JP5313912B2 - 量子プロセッサ要素の局所的プログラミングのためのシステム、方法、および装置 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づいて、2006年12月5日出願の米国仮特許出願第60/868,654号明細書の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願は、その全体が参照により本明細書に援用される。
本システム、方法、および装置は、スケーラブルな量子コンピューティングと、量子プロセッサ要素の局所的プログラミングとに関する。
チューリングマシンは、1936年にAlan Turingによって述べられた理論的コンピューティングシステムである。任意の他のチューリングマシンを効率的にシミュレートすることが可能なチューリングマシンは、万能チューリングマシン(Universal Turing Machine)(UTM)と呼ばれる。チャーチ・チューリングの提唱(Church-Turing thesis)では、いかなる実際的なコンピューティングモデルも、UTMの機能の同等物またはサブセットのいずれかを有すると述べられている。
量子コンピュータの設計および動作への、いくつかの一般的なアプローチがある。1つのそのようなアプローチは、量子計算の「回路モデル(circuit model)」である。このアプローチでは、キュビットが、アルゴリズムのコンパイルされた表現である、論理ゲートのシーケンスによる作用を受ける。回路モデル量子コンピュータは、実際的な実施のためには、いくつかの重大な障害を有する。回路モデルでは、キュビットが、1ゲート時間(single-gate time)よりもはるかに長い期間にわたってコヒーレントのままであることが要求される。この要求が発生する理由は、回路モデル量子コンピュータは、動作するために、量子誤り訂正と集合的に呼ばれる動作を必要とするからである。量子誤り訂正は、回路モデル量子コンピュータのキュビットが量子コヒーレンスを、1ゲート時間の1000倍のオーダーの期間にわたって維持することが可能でなければ、実行されることはできない。多くの研究が、回路モデル量子コンピュータの基本情報単位を形成するための十分なコヒーレンスを有するキュビットの開発に焦点を置いてきた。例えば、Shor, P. W. “Introduction to Quantum Algorithms”, arXiv.org:quant-ph/0005003 (2001), pp. 1-27を参照されたい。当技術分野は、キュビットのコヒーレンスを、実際的な回路モデル量子コンピュータの設計および動作のための許容可能なレベルまで増加させることが不可能であることによって、依然として阻まれている。
量子コンピュータは、計算問題を解くために、重ね合わせおよびエンタングルメントなどの量子力学的現象を直接利用する、任意のコンピューティングデバイスである。今日まで、多くの異なるシステムが、量子コンピュータの物理的実現として提案および研究されてきた。そのようなシステムの例としては、以下のデバイスが挙げられる。イオントラップ、量子ドット、調和振動子、共振器量子電気力学デバイス(QED)、光子および非線形光学媒質、ヘテロポリマー、クラスタ状態、エニオン、トポロジカルシステム、核磁気共鳴(NMR)に基づくシステム、および半導体内のスピンに基づくシステム。これらのシステムのさらなる背景については、Nielsen and Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, Cambridge (2000), pp. 277-352、Williams and Clearwater, Explorations in Quantum Computing, Springer-Verlag, New York, Inc. (1998), pp. 241-265、Nielsen, Micheal A., “Cluster-State Quantum Computation”, arXiv.org:quant-ph/0504097v2 (2005), pp 1-15、およびBrennen, Gavin K. et al., “Why should anyone care about computing with anyons?”, arXiv.org:quant-ph/0704.2241 (2007), pp 1-19を参照されたい。
前述のように、キュビットは、量子コンピュータのための情報の基本単位として使用されてもよい。UTMにおけるビットと同様に、キュビットは、少なくとも2つの別個の量を意味してもよい。キュビットは、情報が記憶される実際の物理デバイスを意味してもよく、そしてキュビットは、さらに、その物理デバイスから離れて抽象化された、情報の単位そのものを意味してもよい。
量子計算に対する1つのハードウェアアプローチでは、アルミニウムまたはニオブなどの超伝導材料で形成された集積回路を使用する。超伝導集積回路の設計および製造に含まれる、技術およびプロセスは、従来の集積回路のために使用されるものに類似している。
コンピュータプロセッサは、例えば、超伝導量子プロセッサなどの量子プロセッサのような、アナログプロセッサの形態を取ってもよい。超伝導量子プロセッサは、例えば、2つ以上の超伝導キュビットなどの、複数のキュビットおよび関連する局所的バイアスデバイスを含んでもよい。本システム、方法、および装置と組み合わせて使用されてもよい例示的な超伝導量子プロセッサの、さらなる詳細および実施形態は、米国特許出願公開第2006/0225165号明細書、2007年1月12日出願の“System, Devices and Methods for Interconnected Processor Topology”と題された米国仮特許出願第60/872,414号明細書、2007年8月16日出願の“Systems, Devices, And Methods For Interconnected Processor Topology”と題された米国仮特許出願第60/956,104号明細書、および2007年11月8日出願の“Systems, Devices and Methods for Analog Processing”と題された米国仮特許出願第60/986,554号明細書に記載されている。
少なくとも1つの実施形態は、各プログラム可能デバイスが少なくとも1つの通信導管に接続された、複数のプログラム可能デバイスと、通信導管のうちの少なくとも1つを介して少なくとも1つのプログラム可能デバイスにリンクされた、メモリアドミニストレーションシステムとを含む、量子プロセッサとして要約することができる。
の実施形態では、メモリレジスタ111などのメモリレジスタと、DAC131などのDACとは、同じ物理的構造内で実現されてもよい。超伝導DACの例は、2007年5月14日出願の“Scalable Superconducting Flux Digital-To-Analog Conversion Using A Superconducting Inductor Ladder Circuit”と題された米国仮特許出願第60/917,884号明細書、2007年5月14日出願の“Systems, Methods, And Apparatus For A Scalable Superconducting Flux Digital-To-Analog Converter”と題された米国仮特許出願第60/917,891号明細書、および2007年9月26日出願の“Systems, Methods and Apparatus for a Differential Superconducting Flux Digital-to-Analog Converter”と題された米国仮特許出願第60/975,487号明細書に記載されている。
Claims (11)
- 量子コンピューティングシステムであって、
外部プログラミングシステムと、
量子プロセッサと、
前記外部プログラミングシステムと前記量子プロセッサとの間に通信を提供する多数の通信線と
を具備し、
前記量子プロセッサは、
多数のプログラム可能デバイスと、
複数の通信導管を含むメモリアドミニストレーションシステムであって、前記メモリアドミニストレーションシステムが、前記通信線と前記通信導管のうちの少なくともいくつかとの間に通信を提供して、前記外部プログラミングシステムから前記プログラム可能デバイスへのデータ信号をアドミニスターし、前記プログラム可能デバイスの数は前記通信線の数より多い、メモリアドミニストレーションシステムと
を具備する、量子コンピューティングシステム。 - 前記量子プロセッサは、臨界温度未満で超伝導である材料によって形成される、少なくも1つのプログラム可能デバイスを含む、請求項1に記載の量子コンピューティングシステム。
- 前記量子プロセッサは、閉じられた超伝導電流経路、複合ジョセフソン接合、超伝導磁束キュビット、超伝導電荷キュビット、超伝導位相キュビット、超伝導ハイブリッドキュビット、量子ドット、トラップされたイオン(trapped ions)、トラップされた中性原子(trapped neutral
atoms)、キュビットカプラ、超伝導キュビットカプラ、不純物、核スピンキュビット、電子スピンキュビット、および光子キュビットからなる群から選択される、少なくとも1つのプログラム可能デバイスを含む、請求項1に記載の量子コンピューティングシステム。 - 前記メモリアドミニストレーションシステムは、少なくとも1つのデジタル−アナログ変換器(DAC)を含む、請求項1に記載の量子コンピューティングシステム。
- 前記DACは超伝導DACを含み、デジタル信号が、離散的な磁束量子によって表される、請求項4に記載の量子コンピューティングシステム。
- 前記メモリアドミニストレーションシステムは、X−Yアドレス可能アレイを含む、請求項1に記載の量子コンピューティングシステム。
- 前記メモリアドミニストレーションシステムは、デマルチプレクサ回路を含む、請求項1に記載の量子コンピューティングシステム。
- メモリアドミニストレーションシステム及び多数のプログラム可能デバイスを具備する量子プロセッサをプログラムする方法であって、前記方法は、
外部プログラミングシステムによってプログラム可能デバイスの数に対応する複数のプログラム可能パラメータを定義することと、
前記プログラム可能デバイスの数よりも少ない、多数の通信線を介して、前記外部プログラミングシステムから前記メモリアドミニストレーションシステムに、前記複数のプログラム可能パラメータを示す複数の信号を伝達することと、
前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号を前記多数のプログラム可能デバイスにアドミニスターすることとを含む、方法。 - 前記アドミニストレーションシステムは少なくとも1つのデジタル−アナログ変換機(DAC)を含み、前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号はデジタル信号であり、前記方法は、
前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号を前記多数のプログラム可能デバイスにアドミニスターする前に、前記少なくとも1つのDACによって前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号をデジタル信号からアナログ信号に変換することをさらに含む、請求項8に記載の方法。 - 前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号を前記多数のプログラム可能デバイスにアドミニスターすることは、X−Yアドレス可能アレイを介して、前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号を前記多数のプログラム可能デバイスにルーティングすることを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号を前記多数のプログラム可能デバイスにアドミニスターすることは、デマルチプレクサ回路を介して、前記複数のプログラム可能パラメータを示す前記複数の信号を前記多数のプログラム可能デバイスにルーティングすることを含む、請求項8に記載の方法。
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