RU2538296C2 - Method of determining qubit state - Google Patents

Method of determining qubit state Download PDF

Info

Publication number
RU2538296C2
RU2538296C2 RU2013115888/08A RU2013115888A RU2538296C2 RU 2538296 C2 RU2538296 C2 RU 2538296C2 RU 2013115888/08 A RU2013115888/08 A RU 2013115888/08A RU 2013115888 A RU2013115888 A RU 2013115888A RU 2538296 C2 RU2538296 C2 RU 2538296C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
qubit
state
reading
radiation
basis
Prior art date
Application number
RU2013115888/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013115888A (en
Inventor
Ринат Абдулхаевич Ахмеджанов
Александр Анатольевич Бондарцев
Лев Анатольевич Гущин
Илья Владимирович Зеленский
Александр Григорьевич Литвак
Дмитрий Алексеевич Собгайда
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)
Priority to RU2013115888/08A priority Critical patent/RU2538296C2/en
Publication of RU2013115888A publication Critical patent/RU2013115888A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2538296C2 publication Critical patent/RU2538296C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: method based on reading of a qubit in several different measurement bases, comprising the impact on the qubit with electromagnetic radiation on transitions between levels of the qubit and some auxiliary level. To read the qubit in the necessary measurement basis, the qubit is affected with bichromatic radiation, the spectral components of which are resonant to transitions from the levels of the qubit to the auxiliary level, the intensity and phases of the spectral components of the bichromatic radiation are set so that to highlight the measurement basis necessary for reading the qubit. The result of reading is determined by recording the excitation of the qubit to the auxiliary level.
EFFECT: increase in measurement accuracy, reduction of measurement time.
4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к компьютерным системам, основанным на специфических вычислительных моделях, в частности к квантовым компьютерам и оптическим логическим элементам, и может быть использовано для полного определения состояния кубита.The invention relates to computer systems based on specific computational models, in particular to quantum computers and optical logic elements, and can be used to fully determine the state of a qubit.

В качестве базовых элементов квантового компьютера в настоящее время предлагается использовать кубиты - квантовые системы с двумя базисными состояниями |0> и |1>. В отличие от обычного цифрового компьютера, в котором минимальная единица информации - бит может принимать только два значения, «0» и «1», кубит может находиться как в состояниях |0> и |1>, так и в произвольном суперпозиционном состоянии:As the basic elements of a quantum computer, it is currently proposed to use qubits - quantum systems with two basis states | 0> and | 1>. Unlike a conventional digital computer, in which the smallest unit of information is a bit, it can take only two values, “0” and “1”, the qubit can be both in the states | 0> and | 1>, and in an arbitrary superposition state:

| ψ = α | 0 + β | 1 , ( 1 )

Figure 00000001
| ψ = α | 0 + β | one , ( one )
Figure 00000001

где α и β - комплексные числа, связанные условием:where α and β are complex numbers related by the condition:

| α | 2 + | β | 2 = 1 ( 2 )

Figure 00000002
| α | 2 + | β | 2 = one ( 2 )
Figure 00000002

(см., например, М.Нильсен, И.Чанг «Квантовые вычисления и квантовая информация». М.: Мир, 2009, 33-37).(see, for example, M. Nielsen, I. Chang, “Quantum computing and quantum information.” M: Mir, 2009, 33-37).

Выражение (1) называется разложением состояния |ψ〉 по базису состояний |0> и |1>, а числа α и β - проекциями состояния |ψ〉 на состояния |0> и |1> соответственно. В качестве базиса можно выбрать отличную от |0> и |1> пару состояний |0′> и |1′> (каждая из которых представляет суперпозицию состояний |0> и |1>) и аналогично (1) разложить состояние по базису состояний |0′> и |1′>:Expression (1) is called the expansion of the state | ψ〉 in terms of the states | 0> and | 1>, and the numbers α and β are the projections of the state | ψ〉 on the states | 0> and | 1>, respectively. As a basis, one can choose a pair of states | 0 ′> and | 1 ′> that are different from | 0> and | 1> (each of which represents a superposition of states | 0> and | 1>) and, similarly to (1), expand the state into a basis of states | 0 ′> and | 1 ′>:

| ψ = α ' | 0 ' + β ' | 1 ' , ( 3 )

Figure 00000003
| ψ = α '' | 0 '' + β '' | one '' , ( 3 )
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000004

где α′ и β′ - комплексные числа, связанные, как и α и β, условием:where α ′ and β ′ are complex numbers related, like α and β, by the condition:

| α ' | 2 + | β ' | 2 = 1 . ( 4 )

Figure 00000005
| α '' | 2 + | β '' | 2 = one . ( four )
Figure 00000005

Для реализации квантовых вычислений необходимо обеспечить: инициализацию начального состояния кубита (загрузку данных), унитарные преобразования над кубитами (реализацию алгоритма вычислений) и считывание конечного состояния кубита (считывание результатов вычислений) (см., например, М.Нильсен, И.Чанг «Квантовые вычисления и квантовая информация». М.: Мир, 2009, 347-349).To implement quantum computing, it is necessary to provide: initialization of the initial state of the qubit (data loading), unitary transformations over qubits (implementation of the calculation algorithm) and reading of the final state of the qubit (reading the results of calculations) (see, for example, M. Nielsen, I. Chang “Quantum computing and quantum information. ”M.: Mir, 2009, 347-349).

Считывание кубита представляет собой квантовое измерение. Широко распространенным классом квантовых измерений являются проективные измерения. В этом случае квантовое измерение описывается набором определенных ортонормированных состояний (в случае кубита - набором из двух ортонормированных состояний), называемым измерительным базисом. Если представить состояние кубита |ψ〉 в виде разложения по измерительному базису |m> и |n>:Qubit reading is a quantum measurement. A widespread class of quantum measurements are projective measurements. In this case, a quantum measurement is described by a set of certain orthonormal states (in the case of a qubit, by a set of two orthonormal states), called a measuring basis. If we imagine the qubit state | ψ〉 as an expansion in the measuring basis | m> and | n>:

| ψ = c m | m + c n | n , ( 5 )

Figure 00000006
| ψ = c m | m + c n | n , ( 5 )
Figure 00000006

то в результате процедуры квантового измерения кубит с вероятностью |сm|2 будет обнаружен в состоянии |m〉 и с вероятностью |сn|2 в состоянии |n〉. В этом случае говорят о квантовом измерении в измерительном базисе |m〉, |n〉 и, соответственно, о считывании кубита в измерительном базисе |m>, |n> (см., например, М.Нильсен, И.Чанг «Квантовые вычисления и квантовая информация». М.: Мир, 2009, 120-126).then, as a result of the quantum measurement procedure, a qubit with probability | with m | 2 will be detected in the state | m〉 and with probability | with n | 2 in the state | n〉. In this case, we speak of quantum measurement in the measuring basis | m〉, | n〉 and, accordingly, reading the qubit in the measuring basis | m>, | n> (see, for example, M. Nielsen, I. Chang “Quantum calculations and quantum information. ”M: Mir, 2009, 120-126).

Для описания состояния квантовых систем широко используется матрица плотности ρ ^

Figure 00000007
(см., например, К.Блум «Теория матрицы плотности и ее приложения». М.: Мир, 1983), которая для кубита (квантовой системы с двумя базисными состояниями) представляет собой квадратную эрмитову матрицу 2×2.The density matrix is widely used to describe the state of quantum systems. ρ ^
Figure 00000007
(see, for example, K. Bloom, “The Theory of the Density Matrix and its Applications.” M .: Mir, 1983), which for a qubit (a quantum system with two basis states) is a 2 × 2 square Hermitian matrix.

ρ ^ = ( ρ 00 ρ 01 ρ 10 ρ 11 ) , ( 6 )

Figure 00000008
ρ ^ = ( ρ 00 ρ 01 ρ 10 ρ eleven ) , ( 6 )
Figure 00000008

где ρ00 и ρ11 - действительные числа, удовлетворяющие условию:where ρ 00 and ρ 11 are real numbers satisfying the condition:

ρ 00 + ρ 11 = 1 , ( 7 )

Figure 00000009
ρ 00 + ρ eleven = one , ( 7 )
Figure 00000009

а ρ01 и ρ10 - комплексные числа, удовлетворяющие условию:and ρ 01 and ρ 10 are complex numbers satisfying the condition:

ρ 01 = ρ 10 * . ( 8 )

Figure 00000010
ρ 01 = ρ 10 * . ( 8 )
Figure 00000010

Элементы матрицы плотности зависят от выбора базиса. Пусть матрица плотностиElements of the density matrix depend on the choice of basis. Let the density matrix

записана в базисе состояний |0> и |1>. В этом случае диагональные элементы матрицы плотности ρ00 и ρ11 называются населенностями состояний |0> и |1> соответственно, а недиагональные элементы ρ01 и ρ10 - квантовыми когерентностями на переходе между состояниями |0> и |1>. С учетом условий (7) и (8) задание одного диагонального элемента матрицы плотности, то есть населенности, и одного недиагонального элемента матрицы плотности - квантовой когерентности позволяют полностью определить состояние кубита. Населенности ρ00 и ρ11 определяют вероятность обнаружить кубит в состояниях |0> и |1> соответственно, то есть при квантовом измерении состояния кубита, описываемого матрицей плотности ρ в измерительном базисе |0> и |1>, кубит с вероятностью ρ00 будет обнаружен в состоянии |0>, а с вероятностью ρ11 - в состоянии |1>.written in the basis of states | 0> and | 1>. In this case, the diagonal elements of the density matrix ρ 00 and ρ 11 are called the populations of the states | 0> and | 1> respectively, and the off-diagonal elements ρ 01 and ρ 10 are called the quantum coherences at the transition between the states | 0> and | 1>. Taking into account conditions (7) and (8), the assignment of one diagonal element of the density matrix, i.e., population, and one off-diagonal element of the density matrix - quantum coherence make it possible to completely determine the state of the qubit. The populations ρ 00 and ρ 11 determine the probability of detecting a qubit in the states | 0> and | 1>, respectively, that is, in a quantum measurement of the state of a qubit described by the density matrix ρ in the measuring basis | 0> and | 1>, the qubit with probability ρ 00 will be detected in the state | 0>, and with probability ρ 11 - in the state | 1>.

Процедура квантового измерения в общем случае изменяет состояние измеряемой квантовой системы, поэтому проведение повторных измерений над одной и той же квантовой системой в общем случае не приводит к корректным результатам. Однако многократное проведение процедуры измерения над идентичными квантовыми системами (то есть системами, находящимися в одном и том же состоянии) позволяет определить населенности измерительного базиса.The procedure of quantum measurement in the general case changes the state of the measured quantum system, therefore, repeated measurements on the same quantum system in the general case does not lead to correct results. However, the repeated carrying out of the measurement procedure over identical quantum systems (that is, systems in the same state) makes it possible to determine the populations of the measuring basis.

В качестве кубитов предлагается использовать как одиночные квантовые системы, так и ансамбли таких систем, находящихся в одинаковом состоянии. В первом случае процедура считывания кубита в некотором измерительном базисе приводит к обнаружению кубита в одном из состояний измерительного базиса с вероятностями, определяемыми населенностями измерительного базиса. Многократное проведение процедуры считывания над идентичными кубитами позволяет измерить населенности измерительного базиса. Во втором случае считывание кубита в некотором измерительном базисе представляет собой одновременное квантовое измерение над большим количеством квантовых систем, находящихся в одинаковом состоянии, и позволяет непосредственно измерить населенности измерительного базиса.As qubits, it is proposed to use both single quantum systems and ensembles of such systems in the same state. In the first case, the qubit reading procedure in some measuring basis leads to the detection of the qubit in one of the states of the measuring basis with probabilities determined by the populations of the measuring basis. Repeated reading of identical qubits allows measuring the population of the measuring basis. In the second case, the reading of a qubit in some measuring basis is a simultaneous quantum measurement over a large number of quantum systems in the same state, and allows you to directly measure the population of the measuring basis.

Считывание кубита в любом заданном измерительном базисе, даже если оно проводится многократно, позволяет измерить только населенности измерительного базиса. Этого недостаточно для полного определения состояния кубита. Для полного определения состояния кубита необходимо также измерение квантовой когерентности на переходе между состояниями измерительного базиса. Однако оказывается, что при проведении измерений в нескольких различных измерительных базисах (в данном случае предполагается, что измерения проводятся над идентичными кубитами), можно полностью определить состояние кубита (см., например, М.Нильсен, И.Чанг «Квантовые вычисления и квантовая информация». М.: Мир, 2009, 483-484).Reading a qubit in any given measuring basis, even if it is carried out repeatedly, allows measuring only the populations of the measuring basis. This is not enough to fully determine the state of the qubit. To completely determine the state of a qubit, it is also necessary to measure quantum coherence at the transition between the states of the measuring basis. However, it turns out that when taking measurements in several different measuring bases (in this case, it is assumed that the measurements are carried out on identical qubits), the state of the qubit can be completely determined (see, for example, M. Nielsen, I. Chang “Quantum calculations and quantum information ". M.: Mir, 2009, 483-484).

В настоящее время ведутся активные поиски квантовых систем, способных исполнять роль кубитов. Одним из перспективных подходов к физической реализации кубитов является использование активных центров (атомов, ионов и пр.) с долгоживущими энергетическими уровнями, с которых возможны переходы под действием электромагнитного излучения на некоторый вспомогательный энергетический уровень (или несколько энергетических уровней). При этом два из долгоживущих энергетических уровней используются для реализации кубита, а переходы на вспомогательный энергетический уровень (или несколько энергетических уровней) - для совершения унитарных преобразований над кубитом, инициализации начального состояния и считывания конечного состояния кубита. Перспективным является также использование в качестве кубитов ансамблей таких активных центров, в частности ансамблей ионов редкоземельных элементов в кристаллах.Currently, active searches are underway for quantum systems capable of playing the role of qubits. One of the promising approaches to the physical realization of qubits is the use of active centers (atoms, ions, etc.) with long-lived energy levels, from which transitions under the influence of electromagnetic radiation to a certain auxiliary energy level (or several energy levels) are possible. In this case, two of the long-lived energy levels are used to implement the qubit, and transitions to the auxiliary energy level (or several energy levels) are used to perform unitary transformations over the qubit, initialize the initial state, and read the final state of the qubit. It is also promising to use ensembles of such active centers as qubits, in particular, ensembles of ions of rare-earth elements in crystals.

Для считывания кубита можно непосредственно использовать электромагнитное излучение, резонансное переходу между энергетическими уровнями кубита. Однако такие переходы часто оказываются запрещены. Кроме того, пространственное разрешение такого измерения обычно ограничено длиной волны перехода между энергетическими уровнями кубита. Это обстоятельство, в случае кубитов с близкими энергиями уровней, ограничивает возможность селективного считывания кубитов.To read the qubit, you can directly use electromagnetic radiation that is resonant to the transition between the energy levels of the qubit. However, such transitions are often prohibited. In addition, the spatial resolution of such a measurement is usually limited by the wavelength of the transition between the energy levels of the qubit. This circumstance, in the case of qubits with close level energies, limits the possibility of selective reading of qubits.

Более удобным для считывания кубита оказывается использование электромагнитного излучения, резонансного переходу с одного из энергетических уровней кубита |0> или |1> на вспомогательный энергетический уровень. Для проведения операции считывания кубита на кубит воздействуют монохроматическим электромагнитным излучением, резонансным переходу с одного из энергетических уровней кубита, например |0>, на вспомогательный энергетический уровень. Таким образом, регистрируя возбуждение кубита (или отсутствие возбуждения) на вспомогательный энергетический уровень, производят считывание кубита. Для регистрации возбуждения измеряют поглощение резонансного электромагнитного излучения или населенность вспомогательного энергетического уровня, например, по сигналу флуоресценции с него. В случае кубитов на основе одиночных активных центров, если произошло возбуждение кубита на вспомогательный энергетический уровень, то результат считывания соответствует обнаружению кубита в состоянии |0>, если возбуждение кубита на вспомогательный энергетический уровень не произошло, то результат считывания соответствует обнаружению кубита в состоянии |1>. В случае кубитов на основе ансамблей активных центров населенность верхнего энергетического уровня в результате возбуждения и, соответственно, поглощение резонансного электромагнитного излучения и сигнал флюоресценции со вспомогательного энергетического уровня пропорциональны населенности состояния |0> считываемого кубита. Описанный способ считывания кубита предлагается использовать для считывания состояний кубита в методе обработки квантовой информации, известном из патента США (US 6800837 «Method for quantum information processing and quantum information processor)), МПК7 G02F 3/00, публ. 05.10.2004).More convenient for reading the qubit is the use of electromagnetic radiation, the resonance transition from one of the energy levels of the qubit | 0> or | 1> to the auxiliary energy level. To perform the operation of reading the qubit, the qubit is subjected to monochromatic electromagnetic radiation, a resonant transition from one of the energy levels of the qubit, for example | 0>, to the auxiliary energy level. Thus, registering the excitation of a qubit (or lack of excitation) at an auxiliary energy level, the qubit is read. To register the excitation, the absorption of resonant electromagnetic radiation or the population of the auxiliary energy level is measured, for example, by a fluorescence signal from it. In the case of qubits based on single active centers, if a qubit was excited to an auxiliary energy level, then the read result corresponds to the detection of a qubit in the state | 0>, if a qubit was not excited to the auxiliary energy level, then the read result corresponds to the detection of a qubit in the state | 1 >. In the case of qubits, based on ensembles of active centers, the population of the upper energy level as a result of excitation and, accordingly, the absorption of resonant electromagnetic radiation and the fluorescence signal from the auxiliary energy level are proportional to the population of the state | 0> of the read qubit. The described method for reading qubits is proposed to be used to read the states of a qubit in the method of processing quantum information, known from US patent (US 6800837 "Method for quantum information processing and quantum information processor)), IPC7 G02F 3/00, publ. 10/05/2004).

Известны также способы считывания кубита с помощью адиабатического переноса одного из энергетических уровней кубита на некоторый вспомогательный уровень с последующей регистрацией населенности вспомогательного уровня различными способами (см., например, патент США №US 7667853 «Quantum bit reading device and method », current CPC class G06N 99/002, публ. 23.02.2010 и патент США №US 7791052 «Single-photon generation apparatus and quantum bit reading apparatus and method», current CPC class G06N 99/002, публ. 07.09.2010).There are also known methods for reading a qubit by adiabatic transfer of one of the energy levels of a qubit to a certain auxiliary level with subsequent registration of the population of the auxiliary level in various ways (see, for example, US patent No. US 7667853 "Quantum bit reading device and method", current CPC class G06N 99/002, publ. 23.02.2010 and US patent No. US 7791052 "Single-photon generation apparatus and quantum bit reading apparatus and method", current CPC class G06N 99/002, publ. 09/07/2010).

Недостатком всех этих способов является то, что они позволяют провести считывание кубита только в одном измерительном базисе - базисе энергетических уровней кубита. Этого недостаточно для полного определения состояния кубита. Для полного определения состояния кубита необходима возможность считывания состояния кубита в нескольких различных измерительных базисах.The disadvantage of all these methods is that they allow the qubit to be read in only one measuring basis — the basis of the energy levels of the qubit. This is not enough to fully determine the state of the qubit. For a complete determination of the state of a qubit, the ability to read the state of a qubit in several different measuring bases is necessary.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения состояния кубита, основанный на считывании кубита в нескольких различных измерительных базисах, который выбран в качестве прототипа (см. L.Rippe, В Julsgaard, A.Walther, Yan Ying, and S.Kroll, «Experimental quantum-state tomography of a solid-state qubit», Physical Review A, V.77, 022307 (2008)). Способ прототип позволяет проводить считывание кубита в произвольном требуемом измерительном базисе и на основе результатов считывания в нескольких измерительных базисах провести полное определение состояния кубита.The closest analogue in technical essence to the proposed method is a method for determining the state of a qubit based on reading a qubit in several different measuring bases, which is selected as a prototype (see L. Rippe, Julsgaard, A. Walther, Yan Ying, and S. Kroll, “Experimental quantum-state tomography of a solid-state qubit”, Physical Review A, V.77, 022307 (2008)). The prototype method allows the qubit to be read in an arbitrary required measuring basis and based on the read results in several measuring bases, a complete determination of the qubit state can be made.

Считывание кубита в произвольном, наперед заданном измерительном базисе в способе-прототипе происходит в две стадии. На первой стадии производят преобразование кубита, переводящее заданный измерительный базис в базис энергетических уровней. Стадия включает в себя следующие шаги. На первом шаге на кубит воздействуют первым π-импульсом электромагнитного излучения. Первый π-импульс производит перенос населенности выбранного суперпозиционного состояния кубита на вспомогательный уровень |е>. На втором шаге на кубит воздействуют вторым π-импульсом, сдвинутым по фазе относительно первого. Второй π-импульс производит обратный перенос населенности вспомогательного уровня |е> в выбранное суперпозиционное состояние кубита. В результате выбранное суперпозиционное состояние приобретает набег фазы, определяемый сдвигом фаз между первым и вторым π-импульсами. Такая процедура позволяет перевести произвольный, наперед заданный измерительный базис в базис энергетических уровней. На второй стадии производят считывание кубита в базисе энергетических уровней. Для этого на кубит воздействуют монохроматическим излучением, резонансным переходу между одним из уровней кубита и вспомогательным уровнем. При этом измеряют поглощение резонансного монохроматического излучения. Результат считывания кубита определяют по поглощению резонансного монохроматического излучения.The reading of the qubit in an arbitrary, predetermined measuring basis in the prototype method takes place in two stages. At the first stage, a qubit is converted, which translates a given measuring basis into a basis of energy levels. The stage includes the following steps. At the first step, the qubit is affected by the first π-pulse of electromagnetic radiation. The first π-pulse transfers the population of the selected superpositional state of the qubit to the auxiliary level | e>. At the second step, the qubit is affected by a second π-pulse, which is out of phase with respect to the first. The second π-pulse produces a reverse transfer of the population of the auxiliary level | e> to the selected superposition state of the qubit. As a result, the selected superposition state acquires a phase shift determined by the phase shift between the first and second π pulses. This procedure allows you to translate an arbitrary, predefined measurement basis in the basis of energy levels. At the second stage, a qubit is read in the basis of energy levels. To do this, the qubit is affected by monochromatic radiation, a resonant transition between one of the qubit levels and the auxiliary level. In this case, the absorption of resonant monochromatic radiation is measured. The result of reading a qubit is determined by the absorption of resonant monochromatic radiation.

Для кубитов на основе ансамблей активных центров по результату считывания кубита вычисляют населенность состояний измерительного базиса. В случае, если процедура измерения не откалибрована, то есть не известен коэффициент связи между поглощением монохроматического резонансного излучения и населенностью взаимодействующего с ним уровня кубита, в способе-прототипе используют дополнительное измерение на стадии считывания кубита в базисе энергетических уровней. Сначала на кубит воздействуют монохроматическим излучением, резонансным переходу между одним из уровней кубита и вспомогательным уровнем. При этом измеряют поглощение резонансного монохроматического излучения. После этого на кубит воздействуют монохроматическим излучением, резонансным переходу между вторым уровнем кубита и вспомогательным уровнем. При этом измеряют поглощение резонансного монохроматического излучения. На основе результатов измерений проводят калибровку процедуры измерения и вычисляют населенность состояний измерительного базиса.For qubits, based on ensembles of active centers, the population of states of the measuring basis is calculated from the qubit reading. If the measurement procedure is not calibrated, that is, the coupling coefficient between the absorption of monochromatic resonant radiation and the population of the qubit level interacting with it is not known, an additional measurement is used in the prototype method at the stage of reading the qubit in the basis of energy levels. First, the qubit is affected by monochromatic radiation, a resonant transition between one of the qubit levels and the auxiliary level. In this case, the absorption of resonant monochromatic radiation is measured. After that, the qubit is affected by monochromatic radiation, a resonant transition between the second level of the qubit and the auxiliary level. In this case, the absorption of resonant monochromatic radiation is measured. Based on the measurement results, the measurement procedure is calibrated and the population of the states of the measuring basis is calculated.

Для полного определения состояния кубита в способе-прототипе производят измерение населенностей измерительного базиса в нескольких различных измерительных базисах, на основе результатов измерения полностью определяют состояние кубита.To fully determine the state of the qubit in the prototype method, the populations of the measuring basis are measured in several different measuring bases, the state of the qubit is completely determined on the basis of the measurement results.

Недостатками способа-прототипа являются: во-первых, необходимость сложной процедуры преобразования кубита, требующей точного контроля параметров используемых π-импульсов и разности фаз между ними; во-вторых, время, необходимое для преобразования, ограничено длительностью используемых л-импульсов; в-третьих, для проведения процедуры преобразования необходимо, чтобы время жизни населенности вспомогательного уровня |е> и время жизни квантовой когерентности на переходах между уровнями кубита и вспомогательным уровнем было больше длительности преобразования.The disadvantages of the prototype method are: firstly, the need for a complex qubit conversion procedure that requires precise control of the parameters of the used π-pulses and the phase difference between them; secondly, the time required for conversion is limited by the duration of the used l-pulses; thirdly, to carry out the transformation procedure, it is necessary that the lifetime of the population of the auxiliary level | e> and the lifetime of the quantum coherence at the transitions between the qubit levels and the auxiliary level be longer than the conversion duration.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа определения состояния кубита, основанного на считывании кубита в нескольких различных измерительных базисах, позволяющего производить считывание кубита в требуемом измерительном базисе без проведения преобразования над кубитом.The problem solved by the present invention is the development of a method for determining the state of a qubit, based on reading the qubit in several different measuring bases, which allows to read the qubit in the required measuring basis without performing conversion on the qubit.

Технический результат в разработанном способе определения состояния кубита, как и в способе-прототипе, основанном на считывании кубита в нескольких различных измерительных базисах, достигается за счет того, что на кубит воздействуют электромагнитным излучением на переходах между уровнями кубита и некоторым вспомогательным уровнем.The technical result in the developed method for determining the state of the qubit, as well as in the prototype method based on reading the qubit in several different measuring bases, is achieved due to the fact that the qubit is exposed to electromagnetic radiation at the transitions between the levels of the qubit and some auxiliary level.

Новым в разработанном способе определения состояния кубита является то, что для считывания кубита в требуемом измерительном базисе на кубит воздействуют бихроматическим излучением, спектральные компоненты которого резонансны переходам с уровней кубита на вспомогательный уровень, интенсивности и фазы спектральных компонент бихроматического излучения задают так, чтобы выделить требуемый для считывания кубита измерительный базис, при этом регистрируют возбуждение кубита на вспомогательный уровень.A new one in the developed method for determining the state of a qubit is that for reading the qubit in the required measuring basis, the qubit is exposed to bichromatic radiation, the spectral components of which are resonant to the transitions from the qubit levels to the auxiliary level, the intensities and phases of the spectral components of the bichromatic radiation are set so as to select the required read qubit measuring basis, while registering the excitation of the qubit to the auxiliary level.

В первом частном случае реализации разработанного способа возбуждение кубита на вспомогательный уровень целесообразно регистрировать по поглощению бихроматического излучения.In the first particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to register the qubit excitation to an auxiliary level by the absorption of bichromatic radiation.

Во втором частном случае возбуждение кубита на вспомогательный уровень целесообразно регистрировать по флуоресценции с него.In the second particular case, the excitation of the qubit to the auxiliary level is advisable to register by fluorescence from it.

В третьем частном случае целесообразно в качестве кубита использовать кубит на основе ансамблей редкоземельных ионов, допированных в кристалл.In the third particular case, it is advisable to use a qubit as a qubit based on ensembles of rare-earth ions doped into a crystal.

В случае кубитов на основе ансамблей активных центров или при многократном считывании состояний идентичных кубитов на основе одиночных активных центров, на основе результатов считывания вычисляют населенности состояний измерительного базиса.In the case of qubits on the basis of ensembles of active centers or upon repeated reading of states of identical qubits on the basis of single active centers, the populations of states of the measuring basis are calculated on the basis of the readings.

На основе нескольких таких измерений в нескольких различных измерительных базисах полностью определяют состояние кубита.Based on several such measurements, the state of the qubit is completely determined in several different measuring bases.

Разработанный способ не требует преобразования кубита. Это упрощает техническую реализацию метода и повышает точность измерений, так как он свободен от ошибок, связанных с процедурой преобразования кубита. Разработанный способ позволяет сократить время измерения, так как он не требует времени на преобразования кубита. Время t, необходимое для считывания кубита в каждом из нескольких требуемых для определения состояния кубита измерительных базисов, ограничено лишь спектральной шириной компонент импульса бихроматического излучения, которая не должна быть больше частоты перехода между уровнями кубита. То есть время t должно быть меньше 1/ω, где ω - частота перехода между уровнями кубита. Для разработанного способа не важно время жизни вспомогательного уровня и время жизни квантовой когерентности на переходах между уровнями кубита и вспомогательным уровнем.The developed method does not require qubit conversion. This simplifies the technical implementation of the method and improves the accuracy of measurements, since it is free from errors associated with the qubit conversion procedure. The developed method allows to reduce the measurement time, since it does not require time to transform the qubit. The time t necessary for reading the qubit in each of several measuring bases required for determining the qubit state is limited only by the spectral width of the components of the bichromatic radiation pulse, which should not exceed the transition frequency between the qubit levels. That is, the time t must be less than 1 / ω, where ω is the transition frequency between the qubit levels. For the developed method, the lifetime of the auxiliary level and the lifetime of quantum coherence at the transitions between the qubit levels and the auxiliary level are not important.

Разработанный способ поясняется следующими фигурами:The developed method is illustrated by the following figures:

На фиг.1 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п.1 или п.2 формулы.Figure 1 presents a diagram of a possible technical implementation of the developed method in accordance with claim 1 or claim 2 of the formula.

На фиг.2 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п.3 формулы.Figure 2 presents a diagram of a possible technical implementation of the developed method in accordance with paragraph 3 of the formula.

На фиг.3 представлен кубит, резонансно взаимодействующий с бихроматическим излучением E = E 0 e i ω 0 t + E 1 e i ω 1 t

Figure 00000011
через вспомогательный уровень, |0> и |1> - уровни кубита, |е> - вспомогательный уровень, используемый для реализации способа.Figure 3 presents a qubit resonantly interacting with bichromatic radiation E = E 0 e - i ω 0 t + E one e - i ω one t
Figure 00000011
through the auxiliary level, | 0> and | 1> are the qubit levels, | e> is the auxiliary level used to implement the method.

На фиг.4 представлен кубит в базисе светлого |C> и темного |Т> состояний, резонансно взаимодействующий с бихроматическим излучением E = E 0 e i ω 0 t + E 1 e i ω 1 t

Figure 00000012
через вспомогательный уровень.Figure 4 presents the qubit in the basis of light | C> and dark | T> states, resonantly interacting with bichromatic radiation E = E 0 e - i ω 0 t + E one e - i ω one t
Figure 00000012
through the auxiliary level.

На фиг.5 представлена схема рабочих уровней иона Pr3+ в кристалле LaF3, используемых для реализации кубита на основе спектрально выделенных групп ионов Pr3+ в кристалле LaF3 и для реализации разработанного способа определения состояния кубита.Figure 5 presents a diagram of the working levels of the Pr 3+ ion in the LaF 3 crystal, used to implement qubit based on the spectrally separated groups of Pr 3+ ions in the LaF 3 crystal and to implement the developed method for determining the state of the qubit.

Возможны различные технические реализации разработанного способа. Схема одной из возможных технических реализаций разработанного способа представлена на фиг.1. Она содержит лазер 1, делители пучка 2 и 4, акустооптические модуляторы 3 и 8, зеркала 7 и 9, кубит 5 и фотодетектор 6.Various technical implementations of the developed method are possible. A diagram of one of the possible technical implementations of the developed method is presented in figure 1. It contains a laser 1, beam dividers 2 and 4, acousto-optical modulators 3 and 8, mirrors 7 and 9, qubit 5 and photodetector 6.

Способ определения состояния кубита в соответствии с п.1 формулы с помощью схемы, представленной на фиг.1, осуществляют следующим образом.The method for determining the state of a qubit in accordance with claim 1 of the formula using the circuit shown in figure 1, is as follows.

Частоту излучения лазера 1 выбирают близкой к частоте переходов с уровней кубита |0> и |1> на вспомогательный уровень |е>. Излучение лазера 1 разделяют на делителе пучка 2 на два пучка, каждый из пучков проходит через отдельный акустооптический модулятор 3 или 8. С помощью акустооптических модуляторов 3 и 8 смещают частоты излучения проходящих через них лазерных пучков так, чтобы они совпали с частотами переходов с уровней кубита |0> и |1> на вспомогательный уровень |е> соответственно и таким образом формируют компоненты резонансного бихроматического излучения Е0 и E1 (см. фиг.3). Компоненты резонансного бихроматического излучения Е0 и E1 совмещают на делителе пучка 4, и таким образом формируют резонансное бихроматическое излучение Е вида:The radiation frequency of laser 1 is chosen close to the frequency of transitions from the qubit levels | 0> and | 1> to the auxiliary level | e>. Laser radiation 1 is divided into two beams in beam splitter 2, each of the beams passes through a separate acousto-optic modulator 3 or 8. Using acousto-optical modulators 3 and 8, the radiation frequencies of the laser beams passing through them are shifted so that they coincide with the transition frequencies from the qubit levels | 0> and | 1> to the auxiliary level | e>, respectively, and thus form the components of the resonant bichromatic radiation E 0 and E 1 (see figure 3). The components of the resonant bichromatic radiation E 0 and E 1 combine on the beam splitter 4, and thus form a resonant bichromatic radiation E of the form:

E = E 0 e i ω 0 t + E 1 e i ω 1 t . ( 9 )

Figure 00000013
E = E 0 e - i ω 0 t + E one e - i ω one t . ( 9 )
Figure 00000013

Резонансным бихроматическим излучением E воздействуют на кубит 5. Известно (см., например, Б.Д.Агапьев, М.Б.Горный, Б.Г.Матисов, Ю.В.Рождественский «Когерентное пленение населенности в квантовых системах» Успехи физических наук, Т. 163, №9, с.1-36 (1993)), что в этом случае резонансное бихроматическое излучение взаимодействует только с суперпозиционным состоянием уровней |0> и |1>, так называемым светлым состоянием |С>, а ортогональное светлому - также суперпозиционное, темное состояние |Т> не взаимодействует с бихроматическим полем (см. фиг.4). При этом светлое и темное состояния следующим образом зависят от компонент резонансного бихроматического излучения:Resonant dichromatic radiation E acts on qubit 5. It is known (see, for example, B.D. Agapiev, M. B. Gorny, B. G. Matisov, Yu. V. Rozhdestvensky “Coherent population trapping in quantum systems” Successes in Physical Sciences , T. 163, No. 9, pp. 1-36 (1993)), that in this case resonant bichromatic radiation interacts only with the superposition state of the levels | 0> and | 1>, the so-called light state | C>, and orthogonal to the light - also a superpositional, dark state | T> does not interact with the bichromatic field (see figure 4). In this case, the light and dark states as follows depend on the components of the resonant bichromatic radiation:

| T = Ω 1 Ω | 0 Ω 0 Ω | 1 , ( 10 )

Figure 00000014
| T = Ω one Ω | 0 - Ω 0 Ω | one , ( 10 )
Figure 00000014

| C = Ω 1 * Ω | 0 + Ω 0 Ω | 1 , ( 11 )

Figure 00000015
| C = Ω one * Ω | 0 + Ω 0 - Ω | one , ( eleven )
Figure 00000015

где Ω 0 = E 0 , d 0 /

Figure 00000016
, Ω 1 = E 1 , d 1 /
Figure 00000017
, - частоты Раби компонент бихроматического излучения, d 0 d 1
Figure 00000018
- дипольные моменты переходов |0>→|е> и |1>→|е> соответственно Ω = | Ω 0 | 2 + | Ω 1 | 2
Figure 00000019
.Where Ω 0 = E 0 , d 0 /
Figure 00000016
, Ω one = E one , d one /
Figure 00000017
, are the Rabi frequencies of the bichromatic radiation component, d 0 , d one
Figure 00000018
are the dipole moments of transitions | 0> → | e> and | 1> → | e>, respectively Ω = | Ω 0 | 2 + | Ω one | 2
Figure 00000019
.

Авторами предлагается использовать этот эффект для считывания кубита в требуемом измерительном базисе и на основе считывания кубита в нескольких различных измерительных базисах полностью определять состояние кубита. С помощью акустооптических модуляторов 3 и 8 интенсивности и фазы спектральных компонент бихроматического излучения Е0 и E1 задают так, чтобы выделить требуемый для считывания кубита 5 измерительный базис, то есть так, чтобы описываемые выражениями (10) и (11) светлое |C> и темное состояния |Т> совпали с состояниями требуемого для считывания кубита измерительного базиса. При необходимости ограничить время измерения акустооптические модуляторы 3 и 8 также используют, чтобы сформировать импульс резонансного бихроматического излучения. При этом регистрируют возбуждение кубита 5 на вспомогательный уровень. Для чего, например, измеряют поглощение резонансного бихроматического излучения E при взаимодействии с кубитом 5 с помощью фотодетектора 6.The authors propose to use this effect to read the qubit in the required measuring basis and, based on reading the qubit in several different measuring bases, to completely determine the state of the qubit. Using acousto-optical modulators 3 and 8, the intensities and phases of the bichromatic radiation spectral components E 0 and E 1 are set so as to select the measuring basis required for reading qubit 5, that is, so that the light | C> described by expressions (10) and (11) and the dark states | T> coincided with the states of the measuring basis required for reading the qubit. If necessary, to limit the measurement time, the acousto-optical modulators 3 and 8 are also used to form a pulse of resonant bichromatic radiation. In this case, the excitation of qubit 5 to the auxiliary level is recorded. Why, for example, measure the absorption of resonant bichromatic radiation E when interacting with qubit 5 using a photodetector 6.

В случае кубитов на основе ансамблей активных центров населенность вспомогательного уровня в результате возбуждения пропорциональна населенности состояния |C> считываемого кубита 5.In the case of qubits, based on ensembles of active centers, the population of the auxiliary level as a result of excitation is proportional to the population of the state | C> of the read qubit 5.

В случае кубитов на основе одиночных активных центров, если произошло возбуждение кубита 5 на вспомогательный уровень, то результат считывания соответствует обнаружению кубита 5 в состоянии |C>. Если возбуждение кубита 5 на вспомогательный уровень не произошло, то результат считывания соответствует обнаружению кубита 5 в состоянии |T>.In the case of qubits based on single active centers, if qubit 5 was excited to an auxiliary level, then the reading result corresponds to the detection of qubit 5 in the state | C>. If qubit 5 is not excited to the auxiliary level, then the read result corresponds to the detection of qubit 5 in the state | T>.

В случае кубитов на основе ансамблей активных центров на основе результата считывания кубита вычисляют населенность состояний измерительного базиса. В случае кубитов на основе одиночных активных центров процедуру считывания проводят многократно над кубитами, находящимися в одинаковом состоянии, на основе результатов считывания кубитов вычисляют населенность состояний измерительного базиса.In the case of qubits, based on ensembles of active centers, the population of states of the measuring basis is calculated on the basis of the result of reading the qubit. In the case of qubits, based on single active centers, the reading procedure is carried out repeatedly over qubits in the same state, and the population of states of the measuring basis is calculated based on the results of reading qubits.

Описанным выше образом проводят измерения населенностей измерительного базиса для нескольких (не меньше трех) различных измерительных базисов. Для этого проводят несколько (не меньше трех) различных измерений, в каждом из которых выбором интенсивностей и фаз спектральных компонент бихроматического излучения задают различные измерительные базисы. В каждом из измерений измеряют населенность состояния измерительного базиса |C>, описываемого выражением (11). Элементы матрицы плотности зависят от выбора базиса. Населенность состояния |C>, описываемого выражением (11), следующим образом связана с элементами матрицы плотности в базисе энергетических уровней кубита |0> и |1>In the manner described above, the population of the measuring basis is measured for several (not less than three) different measuring bases. To do this, several (not less than three) different measurements are carried out, in each of which different measurement bases are set by choosing the intensities and phases of the spectral components of the bichromatic radiation. In each of the measurements, the population of the state of the measuring basis | C>, described by expression (11), is measured. Elements of the density matrix depend on the choice of basis. The population of the state | C> described by expression (11) is as follows related to the elements of the density matrix in the basis of the energy levels of the qubit | 0> and | 1>

ρ с с = 1 Ω 2 ( | Ω 0 | 2 ρ 00 + ρ 11 + 2 Re ( Ω 0 Ω 1 * ρ 01 ) ) . ( 12 )

Figure 00000020
ρ from from = one Ω 2 ( | Ω 0 | 2 ρ 00 + ρ eleven + 2 Re ( Ω 0 Ω one * ρ 01 ) ) . ( 12 )
Figure 00000020

В результате нескольких измерений получают несколько различных значений населенности состояния |C>, соответствующих различным состояниям |С>. На основе результатов измерений полностью определяют состояние кубита.As a result of several measurements, several different population values of the state | C> corresponding to different states | C> are obtained. Based on the measurement results, the state of the qubit is completely determined.

В качестве примера можно предложить следующие три измерения. В первом измерении с помощью акуостооптических модуляторов 3 и 8 интенсивности и фазы спектральных компонент бихроматического излучения задают так, чтобы соответствующие им частоты Раби удовлетворяли следующему условию:The following three dimensions can be suggested as an example. In the first measurement using acousto-optic modulators 3 and 8, the intensities and phases of the spectral components of the bichromatic radiation are set so that the corresponding Rabi frequencies satisfy the following condition:

Ω 1 = 0 , Ω 0 н е к о т о р а я п р о и з в о л ь н а я в е л и ч и н а , ( 13 )

Figure 00000021
Ω one = 0 , Ω 0 - n e to about t about R but I am P R about and s at about l b n but I am at e l and h and n but , ( 13 )
Figure 00000021

при этом измеряют населенности измерительного базиса. В этом случае измеренная населенность состояния измерительного базиса |C> согласно выражению (12) запишется как:while measuring the population of the measuring basis. In this case, the measured population of the state of the measuring basis | C> according to expression (12) is written as:

ρ с с , 1 = ρ 00 . ( 14 )

Figure 00000022
ρ from from , one = ρ 00 . ( fourteen )
Figure 00000022

Во втором измерении с помощью акустооптических модуляторов 3 и 8 интенсивности и фазы спектральных компонент бихроматического излучения задают так, чтобы соответствующие им частоты Раби удовлетворяли следующему условию:In the second measurement, using the acousto-optical modulators 3 and 8, the intensities and phases of the spectral components of the bichromatic radiation are set so that the corresponding Rabi frequencies satisfy the following condition:

Ω 0 = Ω 1 , ( 15 )

Figure 00000023
Ω 0 = Ω one , ( fifteen )
Figure 00000023

при этом измеряют населенности измерительного базиса. В этом случае измеренная населенность состояния измерительного базиса |C> согласно выражению (12) и условию (7) запишется какwhile measuring the population of the measuring basis. In this case, the measured population of the state of the measuring basis | C> according to expression (12) and condition (7) is written as

ρ c c , 2 = l/2 + Re( ρ 01 ) (16)

Figure 00000024
ρ c c , 2 = l / 2 + Re ( ρ 01 ) . (16)
Figure 00000024

В третьем измерении с помощью акустооптических модуляторов 3 и 8 интенсивности и фазы спектральных компонент бихроматического излучения задают так, чтобы соответствующие им частоты Раби удовлетворяли следующему условию:In the third measurement, using the acousto-optical modulators 3 and 8, the intensities and phases of the spectral components of the bichromatic radiation are set so that the corresponding Rabi frequencies satisfy the following condition:

Ω 1 = i Ω 0 , ( 17 )

Figure 00000025
Ω one = i Ω 0 , ( 17 )
Figure 00000025

при этом измеряют населенности измерительного базиса. В этом случае измеренная населенность состояния измерительного базиса |C> согласно выражению (12) и условию (7) запишется какwhile measuring the population of the measuring basis. In this case, the measured population of the state of the measuring basis | C> according to expression (12) and condition (7) is written as

ρ c c , 3 = l/2 + Im ( ρ 01 ) (18)

Figure 00000026
ρ c c , 3 = l / 2 + Im ( ρ 01 ) . (eighteen)
Figure 00000026

По результатам этих трех измерений вычисляют населенности энергетических уровней кубита и действительную и мнимую части квантовой когерентности на переходе между энергетическими уровнями кубита:Based on the results of these three measurements, the populations of the energy levels of the qubit and the real and imaginary parts of quantum coherence at the transition between the energy levels of the qubit are calculated:

ρ 00 = ρ c c , 1 , ( 19 )

Figure 00000027
ρ 00 = ρ c c , one , ( 19 )
Figure 00000027

ρ 11 = 1 ρ c c , 1 , ( 20 )

Figure 00000028
ρ eleven = one - ρ c c , one , ( twenty )
Figure 00000028

Re ( ρ 01 ) = ρ c c , 2 1 / 2 , ( 21 )

Figure 00000029
Re ( ρ 01 ) = ρ c c , 2 - one / 2 , ( 21 )
Figure 00000029

Im ( ρ 01 ) = ρ c c , 3 1 / 2. ( 22 )

Figure 00000030
Im ( ρ 01 ) = ρ c c , 3 - one / 2. ( 22 )
Figure 00000030

Эти характеристики полностью определяют состояние кубита 5.These characteristics fully determine the state of qubit 5.

Таким образом, разработанный способ позволяет произвести определение состояния кубита на основании считывания кубита в нескольких различных измерительных базисах, при этом позволяет производить считывание кубита в требуемом измерительном базисе без проведения преобразования над кубитом, то есть позволяет решить поставленную задачу.Thus, the developed method allows determining the state of the qubit on the basis of reading the qubit in several different measuring bases, while it allows you to read the qubit in the required measuring basis without performing conversion on the qubit, that is, it allows you to solve the problem.

В качестве примера можно рассмотреть считывание кубита на основе спектрально выделенных групп ионов Pr3+ в кристалле LaF3. На фиг.5 приведена схема рабочих уровней иона Pr3+ в кристалле LaF3, используемых для реализации кубита, и разработанного способа определения состояния кубита. В качестве уровней |0> и |1> кубита используют два сверхтонких подуровня состояния 3H4(1), в качестве вспомогательного уровня |е> используют один из сверхтонких подуровней состояния 1D2(1) (для более подробного описания реализации кубитов на основе спектрально выделенных групп ионов Pr3+ в кристалле LaF3, см., например, Ахмеджанов Р.А., Бондарцев А.А., Гущин Л.А., Зеленский И.В., Литвак А.Г. «Кубиты на основе спектрально выделенных групп ионов Pr3+ в кристалле LaF3» Письма в ЖЭТФ, т.94, N12, стр.945-950 (2011)). В качестве лазера 1 можно использовать одномодовый стабилизированный лазер на красителе с длиной волны 592.52 нм, в качестве акустооптических модуляторов 3 и 8 можно использовать акустооптические модуляторы на длину волны 592 нм, обеспечивающие перестройку длины волны в диапазоне не менее 40 МГц.As an example, consider reading a qubit based on spectrally separated groups of Pr 3+ ions in a LaF 3 crystal. Figure 5 shows a diagram of the working levels of the Pr 3+ ion in the LaF 3 crystal used to implement the qubit, and the developed method for determining the state of the qubit. Two ultrathin sublevels of the 3 H 4 (1) state are used as levels | 0> and | 1> qubits, and one of the ultrathin sublevels of the 1 D 2 (1) state is used as an auxiliary level | e> (for a more detailed description of the implementation of qubits on based on spectrally separated groups of Pr 3+ ions in a LaF 3 crystal , see, for example, Akhmedzhanov R.A., Bondartsev A.A., Gushchin L.A., Zelensky I.V., Litvak A.G. basis of spectrally separated groups of Pr 3+ ions in a LaF 3 crystal. ”Letters in JETP, vol. 94, N12, pp. 945-950 (2011)). As laser 1, a single-mode stabilized dye laser with a wavelength of 592.52 nm can be used, and acousto-optical modulators 3 and 8 can be used with acousto-optical modulators at a wavelength of 592 nm, which provide tuning of the wavelength in the range of at least 40 MHz.

Claims (4)

1. Способ определения состояния кубита, основанный на считывании кубита в нескольких различных измерительных базисах, включающий в себя воздействие на кубит электромагнитным излучением на переходах между уровнями кубита и некоторым вспомогательным уровнем, отличающийся тем, что для считывания кубита в требуемом измерительном базисе на кубит воздействуют бихроматическим излучением, спектральные компоненты которого резонансны переходам с уровней кубита на вспомогательный уровень, интенсивности и фазы спектральных компонент бихроматического излучения задают так, чтобы выделить требуемый для считывания кубита измерительный базис, при этом регистрируют возбуждение кубита на вспомогательный уровень.1. A method for determining the state of a qubit, based on reading the qubit in several different measuring bases, including the effect on the qubit of electromagnetic radiation at the transitions between the levels of the qubit and some auxiliary level, characterized in that for reading the qubit in the required measuring basis, the qubit is subjected to bichromatic radiation, the spectral components of which are resonant to transitions from the qubit levels to the auxiliary level, intensities and phases of the spectral components of the bichromate The radiation frequency is set so as to distinguish the measuring basis required for reading the qubit, while the excitation of the qubit to the auxiliary level is recorded. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение кубита на вспомогательный уровень регистрируют по поглощению бихроматического излучения.2. The method according to claim 1, characterized in that the excitation of the qubit to an auxiliary level is recorded by the absorption of bichromatic radiation. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение кубита на вспомогательный уровень регистрируют по флюоресценции с него.3. The method according to claim 1, characterized in that the excitation of the qubit to an auxiliary level is recorded by fluorescence from it. 4. Способ по любому из пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что в качестве кубитов используют кубиты на основе ансамблей редкоземельных ионов, допированных в кристаллы. 4. The method according to any one of paragraphs. 1, 2 or 3, characterized in that qubits are used as qubits based on ensembles of rare-earth ions doped into crystals.
RU2013115888/08A 2013-04-10 2013-04-10 Method of determining qubit state RU2538296C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013115888/08A RU2538296C2 (en) 2013-04-10 2013-04-10 Method of determining qubit state

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013115888/08A RU2538296C2 (en) 2013-04-10 2013-04-10 Method of determining qubit state

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013115888A RU2013115888A (en) 2014-10-20
RU2538296C2 true RU2538296C2 (en) 2015-01-10

Family

ID=53288391

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013115888/08A RU2538296C2 (en) 2013-04-10 2013-04-10 Method of determining qubit state

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2538296C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716028C1 (en) * 2018-12-26 2020-03-05 Кавокин Алексий Витальевич Method for qubit formation
US10832155B2 (en) 2015-06-29 2020-11-10 Parity Quantum Computing GmbH Device and method for solving computational problems using a quantum system
WO2020232065A3 (en) * 2019-05-13 2020-12-24 The Johns Hopkins University Qubit devices comprising crystalline spin-triplet superconductors
RU2783702C1 (en) * 2021-07-09 2022-11-16 Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" (ООО "МЦКТ") Superconducting multiqubit communication circuit based on qubits with high kinetic inductance

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6800837B1 (en) * 1999-11-18 2004-10-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Method for quantum information processing and quantum information processor
RU72341U1 (en) * 2007-12-11 2008-04-10 Владимир Дмитриевич Цыганков QUANTUM NEURO COMPUTER

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6800837B1 (en) * 1999-11-18 2004-10-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Method for quantum information processing and quantum information processor
RU72341U1 (en) * 2007-12-11 2008-04-10 Владимир Дмитриевич Цыганков QUANTUM NEURO COMPUTER

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10832155B2 (en) 2015-06-29 2020-11-10 Parity Quantum Computing GmbH Device and method for solving computational problems using a quantum system
RU2742504C2 (en) * 2015-06-29 2021-02-08 Пэрити Квантум Компьютинг ГмбХ Method and device for quantum processing
RU2716028C1 (en) * 2018-12-26 2020-03-05 Кавокин Алексий Витальевич Method for qubit formation
WO2020145854A3 (en) * 2018-12-26 2020-11-19 Алексей Витальевич КАВОКИН Method for forming a qubit
WO2020232065A3 (en) * 2019-05-13 2020-12-24 The Johns Hopkins University Qubit devices comprising crystalline spin-triplet superconductors
RU2783702C1 (en) * 2021-07-09 2022-11-16 Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" (ООО "МЦКТ") Superconducting multiqubit communication circuit based on qubits with high kinetic inductance
RU2795245C1 (en) * 2021-12-28 2023-05-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Demonstration simulator of a quantum key distribution system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013115888A (en) 2014-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jenkins et al. Ytterbium nuclear-spin qubits in an optical tweezer array
Cooper et al. Alkaline-earth atoms in optical tweezers
Pfender et al. Nonvolatile nuclear spin memory enables sensor-unlimited nanoscale spectroscopy of small spin clusters
Cui et al. Experimental trapped-ion quantum simulation of the Kibble-Zurek dynamics in momentum space
Chen et al. Cavity-aided nondemolition measurements for atom counting and spin squeezing
Whiting et al. Four-wave mixing in a non-degenerate four-level diamond configuration in the hyperfine Paschen–Back regime
Deist et al. Superresolution microscopy of optical fields using tweezer-trapped single atoms
Keselman et al. High-fidelity state detection and tomography of a single-ion Zeeman qubit
Allevi et al. Nonlinear and quantum optical properties and applications of intense twin-beams
Stevens Photon statistics, measurements, and measurements tools
RU2538296C2 (en) Method of determining qubit state
CN116368502A (en) Quantum computation with kernel method of machine learning
Sun et al. Observation of coherent oscillation in single-passage Landau-Zener transitions
US20130215421A1 (en) Methods and apparatus for controlled generation of hyperfine polarizations and coherences
Saywell et al. Enhancing the sensitivity of atom-interferometric inertial sensors using robust control
US20230400492A1 (en) Ultrafast detector of rydberg atoms
Bohr et al. Collectively enhanced Ramsey readout by cavity sub-to superradiant transition
Turner et al. Spin-based continuous Bayesian magnetic-field estimations aided by feedback control
Gemmell et al. Loss-compensated and enhanced midinfrared interaction-free sensing with undetected photons
Mori et al. On the validity of weak measurement applied for precision measurement
Etesse et al. Optical and spin manipulation of non-kramers rare-earth ions in a weak magnetic field for quantum memory applications
Fang et al. Temporal analog of Fabry-Pérot resonator via coherent population trapping
Wimberger Applications of fidelity measures to complex quantum systems
Jiao et al. Single-photon stored-light Ramsey interferometry using Rydberg polaritons
Motlakunta et al. Preserving a qubit during adjacent measurements at a few micrometers distance

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160411