones atómicos, para la fluorescencia de los iones atómicos que puede ser monitorizada y rastreada por algoritmos de procesamiento de imágenes que operan en un sistema de procesamiento de imágenes 640 en el controlador óptico 620, y/o para realizar funciones de control óptico asociadas con la implementación de puertas multi-qubit 675 utilizando una modificación del protocolo CZ, así como otras interacciones con las puertas multi-qubit 675, tales como las descritas anteriormente. En un aspecto, las fuentes ópticas 630 pueden ser implementadas separadamente del controlador óptico 620.

El sistema de procesamiento de imágenes 640 puede incluir un generador de imágenes de alta resolución (por ej., una cámara c Cd ) para monitorizar los iones atómicos mientras se transfieren a la trampa de iones o después de que se hayan transferido a la trampa de iones 670. En un aspecto, el sistema de procesamiento de imágenes 640 puede implementarse separado del controlador óptico 620, sin embargo, el uso de fluorescencia para detectar, identificar y etiquetar iones atómicos utilizando algoritmos de procesamiento de imágenes puede necesitar coordinarse con el controlador óptico 620.

El modulador(es) acústico-óptico(s), AOM(s) 645, puede ser utilizado para realizar la modulación de los rayos láser u ópticos producidos por las fuentes ópticas 630. La modulación puede incluir AM, FM, PM, o cualquier combinación de las tres, y se puede utilizar al menos en parte para contrarrestar o compensar las derivas en la frecuencia de modo, como se comentó antes.

El sistema QIP 605 también puede incluir un componente de algoritmos 610 que puede operar con otras partes del sistema QIP 605 (no mostradas) para realizar algoritmos cuánticos u operaciones cuánticas, incluyendo operaciones de qubit único u operaciones multi-qubit, así como cálculos cuánticos ampliados. Como tal, el componente de algoritmos 610 puede proporcionar instrucciones a diversos 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 descritas en el presente documento.

El sistema QIP 605 también puede incluir un componente de configuración 615 que puede proporcionar las instrucciones, comandos y/o información apropiados a otras partes del sistema QIP 605 para habilitar el estado de movilidad apropiado y otras condiciones que son necesarias para implementar puertas multi-qubit utilizando la versión modificada del protocolo CZ y después utilizar en varios algoritmos las puertas multi-qubit que se implementan de esta manera. En consecuencia, el componente de configuración 615 puede comunicarse con el componente de algoritmos 610 para identificar qué algoritmo y qué tipo de puertas multi-qubit deben implementarse para el algoritmo, con el controlador óptico 620 en conexión con las operaciones que deben realizarse con la versión modificada del protocolo CZ, así como para los esquemas de direccionamiento óptico y para realizar técnicas para manejar las derivas de frecuencia y/o intensidad de modo, y con la cámara 650/trampa de iones 670 para habilitar las condiciones adecuadas para establecer el estado de movimiento y realizar interacciones con el estado de movimiento. En algunas implementaciones, el componente de configuración 615 no necesita ser un componente separado y puede estar al menos parcialmente integrado en otros componentes del sistema QIP 605. En algunas implementaciones, el componente de configuración 615 puede implementarse como un procesador de hardware con instrucciones ejecutables para realizar las diversas funciones descritas antes.

La FIG. 6B muestra al menos una parte del componente de algoritmos 610. En este ejemplo, el componente de algoritmos 610 puede incluir diferentes subcomponentes para soportar la operación de diferentes algoritmos. Cada uno de estos subcomponentes puede recibir, almacenar y/o acceder a información asociada con la aplicación de un algoritmo especificado en el sistema QIP 605, incluyendo información asociada con los tipos de puertas multi-qubit a implementar para la aplicación del algoritmo especificado. En una implementación, el componente de algoritmos 610 puede incluir un componente de algoritmos de Grover 611 con información para la aplicación del algoritmo de Grover como se ha descrito antes. En una implementación, el componente de algoritmos 610 puede incluir un componente de QAOA 612 con información para la aplicación del QAOA como se ha descrito antes. En una implementación, el componente de algoritmos 610 puede incluir un componente de algoritmo de factorización de Shor 613 con información para la aplicación del algoritmo de factorización de Shor como se ha descrito antes. En una implementación, el componente de algoritmos 610 puede incluir un componente de corrección de errores 614 con información para la aplicación de los códigos de corrección de errores como se ha descrito antes. En una implementación, el componente de algoritmos 610 puede incluir un componente de simulaciones de dinámica cuántica de interacción de n-cuerpos 615 con información para la aplicación de simulaciones cuánticas como se ha descrito antes. En una implementación, el componente de algoritmos 610 puede incluir un componente de simulaciones Hamiltonianas 616 con información para la aplicación de simulaciones Hamiltonianas como se ha descrito antes.

Aunque la presente divulgación se ha proporcionado de acuerdo con las implementaciones mostradas, un experto en la materia reconocerá fácilmente que se pueden realizar muchas modificaciones sin alejarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método (500) para implementar una puerta multi-qubit (675) utilizando una trampa de iones (670), que comprende:

proporcionar iones (220) en la trampa de iones (670) para utilizar cada uno como un qubit separado, teniendo cada ion (220) tres niveles de energía (510);

llevar un modo de movilidad a un estado fundamental de movimiento con los iones (220) en la trampa de iones (520), siendo el modo de movilidad diferente de un modo de centro de masa, CoM, y teniendo un perfil de frecuencia espacial basado en un espaciado (215) de los iones (220) en la trampa de iones (670) haciendo que el modo de movilidad tenga una baja velocidad de calentamiento;

ejecutar un protocolo de Cirac y Zoller, CZ, utilizando el modo de movilidad como estado de movilidad del protocolo CZ y uno de los niveles de energía como estado auxiliar del protocolo CZ (530); y

tras la aplicación del protocolo CZ, implementar directamente la puerta multi-qubit (675) como una sola operación nativa utilizando los iones preparados (220) en la trampa de iones (670), teniendo la puerta multi-qubit (675) tres o más qubits.

2. El método (500) de la reivindicación 1, en el que la puerta multi-qubit (675) se implementa utilizando al menos un subconjunto de los iones (220) en la trampa de iones (670).

3. El método (500) de la reivindicación 1, en el que la puerta multi-qubit (675) es una puerta de qubits multi-control.

4. El método (500) de la reivindicación 1, en el que la puerta multi-qubit (675) es una puerta n-controlada o una puerta CnZ.

5. El método (500) de la reivindicación 1, en el que el modo de movilidad es un modo zig-zag (220b).

6. El método (500) de la reivindicación 1, en el que el modo de movilidad es un modo basculante o un modo zig-zag (200b).

7. El método (500) de la reivindicación 1, en el que el modo de movilidad es uno en el que todos los iones (220) en la trampa de iones (670) están acoplados, y el perfil de frecuencia espacial del modo de movilidad es diferente de un perfil de frecuencia espacial de ruido de campo eléctrico de fondo.

8. El método (500) de la reivindicación 1, en el que el estado auxiliar es uno de los estados Zeeman o un estado excitado metaestable.

9. El método (500) de la reivindicación 2,

en el que la implementación de la puerta multi-qubit (675) utilizando al menos un subconjunto de los iones (220) en la trampa de iones (670) incluye el control del subconjunto de los iones (220) utilizando un esquema de direccionamiento óptico que implica un único haz óptico amplio (310) en una primera dirección y un haz óptico individual (320) para cada uno de los iones en el subconjunto de los iones (220) en una segunda dirección, y

en el que la primera y la segunda dirección son direcciones opuestas o la primera y la segunda dirección son direcciones perpendiculares o normales.

10. El método (500) de la reivindicación 2, en el que la implementación de la puerta multi-qubit (675) utilizando al menos un subconjunto de los iones (220) en la trampa de iones (670) incluye la modulación de los haces ópticos (310, 320) aplicados al subconjunto de los iones (220) para compensar las derivas de frecuencia en el modo de movilidad.

11. El método (500) de la reivindicación 10, que comprende además realizar la modulación mediante uno o más moduladores acústico-ópticos (645), AOM, donde la modulación incluye una modulación de amplitud, una modulación de frecuencia, una modulación de fase, o cualquier combinación de las tres.

12. El método (500) de la reivindicación 1, en el que la implementación de la puerta multi-qubit (675) utilizando al menos un subconjunto de los iones (220) en la trampa de iones (670) incluye utilizar haces ópticos (310, 320) para controlar el subconjunto de los iones (220) y aplicar una compensación de impulsos a una intensidad de los haces ópticos (310, 320) para reducir las derivas de intensidad.

13. El método (500) de la reivindicación 1, que comprende además implementar la puerta multi-qubit (675) para aplicar uno o más algoritmos que incluyen uno de los siguientes:

un algoritmo de Grover, con uno o más oráculos del algoritmo de Grover implementados usando la puerta multi-qubit (675),

un algoritmo de optimización de aproximación cuántica, QAOA, con una o más condiciones conforme a la cláusula booleana del QAOA implementadas utilizando la puerta multi-qubit (675), o

un algoritmo de factorización de Shor, con uno o más circuitos aritméticos del algoritmo de factorización de Shor implementados utilizando la puerta multi-qubit (675).

14. El método (500) de la reivindicación 13, en el que la puerta multi-qubit (675) es una de una puerta controladacontrolada NOT o una puerta n-controlada NOT (Cn -NOT).

15. El método (500) de la reivindicación 1, que comprende además implementar directamente la puerta multi-qubit (675) para aplicar uno o más algoritmos que incluyen uno de:

un algoritmo de corrección de errores, con circuitos de destilación del algoritmo de corrección de errores implementados utilizando la puerta multi-qubit (675),

una simulación cuántica, con al menos una de las interacciones multi-cuerpo realizadas como parte de la simulación cuántica utilizando la puerta multi-qubit (675), o

simulaciones Hamiltonianas, con una puerta Select-V de las simulaciones Hamiltonianas implementada utilizando la puerta multi-qubit (675)