RU2821360C1 - Architecture of quantum computing devices for solving applied problems in field of materials science - Google Patents

Architecture of quantum computing devices for solving applied problems in field of materials science Download PDF

Info

Publication number
RU2821360C1
RU2821360C1 RU2023108721A RU2023108721A RU2821360C1 RU 2821360 C1 RU2821360 C1 RU 2821360C1 RU 2023108721 A RU2023108721 A RU 2023108721A RU 2023108721 A RU2023108721 A RU 2023108721A RU 2821360 C1 RU2821360 C1 RU 2821360C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
quantum
block
type
inputs
outputs
Prior art date
Application number
RU2023108721A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Юрьевич Сайгин
Николай Николаевич Скрябин
Илья Викторович Кондратьев
Сергей Павлович Кулик
Иван Викторович Дьяконов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Application granted granted Critical
Publication of RU2821360C1 publication Critical patent/RU2821360C1/en

Links

Abstract

FIELD: quantum computing.
SUBSTANCE: invention relates to devices implementing quantum computational algorithms. Technical result is achieved due to the fact that the architecture of the quantum computer includes transformation units of two types, which are made with possibility of programmable change of transformations; wherein one of the units has the possibility of introducing time delays and performing permutations of channels.
EFFECT: increased coupling between qubits of quantum computers with feedback and increased depth of realized quantum logic circuits, which enables to perform a wider class of quantum transformations and reduces the level of noise, errors and losses in the quantum computer.
30 cl, 13 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к области квантовых вычислений, а именно к устройствам, реализующим квантовые вычислительные алгоритмы с целью решения некоторых классов вычислительных задач. В частности, изобретение может быть использовано для решения задач симуляции свойств молекул и материалов, задач глобальной оптимизации сложных функций со многими параметрами, поиска решений больших систем алгебраических уравнений быстрее и точнее, чем устройства, использующие классические вычислительные алгоритмы.The invention relates to the field of quantum computing, namely to devices that implement quantum computing algorithms for the purpose of solving certain classes of computational problems. In particular, the invention can be used to solve problems of simulating the properties of molecules and materials, problems of global optimization of complex functions with many parameters, finding solutions to large systems of algebraic equations faster and more accurately than devices using classical computing algorithms.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны квантовые вычислительные алгоритмы, которые могут решать некоторые классы задач быстрее и/или точнее, чем классические алгоритмы, которые раскрыты, например, в книге М. Нильсен, И. Чанг «Квантовые вычисления и квантовая информация», Москва: Мир, 2006. Решение задач квантовыми алгоритмами выполняют с помощью приготовления квантового состояния посредством применения последовательности квантовых преобразований над изначальным квантовым состоянием. Ответ к решаемой задаче получают из результатов измерений, выполняемых над приготовленным таким образом квантовым состоянием. Квантовые преобразования обычно имеют вид последовательности слоев одно- и двухкубитовых гейтов. Для заданного квантового алгоритма изначальное состояние не зависит от конкретной решаемой задачи. Конкретная решаемая задача определяет последовательность квантовых преобразований над изначальным состоянием. С возрастанием сложности решаемых задач требования к числу кубитов возрастает. Также с ростом сложности задач возрастает число слоев преобразований.Quantum computing algorithms are known from the state of the art, which can solve some classes of problems faster and/or more accurately than classical algorithms, which are disclosed, for example, in the book by M. Nielsen, I. Chang “Quantum Computing and Quantum Information”, Moscow: Mir, 2006. Problem solving by quantum algorithms is accomplished by preparing a quantum state by applying a sequence of quantum transformations on an initial quantum state. The answer to the problem being solved is obtained from the results of measurements performed on the quantum state prepared in this way. Quantum transformations usually take the form of a sequence of layers of one- and two-qubit gates. For a given quantum algorithm, the initial state does not depend on the specific problem being solved. The specific problem being solved determines the sequence of quantum transformations over the initial state. As the complexity of the problems being solved increases, the requirements for the number of qubits increases. Also, as the complexity of problems increases, the number of transformation layers increases.

Недостатком квантовых вычислительных алгоритмов является сложность их реализации на квантовых устройствах по причине их чувствительности к шумам и ошибками. Решение задач на квантовых вычислителях быстрее и точнее, чем решение этих же задач на традиционных классических компьютерах, но требует очень малых уровней шумов и ошибок, вносимых реальными квантовыми операциями (гейтами) в преобразуемые квантовые состояния кубитов. Одновременно с этим сложные задачи требуют приготовления квантовых состояний, состоящих из большого числа кубитов. Вероятность внесения ошибок в получаемый ответ возрастает с ростом числа кубитов в квантовом вычислителе, снижая точность ответа или саму возможность выполнения квантового алгоритма. Решение практически значимых задач на квантовых компьютерах с современным уровнем развития технологий эффективнее классических компьютеров крайне сложно и поэтому превосходства квантовых вычислителей над классическими продемонстрировано на практике не было.The disadvantage of quantum computing algorithms is the difficulty of their implementation on quantum devices due to their sensitivity to noise and errors. Solving problems on quantum computers is faster and more accurate than solving the same problems on traditional classical computers, but requires very low levels of noise and errors introduced by real quantum operations (gates) into the converted quantum states of qubits. At the same time, complex problems require the preparation of quantum states consisting of a large number of qubits. The likelihood of introducing errors into the resulting answer increases with the number of qubits in a quantum computer, reducing the accuracy of the answer or the very possibility of executing the quantum algorithm. Solving practically significant problems on quantum computers with the current level of technology development is extremely difficult than classical computers, and therefore the superiority of quantum computers over classical ones has not been demonstrated in practice.

Из уровня техники известны квантовые вычислители, основанные на материальных кубитах, раскрытые, например, в патентной публикации R.G. Clark, A.S. Dzurak, J.L. O'Brien, S.R. Schofield, M.Y. Simmons, "Single molecule array on silicon substrate for quantum computer" // WO 02/18266 (2002). В таких вычислителях квантовая информация хранится в материальных кубитах, которые могут представлять собой, например, сверхпроводниковые контуры, квантовые точки, дефекты в твердом теле или плененные одиночные нейтральные атомы или заряженные ионы. Наиболее удобной геометрией расположения материальных кубитов на чипе квантового вычислителя или в ловушке, удерживающей атомы или ионы квантового вычислителя, является одномерная и двумерная геометрия. При этом за одно применение квантовых гейтов, перепутывающие два или большее число кубитов, могут выполняться только между кубитами, которые расположены по соседству друг с другом.Quantum computers based on material qubits are known from the prior art, disclosed, for example, in the patent publication of R.G. Clark, A.S. Dzurak, J.L. O'Brien, S.R. Schofield, M.Y. Simmons, "Single molecule array on silicon substrate for quantum computer" // WO 02/18266 (2002). In such computers, quantum information is stored in material qubits, which can be, for example, superconducting circuits, quantum dots, defects in a solid, or trapped single neutral atoms or charged ions. The most convenient geometry for the arrangement of material qubits on a quantum computer chip or in a trap holding atoms or ions of a quantum computer is one-dimensional and two-dimensional geometry. Moreover, in one application of quantum gates, entangling two or more qubits can only be performed between qubits that are located adjacent to each other.

Недостатком планарного одномерного или двумерного расположения кубитов является ограниченная связанность кубитов из-за невозможности за одно применение гейтов перепутывать кубиты удаленные друг от друга. Перепутывающие квантовые операции обычно всегда присутствуют в квантовых логических схемах, которые описывают последовательность применения гейтов при приготовлении квантовых состояний. Как следствие, в таких квантовых вычислителях для выполнения одного перепутывающего гейта между удаленными кубитами необходимо применять последовательность дополнительных двухкубитных гейтов, попеременно действующих на соседние кубиты. Зависимость числа дополнительных гейтов, необходимых для одной перепутывающей операции между удаленными кубитами, растет с удалением кубитов друг от друга. Время, затрачиваемое на выполнение гейтов между удаленными кубитами, растет пропорционально числу дополнительных гейтов, что приводит к росту вносимых шумов и ошибок и, следовательно, ограничивает применение квантовых вычислителей с одномерным и двумерным размещением кубитов.The disadvantage of a planar one-dimensional or two-dimensional arrangement of qubits is the limited connectivity of the qubits due to the impossibility of mixing up qubits remote from each other in one application of gates. Entangling quantum operations are usually always present in quantum logic circuits, which describe the sequence of gates used to prepare quantum states. As a consequence, in such quantum computers, to perform one entangling gate between remote qubits, it is necessary to use a sequence of additional two-qubit gates that alternately act on neighboring qubits. The number of additional gates required for one mixing operation between distant qubits increases as the qubits move away from each other. The time spent executing gates between distant qubits increases in proportion to the number of additional gates, which leads to an increase in introduced noise and errors and, therefore, limits the use of quantum computers with one-dimensional and two-dimensional placement of qubits.

Из уровня техники известны квантовые вычислители, основанные на материальных кубитах, представляющие собой ионы в ловушках, которые раскрыты в работе CD. Bruzewics, J. Chiaverihi, R. McConnell, J.M. Sage, «Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges» // Appl. Phys. Rev. v. 6, 021314 (2019). В этих вычислителях кубиты располагаются в одномерном массиве. Специфика физического взаимодействия ионов в ловушке квантового вычислителя позволяет реализовывать перепутывающие операции между удаленными кубитами за один подход.Quantum computers based on material qubits, which are ions in traps, which are disclosed in CD, are known from the prior art. Bruzewics, J. Chiaverihi, R. McConnell, J.M. Sage, “Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges,” Appl. Phys. Rev. v. 6, 021314 (2019). In these computers, qubits are arranged in a one-dimensional array. The specificity of the physical interaction of ions in the trap of a quantum computer makes it possible to implement entangling operations between remote qubits in one approach.

Недостатком квантовых вычислителей на ионах является ограничение на число кубитов в квантовом вычислителе из-за невозможности создания условий для удержания большого числа ионов в ловушке с одновременной возможностью их адресного управления. Наибольшее число кубитов в одной ионной ловушке не превышает ~100, что намного меньше, чем требуется для возможности решения практически значимых задач эффективнее, чем на классических вычислителях.The disadvantage of quantum computers based on ions is the limitation on the number of qubits in a quantum computer due to the impossibility of creating conditions for holding a large number of ions in a trap with the simultaneous possibility of their address control. The largest number of qubits in one ion trap does not exceed ~100, which is much less than is required to be able to solve practically significant problems more efficiently than on classical computers.

Из уровня техники известны линейно-оптические квантовые вычислители, которые используют оптические фотоны, которые распространяются через линейно-оптические схемы, например, выполненные в интегральном исполнении, для хранения и преобразования квантовой информации, которые раскрыты в патентной публикации К. Bradler, D. Su, N. Killoran, М. Schuld, Z. Vernon, L. Helt, B. Morrison, D. Mahler, "Apparatus and methods for Gaussian boson sampling" // WO 2020/232546 (2020). Такие вычислители используют квантовые свойства интерференции фотонов и способны реализовывать некоторые классы квантовых алгоритмов.Linear optical quantum computers are known from the prior art that use optical photons that propagate through linear optical circuits, for example integrated circuits, to store and convert quantum information, which are disclosed in the patent publication of K. Bradler, D. Su, N. Killoran, M. Schuld, Z. Vernon, L. Helt, B. Morrison, D. Mahler, "Apparatus and methods for Gaussian boson sampling" // WO 2020/232546 (2020). Such computers use the quantum properties of photon interference and are capable of implementing certain classes of quantum algorithms.

Недостатком известных линейно-оптических квантовых вычислителей является большой объем физических ресурсов: источников фотонов или сжатых квантовых состояний, программируемых многоканальных интерферометров, детекторов фотонов и быстрых переключателей. С увеличением сложности решаемых задач и применяемых для этого квантовых алгоритмов для их решения объем этих физических ресурсов растет. Кроме этого, с ростом размеров интерферометров возрастают потери, которые препятствуют выполнению квантовых вычислений. Настоящий уровень развития технологий не позволяет создать линейно-оптические квантовые вычислители с традиционной архитектурой с масштабом и качеством квантовых операций, способных обеспечить решение практически значимых задач эффективнее, чем классические компьютеры.The disadvantage of known linear optical quantum computers is the large amount of physical resources: sources of photons or compressed quantum states, programmable multichannel interferometers, photon detectors and fast switches. With the increasing complexity of the problems being solved and the quantum algorithms used to solve them, the volume of these physical resources is growing. In addition, as the size of interferometers increases, losses increase, which impede quantum computing. The current level of technology development does not allow the creation of linear optical quantum computers with a traditional architecture with the scale and quality of quantum operations capable of solving practically significant problems more efficiently than classical computers.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются способ и устройство для приготовления квантовых состояний фотонов, раскрытые в патентной публикации J.C. Mower, N.C. Harris, D. Englund, G. Steinbrecher, "Methods, systems, and apparatus for programmable quantum photonic processing" // US 9354039 (2016). Изобретение основано на многоканальном программируемом интерферометре с обратной связью, в котором сигналы от части выходов перенаправляются на часть входов через линии обратной связи. Преобразуемые состояния подаются на входные каналы интерферометра и могут многократно проходить через интерферометр, благодаря чему глубина эффективной схемы - параметр, характеризующий сложность линейно-оптического преобразования, увеличивается по сравнению с глубиной физической схемы используемого устройства интерферометра. Таким образом, можно использовать программируемые интерферометры с меньшим числом каналов и меньшее число источников и детекторов фотонов, чем необходимо при использовании способа без обратной связи.The closest to the claimed technical solution are the method and device for preparing quantum states of photons, disclosed in the patent publication of J.C. Mower, N.C. Harris, D. Englund, G. Steinbrecher, "Methods, systems, and apparatus for programmable quantum photonic processing" // US 9354039 (2016). The invention is based on a multichannel programmable interferometer with feedback, in which signals from some outputs are redirected to some inputs through feedback lines. The transformed states are supplied to the input channels of the interferometer and can pass through the interferometer many times, due to which the depth of the effective circuit - a parameter characterizing the complexity of linear optical conversion - increases compared to the depth of the physical circuit of the interferometer device used. Thus, it is possible to use programmable interferometers with fewer channels and fewer photon sources and detectors than would be required using the open-loop method.

Недостатком этого технического решения является ограниченная связанность квантовых схем, которые могут быть реализованы в линейно-оптическом квантовом вычислителе, что ограничивает класс квантовых алгоритмов, которые можно реализовать в вычислителе на базе такого интерферометра, и класс задач, которые можно решать с его помощью. Еще одним недостатком является ограниченная глубина квантовых логических схем, которые можно реализовать в таком интерферометре, что ограничивает возможность использования его использования.The disadvantage of this technical solution is the limited connectivity of quantum circuits that can be implemented in a linear optical quantum computer, which limits the class of quantum algorithms that can be implemented in a computer based on such an interferometer, and the class of problems that can be solved with its help. Another drawback is the limited depth of quantum logic circuits that can be implemented in such an interferometer, which limits its usability.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является ограниченный класс квантовых преобразований, которые можно реализовывать в известных квантовых схемах с обратной связью. Также решаемой технической проблемой является высокий уровень шумов, ошибок и потерь, которые сопутствуют квантовым вычислителям с ограниченной связанностью кубитов при увеличении их числа.The technical problem solved by the claimed invention is a limited class of quantum transformations that can be implemented in known quantum circuits with feedback. Also a technical problem to be solved is the high level of noise, errors and losses that accompany quantum computers with limited connectivity of qubits as their number increases.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Техническим результатом изобретения является повышение связанности между кубитами квантовых вычислителей с обратной связью и увеличение глубины реализуемых квантовых логических схем, что позволяет выполнять более широкий класс квантовых преобразований и снижает уровень шумов, ошибок и потерь в квантовом вычислителе.The technical result of the invention is to increase the connectivity between the qubits of quantum computers with feedback and increase the depth of the implemented quantum logic circuits, which makes it possible to perform a wider class of quantum transformations and reduces the level of noise, errors and losses in the quantum computer.

Технический результат достигается квантовым вычислителем, который может иметь несколько вариантов осуществления.The technical result is achieved by a quantum computer, which may have several embodiments.

Согласно первому варианту осуществления изобретения квантовое вычислительное устройство включает по меньшей мере один блок 1-го типа, имеющий N входов и N выходов, где N>=3, выполненный с возможностью синхронного преобразования сигналов, описываемых квантовыми состояниями, за время т; по меньшей мере один блок 2-го типа, имеющий M<N входов и М выходов, где М>=2, выполненный с возможностью внесения временных задержек в сигналы, описываемые квантовыми состояниями, поступающие на его входы, с возможностью перестановки каналов на выходах относительно каналов на входах; блок измерений, выполненный с возможностью измерения и обработки результатов измерений квантовых состояний сигналов, поступающих на входы блока с N-M выходов блока 1-го типа; блок формирования входных сигналов, выполненный с возможностью подачи сигналов на N-M входов блока 1 -го типа, описываемых одинаковыми квантовыми состояниями, с периодом Т, равным или кратным τ; компьютер, выполненный с возможностью управления преобразованиями по меньшей мере одного блока 1-го типа и по меньшей мере одного блока 2-го типа, управления блоком измерений и обработки результатов измерений этого блока; при этом М выходов блока 1 -го типа соединены с М входами блока 2-го типа, а М выходов блока 2-го типа соединены с М входами блока 1 -го типа, a N-M выходов блока 1 -го типа соединены с N-M входами блока измерений.According to the first embodiment of the invention, a quantum computing device includes at least one block of the 1st type, having N inputs and N outputs, where N>=3, capable of synchronously converting signals described by quantum states in time t; at least one block of the 2nd type, having M<N inputs and M outputs, where M>=2, configured to introduce time delays into signals described by quantum states arriving at its inputs, with the ability to rearrange the channels at the outputs relative to input channels; a measurement unit configured to measure and process measurement results of quantum states of signals arriving at the inputs of the block from N-M outputs of the 1st type block; an input signal generation unit configured to supply signals to N-M inputs of the 1st type block, described by identical quantum states, with a period T equal to or a multiple of τ; a computer configured to control transformations of at least one block of the 1st type and at least one block of the 2nd type, control the measurement block and process the measurement results of this block; in this case, M outputs of the 1st type block are connected to M inputs of the 2nd type block, and M outputs of the 2nd type block are connected to M inputs of the 1st type block, and N-M outputs of the 1st type block are connected to N-M inputs of the block measurements.

Квантовое вычислительное устройство может содержать не менее двух блоков 1 -го типа, при этом блоки соединены последовательно таким образом, что выходы с предыдущего блока соединены с соответствующими входами последующего блока.A quantum computing device can contain at least two blocks of the 1st type, with the blocks connected in series in such a way that the outputs from the previous block are connected to the corresponding inputs of the subsequent block.

Блок 2-го типа может быть выполнен с возможностью изменения временных задержек по меньшей мере в одном пространственном канале данного блока; с возможностью внесения временных задержек кратных Т и их программируемого изменения. По меньшей мере один из блоков преобразований 1-го и 2-го типа, блок измерений и компьютер могут быть выполнены с возможностью изменения преобразования квантовых состояний за время меньшее, чем Т.A block of the 2nd type can be configured to change time delays in at least one spatial channel of this block; with the ability to introduce time delays multiples of T and their programmable change. At least one of the transformation blocks of the 1st and 2nd types, the measurement block and the computer can be configured to change the transformation of quantum states in a time less than T.

В качестве сигналов могут быть использованы оптические сигналы, которые кодируют квантовые состояния, при этом в качестве блоков 1-го и 2-го типа предпочтительно использование программируемых интерферометров, где блок 2-го типа дополнительно содержит петли временной задержки.Optical signals that encode quantum states can be used as signals, while it is preferable to use programmable interferometers as blocks of the 1st and 2nd types, where the 2nd type block additionally contains time delay loops.

В квантовом вычислительном устройстве блок 2-го типа может содержать элементы квантовой памяти, выполненные с возможностью записи и считывания оптических сигналов. Элемент квантовой памяти может иметь различную конструктивную реализацию, например, представлять собой твердотельную квантовую систему, выполненную с возможностью хранения квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее, чем 2Т. В другом варианте элемент квантовой памяти может представлять собой квантовую систему, реализованную на базе паров щелочных металлов, выполненную с возможностью хранения квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее, чем 2Т. Кроме того, элемент квантовой памяти может представлять собой квантовую систему одиночных нейтральных атомов в ловушке или ионов в ловушке, выполненную с возможностью хранения квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее, чем 2Т.In a quantum computing device, a type 2 block may contain quantum memory elements capable of recording and reading optical signals. A quantum memory element can have different design implementations, for example, it can be a solid-state quantum system capable of storing quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system for a period of time of at least 2T. In another embodiment, a quantum memory element can be a quantum system implemented on the basis of alkali metal vapors, capable of storing quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a period of time of no less than 2T. In addition, a quantum memory element can be a quantum system of single neutral atoms in a trap or ions in a trap, capable of storing quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a period of time not less than 2T.

Согласно второму варианту осуществления изобретения квантовое вычислительное устройство включает по меньшей мере один блок 1-го типа, имеющий N входов и N выходов, где N>=3, выполненный с возможностью синхронного преобразования сигналов, описываемых квантовыми состояниями, за время τ; по меньшей мере один блок 2-го типа, имеющий совокупно N входов и M<N выходов, где М>=2, содержащий по меньшей мере 2 модуля, соединенные параллельно или последовательно и выполненные с возможностью внесения временных задержек в сигналы, описываемые квантовыми состояниями, поступающие с соответствующих выходов блока 1-го типа на входы блока 2-го типа, с возможностью перестановки каналов на выходах относительно каналов на входах; по меньшей мере один блок измерений, выполненный с возможностью измерения квантовых состояний сигналов, поступающих на D>=1 его входов с D выходов модуля блока 2-го типа; блок формирования входных сигналов, выполненный с возможностью подачи сигналов на N-M входов блока 1-го типа, описываемых одинаковыми квантовыми состояниями, с периодом Т, равным или кратным τ; компьютер, выполненный с возможностью управления преобразованиями блока 1-го типа и блока 2-го типа, управления блоком измерений и обработки результатов измерений этого блока.According to the second embodiment of the invention, a quantum computing device includes at least one block of the 1st type, having N inputs and N outputs, where N>=3, capable of synchronously converting signals described by quantum states in time τ; at least one block of the 2nd type, having a total of N inputs and M<N outputs, where M>=2, containing at least 2 modules connected in parallel or in series and configured to introduce time delays into signals described by quantum states , coming from the corresponding outputs of the 1st type block to the inputs of the 2nd type block, with the possibility of rearranging the channels at the outputs relative to the channels at the inputs; at least one measurement block configured to measure the quantum states of signals arriving at D>=1 of its inputs from the D outputs of the 2nd type block module; an input signal generation unit configured to supply signals to N-M inputs of the 1st type block, described by identical quantum states, with a period T equal to or a multiple of τ; a computer configured to control transformations of a block of the 1st type and a block of the 2nd type, control a measurement block and process the measurement results of this block.

Блок 2-го типа может состоять из двух модулей и иметь по меньшей мере четыре варианта реализации схемы их соединения с остальными блоками квантового вычислительного устройства.A block of the 2nd type can consist of two modules and have at least four options for implementing the scheme for connecting them with the remaining blocks of the quantum computing device.

Согласно первому варианту два модуля блока 2-го типа подключены к блоку 1 -го типа параллельно, при этом подмножество из M1 выходов блока 1-го типа соединены с M1 входами первого модуля блока 2-го типа, M1 выходов которого соединены с подмножеством из M1 входов блока 1-го типа, при этом оставшиеся N-M1 выходов блока 1-го типа соединены с N-M1 входами второго модуля блока 2-го типа, D выходы второго модуля блока 2-го типа соединены с D входами блока измерений, а оставшиеся M2=N-M1-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с М2 входами блока 1-го типа.According to the first option, two modules of the 2nd type block are connected to the 1st type block in parallel, while a subset of M1 outputs of the 1st type block are connected to the M1 inputs of the first module of the 2nd type block, the M1 outputs of which are connected to a subset of M1 inputs of the 1st type block, while the remaining N-M1 outputs of the 1st type block are connected to N-M1 inputs of the second module of the 2nd type block, D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to D inputs of the measurement block, and the remaining M2=N-M1-D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to the M2 inputs of the 1st type block.

Согласно второму варианту модули блока 2-го типа подключены к блоку 1-го типа последовательно, при этом подмножество из M1 выходов блока 1-го типа соединены с подмножеством из M1 входов первого модуля блока 2-го типа, M1 выходов которого соединены с подмножеством из M1 входов блока 1-го типа, при этом оставшиеся N-M1 выходов блока 1-го типа соединены с N-M1 входами второго модуля блока 2-го типа, D выходов которого соединены с D входами блока измерений, при этом оставшиеся M2=N-M1-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с подмножеством из М2 входов первого модуля блока 2-го типа.According to the second option, the modules of the 2nd type block are connected to the 1st type block in series, while a subset of M1 outputs of the 1st type block are connected to a subset of M1 inputs of the first module of the 2nd type block, the M1 outputs of which are connected to a subset of M1 inputs of the 1st type block, while the remaining N-M1 outputs of the 1st type block are connected to N-M1 inputs of the second module of the 2nd type block, D outputs of which are connected to D inputs of the measurement block, while the remaining M2=N -M1-D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to a subset of M2 inputs of the first module of the 2nd type block.

Согласно третьему варианту модули блока 2-го типа подключены к блоку 1-го типа последовательно, при этом N выходов блока 1-го типа соединены с N входами второго модуля блока 2-го типа, подмножество из D выходов которого соединено с D входами блока измерений, оставшиеся N-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с N-D входами первого модуля блока 2-го типа, N-D выходов которого соединены с подмножеством из N-D входов блока 1-го типа.According to the third option, the modules of the 2nd type block are connected to the 1st type block in series, while the N outputs of the 1st type block are connected to the N inputs of the second module of the 2nd type block, a subset of D outputs of which is connected to the D inputs of the measurement block , the remaining N-D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to the N-D inputs of the first module of the 2nd type block, the N-D outputs of which are connected to a subset of the N-D inputs of the 1st type block.

Согласно четвертому варианту модули блока 2-го типа подключены к блоку 1-го типа последовательно, при этом N выходов блока 1-го типа соединены с N входами первого модуля блока 2-го типа, N выходов которого соединены с N входами второго модуля блока 2-го типа, при этом подмножество из D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с D входами блока измерений, а оставшиеся N-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с N-D входами блока 1-го типа.According to the fourth option, the modules of the 2nd type block are connected to the 1st type block in series, while the N outputs of the 1st type block are connected to the N inputs of the first module of the 2nd type block, the N outputs of which are connected to the N inputs of the second module of block 2 -th type, while a subset of D outputs of the second module of the 2nd type block is connected to the D inputs of the measurement block, and the remaining N-D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to the N-D inputs of the 1st type block.

Кроме того, в квантовом вычислительном устройстве может быть реализован алгоритм, согласно которому на N-M входы блока 1-го типа подаются сигналы, описываемые одинаковыми квантовыми состояниями, с периодом Т, равным или кратным т, при этом временные задержки, вносимые блоком 2-го типа, кратны Т и выполнены с возможностью программируемого изменения.In addition, an algorithm can be implemented in a quantum computing device, according to which signals described by identical quantum states are supplied to the N-M inputs of a block of the 1st type, with a period T equal to or a multiple of m, while the time delays introduced by the block of the 2nd type , are multiples of T and are made with the possibility of programmable change.

Компьютер может быть выполнен с возможностью изменения преобразования квантовых состояний, выполняемых блоком 1-го типа, за время меньшее, чем Т; с возможностью изменения базиса измерений, выполняемых блоком измерений, за время меньшее, чем Т.The computer can be configured to change the transformation of quantum states performed by a type 1 block in a time less than T; with the ability to change the basis of measurements performed by the measurement unit in a time less than T.

В качестве сигналов предпочтительно использование оптических сигналов, которые кодируют квантовые состояния, в этом случае блоки 1-го и 2-го типа и элементы квантовой памяти могут иметь реализацию, описанную выше, характеризующую первый вариант осуществления изобретения.As signals, it is preferable to use optical signals that encode quantum states; in this case, blocks of the 1st and 2nd types and quantum memory elements may have the implementation described above, characterizing the first embodiment of the invention.

Квантовое вычислительное устройство может быть выполнено на основе квантовой системы одиночных нейтральных атомов в ловушке, или на основе квантовой системы одиночных ионов в ловушке, или на основе квантовой системы сверхпроводниковых цепочек, или на основе квантовой системы квантовых точек, или на основе квантовой системы дефектов в кремнии или алмазе. При этом в одном из вариантов осуществления изобретения блок 1-го типа и блок 2-го типа могут быть выполнены на основе разных квантовых систем.A quantum computing device can be made based on a quantum system of single neutral atoms in a trap, or based on a quantum system of single ions in a trap, or based on a quantum system of superconductor chains, or based on a quantum system of quantum dots, or based on a quantum system of defects in silicon or diamond. Moreover, in one of the embodiments of the invention, a block of the 1st type and a block of the 2nd type can be made on the basis of different quantum systems.

В квантовом вычислительном устройстве компьютер выполнен с возможностью реализации квантовых вариационных алгоритмов.In a quantum computing device, the computer is configured to implement quantum variational algorithms.

Изобретение характеризуется возможностью повторного использования ресурсов -ограниченного числа кубитов доступных в квантовых системах на основе материальных носителей квантовой информации или источников и детекторов фотонов и интерферометров в линейно-оптических квантовых вычислителях - по сравнению с известными до этого времени способами с таким же количеством ресурсов и наличием в каналах обратной связи дополнительного блока или блоков, задерживающих и переставляющих квантовые состояния, поступающие в каналы обратной связи. Благодаря этому удается повысить размерность приготавливаемых квантовых оптических состояний и уменьшить влияние шумов, ошибок и потерь на результаты квантовых вычислений.The invention is characterized by the possibility of reusing resources - a limited number of qubits available in quantum systems based on material carriers of quantum information or sources and detectors of photons and interferometers in linear optical quantum computers - in comparison with previously known methods with the same amount of resources and availability in feedback channels of an additional block or blocks that delay and rearrange quantum states entering the feedback channels. Thanks to this, it is possible to increase the dimensionality of the prepared quantum optical states and reduce the influence of noise, errors and losses on the results of quantum calculations.

Наличие дополнительного блока или блоков в каналах обратной связи позволяет повысить связанность и глубину квантовых логических схем, которые можно реализовать в квантовом вычислителе. Таким образом, решается проблема ограниченной связанности традиционных архитектур квантовых вычислителей, например, в случае связанности, при которой перепутывающие квантовые операции возможны только между близко расположенными кубитами. Также решается проблема ограниченной глубины квантовых логических схем.The presence of an additional block or blocks in the feedback channels makes it possible to increase the connectivity and depth of quantum logic circuits that can be implemented in a quantum computer. Thus, the problem of limited connectivity of traditional quantum computing architectures is solved, for example, in the case of connectivity in which entangling quantum operations are possible only between closely spaced qubits. The problem of limited depth of quantum logic circuits is also solved.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Изобретение поясняется чертежами и схемами.The invention is illustrated by drawings and diagrams.

На фиг. 1 приведена схема архитектуры квантового вычислителя, предлагаемого в настоящем изобретении.In fig. 1 shows a diagram of the architecture of the quantum computer proposed in the present invention.

Фиг. 2 поясняет пространственно-временной способ кодирования квантовой информации, используемый в настоящем изобретении.Fig. 2 explains the space-time quantum information encoding method used in the present invention.

На фиг. 3 приведена схема известной архитектуры квантового вычислителя со статическими линиями задержки.In fig. Figure 3 shows a diagram of the known architecture of a quantum computer with static delay lines.

На фиг. 4 приведена квантовая схема, которую можно реализовать в квантовом вычислителе, изображенном на фиг. 3.In fig. 4 shows a quantum circuit that can be implemented in the quantum computer shown in FIG. 3.

На фиг. 5 представлена схема, иллюстрирующая конечную связанность кубитов в квантовом процессоре.In fig. Figure 5 is a diagram illustrating the finite connectivity of qubits in a quantum processor.

На фиг. 6 представлена квантовая логическая схема, реализующая преобразование квантового преобразования Фурье.In fig. Figure 6 shows a quantum logic circuit that implements the quantum Fourier transform.

На фиг. 7 представлен пример выполнения двухкубитного гейта между удаленными кубитами в квантовых вычислителях с ограниченной связанностью кубитов. На фиг. 7а приведен пример двухкубитного гейта CRj между удаленными друг от друга кубитами. На Фиг. 7б представлен пример квантовой логической схемы, которую необходимо реализовать на квантовом вычислителе с ограниченной связанностью для осуществления двухкубитного гейта CRj из фиг. 7а.In fig. Figure 7 shows an example of implementing a two-qubit gate between remote qubits in quantum computers with limited qubit connectivity. In fig. Figure 7a shows an example of a two-qubit gate CR j between qubits remote from each other. In FIG. 7b shows an example of a quantum logic circuit that must be implemented on a quantum computer with limited connectivity to implement the two-qubit gate CR j from FIG. 7a.

На фиг. 8 изображена схема разложения SWAP-гейта на последовательность трех CNOT-гейтов.In fig. Figure 8 shows a diagram of the decomposition of a SWAP gate into a sequence of three CNOT gates.

На фиг. 9 представлен пример квантовой логической схемы, которую можно реализовать в квантовом вычислителе, изображенном на фиг. 1.In fig. 9 shows an example of a quantum logic circuit that can be implemented in the quantum computer shown in FIG. 1.

Фиг.10 иллюстрирует возможные конструкции квантовых вычислителей, выполненных по предлагаемой архитектуре.Figure 10 illustrates possible designs of quantum computers made using the proposed architecture.

Фиг. 11 иллюстрирует примеры блоков преобразователей 2-го типа, используемые в предлагаемой архитектуре квантовых вычислителей.Fig. 11 illustrates examples of type 2 converter blocks used in the proposed quantum computing architecture.

На фиг. 12 приведен пример программируемой линии временной задержки с двумя возможными значениями вносимой временной задержки.In fig. Figure 12 shows an example of a programmable time delay line with two possible values of the inserted time delay.

На фиг. 13 приведены схемы оптических установок, которые были использованы для конкретной демонстрации заявляемого изобретения.In fig. 13 shows diagrams of optical installations that were used for a specific demonstration of the claimed invention.

Позициями на фигурах обозначены:Positions in the figures are designated:

1 - блок преобразователя 1-го типа;1 - type 1 converter block;

2 - блок преобразователя 2-го типа, 2а и 2б - модули блока преобразователя 2-го типа;2 - converter block of the 2nd type, 2a and 2b - modules of the converter block of the 2nd type;

3 - блок измерений;3 - measurement block;

4 - компьютер, управляющий квантовым вычислителем;4 - computer controlling the quantum computer;

5 - множество входов блока преобразователя 1-го типа, где 5а - подмножество входов, используемые для входа изначальных состояний, 5б - подмножество входов, используемых в линиях обратной связи;5 - set of inputs of the converter block of the 1st type, where 5a is a subset of inputs used to enter the initial states, 5b is a subset of inputs used in feedback lines;

6 - множество выходов блока преобразователя 1-го типа, где 6а - подмножество выходов, в которых генерируются приготавливаемые состояния, поступающие на входы блока измерений, 6б - подмножество выходов, используемых в линиях обратной связи;6 - set of outputs of the converter block of the 1st type, where 6a - a subset of outputs in which prepared states are generated, arriving at the inputs of the measurement block, 6b - a subset of outputs used in feedback lines;

7 - множество входов блока преобразователя 2-го типа;7 - set of inputs of the 2nd type converter block;

8 - множество выходов блока преобразователя 2-го типа;8 - set of outputs of the converter block of the 2nd type;

9 - линии, по которым компьютер осуществляет управление блоком преобразования 1-го типа;9 - lines through which the computer controls the type 1 conversion block;

10 - линии, по которым компьютер осуществляет управление блоком преобразования 2-го типа;10 - lines through which the computer controls the type 2 conversion unit;

11 - линии, по которым компьютер осуществляет управление блоком измерений;11 - lines through which the computer controls the measurement unit;

12 - линии, по которым результаты измерений блоком измерений поступают в компьютер;12 - lines along which the measurement results of the measurement unit enter the computer;

13 - квантовые состояния, входящие во входы 5а блока преобразователя 1-го типа, где 13а и 13б - два состояния, следующих друг за другом в разные временные отрезки;13 - quantum states included in the inputs 5a of the converter block of the 1st type, where 13a and 13b are two states following each other in different time periods;

14 - квантовые состояния, приготавливаемые квантовым вычислителем и выходящие из выходов 6а блока преобразователя 1-го типа, где 14а и 14б - два состояния, следующих друг за другом в разные временные отрезки;14 - quantum states prepared by a quantum computer and emerging from outputs 6a of the converter block of the 1st type, where 14a and 14b are two states following each other in different time periods;

15 - квантовые состояния, выходящие из выходов 6б блока преобразоателя 1-го типа и поступающие на входы 7 блока преобразователя 2-го типа, где 15а и 15б - два состояния, следующих друг за другом в разные временные отрезки;15 - quantum states emerging from the outputs 6b of the converter block of the 1st type and arriving at the inputs 7 of the converter block of the 2nd type, where 15a and 15b are two states following each other in different time periods;

16 - квантовые состояния, выходящие из выходов 8 блока преобразователя 2-го типа и поступающие на подмножество входов 56 блока преобразователя 1-го типа, 16а и 16б -два состояния, следующих друг за другом в разные временные отрезки;16 - quantum states emerging from outputs 8 of the 2nd type converter block and arriving at a subset of inputs 56 of the 1st type converter block, 16a and 16b - two states following each other in different time periods;

17 - блок временных задержек;17 - block of time delays;

18 - квантовое преобразование, которое реализуется блоком преобразователя 1 -го типа за М шагов работы квантового вычислителя; 18а и 18б - два преобразования блока преобразователя 1-го типа, которые реализуются за два последовательных шага работы схемы; преобразования, выполняемые на разных шагах работы схемы обозначены Vm, где m - номер шага;18 - quantum transformation, which is implemented by the converter block of the 1st type in M steps of the quantum computer; 18a and 18b - two transformations of the 1st type converter block, which are implemented in two successive steps of the circuit; transformations performed at different steps of the circuit are designated V m , where m is the step number;

19а и 19б - два канала, которые реализуются линией обратной связи за 2 последовательных шага работы квантового вычислителя;19a and 19b - two channels that are implemented by the feedback line in 2 successive steps of the quantum computer;

20 - чип квантового процессора с планарным размещением кубитов;20 - quantum processor chip with planar placement of qubits;

21 - кубиты квантового процессора; 21а - один кубит, который может взаимодействовать с кубитами 21б за одно применение двухкубитового гейта; 21в - кубит, удаленный от кубита 21а;21 - qubits of a quantum processor; 21a - one qubit that can interact with qubits 21b in one use of a two-qubit gate; 21c - qubit distant from qubit 21a;

22 - входное N-кубитное квантовое состояние;22 - input N-qubit quantum state;

23 - двухкубитный гейт, действующий на соседние кубиты;23 - two-qubit gate acting on neighboring qubits;

24 - двухкубитный гейт, действующий на удаленные друг от друга кубиты;24 - two-qubit gate acting on qubits remote from each other;

25 - преобразованное N-кубитное квантовое состояние;25 - transformed N-qubit quantum state;

26 - последовательности применения SWAP-гейтов, необходимых для выполнения двухкубитного гейта между удаленными друг от друга кубитами;26 - sequences of using SWAP gates necessary to perform a two-qubit gate between qubits remote from each other;

27 - SWAP-гейт;27 - SWAP gate;

28 - двухкубитный гейт, действующий на соседние кубиты;28 - two-qubit gate acting on neighboring qubits;

29а, 296 - два канала, которые реализуются линией обратной связи за 2 последовательных шага работы квантового вычислителя;29a, 296 - two channels that are implemented by the feedback line in 2 successive steps of the quantum computer;

30 - линия задержки;30 - delay line;

30а, 30б, 30в - программируемые задержки;30a, 30b, 30c - programmable delays;

31 - программируемый блок перестановок;31 - programmable permutation block;

31а, 31б, 31 в - программируемые перестановки; 32а, 32б - статические задержки;31a, 31b, 31c - programmable rearrangements; 32a, 32b - static delays;

33а, 33б - входной и выходной переключатель программируемой задержки;33a, 33b - input and output programmable delay switch;

34 - 4-канальный интерферометр;34 - 4-channel interferometer;

35 - блок 2-го типа, 35а и 35б - волоконные линии обратной связи;35 - block of the 2nd type, 35a and 35b - fiber feedback lines;

36 - источник пар фотонов;36 - source of photon pairs;

37 - блок измерений, 37а и 37б - детекторы одиночных фотонов;37 - measurement unit, 37a and 37b - single photon detectors;

38 - линии, по которым результаты измерений измерительным блоком поступают в компьютер, 38а и 38б - электрические линии, идущие от детекторов одиночных фотонов 37а и 37б, соответственно.38 - lines along which the measurement results of the measuring unit enter the computer, 38a and 38b - electrical lines coming from single photon detectors 37a and 37b, respectively.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

В изобретении речь идет об архитектуре квантовых вычислителей способных решать задачи из области материаловедения. Предлагаемая архитектура может быть использована для построения квантовых вычислителей на разных физических платформах, как на основе материальных систем, в которых информация в форме квантовых состояний может храниться и обрабатываться в материальных носителях, так и на основе оптических систем, в которых носителем информации являются летящие оптические фотоны.The invention deals with the architecture of quantum computers capable of solving problems in the field of materials science. The proposed architecture can be used to build quantum computers on different physical platforms, both on the basis of material systems, in which information in the form of quantum states can be stored and processed in material media, and on the basis of optical systems, in which the information carrier is flying optical photons .

Для более однозначного понимания сущности заявленного изобретения ниже представлены основные термины и определения, используемые в рамках настоящего описания.For a more clear understanding of the essence of the claimed invention, the main terms and definitions used within the framework of this description are presented below.

Логическим кубитом или просто кубитом называют квантовую физическую систему или часть физической системы, позволяющую хранить два квантовых состояния, обозначаемых |0) и |1) и называемых логическим «0» и логическим «1», а также любую их линейную суперпозицию вида α |0)+β|1), где α и β - комплексные числа, подчиняющиеся условию нормировки: |α|2+|β|2=1. Кодирование логических состояний кубитов |0) и |1) проводят в квантовые состояния физической системы.A logical qubit or simply a qubit is a quantum physical system or part of a physical system that allows storing two quantum states, denoted |0) and |1) and called logical “0” and logical “1,” as well as any of their linear superpositions of the form α |0 )+β|1), where α and β are complex numbers that obey the normalization condition: |α| 2 +|β| 2 =1. The logical states of qubits |0) and |1) are encoded into quantum states of the physical system.

Существует множество способов кодирования логических состояний кубитов в физические состояния системы. При кодировании кубита в оптические фотоны выбор конкретного кодирования кубитов обусловлен наличием требуемых для этого ресурсов, например, числом каналов в оптических схемах и числом фотонов, и удобством выполнения преобразований над кубитами. В линейно-оптических квантовых вычислениях распространено кодирование кубитов в «двухрельсовый базис» (от термина dual-rail encoding в англоязычной литературе), использующий два оптических канала/моды, состоящий из двух физических состояний |0>m|1>n и |1>m|0>n, где |0> и |1> - фоковские состояния с числом фотонов 0 и 1, соответственно, а индексы тип обозначают номера оптических каналов, к которым относится фоковское состояние (Р. Kоk et al. "Linear optical quantum computing" // Rev. Mod. Phys., vol. 79, 135 (2007)). Также распространено кодирование в так называемый «однорельсовый базис» (от термина single-rail encoding в англоязычной литературе), использующий фоковские состояния в одном оптическом канале |0>m и |1>m.В настоящем изобретении речь идет о двухрельсовой кодировке. В квантовых системах, использующих для хранения и преобразования кубитов материальные элементы, например, нейтральные атомы в ловушках, ионы в ловушках, дефекты в твердотельных структурах, квантовые точки, кубиты могут кодировать в электронные состояния и двумя уровнями энергии.There are many ways to encode the logical states of qubits into the physical states of the system. When encoding a qubit into optical photons, the choice of a specific qubit encoding is determined by the availability of the resources required for this, for example, the number of channels in optical circuits and the number of photons, and the convenience of performing transformations on qubits. In linear optical quantum computing, it is common to encode qubits into a “dual-rail basis” (from the term dual-rail encoding in English literature), using two optical channels/modes, consisting of two physical states |0> m |1> n and |1> m |0> n , where |0> and |1> are Fock states with the number of photons 0 and 1, respectively, and the type indices indicate the numbers of optical channels to which the Fock state belongs (R. Kok et al. “Linear optical quantum computing" // Rev. Mod. Phys., vol. 79, 135 (2007)). Also common is encoding into the so-called “single-rail basis” (from the term single-rail encoding in English literature), which uses Fock states in one optical channel |0> m and |1> m. The present invention is a two-rail encoding. In quantum systems that use material elements to store and transform qubits, for example, neutral atoms in traps, ions in traps, defects in solid-state structures, quantum dots, qubits can be encoded into electronic states and two energy levels.

Квантовым вычислителем или квантовым компьютером называют устройство, которое использует квантовые свойства реальных физических систем для практической реализации квантовых вычислительных алгоритмов.A quantum calculator or quantum computer is a device that uses the quantum properties of real physical systems to practically implement quantum computing algorithms.

Особенности квантовых физических систем, отличающие их от классических, можно описывать с помощью математического понятия вектора состояния системы. Если D возможным состояниям квантовой системы можно приписать набор состояний |ϕj) (j=1…D), которые попарно ортогональны ((<ϕij>=δij), то квантовая система может также находиться в состоянии с наблюдаемыми в эксперименте характеристиками, описываемыми суперпозицией состояний |(ϕ>:The features of quantum physical systems that distinguish them from classical ones can be described using the mathematical concept of a system state vector. If D possible states of a quantum system can be assigned a set of states |ϕ j ) (j=1...D), which are pairwise orthogonal ((<ϕ ij >=δ ij ), then the quantum system can also be in a state with observables in experiment by characteristics described by the superposition of states |(ϕ>:

где cj - коэффициенты разложения, которые задают конкретное квантовое состояние (j=1…D), для которых справедливо нормировочное соотношение: Даже для сравнительно малых физических систем, состоящих из Q кубитов - двухуровневых квантовых систем, число различных базисных состояний |ϕj> и коэффициентов разложения cj в (1) экспоненциально велико: D=2Q. Для хранения всей информации о квантовом состоянии (1) на классических компьютерах требуется память для 2Q+1 - 1 действительных параметров, задающих коэффициенты cj, что не представляется возможным даже для сравнительно малых значений Q ≈ 50. Преобразования над векторами состояний (1) описывают матрицами размерности D × D, что на классическом компьютере требует еще большей памяти, чем хранение вектора состояния. Здесь следует отметить отличие в сложности классического описания преобразования Q классических амплитуд, задаваемого умножением матрицы размерности Q × Q, и классического описания преобразования Q-кубитового квантового состояния, где требуется перемножение на матрицу размерности 2Q×2Q.where c j are expansion coefficients that specify a specific quantum state (j=1...D), for which the normalization relation is valid: Even for relatively small physical systems consisting of Q qubits - two-level quantum systems, the number of different basis states |ϕ j > and expansion coefficients c j in (1) is exponentially large: D=2 Q . To store all the information about a quantum state (1) on classical computers, memory is required for 2 Q+1 - 1 real parameters specifying the coefficients c j , which is not possible even for relatively small values of Q ≈ 50. Transformations over state vectors (1) are described by matrices of dimension D × D, which on a classical computer requires even more memory than storing the state vector. Here it should be noted the difference in the complexity of the classical description of the transformation Q of classical amplitudes, specified by multiplying a matrix of dimension Q × Q, and the classical description of the transformation of a Q-qubit quantum state, where multiplication by a matrix of dimension 2 Q × 2 Q is required.

В отличие от классических компьютеров, устройства квантовых вычислителей предоставляют реальные возможности для выполнения вычислений посредством преобразования экспоненциально емких по информации квантовых состояний, выполняя манипуляции над сравнительно небольшим числом физических кубитов. Базовым функционалом квантовых симуляторов является возможность приготовления квантовых физических систем, используемых в устройствах-симуляторах, в состояния, которыми можно управлять внешними классическими воздействиями.Unlike classical computers, quantum computing devices provide real-world capabilities for performing calculations by transforming exponentially information-intensive quantum states by manipulating a relatively small number of physical qubits. The basic functionality of quantum simulators is the ability to prepare quantum physical systems used in simulator devices into states that can be controlled by external classical influences.

Параметризованными квантовыми состояниями называют квантовые состояния, которые можно задавать на этапе приготовления, выставляя управляющие параметры.Parameterized quantum states are quantum states that can be set at the preparation stage by setting control parameters.

Параметризованными квантовыми схемами называют квантовые преобразователи, осуществляющие преобразования квантовых состояний, конкретный вид которых зависит от набора управляющих параметров Параметризованные квантовые схемы используют для приготовления параметризованных квантовых состояний Parameterized quantum circuits are quantum converters that carry out transformations of quantum states, the specific form of which depends on the set of control parameters Parameterized quantum circuits are used to prepare parameterized quantum states

Квантовыми логическими гейтами, квантовыми гейтами или просто гейтами называют элементарные заранее известные квантовые операции, с помощью которых конструируют более сложные квантовые алгоритмы и схемы. Гейты различают в соответствии с числом кубитов, на которые они действуют. Так, говорят об однокубитовых гейтах, двухкубитовых гейтах, трехкубитовых гейтах и т.д. Наиболее распространенные наборы гейтов, из которых конструируют преобразования многокубитовых квантовых состояний, содержат одно- и двухкубитовые гейты. Например, распространены однокубитовые гейты, действие которых описывается матрицами:Quantum logic gates, quantum gates, or simply gates are elementary known quantum operations that are used to construct more complex quantum algorithms and circuits. Gates are classified according to the number of qubits they act on. So, they talk about one-qubit gates, two-qubit gates, three-qubit gates, etc. The most common sets of gates from which transformations of multiqubit quantum states are constructed contain one- and two-qubit gates. For example, single-qubit gates are common, the action of which is described by matrices:

Однокубитовые операторы, описываемые матрицами (2), называют операторами Паули, а сами матрицы - матрицами Паули. Однокубитовые преобразования состояния кубита α|0) +β|1) сводятся к перемножению столбца на матрицу, отвечающую этому преобразованию. Среди множества двухкубитовых гейтов распространены следующие:Single-qubit operators described by matrices (2) are called Pauli operators, and the matrices themselves are called Pauli matrices. Single-qubit transformations of the qubit state α|0) +β|1) are reduced to column multiplication to the matrix corresponding to this transformation. Among the many two-qubit gates, the following are common:

Двухкубитовым преобразованиям отвечает перемножение матриц на столбец амплитуд, отвечающий состояниям двух кубитов: В этом случае столбец амплитуд имеет вид где tr означает транспонирование строки. Применение некоторых двухкубитных гейтов, например, гейтов (3), к изначально независимым (неперепутанным) состояниям приготавливает перепутанные состояния. По этой причине такие гейты называют перепутывающими. Примером неперепутывающего гейта является SWAP-гейт (см. формулу (4) ниже).Two-qubit transformations correspond to the multiplication of matrices by a column of amplitudes corresponding to the states of two qubits: In this case, the amplitude column looks like where tr means string transposition. Applying some two-qubit gates, such as gates (3), to initially independent (unentangled) states prepares entangled states. For this reason, such gates are called entanglement gates. An example of a non-swapping gate is a SWAP gate (see formula (4) below).

Квантовой логической схемой или просто квантовой схемой называют последовательность применения квантовых гейтов над логическими состояниями кубитов, которые описывают выполнение квантового алгоритма или квантового преобразования. Стоит отметить, что квантовые схемы описывают преобразования на высоком уровне абстракции, выполняемые над логическими состояниями безотносительно конкретных реализаций кодирования кубитовых состояний и преобразующих их гейтов.A quantum logic circuit, or simply a quantum circuit, is a sequence of application of quantum gates over the logical states of qubits that describe the execution of a quantum algorithm or quantum transformation. It is worth noting that quantum circuits describe transformations at a high level of abstraction that are performed on logical states without regard to specific implementations of encoding qubit states and gates that transform them.

Связанностью кубитов в квантовом вычислителе называют характеристику этого вычислителя, описывающего множество двухкубитных операций, которые можно выполнять над кубитами вычислителя за одно применение этих операций. Связанность кубитов можно описать в виде графа, вершинами которого являются физические кубиты в квантовом вычислителе, а ребра, связывающие пары кубитов - возможные взаимодействия между парами кубитов, которые могут реализовать двухкубитные гейты. Связанность кубитов определяется платформой, на базе которой изготовлен квантовый вычислитель, и конкретной технологией его изготовления. Типично связанность кубитов в квантовых вычислителях характеризуется возможностью выполнять двухкубитные операции только между кубитами, которые физически расположены по соседствую друг с другом.The connectedness of qubits in a quantum computer is the characteristic of this computer, which describes the set of two-qubit operations that can be performed on the qubits of the computer in one application of these operations. The connectivity of qubits can be described as a graph, the vertices of which are the physical qubits in the quantum computer, and the edges connecting pairs of qubits are possible interactions between pairs of qubits that can implement two-qubit gates. The connectivity of qubits is determined by the platform on which the quantum computer is based and the specific technology for its manufacture. Typically, qubit connectivity in quantum computing is characterized by the ability to perform two-qubit operations only between qubits that are physically adjacent to each other.

Вариационным квантовым алгоритмом называют квантовый алгоритм, основанный на попеременном использовании физической системы для приготовления параметризованного квантового состояния и классического оптимизационного алгоритма, который принимает результаты измерения приготовленного состояния. В соответствии с результатами измерений оптимизационный алгоритм выдает обновленный набор управляющих параметров который меняет состояние, приготавливаемое квантовым симулятором: Измерения, проводимые с помощью вариационного квантового состояния, представляют собой среднее от некоторой физической величины, минимум которой необходимо найти и обычно представляющем собой гамильтониан системы Я. Задачи материаловедения, связанные с нахождением новых веществ и материалов или исследованием свойств существующих веществ и материалов, могут быть сведены к нахождению энергии основного состояния гамильтониана (Н. Ma, М. Govoni, G. Galli "Quantum simulations of material on near-term quantum computers" // NPJ Computational Materials v. 6, No. 85 (2020)).A variational quantum algorithm is a quantum algorithm based on the alternate use of a physical system to prepare a parameterized quantum state and a classical optimization algorithm that accepts the results of measuring the prepared state. In accordance with the measurement results, the optimization algorithm produces an updated set of control parameters which changes the state prepared by the quantum simulator: Measurements carried out using a variational quantum state represent the average of some physical quantity, the minimum of which must be found and is usually the Hamiltonian of the system I. Materials science problems associated with finding new substances and materials or studying the properties of existing substances and materials can be reduced to finding the energy of the ground state of the Hamiltonian (N. Ma, M. Govoni, G. Galli “Quantum simulations of material on near-term quantum computers” // NPJ Computational Materials v. 6, No. 85 (2020)).

Алгоритм нахождения энергии основного состояния гамильтониана, описывающего симулируемую систему, состоит из последовательных шагов:The algorithm for finding the energy of the ground state of the Hamiltonian describing the simulated system consists of successive steps:

1) Симулятор приготавливает квантовое состояние состоящее из Р кубитов, которое зависит от набора параметров Приготовление осуществляют посредством последовательного применения гейтов, которые задают квантовую схему симулятора, к фиксированному начальному состоянию Набор гейтов, доступных в используемом симуляторе, и их качество определяет класс приготавливаемых состояний. В качестве гейтов могут выступать как стандартные одно- и двухкубитовые гейты, так и многокубитовые преобразования. Изменение параметров позволяет варьировать приготавливаемое состояние.1) The simulator prepares a quantum state consisting of P qubits, which depends on a set of parameters Preparation is carried out by sequentially applying gates that define the quantum circuit of the simulator to a fixed initial state. The set of gates available in the simulator used, and their quality, determines the class of states being prepared. The gates can be standard one- and two-qubit gates, as well as multi-qubit transformations. Change settings allows you to vary the state of preparation.

2) Производят серию измерений приготавливаемых состояний, в каждом из которых получают среднее каждого из слагаемых гамильтониана задачи Переход от измерения одного слагаемого к другому осуществляется сменой измерительного базиса. Сумма измеренных средних (с коэффициентами gα) является оценкой ожидаемой величины энергии квантовой системы для заданного состояния 2) A series of measurements of the prepared states is carried out, in each of which the average of each of the terms is obtained Hamiltonian of the problem The transition from measuring one term to another is carried out by changing the measurement basis. Sum of measured averages (with coefficients g α ) is an estimate of the expected energy of a quantum system for a given state

3) Величина (Н) поступает на классический компьютер как значение оптимизируемой функции энергии гамильтониана, после чего компьютер выполняет классическую процедуру численной оптимизации. Классический оптимизационный алгоритм выдает новое значение набора параметров поступающего на квантовое устройство симулятора и симуляция продолжается, начиная с первого шага.3) The quantity (H) is supplied to the classical computer as the value of the optimized Hamiltonian energy function, after which the computer performs the classical numerical optimization procedure. The classic optimization algorithm produces a new value for a set of parameters arriving at the quantum device of the simulator and the simulation continues, starting from the first step.

4) Итерациями, описанными в пунктах 1-3, находят минимум энергии Таким образом, последовательность итераций представляет собой шаги с разными значениями набора параметров, которые могут быть описаны выражением: - приращение набора параметров на n+1 шаге итерации.4) Using the iterations described in paragraphs 1-3, find the minimum energy Thus, the sequence of iterations represents steps with different values of a set of parameters, which can be described by the expression: - increment of a set of parameters at n+1 iteration step.

Члены оптимизируемого гамильтониана для Р-кубитовых состояний можно представить в виде произведения N операторов Паули, имеющих матричное представление (2): - обозначение оператораMembers Hamiltonian to be optimized for P-qubit states can be represented as a product of N Pauli operators having matrix representation (2): - operator designation

Паули из набора (2) (см., например, работу Y.Cao et al., "Quantum chemistry in the age of quantum computing"//Chem. Rev., vol. 119, No 19, p.10856-10915 (2019)). Конкретная задача, определяемая гамильтонианом , задается числом и величинами коэффициентов gα и последовательностями произведений операторов Паули, средние которых необходимо рассчитывать с помощью квантового симулятора. Таким образом при решении оптимизационной задачи с помощью квантового вариационного алгоритма рассчитывают средние а оптимизируемая функция при заданном наборе варьируемых параметров Pauli from set (2) (see, for example, the work of Y. Cao et al., “Quantum chemistry in the age of quantum computing”//Chem. Rev., vol. 119, No. 19, p.10856-10915 ( 2019)). Specific problem defined by the Hamiltonian , is specified by the number and values of coefficients g α and sequences of products of Pauli operators, the averages of which must be calculated using a quantum simulator. Thus, when solving an optimization problem using a quantum variational algorithm, the average and the optimized function for a given set of varied parameters

Канал блока преобразователя или канал преобразователя - понятие, которому соответствует единица квантовой информации, хранящейся в одной части квантовых состояний, преобразуемых этим преобразователем, и порядковый номер, однозначно определяющий один канал преобразователя от другого. Каждому каналу отвечает свой вход и свой выход в преобразователе. Преобразуемые квантовые состояния поступают в каналы преобразователя через соответствующие входы, а преобразованные состояния выходят из его каналов через выходы. Например, если преобразователь выполняет преобразования над квантовыми состояниями, кодирующими кубиты, то единицей информации, отвечающей каналу, является кубит. В тексте будет говориться о квантовых вычислителях, преобразующих состояния кубитов, однако предлагаемое изобретение также справедливо и для общего случая, когда единицами информации, которыми оперируют квантовые вычислители, являются кудиты или другие единицы квантовой информации.A transducer block channel or transducer channel is a concept that corresponds to a unit of quantum information stored in one part of the quantum states converted by this transducer, and a sequence number that uniquely identifies one transducer channel from another. Each channel has its own input and output in the converter. The converted quantum states enter the converter channels through the corresponding inputs, and the converted states leave its channels through the outputs. For example, if a converter performs transformations on quantum states encoding qubits, then the unit of information corresponding to the channel is the qubit. The text will talk about quantum computers that transform the states of qubits, but the proposed invention is also valid for the general case when the units of information that quantum computers operate are qudits or other units of quantum information.

Преобразованием 1-го типа называют преобразование, выполняемое над двумя или большим числом каналов, которое может перепутывать изначально независимые состояния, поступающих на вход преобразования. Например, для реализации преобразований 1-го типа можно использовать гейтовые квантовые логические схемы, которые применяют в традиционных квантовых вычислителях. Преобразования 1-го типа характеризуются синхронным выполнением преобразований квантовых состояний, поступающих на его вход, при котором квантовое состояние, поступающее одновременно на его входы, преобразуется в квантовое состояние, одновременно выходящее из всех выходов. Таким образом преобразование 1-го типа может вносить только постоянную временную задержку в преобразуемые состояния. Эта задержка связана с временем выполнения преобразования в конкретной его реализации.A type 1 transformation is a transformation performed on two or more channels, which can confuse the initially independent states entering the transformation input. For example, to implement type 1 transformations, you can use gate quantum logic circuits, which are used in traditional quantum computers. Transformations of the 1st type are characterized by the synchronous execution of transformations of quantum states arriving at its input, in which a quantum state arriving simultaneously at its inputs is transformed into a quantum state simultaneously emerging from all outputs. Thus, a type 1 transformation can only introduce a constant time delay into the states being transformed. This delay is related to the execution time of the transformation in its specific implementation.

Преобразованием 2-го типа называют преобразование, которое может вносить временные задержки независимо в разные каналы преобразования, а также выполнять перестановку каналов.Type 2 conversion is a conversion that can introduce time delays independently into different conversion channels, as well as perform channel permutation.

Блоком преобразований 1-го типа или преобразователем 1-го типа называют часть квантового вычислителя, который выполняет преобразования 1 -го типа.A type 1 transformation block or type 1 converter is the part of a quantum computer that performs type 1 transformations.

Блоком преобразований 2-го типа или преобразователем 2-го типа называют часть квантового вычислителя, который выполняет преобразования 2-го типа.A type 2 transformation block or type 2 converter is the part of a quantum computer that performs type 2 transformations.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая предлагаемую архитектуру квантового вычислителя. Основными элементами схемы являются: блок преобразователя 1 -го типа 1, блок преобразователя 2-го типа 2, блок измерений 3, компьютер 4. Блок 1 выполняет преобразования квантовых состояний, которые поступают на его входы 5, результатом которого являются квантовые состояния, выходящие из его выходов 6. Блок 2 осуществляет преобразование квантовых состояний, которые поступают на его входы 7, результатом которого являются квантовые состояния выходящие из его выходов 8. На подмножество входов 5а блока преобразователя 1-го типа 1 поступают квантовые состояния 13. Подмножество 6а выходов 6 соединено с входами измерительного блока 3. Подмножество выходов 66 выходов 6 соединено с входами 7. Выходы 8 блока преобразователя 2-го типа 2 соединены с подмножеством входов 56 блока преобразователя 1-го типа 1. Компьютер 4 управляет блоками преобразователя 1-го типа 1 и блоками преобразователя 2-го типа 2 через линии 9 и 10, соответственно, по которым передается классическая информация. Также компьютер 4 управляет блоком измерений 3 через линии 11, по которым передается классическая информация. Результаты измерений поступают в компьютер 4 через линии 12.In fig. Figure 1 shows a diagram explaining the proposed architecture of a quantum computer. The main elements of the circuit are: converter block 1 of type 1, converter block of type 2 2, measurement block 3, computer 4. Block 1 performs transformations of quantum states that arrive at its inputs 5, the result of which are quantum states emerging from its outputs 6. Block 2 carries out the transformation of quantum states that arrive at its inputs 7, the result of which are quantum states emerging from its outputs 8. The subset of inputs 5a of the converter block of the 1st type 1 receives quantum states 13. The subset 6a of outputs 6 is connected with the inputs of the measuring block 3. A subset of outputs 66 outputs 6 is connected to the inputs 7. The outputs 8 of the 2nd type 2 converter block 2 are connected to a subset of inputs 56 of the 1st type 1 converter block 1. The computer 4 controls the 1st type 1 converter blocks and blocks converter of the 2nd type 2 through lines 9 and 10, respectively, through which classical information is transmitted. Also, computer 4 controls measurement unit 3 through lines 11, through which classical information is transmitted. The measurement results are sent to computer 4 through lines 12.

Блок преобразователя 2-го типа 2 представляет собой основное дополнение к уже известным архитектурами вычислителей с обратной связью. Он способен выполнять преобразования как между пространственными каналами (имеющие входы 7 и выходы 8), так и между временными каналами, которые характеризуются разными временными отрезками, в которых расположены квантовые состояния в пространственных каналах. Блок преобразователя 1-го типа 1 способен выполнять преобразования только между пространственными каналами. Ниже функциональные особенности этих блоков будут пояснены более детально.The Type 2 Converter Block 2 is a major addition to the already known closed-loop computer architectures. It is capable of performing transformations both between spatial channels (having inputs 7 and outputs 8) and between time channels, which are characterized by different time periods in which quantum states in spatial channels are located. Type 1 Converter Block 1 is only capable of converting between spatial channels. Below, the functional features of these blocks will be explained in more detail.

На выполнение преобразования в блоке преобразователя 1-го типа затрачивается некоторое время τ1. По этой причине во время выполнения конкретного квантового алгоритма, решающего задачи на представленном вычислителе, на подмножество входов блока преобразователя 1-го типа 1 поступают квантовые состояния 13 |ψin> с периодом следования Т>τ1г.На фиг. 1 изображены два следующих друг за другом состояния 13а и 13б. Состояния |ψ0> не меняются от задачи к задаче и служат для инициализации состояния квантового вычислителя. Их выбирают исходя из простоты приготовления. Например, если входам и выходам соответствуют логические кубиты, то для каждого кубита обычно выбирают где nα - число входов/кубитов подмножества входов 5а блока преобразователя 1-го типа 1. Входные состояния характеризуются тем, что каждое такое состояние локализовано во времени во временном отрезке длительностью τ≤τ1 и поступают на подмножество входов с некоторым периодом следования Т>τ1 в количестве min. Блок преобразователя 1-го типа 1 характеризуется тем, что состояния, поступившие на его входы в разные временные отрезки, преобразуются независимо, а состояния, поступившие на входы в один отрезок времени, преобразуются этим блоком и поступают из выходов синхронно в один отрезок времени.It takes some time τ 1 to perform the transformation in the 1st type converter block. For this reason, during the execution of a specific quantum algorithm that solves problems on the presented computer, a subset of inputs of the 1st type 1 converter block receives quantum states 13 |ψ in > with a repetition period T>τ 1g. In fig. 1 shows two successive states 13a and 13b. The states |ψ 0 > do not change from task to task and serve to initialize the state of the quantum computer. They are chosen based on ease of preparation. For example, if the inputs and outputs correspond to logical qubits, then for each qubit we usually choose where n α is the number of inputs/qubits of the subset of inputs 5a of the converter block of the 1st type 1. The input states are characterized by the fact that each such state is localized in time in a time interval of duration τ≤τ 1 and arrives at a subset of inputs with a certain repetition period T> τ 1 in quantity m in . The converter block of the 1st type 1 is characterized by the fact that states received at its inputs in different time intervals are converted independently, and states received at the inputs in one time interval are transformed by this block and arrive from the outputs synchronously in one time interval.

Квантовое вычислительное устройство приготавливает квантовые состояния, которые измеряются блоком измерений 3. Приготавливаемые состояния поступают на блок измерений в виде последовательности импульсов - квантовых состояний, приготавливаемых квантовым вычислительным устройством и выходящих из выходов 6а блока преобразователя 1-го типа, где 14а и 14б - два состояния, следующих друг за другом в разные временные отрезки с периодом Т.The quantum computing device prepares quantum states, which are measured by measurement unit 3. The prepared states arrive at the measurement unit in the form of a sequence of pulses - quantum states, prepared by the quantum computing device and emerging from outputs 6a of the 1st type converter block, where 14a and 14b are two states , following each other in different time periods with a period T.

Блок преобразователя 2-типа 2 характеризуется тем, что он может вносить временные задержки в квантовые состояния, поступающие на его входы: квантовые состояния, поступающие на его входы синхронно в один временной отрезок, могут покидать его выходы в разные отрезки времени. При этом блок преобразователя выполнен таким образом, что разница во времени между временными отрезками, в которых локализованы состояния на выходах блока кратно периоду Т при условии соблюдения этого условия для состояний, поступающих на его входы. Другими словами, временные отрезки, в которые состояния из блока преобразователя 2-го типа 2 поступают на подмножество входов 5б блока преобразователя 1-го типа 1, должны быть синхронизированы.A type 2 converter block is characterized by the fact that it can introduce time delays into the quantum states arriving at its inputs: quantum states arriving at its inputs synchronously in one time interval can leave its outputs in different time intervals. In this case, the converter block is designed in such a way that the time difference between the time intervals in which the states at the outputs of the block are localized is a multiple of the period T, provided that this condition is met for the states arriving at its inputs. In other words, the time intervals in which states from the 2nd type 2 converter block arrive at the subset of inputs 5b of the 1st type 1 converter block must be synchronized.

Вычислители с обратной связью используют пространственно-временное кодирование для расширения размерности обрабатываемой информации. Благодаря такому кодированию удается использовать ограниченные физические ресурсы для построения крупномасштабных вычислителей. В вычислителях - как квантовых, так и классических -обрабатываемая информация локализована в пространстве, например, в физических материальных кубитах на чипе процессора или в пространственной моде, в которой распространяется кубит, кодируемый оптическим фотоном. Каждый кубит может быть преобразован независимо от остальных; к ним можно адресно применять гейты. Помимо этого, квантовая информация также локализована во времени в виде импульсов конечной длительности, которые задаются, например, характерными временами длительности квантовых операций (гейтов), выполняемых над материальными кубитами и/или длительности оптических импульсов, которые кодируют квантовые состояния. При пространственно-временном кодировании используют как пространственную, так и временную степень свободы, в которых локализована обрабатываемая информация. Таким образом, пространственно-временным каналам можно поставить в соответствие неперекрывающиеся пространственные моды и временные интервалы, в которые кодируются каналы.Feedback computers use space-time coding to expand the dimensionality of the information being processed. Thanks to this coding, it is possible to use limited physical resources to build large-scale computers. In computers - both quantum and classical - the information processed is localized in space, for example, in physical material qubits on a processor chip or in the spatial mode in which a qubit encoded by an optical photon propagates. Each qubit can be transformed independently of the others; gates can be addressed to them. In addition, quantum information is also localized in time in the form of pulses of finite duration, which are specified, for example, by the characteristic times of the duration of quantum operations (gates) performed on material qubits and/or the duration of optical pulses that encode quantum states. In spatiotemporal coding, both spatial and temporal degrees of freedom are used, in which the processed information is localized. Thus, spatiotemporal channels can be associated with non-overlapping spatial modes and time intervals into which the channels are encoded.

Фиг. 2 поясняет пространственно-временной способ кодирования информации, в котором N пространственных каналов состоят из М временных каналов. Временные каналы в каждом пространственном канале кодируется во временные интервалы, следующие друг за другом с периодом Т. Временной канал с индексом m (m=1…М) в составе пространственного канала с индексом n (n=1…N) характеризуется временными отсчетами tm=t1+(m-1)Т, описывающими временные отсчеты центров временных интервалов, в которые попадают импульсы, хранящие информацию. При этом временной отсчет первого временного окна t1 определяется временем начала работы квантового вычислителя. Чтобы информацию, которая хранится в разных временных каналах, можно было преобразовывать независимо соответствующие временные интервалы не должны перекрываются друг с другом, поэтому период следования Т>τ, где τ - характерная ширина временного окна, в которое попадают импульсы, несущие информацию. Использование не одного, а N пространственных каналов, состоящих из М временных каналов, увеличивает объем информации, обрабатываемой системами с пространственно-временным кодированием в М раз, т.е. число информационных импульсов равно М ⋅ N. Каждый из импульсов несет часть квантового состояния. При использовании только пространственного кодирования доступна обработка только N временных импульсов. Выполнение произвольных преобразований над состояниями в пространственно-временной кодировке требует наличия задержек, которые, во-первых, могут сводить в один интервал времени части состояний, поступающих на преобразователь в отличающиеся интервалы (отличающиеся временные каналы с разными индексами m), и, во-вторых, разводить в разные временные интервалы состояния, поступающие на преобразователь синхронно в одинаковые временные интервалы (временные каналы с одинаковыми m).Fig. 2 explains a space-time information encoding method in which N spatial channels are composed of M time channels. Time channels in each spatial channel are encoded into time intervals following each other with a period T. A time channel with index m (m=1...M) as part of a spatial channel with index n (n=1...N) is characterized by time samples t m =t 1 +(m-1)T, describing the time samples of the centers of time intervals into which the pulses that store information fall. In this case, the time count of the first time window t 1 is determined by the start time of the quantum computer. In order for information stored in different time channels to be transformed independently, the corresponding time intervals should not overlap with each other, therefore the repetition period T>τ, where τ is the characteristic width of the time window into which the pulses carrying information fall. The use of not one, but N spatial channels, consisting of M time channels, increases the amount of information processed by systems with space-time coding by M times, i.e. the number of information pulses is equal to M ⋅ N. Each pulse carries a part of the quantum state. When using only spatial coding, only N time pulses can be processed. Performing arbitrary transformations on states in space-time encoding requires the presence of delays, which, firstly, can bring parts of states arriving at the converter at different intervals (different time channels with different indices m) into one time interval, and, secondly , separate into different time intervals the states arriving at the converter synchronously in the same time intervals (time channels with the same m).

Для использования пространственно-временного кодирования информации необходимо иметь возможность преобразовьюать информацию в такой кодировке. На фиг. 3 представлена архитектура квантового вычислителя с обратной связью, который способен выполнять квантовые преобразования в пространственно-временной кодировке. Данная архитектура известна из области оптических вычислителей (J.С.Mower, N.С.Harris, D. Englund, G. Steinbrecher, "Methods, systems, and apparatus for programmable quantum photonic processing" // US 9354039 (2016)).B таком квантовом вычислителе подмножество выходов 66 блока преобразователя 1-го типа 1 направлены на блок временной задержки 15. Выходы блока задержки направлены на подмножество входов 5б блока преобразователя 1-го типа 1. Блок временных задержек 17 вносит задержку Т во все каналы. Отличием этой архитектуры от заявляемого является невозможность выполнения программируемых задержек и перестановок в блоке 2-го типа.To use spatio-temporal encoding of information, it is necessary to be able to transform information in such encoding. In fig. Figure 3 shows the architecture of a feedback quantum computer that is capable of performing quantum transformations in space-time encoding. This architecture is known from the field of optical computers (J.C. Mower, N.C. Harris, D. Englund, G. Steinbrecher, “Methods, systems, and apparatus for programmable quantum photonic processing” // US 9354039 (2016)). In such a quantum computer, a subset of outputs 66 of the converter block of the 1st type 1 are directed to the time delay block 15. The outputs of the delay block are directed to a subset of inputs 5b of the converter block of the 1st type 1. The time delay block 17 introduces a delay T into all channels. The difference between this architecture and the proposed one is the impossibility of performing programmable delays and rearrangements in a type 2 block.

На фиг. 4 представлена эффективная квантовая логическая схема, которую можно реализовать с помощь квантового вычислителя с обратной связью, изображенного на фиг. 3, за М циклов его работы. На схеме обозначены преобразования над квантовыми состояниями 18, которые можно реализовать блоком преобразователя 1-го типа 1. В общем случае преобразованиями блока 1-го типа 1 можно управлять с компьютера и поэтому для разных шагов работы схемы преобразования на разных шагах, описываемые матрицами Vm, где m - номер шага, могут меняться (на рисунке отдельно обозначены преобразования 18а и 18б, выполняемые на первых двух шагах). На часть входов схемы поступают входные состояния |ψ(in)> (на рисунке они обозначены 13а и 13б для первых двух шагов). На схеме обозначены преобразования 18а и 18б для первых двух циклов (шагов). Часть состояний на выходе из блока преобразователя 1-типа 1 после выполнения цикла поступает на вход преобразования Vm+1 на следующем цикле. На схеме обозначены части состояний 19а и 19б для первых двух циклов. Часть состояний, приготавливаемых на выходах блока преобразователя 1-го типа 1 на каждом цикле, формирует приготавливаемое состояние 14, которое может быть использовано в дальнейшем в работе квантового алгоритма, например, в квантовом вариационном алгоритме.In fig. 4 shows an efficient quantum logic circuit that can be implemented using the closed-loop quantum computer shown in FIG. 3, for M cycles of its operation. The diagram shows transformations over quantum states 18, which can be implemented by the converter block of the 1st type 1. In the general case, the transformations of the 1st type 1 block can be controlled from a computer and therefore for different steps of the operation of the transformation circuit at different steps, described by the matrices V m , where m is the step number, can change (in the figure, transformations 18a and 18b, performed in the first two steps, are separately indicated). Some of the inputs of the circuit receive input states |ψ( in )> (in the figure they are designated 13a and 13b for the first two steps). The diagram shows transformations 18a and 18b for the first two cycles (steps). Part of the states at the output of the 1-type 1 converter block after the cycle is completed is supplied to the transformation input V m+1 at the next cycle. The diagram shows parts of states 19a and 19b for the first two cycles. Part of the states prepared at the outputs of the converter block of the 1st type 1 at each cycle forms a prepared state 14, which can be used later in the operation of a quantum algorithm, for example, in a quantum variational algorithm.

Из фиг. 4 видно, что схема с обратной связью, изображенная на фиг. 3, может приготавливать состояния с размерностью превосходящую размерность состояния, приготавливаемой в блоке преобразователя 1-го типа 1 без обратной связи: если размерность состояний, приготавливаемого за один шаг (например, состояния 14а или 14б) равно Q кубитам, то за М шагов размерность приготавливаемого квантового состояния 14 равно М ⋅ Q. Это возможно благодаря пространственному-временному кодированию информации, при которой приготавливаемое квантовое состояние 14 генерируется по частям в последовательные интервалы времени.From fig. 4 it can be seen that the feedback circuit shown in FIG. 3, can prepare states with a dimension exceeding the dimension of the state prepared in the converter block of the 1st type 1 without feedback: if the dimension of the states prepared in one step (for example, states 14a or 14b) is equal to Q qubits, then in M steps the dimension of the prepared quantum state 14 is equal to M ⋅ Q. This is possible due to space-time coding of information, in which the prepared quantum state 14 is generated in parts at successive time intervals.

Недостатком архитектуры квантовых вычислителей, изображенной на фиг. 3, является ограниченный класс квантовых преобразований, которые можно реализовать на этой платформе. В результате такие схемы могут быть использованы только для решения ограниченных классов задач.A disadvantage of the quantum computing architecture shown in FIG. 3 is a limited class of quantum transformations that can be implemented on this platform. As a result, such schemes can only be used to solve limited classes of problems.

Ограниченная связанность кубитов в квантовых вычислителях является одним из ограничивающих факторов, препятствующим их использованию для решения практически значимых задач. Фиг. 5 иллюстрирует причину конечной связанности кубитов в квантовых вычислителях, построенных на основе традиционной архитектуры без обратной связи.The limited connectivity of qubits in quantum computers is one of the limiting factors preventing their use for solving practically significant problems. Fig. Figure 5 illustrates the reason for the finite coupling of qubits in quantum computers built on traditional open-loop architectures.

Традиционная архитектура квантовых вычислителей может быть использована для создания блока преобразователя 1-го типа в предлагаемой архитектуре. На фиг. 5 изображен чип 20 квантового процессора с планарным размещением кубитов и связью только между соседними кубитами. Кубиты 21 на чипе 20 располагаются в виде двумерного массива. Чип 20 выполнен таким образом, что реализовывать взаимодействие (за одно применение), необходимое для выполнения двухкубитовых и/или многокубитовых гейтов, возможно только между соседними кубитами. В качестве примера на фигуре выделен один кубит 21а и 4 кубита 21б, с которыми кубит 21а может приводиться во взаимодействие. При необходимости выполнения перепутывающих квантовых операций, вовлекающих кубит 21а и удаленные кубиты, приходится применять промежуточные гейты между кубитами, расположенными на чипе 20 между кубитом 21а и удаленными кубитами, например, кубитом 21в. Дополнительные квантовые гейты вносят шумы, ошибки и потери в дополнении к таковым, которые бы имелись в квантовых вычислителях с большей степенью связанности. Представленный пример не ограничивает все возможные случаи квантовых вычислителей. Квантовые вычислители с планарным расположением кубитов и возможным взаимодействием только между соседними кубитами могут иметь более разряженную структуру.Traditional quantum computing architecture can be used to create a type 1 converter block in the proposed architecture. In fig. 5 shows a quantum processor chip 20 with a planar arrangement of qubits and communication only between adjacent qubits. The qubits 21 on the chip 20 are arranged in a two-dimensional array. Chip 20 is designed in such a way that it is possible to implement the interaction (in one application) necessary to implement two-qubit and/or multi-qubit gates only between adjacent qubits. As an example, the figure highlights one qubit 21a and 4 qubits 21b, with which qubit 21a can be interacted. If it is necessary to perform entangling quantum operations involving qubit 21a and remote qubits, it is necessary to use intermediate qubit gates located on the chip 20 between qubit 21a and remote qubits, for example, qubit 21b. Additional quantum gates introduce noise, errors, and losses in addition to those that would be present in a more connected quantum computer. The presented example does not limit all possible cases of quantum computers. Quantum computers with a planar arrangement of qubits and possible interaction only between neighboring qubits may have a more discharged structure.

Для иллюстрации важности высокой связанности кубитов для квантовых вычислений на фиг. 6 представлена квантовая логическая схема, реализующая квантовое преобразование Фурье (КПФ). КПФ находит применения в ряде важнейших квантовых алгоритмов, например, в алгоритме Шора, решающего задачу разложения чисел на простые множители. КПФ также применяется в квантовом алгоритме оценки фазы, который может рассчитывать уровни энергии квантовых систем. Квантовыми системами могут выступать молекулы или материалы (М Нильсен, И. Чанг «Квантовые вычисления и квантовая информация», Москва: Мир, 2006). Квантовая логическая схема КПФ, изображенная на фиг. 6, представляет собой последовательность применения слоев из однокубитных гейтов Адамара Н и двухкубитовых гейтов условного поворота фазы CRj, которые применяются к входному N-кубитному квантовому состоянию 22. Двухкубитные гейты CRj вращают фазу целевого кубита на угол 2π/2j (на схеме эти кубиты пересекают квадраты с надписью R с нижним индексом), если соответствующий управляющий кубит в состоянии |1). Как видно из фиг. 6 значительная часть двухкубитных гейтов CRj на представленной логической схеме действует на удаленные друг от друга кубиты, большая часть которых отвечает кубитам, которые удалены друг от друга на квантовом чипе вычислителя. Таким образом, выполнение значительной части гейтов CRj на реальном квантовом вычислителе, например, со связанностью, проиллюстрированной на фиг. 6 требует применения промежуточных гейтов, которые вносят шумы, ошибки и потери. На фиг. 6 выделены двухкубитный гейт 23, который действует на соседние кубиты. Он может быть применен на квантовом вычислителе за одно применение без промежуточных двухкубитных гейтов. В то же время, например, двухкубитный гейт 24, действующий на 1-й и N-й кубит в квантовой логической схеме вряд ли можно применить за один подход на реальном квантовом вычислителе, т.к. физические кубиты вряд ли будут расположены по соседству друг к другу. Такая ситуация все же возможна, например, если при нумерации кубитов на квантовом чипе с планарным размещение, изображенной на фиг. 5, 1-й и N-й кубит расположены по соседствую, однако даже в этом случае большая часть других двухкубитных гейтов будет действовать на удаленные друг от друга кубиты. Преобразованное N-кубитное квантовое состояние 25 на выходе КПФ используют при дальнейшем выполнении алгоритмов, например, в алгоритме Шора или алгоритме оценки фазы.To illustrate the importance of high qubit connectivity for quantum computing, FIG. Figure 6 shows a quantum logic circuit that implements the quantum Fourier transform (QFT). QPF finds applications in a number of important quantum algorithms, for example, in Shor’s algorithm, which solves the problem of factoring numbers into prime factors. QPF is also used in the quantum phase estimation algorithm, which can calculate the energy levels of quantum systems. Quantum systems can be molecules or materials (M Nielsen, I. Chang “Quantum computing and quantum information”, Moscow: Mir, 2006). The quantum logic circuit of the QPF shown in Fig. 6 is a sequence of layers of one-qubit Hadamard gates H and two-qubit conditional phase rotation gates CR j that are applied to the input N-qubit quantum state 22. Two-qubit gates CR j rotate the phase of the target qubit by an angle of 2π/2 j (in the diagram these qubits intersect squares labeled R with a subscript) if the corresponding control qubit is in state |1). As can be seen from Fig. 6, a significant part of the two-qubit gates CR j in the presented logic circuit acts on qubits remote from each other, most of which correspond to qubits that are remote from each other on the quantum chip of the computer. Thus, running a significant portion of the CR j gates on a real quantum computer, for example, with the connectivity illustrated in FIG. 6 requires the use of intermediate gates, which introduce noise, errors and losses. In fig. 6, a two-qubit gate 23 is highlighted, which acts on neighboring qubits. It can be applied to a quantum computer in one application without intermediate two-qubit gates. At the same time, for example, a two-qubit gate 24 acting on the 1st and Nth qubits in a quantum logic circuit can hardly be applied in one approach on a real quantum computer, because physical qubits are unlikely to be located next to each other. This situation is still possible, for example, if when numbering qubits on a quantum chip with a planar arrangement, shown in FIG. 5, 1st and Nth qubits are located adjacent, but even in this case, most of the other two-qubit gates will act on qubits that are distant from each other. The transformed N-qubit quantum state 25 at the output of the CPF is used in further execution of algorithms, for example, in the Shor algorithm or the phase estimation algorithm.

Для выполнения двухкубитных операций между кубитами, расположенными не по соседству друг с другом, промежуточные квантовые гейты могут представлять собой SWAP-гейты, которые действуют на двухкубитные состояния согласно следующей матрице:To perform two-qubit operations between qubits that are not adjacent to each other, intermediate quantum gates can be SWAP gates that act on two-qubit states according to the following matrix:

Результатом действия SWAP-гейта на двухкубитные состояния является перестановка информации между двумя кубитами.The effect of a SWAP gate on two-qubit states is the swapping of information between two qubits.

Фиг. 7 поясняет необходимость применения промежуточных операций, выполняемых SWAP-гейтами для выполнения двухкубитных гейтов между удаленными друг от друга кубитами. На фиг. 7а представлен слой (преобразованное N-кубитное квантовое состояние 25) квантовой логической схемы выполняющей двухкубитный гейт условного сдвига фазы CRj. На фиг. 76 приведен пример реализация этой операции на квантовом вычислителе с ограниченной связанностью, позволяющей за одно применение реализовывать двухкубитные операции только между соседними кубитами. Реализация операции требует привлечение последовательностей применения SWAP-гейтов 26 из дополнительных двухкубитных SWAP-гейтов 27 для перемещения информации, содержащейся в одном из кубитов, участвующем в выполнении гейта CRj, ко второму такому кубиту. Целевая операций двухкубитного гейта 28 проводится между соседними кубитами. Из представленной квантовой схемы видно, что число необходимых дополнительных SWAP-гейтов растет пропорционально удалению кубитов, участвующих в двухкубитной операции. Как правило, в квантовых вычислителях, построенных по традиционным архитектурам, SWAP-гейт не входит в набор операций, которые могут выполняться за одно применение. По этой причине для выполнения SWAP-гейта используют последовательность других гейтов, которые поддерживаются квантовым вычислителем. Часто к набору поддерживаемых квантовых гейтов, которые можно выполнять за один подход, относится CNOT-гейт с матрицей преобразования, приведенной в выражении (3). На фиг. 8 приведено разложение квантовой операции, выполняемой SWAP-гейтом, на последовательность трех двухкубитных гейтов CNOT с матрицей преобразования (3). Таким образом, реализация операций перестановки состояний между удаленными друг относительно друга кубитами очень затратна с точки зрения внесения дополнительных шумов и ошибок, вносимых в квантовое состояние. Предлагаемое изобретение решает проблему конечной связанности кубитов в квантовых вычислителях с обратной связью.Fig. 7 explains the need to use intermediate operations performed by SWAP gates to perform two-qubit gates between qubits remote from each other. In fig. Figure 7a shows a layer (transformed N-qubit quantum state 25) of a quantum logic circuit that performs a two-qubit conditional phase shift gate CR j . In fig. 76 shows an example of the implementation of this operation on a quantum computer with limited connectivity, which allows one application to implement two-qubit operations only between neighboring qubits. Implementation of the operation requires the involvement of sequences of application of SWAP gates 26 from additional two-qubit SWAP gates 27 to move the information contained in one of the qubits involved in the execution of the CR j gate to the second such qubit. The target operation of the two-qubit gate 28 is carried out between adjacent qubits. From the presented quantum circuit it can be seen that the number of additional SWAP gates required increases in proportion to the removal of qubits involved in the two-qubit operation. As a rule, in quantum computers built on traditional architectures, the SWAP gate is not included in the set of operations that can be performed in one application. For this reason, to perform a SWAP gate, a sequence of other gates that are supported by the quantum computer is used. Often the set of supported quantum gates that can be executed in one go includes a CNOT gate with the transformation matrix given in expression (3). In fig. Figure 8 shows the decomposition of the quantum operation performed by the SWAP gate into a sequence of three two-qubit CNOT gates with a transformation matrix (3). Thus, the implementation of operations of permutation of states between qubits remote from each other is very expensive from the point of view of introducing additional noise and errors introduced into the quantum state. The proposed invention solves the problem of finite connectivity of qubits in quantum computers with feedback.

Таким образом, квантовые вычислители с обратной связью, с архитектурой, изображенной на фиг. 3, не могут реализовывать многослойные квантовые логические схемы КПФ. Множество других схем также нельзя реализовать в этой архитектуре.Thus, closed-loop quantum computers with the architecture depicted in FIG. 3, cannot implement multilayer quantum logic circuits of the QPF. Many other schemes also cannot be implemented in this architecture.

На фиг. 9 представлен пример схемы квантового преобразования, которую можно реализовать в квантовом вычислителе с обратной связью с блоком преобразователя 2-го типа 2 с архитектурой, изображенной на фиг. 1. Благодаря возможности хранения квантовой информации преобразователем 2-го типа 2 в течении нескольких шагов работы схемы удается повысить связанность квантовых логических схем. На фиг. 9 представлен пример, отвечающий задержке/хранению квантовых состояний 29а, сгенерированных в блоке преобразователя 1-го типа 1 на выходах 66 после первого шага работы вычислителя на протяжении следующих за этим j-1 шагов. После чего состояние поступает в блок преобразователя 1-го типа 1, начинающем выполнять j-й шаг. Блок преобразователя 2-го типа 2 может одновременно хранить состояния, сгенерированные на нескольких предыдущих шагах, которые могут подаваться на блоке преобразователя 1-го типа 1 в соответствии с конкретной реализуемой квантовой схемой.In fig. 9 shows an example of a quantum conversion circuit that can be implemented in a closed-loop quantum computer with a type 2 converter block 2 with the architecture of FIG. 1. Thanks to the ability to store quantum information by a type 2 converter 2 during several steps of the circuit operation, it is possible to increase the connectivity of quantum logic circuits. In fig. 9 shows an example corresponding to the delay/storage of quantum states 29a generated in the converter block of the 1st type 1 at the outputs 66 after the first step of the computer during the following j-1 steps. After which the state enters the converter block of the 1st type 1, which begins to perform the j-th step. The type 2 converter block 2 can simultaneously store states generated in several previous steps, which can be fed to the type 1 converter block 1 according to the particular quantum circuit being implemented.

На фиг. 10 представлены схемы архитектур квантовых вычислителей с обратной связью, которые могут реализовывать более сложные квантовые логические схемы, чем рассмотренная до этого архитектура. Квантовые схемы, реализуемые квантовыми вычислителями с архитектурами, изображенными на фиг. 10, могут быть более глубокими, т.к. они могут состоять из множества следующих друг за другом диагональных квантовых преобразований 18. Отличие этой архитектуры от архитектуры, изображенной на фиг. 1, заключается в том, что блок преобразователя 2-го типа 2 разделен и состоит из двух блоков 2а и 2б и приготавливаемое состояние измеряется на выходе блока 2б. Блок 2а служит для внесения задержки и возможного переключения каналов для выполнения одной диагонали квантовых преобразований 18 - Vj. Блок 2б служит для задержки и возможного переключения каналов между диагоналями квантовых преобразований 18, генерируемых последовательно, а также для выведения состояния на блок измерений 3. Рисунки, изображенные на фиг. 10 (а)-(г), иллюстрируют возможные варианты предлагаемой архитектуры квантовых вычислителей, которые отличаются соединением блоков преобразователя 1-го типа и блоков преобразователя 2-го типа.In fig. Figure 10 shows diagrams of closed-loop quantum computing architectures that can implement more complex quantum logic circuits than the architecture discussed so far. Quantum circuits implemented by quantum computers with the architectures depicted in FIG. 10, may be deeper, because they can consist of many successive diagonal quantum transformations 18. The difference between this architecture and the architecture shown in FIG. 1, is that the converter block of the 2nd type 2 is divided and consists of two blocks 2a and 2b and the prepared state is measured at the output of block 2b. Block 2a serves to introduce a delay and possible channel switching to perform one diagonal of quantum transformations 18 - V j . Block 2b serves for delay and possible switching of channels between the diagonals of quantum transformations 18, generated sequentially, as well as for outputting the state to measurement block 3. The drawings shown in FIG. 10 (a)-(d), illustrate possible options for the proposed architecture of quantum computers, which differ in the connection of converter blocks of the 1st type and converter blocks of the 2nd type.

Согласно варианту, изображенному на фиг. 10а, два модуля блока преобразований 2-го типа подключены к блоку преобразователя 1-го типа параллельно, при этом подмножество из M1 выходов блока преобразователя 1-го типа соединены с M1 входами первого модуля блока преобразователя 2-го типа, M1 выходов которого соединены с подмножеством из M1 входов блока преобразователя 1-го типа, при этом оставшиеся N-M1 выходов блока преобразователя 1-го типа соединены с N-M1 входами второго модуля блока преобразователя 2-го типа, D выходы второго модуля блока преобразователя 2-го типа соединены с D входами блока измерений, а оставшиеся M2=N-M1-D выходов второго модуля блока преобразователя 2-го типа соединены с М2 входами блока преобразователя 1-го типа.According to the embodiment shown in FIG. 10a, two modules of the 2nd type conversion block are connected to the 1st type converter block in parallel, while a subset of M1 outputs of the 1st type converter block are connected to the M1 inputs of the first module of the 2nd type converter block, the M1 outputs of which are connected to a subset of M1 inputs of the 1st type converter block, while the remaining N-M1 outputs of the 1st type converter block are connected to N-M1 inputs of the second module of the 2nd type converter block, D outputs of the second module of the 2nd type converter block are connected with D inputs of the measurement block, and the remaining M2=N-M1-D outputs of the second module of the 2nd type converter block are connected to the M2 inputs of the 1st type converter block.

Согласно варианту, изображенному на фиг. 10б, модули блока преобразователя 2-го типа подключены к блоку преобразователя 1-го типа последовательно, при этом подмножество из M1 выходов блока преобразователя 1-го типа соединены с подмножеством из M1 входов первого модуля блока преобразователя 2-го типа, M1 выходов которого соединены с подмножеством из M1 входов блока преобразователя 1-го типа, при этом оставшиеся N-M1 выходов блока преобразователя 1-го типа соединены с N-М1 входами второго модуля блока преобразователя 2-го типа, D выходов которого соединены с D входами блока измерений, при этом оставшиеся M2=N-M1-D выходов второго модуля блока преобразователя 2-го типа соединены с подмножеством из М2 входов первого модуля блока преобразователя 2-го типа.According to the embodiment shown in FIG. 10b, the modules of the 2nd type converter block are connected to the 1st type converter block in series, while a subset of M1 outputs of the 1st type converter block are connected to a subset of M1 inputs of the first module of the 2nd type converter block, the M1 outputs of which are connected with a subset of M1 inputs of the 1st type converter block, while the remaining N-M1 outputs of the 1st type converter block are connected to N-M1 inputs of the second module of the 2nd type converter block, the D outputs of which are connected to the D inputs of the measurement block, in this case, the remaining M2=N-M1-D outputs of the second module of the 2nd type converter block are connected to a subset of M2 inputs of the first module of the 2nd type converter block.

Согласно варианту, изображенному на фиг. 10в, модули блока преобразователя 2-го типа подключены к блоку преобразователя 1 -го типа последовательно, при этом N выходов блока преобразователя 1-го типа соединены с N входами второго модуля блока преобразователя 2-го типа, подмножество из D выходов которого соединено с D входами блока измерений, оставшиеся N-D выходов второго модуля блока преобразователя 2-го типа соединены с N-D входами первого модуля блока преобразователя 2-го типа, N-D выходов которого соединены с подмножеством из N-D входов блока преобразователя 1 -го типа.According to the embodiment shown in FIG. 10c, the modules of the 2nd type converter block are connected to the 1st type converter block in series, while the N outputs of the 1st type converter block are connected to the N inputs of the second module of the 2nd type converter block, a subset of D outputs of which is connected to D inputs of the measurement block, the remaining N-D outputs of the second module of the 2nd type converter block are connected to the N-D inputs of the first module of the 2nd type converter block, the N-D outputs of which are connected to a subset of the N-D inputs of the 1st type converter block.

Согласно варианту, изображенному на фиг. 10г, модули блока преобразователя 2-го типа подключены к блоку преобразователя 1-го типа последовательно, при этом N выходов блока преобразователя 1-го типа соединены с N входами первого модуля блока преобразователя 2-го типа, N выходов которого соединены с N входами второго модуля блока преобразователя 2-го типа, при этом подмножество из D выходов второго модуля блока преобразователя 2-го типа соединены с D входами блока измерений, а оставшиеся N-D выходов второго модуля блока преобразователя 2-го типа соединены с N-D входами блока преобразователя 1-го типа.According to the embodiment shown in FIG. 10g, the modules of the 2nd type converter block are connected to the 1st type converter block in series, while the N outputs of the 1st type converter block are connected to the N inputs of the first module of the 2nd type converter block, the N outputs of which are connected to the N inputs of the second module of the 2nd type converter block, wherein a subset of D outputs of the second module of the 2nd type converter block is connected to the D inputs of the measurement block, and the remaining N-D outputs of the second module of the 2nd type converter block are connected to the N-D inputs of the 1st converter block type.

Блоки преобразователей 1-го типа могут представлять собой системы квантовых вычислителей, основанные на традиционной гейтовой модели: оптические кубиты и линейно-оптические схемы, сверхпроводниковые цепи, ионы и нейтральные атомы, плененные в ловушках и др.Type 1 converter blocks can be quantum computing systems based on the traditional gate model: optical qubits and linear optical circuits, superconducting circuits, ions and neutral atoms captured in traps, etc.

На фиг. 11 приведены примеры квантовых схем, которые могут быть использованы для осуществления блоков преобразователей 2-го типа. На фиг. 11 (а) приведен преобразователь 2-го типа, который состоит из набора программируемых задержек 30а, 30б, … 30в. Величина временной задержки, вносимой в канал, задается с компьютера через линии 9а, 9б…9в. На фиг. 11 (6) изображен преобразователь 2-го типа, который помимо программируемых задержек также содержит программируемый блок перестановок 31. Блок перестановок 31 выполняет преобразования перестановок между каналами в пространственной кодировке, т.е. состояния в разных пространственных каналах, входящие в него синхронно в один отрезок времени, переставляются в состояния, выходящие из него синхронно в один отрезок времени. Конкретное преобразование перестановки выполняется в соответствии с управлением от компьютера через линии 9. Временные программируемые задержки 30а, 30б…30в, вносимые в каналы после перестановки 31, могут менять временные каналы преобразуемых состояний. На фиг. 11 (в) изображен преобразователь 2-го типа, который состоит из последовательности чередующихся блоков перестановок 31а, 31б… и независимых временных задержек 30а, 30б…In fig. 11 shows examples of quantum circuits that can be used to implement type 2 converter blocks. In fig. Figure 11 (a) shows a type 2 converter, which consists of a set of programmable delays 30a, 30b, ... 30c. The amount of time delay introduced into the channel is set from the computer through lines 9a, 9b...9c. In fig. 11 (6) shows a type 2 converter, which, in addition to programmable delays, also contains a programmable permutation block 31. The permutation block 31 performs permutation conversions between channels in spatial encoding, i.e. states in different spatial channels entering it synchronously in one period of time are rearranged into states leaving it synchronously in one period of time. The specific transformation of the permutation is carried out in accordance with the control from the computer through lines 9. Temporary programmable delays 30a, 30b...30c, introduced into the channels after the permutation 31, can change the time channels of the converted states. In fig. 11 (c) shows a type 2 converter, which consists of a sequence of alternating blocks of permutations 31a, 31b... and independent time delays 30a, 30b...

Рабочий принцип простейшей программируемой линии задержки 30 поясняется на фиг. 12. Задержка может вносить два предварительно заданных значения временной статической задержки 32а или 32б в зависимости от положения входного и выходного переключателей программируемой задержки 33а и 33б соответственно. Одна из двух задержек реализуется в зависимости от режима, в который выставлены переключатели 33а и 33б. Конкретная реализация переключения между разными линиями задержки зависит от физической платформы, на которой основан квантовый вычислитель.The operating principle of the simplest programmable delay line 30 is illustrated in FIG. 12. The delay may introduce two preset static time delay values 32a or 32b depending on the position of the programmable delay input and output switches 33a and 33b, respectively. One of the two delays is implemented depending on the mode in which switches 33a and 33b are set. The specific implementation of switching between different delay lines depends on the physical platform on which the quantum computer is based.

Преобразователи 2-го типа, осуществляющие программируемые задержки и перестановки, также можно изготовить на базе существующих квантовых систем или в полной совместимости с ними. Например, для оптической платформы квантовых вычислений, в которой квантовые состояния кодируются в оптические фотоны, задержки могут быть реализованы в виде программируемых оптических интерферометров, например, в виде оптоволоконных петель, соединенных посредством программируемых переключателей и/или делителей (Н. Qi et al, "Linear multiportphotonic interferometers: loss analysis of temporally-encoded architectures"// arxiv:1812.07015 (2018); K.R. Motes at al, "Scalable boson sampling with time-bin encoding using a loop-based architecture " // Phys. Rev. Lett. V. 113, 120501 (2015)). Вместо оптических волокон могут быть использованы резонаторы, сконструированные из зеркал на оптическом столе или в монолитном интегрально-оптическом исполнении. Помимо этого, для преобразователей 2-го типа можно использовать элементы квантовой оптической памяти, которая может хранить квантовые оптические состояния и по требования выдавать эти состояния в преобразователь 1 -го типа. В отличие от преобразователей на основе задержек, в которых фотоны распространяются в оптоволоконных или резонаторных петлях после их поступления на входы, при записи состояний в квантовую память происходит конвертация состояний в возбуждение материальной среды, например, возбуждение уровней энергий паров металлов (K.F. Reim at al. "Quantum memory" // WO 2011073656A1 (2011)) или твердотельной структуры (A. Ortu et al. "Storage of photonic time-bin qubits for up to 20 ms in a rare-earth doped crystal" // NPJ Quantum Information v. 8, No. 29 (2022)). Таким образом, входные квантовые состояния фотонов, распространяющиеся со скоростью света, конвертируются в квантовое состояние покоящейся материальной среды. Вывод состояний из квантовой памяти происходит управляющим воздействием, которое стимулирует конвертация возбуждения материальной среды в состояния распространяющихся фотонов. Существует множество типов квантовой памяти, которые отличаются материальной квантовой системой, используемой хранения информации принципом работы процедур записи и считывания квантовых состояний.Type 2 converters, which implement programmable delays and permutations, can also be manufactured on the basis of existing quantum systems or in full compatibility with them. For example, for an optical quantum computing platform in which quantum states are encoded into optical photons, delays can be implemented as programmable optical interferometers, such as fiber optic loops connected via programmable switches and/or dividers (H. Qi et al, " Linear multiportphotonic interferometers: loss analysis of temporally-encoded architectures"// arxiv:1812.07015 (2018); K.R. Motes at al, "Scalable boson sampling with time-bin encoding using a loop-based architecture" // Phys. Rev. Lett. V. 113, 120501 (2015)). Instead of optical fibers, resonators can be used, constructed from mirrors on an optical table or in a monolithic integrated optical design. In addition, for type 2 converters, you can use elements of quantum optical memory, which can store quantum optical states and, upon request, output these states to a type 1 converter. Unlike delay-based converters, in which photons propagate in fiber-optic or resonator loops after they arrive at the inputs, when states are written to quantum memory, states are converted into excitations of the material medium, for example, excitation of energy levels of metal vapors (K. F. Reim at al. "Quantum memory" // WO 2011073656A1 (2011)) or solid-state structure (A. Ortu et al. "Storage of photonic time-bin qubits for up to 20 ms in a rare-earth doped crystal" // NPJ Quantum Information v. 8, No. 29 (2022)). Thus, the input quantum states of photons, propagating at the speed of light, are converted into the quantum state of the material medium at rest. The output of states from quantum memory occurs through a control action that stimulates the conversion of excitation of the material environment into states of propagating photons. There are many types of quantum memory, which differ in the material quantum system used for storing information and the operating principle of the procedures for writing and reading quantum states.

В квантовых вычислителях, основанных на кодировании квантовых состояний в состояния материальных систем, квантовую память, необходимую для построения преобразователей 2-го типа, также можно реализовать на практике. Например, продемонстрированное время хранения квантовых состояний кубитов на уровнях в ионах в ловушках составляет десятки минут, что на несколько порядков превосходит типичные времена выполнения квантовых логических операций на этой платформе (P. Want et al., "Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour" // Nature Communications v. 12, No 233 (2021)). Время хранения квантовых состояний в центрах окраски в алмазе может превышать 10 миллисекунд (D.D. Sukachov et al., "Silicon-Vacancy spin qubit in diamond: a quantum memory exceeding 10 ms with single-shot state readout" // Phys. Rev. Lett, v. 119, 223602 (2017)). Времена хранения в квантовой памяти на много порядков превышают время, затрачиваемое на выполнение квантовых логических операций, т.е. на основе таких элементов квантовой памяти можно построить квантовые вычислители по предложенной архитектуре, которые будут реализовывать задержки достаточно долгое время, для реализации многокубитных и глубоких квантовых логических цепей.In quantum computers based on encoding quantum states into states of material systems, the quantum memory necessary for constructing type 2 converters can also be implemented in practice. For example, the demonstrated storage time of quantum states of qubits at levels in ions in traps is tens of minutes, which is several orders of magnitude greater than the typical execution times of quantum logic operations on this platform (P. Want et al., “Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour" // Nature Communications v. 12, No. 233 (2021)). The storage time of quantum states in color centers in diamond can exceed 10 milliseconds (D.D. Sukachov et al., “Silicon-Vacancy spin qubit in diamond: a quantum memory exceeding 10 ms with single-shot state readout” // Phys. Rev. Lett, v. 119, 223602 (2017)). Storage times in quantum memory are many orders of magnitude greater than the time spent performing quantum logical operations, i.e. Based on such quantum memory elements, it is possible to build quantum computers using the proposed architecture, which will implement delays long enough to implement multi-qubit and deep quantum logic circuits.

Пример конкретной реализацииExample of a concrete implementation

Для демонстрации работы заявленного изобретения был использован линейно-оптический квантовый компьютер, в котором квантовая информация кодируется в летящие одиночные фотоны, преобразование блока 1-го типа выполнялось многоканальным интерферометрам, а преобразование блока 2-го типа выполнялось волоконными линиями задержки с разными длинами.To demonstrate the operation of the claimed invention, a linear optical quantum computer was used, in which quantum information is encoded into flying single photons, the conversion of the 1st type block was performed by multi-channel interferometers, and the conversion of the 2nd type block was performed by fiber delay lines with different lengths.

На фиг. 13 представлены схемы оптических установок, использованных в демонстрации заявленного изобретения. На фиг. 13 (а) изображена схема, реализующая известный квантовый оптический вычислитель. Этот вычислитель использует независимые линии временной задержки, которые вносят одинаковые задержки. На фиг. 13б изображена схема, которая является простейшим вариантом квантового вычислителя, выполненного по предлагаемой архитектуре. Ее отличие от схемы, изображенной на фиг. 13а, состоит в том, что в линиях задержки выполняется перестановка двух каналов и относительная задержка сигналов. Основными элементами схем являлись: блок преобразований 1-го типа, представляющий собой многоканальный программируемый 4-х канальный интерферометр 34, блок преобразований 2-го типа, состоящий из линий задержки с разными длинами волоконных линий 35 и состоящий из двух оптических волокон 35а и 35б, источник пар фотонов 36, основанный на спонтанном параметрическом рассеянии, блок измерений, состоящий в реализуемом примере из двух детекторов одиночных фотонов 37а и 37б, компьютера 4. Схемы отличаются конструкцией блока преобразователя 2-го типа, а именно волоконными линиями задержки.In fig. 13 shows diagrams of the optical installations used in the demonstration of the claimed invention. In fig. 13 (a) shows a circuit implementing a well-known quantum optical computer. This computer uses independent time delay lines that introduce equal delays. In fig. 13b shows a circuit that is the simplest version of a quantum computer made according to the proposed architecture. Its difference from the diagram shown in Fig. 13a, consists in the fact that in the delay lines the two channels are interchanged and the relative delay of the signals is performed. The main elements of the circuits were: a transformation block of the 1st type, which is a multichannel programmable 4-channel interferometer 34, a transformation block of the 2nd type, consisting of delay lines with different lengths of fiber lines 35 and consisting of two optical fibers 35a and 35b, a source of photon pairs 36, based on spontaneous parametric scattering, a measurement unit, consisting in the implemented example of two detectors of single photons 37a and 37b, computer 4. The circuits differ in the design of the type 2 converter unit, namely fiber delay lines.

В качестве многоканального программируемого интерферометра использовался интегрально-оптический чип, созданный с помощью технологии фемтосекундной лазерной печати, которая позволяет изготавливать как планарные, так и трехмерные интегрально-оптические схемы. Для создания интегрального чипа оптической схемы использовалась кварцевая заготовка в форме прямоугольника с длиной 10 см, шириной 5 см и толщиной 0.5 см. На первом этапе изготовления чипа в объеме заготовки создавались пассивные волноводные структуры, формирующие статическую оптическую схему, представляющую собой пучок из пяти волноводов, которые сводились близко друг к другу для формирования области взаимодействия, где энергии оптических сигналов переходят из волновода в волновод за счет эванесцентного взаимодействия между ними, и разносились на удаление для предотвращения взаимодействия и внесения сдвигов фаз программируемым образом. Начала и концы волноводов доводились до противоположных торцов стеклянной заготовки для обеспечения возможности заведения и выведения оптических сигналов.An integrated optical chip created using femtosecond laser printing technology, which allows the production of both planar and three-dimensional integrated optical circuits, was used as a multichannel programmable interferometer. To create an integrated optical circuit chip, a quartz workpiece in the shape of a rectangle with a length of 10 cm, a width of 5 cm and a thickness of 0.5 cm was used. At the first stage of chip manufacturing, passive waveguide structures were created in the volume of the workpiece, forming a static optical circuit, which is a bundle of five waveguides, which were brought close to each other to form an interaction region where optical signal energies are transferred from waveguide to waveguide due to evanescent interaction between them, and were spaced apart to prevent interaction and introduce phase shifts in a programmable manner. The beginnings and ends of the waveguides were brought to the opposite ends of the glass workpiece to ensure the possibility of inserting and removing optical signals.

Для реализации программируемое™ на чипе изготавливались элементы сдвига фазы, с помощью которых осуществлялась реконфигурация интерферометров. Элементы сдвига фазы были основаны на термо-оптическом эффекте. Элементы изменяемых фазовых сдвигов представляли собой металлические полоски, располагаемые над участками волноводов, на которых было необходимо реализовать эти элементы. При подаче напряжен на элементы происходил нагрев соответствующих участков волноводов, в результате чего коэффициент преломления стекла в этой области менялся, вызывая таким образом сдвиг фазы относительно не нагретых участков. Детали использованной технологии изготовления можно найти в работе Z V. Dyakonov et al., "Reconfigurablephotonics on a glass chip" // Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018).To implement programmable technology on a chip, phase shift elements were manufactured, with the help of which the interferometers were reconfigured. Phase shift elements were based on the thermo-optical effect. The elements of variable phase shifts were metal strips located above the sections of the waveguides on which it was necessary to implement these elements. When voltage was applied to the elements, the corresponding sections of the waveguides were heated, as a result of which the refractive index of the glass in this area changed, thus causing a phase shift relative to the unheated sections. Details of the fabrication technology used can be found in Z V. Dyakonov et al., “Reconfigurable photonics on a glass chip” // Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018).

Два одиночных фотона, поступающих одновременно на 2 входа 4-х канального интерферометра 34, представляют собой входные состояния, инициализирующие состояние квантового вычислителя. Источником пар фотонов 36 являлся процесс спонтанного параметрического рассеяния, протекающий в нелинейном кристалле бета-бората бария. В процессе спонтанного параметрического рассеяния рождались пары фотонов, каждый из которых выходил из кристалла под своим углом, что давало возможность собирать фотоны в волокна и заводить в интерферометр. В качестве накачки использовался лазер, генерирующий импульсы на центральной длине волны 816 нм длительностью ~100 фс и частотой следования f=83 МГц. Излучение накачки поступало на удвоитель частоты, где его длина волны становилось в 2 раза меньше изначальной, после чего оно поступало на нелинейный кристалл. Импульс накачки в нелинейном кристалле недетерминистическим образом рождал пару одиночных фотонов на длине волны 816 нм в разных пространственных модах. Через оптоволоконный ввод пары фотонов поступали на два канала интерферометра. Т.к. длина волны накачки, поступающая в нелинейный кристалл, намного отличается от длин волн генерируемых пар фотонов, и направления распространения фотонов отличается от направления распространения волны накачки, частотных фильтров не требовалось.Two single photons arriving simultaneously at the 2 inputs of the 4-channel interferometer 34 represent the input states that initialize the state of the quantum computer. The source of photon pairs 36 was the process of spontaneous parametric scattering occurring in a nonlinear beta-barium borate crystal. In the process of spontaneous parametric scattering, pairs of photons were born, each of which exited the crystal at its own angle, which made it possible to collect photons into fibers and feed them into the interferometer. A laser was used as pump, generating pulses at a central wavelength of 816 nm with a duration of ~100 fs and a repetition rate of f = 83 MHz. The pump radiation entered the frequency doubler, where its wavelength became 2 times less than the original one, after which it entered the nonlinear crystal. A pump pulse in a nonlinear crystal nondeterministically produced a pair of single photons at a wavelength of 816 nm in different spatial modes. Through the fiber-optic input, pairs of photons entered two channels of the interferometer. Because The pump wavelength entering the nonlinear crystal is much different from the wavelengths of the generated photon pairs, and the direction of propagation of the photons is different from the direction of propagation of the pump wave, no frequency filters were required.

Для детектирования использовались сверхпроводниковые детекторы. Сигналы с выхода интерферометра заводились в криостат, в котором располагались детекторы, с помощью волокон. Эффективность детектирования одиночных фотонов составляла -85%. Электрические сигналы с электронной системы считывания фотоотсчетов поступали на персональный компьютер 4, через электрические линии 38а и 38,. Компьютерная программа обрабатывала сигналы, поступающие на компьютер от детекторов 37а и 37,, соответственно.Superconducting detectors were used for detection. Signals from the output of the interferometer were fed into the cryostat, in which the detectors were located, using fibers. The detection efficiency of single photons was -85%. Electrical signals from the electronic photocount reading system were supplied to personal computer 4 through electrical lines 38a and 38. The computer program processed the signals coming to the computer from detectors 37a and 37, respectively.

Для реализации блока преобразователя 2-го типа использовались оптические волокна, концы которых соединялись с входами и выходами интегрального чипа. В схеме, изображенной на фиг. 13 а, волокна имели одинаковую длину, которая обеспечивала синхронное поступление фотонов от источника пар фотонов 36 и сигналов из петли на входы в чип. Таким образом длина волокон, составляла « 2,4 м и подгонялась чтобы с высокой степенью точности (не хуже 0,1 мм) давать время полного обхода оптических сигналов, равное периоду следования импульсов накачки Для этой цели несколько раз проводилось укорачивание/сошлифовывание волокна (волокно бралось заведомо длиннее, чем необходимо). После каждого раза волокно соединялось с чипом и изучалась возможность наблюдения эффекта квантовой интерференции при поступлении на чип одиночных фотонов с частотой f, который возможен только, если задержанный фотон или волокна поступает в интерферометр одновременно с заново сгенерированным. Укорачивание волокна продолжалось до наблюдения эффекта. Также проводился контроль поляризации сигналов, выходящих из волокна - она всегда должна совпадать с поляризацией фотонов, поступающих на интерферометр. Нужная поляризация подбиралась контроллером поляризации.To implement the type 2 converter block, optical fibers were used, the ends of which were connected to the inputs and outputs of the integrated chip. In the diagram shown in FIG. 13a, the fibers had the same length, which ensured the synchronous arrival of photons from the source of photon pairs 36 and signals from the loop to the inputs of the chip. Thus, the length of the fibers was “2.4 m and was adjusted to give, with a high degree of accuracy (no worse than 0.1 mm), a complete round trip time for optical signals equal to the repetition period of the pump pulses For this purpose, the fiber was shortened/grinded several times (the fiber was taken deliberately longer than necessary). After each time, the fiber was connected to the chip and the possibility of observing the effect of quantum interference when single photons with frequency f arrived at the chip, which is only possible if the delayed photon or fiber enters the interferometer simultaneously with the newly generated one. Fiber shortening continued until the effect was observed. The polarization of the signals leaving the fiber was also monitored - it should always coincide with the polarization of the photons arriving at the interferometer. The required polarization was selected by a polarization controller.

В схеме, изображенной на фиг. 136, волокна имели разную длину. Одно из волокон обеспечивало задержку и имело длину ≈2,4 м, тогда как другое волокно имело длину ≈4,8 м, обеспечивающую задержку 2Т ≈ 24 нc. Точный подгон длин волокон осуществлялся таким же методом, что и для схемы, изображенной на фиг. 13а. Помимо этого, выходы волокон были переставлены относительно входов, таким образом было реализовано преобразование перестановки.In the diagram shown in FIG. 136, the fibers had different lengths. One of the fibers provided delay and had a length of ≈2.4 m, while the other fiber had a length of ≈4.8 m, providing a 2T delay of ≈ 24 ns. Precise adjustment of the fiber lengths was carried out using the same method as for the circuit shown in Fig. 13a. In addition, the outputs of the fibers were permuted relative to the inputs, thus implementing a permutation transformation.

Для сравнения сложности выполняемых задач квантовыми вычислителями друг с другом была рассмотрена задача приготовления квантовых состояний в пространственно-временной кодировке и генерация статистики фотоотсчетов на основе измерений этих состояний детекторами одиночных фотонов. Т.к. за один шаг работы схемы измеряются 2 пространственных канала, то состояние, приготавливаемой схемами за W шагов их работы, может быть описано суперпозицией по 2W пространственно-временным каналам:To compare the complexity of the tasks performed by quantum computers with each other, the problem of preparing quantum states in space-time encoding and generating photocount statistics based on measurements of these states by single photon detectors was considered. Because In one step of the circuit operation, 2 spatial channels are measured, then the state prepared by the circuits in W steps of their operation can be described by a superposition along 2W space-time channels:

где - фоковское состояние с числом фотонов в j-ой моде Sj (j=1…2W), - амплитуда вероятности, соответствующая состоянию В эксперименте анализировались распределения вероятностей фотоотсчетов, измеренных детекторами одиночных фотонов на выходе из квантовой схемы. Для сравнения информационной емкости генерируемых квантовых состояний рассчитывались энтропия Шеннона:Where - Fock state with the number of photons in the j-th mode S j (j=1…2W), - probability amplitude corresponding to the state The experiment analyzed probability distributions photocounts measured by single photon detectors at the output of a quantum circuit. To compare the information capacity of generated quantum states, Shannon entropy was calculated:

где PD - распределение вероятностей pi, полученное в эксперименте. Чем выше значение энтропии Шеннона, тем больше информации несет квантовое состояние с распределением (J.V. Stone, "Information theory: a tutorial introduction" // arxiv:1802.59068 (2018)).where PD is the probability distribution pi obtained in the experiment. The higher the Shannon entropy value, the more information the quantum state carries with the distribution (JV Stone, "Information theory: a tutorial introduction" // arxiv:1802.59068 (2018)).

В двух оптических схемах, изображенных на фиг. 1 За и фиг. 136, использовался один и тот же интегральный чип: 4-х канальный интерферометр 34. Сначала выполнялся эксперимент со схемой, изображенной на фиг. 13 а, для чего к чипу подключалась линия задержки из двух одинаковых волокон (с процедурой подстройки длины, описанной ранее). Выбиралось W=5 шагов работы схемы, таким образом измерялась статистика фотоотсчетов для квантовых состояний, сгенерированных в 10 пространственно-временных каналах на выходе из чипа интерферометра 34. Для этого лазер, используемый для накачки источника пар фотонов, включался и работал в течение ~100 периодов (шагов работы схемы) следования импульсов. В силу высокой частоты следования импульсов лазера включение лазера на меньшее количество времени было невозможным из-за отсутствия технических средств для этого. Из 100 шагов выбирались только те фотоотсчеты, которые были получены за первые W шагов. Данная процедура автоматически повторялась 1 млн. раз в 10 разных экспериментах, отличающихся передаточной матрицей многоканального интерферометра. В каждом новом эксперименте передаточная матрица многоканального интерферометра устанавливалась заново случайным выставлением сдвигов фаз на интегральном чипе. Таким образом, были получены распределения PD(1) вероятностей для схемы, изображенной на фиг. 13а.In the two optical designs shown in FIG. 1 Pros and figs. 136, the same integrated chip was used: 4-channel interferometer 34. First, an experiment was performed with the circuit shown in FIG. 13a, for which a delay line of two identical fibers was connected to the chip (with the procedure for adjusting the length described earlier). W=5 steps of operation of the circuit were selected, thus measuring the statistics of photocounts for quantum states generated in 10 space-time channels at the output of the interferometer chip 34. For this, the laser used to pump the source of photon pairs was turned on and operated for ~100 periods (steps of the circuit operation) pulse sequence. Due to the high repetition rate of laser pulses, turning on the laser for a shorter amount of time was impossible due to the lack of technical means for this. Out of 100 steps, only those photocounts that were obtained in the first W steps were selected. This procedure was automatically repeated 1 million times in 10 different experiments, differing in the transfer matrix of the multichannel interferometer. In each new experiment, the transfer matrix of the multichannel interferometer was set anew by randomly setting phase shifts on the integrated chip. Thus, the PD (1) probability distributions were obtained for the circuit shown in Fig. 13a.

Аналогичная серия экспериментов повторялась для схемы, изображенной на фиг. 13. Для этого в установке волоконные линии обратной связи менялись соответствующим образом и выполнялось точно такое же количество измерений и экспериментов, как и в предыдущей схеме. Были получены распределения вероятностей A similar series of experiments was repeated for the circuit shown in FIG. 13. To do this, the feedback fiber lines in the setup were changed accordingly and exactly the same number of measurements and experiments were performed as in the previous setup. Probability distributions were obtained

На основе полученных распределений вероятностей рассчитаны средние значения энтропии Шеннона для вычислителей, изображенных на фиг. 13а и фиг. 13б. Энтропия фотоотсчетов, полученная в первой схеме, оказалась равной H5(PD(1))=65,3, тогда как энтропия, полученная во второй схеме, реализующей предлагаемое изобретение, была равна HS(PD(2))=94,6.Based on the obtained probability distributions, the average Shannon entropy values were calculated for the computers shown in Fig. 13a and fig. 13b. The entropy of photocounts obtained in the first scheme turned out to be equal to H5(PD (1) )=65.3, while the entropy obtained in the second scheme implementing the proposed invention was equal to HS(PD (2) )=94.6.

Таким образом, изобретение решает проблему ограниченной связанности в квантовых вычислителях с обратной связью. Помимо этого, продемонстрированное превышение сложности квантовых состояний в схеме, использующей предлагаемую архитектуру квантовых вычислителей, по сравнению со схемой, выполненной по известной архитектуре, свидетельствует о необходимости реализации более глубоких квантовых схем в известной архитектуре, чтобы достичь преобразований, которые реализуются в заявляемых архитектурах на схемах с меньшей глубиной.Thus, the invention solves the problem of limited connectivity in closed-loop quantum computers. In addition, the demonstrated excess of the complexity of quantum states in a circuit using the proposed architecture of quantum computers, compared to a circuit based on a known architecture, indicates the need to implement deeper quantum circuits in a known architecture in order to achieve transformations that are implemented in the proposed architectures on the circuits with less depth.

Claims (42)

1. Квантовое вычислительное устройство, включающее1. Quantum computing device including по меньшей мере один блок 1-го типа, имеющий N входов и N выходов, где N≥3, выполненный с возможностью синхронного преобразования сигналов, описываемых квантовыми состояниями, за время τ,at least one block of the 1st type, having N inputs and N outputs, where N≥3, configured to synchronously convert signals described by quantum states in time τ, по меньшей мере один блок 2-го типа, имеющий M<N входов и М выходов, где М≥2, выполненный с возможностью внесения временных задержек в сигналы, описываемые квантовыми состояниями, поступающие на его входы, с возможностью перестановки каналов на выходах относительно каналов на входах,at least one block of the 2nd type, having M<N inputs and M outputs, where M≥2, configured to introduce time delays into signals described by quantum states arriving at its inputs, with the ability to rearrange the channels at the outputs relative to the channels at the entrances, блок измерений, выполненный с возможностью измерения и обработки результатов измерений квантовых состояний сигналов, поступающих на входы блока с N-M выходов блока 1-го типа,a measurement block configured to measure and process measurement results of quantum states of signals arriving at the inputs of the block from N-M outputs of the 1st type block, блок формирования входных сигналов, выполненный с возможностью подачи сигналов на N-M входов блока 1-го типа, описываемых одинаковыми квантовыми состояниями, с периодом Т, равным или кратным τ,an input signal generation unit configured to supply signals to N-M inputs of the 1st type block, described by identical quantum states, with a period T equal to or a multiple of τ, компьютер, выполненный с возможностью управления преобразованиями по меньшей мере одного блока 1-го типа и по меньшей мере одного блока 2-го типа, управления блоком измерений и обработки результатов измерений этого блока,a computer configured to control transformations of at least one block of the 1st type and at least one block of the 2nd type, control the measurement block and process the measurement results of this block, при этом М выходов блока 1-го типа соединены с М входами блока 2-го типа, а М выходов блока 2-го типа соединены с М входами блока 1-го типа, a N-M выходов блока 1-го типа соединены с N-M входами блока измерений.in this case, M outputs of the 1st type block are connected to M inputs of the 2nd type block, and M outputs of the 2nd type block are connected to M inputs of the 1st type block, and N-M outputs of the 1st type block are connected to N-M inputs of the block measurements. 2. Квантовое вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит не менее двух блоков 1-го типа, при этом блоки соединены последовательно таким образом, что выходы с предыдущего блока соединены с соответствующими входами последующего блока.2. A quantum computing device according to claim 1, characterized in that it contains at least two blocks of the 1st type, with the blocks connected in series in such a way that the outputs from the previous block are connected to the corresponding inputs of the subsequent block. 3. Квантовое вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок 2-го типа выполнен с возможностью изменения временных задержек по меньшей мере в одном пространственном канале данного блока.3. Quantum computing device according to claim 1, characterized in that the 2nd type block is configured to change time delays in at least one spatial channel of this block. 4. Квантовое вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок 2-го типа выполнен с возможностью внесения временных задержек, кратных Т, и возможностью их программируемого изменения.4. Quantum computing device according to claim 1, characterized in that the 2nd type block is designed with the ability to introduce time delays that are multiples of T, and the possibility of their programmable change. 5. Квантовое вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один из блоков преобразований 1-го и 2-го типа, блок измерений и компьютер выполнены с возможностью изменения преобразования квантовых состояний за время меньшее, чем Т.5. Quantum computing device according to claim 1, characterized in that at least one of the conversion blocks of the 1st and 2nd type, the measurement unit and the computer are configured to change the transformation of quantum states in a time less than T. 6. Квантовое вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве сигналов использованы оптические сигналы, которые кодируют квантовые состояния,6. Quantum computing device according to claim 1, characterized in that the signals used are optical signals that encode quantum states, при этом в качестве блоков 1-го и 2-го типа использованы программируемые интерферометры, где блок 2-го типа дополнительно содержит петли временной задержки.in this case, programmable interferometers are used as blocks of the 1st and 2nd types, where the 2nd type block additionally contains time delay loops. 7. Квантовое вычислительное устройство по п. 6, отличающееся тем, что блок 2-го типа содержит элементы квантовой памяти, выполненные с возможностью записи и считывания оптических сигналов.7. Quantum computing device according to claim 6, characterized in that the 2nd type block contains quantum memory elements capable of recording and reading optical signals. 8. Квантовое вычислительное устройство по п. 7, отличающееся тем, что элемент квантовой памяти представляет собой твердотельную квантовую систему, выполненную с возможностью хранения квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее чем 2Т.8. Quantum computing device according to claim 7, characterized in that the quantum memory element is a solid-state quantum system capable of storing quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a period of time of at least 2T. 9. Квантовое вычислительное устройство по п. 7, отличающееся тем, что элемент квантовой памяти представляет собой квантовую систему, реализованную на базе паров щелочных металлов, выполненную с возможностью хранения квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее чем 2Т.9. Quantum computing device according to claim 7, characterized in that the quantum memory element is a quantum system implemented on the basis of alkali metal vapors, capable of storing quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a period of time not less than 2T. 10. Квантовое вычислительное устройство по п. 7, отличающееся тем, что элемент квантовой памяти представляет собой квантовую систему одиночных нейтральных атомов в ловушке или ионов в ловушке, выполненную с возможностью хранения квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее чем 2Т.10. Quantum computing device according to claim 7, characterized in that the quantum memory element is a quantum system of single neutral atoms in a trap or ions in a trap, configured to store quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a segment time not less than 2T. 11. Квантовое вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено на основе квантовой системы одиночных нейтральных атомов в ловушке, или на основе квантовой системы одиночных ионов в ловушке, или на основе квантовой системы сверхпроводниковых цепочек, или на основе квантовой системы квантовых точек, или на основе квантовой системы дефектов в кремнии или алмазе.11. Quantum computing device according to claim 1, characterized in that it is made on the basis of a quantum system of single neutral atoms in a trap, or on the basis of a quantum system of single ions in a trap, or on the basis of a quantum system of superconductor chains, or on the basis of a quantum system of quantum dots , or based on a quantum system of defects in silicon or diamond. 12. Квантовое вычислительное устройство по п. 11, отличающееся тем, что блок 1-го типа и блок 2-го типа выполнены на основе разных квантовых систем.12. Quantum computing device according to claim 11, characterized in that the block of the 1st type and the block of the 2nd type are made on the basis of different quantum systems. 13. Квантовое вычислительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что компьютер выполнен с возможностью реализации квантовых вариационных алгоритмов.13. Quantum computing device according to claim 1, characterized in that the computer is designed to implement quantum variational algorithms. 14. Квантовое вычислительное устройство, включающее14. Quantum computing device including по меньшей мере один блок 1-го типа, имеющий N входов и N выходов, где N≥3, выполненный с возможностью синхронного преобразования сигналов, описываемых квантовыми состояниями, за время τ,at least one block of the 1st type, having N inputs and N outputs, where N≥3, configured to synchronously convert signals described by quantum states in time τ, по меньшей мере один блок 2-го типа, имеющий совокупно N входов и M<N выходов, где М≥2, содержащий по меньшей мере 2 модуля, соединенные параллельно или последовательно и выполненные с возможностью внесения временных задержек в сигналы, описываемые квантовыми состояниями, поступающие с соответствующих выходов блока 1-го типа на входы блока 2-го типа, с возможностью перестановки каналов на выходах относительно каналов на входах,at least one block of the 2nd type, having a total of N inputs and M<N outputs, where M≥2, containing at least 2 modules connected in parallel or in series and configured to introduce time delays into signals described by quantum states, coming from the corresponding outputs of the 1st type block to the inputs of the 2nd type block, with the possibility of rearranging the channels at the outputs relative to the channels at the inputs, по меньшей мере один блок измерений, выполненный с возможностью измерения квантовых состояний сигналов, поступающих на D≥1 его входов с D выходов модуля блока 2-го типа,at least one measurement block configured to measure the quantum states of signals arriving at D≥1 of its inputs from D outputs of the 2nd type block module, блок формирования входных сигналов, выполненный с возможностью подачи сигналов на N-M входов блока 1-го типа, описываемых одинаковыми квантовыми состояниями, с периодом Т, равным или кратным τ,an input signal generation unit configured to supply signals to N-M inputs of the 1st type block, described by identical quantum states, with a period T equal to or a multiple of τ, компьютер, выполненный с возможностью управления преобразованиями блока 1-го типа и блока 2-го типа, управления блоком измерений и обработки результатов измерений этого блока.a computer configured to control transformations of a block of the 1st type and a block of the 2nd type, control a measurement block and process the measurement results of this block. 15. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что число модулей в блоке 2-го типа равно двум, и они подключены к блоку 1-го типа параллельно, при этом подмножество из M1 выходов блока 1-го типа соединено с M1 входами первого модуля блока 2-го типа, M1 выходов которого соединены с подмножеством из M1 входов блока 1-го типа, при этом оставшиеся N-M1 выходов блока 1-го типа соединены с N-M1 входами второго модуля блока 2-го типа, D выходы второго модуля блока 2-го типа соединены с D входами блока измерений, а оставшиеся M2=N-M1-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с М2 входами блока 1-го типа.15. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the number of modules in the 2nd type block is two, and they are connected to the 1st type block in parallel, while a subset of M1 outputs of the 1st type block is connected to M1 the inputs of the first module of the 2nd type block, the M1 outputs of which are connected to a subset of the M1 inputs of the 1st type block, while the remaining N-M1 outputs of the 1st type block are connected to the N-M1 inputs of the second module of the 2nd type block, The D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to the D inputs of the measurement block, and the remaining M2=N-M1-D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to the M2 inputs of the 1st type block. 16. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что число модулей в блоке 2-го типа равно двум, и они подключены к блоку 1-го типа последовательно, при этом подмножество из M1 выходов блока 1-го типа соединено с подмножеством из M1 входов первого модуля блока 2-го типа, M1 выходов которого соединены с подмножеством из M1 входов блока 1-го типа, при этом оставшиеся N-M1 выходов блока 1-го типа соединены с N-M1 входами второго модуля блока 2-го типа, D выходов которого соединены с D входами блока измерений, при этом оставшиеся M2=N-M1-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с подмножеством из М2 входов первого модуля блока 2-го типа.16. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the number of modules in the 2nd type block is two, and they are connected to the 1st type block in series, while a subset of M1 outputs of the 1st type block is connected to the subset from the M1 inputs of the first module of the 2nd type block, the M1 outputs of which are connected to a subset of the M1 inputs of the 1st type block, while the remaining N-M1 outputs of the 1st type block are connected to the N-M1 inputs of the second module of the 2nd type block type, D outputs of which are connected to D inputs of the measurement block, while the remaining M2=N-M1-D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to a subset of M2 inputs of the first module of the 2nd type block. 17. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что число модулей в блоке 2-го типа равно двум, и они подключены к блоку 1-го типа последовательно, при этом N выходов блока 1-го типа соединены с N входами второго модуля блока 2-го типа, подмножество из D выходов которого соединено с D входами блока измерений, оставшиеся N-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с N-D входами первого модуля блока 2-го типа, N-D выходов которого соединены с подмножеством из N-D входов блока 1-го типа.17. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the number of modules in the 2nd type block is two, and they are connected to the 1st type block in series, with N outputs of the 1st type block connected to N inputs of the second block module of the 2nd type, a subset of D outputs of which is connected to the D inputs of the measurement block, the remaining N-D outputs of the second module of the 2nd type block are connected to the N-D inputs of the first module of the 2nd type block, the N-D outputs of which are connected to a subset of N-D inputs block of the 1st type. 18. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что число модулей в блоке 2-го типа равно двум, и они подключены к блоку 1-го типа последовательно, при этом N выходов блока 1-го типа соединены с N входами первого модуля блока 2-го типа, N выходов которого соединены с N входами второго модуля блока 2-го типа, при этом подмножество из D выходов второго модуля блока 2-го типа соединено с D входами блока измерений, а оставшиеся N-D выходов второго модуля блока 2-го типа соединены с N-D входами блока 1-го типа.18. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the number of modules in the 2nd type block is two, and they are connected to the 1st type block in series, with N outputs of the 1st type block connected to N inputs of the first block module of the 2nd type, N outputs of which are connected to N inputs of the second module of the 2nd type block, while a subset of D outputs of the second module of the 2nd type block is connected to D inputs of the measurement block, and the remaining N-D outputs of the second module of block 2 of the 1st type are connected to the N-D inputs of the 1st type block. 19. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что на N-M входов блока 1-го типа подаются сигналы, описываемые одинаковыми квантовыми состояниями, с периодом Т, равным или кратным т, при этом временные задержки, вносимые блоком 2-го типа, кратны Т и выполнены с возможностью программируемого изменения.19. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the N-M inputs of the block of the 1st type are supplied with signals described by identical quantum states, with a period T equal to or a multiple of m, while the time delays introduced by the block of the 2nd type , are multiples of T and are made with the possibility of programmable change. 20. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что компьютер выполнен с возможностью изменения преобразования квантовых состояний, выполняемых блоком 1-го типа, за время меньшее, чем Т.20. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the computer is configured to change the transformation of quantum states performed by the 1st type block in a time less than T. 21. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что компьютер выполнен с возможностью изменения базиса измерений, выполняемых блоком измерений, за время меньшее, чем Т.21. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the computer is configured to change the basis of measurements performed by the measurement unit in a time less than T. 22. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что в качестве сигналов используются оптические сигналы, которые кодируют квантовые состояния, при этом в качестве блоков 1-го и 2-го типа использованы программируемые интерферометры, где блок 2-го типа дополнительно содержит петли временной задержки.22. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that optical signals that encode quantum states are used as signals, while programmable interferometers are used as blocks of the 1st and 2nd types, where a block of the 2nd type is additionally contains time delay loops. 23. Квантовое вычислительное устройство по п. 22, отличающееся тем, что блок 2-го типа содержит элементы квантовой памяти, выполненные с возможностью записи и считывания оптических сигналов.23. Quantum computing device according to claim 22, characterized in that the 2nd type block contains quantum memory elements capable of recording and reading optical signals. 24. Квантовое вычислительное устройство по п. 23, отличающееся тем, что элемент квантовой памяти представляет собой твердотельную квантовую систему, в которой возможно хранение квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее чем 2Т.24. Quantum computing device according to claim 23, characterized in that the quantum memory element is a solid-state quantum system in which it is possible to store quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a period of time of at least 2T. 25. Квантовое вычислительное устройство по п. 23, отличающееся тем, что элемент квантовой памяти представляет собой квантовую систему, реализованную на базе паров щелочных металлов, выполненную с возможностью хранения квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее чем 2Т.25. Quantum computing device according to claim 23, characterized in that the quantum memory element is a quantum system implemented on the basis of alkali metal vapors, capable of storing quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a period of time not less than 2T. 26. Квантовое вычислительное устройство по п. 24, отличающееся тем, что элемент квантовой памяти представляет собой квантовую систему одиночных нейтральных атомов в ловушке или ионов в ловушке, в которой возможно хранение квантовых состояний поступающих сигналов в форме возбуждения квантовых состояний этой квантовой системы на протяжении отрезка времени не менее чем 2Т.26. Quantum computing device according to claim 24, characterized in that the quantum memory element is a quantum system of single neutral atoms in a trap or ions in a trap, in which it is possible to store quantum states of incoming signals in the form of excitation of quantum states of this quantum system over a segment time not less than 2T. 27. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что выполнено на основе квантовой системы одиночных нейтральных атомов в ловушке, или на основе квантовой системы одиночных ионов в ловушке, или на основе квантовой системы сверхпроводниковых цепочек, или на основе квантовой системы квантовых точек, или на основе квантовой системы дефектов в кремнии или алмазе.27. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that it is made on the basis of a quantum system of single neutral atoms in a trap, or on the basis of a quantum system of single ions in a trap, or on the basis of a quantum system of superconductor chains, or on the basis of a quantum system of quantum dots , or based on a quantum system of defects in silicon or diamond. 28. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что блок 1-го типа и блоки 2-го типа выполнены на основе разных квантовых систем.28. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the block of the 1st type and blocks of the 2nd type are made on the basis of different quantum systems. 29. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что блоки 2-го типа выполнены на основе разных квантовых систем.29. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that blocks of the 2nd type are made on the basis of different quantum systems. 30. Квантовое вычислительное устройство по п. 14, отличающееся тем, что компьютер выполнен с возможностью выполнения квантовых вариационных алгоритмов.30. Quantum computing device according to claim 14, characterized in that the computer is configured to execute quantum variational algorithms.
RU2023108721A 2023-04-06 Architecture of quantum computing devices for solving applied problems in field of materials science RU2821360C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2821360C1 true RU2821360C1 (en) 2024-06-24

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538296C2 (en) * 2013-04-10 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Method of determining qubit state
RU2702806C1 (en) * 2018-12-03 2019-10-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method for linear optical signal conversion and an interferometer which realizes such conversion
US20200150511A1 (en) * 2018-11-12 2020-05-14 Jacques Johannes Carolan Scalable Feedback Control of Single-Photon Sources for Photonic Quantum Technologies
WO2021262519A1 (en) * 2020-06-26 2021-12-30 Corning Incorporated Quantum computing systems having a reconfigurable quantum processing unit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538296C2 (en) * 2013-04-10 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Method of determining qubit state
US20200150511A1 (en) * 2018-11-12 2020-05-14 Jacques Johannes Carolan Scalable Feedback Control of Single-Photon Sources for Photonic Quantum Technologies
RU2702806C1 (en) * 2018-12-03 2019-10-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method for linear optical signal conversion and an interferometer which realizes such conversion
WO2021262519A1 (en) * 2020-06-26 2021-12-30 Corning Incorporated Quantum computing systems having a reconfigurable quantum processing unit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nahmias et al. Photonic multiply-accumulate operations for neural networks
Brown et al. Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions
JP7362727B2 (en) Photonic processing devices and methods
Zhou et al. Photonic matrix multiplication lights up photonic accelerator and beyond
US11816537B2 (en) Fault-tolerant scalable modular quantum computer architecture with an enhanced control of multi-mode couplings between trapped ion qubits
Ferreira De Lima et al. Progress in neuromorphic photonics
US10359272B2 (en) Programmable photonic processing
Thompson et al. Integrated waveguide circuits for optical quantum computing
WO2019222150A1 (en) Algorithms for training neural networks with photonic hardware accelerators
EP3631694B1 (en) Multimode reservoir
Fiers et al. Nanophotonic reservoir computing with photonic crystal cavities to generate periodic patterns
JP2022533053A (en) Gauss boson sampling equipment and method
Peserico et al. Integrated photonic tensor processing unit for a matrix multiply: a review
Cheng et al. Photonic emulator for inverse design
CN113935493A (en) Programmable high-dimensional quantum computing chip structure based on integrated optics
De et al. Intensity and phase encoding for realization of integrated Pauli X, Y and Z gates using 2D photonic crystal
Xu et al. Integrated photonic computing beyond the von neumann architecture
Kumar et al. Mitigating linear optics imperfections via port allocation and compilation
Wineland et al. Trapped-ion quantum simulator
RU2821360C1 (en) Architecture of quantum computing devices for solving applied problems in field of materials science
Benslama et al. Quantum communications in new telecommunications systems
Tillmann et al. Bosonsampling with controllable distinguishability
CA3046887A1 (en) Apparatus and methods for quantum computing and machine learning
Petrovic et al. A new concept for design of photonic integrated circuits with the ultimate density and low loss
Harris Programmable nanophotonics for quantum information processing and artificial intelligence