ES2962670T3 - Operaciones multi-qubit paralelas en un ordenador cuántico universal de trampa de iones - Google Patents

Abstract

La divulgación describe varios aspectos relacionados con la habilitación de operaciones multi-qubit efectivas y, más específicamente, con técnicas para permitir operaciones multi-qubit paralelas en una computadora cuántica con trampa de iones universal. En un aspecto, un método para realizar operaciones cuánticas en una computadora cuántica con trampa de iones o un sistema cuántico de iones atrapados incluye implementar al menos dos puertas paralelas de un circuito cuántico, cada una de las al menos dos puertas paralelas es una puerta de múltiples qubits, cada una de las al menos dos puertas paralelas se implementa usando un conjunto diferente de iones de una pluralidad de iones en una trampa de iones, y la pluralidad de iones incluye cuatro o más iones. El método incluye además realizar simultáneamente operaciones en al menos dos puertas paralelas como parte de las operaciones cuánticas. También se describen un sistema cuántico de iones atrapados y un medio de almacenamiento legible por computadora correspondiente al método descrito anteriormente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Operaciones multi-qubit paralelas en un ordenador cuántico universal de trampa de iones

Antecedentes de la descripción

Aspectos de la presente descripción se refieren generalmente a permitir operaciones multi-qubit efectivas, y más específicamente, a técnicas para permitir operaciones multi-qubit paralelas en un ordenador cuántico universal de trampa de iones.

Un modelo de circuito de un ordenador cuántico consiste en secuencias de operaciones de compuerta entre bits cuánticos (qubits), extraídas de una familia universal de operaciones discretas, y la capacidad de realizar estas compuertas en paralelo es crucial para los avances en la tecnología de la computación cuántica. La capacidad de ejecutar compuertas cuánticas paralelas o simultáneas ofrece claras ganancias de eficiencia para numerosos circuitos y algoritmos cuánticos. Más importante aún, el paralelismo de la compuerta cuántica es esencial para la corrección de errores tolerante a fallos de qubits que sufren decoherencia inactiva. Sin paralelismo de compuertas, el umbral de error requerido para la tolerancia a fallas puede volverse inaccesible para sistemas realistas. La implementación de compuertas cuánticas paralelas se complica por la diafonía potencial, especialmente entre qubits totalmente conectados por un bus de modo común, como en los iones atómicos atrapados acoplados por culombio o los transmones superconductores acoplados por cavidad.

En consecuencia, es conveniente habilitar técnicas que permitan el paralelismo de las compuertas cuánticas y eviten algunas de las limitaciones existentes, particularmente en lo que se refiere a la tecnología de iones atrapados. En el siguiente documento C. Figgatt y otros, Abstract submitted for the DAMOP 2018 Meeting, "Parallel 2-Qubit Operations on a Programmable Ion Trap Quantum Computer", Bulletin of the American Physical Society, describen un ordenador cuántico programable que consiste de una cadena lineal de cinco iones de reloj atómico Yb atrapados con tiempos de coherencia largos.

Resumen de la descripción

La invención proporciona un método para realizar operaciones cuánticas en un sistema cuántico de iones atrapados como se establece en la reivindicación 1, un sistema cuántico de iones atrapados como se establece en la reivindicación 10 y un medio de almacenamiento legible por ordenador de acuerdo con la reivindicación 19. A continuación, se presenta un resumen simplificado de uno o varios aspectos para proporcionar una comprensión básica de los mismos. Este sumario no es una amplia descripción de todos los aspectos que se contemplan, y no pretende identificar elementos clave o críticos de todos los aspectos ni delinear el alcance de ninguno o todos los aspectos. Su objetivo es presentar algunos conceptos de uno o varios aspectos de forma simplificada como preludio a la descripción detallada que se presenta más adelante.

Esta descripción presenta varios aspectos relacionados con operaciones multi-qubit, y más específicamente, con técnicas para permitir operaciones multi-qubit paralelas (al menos dos-qubit) en un ordenador cuántico universal de trampa de iones. La presente divulgación describe un método para realizar operaciones cuánticas en un sistema cuántico de iones atrapados que incluye la implementación de al menos dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, cada una de las al menos dos compuertas paralelas es una compuerta multi-qubit, cada una de las al menos dos compuertas paralelas se implementa mediante el uso de un conjunto diferente de iones de una pluralidad de iones en una trampa de iones, y la pluralidad de iones incluye cuatro o más iones. El método incluye, además, realizar simultáneamente operaciones en al menos dos compuertas paralelas como parte de las operaciones cuánticas.

Esta descripción también describe un sistema cuántico de iones atrapados configurado para realizar operaciones cuánticas que incluye un componente de algoritmos configurado para implementar al menos dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, cada una de las al menos dos compuertas paralelas es una compuerta multi-qubit; cada una de las al menos dos compuertas paralelas se implementa mediante el uso de un conjunto diferente de iones de una pluralidad de iones en una trampa de iones, y la pluralidad de iones incluye cuatro o más iones. El sistema cuántico de iones atrapados incluye además la trampa de iones en la que las operaciones en al menos dos compuertas paralelas se realizan simultáneamente como parte de las operaciones cuánticas. El sistema cuántico de iones atrapados también puede denominarse ordenador cuántico universal de trampa de iones, sistema de procesamiento cuántico de la información (QIP), ordenador cuántico o, generalmente, dispositivo informático.

Esta descripción también describe un medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código con instrucciones ejecutables por un procesador para realizar operaciones cuánticas en un sistema cuántico de iones atrapados, el medio legible por ordenador incluye código para implementar al menos dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, cada una de las al menos dos compuertas paralelas es una compuerta multi-qubit, cada una de las al menos dos compuertas paralelas se implementa mediante el uso de un conjunto diferente de iones de una pluralidad de iones en una trampa de iones, y la pluralidad de iones incluye cuatro o más iones. El medio de almacenamiento legible por ordenador incluye además código para realizar operaciones en al menos dos compuertas paralelas simultáneamente como parte de las operaciones cuánticas.

En la presente descripción se describen detalles adicionales relativos a los métodos, sistemas y medios de almacenamiento legibles por ordenador para diversos aspectos asociados con operaciones multi-qubit paralelas mediante el uso de conjuntos de iones atrapados.

Breve descripción de las figuras

Las figuras adjuntas ilustran sólo alguna implementación.

La Figura 1 ilustra una vista de una cámara de vacío que alberga electrodos para atrapar iones atómicos en un cristal.

Las Figuras 2A y 2B ilustran ejemplos de soluciones de forma de pulso y trayectorias de espacio de fase teóricas para compuertas paralelas XX o Ising implementadas en iones (1,4) y (2,5) de una trampa de 5 iones.

Las Figuras 3A y 3B ilustran ejemplos de curvas de paridad y fidelidades para compuertas XX paralelas en dos conjuntos de ejemplo de iones de una trampa de 5 iones.

La Figura 4 ilustra un ejemplo de datos para compuertas CNOT simultáneas en los iones (1,4) y (2,3) de una trampa de 5 iones.

La Figura 5A ilustra un ejemplo del sumador cuántico completo original de Feynman.

La Figura 5B ilustra un ejemplo de sumador completo optimizado con profundidad de compuerta multi-qubit 4. La Figura 6 ilustra un ejemplo de datos para un sumador completo mediante el uso de compuertas multi-qubit simultáneas en iones (1, 2, 4, 5) de una trampa de 5 iones.

La Figura 7 ilustra un ejemplo de implementación de un sumador completo optimizado para la aplicación mediante el uso de compuertas XX(x), Rx(0), y Ry(0) con dos operaciones multi-qubit paralelas delineadas en cuadros discontinuos.

La Figura 8 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un dispositivo informático.

La Figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de método.

La Figura 10 es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de sistema QIP.

Descripción detallada

La descripción detallada que se expone más abajo en relación con las figuras adjuntas pretende ser una descripción de diversas configuraciones o implementaciones y no pretende representar las únicas configuraciones o implementaciones en las que pueden practicarse los conceptos en la presente descripción. La descripción detallada incluye detalles específicos para el propósito de proporcionar una comprensión profunda de diversos conceptos. Sin embargo, será evidente para los expertos en la técnica que estos conceptos pueden ponerse en práctica sin estos detalles específicos. En algunos casos, los componentes más conocidos se muestran en forma de diagrama de bloques para no ocultar estos conceptos.

Como se describió anteriormente, el modelo de circuito de un ordenador cuántico o sistema de procesamiento cuántico de la información (QIP) consiste en secuencias de operaciones de compuerta entre qubits, extraídas de una familia universal de operaciones discretas, y la capacidad de realizar estas compuertas en paralelo es crucial para los avances en la tecnología de la computación cuántica. La capacidad de ejecutar compuertas cuánticas paralelas o simultáneas ofrece claras ganancias de eficiencia para numerosos circuitos y algoritmos cuánticos. Más importante aún, el paralelismo de las compuertas cuánticas es esencial para la corrección de errores tolerante a fallos de los qubits que sufren decoherencia ociosa. Sin paralelismo de compuertas, el umbral de error requerido para la tolerancia a fallas puede volverse inaccesible para sistemas realistas. Debido a que la corrección de errores cuánticos es un proceso particularmente oneroso, en el que la sobrecarga puede ser severa, es necesario codificar grandes cantidades de información para lograr redundancia. El paralelismo de compuertas cuánticas permite la acumulación de menos errores y, por lo tanto, es necesario codificar una menor cantidad de redundancia.

Sin embargo, la implementación de compuertas cuánticas paralelas no es una tarea sencilla. Típicamente se complica por la diafonía potencial, especialmente entre qubits totalmente conectados por un bus de modo común, como en los iones atómicos atrapados acoplados por culombio o los transmones superconductores acoplados por cavidad. Con respecto a esto, esta divulgación describe compuertas entrelazadas de dos qubits paralelos en una serie de qubits de iones atrapados completamente conectados. Se puede implementar una aplicación de esta capacidad en varios circuitos cuánticos. Un ejemplo es una implementación en el sumador completo cuántico, mediante el uso de un circuito cuántico de profundidad 4 con operaciones multi-qubit paralelas. Estos resultados explotan el poder de los sistemas qubit altamente conectados a través de técnicas de control clásicas y proporcionan una mejora para acelerar los circuitos cuánticos y lograr tolerancia a fallas con computadoras cuánticas de iones atrapados. Como se usa en la presente descripción, el término "multi-qubit" puede referirse a operaciones o compuertas que usan más de un qubit, como 2 qubits, 3 qubits, 4 qubits, y así sucesivamente, incluidas operaciones o compuertas de n-qubits donde n es un número entero.

Las operaciones paralelas ahorran un tiempo considerable en comparación con las operaciones en serie, lo que aumenta la eficiencia computacional. Los circuitos cruciales de la computación cuántica, como la corrección de errores, la transformada cuántica de Fourier, los grandes estados entrelazados y los sumadores, pueden beneficiarse del paralelismo. De manera similar se benefician numerosos algoritmos cuánticos completos, como la factorización de enteros de Shor, la resolución del problema del logaritmo discreto en el grupo de curvas elípticas, la simulación de la dinámica hamiltoniana mediante el uso de la fórmula de Suzuki-Trotter y algoritmos de química cuántica. Estas mejoras son ubicuas y sustanciales. Tanto los sumadores completos como las compuertas Toffoli pueden obtener una mejora exponencial en el tiempo de ejecución general mediante el uso del paralelismo. Otros algoritmos cuánticos ven una aceleración de O(n) sobre complejidades de compuerta de polinomios de bajo grado den.

Esta descripción describe varias técnicas para el paralelismo de compuertas cuánticas mediante el uso de iones atrapados. Pueden usarse átomos atrapados y circuitos superconductores para implementar computadoras cuánticas de iones atrapados, también conocidas como sistemas de procesamiento de información cuántica. Los qubits de base atómica se pueden usarse como diferentes tipos de dispositivos, incluidos, entre otros, memorias cuánticas, compuertas cuánticas en computadoras y simuladores cuánticos y nodos para redes de comunicación cuánticas. 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 enredarse fácilmente entre sí modulando su interacción de Coulomb con campos de control externos adecuados, como campos ópticos o de microondas. Tal como se usan en esta divulgación, los términos "iones atómicos", "átomos" e "iones" pueden usarse indistintamente para describir las partículas que van a confinarse, o que están realmente confinadas, en una trampa para formar un cristal o un arreglo o configuración similar. También como se usan en esta descripción, los términos "compuertas" y "compuertas cuánticas" pueden usarse indistintamente.

La geometría o estructura de trampa de iones típica usada para el procesamiento de información cuántica es la trampa Paul de radiofrecuencia (RF) lineal (también denominada trampa RF, trampa de superficie, trampa Paul o simplemente trampa de iones), 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 RF Paul es un tipo de trampa que usa campos eléctricos para atrapar o confinar partículas cargadas en una región, posición o ubicación particular. 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 ejemplo, un arreglo estructurado de qubits), con la repulsión de Coulomb equilibrando la fuerza de confinamiento externo. Si la anisotropía de la trampa es suficiente, los iones pueden formar un cristal lineal a lo largo de la dirección débil de confinamiento, y éste es el arreglo que se emplea típicamente para aplicaciones en información cuántica y metrología.

Los iones atómicos atrapados se encuentran entre las plataformas de qubits más avanzadas, con precisión de reloj atómico y la capacidad de realizar compuertas en una red de qubits totalmente conectada y reconfigurable. La alta conectividad entre qubits de iones atrapados se mide por fuerzas ópticas en su movimiento colectivo. Los iones atrapados se pueden escalar de forma modular transportando iones individuales entre cadenas de iones separadas en estructuras complejas de trampa de múltiples electrodos o mediante acoplamientos fotónicos dentro o fuera del chip. Dentro de una gran cadena de iones, las compuertas pueden abrirse moldeando adecuadamente los impulsos láser que conducen a los iones seleccionados dentro de la cadena. Aquí, los qubits objetivo se entrelazan a través de su movimiento acoplado de Coulomb, y el pulso láser se modula de manera que los modos de movimiento se desenredan de los qubits al final de la operación. La ejecución de múltiples compuertas paralelas de esta manera requiere una mayor complejidad de las formas de los pulsos, no sólo para desenredar el movimiento sino también para entrelazar solo los qubits objetivo según se desee. Este tipo de compuerta paralela se puede lograr con tecnología de iones atrapados diseñando pulsos ópticos apropiados mediante el uso de técnicas de optimización no lineal.

La Figura 1 ilustra una vista parcial de una cámara de vacío 100 que alberga electrodos para atrapar iones atómicos en una cadena o cristal lineal 110 mediante el uso de una trampa de iones (por ejemplo, una trampa lineal). En el ejemplo mostrado en la Figura 1, una cámara de vacío en un sistema cuántico (véase, por ejemplo, la Figura 10) incluye electrodos para atrapar múltiples iones atómicos de Iterbio (por ejemplo, iones 171Yb+) que están confinados en el cristal lineal 110 y son enfriados por láser para estar casi en reposo. El número de iones atómicos atrapados puede configurarse y en algunos casos pueden quedar atrapados hasta 100 iones atómicos o más. Los átomos se iluminan con radiación láser sintonizada con una resonancia en 171yb+ y la fluorescencia de los iones atómicos se refleja en una cámara. En este ejemplo, los iones atómicos se separan por una distancia 115 de aproximadamente 5 micras (|jm) entre sí como se muestra por fluorescencia. La separación de los iones atómicos se determina por un equilibrio entre la fuerza de confinamiento externo y la repulsión de Coulomb.

La fuerte fluorescencia de iones atómicos atrapados individuales depende del ciclo eficiente de los fotones, por lo que la estructura atómica del ion debe tener una transición óptica cerrada fuerte 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+ y Yb+). Dentro de estos iones atómicos, los bits cuánticos pueden representarse mediante dos niveles electrónicos estables, a menudo caracterizados por un espín efectivo con los dos estados |t) y |j), o equivalentemente 11) y |0).

En esta descripción, se muestran aspectos del paralelismo de la compuerta cuántica mediante el uso de una cadena de cinco (5) iones atómicos Yb+ (véase, por ejemplo, la cadena o cristal lineal 110 en la Figura 1), con radiación láser resonante usada para refrigerar por láser, inicializar y medir los qubits. Debe entenderse que la cadena de iones atrapados puede ser mayor que cinco iones atómicos. Las operaciones de compuerta cuántica coherente se consiguen aplicando haces Raman contra propagados desde un único láser de modo bloqueado, que forman notas de latido cerca de la frecuencia de diferencia de los qubits. Las compuertas de un solo qubit se generan sintonizando la nota de latido Raman a la división de frecuencias del qubit W<0>y conduciendo rotaciones Rabi resonantes (compuertasR(d,0)de fase y duración definidas. Las compuertas de dos qubits (XX(x)) se realizan iluminando dos iones con frecuencias de nota de latido cercanas a las bandas laterales de movimiento, creando una interacción Ising efectiva entre los iones mediante el entrelazamiento transitorio a través de los modos de movimiento. Se pueden aplicar operaciones similares para producir compuertas entre más de dos qubits, pero en este ejemplo se usa un par porque dos son suficientes para la lógica universal. Un esquema de conformación de pulsos proporciona compuertas entrelazadas de alta fidelidad en cualquier par de iones. Si bien los sistemas de qubits de iones tienen tiempos de coherencia muy largos con relación al tiempo de compuerta, sus tiempos de coherencia siempre serán finitos, lo que requerirá usar operaciones paralelas.

Para realizar operaciones paralelas de entrelazamiento que implicanMpares independientes de qubits en una cadena deN>2Miones conNmodos de movimientom,se aplica una fuerza dependiente del estado del qubit con forma a los iones implicados mediante el uso de notas de latido bicromáticas en W<0>± y, dando como resultado el operador de evolución:

dóndetes el tiempo de compuerta. El primer operador describe los desplazamientos dependientes del estado de cada modoken el espacio de fase, con

y valor de desplazamiento acumulado

Aquí a/c yákson los operadores de subida y bajada del modok, r\¡,kes el parámetro de Lamb-Dicke que acopla el qubitial modok,y Q,(t) es la frecuencia Rabi del ionith,proporcional a la intensidad láser modulada en amplitud que incide sobre el ion. En algunas realizaciones, la frecuencia o la modulación de fase de los pulsos láser pueden usarse en relación con o alternativamente a la modulación de amplitud. El segundo operador de la ecuación (1) entrelaza qubitsiyjy está dado por

Al final de la operación de compuerta, los valores de desplazamiento acumulados2MNen la Ecuación (3) para los 2M iones implicados y los modosNdeben desvanecerse para que todas las trayectorias de los modos se cierren en el espacio de fase y no haya entrelazamiento residual qubit-movimiento. Para cada uno de losMpares entrelazados deseados se requeriríanx= tt/4para un entrelazamiento máximo (u otros valores distintos de cero para un

entrelazamiento parcial), y para los otros pares entrelazados de qubits,x= 0. Esto produce un total de restricciones para diseñar secuencias de pulsos apropiadas Q,(t) para implementar elMcompuertas entrelazadas paralelas. Para proporcionar un control óptimo durante la entrada y cumplir con estas limitaciones, dividimos el pulso del láser en ionesien S segmentos de igual duración<t>/S, y variar la amplitud en cada segmento como variable independiente. Para implementar compuertas XX independientes, se implementan señales independientes en los pares de ionesMque deben entrelazarse, las cuales son necesarias para proporcionar el control suficiente para entrelazar simultáneamente sólo los pares de iones deseados.

Mientras que las restricciones de modo de movimiento2MN(véase, por ejemplo, la ecuación (3)) son lineales, las(2 M )restricciones de entrelazado (véase, por ejemplo, la ecuación (4)) son cuadráticas. Encontrar soluciones de pulso a este programa cuadrático cuadráticamente restringido no convexo (QCQP) es un problema NP-difícil en el caso general. Dado que los enfoques analíticos son intratables, pueden usarse técnicas de optimización para encontrar soluciones que se ajusten lo mejor posible a las restricciones. La configuración del problema de restricciones y la derivación de la fidelidad de operaciones simultáneas de la compuerta XX es una función de los parámetros de control anteriores.

Como se describió anteriormente, una implementación ilustrativa de compuertas paralelas es aquella que se puede implementar para dos (2) pares de iones independientes en una cadena de 5 iones. En un enfoque, el esquema de optimización usó la función de optimización multivariable sin restricciones incorporada de MATLAB "fminunc", donde la función objetivo incluía las restricciones anteriores sobre los parámetros a y x, así como también un término para minimizar la energía. Las secuencias pueden calcularse para un tiempo de compuerta deTcompuerta= 250 ys, que es comparable a las compuertas multi-qubit XX estándar ya usadas en otros experimentos similares, y para un intervalo de detunings y. Este enfoque puede generar una selección de soluciones, que pueden probarse en una configuración experimental, donde se puede elegir la solución que genera la compuerta de mayor calidad mediante el uso de la menor cantidad de energía.

El montaje experimental se realiza en una cadena lineal de cinco iones 171Yb+ atrapados que se enfrían con láser hasta cerca de su estado básico. Los qubits se designan como |0> = |F =0; mF= 0} y |1>. = |F =1; mF= 0} estados electrónicos de desdoblamiento hiperfino del colector 2S<i /2>del ion, que son estados de reloj de primer orden insensibles al campo magnético con un desdoblamiento de 12,642821GHz.Las operaciones coherentes se realizan mediante haces Raman contra propagados desde un único láser de 355nmbloqueado en modo. El primer haz Raman es un haz global aplicado a toda la cadena, mientras que el segundo se divide en haces de direccionamiento individuales para apuntar a cada qubit de iones. Adicionalmente, un generador de forma de ondas arbitrarias (AWG) multicanal proporciona señales de control de RF independientes al haz de direccionamiento individual de cada ion, proporcionando los controles individuales de fase, frecuencia y amplitud necesarios para ejecutar operaciones multiqubit independientes en paralelo. Es decir, cada ion se direcciona individualmente mediante el uso de un haz de direccionamiento para ese ion, y las características de ese haz de direccionamiento (por ejemplo, fase, frecuencia, amplitud) se controlan para proporcionar la secuencia de impulsos adecuada para ese ion. Los qubits se inicializan en el estado |0> mediante el uso de bombeo óptico y se leen en canales separados de una serie de tubos fotomultiplicadores (PMT) multicanal mediante fluorescencia dependiente del estado.

De los cinco iones 171Yb+ atrapados, se encontraron compuertas experimentales para 6 combinaciones de pares de iones: (1,4) y (2,5); (1,2) y (3,4); (1,5) y (2,4); (1,4) y (2,3); (1,3) y (2,5); (1,2) y (4,5). Las Figuras 2A y 2B muestran en los diagramas 200a y 200b, respectivamente, la secuencia de pulsos aplicada a cada par entrelazado para construir un conjunto de compuertas multi-qubit paralelas en los iones (1,4) y (2,5), así como también las trayectorias. en el espacio de fase de cada interacción de par de modos. Los 5 modos de movimiento transversal en esta cadena de 5 iones tienen frecuencias de banda lateralVx= {3,045, 3,027, 3,005, 2,978, 2,946}MHz,donde el modo 1 es el modo común de 3,045MHz.El espacio de fase(P, X)las trayectorias (a la derecha de las secuencias de pulsos) muestran que las interacciones de modo más cercanas a la desafinación seleccionada exhiben el mayor desplazamiento y contribuyen más al entrelazamiento final de espín-espín al encerrar más espacio de fase.

Los pulsos de amplitud negativa se implementan invirtiendo la fase de la señal de control. Esta capacidad es útil, ya que cambiar la fase de la señal de control permite que los pares entrelazados continúen acumulando entrelazamiento mientras cancelan el entrelazamiento acumulado con pares de diafonía. Con ese fin, la suposición inicial usada para las compuertas en el protocolo de optimización fue que un par tendría una forma de amplitud positiva, mientras que el otro par vería amplitudes positivas para la primera mitad y amplitudes negativas para la segunda mitad de la compuerta. Las formas de pulso en las Figuras 2A y 2B proporcionan un buen ejemplo de esto. Otras soluciones de pulso (es decir, otras formas de pulso y trayectorias de espacio de fase) pueden presentar patrones similares con algún tipo de simetría, amplitudes de segmento crecientes y decrecientes, e inversiones de fase en un par para anular el entrelazamiento por diafonía.

Además, con respecto a las Figuras 2A y 2B, las soluciones de la forma del pulso y las trayectorias del espacio de fase teórico mostradas son para compuertas XX paralelas en iones (1,4) y (2,5), con tiempo de compuerta 250 ys, desintonía = 2,962MHz,y fidelidad teórica 99,63 %. Como se mencionó anteriormente, estas figuras ilustran la secuencia de pulsos que se genera y aplica a cada par entrelazado para construir la compuerta respectiva, mostrando la frecuencia Rabi relativa durante cada segmento de la compuerta. Los segmentos negativos tienen una fase invertida. Estas figuras también ilustran las trayectorias en el espacio de fase de cada interacción modo-ion, trazandoa¡,ksobre el curso de la compuerta. Los iones que ven la misma forma de pulso tienen trayectorias iónicas en modo simétrico. Las trayectorias del espacio de fase comienzan en un círculo abierto y siguen el camino hasta el final. Los gráficos tienen ejes del mismo tamaño, por lo que se muestra el acoplamiento relativo de cada modo. En esta descripción, se describen los resultados experimentales de la implementación de compuertas de entrelazado multi-qubit paralelas en varias selecciones de pares de iones. Las fidelidades se calculan realizando las compuertas paralelas seguidas de un pulso de análisis y luego mediante el uso de la paridad calculada con los resultados de las compuertas paralelas desnudas para determinar la fidelidad. Los pulsos de análisis son rotaciones que usan el pulso compuesto SK1 para mayor robustez contra errores en el ángulo de rotación. Para los cuatro iones involucrados en cada operación (por ejemplo, dos iones para las dos compuertas multi-qubit paralelas), el análisis de paridad se puede realizar para los 6 pares posibles dentro del conjunto, lo que permite el análisis de los dos pares de iones entrelazados, así como también los 4 pares de diafonía. Las curvas de paridad se muestran en los diagramas 300a y 300b en las Figuras 3A y 3B, respectivamente. Las fidelidades de la compuerta de entrelazamiento estaban típicamente entre el 96-99 %, con una diafonía de un pequeño por ciento.

Además, con respecto a las Figuras 3A y 3B, curvas de paridad y fidelidades para compuertas XX paralelas en dos conjuntos de iones de ejemplo (por ejemplo, conjunto (1,4) y (2,5), y conjunto (1,4) y (2,3) se describen. En el diagrama 300a en la Figura 3A, el conjunto que incluye los iones (1,4) y (2,5) produce fidelidades del 96,5(4) % y del 97,8(3) % en los respectivos pares entrelazados, con un error de diafonía promedio de 3,6(3) % y corregido por un 3 % de errores de preparación y medición del estado (SPAM). En el diagrama 300b en la Figura 3B, el conjunto que incluye los iones (1,4) y (2,3) arroja fidelidades del 98,8(3) % y 99,0(3) % en los respectivos pares enredados, con un error de diafonía promedio del 1,4(3) % y corregido para errores SPAM <1 %. Estas figuras muestran tanto puntos de datos individuales como líneas de ajuste para esos puntos de datos. Por ejemplo, en el diagrama 300a en la Figura 3A los puntos de datos/línea de ajuste para (1,4) ("14 datos/ajuste) y para (2,5) ("25 datos/ajuste) muestran la paridad más alta, y en el En el diagrama 300b de la Figura 3B, los puntos de datos/línea de ajuste para (1,4) ("14 datos/ajuste) y para (2,3) ("23 datos/ajuste) muestran la paridad más alta.

Los errores dados descritos anteriormente son estadísticos. Los datos han sido corregidos por errores de SPAM. Los errores de diafonía se encontraron ajustando el escaneo de paridad de pares de diafonía a una curva sinusoidal como si fuera un fracaso de paridad normal, calculando su fidelidad como una compuerta de entrelazado y restando la fidelidad de base del 25 % que representa una mezcla estadística completa. Cualquier fidelidad anterior que represente una correlación o una pequeña cantidad de entrelazamiento se considera un error para estos propósitos. Todas las fidelidades de diafonía para todos los pares estuvieron cercanas al 25 %, lo que indica que ningún par de diafonía tenía un entrelazamiento verificable.

Como ejemplo de aplicación de una operación paralela útil para códigos de corrección de errores, se puede realizar un par de compuertas CNOT en paralelo en dos pares de iones. La secuencia de compuertas CNOT (por ejemplo, una versión compilada con compuertas R y XX) se ejecutó simultáneamente en el par (1,4), con el ion 1 actuando como control y el ion 4 actuando como blanco, y en el par (2, 3), con el ion 2 actuando como control y el ion 3 actuando como blanco. Cada operación constituyente en la compuerta compuesta se realiza en paralelo, con cada rotación (por ejemplo, R) realizada al mismo tiempo que la rotación correspondiente en el otro par, y las dos compuertas XX realizadas mediante el uso de compuertas XX paralelas en pares de iones (1, 4) y (2, 3). Se realizaron compuertas CNOT simultáneas para cada una de las 16 posibles entradas bit a bit, y los datos de población para las 16 posibles salidas bit a bit se muestran en un diagrama 400 en la Figura 4 con una fidelidad de proceso promedio del 94,5 (2) % y corregidos para errores promedio de SPAM del 5 %.

Además de los ejemplos presentados anteriormente, técnicas similares pueden resultar útiles en otros tipos de circuitos o simulaciones cuánticas. Por ejemplo, en la informática clásica moderna, un sumador completo es un circuito básico que se puede conectar en cascada para sumar números de muchos bits y se puede encontrar en procesadores como componentes de unidades aritméticas lógicas (ALU) y que realizan operaciones de bajo nivel como registros informáticos. direcciones. El sumador cuántico completo requiere cuatro (4) qubits, los primeros tres (3) para las entradas x,y,y el bit de acarreoCentrada,y el cuarto un qubit inicializado a |0>. Las cuatro salidas constan de la primera entrada, x, que simplemente se realiza; y', que lleva x ©y(Se puede agregar un CNOT adicional para extraerySi es deseado); y la suma S y la salida se llevanCsaiida,que juntos comprenden el resultado de 2 bits de sumar x,y,yCentrada,dóndeCsaiidaes el bit más significativo y, por tanto, se convierte en el bit de acarreo para el siguiente sumador de la cascada, y S es el bit menos significativo. La suma también puede escribirse como S = x ©y©Centraday el acarreo de salida comoCsaiida=(x-y)©(Centrada- (x © y)). Feynman diseñó por primera vez un circuito de este tipo mediante el uso de compuertas CNOT y Toffoli, mostradas en el diagrama 500a en la Figura 5A, que requeriría doce (12) compuertas XX para implementarse en un ordenador cuántico de trampa de iones. Se ha descrito un circuito más eficiente que requiere a lo máximo seis (6) interacciones multi-qubit. Tiene además la ventaja de reducirse a una profundidad de compuerta de 4 si se dispone de operaciones multi-qubit simultáneas, como se muestra en los contornos discontinuos de un diagrama 500b en la Figura 5B.

Otra implementación del sumador completo mediante el uso de 2 configuraciones diferentes de compuertas XX paralelas, así como también las rotaciones y compuertas XX adicionales mostradas en un diagrama 700 en la Figura 7. Esta implementación puede lograrse tomando una representación del sumador completo en el diagrama 500b en la Figura 5B y combinando compuertas CNOT, C(V) y C(Vf) y optimizando aún más las rotaciones. Las compuertas paralelas requieren diferentes cantidades de entrelazamiento, lo que equivale a implementar una compuerta de

entrelazado total<XX (>W—)y de entrelazado parcial<XX (>VeV una compuerta en paralelo. Esto se implemento experimentalmente ajustando de independientemente la energía óptica suministrada a cada compuerta. Las entradas x,y, Centrada,y |0> se asignaron a los qubits (1, 2, 4, 5) respectivamente. Un diagrama 600 en la Figura 6 muestra los datos resultantes de la implementación de este algoritmo, con las 8 posibles entradas bit a bit en los 3 qubits de entrada, y mostrando las poblaciones en las 16 posibles salidas bit a bit en los 4 qubits usados. Los datos arrojaron una fidelidad de proceso promedio del 83,3(3) % y se corrigieron para errores promedio de SPAM del 3 %.

En relación con los ejemplos descritos en la presente descripción, el cálculo o la medición de la fidelidad de71una compuerta de entrelazado multi-qubit XX(x) puede realizarse escaneando la fasecpde una compuerta global.<2>de rotación aplicada después de realizar la compuerta XX y calcular la paridad en cada punto del escaneo. Además, las compuertas paralelas pueden calibrarse independientemente entre sí ajustando un factor de escala que controla la energía global en la compuerta sin modificar la forma del pulso. Ajustar un factor de escala que controla la energía de un solo ion solo afecta a la compuerta en la que participa modificando la cantidad total de entrelazamiento, sin ningún efecto negativo aparente sobre la calidad de la compuerta. Además, dado que las compuertas XX en el esquema de paralelización tienen calibración independiente, los parámetrosxde las dos compuertas XX pueden ser independientes. El parámetro continuamente variable x se relaciona directamente con la cantidad de entrelazamiento generado entre los dos qubits, y este parámetro se puede ajustar en el experimento o en las implementaciones escalando la energía de la compuerta general. En consecuencia, es posible implementar simultáneamente las dos compuertas XX con diferentes grados de entrelazamiento, como se describió anteriormente, lo que puede resultar útil en algunas aplicaciones.

Se pueden lograr compuertas multi-qubit más rápidas con más energía óptica, pero esta aceleración se limita por la resolución de banda lateral, una limitación que empeora a medida que crece el tamaño del procesador debido al hacinamiento espectral. Las operaciones paralelas de multi-qubit son una herramienta para acelerar el cálculo que evita este problema. En relación con los requisitos de energía óptica, mientras que el tiempo de compuertaTcompuerta= 250¡jspara ejecutar 2 compuertas<x>X en paralelo es comparable al de una sola compuerta XX (y, en consecuencia, la mitad del tiempo que se tardaría en ejecutar dos compuertas XX en serie), el esquema de compuertas en paralelo requiere algo más de potencia óptica. La frecuencia de Rabí Q es proporcional a la raíz

cuadrada de la intensidad del haz I, n a a/ V i _ dondeloy</1>son las intensidades de los haces individuales y globales. Por lo tanto, podemos calcular la relaciónR\| de la energía para una compuerta ejecutada en paralelo con la energía necesaria para una sola compuerta XX en los mismos iones que

Dado que la intensidad es energía por unidad de área y el tamaño del haz no varía, esto se cancela. En la Tabla I se muestran las relaciones de energía de cada compuerta. Aunque algunas compuertas requieren bastante más energía (por ejemplo, una solución para (1,2), (3,4) que sea a la vez de alta calidad y de baja energía es un reto), la mayoría de las compuertas realizadas en paralelo requieren alrededor de dos a cuatro veces más energía que sus homólogas realizadas individualmente. Sin embargo, una contabilidad completa de los requisitos de energía en este experimento también debe tener en cuenta la energía desperdiciada por los haces no usados, y el tiempo total necesario para realizar operaciones equivalentes haces encendidos en todo momento y se vierten después de la AOM cuando no están en uso, cualquier ion no iluminado corresponde a un haz individual desperdiciando energía. Ejecutar 2 compuertas XX en paralelo requiereTcompuerta= 250j sy usa haces cada uno con energía P para iluminar 4 iones, pero realizar esas mismas 2 compuertas en serie mediante el uso de compuertas XX independientes requiere tiempo2Tcompuertay usa 4 haces cada uno con energía P/4 a P/2 para iluminar 2 iones, desperdiciando 2 haces. De este modo, se puede elegir entre usar el doble de energía (o más) en la mitad de tiempo o la mitad de energía en el doble de tiempo, el resultado en dependencia de la compuerta en cuestión. Por lo tanto, las compuertas paralelas son muy útiles cuando se dispone de energía láser y los beneficios del paralelismo son mayores que el tiempo.

_______ _______

Tabla I. Para cada par de compuertas XX paralelas implementadas, comparación de la energía necesaria para realizar cada componente XX con su correspondiente compuerta multi-qubit XX independiente calculando la energía

R| |.

El esquema de control presentado aquí para compuertas paralelas de entrelazamiento multi-qubit en iones también sugiere un método para realizar el entrelazamiento multi-qubit en una sola operación. De particular interés es la creación de estados Greenberger-Home-Zeilinger (GHZ). El estado GHZ es un cierto tipo de estado cuántico entrelazado que involucra al menos tres subsistemas (partículas). Es decir, los estados GHZ son una clase de estados multi-qubit no biseparables y entrelazados al máximo.

El mismo enfoque de optimización para producir formas de pulso para compuertas de entrelazado multi-qubit paralelas puede usarse para crear estados GHZ cuando se aplica a los iones. Sin embargo, a diferencia de las compuertas paralelas, puede ser necesario permitir formas de pulso independientes en los 4 iones, en lugar de buscar soluciones por pares; esto proporcionará más parámetros libres. Los desafíos adicionales pueden incluir encontrar técnicas de calibración efectivas al implementar dichas compuertas en el experimento, ya que habrá 6 interacciones que deberán tener la misma resistencia, pero solo 4 señales de control. El enfoque actual de calibrar una compuerta multi-qubit ajustando la energía global para la forma de pulso aplicada por la señal de control puede tener una aplicabilidad limitada a los estados GHZ y pueden ser necesarias técnicas que impliquen más grados de libertad, como el ajuste independientemente de la energía para diferentes segmentos de la forma de pulso en cada ion.

Los beneficios de implementar estados GHZ con menos compuertas serían significativos, ya que reducirían sustancialmente la profundidad del circuito de varios algoritmos importantes. Aunque ya se ha descrito el uso de modos axiales para estados multi-qubit GHZ, el esquema descrito en la presente descripción representa un nuevo método para usar con interacciones de modo radial. Con solo compuertas multi-qubit disponibles, la construcción de un estado GHZ de tamañoNrequiere puertas multi-qubitO(N).Sin embargo, con compuertas multi-qubit paralelas disponibles, la profundidad de compuerta necesaria para construir un estado GHZ se reduce aO(log(N)). Esto se puede lograr con un algoritmo de árbol binario dividiendo todos los qubits en pares y entrelazando esos pares en paralelo, luego entrelazando pares de estos pares, y así sucesivamente hasta que todos estén entrelazados. Un estado GHZ de operación única reduciría la profundidad de este circuito a la unidad. La construcción del estado GHZ de operación única mejorará en gran medida la eficiencia de varios algoritmos. Por ejemplo, los circuitos

estabilizadores arbitrarios requieren vfo^Ov)/ compuertas CNOT, pero podrían implementarse enO(N)puertas con circuitos de estado GHZ de operación única. La creación de estados GHZ de operación única también beneficiará a aplicaciones como el intercambio de secretos cuánticos, las compuertas Toffoli-N, la transformada cuántica de Fourier y los circuitos sumadores cuánticos de Fourier.

Otro aspecto de esta divulgación es la escalabilidad de las técnicas descritas en la presente descripción. Por ejemplo, la perspectiva de escala en compuertas simultáneas es polinómica o mejor en el número de restricciones a considerar al calcular soluciones óptimas. Dos compuertas XX paralelas en una cadena deNiones requiere 4N 6 ~ O(N) restricciones, por lo que el crecimiento del problema es lineal enN.Enredar más pares a la vez crece cuadráticamente: enredarMpares implica las interacciones de 2M iones, lo que hace que el número de interacciones espín-espín que debemos controlar sea.

y el número de interacciones espín-movimiento será el número de iones multiplicado por el número de modos, 2MN. Escalando tanto el número de pares enredadosMcomo el número de ionesNen la cadena se obtiene, por tanto, una velocidad total de crecimiento del problema de

2MN<+ 2>M 2 - M<->0(_M2 MN).(7)

En cadenas muy largas, no todas las conexiones ion-ion estarán directamente disponibles, lo que reduce el número de restricciones cuadráticas en los pares de diafonía que deben considerarse, lo que indica que este es un límite superior en la escala.

Es posible que se necesiten aumentos en la fidelidad de la solución para mejorar las técnicas descritas en la presente descripción. La reducción de las restricciones sobre la energía necesaria puede permitir el cálculo de soluciones de mayor fidelidad, aunque el aumento de la energía en el experimento puede exacerbar los errores debidos al ruido del haz Raman. Una mejora puede consistir en determinar si las matrices de restricciones basadas en amplitudes de segmentos para los pares de entrelazados pueden modificarse para que sean semidefinidas positivas o negativas, ya que los QCQp convexos se resuelven fácilmente mediante el uso de técnicas de programación semidefinida y podrían permitir soluciones de mayor fidelidad. Sin embargo, todos estos problemas son de gastos generales. Una vez que se implementa una solución de compuerta de alta calidad en el experimento, no se necesitan más cálculos y es posible que solo se requiera una única calibración para compensar las derivas de frecuencia de Rabi.

Con referencia ahora a la Figura 8, se ilustra un dispositivo informático de ejemplo 800 de acuerdo con aspectos de la descripción. El dispositivo informático 800 puede representar un único dispositivo informático, múltiples dispositivos informáticos o un sistema informático distribuido, por ejemplo. El dispositivo informático 800 puede configurarse como un ordenador cuántico, un ordenador clásico o una combinación de funciones informáticas cuánticas y clásicas. Por ejemplo, el dispositivo informático 800 puede usarse para procesar información para generar o implementar las diversas técnicas descritas en la presente descripción para permitir operaciones multiqubit paralelas en diferentes circuitos cuánticos, algoritmos, experimentos o simulaciones, y cualquier característica relacionada incluyendo, por ejemplo, la realización de entrelazamiento multi-qubit en una sola operación (por ejemplo, estados GHZ). El dispositivo informático 800 puede usarse como un ordenador cuántico o un sistema QIP tal como, entre otros, un ordenador o sistema cuántico de iones atrapados. Un ejemplo genérico de sistema QIP que puede usarse para implementar aspectos del dispositivo informático 800 se ilustra en un ejemplo mostrado en la Figura 10.

En un ejemplo, el dispositivo informático 800 puede incluir un procesador 810 para llevar a cabo funciones de procesamiento asociadas con una o más de las características descritas en la presente descripción. Por ejemplo, el procesador 810 puede usarse para controlar las operaciones del dispositivo informático 800 para implementar, realizar y/o ejecutar operaciones multi-qubit paralelas en diferentes circuitos cuánticos, algoritmos, experimentos o simulaciones, y cualquier característica relacionada incluyendo, por ejemplo, la realización de entrelazamiento multiqubit en una sola operación (por ejemplo, estados GHZ). El procesador 810 puede incluir un conjunto único o múltiple de procesadores o procesadores de múltiples núcleos. Además, el procesador 810 puede implementarse como un sistema de procesamiento integrado y/o un sistema de procesamiento distribuido. El procesador 810 puede incluir una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento cuántico (QPU), una unidad de procesamiento de gráficos (GPU) o una combinación de esos tipos de procesadores.

En un ejemplo, el dispositivo informático 800 puede incluir una memoria 820 para almacenar instrucciones ejecutables por el procesador 810 para llevar a cabo las funciones descritas en la presente descripción. En una implementación, por ejemplo, la memoria 820 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 la presente descripción. En un ejemplo, la memoria 820 puede incluir instrucciones para realizar aspectos de un método 900 descrito más abajo en relación con la Figura 9. En un ejemplo, la memoria 820 puede usarse para almacenar información sobre las secuencias de pulsos que se usarán para generar diferentes conjuntos de compuertas multi-qubit paralelas.

Además, el dispositivo informático 800 puede incluir un componente de comunicaciones 830 que proporciona establecer y mantener comunicaciones con una o más partes usando hardware, software y servicios como se describe en la presente descripción. El componente de comunicaciones 830 puede transportar comunicaciones entre componentes en el dispositivo informático 800, así como también entre el dispositivo informático 800 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 800. Por ejemplo, el componente de comunicaciones 830 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 interconectarse con dispositivos externos.

Adicionalmente, el dispositivo informático 800 puede incluir un almacén de datos 840, 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 en la presente descripción. Por ejemplo, el almacén de datos 840 puede ser un depósito de datos para el sistema operativo 860 (por ejemplo, sistema operativo clásico u sistema operativo cuántico). En una implementación, el almacén de datos 840 puede incluir la memoria 820.

El dispositivo informático 800 también puede incluir un componente de interfaz del usuario 850 que puede funcionar para recibir entradas de un usuario del dispositivo informático 800 y que además puede funcionar para generar salidas para presentarlas al usuario o para proporcionarlas a un sistema diferente (directa o indirectamente). El componente de interfaz del usuario 850 puede incluir uno o más dispositivos de entrada, incluyendo, pero no limitado a 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 del usuario 850 puede incluir uno o más dispositivos de salida, que incluyen, entre otros, una pantalla, un altavoz, un mecanismo de retroalimentación háptica, una impresora, cualquier otro mecanismo capaz de presentar una salida a un usuario, o sus combinaciones.

En una implementación, el componente de interfaz del usuario 850 puede transmitir y/o recibir mensajes correspondientes al funcionamiento del sistema operativo 860. Además, el procesador 810 puede ejecutar el sistema operativo 860 y/o aplicaciones o programas (por ejemplo, programas, algoritmos, simulaciones, experimentos que usan compuertas cuánticas), y la memoria 820 o el almacén de datos 840 pueden almacenarlos.

Cuando el dispositivo informático 800 se implementa como parte de una solución de infraestructura basada en la nube, el componente de interfaz del usuario 850 puede usarse para permitir que un usuario de la solución de infraestructura basada en la nube interactúe de forma remota con el dispositivo informático 800.

La Figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra un método 900 para realizar operaciones cuánticas en un sistema cuántico de iones atrapados. En un aspecto, el método 900 se puede realizar en un sistema cuántico de iones atrapados tal como el dispositivo informático 800 descrito anteriormente, donde, por ejemplo, el procesador 810, la memoria 820, el almacén de datos 840 y/o el sistema operativo 860 puede usarse para realizar las funciones del método 900. El sistema cuántico de iones atrapados para realizar el método 900 también puede ser un sistema QIP como el que se describe más abajo en relación con la Figura 10.

En 910, el método 900 incluye implementar al menos dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, siendo cada una de las al menos dos compuertas paralelas una compuerta multi-qubit, implementándose cada una de las al menos dos compuertas paralelas mediante el uso de un par diferente de iones de múltiples iones en una trampa de iones, y los múltiples iones incluyen cuatro o más iones.

En 920, el método 900 incluye realizar simultáneamente operaciones en las al menos dos compuertas paralelas como parte de las operaciones cuánticas.

En el método 900, las al menos dos compuertas paralelas incluyen una primera compuerta y una segunda compuerta, la primera compuerta se implementa mediante el uso de un primer par de iones de los múltiples iones y la segunda compuerta se implementa mediante el uso de un segundo par de iones de los múltiples iones, el primer par de iones y el segundo par de iones son pares entrelazados, y cualquier par de iones restantes de los múltiples iones en la trampa de iones no son pares entrelazados. Los iones del primer par de iones se ubican en dos posiciones cualesquiera de la trampa de iones, y los iones del segundo par de iones están ubicados en dos de las posiciones restantes cualesquiera de la trampa de iones.

El método 900, la implementación de al menos dos compuertas paralelas del circuito cuántico incluye la generación de secuencias de pulsos ópticos que se aplican al primer par de iones para construir la primera compuerta y al segundo par de iones para construir la segunda compuerta en paralelo con la primera compuerta. Además, la generación de secuencias de impulsos ópticos incluye recuperar información almacenada para generar las secuencias de impulsos ópticos para construir la primera compuerta mediante el uso del primer par de iones y la segunda compuerta mediante el uso del segundo par de iones. Adicionalmente, la generación de las secuencias de pulsos ópticos incluye: generar una primera secuencia de pulsos para construir la primera compuerta, la primera secuencia de pulsos tiene múltiples segmentos para la primera compuerta, cada segmento de la primera secuencia de pulsos corresponde a una frecuencia relativa durante ese segmento de la primera compuerta, y los segmentos de la primera secuencia de pulsos son de igual duración; y generar una segunda secuencia de pulsos para construir la segunda compuerta, la segunda secuencia de pulsos tiene múltiples segmentos para la segunda compuerta, cada segmento de la segunda secuencia de pulsos corresponde a una frecuencia relativa durante ese segmento de la segunda compuerta, y los segmentos de la segunda secuencia de pulsos son de igual duración.

En otro aspecto del método 900, las al menos dos compuertas paralelas son ambas compuertas XX.

En otro aspecto del método 900, las al menos dos compuertas paralelas son ambas compuertas CNOT.

En otro aspecto del método 900, las al menos dos compuertas paralelas tienen diferentes cantidades de entrelazamiento. Por ejemplo, las al menos dos compuertas paralelas incluyen una primera compuerta y una segunda compuerta, y la primera compuerta es una compuerta de entrelazado total y la segunda compuerta es una compuerta de entrelazado parcial. En otro ejemplo, las al menos dos compuertas paralelas incluyen una compuerta de entrelazado total V4)y de entrelazado parcial una compuerta

En otro aspecto del método 900, el circuito cuántico puede ser cualquiera de los diversos circuitos cuánticos o simulaciones descritos en la presente descripción, incluido, por ejemplo, un circuito sumador cuántico completo. El método 900, las al menos dos compuertas paralelas incluyen una primera compuerta 2-qubit y una segunda compuerta 2-qubit, la primera compuerta se implementa mediante el uso de un primer par de iones de los múltiples iones en la trampa de iones y la segunda compuerta se implementa mediante el uso de un segundo par de iones de los múltiples iones en la trampa de iones, el primer par de iones y el segundo par de iones son pares enredados, y cualquier par restante de iones de múltiples iones en la trampa de iones no son pares enredados. Los iones del primer par de iones pueden situarse en dos posiciones cualesquiera de la trampa de iones, y los iones del segundo par de iones pueden situarse en dos posiciones cualesquiera de las restantes de la trampa de iones.

Debe entenderse que el método 900 puede aplicarse a múltiples compuertas paralelas, donde cada compuerta es una compuerta de multi-qubit. Por ejemplo, pueden implementarse dos o más compuertas paralelas (por ejemplo, 2 compuertas paralelas, 3 compuertas paralelas, 4 compuertas paralelas, etc.) donde cada una de las compuertas paralelas es una compuerta multi-qubit (por ejemplo, compuertas 2-qubit, compuertas 3-qubit, compuertas 4-qubit, etc.).

También debe entenderse que los aspectos descritos anteriormente en relación con el método 900 pueden combinarse de manera que dos o más de esos aspectos representen una implementación diferente soportado por esta divulgación. Por ejemplo, se pueden combinar dos o más aspectos del método 900 para producir una modalidad asociada con el método 900.

La Figura 10 es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de sistema QIP. El sistema QIP 1000 también puede denominarse sistema de computación cuántica, dispositivo informático o similar. En un aspecto, el sistema QIP 1000 puede corresponder a una porción de una implementación de ordenador cuántico del dispositivo informático 800 en la Figura 8.

El sistema QIP 1000 puede incluir una fuente 1060 que proporciona especies atómicas a una cámara 1050 que tiene una trampa de iones 1070 que atrapa las especies atómicas una vez ionizadas por un controlador óptico 1020. La cámara 1050 puede corresponder a la cámara de vacío 100 descrita anteriormente en relación con la Figura 1, mientras que la trampa de iones 1070 puede usarse para contener una cadena de iones tal como la cadena o cristal lineal 110 también descrito anteriormente en relación con la Figura 1. Las fuentes ópticas 1030 en el controlador óptico 1020 pueden incluir una o más fuentes láser que pueden usarse para la ionización de las especies atómicas, el control (por ejemplo, el control de fase) de los iones atómicos, para la fluorescencia de los iones atómicos que pueden monitorizarse y rastreados por algoritmos de procesamiento de imágenes que operan en un sistema de obtención de imágenes 1040 en el controlador óptico 1020, y para generar secuencias de pulsos ópticos que se usan para habilitar compuertas multi-qubit paralelas y operaciones relacionadas. El sistema de obtención de imágenes 1040 puede incluir un generador de imágenes de alta resolución (por ejemplo, una cámara CCD) para monitorizar los iones atómicos mientras se suministran a la trampa de iones 1070 (por ejemplo, para su recuento) o después de que se hayan suministrado a la trampa de iones 1070 (por ejemplo, para monitorizar los estados de los iones atómicos). En un aspecto, el sistema de obtención de imágenes 1040 puede implementarse separado del controlador óptico 1020, sin embargo, usar fluorescencia para detectar, identificar y etiquetar iones atómicos mediante el uso de algoritmos de procesamiento de imágenes puede necesitar coordinarse con el controlador óptico 1020.

El sistema QIP 1000 también puede incluir un componente de algoritmos 1010 que puede operar con otras partes del sistema QIP 1000 (no mostrado) para implementar, realizar y/o ejecutar operaciones cuánticas, incluidos circuitos cuánticos, algoritmos cuánticos y simulaciones cuánticas como se describió anteriormente. Como tal, el componente de algoritmos 1010 puede proporcionar instrucciones a varios componentes del sistema QIP 1000 (por ejemplo, al controlador óptico 1020) para permitir la implementación, rendimiento y/o ejecución de las operaciones cuánticas, y específicamente, para operaciones cuánticas que involucran compuertas paralelas de multi-qubit y operaciones relacionadas.

En un ejemplo del sistema QIP 1000, que también puede denominarse sistema cuántico de iones atrapados, el componente de algoritmos 1010 se configura para implementar al menos dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, cada una de las al menos dos compuertas paralelas es una compuerta multi-qubit, cada una de las al menos dos compuertas paralelas se implementa mediante el uso de un par diferente de iones de iones múltiples en la trampa de iones 1070, y los iones múltiples incluyen cuatro o más iones. En la trampa de iones 1070, las operaciones en al menos dos compuertas paralelas se realizan simultáneamente como parte de las operaciones cuánticas.

Además, el componente de algoritmos 1010 se configura, además, para proporcionar instrucciones al controlador óptico 1020 para que el controlador óptico 1020 genere, basándose en las instrucciones, secuencias de pulsos ópticos que se aplican a los diferentes pares de iones para construir al menos dos compuertas paralelas. El controlador óptico 1020 se configura, además, para recuperar, basándose en las instrucciones, información almacenada para generar las secuencias de pulsos ópticos. El controlador óptico 1020 se configura para generar una primera secuencia de pulsos para construir una primera compuerta de las al menos dos compuertas paralelas, la primera secuencia de pulsos tiene múltiples segmentos para la primera compuerta, cada segmento de la primera secuencia de pulsos corresponde a una frecuencia relativa durante ese segmento de la primera compuerta, y los segmentos de la primera secuencia de pulsos son de igual duración; y para generar una segunda secuencia de pulso para construir una segunda compuerta de las por lo menos dos compuertas paralelas, la segunda secuencia de pulso tiene segmentos múltiples para la segunda compuerta, cada segmento de la segunda secuencia de pulso corresponde a una frecuencia relativa durante ese segmento de la segunda compuerta, y los segmentos de la segunda secuencia de pulso son de igual duración.

Debe entenderse que los ejemplos relacionados con el sistema QIP 1000 se proporcionan a modo de ilustración y no de limitación. Las características o funciones de un componente o subcomponente del sistema QIP 1000 se pueden combinar con otros componentes o subcomponentes en diferentes implementaciones o modalidades. De forma adicional, las características o funciones detalladas soportadas por el sistema QIP 1000 no asociadas expresamente con un componente o subcomponente particular pueden realizarse por uno de los componentes o subcomponentes existentes, según corresponda. Por ejemplo, los aspectos relacionados con los controles de selección, implementación y ejecución del circuito cuántico y de la compuerta pueden asociarse con el componente de algoritmos 1010, los aspectos relacionados con las operaciones ópticas pueden asociarse con el controlador óptico 1020, y los aspectos relacionados con la interacción con los iones atrapados pueden asociarse con la trampa de iones 1070.

Debe entenderse que el sistema QIP 1000 puede aplicarse a múltiples compuertas paralelas, donde cada compuerta es una compuerta de multi-qubit. Por ejemplo, pueden implementarse dos o más compuertas paralelas (por ejemplo, 2 compuertas paralelas, 3 compuertas paralelas, 4 compuertas paralelas, etc.) donde cada una de las compuertas paralelas es una compuerta multi-qubit (por ejemplo, compuertas 2-qubit, compuertas 3-qubit, compuertas 4-qubit, etc.).

También debe entenderse que los aspectos descritos anteriormente en relación con el sistema QIP 1000 pueden combinarse de manera que dos o más de esos aspectos representen una implementación diferente soportado por esta descripción. Por ejemplo, dos o más aspectos del sistema QIP 1000 pueden combinarse para producir una modalidad asociada al sistema QIP 1000.

Aunque la presente descripción se ha proporcionado de acuerdo con las implementaciones mostradas, un experto en la técnica reconocerá fácilmente que podría haber variaciones en las modalidades y que dichas variaciones estarían dentro del alcance de la presente descripción. En consecuencia, un experto en la técnica puede realizar muchas modificaciones sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (20)

1. REIVINDICACIONES 1. Un método para realizar operaciones cuánticas en un sistema cuántico de iones atrapados, que comprende: implementar dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, siendo cada una de las dos compuertas paralelas una compuerta 2-qubit, implementándose cada una de las dos compuertas paralelas mediante un conjunto diferente de iones de una pluralidad de iones en una trampa de iones, las dos compuertas paralelas incluyen una primera compuerta 2-qubit implementada mediante el uso de un primer conjunto de iones y una segunda compuerta 2-qubit implementada mediante el uso de un segundo conjunto de iones, siendo el primer conjunto de iones y el segundo conjunto de iones conjuntos entrelazados y cualquiera de los conjuntos restantes de iones de la pluralidad de iones en la trampa de iones no son conjuntos entrelazados, en donde la implementación de las dos compuertas paralelas incluye la generación de una primera secuencia de impulsos ópticos y la aplicación al primer conjunto de iones los primeros haces basados en la primera secuencia de impulsos ópticos para implementar la primera compuerta, estando basada una solución de la primera secuencia de impulsos ópticos en restricciones de entrelazamiento cuadrático y que tiene múltiples segmentos, correspondiendo cada segmento de la primera secuencia de impulsos a una frecuencia relativa durante ese segmento de la primera compuerta, y siendo los segmentos de la primera secuencia de impulsos de igual duración, y en donde la implementación de las dos compuertas paralelas incluye la generación de una segunda secuencia de impulsos y la aplicación al segundo conjunto de iones los segundos haces basados en la segunda secuencia de impulsos ópticos para implementar la segunda compuerta, una solución de la segunda secuencia de impulsos basada en restricciones de entrelazamiento cuadrático y que tiene múltiples segmentos para la segunda compuerta, correspondiendo cada segmento de la segunda secuencia de impulsos a una frecuencia relativa durante ese segmento de la segunda compuerta, y siendo los segmentos de la segunda secuencia de impulsos de igual duración; y realizar simultáneamente operaciones en las dos compuertas paralelas como parte de las operaciones cuánticas.
2. 2. El método de la reivindicación 1, en donde: los iones del primer conjunto de iones se ubican en cualquier posición en la trampa de iones, y los iones del segundo conjunto de iones se ubican en las posiciones restantes de la trampa de iones.
3. 3. El método de la reivindicación 1, en donde la generación de la primera y segunda secuencias de impulsos ópticos incluye recuperar información almacenada para generar la primera y segunda secuencias de impulsos ópticos.
4. 4. El método de la reivindicación 1, en donde las dos compuertas paralelas son ambas compuertas XX.
5. 5. El método de la reivindicación 1, en donde las dos compuertas paralelas son ambas compuertas CNOT.
6. 6. El método de la reivindicación 1, en donde las dos compuertas paralelas tienen diferentes cantidades de entrelazamiento.
7. 7. El método de la reivindicación 6, en donde: la primera compuerta es una compuerta de entrelazado total y la segunda compuerta es una compuerta de entrelazado parcial.
8. 8. El método de la reivindicación 6, en donde las dos compuertas paralelas incluyen una compuerta de entrelazado(7t\ XX -

   total W y una compuerta de entrelazado parcial
9. 9. El método de la reivindicación 1, en donde el circuito cuántico es un circuito sumador cuántico completo.
10. 10. Un sistema cuántico de iones atrapados configurado para realizar operaciones cuánticas, que comprende: un componente algorítmico configurado para implementar dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, siendo cada una de las dos compuertas paralelas una compuerta 2-qubit, implementándose cada una de las dos compuertas paralelas mediante el uso de un conjunto diferente de iones de una pluralidad de iones en una trampa de iones, las dos compuertas paralelas incluyen una primera compuerta 2-qubit implementada mediante el uso de un primer conjunto de iones y una segunda compuerta 2-qubit implementada mediante el uso de un segundo conjunto de iones, siendo el primer conjunto de iones y el segundo conjunto de iones conjuntos entrelazados y cualquiera de los conjuntos de iones restantes de la pluralidad de iones en la trampa de iones no son conjuntos entrelazados; un controlador óptico, en donde el componente de algoritmos se configura para proporcionar instrucciones al controlador óptico y el controlador óptico se configura para generar, basándose en las instrucciones, una primera secuencia de impulsos ópticos y aplicar al primer conjunto de iones los primeros haces basados en la primera secuencia de impulsos ópticos para implementar la primera compuerta, estando basada una solución de la primera secuencia de impulsos ópticos en restricciones de entrelazamiento cuadrático y que tiene múltiples segmentos, correspondiendo cada segmento de la primera secuencia de impulsos a una frecuencia relativa durante ese segmento de la primera compuerta, y siendo los segmentos de la primera secuencia de impulsos de igual duración, en donde el controlador óptico se configura, además, para generar, basándose en las instrucciones, una segunda secuencia de impulsos y aplicar al segundo conjunto de iones los segundos haces basados en la segunda secuencia de impulsos ópticos para implementar la segunda compuerta, estando basada una solución de la segunda secuencia de impulsos en restricciones de entrelazamiento cuadrático y que tiene múltiples segmentos para la segunda compuerta, correspondiendo cada segmento de la segunda secuencia de impulsos a una frecuencia relativa durante ese segmento de la segunda compuerta, y siendo los segmentos de la segunda secuencia de impulsos de igual duración; y la trampa de iones en la que las operaciones en las dos compuertas paralelas se realizan simultáneamente como parte de las operaciones cuánticas.
11. 11. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 10, en donde: los iones del primer conjunto de iones se ubican en cualquier posición en la trampa de iones, y los iones del segundo conjunto de iones se ubican en las posiciones restantes de la trampa de iones.
12. 12. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el controlador óptico configurado para generar la primera y segunda secuencias de pulsos ópticos se configura, además, para recuperar, basándose en las instrucciones, información almacenada para generar la primera y segunda secuencias de pulsos ópticos.
13. 13. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 10, en donde las dos compuertas paralelas son ambas compuertas XX.
14. 14. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 10, en donde las dos compuertas paralelas son ambas compuertas CNOT.
15. 15. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 10, en donde las dos compuertas paralelas tienen diferentes cantidades de entrelazamiento.
16. 16. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 15, en donde: la primera compuerta es una compuerta de entrelazado total y la segunda compuerta es una compuerta de entrelazado parcial.
17. 17. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 15, en donde las dos compuertas(n\ XX - paralelas incluyen una compuerta de entrelazado total W y una compuerta de entrelazado parcial
18. 18. El sistema cuántico de iones atrapados de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el circuito cuántico es un circuito sumador cuántico completo.
19. 19. Un medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena instrucciones que, cuando son ejecutadas por un sistema cuántico de iones atrapados que comprende un componente algorítmico, un controlador óptico y una trampa de iones, hace que el componente algorítmico implemente dos compuertas paralelas de un circuito cuántico, siendo cada una de las dos compuertas paralelas una compuerta 2-qubit, implementándose cada una de las dos compuertas paralelas mediante un conjunto diferente de iones de una pluralidad de iones en la trampa de iones, las dos compuertas paralelas incluyen una primera compuerta 2-qubit implementada mediante el uso de un primer conjunto de iones y una segunda compuerta 2-qubit implementada mediante el uso de un segundo conjunto de iones, siendo el primer conjunto de iones y el segundo conjunto de iones conjuntos entrelazados y cualquiera de los conjuntos restantes de iones de la pluralidad de iones en la trampa de iones no son conjuntos entrelazados; el controlador óptico para generar una primera secuencia de impulsos ópticos y para aplicar, al primer conjunto de iones, los primeros haces basados en la primera secuencia de impulsos ópticos para implementar la primera compuerta, una solución de la primera secuencia de impulsos ópticos basada en restricciones de entrelazamiento cuadrático y que tiene múltiples segmentos, correspondiendo cada segmento de la primera secuencia de impulsos a una frecuencia relativa durante ese segmento de la primera compuerta, y siendo los segmentos de la primera secuencia de impulsos de igual duración; el controlador óptico genere una segunda secuencia de impulsos y para aplicar, al segundo conjunto de iones, segundos haces basados en la segunda secuencia de impulsos ópticos para implementar la segunda compuerta, una solución de la segunda secuencia de impulsos basada en restricciones de entrelazamiento cuadrático y que tiene múltiples segmentos para la segunda compuerta, correspondiendo cada segmento de la segunda secuencia de impulsos a una frecuencia relativa durante ese segmento de la segunda compuerta, y siendo los segmentos de la segunda secuencia de impulsos de igual duración; y el controlador óptico realice operaciones en las dos compuertas paralelas simultáneamente.
20. 20. El medio de almacenamiento legible por ordenador de acuerdo con la reivindicación 19, en donde: los iones del primer conjunto de iones se ubican en cualquier posición en la trampa de iones, y iones del segundo conjunto de iones se ubican en cualquiera de las posiciones restantes de la trampa de iones.