KR20210136986A - 멀티-큐비트 게이트를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 아키텍처 - Google Patents

멀티-큐비트 게이트를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 아키텍처 Download PDF

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KR20210136986A
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정상 김
윤성 남
크리스토퍼 몬로이
Original Assignee
이온큐 아이엔씨.
유니버시티 오브 매릴랜드, 칼리지 파크
듀크 유니버시티
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Abstract

본원 내용은 멀티-큐비트 게이트 아키텍처의 실제 구현의 다양한 특징을 설명한다. 세 가지 에너지 준위를 포함하는 이온 트랩 내 이온을 활성화하는 단계; 이온 트랩 내의 이온과 함께 바닥 운동 상태에서 낮은 가열 속도 운동 모드를 가능하게 하는 단계; 그리고 시라크와 졸러(Cirac and Zoller)(CZ) 프로토콜의 운동 모드로서 낮은 히팅 속도 운동 모드를 사용하고 CZ 프로토콜의 보조 상태로서 에너지 레벨 중 하나를 사용하여 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜을 수행하는 단계를 포함하는 이온 트랩을 이용한 멀티-큐비트 게이트 구현 방법이 개시된다. 상기 방법은 또한 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 하나 이상의 알고리즘을 수행함을 포함하며, 상기 하나 이상의 알고리즘이 그로버 알고리즘, 쇼어의 팩토링 알고리즘, 퀀텀 근사 최적화 알고리즘(QAOA), 에러 교정 알고리즘, 그리고 퀀텀 및 해밀토니안 시뮬레이션을 포함한다. 멀티-큐비트 게이트 아키텍쳐의 구현을 지원하는 해당 시스템이 또한 설명된다.

Description

멀티-큐비트 게이트를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 아키텍처
본 특허 출원은 2019년 12월 9일자로 출원된 "멀티-큐비트 게이트를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 아키텍처(QUANTUM COMPUTER ARCHITECTURE BASED ON MULTI-QUBIT GATES)"라는 명칭의 미국 가출원 번호 16/708,025 및 2019년 1월 8일자로 출원된 " 멀티-큐비트 게이트를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 아키텍처(QUANTUM COMPUTER ARCHITECTURE BASED ON MULTI-QUBIT GATES)"라는 명칭의 미국 가출원 번호 62/789,875에 대한 우선권을 주장한다, 그 내용은 전체가 참조로 본원 명세서에 포함된다.
본원 발명의 개시된 특징은 일반적으로 양자 시스템에 관한 것이고, 더 구체적으로, 양자 연산을 수행하기 위한 트랩핑된 이온 시스템에서 멀티플-큐비트 게이트 아키텍처의 실제 구현에 관한 것이다.
실제 구현을 위해 고려될 수 있는 종래의 양자 컴퓨터 아키텍처는 종종 단일 큐비트 게이트 및 2큐비트 게이트로 정의되는 기본 범용 게이트 세트의 실행에 기초한다. 이는 주로 멀티플-큐비트 게이트(또는 멀티-큐비트 게이트)가 실제로 안정적으로 구현하기 어렵다는 사실로부터 발생한다. 트랩핑된 이온 시스템에서, 멀티-큐비트 게이트의 직접 구현이 제안되었고, 품질이 낮지만 실험에서 시연되기도 했다. 여러 개의 단일 및 두 개의 큐비트 게이트로부터 조립된 멀티-큐비트 게이트가 더 나은 성능을 발휘했으며, 지금까지 선호되는 접근 방식이었다. 이러한 접근 방식으로 계산 기계를 구축하려는 체계적인 설계 노력은 실제 구현의 어려움으로 인해 정상적으로 실행되지 못했다.
임의의 멀티-큐비트 게이트를 기반으로 양자 컴퓨터를 운영하는 것의 큰 장점은 서로 다른 알고리즘이 양자 컴퓨터 또는 양자 정보 처리(QIP) 시스템의 기본 명령어 집합으로 분해되는 효율적인 방식에서 비롯된다. 예를 들어, 제어된-
Figure pct00001
제어된 NOT 게이트(예를 들면, Tofffoli 게이트라고도 하는 3-큐비트 게이트)는 산술 회로, 최적화 알고리즘 및 그로버 알고리즘과 같은 많은 양자 알고리즘의 기본이며 일반적으로 실제 구현이 가능하도록 6개의 2큐비트 게이트(예를 들면, CNOT 게이트)로 분해해야 한다. 그래서 단일의 멀티-큐비트 게이트를 취해서 여러 개의 작은 네이티브 연산(예를 들면, 2-큐비트 게이트)으로 분해하는 것이 아니라, 그와 같은 멀티-큐비트 게이트를 단일의 네이티브 연산처럼 실행할 수 있는 것은 양자 컴퓨터 또는 QIP 시스템에서 광범위한 양자 알고리즘 구현을 훨씬 더 효과적으로 할 수 있다.
따라서, 트랩된 이온 큐비트의 체인에서의 구현을 포함하여 양자 계산을 위한 유연한 멀티-큐비트 게이트의 실제 구현을 허용하는 기술이 바람직하다.
다음은 앞서 설명한 본원발명 특징의 기본적인 이해를 제공하기 위해 하나 이상의 특징의 단순화된 요약을 제시한다. 이 같은 요약은 고려된 모든 특징에 대한 광범위한 개요가 아니며, 본원발명 임의의 모든 특징의 핵심 또는 중요한 요소를 식별하거나 일부 또는 모든 특징의 범위를 배제하지 않는다. 그 본원발명 목적은 하나 이상의 특징에 대한 일부 개념을 나중에 제시되는 보다 상세한 설명의 서곡으로서 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
본원발명 개시 내용은 양자 계산을 위한 트랩핑된 이온 시스템에서 멀티-큐비트 게이트 아키텍쳐 구조의 실용적인 구현을 위한 기술을 설명한다. 또한, 본원발명 개시는 성능 이득을 위해 그러한 아키텍처에서 구현될 수 있는 다양한 애플리케이션 회로를 설명한다.
본원발명의 한 특징에 따라, 이온 트랩을 이용한 멀티-큐비트 게이트 구현 방법에 있어서, 세 가지 에너지 준위를 포함하는 이온 트랩 내 이온을 활성화하는 단계; 이온 트랩 내의 이온과 함께 바닥 운동 상태에서 낮은 가열 속도 운동 모드를 가능하게 하는 단계; 그리고 시라크와 졸러(Cirac and Zoller)(CZ) 프로토콜의 운동 모드로서 낮은 히팅 속도 운동 모드를 사용하고 CZ 프로토콜의 보조 상태로서 에너지 레벨 중 하나를 사용하여 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜을 수행하는 단계를 포함하는, 이온 트랩을 이용한 멀티-큐비트 게이트 구현 방법이 제공된다.
본원발명의 또 다른 한 특징에 따라, 이온 트랩 내 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템이 설명되며, 세 개의 에너지 준위를 포함하는 다중 이온이 있는 이온 트랩; 이온 트랩 내의 이온을 제어하도록 구성된 광학 제어기; 구성 구성요소로서, 이온 트랩 내의 이온으로 바닥 운동 상태에서 낮은 가열 속도 운동 모드를 활성화하고; 그리고 적어도 광 컨트롤러와 함께, 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜의 운동 상태로서 낮은 히팅 속도 운동 모드를 사용하고, CZ 프로토콜의 보조 상태로서 에너지 레벨 중 하나를 사용하여, 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜을 수행하도록 구성된 구성 요소 -상기 CZ 프로토콜은 이온 트랩에 있는 이온의 적어도 서브세트를 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현함- 를 포함하는, 이온 트랩 내 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템이 제공된다.
본원 발명 명세서에는 트랩된 이온 시스템에서 멀티-큐비트 게이트 아키텍처의 구현과 관련된 다양한 특징에 대한 방법, 장치 및 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 및 이러한 아키텍처를 위한 응용 회로가 설명된다.
첨부된 도면은 단지 일부 구현을 예시하고 따라서 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1은 본원 발명의 특징들에 따른 멀티-큐비트 게이트들을 구현하기 위한 프로토콜의 일반적인 설명의 예를 도시한다.
도 2a는 본원 발명의 특징에 따른 선형 결정에서 원자 이온의 트래핑의 도면을 도시한다.
도 2b는 본원 발명의 특징에 따른 포획된 원자 이온을 갖는 지그재그 모드의 예를 도시한다.
도 3은 본원 발명의 특징들에 따른 트랩핑된 원자 이온들을 사용하여 멀티-큐비트 게이트들을 구현하기 위한 광학 어드레싱 방식의 예를 도시한다.
도 4는 본원 발명의 특징들에 따른 컴퓨터 장치의 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 5는 본원 발명의 특징들에 따른 방법의 예를 예시하는 흐름도이다.
도 6a는 본원 발명의 특징들에 따른 양자 정보 처리(QIP) 시스템의 예를 예시하는 블록도이다.
도 6b는 본원 발명의 특징에 따른 도 6a의 QIP 시스템의 알고리즘 구성요소의 예를 예시하는 블록도이다.
첨부된 도면과 관련하여 아래에 설명된 상세한 설명은 다양한 구성의 설명으로 의도되며 본원 명세서에서 설명된개념이 실시될 수 있는 유일한 구성을 나타내도록 의도된 것은 아니다. 상세한 설명에는 다양한 개념에 대한 철저한 이해를 제공하기 위한 목적으로 구체적인 세부 사항이 포함되어 있다. 그러나, 이 같은 개념은 이 같은 특정 세부사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 일정 경우에는 그러한 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 구성 요소가 블록 다이어그램 형식으로 표시된다.
오리지널 연산에서 시라크와 졸러(CZ)는 n-제어된 Z 게이트(
Figure pct00002
게이트)와 같은 멀티-큐비트 게이트 또는 멀티-제어 게이트를 실현하거나 구현하기 위한 프로토콜을 설명했다(1995년 5월 15일 발행, Quantum Computations with Cold Trapped Ions, Phys. Rev. Lett. 74, 4091참조한다). n-제어된 Z 게이트가 사용되는 예는 두 개의 제어(CC - Z와 두 개의 Hadamard 게이트)를 사용하고 토폴리 게이트라고도 하는 CCNOT(제어된-제어된-NOT) 게이트이다. 토폴리 게이트는 양자 계산을 위한 유니버설 게이트인 3큐비트 게이트이다. N-제어된 Z 게이트는 더 많은 수의 큐비트에 대해 구현될 수 있다(예를 들면, 한 토폴리 게이트의 3개 이상의 큐비트에 대해). 예를 들어, 상태
Figure pct00003
및
Figure pct00004
, 에서 4개의 큐비트 집합(예를 들면: 더 큰 큐비트 집합에서 큐비트 1, 3, 4 및 6의 하위 집합)이 있는 경우 제어 큐비트 1, 3 및 4가 "1" 상태에 있고 큐비트 6도 "1" 상태에 있으면 큐비트 6이 뒤집히며, 그렇지 않으면 큐비트 6의 부호가 뒤집히지 않는다, 즉 큐비트 6은 변경되지 않는다.
큐비트 6의 부호를 변경하면 이 예에서 4개의 큐비트와 관련된 전체 양자 상태(quantum state)의 부호가 효과적으로 변경된다. n-제어된 Z 게이트는 기본적으로 모든 큐비트가 "1" 상태에 있는 경우에만 관련된 큐비트의 전체 상태의 부호를 뒤집기 때문에 "타겟"에 대한 특별한 지정은 없다. 큐비트 6이 n-제어된 Z 게이트가 적용되기 전과 후에 두 개의 Hadamard 게이트가 추가되면, 이것은 세 개의 제어가 있는 CCCNOT(제어된-제어된-제어된 NOT 게이트)의 예이다. 여기서 큐비트 1, 3 및 4는 컨트롤(controls)이다. 일반적으로 n-제어된 Z 게이트는 양쪽에 있는 두 개의 하다마드(Hadamard) 게이트를 하나의 "특수" 큐비트에 적용하며 해당 큐비트를 타겟 큐비트로 전환하여, n-제어된 NOT 게이트로 전환될 수 있다. n-제어된 Z 게이트는 매우 특정한 게이트이며 시라크와 졸러가 설명한 프로토콜은 이론적으로는 가능하지만 실제 생활에서 높은 충실도로 구현하기가 어려웠다.
1999년 몰머와 소렌센(Molmer and Sorensen)은 양자 컴퓨팅을 위한 2큐비트 게이트(이하 MS 게이트라고 함)를 제안했다. 이 게이트는 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜을 사용하여 제안된 게이트보다 구현함에 있어 더 실용적인 것으로 나타났다. MS 게이트는 이온의 열 운동에 대한 감도와 같은 CZ 프로토콜 기반 게이트 또는 CZ 게이트의 많은 실제 문제와 비-이상성을 극복했다. CZ 게이트의 충실도가 높은 구현을 위해서는 이온 운동이 양자 역학적인 바닥 상태로 냉각되고 유지되어야 하므로 실험적으로 까다로운 요구 사항이 추가된다. 결과적으로 구현하기가 매우 어렵고 실행 가능한 대안이 있기 때문에 요즘 CZ 프로토콜을 보는 사람은 거의 없다. 결과적으로, 양자 컴퓨터 또는 양자 정보 처리(QIP) 시스템을 구축하기 위한 현재 아키텍처는 MS 게이트 사용을 기반으로 한다.
그러나 CZ 게이트는 다음과 같은 이유로 바람직하다. 즉, 이들을 사용함으로써 특정 멀티-큐비트 게이트를 직접 구현함이 가능하도록 한다. 또한 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위해 더 큰 큐비트 집합으로부터 임의의 n 큐비트를 선택할 수 있도록 허용함으로써, 그리고 일부 중요한 양자 알고리즘의 효율적인 실행을 위해 MS 게이트보다 CZ 게이트를 사용함이 유리하도록 함으로써 CZ 게이트가 유연하다. MS 게이트는 멀티-큐비트 게이트를 구현하는 데 사용할 수 있지만, 일반적으로 큐비트 집합의 모든 가능한 쌍 간의 페어와이즈(2개 큐비트) 상호작용의 균일한 조합으로 제한되며, CZ 게이트에서 가능한 것과 같은 멀티-큐비트 상호작용이 아니며, 많은 알고리즘 구현에서 MS 게이트의 사용이 CZ 게이트보다 덜 효과적이다. 이 같은 접근 방식의 예는 "효과적인 양자 회로 구성에서 글로벌 상호작용의 사용(USE OF GLOBAL INTERACTIONS IN EFFICIENT QUANTUM CIRCUIT CONSTRUCTIONS)"이라는 명칭으로 2018년 12월 27일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/234,112에 설명되어 있으며, 그 내용은 여기에 참조로 포함된다.
트랩핑된 이온 기술을 기반으로 하는 현재 QIP 시스템(예를 들면, 이온 트랩을 사용하며 표면 트랩이라고도 함)은 구현 시 처음 발견된 문제와 과제를 우회하여 CZ 게이트가 구현될 수 있는 프레임워크를 제공할 수 있다. 그러면 CZ 게이트를 사용하여 다양한 유형의 알고리즘이 보다 효율적인 방식으로 나눠질 수 있다. 특정 문제는 매우 자연스럽게 기본 게이트라고 하는 문제로 나뉘어진다. 이 같은 원시 게이트가 양자 컴퓨터 또는 QIP 시스템에서 구현될 수 있다면 각각의 문제는 매우 효과적으로 해결될 수 있다. 예를 들어, 2-큐비트 게이트로 구현되기 위한
Figure pct00005
게이트에는 15개 또는 16개의 MS 게이트가 필요할 수 있다. 따라서
Figure pct00006
게이트를 나누는 데 많은 2큐비트 게이트가 필요할 수 있으며, 이는 차례로 CZ 게이트와 같은 단일 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현될 수 있다. 다른 예에서, n-제어된 NOT 게이트를 실현하는 데 필요한 2-큐비트 게이트(예를 들면, CNOT 게이트)의 일반적인 수는 n(~An, 여기서 A는 상수, 약 12)으로 선형 확장된다. 원칙적으로 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 페어와이즈 게이트(예를 들면, 2큐비트 MS 게이트)로 나누는 것이 가능할 수 있지만, 대부분의 경우 많은 MS 게이트가 필요하므로 이 접근 방식은 그다지 효과적이지 않다. 또한 시스템이 가장 가까운 이웃(또는 다른 제약 조건)에 2-큐비트 게이트를 적용하는 것으로 제한되는 경우 일반 게이트 수는 큐비트 시스템의 나머지 부분에서 게이트에 참여하는 n + 1 큐비트의 분포에 따라 이 같은 제약으로 인해 추가로 증가할 수 있다.
본원 발명은 트랩핑된 이온 기술을 사용하여 CZ 게이트를 효과적으로 구현하는 방법의 다양한 특징을 설명하고, 일단 CZ 게이트가 구현되면 다양한 종류의 알고리즘 및/또는 계산이 매우 효율적인 방식으로 CZ 게이트로 수행될 수 있다.
첫째, 트랩핑된 이온 기술을 사용하여 CZ 게이트를 구현하려면 개별 원자 또는 이온 내에서 3개의 개별 에너지 준위를 사용하는 것이 필요하다. 이들은 큐비트 상태의
Figure pct00007
및
Figure pct00008
로서 알려져 있으며,
Figure pct00009
는 이용 가능한 보조 상태의 일부 형태로서 알려져 있다.(예를 들어, 도 1 참조). 따라서 트랩핑된 이온 기술의 일부로 사용되는 이온 트랩 또는 표면 트랩의 각 원자 또는 이온은 이 같은 구성을 갖는다. 전류가 트랩핑된 이온 시스템에서 원자 또는 이온의 두 가지 에너지 준위만 활용하는 데 중점을 둔다.
둘째, 하전된 원자가 트랩에 로드되면 쿨롱 상호작용(전하로 인한 상호 반발)으로 인해 모두 서로 상호 작용하고, 이 같은 상호 작용은 체인 내에서 '운동 상태(motional state)로 알려진 이온 위치의 결합된 운동으로 이어진다. 즉, 이온 중 하나가 흔들리면 모든 이온이 흔들린다. k 이온이 있는 경우 운동 또는 운동 상태의 3k 일반 모드가 있게 된다( x, y 및 z 방향 각각에 대한 k 일반 모드). 상기 방향 중 한 방향(예를 들면, 이온 체인의 두 가로 모드 중 하나)에 초점을 맞추면 이 같은 운동 모드 중 사소한 운동 모드 하나가 센터-오프-매스(CoM) 모드이며, 전하를 띤 원자 모두(이온 또는 원자 이온)가 함께 움직인다. 이 같은 운동 모드(modes of motions) 중 다른 한 모드는 인접 이온이 반대 방향으로 이동하는 지그재그 모드이다(예를 들면, 도 2B 참조). 위에서 설명한 바와 같이, CZ 게이트의 경우 모든 이온이 결합되는 모드가 멀티-바디 상호 작용을 허용하는데 바람직한 한 모드이다. CoM 모드와 지그재그 모드는, 이온 중 하나가 부딪히면(예를 들면, 운동이 여기됨), 다른 모든 이온의 운동이 여기되는, 그와 같은 모드의 예이다. 다음에 CZ 게이트를 구현하기 위한 조건은 모든 이온이 운동 상태와 매우 잘 결합되는 한 모드를 선택하는 것이다.
시라크와 졸러(Cirac and Zoller)가 제안한 대로, 사용할 모드는 CoM 모드dl다. 이것은 일련의 과제를 제시하며, CZ 게이트를 구현하기 위한 오리지널 프로토콜이 널리 사용되지 않고 대신 MS 게이트가 선호되는 접근 방식이 된 이유이다.
도 1은 시라크와 졸러가 제안한 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 오리지널 프로토콜의 일반적인 설명을 나타내는 다이어그램(100)을 보여준다. 오리지널 프로토콜의 일부로서, CoM 모드는 운동의 그라운드 상태(예를 들면,
Figure pct00010
)로 전환해야 할 필요가 있다. 즉, 모든 운동 양자를 제거한 다음 게이트가 지속되는 동안 운동 상태가 운동의 양자 역학적 기저 상태에 놓이도록 하여 운동 상태가 냉각될 필요가 있다. 이것은 일반적으로 쉽지 않지만 현재의 이온 트랩 기술은 운동 상태를 이제 운동의 그라운드 상태로 가져오고 유지할 수 있다.
멀티-큐비트 게이트를 구현하는 데 사용되는 큐비트(예를 들면, 이온)에 해당하는
Figure pct00011
으로 다이어그램(100)에서 표시되는 멀티플 상태를 고려할 수 있다. 이 같은 상태는 예시를 위해 제공되며 프로토콜은 트랩에서 이온 세트 또는 하위 집합의 상태를 사용할 수 있는 유연성을 가지고 있음을 이해해야 한다. 프로토콜의 일부로서 첫 번째 상태,
Figure pct00012
은 먼저 CoM 모드인 운동 상태(연산 1)와 상호 작용하고 다음 상태인
Figure pct00013
는 운동 상태(연산 2)와 상호 작용하며, 다음 상태,
Figure pct00014
은 운동 상태와 상호 작용하고(연산 3), 이것은 마지막 상태인
Figure pct00015
은 운동 상태(연산 n)와 상호 작용할 때까지 계속된다. 레이저 또는 광학 빔은 다양한 상태를 여기시켜 운동 상태와 상호 작용할 수 있도록 사용된다.
프로토콜의 이 같은 부분이 완료되면, 프로토콜은 뒤로 돌아가 다양한 상태가 운동 상태와 역순으로 상호 작용하도록 하여 계속된다. 예를 들어, 상태
Figure pct00016
은 운동 상태와 상호 작용하고(연산 2n-3), 운동 상태
Figure pct00017
는 운동 상태와 상호 작용하고(연산 2n-2), 그리고 마지막으로 상태
Figure pct00018
은 운동 상태와 상호 작용한다(연산 2n-1). 따라서 전체 프로토콜은 운동 상태와 상호 작용할 때 분리된 에너지 레벨 및 운동 상태와 관련한 상호 작용과 함께 상태를 올리고, 운동 상태와 다시 상호 작용할 때 이 같은 경우 CoM 상태인 상태를 내린다. 상기 프로토콜의 끝에서 결과는 매우 특정한 멀티-큐비트 게이트이다.
도 1의 다이어그램(100)과 관련하여 위에서 개략적으로 설명된 접근 방식을 사용하는 것과 관련된 문제 중 하나는 운동 상태를 기저 상태로 만들고 프로토콜의 다양한 연산을 수행한 후, 운동 상태가 단 하나의 여기로 기저 상태와 여기 상태의 특정(얽힘 및 중첩) 상태에 있게 될 것이다. 이 같은 특정 운동 상태로부터 변경될 수 없다. 그렇지 않으면 프로토콜이 작동하지 않고 멀티-큐비트 게이트가 예상대로 작동하지 않는다. 그러나 운동 상태에서 발생하는 자연 가열 또는 유도 가열이 항상 있다. 예를 들어, 이온을 보유하는 트랩(예를 들면, 큐비트)에 일부 전기장 변동이 있으면 동작 상태가 여기되도록 할 수 있으며, 게이트 프로세스 중에 생성된 특정 운동 상태에서 벗어나 이동하도록 한다. 즉, 가열이 특정 상태(바닥 상태와 단 한 번의 여기가 있는 여기 상태로만 구성됨)로부터 운동 상태를 가져와 이를 열 상태로 전환할 수 있으며, 이는 차례로 프로토콜/멀티-큐비트 게이트가 잘 수행되지 않도록 한다. CoM 모드를 항상 냉각 상태로 유지하기 어렵기 때문에 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 오리지널 CZ 프로토콜은 실제로 높은 충실도로 구현하기가 매우 어렵다.
본원 발명은 다른 접근법을 제안한다. 운동 상태에 대해 CoM 모드를 사용하는 대신 멀티-큐비트 게이트 구현을 위해 낮은 발열률 모드(예를 들면, 높은 공간 주파수를 갖는 운동 모드)가 제안된다. 또한, 본원 발명은 보조 상태에 대한 Zeeman 준위 또는 D 준위(예를 들면, 메타 안정 여기 상태)의 사용을 제안하며, 여기서 이 같은 상태의 일관성 시간을 개선하기 위해 다양한 방법(예를 들면, 이테르븀(Yb)의 사용) 및 바륨(Ba) 체계의 사용)을 사용할 수 있다. 본원 발명에서 제안되는 다른 특징은 시스템을 실현하기 위한 광학적 어드레싱 방식, 모드 주파수 드리프트에 대해 견고하게 만드는 게이트 설계를 포함하며, 상기 게이트 설계에는 진폭 변조/주파수 변조(AM/FM)와 같은 기술을 사용하고, 적색 측파대 파이(π) 및 2파이(2π) 펄스는 광선 강도 드리프트에 대해 견고하고, 스핀 및 운동 위상과 이들을 견고하게 제어하는 방법을 고려하도록 한다.
운동 상태와 관련하여, 한 가지 접근 방식은 낮은 가열 속도 모드에 대해 지그재그 모드 또는 지그재그 모드에 가까운 모드를 사용하는 것이다. 도 2a는 선형 결정(210)에서 원자 이온(220)의 트래핑에 대한 다이어그램(200a)을 도시하며, 여기서 원자 이온(220)(예를 들어, 큐비트)은 도 2b의 다이어그램(200b)에 도시된 바와 같이 지그재그 모드로 여기될 수 있다. 선형 결정(210)은 원자 이온(220)을 가두기 위한 이온 트랩(예를 들어, 도 6a의 이온 트랩(670) 참조)의 일부로서 전극을 수용하는 진공 챔버에서 형성될 수 있다.
다시 도 2의 다이어그램(200a)을 참조한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 트랩되어 선형 결정(210)을 형성하는 원자 이온(220)은 양자 정보 처리, 따라서 그러한 처리에 필요한 멀티-큐비트 게이트를 구현하는 데 사용될 수 있다. 원자 기반 큐비트는 양자 메모리, 양자 컴퓨터 및 시뮬레이터를 포함하며 양자 통신 네트워크용 노드를 포함하는, 그러나 이 같은 내용으로 한정되지 않는, 다양한 유형의 장치로 사용할 수 있다. 트랩핑된 원자 이온을 기반으로 하는 큐비트는 매우 우수한 일관성 특성을 가질 수 있고, 거의 100% 효율로 준비 및 측정할 수 있으며, 광학 또는 마이크로파 필드와 같은 적절한 외부 제어 필드와의 쿨롱 상호 작용을 조절하여 서로 쉽게 얽힐 수 있다. 본원 발명내용에서 사용된 바와 같이, 용어 "원자 이온", "원자" 및 "이온"은 결정 또는 유사한 배열 또는 구성을 형성하기 위해 트랩 내에 제한되거나, 실제로 제한되는 입자를 설명하기 위해 상호교환적으로 사용될 수 있다.
양자 정보 및 계측 목적에 사용되는 전형적인 이온 트랩 기하학 또는 구조는 선형 무선 주파수(RF) 폴 트랩(RF 트랩, 표면 트랩 또는 단순히 폴 트랩이라고도 함)이며, 여기서 근처의 전극이 이온의 효과적인 비균질 고조파 가둠(confinement)을 유도하는 정적 및 동적 전위를 유지한다. 상기 RF 폴 트랩은 전기장을 사용하여 특정 영역, 위치 또는 로케이션에서 하전 입자를 트랩하거나 가두는 트랩 유형이다. 이 같은 트랩에서 원자 이온이 매우 낮은 온도로 레이저 냉각되면, 원자 이온은 큐비트의 고정된 결정(예를 들면, 큐비트의 구조화된 배열)을 형성하고 쿨롱 반발력은 외부 감금 구속력의 균형을 유지한다. 충분한 트랩 이방성을 위해, 이온은 약한 감금 구속 방향을 따라 선형 결정을 형성할 수 있으며, 이는 일반적으로 양자 정보 및 계측 분야의 응용 분야에 사용되는 배열이다. 상기 언급한 바와 같이, 트랩 내 근처 전극에 의해 발생할 수 있는 전기장 변동은 운동 상태를 접지 또는 제로 모드 또는 상태에서 열 상태로 가열할 수 있다.
다이아그램(200a)에 도시된 예에서, 선형 결정(210)에 갇힌 이테르븀 이온(예를 들어, 171Yb+ 이온)은 거의 휴지 상태가 되도록 레이저 냉각된다. 포획된 원자 이온(220)의 수는 구성 가능하다. 이 예에서, 원자 이온(220)은 형광에 의해 도시된 바와 같이 서로 약 5 미크론(mm)의 거리(215)만큼 분리된다. 원자 이온의 분리는 외부 감금 구속력과 쿨롱 반발력 사이의 균형에 의해 결정된다.
트랩(갇힌)된 개별 원자 이온의 강력한 형광은 광자의 효율적인 순환에 의존하므로, 이온의 원자 구조는 운동의 레이저 냉각, 큐비트 상태 초기화 및 효율적인 큐비트 판독을 허용하는 강력한 닫힌 광학 전이를 가져야 한다. 이것은 알칼리 토류(Be+, Mg+, Ca+, Sr+, Ba+) 및 특정 전이 금속(Zn+, Hg+, Cd+ 및 Yb+)과 같이, 따로 덜어진 외부 전자를 가진 단순한 원자 이온을 제외하고는, 많은 원자 이온 종을 배제할 수 있다. 이 같은 원자 이온 내에서, 양자 비트는 두 가지 안정적인 전자 레벨로 표시될 수 있으며, 종종 두개의 상태
Figure pct00019
또는 이와 동등한
Figure pct00020
및
Figure pct00021
의 유효 스핀을 특징으로 한다.
큐비트 레벨 간의 일관된 전환을 위해, 단일 큐비트 회전 연산 및 인탱글링 멀티-큐비트 연산이 있을 수 있다. 단일 큐비트 회전 연산은 단일 큐비트 연산 또는 단순히 큐비트 뒤집기라고도 한다. 인탱클링 멀티-큐비트 연산과 관련하여 많은 갇힌 이온의 운동은 스프링으로 연결된 진자 배열과 마찬가지로 쿨롱 상호 작용을 통해 결합된다. 결정 내의 원자 이온 사이에 인탱클링 양자 논리 게이트를 구현하는 자연스러운 방법은 운동을 매개체로 사용하는 것이다.
다시 도 2b의 다이어그램(200b)을 참조한다. 여러 개의 원자 이온(220)이 화살표로 표시된 바와 같이 반대 방향으로 이동하는 인접 이온과 함께 지그재그 모드로 배열된 예가 도시되어 있다. 이 모드는 부분적으로 원자 이온(220) 사이의 간격(215)을 기반으로 하는 잘 정의된 주파수를 갖는다. 높은 공간 주파수 때문에 이 같은 모드는 잘 가열되지 않는 것으로 나타났다(예를 들면, 낮은 가열 속도 모드). 즉, 지그재그 모드가 기저 운동 상태로 냉각되면, 이 모드를 기저 운동 상태에서 벗어나게 하는 방법은 예를 들어 상기 트랩 내 전극에 의해 야기되는 전기장 노이즈 또는 변동을 갖는 것이며, 지그재그 모드의 공간 프로파일과 거의 일치하는 공간 패턴 또는 프로파일을 갖는 것이다. 원자 이온(220)이 서로 약 5m 떨어져 있다는 점을 감안할 때, 기존의 저 잡음 전기장 변동이 지그재그 모드의 공간 패턴 또는 프로파일과 일치할 가능성은 거의 없다. 따라서 지그재그 모드는 일반적으로 그라운드 운동 상태로 유지되며, 지그재그 모드가 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위해 CZ 프로토콜의 운동 상태로 사용되는 경우 바람직하다.
트랩핑된 이온 기술을 사용하여 CZ 게이트를 효과적으로 구현하기 위한 또 다른 조건은 도 1의 다이어그램(100)에서
Figure pct00022
및 보조 상태
Figure pct00023
로 도시되며, 3개의 개별 에너지 레벨을 갖는 것이다. 위에서 언급한 바와 같이, 보조 상태
Figure pct00024
에 대해 지맨(Zeeman) 레벨 또는 D 레벨(예를 들어, 준 안정 여기 상태)의 사용을 제안한다. 이를 가능하게 하기 위해, 작동 환경(operating environment)은 예를 들어 원자 이온(220)을 보호하는 우수한 자기장 차폐(또는 다른 형태의 차폐)를 가짐으로써 상당히 안정해야 한다.
멀티-큐비트 게이트의 구현 및 사용을 가능하게 하기 위해 양자 컴퓨터 또는 QIP 시스템의 일부로서 사용될 수 있는 광학 방법이 도 3의 다이어그램(300)에서 설명된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 넓은 광학 빔(310)이 한 방향으로부터 모든 원자 이온(220)에 인가되고 다음에 원자 이온(220) 각각은 다른 방향으로부터 전용 광학 빔(320)으로 개별적으로 어드레싱된다(예를 들어, 개별적으로 제어된다). 이 같은 예에서, 이들 두 빔은 서로 다른 큐비트 레벨(일반적으로 바닥 상태) 간에 라만 전환을 구동한다. 빔(310, 320)의 방향은 서로 180도(예를 들면, 반대 방향) 또는 90도(예를 들면, 수직 또는 법선 방향)일 수 있다. 이 같은 구성의 광학 빔을 갖고 적절한 편광을 사용함으로써 개별 원자 이온(220)의 큐비트 상태 및 보조 상태를 어드레스 할 수 있다. D-레벨이 요구되는 때, 이온 각각에 초점을 맞춘 주파수-안정 레이저 광선이 사용되어서 상기 D-레벨로의 전환을 유도할 수 있다.
트랩핑된 이온 기술에 기반한 멀티-큐비트 게이트의 구현 및 사용과 관련된 또 다른 특징은 이온을 가두는 트랩핑 전위가 시간이 지남에 따라 변동할 수 있으며, 이는 운동 상태의 주파수(예를 들면, 모드 주파수)가 약간 드리프트 되게 할 수 있다. 모드 주파수의 이 같은 드리프트는 원칙적으로 안정화될 수 있지만, 실제 경우 드리프트가 발생하며 시스템은 그와 같은 드리프트가 발생하는 경우 발생하는 주파수 변경을 처리할 수 있어야 한다. 멀티-큐비트 게이트가 구현되고 이 같은 게이트와 상호 작용이 있는 경우, 상호 작용이 드리프트에 대해 견고하도록 하는 기술을 사용할 수 있도록 이 같은 모드의 주파수가 무엇인지 정확히 아는 것이 중요하다. 예를 들어, 상호작용에 관여하는 레이저 또는 광학 빔에 대한 진폭 변조(AM) 및/또는 주파수 변조(FM)를 수행함으로써(예를 들면, 음향 광학 변조기(AOM)를 사용하여) 레이저 빔이 제공하는 펄스 또는 펄스 시퀀스를 조정 및/또는 설계하여 주파수 드리프트에 대해 보다 견고하도록 함이 가능하다. 즉, 펄스 또는 펄스 시퀀스는 주파수 드리프트에 덜 민감하며 및/또는 AM 및/또는 FM 변조에 의한 주파수 드리프트를 보상하도록 만들 수 있다.
트랩핑된 이온 기술에 기반한 멀티-큐비트 게이트의 구현 및 사용과 관련된 또 다른 특징은 레이저 또는 광학 빔이 멀티-큐비트 게이트 및 레이저의 강도와 상호작용하는 데 사용되며 레이저 빔의 광선 강도가 시간이 지남에 따라 변경되거나 드리프트되는 경우가 있다는 것이다. 레이저 빔의 강도를 직접 조정할 수는 있지만 필요한 정확도 레벨(예를 들면, 10-4 정확도)을 얻는 데 충분하지 않을 수 있다. 이 경우에 사용할 수 있는 접근 방식은 보상 펄스 또는 보상 시퀀스 기술을 적용하는 것이며, 멀티-큐비트 게이트에 펄스를 비추는 대신, 위상이 변화하는 일련의 펄스를 사용하여 전체적으로 안정적인 레이저 빔을 생성하는 것이다. 핵 자기 공명(NMR)에서도 유사한 접근 방식이 사용되었으며 멀티-큐비트 게이트에 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본원 발명은 운동 상태에 대한 더욱 높은 차원 모드(예를 들어, 지그재그 모드, 낮은 발열 율 모드, 높은 공간 주파수 모드)의 사용 및 보조 상태로서 원자의 내부 상태(예를 들어, Zeeman 레벨 또는 D 레벨)를 사용하여, CZ 프로토콜을 구현하는 동시에 CZ 프로토콜을 구현하기 어렵게 만드는 문제와 도전 과제를 극복한다. 그러면 2-큐비트 게이트(예를 들면, MS 게이트)를 사용하여 게이트를 수많은 쌍 별 상호작용으로 분해하는 대신 멀티-큐비트 게이트(예를 들면, n-제어된 Z 게이트 또는
Figure pct00025
게이트)를 직접 구현할 수 있다.
위에서 논의한 CZ 프로토콜의 다양한 수정을 사용하여 멀티-큐비트 게이트 또는 멀티-제어 게이트를 구현하기 위해 트랩핑된 이온 기술을 사용하는 능력으로, 그리고 예를 들어 개별 광학 어드레싱, 모드 주파수 드리프트 보상 및/또는 레이저 빔 광선 강도 드리프트 보상을 사용하여 주어진 양자 계산을 실행하기 위해 필요한 오랜 시간 이들 게이트 타입 품질을 유지하는 추가 기능으로, 다양한 알고리즘을 보다 효율적으로 수행하는 것이 이제 가능하다.
그러한 첫 번째 알고리즘은 그로버 알고리즘이며, 여기서 멀티-큐비트 게이트의 구현은 오라클 또는 유사한 기능의 효율적인 회로 레벨 구현을 허용한다. 그로버 알고리즘은 만족 문제를 푸는 데 사용되는 알고리즘이다.
그로버 알고리즘은 정렬되지 않은 데이터베이스 검색을 포함하여 다양한 유형의 검색 문제에 사용될 수 있으며, 이에 의해 양자 컴퓨팅 접근 방식으로부터 검색을 수행하면 최고의 전통적인 컴퓨팅 접근 방식에 비해 2차 속도 개선까지 도달할 수 있는 최적의 방식으로 검색을 수행할 수 있다. 예를 들어, 성을 기준으로 정리된 전화번호부와 한 사람의 번호가 제공되는 경우, 고전 컴퓨팅 접근 방식으로 제공된 번호가 누구의 번호인지 알아내기 위해서는, 전화번호부가 전화번호로 정렬되지 않았기 때문에 전화번호부가 사람의 성과 상관관계가 있는 특별한 경우를 제외하고는 해당 번호와 일치하는 항목이 발견될 때까지 모든 항목을 살펴볼 필요가 있다. 따라서 m개의 항목이 있는 경우, 제공된 번호와 일치하는 이름을 찾으려면 최악의 경우 m번, 평균 m/2번을 찾아야 한다. 이와 달리, 전화번호부가 양자 데이터베이스에 저장되어 있으면 검색할 술어의 구성 또는 기능인 오라클을 생성할 수 있다. 따라서 오라클은 답을 인식할 수 있지만, 답을 찾도록 구성되어 있지는 않다.
일반적으로 오라클은 단일 입력을 수신하도록 구성될 수 있으며 해당 입력이 정답이면 오라클은 출력으로서 "1" 또는 유사/동등한 인디케이터를 리턴 하고, 그렇지 않으면, 즉 입력이 정답이 아닌 경우 , 오라클은 출력으로서 "0" 또는 이와 유사한/동등한 인디케이터를 리턴 한다. 따라서 오라클은 전화번호부 데이터베이스에서 번호를 찾을 때와 마찬가지로 질문을 한 입력으로서 제공할 수 있다. 일반적으로 한 번에 하나의 질문만이 만들어 질 수 있다. 그런 다음 일반적인 오라클은 제공된 입력이 사전 할당된 조건을 충족하는지 여부에 따라 출력 "0" 또는 "1"을 리턴 한다.
그로버 알고리즘에서 사용된 오라클의 양자 버전은 동시에 모든 상태의 중첩을 입력으로서 사용할 수 있다. 사전 할당된 조건이 충족되는 모든 입력 항목들에 대해, 양자 오라클은 해당 엔트리를 "표시"한다(더욱 많은 항목이 있는 경우에는, 병렬로). 그로버 연산자(오라클과 "평균에 대한 인버젼" 연산으로 구성됨)를 반복할 때마다 측정 시 정답이 검출될 확률을 증폭시킨다. 그로버 연산자의 반복적 적용은 초기 상태를 측정이 매우 높은 확률로 정답을 산출하는 상태로 빠르게 진화시킬 것다. 그로버 알고리즘에서 양자 오라클은
Figure pct00026
배수로 실행될 수 있으며 답을 찾을 확률은 1(~100%) 정도이다. 고전적인 경우처럼 m번의 순서로 검색하는 대신에, 양자 접근법에서는 대략
Figure pct00027
배로 보면 된다.
양자 오라클이 부울 함수인 경우, 다음에 양자 오라클은 n-제어된 Z 게이트 또는
Figure pct00028
게이트가 될 수 있다. 그로버 알고리즘의 간단한 구현에서
Figure pct00029
게이트의 구현은 양자 오라클이다. 양자 오라클이 2큐비트 게이트(예를 들면, MS 게이트)와의 쌍방향 상호작용을 사용하여 구현되는 경우, 큐비트 수에 따라 이 분해가 매우 어려워 결국 회로가 매우 복잡해질 수 있다. 이와 달리, 양자 오라클의 구현을 위해 단일 멀티-큐비트 게이트를 사용하는 것은 훨씬 더 효과적이다.
그로버 알고리즘과 관련하여 위에서 설명된 유사한 유형의 접근 방식은 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA)으로 문제를 해결하는 데 사용될 수 있다. QAOA는 특정 최적화 문제를 해결하기 위한 경험적 접근 방식을 제공하며, 충족해야 하는 조건과 일부 부울 절(Boolean clauses)을 고려한다. 예를 들어, 주어진 그래프가 m개의 꼭짓점 또는 포인트 그리고 임의의 꼭짓점 쌍을 연결하는 모서리를 포함하며, 주어진 그래프를 이분법으로 나누는 것이 목표라고 가정하자. QAOA는 이분법 분리를 달성하기 위해 가장자리를 제거하는 가장 좋은 방법을 결정하는 데 사용할 수 있다. 따라서 QAOA는 순회 판매원 문제와 같은 최적화 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 검색 문제를 해결하기 위한 기술 유형이다.
일반적으로 QAOA는 이 같은 부울 함수가 충족되었는지 파악하려고 한다. 이를 위해서는 양자컴퓨터나 QIP에서 적용되는 바와 같이, 그와 같은 연산이 모든 제어 큐비트가 하나의 상태(예를 들면, “0" 불만족, "1" 만족)이기만 하면, 타겟 큐비트에서 연산을 유도하기 때문에, 멀티-제어 연산이 요구될 수 있다. 따라서 멀티-제어 NOT 또는 멀티-제어 Z 게이트는 양자 컴퓨터에서 앞서 언급한 만족성 검사 단계를 쉽게 구현하는 데 사용될 수 있다. 양자 컴퓨터(또는 만족 조건의 크기)가 아무리 크더라도 충족해야 하는 각 조건은 단일 멀티-큐비트 게이트로 구현될 수 있다. 이것은 양자 컴퓨터에서 모든 단일 패턴을 동시에 로드하여 모든 패턴을 동시에 시도하고 미리 지정된 조건을 만족하는 패턴을 찾을 수 있도록 함이 가능하기 때문에 양자 설정에서 매우 강력하다.
예를 들어, 일부 트랩핑된 이온 시스템에서 이온 트랩에 50개 이상의 큐비트를 가질 수 있으며 50개 이상의 비트가 부울 절 각각을 포함하는 조건이 있을 수 있다. 이 같은 경우 부울 절에 포함된 비트 수에 따라 사용할 멀티-큐비트 게이트의 크기를 결정한다. 이와 같이 사용되는 각 부울 절은 n-제어된 NOT 게이트로 바뀔 수 있으며, 여기서 n은 50보다 클 수 있고, 이 같은 게이트를 사용하여 QAOA의 조건이 구현될 수 있다.
본원 발명의 개시로부터, 멀티-큐비트 또는 멀티-제어 게이트를 기본 연산으로 구현할 수 있는 것이 게이트를 더 작은 기본 연산 단위로 분해해야 하는 것보다 더 효과적이라는 것을 이해해야 한다. 더욱이, CZ 프로토콜에 대한 수정을 사용하여 멀티-큐비트 또는 멀티-제어 게이트를 구현하기 위해 본원 명세서에서 설명된 접근 방식은 임의의 수의 제어(예를 들면, 둘 이상의 제어)에 적용할 수 있으며, 더 작은 크기를 기본 연산으로서 사용하지만 제한된 수의 제어가 있는 다른 접근 방식보다 더 유연할 수 있다.
완전히 연결된 이온 트랩 프로세서를 통해 본원 명세서에서 설명된 기술을 수행하면 추가적인 이점이 있을 수 있다. 모든 이온이 결합되는 지그재그 모드와 같은 모드를 사용하는 경우, 게이트를 실행하는 비용이 n의 함수로 증가하지만, 본원 발명에서 설명된 접근 방식은 이 같은 n + 1 큐비트가 양자 컴퓨터 또는 양자 정보 처리 시스템 내에서 어떻게 분포되는지에 거의 독립적일 것이라는 점에서 거의 “플랫” 비용(또는 자원)으로 임의의 n-제어된 Z 게이트를 구현하는 것이 가능하다.
또한 양자 컴퓨터 또는 양자 정보 처리 시스템은 모듈식일 수 있다. 즉, 큐비트의 여러 모듈을 가질 수 있다. 이 같은 모듈식 시스템의 예는 "소프트웨어 정의 양자 컴퓨터(Software-Defined Quantum Computer)"라는 제목의 미국 특허 출원 번호 16/199,993에 설명되어 있으며 2018년 11월 26일에 출원되었으며, 그 내용은 본원 명세서에 참조로 포함된다. 수행되어야 하는 문제 또는 응용 프로그램의 크기가 단일 모듈 내에서 처리할 수 있는 큐비트 수보다 클 때 모듈 간에 일부 큐비트를 "텔레포트"하는 것이 가능할 수 있으며, "부울 절(clauses)"의 크기가 다음과 같은 한 모듈 내의 큐비트 수보다 작은 동안은(따라서 n-제어된 NOT 또는 n-제어된 Z 게이트로 구현될 수 있음) 알고리즘을 효율적으로 구현할 수 있다.
위에서 설명한 알고리즘 외에도, 다른 응용 프로그램에는 예를 들어 덧셈 또는 곱셈과 같은 산술 사용이 포함된다. 정수 산술은 고전적인 컴퓨터가 잘하는 일이다. 그러나 예를 들어 잘 알려진 쇼어의 팩토링 알고리즘의 일반화인 이산 로그 문제를 해결하기 위해 양자 컴퓨터에서 산술을 수행해야 하는 경우가 있다. 쇼어의 팩토링 알고리즘에는 그 와 같은 결과가 양자 푸리에 변환(QFT) 연산에 적용하기 전에 먼저 수행해야 하는 많은 산술 연산이 있다. Shor의 팩토링 알고리즘에 대한 산술 연산은 양자 접근 방식을 사용하여 수행되어야 하며, 이 같은 양자 연산 회로에는 일반적으로 NOT 게이트, 제어된- NOT 게이트 및 제어된-제어된-NOT 게이트가 포함된다.
본원 발명내용에서 사용된 바와 같이, 제어된-제어된-NOT 게이트 및 제어된-제어된--Z 게이트는 유사하거나 동등한 게이트(타겟에 적용된 2개의 Hadamard 게이트 내)로 간주될 수 있으며, 위에서 언급한 바와 같이 제어된-제어된-NOT 게이트는 일반적으로 토폴리 게이트라고 한다. 토폴리 게이트의 다재 다능한 측면 중 하나는 가역적 전통적인 컴퓨팅에서 보편적인 게이트이기 때문에 모든 전통적인 알고리즘을 작성하는 데 사용할 수 있다는 것이다. 따라서 토폴리 게이트는 양자 회로의 일부가 가역적인 고전적 연산에 의해 및/또는 가역적인 전통적 연산을 기반으로 하는 경우 양자 컴퓨팅 컨텍스트에서 사용되는 경향이 있다. 따라서 가역적 고전적 연산을 기반으로 적어도 일부가 있는 양자 회로에는 이 같은 유형의 멀티-큐비트 게이트가 있다. 이 같은 가역 회로의 몇 가지 예에는 가역 논리 회로, 특히 최소화 또는 매핑 문제에 적용될 수 있는 리드-뮐러(Reed-Muller) 종류가 포함된다.
양자 산술 회로에서 멀티-큐비트 게이트를 사용하는 것 외에, 이 같은 유형의 게이트는 양자 오류 정정 코드 및 그 증류 회로(distillation circuits)에서도 사용될 수 있다.
본원 발명에서 설명된 멀티-큐비트 게이트의 다른 응용은 재료의 다양한 특성을 모델링하거나 시뮬레이션하는 데 사용되는 것과 같은 양자 시뮬레이션을 포함한다. 일부 재료 시뮬레이션에는 양자 입자 간의 강력한 상관 관계(예를 들면, 핵 물리학의 유효 작용력) 모델링이 포함되기 때문에 멀티-큐비트 게이트는 다중 입자 간의 상호 작용을 시뮬레이션하는 알고리즘의 일부로 사용될 수 있다.
본원 발명에서 설명된 멀티-큐비트 게이트의 또 다른 애플리케이션은 유니터리 또는 양자 신호 처리 알고리즘의 선형 조합을 사용하는 해밀턴 시뮬레이션에 일반적으로 사용되는 Select-V 게이트를 포함한다. 그것들은 점근적으로 최고의 시뮬레이션 알고리즘이며, 직접 구현하는 데 사용될 수도 있다.
시각적 추적을 위해 Toeplitz 및 Hankel 행렬 또는 순환 행렬과 그 변형을 직접 구현하는 데 사용될 수도 있다. Select-V 게이트 구현에는 멀티-큐비트 또는 멀티-제어 게이트를 사용해야 한다. 그러나 이 같은 알고리즘의 대부분은 내결함성(fault tolerance)을 가정한다.
도 4는 상기 설명한 바와 같이 CZ 프로토콜의 수정된 버전을 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현하고 멀티-큐비트 게이트를 사용하는 하나 이상의 알고리즘을 수행하도록 구성된 컴퓨터 장치(400)의 예를 도시한다. 한 특징에서, 컴퓨터 장치(400)는 본원 명세서에서 설명된 하나 이상의 특징과 연관된 프로세싱 기능을 수행하기 위한 프로세서(410)를 포함할 수 있다. 상기 프로세서(410)는 단일 또는 다중 세트의 프로세서 또는 멀티 코어 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(410)는 통합 처리 시스템 및/또는 분산 처리 시스템으로 구현될 수 있다. 상기 프로세서(410)는 중앙 처리 장치(CPU), 양자 처리 장치(QPU), 그래픽 처리 장치(GPU), 또는 이들 프로세서의 조합을 포함할 수 있다. 한 특징에서, 프로세서(410)는 컴퓨터 장치(400)의 일반 프로세서를 지칭할 수 있으며, 이는 멀티-큐비트 게이트의 구현을 가능하게 하고 그와 같은 게이트로 다양한 알고리즘을 수행하기 위한 기능과 같은 보다 구체적인 기능을 수행하기 위해 추가 프로세서(410)를 또한 포함할 수 있다.
한 예에서, 컴퓨터 장치(400)는 본원 명세서에서 설명된 기능을 수행하기 위해 프로세서(410)에 의해 실행 가능한 명령어를 저장하기 위한 메모리(420)를 포함할 수 있다. 한 구현 예에서, 예를 들어, 메모리(420)는 본원 명세서에 설명된 기능 또는 동작 중 하나 이상을 수행하기 위한 코드 또는 명령을 저장하는 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 대응할 수 있다. 일 예에서, 메모리(420)는 도 5와 관련하여 아래에서 설명되는 방법(500)의 특징들을 수행하기 위한 명령들을 포함할 수 있다. 프로세서(410)와 마찬가지로, 메모리(420)는 컴퓨터 장치(400)의 일반 메모리를 지칭할 수 있으며, 이는 또한 명령어 및/또는 멀티-큐비트 게이트 구현을 위한 데이터와 같은 보다 특정한 기능을 위한 명령어 및/또는 데이터를 저장하기 위한 추가 메모리(420)를 포함할 수 있으며, 게이트를 동적 상태로 유지하고, 해당 게이트를 기반으로 알고리즘을 수행하도록 한다.
또한, 컴퓨터 장치(400)는 하드웨어, 소프트웨어 및 서비스를 이용하여 하나 이상의 당사자와의 통신을 설정하고 유지하기 위해 제공하는 통신 구성요소(430)를 포함할 수 있다. 상기 통신 구성요소(430)는 컴퓨터 장치(400) 상의 구성요소들 사이에서뿐만 아니라 컴퓨터 장치(400)와 통신 네트워크에 걸쳐 위치한 장치 및/또는 컴퓨터 장치(400)에 직렬로 또는 국부적으로 연결된 장치와 같은 외부 장치 사이에서 통신을 전달할 수 있다. 상기 통신 구성요소(430)는 하나 이상의 버스를 포함할 수 있고, 외부 장치와 인터페이싱하도록 동작 가능한 송신기 및 수신기 각각과 연결된 송신 체인 구성요소 및 수신 체인 구성요소를 더욱 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨터 장치(400)는 본원 명세서에서 설명된 구현과 관련하여 사용되는 정보, 데이터베이스 및 프로그램의 대량 저장을 제공하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 임의의 적절한 조합일 수 있는 데이터 저장소(440)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장소(440)는 운영 체제(460)(예를 들어, 클래식 OS 또는 양자 OS)를 위한 데이터 저장소일 수 있다. 일 구현 예에서, 데이터 저장소(440)는 메모리(420)를 포함할 수 있다.
컴퓨터 장치(400)는 또한 컴퓨터 장치(400)의 사용자로부터 입력을 수신하도록 동작가능하고 사용자에게 제시하기 위한 출력을 생성하거나 다른 시스템에 (직접적으로 또는 간접적으로) 제공하도록 추가로 동작 가능한 사용자 인터페이스 컴포넌트(450)를 포함할 수 있다. 상기 사용자 인터페이스 구성요소(450)는 키보드, 숫자 패드, 마우스, 터치 감지 디스플레이, 디지타이저, 탐색 키, 기능 키, 마이크, 음성 인식 구성요소, 사용자로부터 입력을 수신할 수 있는 기타 메커니즘, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 입력 장치를 포함할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스 구성요소(450)는 디스플레이, 스피커, 햅틱 피드백 메커니즘, 프린터, 사용자에게 출력을 제공할 수 있는 임의의 다른 메커니즘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 출력 장치를 포함할 수 있다.
한 구현 예에서, 사용자 인터페이스 컴포넌트(450)는 운영 체제(460)의 동작에 대응하는 메시지를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(410)는 운영 체제(460) 및/또는 애플리케이션, 프로그램, 또는 알고리즘을 실행할 수 있다. 상기 메모리(420) 또는 데이터 저장소(440)는 이들을 저장할 수 있다.
컴퓨터 장치(400)가 클라우드 기반 인프라 솔루션의 일부로서 구현될 때, 사용자 인터페이스 컴포넌트(450)는 클라우드 기반 인프라 솔루션의 사용자가 컴퓨터 장치(400)와 원격으로 상호작용할 수 있도록 하는 데 사용될 수 있다.
도 5는 이온 트랩을 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 방법(500)의 예를 예시하는 흐름도이다. 일 특징에서, 상기 방법(500)은 위에서 설명된 컴퓨터 시스템(400)과 같은 컴퓨터 시스템에서 수행될 수 있으며, 여기서 예를 들어, 프로세서(410), 메모리(420), 데이터 저장소(440), 및/또는 운영 체제(460)는 상기 방법(500)의 기능을 수행하도록 사용될 수 있다. 유사하게, 방법(500)의 기능은 QIP 시스템(605) 그리고 그 구성요소와 같은 QIP 시스템의 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 구성요소(615), 광학 제어기(620), 이온 트랩(670), 및/또는 알고리즘 구성요소(610) 및 그 하위 구성요소)에 의해 수행될 수 있다.
도면 부호(510)에서, 상기 방법(500)은 3개의 에너지 레벨(예를 들어, 큐비트 상태
Figure pct00030
및 보조 상태
Figure pct00031
)을 포함하는 이온 트랩에서 이온(예를 들어, 원자 이온(220))을 활성화하는 단계를 포함한다.
도면 부호(520)에서, 상기 방법(500)은 이온 트랩 내의 이온과 함께 운동의 기저 상태에서 낮은 가열 속도 운동 모드(예를 들어, 도 2b의 다이어그램(200b)에서 지그재그 모드)를 활성화 하는 단계를 포함한다.
도면 부호(530)에서, 상기 방법(500)은 CZ 프로토콜의 운동 상태로서 낮은-발열 속도 운동 모드를 사용하고 CZ 프로토콜(예를 들어, 실제 구현을 위한 CZ 프로토콜의 수정된 버전)의 보조 상태로서 에너지 레벨들 중 하나를 사용하여 CZ 프로토콜을 수행하는 단계를 포함한다. CZ 프로토콜을 수행함에는 멀티-큐비트 게이트 구현이 포함된다. 멀티-큐비트 게이트는 예를 들어 이온 트랩에 있는 이온의 적어도 하위 집합을 사용하여 구현될 수 있다.
상기 방법(500)의 한 특징에서, 멀티-큐비트 게이트는 단일 네이티브 게이트 연산이다. 멀티-큐비트 게이트는 멀티-제어 큐비트 게이트일 수 있다. 멀티-큐비트 게이트는 n-제어된 Z 게이트 또는
Figure pct00032
게이트일 수 있다.
상기 방법(500)의 또 다른 특징에서, 낮은 가열 속도 운동 모드는 지그재그 모드이다. 낮은 발열 속도 운동 모드는 트랩핑된 이온 시스템의 모든 이온이 강하게 결합되는 모드일 수 있으며, 낮은 발열 속도 운동 모드는 배경 전계 노이즈의 공간 주파수 프로파일과 다른 공간 주파수 프로파일을 가질 수 있다. . 이 같은 예에서, 이 같은 모드가 제공하는 모든(all-to-all) 연결을 통해 체인의 임의의 큐비트 집합 간에 n-제어된 Z(또는 n-제어된 NOT) 게이트를 구현할 수 있도록 한다.
선택적인 접근 방법으로, 특정 큐비트 세트 중에서 이 섹션에서 설명된 멀티-큐비트 게이트의 구현은 게이트의 모든 큐비트를 효과적으로 결합하지만, 이 같은 게이트에 참여하지 않는 다른 큐비트는 결합하지 않는 다른 모션 모드를 활용할 수 있다. 즉, 선택되거나 선택되는 모션 모드는 게이트가 적용되는 이온 세트에 따라 다르다. 예를 들어, 게이트가 17 이온 체인에서 이온 1, 3, 16 및 17을 포함하는 경우, 이 같은 4개의 이온이 강하게 결합하지만 일부 이온은 잘 결합하지 않는 "록킹" 모드를 사용할 수 있다. 이것은 게이트에 참여하지 않는 다른 이온의 여기를 관리하거나 최소화하는 데 도움이 된다. 이 같은 모드 선택이 모든 이온 세트에 대해 보편적인 것은 아니지만, 여기서 요점은 게이트에 포함된 이온 세트에 따라 다른 모드를 사용할 수 있다는 것이다.
본 발명 방법(500)의 다른 특징에서, 본 발명 방법(500)은 게이트가 적용되는 이온에 기초하여 낮은 가열 속도 운동 모드를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택된 낮은 가열 속도 운동 모드는 구현되는 게이트에 사용되는 체인 또는 결정(cristal)의 이온에 따라 로킹 모드 또는 지그재그 모드가 될 수 있다.
본 발명 방법(500)의 다른 특징에서, 보조 상태는 Zeeman 기저 상태(예를 들어, Zeeman 레벨) 또는 준 안정 여기 상태(예를 들어, D 레벨) 중 하나이다.
본 발명 방법(500)의 다른 특징은 제1 방향으로 단일의 넓은 광학 빔 그리고 제2 방향으로 이온의 서브세트 내 이온 각각에 대한 개별 광학 빔을 사용하여 이온의 서브세트를 제어함으로써 이온 트랩 내의 이온의 적어도 서브세트를 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현하는 것을 포함한다. 상기 제 1 방향 및 제 2 방향은 반대 방향(180도)이거나 제1 및 제2 방향은 수직 또는 법선 방향(90도)이다.
본원 방법(500)의 다른 특징은 운동 모드에서 주파수 드리프트를 보상하기 위해 이온의 서브세트에 인가된 광학 빔을 변조함으로써 이온 트랩 내의 이온의 적어도 서브세트를 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현하는 것을 포함한다. 상기 변조는 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 위상 변조(PM) 또는 이 세 가지의 조합일 수 있다. 더욱이, 상기 변조는 하나 이상의 AOM(예를 들어, AOM(645))에 의해 수행될 수 있다.
본원 방법(500)의 다른 특징은 이온의 서브세트를 제어하기 위해 광학 빔을 사용하거나 적용함으로써 이온 트랩 내에서 이온의 적어도 서브세트를 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현하고 광선 강도 드리프트를 줄이기 위해 광학 빔의 광선 강도에 펄스 보상을 적용하거나 수행하는 것을 포함한다.
본원 방법은 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 하나 이상의 알고리즘을 수행함을 더욱 포함한다. 하나 이상의 알고리즘은 그로버 알고리즘을 포함하며, 그로버 알고리즘 중 하나 이상의 오라클은 멀티-큐비트를 사용하여 실현된다. 상기 하나 이상의 알고리즘은 QAOA를 포함할 수 있고, QAOA의 하나 이상의 부울 절 조건은 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현된다.
하나 이상의 알고리즘은 쇼어의 팩토링 알고리즘을 포함할 수 있으며, 그리고 쇼어의 팩토링 알고리즘 하나 이상의 연산 회로는 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현되고, 상기 멀티-큐비트 게이트는 NOT 게이트, 제어된-NOT 게이트, 또는 제어된-제어된-NOT 게이트 중 하나이다. 하나 이상의 알고리즘은 양자 시뮬레이션(예를 들면, 재료 시뮬레이션)을 포함하고, 양자 시뮬레이션의 일부로 수행되는 멀티-바디 상호작용 중 적어도 하나는 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 수행된다. 하나 이상의 알고리즘은 해밀토니안 시뮬레이션을 포함할 수 있고, 해밀턴 시뮬레이션의 Select-V 게이트는 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현된다.
도 6a는 본원 발명의 특징들에 따른 QIP 시스템(605)의 예를 예시하는 블록도(600)이다. QIP 시스템(605)은 또한 양자 컴퓨팅 시스템, 양자 컴퓨터, 컴퓨터 장치 등으로 지칭될 수 있다. 본원 발명의 일 특징에서, QIP 시스템(605)은 도 4의 컴퓨터 장치(400)의 양자 컴퓨터 구현의 부분들에 대응할 수 있다.
QIP 시스템(605)은 광학 제어기(620)에 의해 일단 이온화된(예를 들어, 광 이온화된) 원자 종을 트랩하는 이온 트랩(670)을 갖는 챔버(650)에 원자 종(예를 들어, 중성 원자의 플럭스)을 제공하는 소스(660)를 포함할 수 있다. 일정 구현에서, 상기 소스(660)는 챔버(650) 내부에 있다. 상기 이온 트랩(670)은 선형 결정(도 2a의 다이어그램(200a)에 도시된 바와 같이)에서 이온을 포획하는 데 사용될 수 있다. 광학 제어기(620) 내의 광원(630)은 원자 종의 이온화, 원자 이온의 제어(예를 들어, 위상 제어)에 사용될 수 있는, 광학 제어기(620)의 이미징 시스템(640)에서 작동하는 이미지 처리 알고리즘에 의해 모니터링 및 추적될 수 있는 원자 이온의 형광을 위해 사용될 수 있는, 하나 이상의 레이저 또는 광학 빔 소스를 포함할 수 있으며, CZ 프로토콜의 수정 및 기타 위에 설명된 것과 같은 멀티-큐비트 게이트(675)와 상호 작용을 사용하여, 멀티-큐비트 게이트(675)의 구현과 관련된 광학 제어 기능을 수행한다. 본원 발명의 한 특징에서, 광학 소스(630)는 광학 제어기(620)와 별도로 구현될 수 있다.
이미징 시스템(640)은, 원자 이온이 이온 트랩으로 제공되는 동안 또는 이온 트랩(670)에 제공된 후에 원자 이온을 모니터링하기 위한 고해상도 이미저(예를 들어, CCD 카메라)를 포함할 수 있다. 상기 이미징 시스템(640)은 광학 제어기(620)와 별도로 구현될 수 있지만, 이미지 처리 알고리즘을 사용하여 원자 이온을 검출, 식별 및 라벨링하기 위한 형광의 사용은 광학 제어기(620)와 조정될 필요가 있다.
음향 광학 변조기(들), AOM(들)(645)은 광원(630)에 의해 생성된 레이저 또는 광학 빔의 변조를 수행하는 데 사용될 수 있다. 상기 변조는 AM, FM, PM, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있으며, 위에서 논의한 바와 같이 모드 주파수의 드리프트를 상쇄하거나 보상하기 위해 적어도 부분적으로 사용될 수 있다.
QIP 시스템(605)은 또한 QIP 시스템(605)(도시되지 않음)의 다른 부분과 함께 동작하여 단일 큐비트 연산 또는 멀티-큐비트 연산 및 확장된 양자 계산을 포함하는, 양자 알고리즘 또는 양자 연산을 수행할 수 있는 알고리즘 구성요소(610)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 알고리즘 컴포넌트(610)는 양자 알고리즘 또는 양자 연산의 구현을 가능하게 하고 결과적으로 본 명세서에 설명된 다양한 기술을 구현하기 위해 QIP 시스템(605)의 다양한 구성요소(예를 들어, 광학 제어기(620))에 명령을 제공할 수 있다
QIP 시스템(605)은 또한 QIP 시스템(605)의 다른 부분에 적절한 지시, 명령 및/또는 정보를 제공하여 적절한 운동 상태 및 멀티-큐비트 게이트를 구현하는 데 필요한 기타 조건을 가능하게 할 수 있는 구성 컴포넌트(615)를 포함할 수 있다. 수정된 버전의 CZ 프로토콜을 사용하여 상기 멀티-큐비트 게이트를 구현하고 그리고 다음에 이 같은 방식으로 구현된 멀티-큐비트 게이트를 다양한 알고리즘에서 사용한다.
따라서, 구성 컴포넌트(615)는 알고리즘 및 알고리즘에 대해 구현될 멀티-큐비트 게이트의 유형을 식별하기 위해 알고리즘 컴포넌트(610)와 통신할 수 있으며, 수정된 버전의 CZ 프로토콜로 수행될 동작과 관련하여 광학 제어기(620)와 통신할 수 있고, 뿐만 아니라 광학 어드레싱 방식을 위해, 그리고 모드 주파수 및/또는 광선 강도 드리프트를 처리하는 기술을 수행하기 위해, 그리고 운동 상태를 설정하기 위해 적절한 조건을 가능하게 하고, 운동 상태와의 상호 작용을 수행하기 위해 챔버(650)/이온 트랩(670)과 통신할 수 있다. 일정 구현 예에서, 구성 구성요소(615)는 별도의 구성요소일 필요가 없으며 QIP 시스템(605)의 다른 구성요소에 적어도 부분적으로 통합될 수 있다. 일정 구현 예에서, 상기 구성 구성요소(615)는 실행 가능한 명령으로 위에서 설명한 다양한 기능을 수행하기 위해 하드웨어 프로세서로서 구현될 수 있다.
도 6b는 알고리즘 컴포넌트(610)의 적어도 일부를 도시한다. 이 예에서, 알고리즘 컴포넌트(610)는 상이한 알고리즘의 동작을 지원하기 위해 상이한 서브컴포넌트를 포함할 수 있다. 이들 서브컴포넌트 각각은 QIP 시스템(605)에서 특정 알고리즘의 성능과 관련된 정보를 수신, 저장 및/또는 액세스할 수 있으며, 특정 알고리즘의 성능을 위해 구현될 멀티-큐비트 게이트의 유형과 관련된 정보를 포함한다. 일정 구현 예에서, 알고리즘 컴포넌트(610)는 전술한 바와 같은 그로버 알고리즘의 성능에 대한 정보를 갖는 그로버 알고리즘 컴포넌트(611)를 포함할 수 있다. 일정 구현 예에서, 알고리즘 컴포넌트(610)는 위에서 설명된 바와 같이 QAOA의 성능을 위한 정보를 갖는 QAOA 컴포넌트(612)를 포함할 수 있다. 일정 구현 예에서, 알고리즘 컴포넌트(610)는 전술한 바와 같은 쇼어의 팩토링 알고리즘의 성능에 대한 정보를 갖는 쇼어의 팩토링 알고리즘 컴포넌트(613)를 포함할 수 있다. 일정 구현 예에서, 상기 알고리즘 컴포넌트(610)는 위에서 설명된 바와 같은 에러 정정 코드의 성능을 위한 정보를 갖는 에러 정정 컴포넌트(614)를 포함할 수 있다. 일정 구현 예에서, 상기 알고리즘 컴포넌트(610)는 전술한 바와 같은 양자 시뮬레이션의 성능을 위한 정보를 갖는 n-바디 상호작용 양자 역학 시뮬레이션 컴포넌트(615)를 포함할 수 있다. 일정 구현 예에서, 알고리즘 컴포넌트(610)는 위에서 설명된 바와 같이 해밀토니안 시뮬레이션의 성능에 대한 정보를 갖는 해밀토니안 시뮬레이션 컴포넌트(616)를 포함할 수 있다.
비록 본원 발명이 도시된 구현 예들에 따라 제공되었지만, 당업자는 실시예들에 대한 변형이 있을 수 있고 그러한 변형이 본원 발명의 범위 내에 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 많은 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (33)

  1. 이온 트랩을 이용한 멀티-큐비트 게이트 구현 방법에 있어서,
    세 가지 에너지 준위를 포함하는 이온 트랩 내 이온을 활성화하는 단계;
    이온 트랩 내의 이온과 함께 바닥 운동 상태에서 낮은 가열 속도 운동 모드를 가능하게 하는 단계; 그리고
    시라크와 졸러(Cirac and Zoller)(CZ) 프로토콜의 운동 모드로서 낮은 히팅 속도 운동 모드를 사용하고 CZ 프로토콜의 보조 상태로서 에너지 레벨 중 하나를 사용하여 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜을 수행하는 단계를 포함하는, 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멀티-큐비트 게이트가 이온 트랩 내 이온 하부 세트를 사용하여 구현됨을 특징으로 하는, 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멀티-큐비트 게이트가 단일 게이트 네이티브 연산임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 멀티-큐비트 게이트가 멀티-컨트롤 큐비트 데이트임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  5. 제1항에 있어서, 싱기 멀티-큐비트 게이트가 n-제어된 Z 게이트 또는
    Figure pct00033
    게이트임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 낮은 히팅 속도 운동 모드가 지그-재그 모드임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  7. 제1항에 있어서, 게이트가 적용되는 이온에 기초하여 낮은 히팅 속도 운동 모드를 선택함을 더욱 포함함을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  8. 제7항에 있어서, 선택된 낮은 히팅 속도 운동 모드가 록킹 모드 또는 지그 재그 모드임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  9. 제1항에 있어서, 낮은 히팅 속도 운동 모드가 트랩핑된 이온 시스템 내 모든 이온이 연결되는 모드이며, 상기 낮은 히팅 속도 운동 모드가 백그라운드 전장 잡음의 공간 주파수 프로파일과는 다른 공간 주파수 프로파일을 가짐을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 보조 상태가 제만 상태(Zeeman states) 또는 메타-안정 여기 상태 중 하나임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  11. 제1항에 있어서, 이온 트랩 내 이온의 적어도 한 서브세트를 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현함이 광학 어드레싱 기법을 사용하는 이온 서브세트를 컨트롤함을 포함하며, 상기 광학 어드레싱 기법이 제1 방향으로 단일, 브로드 광학 비임 그리고 이온 서브세트 내 이온 각각에 대하여 제2 방향으로 한 개별 광학 비임을 포함함을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 방향이 반대 방향이거나 상기 제1 및 제2 방향이 직각 또는 수직 방향임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  13. 제1항에 있어서, 이온 트랩 내 이온의 적어도 서브세트가 이온 서브세트에 적용된 광학 비임을 변조하여 이동 모드에 있는 주파수 드리프트를 보상하도록 함을 포함함을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 변조가 증폭 변조, 주파수 변조, 위상 변조 또는 이들 세 변조의 임의의 조합을 포함함을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 변조가 하나 이상의 음향 광학 변조(AOMs)에 의해 수행됨을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  16. 제1항에 있어서, 이온 트랩 내 이온의 적어도 서브세트가 이온의 서브세트를 제어하기 위해 광학 비임을 사용하고 그리고 광선 강도 드리프트를 줄이기 위해 광학 비임의 광선 강도에 펄스 보상을 적용함을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  17. 제1항에 있어서, 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 하나 이상의 알고리즘을 수행함을 더욱 포함함을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  18. 제17항에 있어서, 하나 이상의 알고리즘이 그로버 알고리즘을 포함하고 , 상기 그로버 알고리즘의 하나 이상의 오라클이 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  19. 제17항에 있어서, 하나 이상의 알고리즘이 퀀텀 근사 최적화 알고리즘(QAOA)이고, 상기 QAOA의 하나 이상의 부울 절 조건이 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  20. 제17항에 있어서, 하나 이상의 알고리즘이 쇼어의 팩토링 알고리즘이고, 상기 쇼어의 팩토링 알고리즘의 하나 이상의 연산 회로가 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  21. 제20항에 있어서, 멀티-큐비트 게이트가 NOT 게이트, 제어된-NOT 게이트, 또는 제어된-제어된-NOT 게이트, 또는 n-제어된 NOT (C n -NOT) 게이트임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  22. 제17항에 있어서, 하나 이상의 알고리즘이 에러 교정 알고리즘을 포함하고, 상기 에러 교정 알고리즘의 증류 회로(distillation circuits)가 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  23. 제17항에 있어서, 하나 이상의 알고리즘이 퀀텀 시뮬레이션을 포함하며, 상기 퀀텀 시뮬레이션 일부가 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 수행됨을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  24. 제17항에 있어서, 하나 이상의 알고리즘이 해밀토니안 시뮬레이션이고, 상기 해밀토니안 시뮬레이션의 선택-V 게이트가 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트 구현 방법.
  25. 이온 트랩 내 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템으로서,
    3 개 에너지 레벨을 포함하는 다중 이온이 있는 이온 트랩;
    이온 트랩 내의 이온을 제어하도록 구성된 광학 제어기;
    구성 구성요소로서,
    이온 트랩 내의 이온으로 바닥 운동 상태에서 낮은 가열 속도 운동 모드를 활성화하고; 그리고
    적어도 광 컨트롤러와 함께, 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜의 운동 상태로서 낮은 히팅 속도 운동 모드를 사용하고, CZ 프로토콜의 보조 상태로서 에너지 레벨 중 하나를 사용하여, 시라크와 졸러(CZ) 프로토콜을 수행하도록 구성된 구성 요소 -상기 CZ 프로토콜은 이온 트랩에 있는 이온의 적어도 서브세트를 사용하여 멀티-큐비트 게이트를 구현함- 를 포함하는, 이온 트랩 내 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 멀티-큐비트 게이트가 단일 게이트 네이티브 연산임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 상기 멀티-큐비트 게이트가 n- 제어된 Z 게이트 또는
    Figure pct00034
    게이트 임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
  28. 제25항에 있어서, 낮은 히팅 속도 운동 모드가 지그-재그 모드임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
  29. 제25항에 있어서, 상기 낮은 히팅 속도 운동 모드가 트랩핑된 이온 내 모든 이온이 연결되는 모드이며, 상기 낮은 히팅 속도 운동 모드가 백그라운드 전장 잡음의 공간 주파수 프로파일과는 다른 공간 주파수 프로파일을 가짐을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
  30. 제25항에 있어서, 상기 보조 상태가 제만 상태 또는 메타-안정 여기 상태임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
  31. 제25항에 있어서, 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 하나 이상의 알고리즘을 수행하도록 구성된 알고리즘 컴포넌트를 더욱 포함함을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 상기 알고리즘 구성요소는 다음 중 하나 이상을 수행하도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템:
    그로버 알고리즘 및 그로버 알고리즘의 하나 이상의 오라클이 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨;
    퀀텀 근사 최적화 알고리즘(Quantum approximation Optimization algorithm, QAOA) 및 상기 QAOA의 하나 이상의 부울 절 조건이 멀티-큐비트 게이트를 이용하여 구현됨;
    쇼어의 팩토링 알고리즘(Shor's factoring algorithm) 및 쇼어의 팩토링 알고리즘의 하나 이상의 연산 회로가 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨;
    오류 정정 알고리즘 및 오류 정정 알고리즘의 증류 회로는 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨;
    퀀텀 시뮬레이션, 및 퀀텀 시뮬레이션의 일부로서 수행되는 멀티 바디 상호작용 중 적어도 하나가 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 수행됨; 또는
    해밀토니안 시뮬레이션 및 해밀토니안 시뮬레이션의 선택-V 게이트는 멀티-큐비트 게이트를 사용하여 구현됨;
  33. 제25항에 있어서, 시스템이 퀀텀 정보 프로세싱(QIP) 시스템임을 특징으로 하는 멀티-큐비트 게이트를 구현하기 위한 시스템.
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