TW202303465A - 包含相干排架之量子位元讀取程序 - Google Patents

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安東尼 瑞斯福特
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布萊斯 比约克
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美商昆媞努姆有限責任公司
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Abstract

本發明提供用於使用相干排架來讀取一原子物件及/或量子位元之一量子狀態之方法及控制器。一控制器導致一第一波長之一第一波束及一第二波長之一第二波束入射於該量子位元上，且導致一讀取波束入射於該量子位元上。該第一波長及該第二波長經組態以將該量子位元之一量子位元空間之一狀態耦合至一穩定狀態。該穩定狀態具有長於執行一讀取操作所需之一時間長度之一使用期限。該第一波束及該第二波束由至少一個操縱源產生，該至少一個操縱源由該控制器之至少一個操縱源驅動器操作及/或與該控制器通信及/或由該控制器控制。

Description

包含相干排架之量子位元讀取程序
各種實施例係關於與判定捕獲於一原子物件容納設備中之一原子物件之一量子狀態有關之設備、系統及方法。例如，一些實例實施例係關於一種用於使用離子排架來讀取一經捕獲原子物件量子電腦之一量子位元之狀態之讀取程序。
一離子阱可使用電場及磁場之一組合來捕獲一電位阱中之複數個原子物件。可出於數種目的捕獲原子物件，其等可包含例如質譜分析、研究及/或控制量子狀態。在各種案例中，快速且高準確度地判定一原子物件之一量子狀態可為重要的。例如，經捕獲原子物件可用作一經捕獲原子物件量子電腦之量子位元。用作量子位元之兩種狀態之量子位元空間可具有類似能階。此可導致將偏共振誤差引入至量子狀態判定中。透過所應用之努力、獨創性及創新，已藉由開發根據本發明之實施例結構化之解決方案來解決先前原子物件量子狀態判定技術之許多缺陷，其等之許多實例在本文中詳細描述。
實例實施例提供用於執行捕獲於一原子物件容納設備中之原子物件之量子狀態判定之方法、系統、設備、電腦程式產品及/或類似物。例如，各種實施例提供用於量子位元讀取操作之方法、系統、設備、電腦程式產品及/或類似物，其等不包含量子位元讀取中之偏共振誤差之技術問題及/或提供對量子位元讀取中之偏共振誤差之技術問題之一技術解決方案。例如，各種實施例提供具有減少偏共振誤差(相對於習知量子位元讀取程序)之方法、系統、設備、電腦程式產品及/或類似物。例如，在一經捕獲原子物件量子電腦中，捕獲於一原子物件容納設備中之一原子物件可用作量子電腦之一量子位元。原子物件之超精細結構之兩個量子狀態可用作量子位元空間，其中兩個量子狀態之一者被稱為開啟(up)或1，且兩個量子狀態之另一者被稱為關閉(down)或0。用作量子位元空間之超精細結構之兩個量子狀態可具有類似能階。例如，量子位元空間之兩個量子狀態可分離小於50吉赫(GHz)(例如，小於13吉赫)。
習知讀取程序將一雷射波束施加至僅耦合一個量子位元狀態之待讀取原子物件。如本文中使用，術語一讀取程序係用於判定一原子物件之量子狀態之一處理程序。當原子物件之量子狀態在量測處理程序期間崩塌為量子位元空間之耦合狀態時，雷射將對其進行激發，從而導致在原子物件從激發狀態衰變時釋放一光子。在衰變之後，原子物件不斷由雷射激發，且重複發射光子。此等光子可使用各種光偵測器收集。若原子之量子狀態崩塌為另一(未耦合)量子位元狀態，則原子物件不與雷射相互作用且不發射光子。然而，量子位元空間之兩個量子狀態在能量上愈接近，具有崩塌為非耦合量子位元狀態之一量子狀態之一量子位元將愈有可能與雷射相互作用，從而導致偏共振誤差。
各種實施例提供包含一相干排架方法以減少及/或防止偏共振誤差之一讀取程序。特定言之，可將一第一波長之一第一波束及一第二波長之一第二波束施加至待讀取之一原子物件。第一波束及第二波束經組態以將量子位元空間之一第一狀態耦合至量子位元空間之外之一穩定狀態。例如，若原子物件之量子狀態崩塌至量子位元空間之第一狀態，則原子物件之量子狀態演進至量子位元空間之外之一穩定狀態。在各種實施例中，原子物件相干地演進至穩定狀態。例如，藉由使原子物件之量子狀態演進至穩定狀態而將原子物件「排架」用於讀取程序。若原子物件之量子狀態崩塌至量子位元空間之一第二狀態，則原子物件之量子狀態不受第一波束及第二波束之影響且保持在第二狀態。接著，可將一讀取波束施加至原子物件。若原子物件之量子狀態崩塌至第二狀態，則讀取波束將與原子物件相互作用且導致光子發射。可用一光子偵測器偵測光子。若原子物件之量子狀態崩塌至第一狀態且接著演進至穩定狀態，則讀取波束將不與原子物件相互作用，使得不發射光子。再者，穩定狀態具有不類似於量子位元空間之任一狀態之一能階。例如，穩定狀態可與量子位元空間之兩個能階分離至少100 GHZ (例如，至少1兆赫(THz))。量子位元空間之第二狀態與穩定狀態之間之能量差足夠大，使得讀取操作不受偏共振誤差之影響。
根據本發明之一態樣，提供一種用於讀取一經捕獲離子量子電腦之一量子位元之方法，包含一相干排架程序。在一實例實施例中，該方法包括藉由該經捕獲離子量子電腦之一控制器導致一第一波長之一第一波束及一第二波長之一第二波束入射於該量子位元上。該第一波長及該第二波長經組態以將該量子位元之一量子位元空間之一狀態耦合至一穩定狀態。該穩定狀態具有長於執行一讀取操作所需之一時間長度之一使用期限。該方法進一步包括藉由該控制器導致對該量子位元執行該讀取操作。
在一實例實施例中，該量子位元係一單獨離子化鐿原子，該第一波長為411 nm，該第二波長為3.4微米，且該穩定狀態在F流形中。
在一實例實施例中，該方法進一步包括：藉由該控制器接收來自光偵測器之一信號；及藉由該控制器且基於該信號來判定該量子位元之一量子狀態。
在一實例實施例中，導致執行該讀取操作包括導致一讀取波束入射於該量子位元上，且監測由一光偵測器產生之一信號以判定該量子位元是否回應於該讀取波束入射於該量子位元上而發螢光。
在一實例實施例中，該方法進一步包括重新初始化該量子位元。
在一實例實施例中，重新初始化該量子位元包括導致一第三波長之一第三波束及該第二波長之一第四波束入射於該量子位元上。
在一實例實施例中，該第三波束及該第四波束在時間上至少部分重疊地入射於該量子位元上。
在一實例實施例中，該量子位元係一單獨離子化鐿原子，該第二波長為3.4微米，且該第三波長為976 nm。
在一實例實施例中，該第三波束及該第四波束入射於該量子位元上達小於30毫秒之一時間段。
在一實例實施例中，該方法進一步包括在執行一量子電路時判定待讀取該量子位元，其中回應於判定待讀取該量子位元而導致該第一波束及該第二波束入射於該量子位元上。在一實例實施例中，該方法進一步包括在重新初始化該量子位元之後使用該量子位元繼續執行該量子電路。
根據本發明之另一態樣，提供一種經捕獲離子量子電腦之控制器。在一實例實施例中，該控制器包括至少一個處理裝置，該至少一個處理裝置與至少一個操縱源驅動器通信。該處理裝置經組態以導致該控制器導致一第一波長之一第一波束及一第二波長之一第二波束入射於量子位元上，且導致一讀取波束入射於該量子位元上。該第一波長及該第二波長經組態以將該量子位元之一量子位元空間之一狀態耦合至一穩定狀態。該穩定狀態具有長於執行一讀取操作所需之一時間長度之一使用期限。該第一波束及該第二波束由藉由該至少一個操縱源驅動器操作之至少一個操縱源產生。
在一實例實施例中，該量子位元係一單獨離子化鐿原子，該第一波長為411 nm，該第二波長為3.4微米，且該穩定狀態在F流形中。
在一實例實施例中，該處理裝置與一光偵測器通信，且該處理裝置經進一步組態以導致該控制器：接收來自該光偵測器之一信號，其中該信號對應於該讀取波束入射於該量子位元上之一結果；及基於該信號判定該量子位元之一狀態。
在一實例實施例中，為了導致執行該讀取操作，該處理裝置經組態以導致一讀取波束入射於該量子位元上，且監測由一光偵測器產生之一信號以判定該量子位元是否回應於該讀取波束入射於該量子位元上而發螢光。
在一實例實施例中，該處理裝置經進一步組態以導致該控制器重新初始化該量子位元。
在一實例實施例中，重新初始化該量子位元包括導致一第三波長之一第三波束及該第二波長之一第四波束入射於該量子位元上。
在一實例實施例中，該第三波束及該第四波束在時間上至少部分重疊地入射於該量子位元上。
在一實例實施例中，該量子位元係一單獨離子化鐿原子，該第二波長為3.4微米，且該第三波長為976 nm。
在一實例實施例中，該第三波束及該第四波束入射於該量子位元上達小於30毫秒之一時間段。
在一實例實施例中，該處理裝置經進一步組態以在執行一量子電路時判定待讀取該量子位元，其中回應於判定待讀取該量子位元而導致該第一波束及該第二波束入射於該量子位元上。
在一實例實施例中，該處理裝置經進一步組態以在重新初始化該量子位元之後使用該量子位元繼續執行該量子電路。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2021年2月25日申請之美國申請案第63/200,263號之優先權，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。
現將在下文中參考隨附圖式更充分描述本發明，其中展示本發明之一些而非全部實施例。實際上，本發明可以許多不同形式體現，且不應被解釋為限於本文中闡述之實施例；實情係，此等實施例經提供，使得本發明將滿足適用法律要求。術語「或」(亦表示為「/」)在本文中用於替代及連結意義，除非另外指示。術語「闡釋性」及「例示性」被用作不具有品質等級指示之實例。術語「大體上」、「實質上」及「近似」指代在工程及/或製造容限內及/或在使用者量測能力內，除非另外指示。貫穿全文，相同數字指代相同元件。
在各種實施例中，提供用於執行包含相干排架之一讀取程序之方法、設備、系統、電腦程式產品及/或類似物。在各種實施例中，讀取程序用於判定一原子物件之量子狀態。在各種實施例中，原子物件係一離子或原子。在一實例實施例中，原子物件係單獨離子化鐿。在一實例實施例中，原子物件被捕獲於一原子物件約束設備(諸如一離子阱)中。在各種實施例中，原子物件用作一經捕獲原子物件量子電腦之一量子位元。例如，讀取程序可用於導致原子物件之波函數崩塌，且作為波函數崩塌之一結果，判定量子位元是否處於針對量子位元定義之一雙態量子位元空間之一第一狀態或一第二狀態。
在各種實施例中，讀取程序包括執行一排架程序，讀取量子位元，且視情況執行一撤銷排架程序。排架程序包括導致一第一波長之一第一波束及一第二波長之一第二波束入射於待讀取之原子物件上。第一波束及第二波束經組態以將量子位元空間之一第一狀態耦合至量子位元空間之外之一穩定狀態。穩定狀態具有長於讀取量子位元所需之時間之一使用期限。例如，當原子物件之量子狀態崩塌至量子位元空間之第一狀態時，藉由將第一波束及第二波束施加至待讀取之量子位元而使原子物件之量子狀態演進至量子位元空間之外之一穩定狀態。在各種實施例中，原子物件相干地演進至穩定狀態。如應理解，將原子物件從第一狀態相干地演進至經演進穩定狀態相當於經由將第一波束及第二波束施加至待讀取之量子位元而將么正變換施加至系統。此與一量子狀態之非相干演進(其相當於系統之一非么正變換)形成對比。另外，原子物件至穩定狀態之相干演進不具有量子狀態之習知非相干演進之時間限制，以便在一讀取操作期間進行排架。換言之，原子物件經相干地排架以執行讀取操作。再者，由於原子物件經相干地排架，所以由原子物件儲存之量子資訊不受干擾。相反地，原子物件之非相干排架傾向於導致由非相干排架之原子物件儲存之量子資訊之損壞。
當原子物件之量子狀態崩塌至量子位元空間之一第二狀態時，原子物件之量子狀態不受第一波束及第二波束之影響且保持在第二狀態。接著，可將一讀取波束施加至原子物件。若原子物件之量子狀態崩塌至第二狀態，則讀取波束將與原子物件相互作用且導致光子發射。可用一光子偵測器偵測光子。若原子物件之量子狀態崩塌至第一狀態且接著演進至穩定狀態，則讀取波束將不與原子物件相互作用，使得不發射光子。再者，穩定狀態具有不類似於量子位元空間之任一狀態之一能階。例如，穩定狀態可與量子位元空間之兩個能階分離至少100 GHZ (例如，至少1兆赫(THz))。量子位元空間之第二狀態與穩定狀態之間之能量差足夠大，使得讀取操作不受偏共振誤差之影響。 包括一原子物件約束設備之例示性量子運算系統
圖1提供根據一實例實施例之包括一原子物件約束設備300 (例如，一離子阱及/或類似物)之一實例量子運算系統100之一示意圖。在各種實施例中，量子運算系統100包括一運算實體10及一量子電腦110。在各種實施例中，量子電腦110包括一控制器30、圍封一約束設備300 (例如，一離子阱)之一低溫恆溫器及/或真空室40以及一或多個操縱源60。例如，低溫恆溫器及/或真空室40可為一壓力控制室。在一實例實施例中，一或多個操縱源60可包括一或多個雷射(例如，光學雷射、微波源及/或類似物)。在各種實施例中，一或多個操縱源60經組態以操縱及/或導致約束設備內之一或多個原子物件之一受控量子狀態演進。例如，操縱源60可經組態以產生一第一波長λ 1之一第一波束、一第二波長λ 2之一第二波束、一第三波長λ 3之一第三波束、第二波長λ 2之一第四波束、一讀取波長之一讀取波束及/或類似物。例如，在一實例實施例中，其中一或多個操縱源60包括一或多個雷射，該等雷射可將一或多個雷射波束提供至捕獲於低溫恆溫器及/或真空室40內之約束設備300內之原子物件。在各種實施例中，第一波束、第二波束、第三波束、第四波束及/或讀取波束可為連續雷射波束或脈衝雷射波束。
在各種實施例中，第一波長λ 1實質上等於411 nm。在各種實施例中，第一波束由經組態以產生具有非常良好頻率穩定性之一411 nm波束之一第一操縱源60產生。例如，在一實例實施例中，第一波束由一第一操縱源60產生以具有擁有小於100 kHz之一頻率穩定性之729 THz頻率。換言之，第一操縱源60經組態以在729 THz之100 kHz內產生一第一波束。
在各種實施例中，第二波長λ 2實質上等於3.4 μm。在各種實施例中，第二波束由經組態以產生具有非常良好頻率穩定性之一3.4 μm波束之一第二操縱源60產生。例如，在一實例實施例中，第二波束由一第二操縱源60產生以具有擁有小於100 kHz之一頻率穩定性之88.2 THz頻率。換言之，第二操縱源60經組態以在88.2 THz之100 kHz內產生一第二波束。在一實例實施例中，經組態以產生第二波束之操縱源包括一週期性極化之鈮酸鋰(PPLN)波導。在一實例實施例中，經組態以產生第二波束之操縱源60包括一可調諧Ti:S雷射及一1550 nm雷射。在一實例實施例中，經組態以產生第二波束之操縱源60包括一1064 nm源及/或雷射以及具有實質上等於1550 nm之一特性波長之一可調諧雷射。
在各種實施例中，量子電腦110包括經組態以收集及/或偵測由量子位元產生之光子(例如，在讀取程序期間)之一光學收集系統。光學收集系統可包括一或多個光學元件(例如，透鏡、鏡、波導、光纖電纜及/或類似物)及一或多個光偵測器。在各種實施例中，光偵測器可為光二極體、光電倍增管、電荷耦合裝置(CCD)感測器、互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器、微機電系統(MEMS)感測器及/或對量子電腦之量子位元之一預期螢光波長之光敏感之其他光偵測器。在各種實施例中，偵測器可經由一或多個A/D轉換器525 (參見圖5)及/或類似物與控制器30電子通信。
在各種實施例中，量子電腦110包括一或多個電壓源50。例如，電壓源50可包括複數個電壓驅動器及/或電壓源及/或至少一個RF驅動器及/或電壓源。在一實例實施例中，電壓源50可電耦合至約束設備300之對應電位產生元件(例如，電極)。
在各種實施例中，一運算實體10經組態以容許一使用者(例如，經由運算實體10之一使用者介面)將輸入提供至量子電腦110，且接收、查看及/或類似地處理來自量子電腦110之輸出。運算實體10可經由一或多個有線或無線網路20及/或經由直接有線及/或無線通信與量子電腦110之控制器30通信。在一實例實施例中，運算實體10可將資訊/資料、量子運算演算法及/或電路及/或類似物轉譯、組態、格式化及/或類似地處理為控制器30可理解及/或實施之一運算語言、可執行指令、命令集及/或類似物。
在各種實施例中，控制器30經組態以控制電壓源50、低溫恆溫器系統及/或真空系統，從而控制低溫恆溫器及/或真空室40、操縱源60及/或其他系統內之溫度及壓力，從而控制低溫恆溫器及/或真空室40內之各種環境條件(例如，溫度、壓力及/或類似物)及/或經組態以操縱及/或導致約束設備內之一或多個原子物件之量子狀態之一受控演進。例如，控制器30可導致約束設備內之一或多個原子物件之量子狀態之一受控演進以執行一量子電路及/或演算法。例如，控制器30可導致執行包括相干排架之一讀取程序，可能作為執行一量子電路及/或演算法之部分。在各種實施例中，約束於約束設備內之原子物件用作量子電腦110之量子位元。 實例排架程序
圖2繪示一實例實施例中之可用作量子運算系統之一量子位元之一實例原子物件之一能階圖200之一部分。特定言之，用作量子運算系統之一量子位元之原子物件在量子位元空間210之兩種狀態之一者中開始。例如，在各種實施例中，量子位元空間210可包括基態(例如，S 1/2流形)之l=0, m=0超精細狀態之一第一量子位元狀態212，其可被稱為0或關斷狀態(例如，
Figure 02_image001
)或關閉狀態(例如，
Figure 02_image003
)。在各種實施例中，量子位元空間210可進一步包括原子物件之基態之l=1, m=0超精細狀態之一第二量子位元狀態214，其可被稱為1或接通狀態(例如，
Figure 02_image005
)或開啟狀態(例如，
Figure 02_image007
)。在各種實施例中，原子物件係一離子或原子。例如，原子物件可為單獨離子化鐿。用作量子系統之一量子位元之原子物件在本文中亦被簡稱為一量子位元。
在各種實施例中，量子位元空間210之兩個狀態可由對應於一量子位元狀態分離波長λ 0之相對小能量差分離。例如，在一實例實施例中，量子位元空間210之兩個量子位元狀態由對應於小於20 GHz (例如，小於15 GHz或小於13 GHz)之一頻率差之一能量差分離。換言之，量子位元空間210之兩個狀態分離小於8.3×10 -5eV (例如，小於6.2x10 -5eV或小於5.4x10 -5eV)，對應於至少1.5 cm(例如，至少2.0 cm或至少2.3 cm)之一量子位元分離波長λ 0。
在各種實施例中，排架程序包含施加兩個波束，使得兩個波束入射於量子位元上。如本文中使用，術語「施加一波束」包含提供波束及/或導致波束入射於原子物件及/或量子位元上。兩個波束包含一第一波長λ 1之一第一波束及一第二波長λ 2之一第二波束。在各種實施例中，可同時及/或在相同時間、在重疊時間及/或在交替時間施加第一波束及第二波束。在一實例實施例中，施加第一波束，且接著在第一波束已完成入射於原子物件上之後，施加第二波束。
在一實例實施例中，可以一相位相干方式施加第一波束及第二波束。例如，在同時及/或以一重疊方式施加第一波束及第二波束之實施例中，可以相同相位施加第一波束及第二波束。例如，在第一波束及第二波束以一交替方式或以第一波束接著第二波束施加於原子物件上之實施例中，可以一連續相位施加第一波束及第二波束。例如，當以一交替方式施加第一波束及第二波束時，第一波束停止施加時之第一波束之相位可為第二波束開始施加時之第二波束之相位(例如，可能略微修改以考量在第一波束停止施加與第二波束開始施加之間之一時間延遲期間之任何相位改變)。在各種實施例中，可不以一相干方式施加第一波束及第二波束。例如，可以一特定相位偏移、一演進相位偏移及/或類似物施加第一波束及第二波束。
在一實例實施例中，可以第一波束及第二波束之傳播方向之間之一特定角度施加第一波束及第二波束。例如，視應用而定，第一波束及第二波束可在相同方向上傳播(例如，具有實質上平行傳播方向)、在相反方向上傳播(例如，具有實質上反平行傳播方向)、在正交方向上傳播(例如，具有實質上垂直傳播方向)，或以第一波束及第二波束之傳播方向之間之另一角度傳播。在一實例實施例中，可以一特定極化偏移施加第一波束及第二波束。例如，視應用而定，可以相同極化、相反極化(例如，第一波束可為右線性極化且第二波束可為左線性極化或反之亦然，第一波束可為右手圓極化且第二波束可為左手圓極化或反之亦然)及/或類似物施加第一波束及第二波束。
如上文提及，第一波束具有一第一波長λ 1且第二波束具有一第二波長λ 2。在一實例實施例中，第一波長λ 1實質上等於411 nm，且第二波長λ 2實質上等於3.4 μm。在各種實施例中，第一波長λ 1將量子位元空間210之一第一狀態(例如，接通狀態214)耦合至一中間流形220之一或多個狀態。在所繪示之實施例中，中間流形220係D 5/2F=3流形。在各種實施例中，第二波長λ 2將中間流形220之一或多個狀態耦合至一排架流形230之一或多個穩定狀態。在各種實施例中，量子位元空間210之第一狀態至中間流形220之一或多個狀態及中間流形之一或多個狀態至排架流形230之一或多個穩定狀態之耦合係相干的。在所繪示之實施例中，排架流形包括F=3及F=4, F 7/2流形。排架流形230之一或多個穩定狀態各自具有長於讀取量子位元所需之時間之一使用期限。如應理解，排架流形230之一或多個穩定狀態在量子位元空間210之外。再者，排架流形230之一或多個穩定狀態各自具有不類似於量子位元空間210之任一狀態之一能階。例如，穩定狀態可藉由對應於至少100 GHZ(例如，至少1兆赫(THz))之一頻率之一能量差與量子位元空間之兩個能階分離。量子位元空間之第二狀態與穩定狀態之間之能量差足夠大，使得讀取操作不受偏共振誤差之影響及/或限制。
因此，當量子位元處於量子位元空間210之第一狀態(例如，接通狀態214)時，第一波束及第二波束至量子位元之施加導致量子位元經由中間流形220從量子位元空間210之第一狀態轉變至排架流形230之一穩定狀態。當量子位元處於量子位元空間210之第二狀態(例如，關斷狀態212)時，第一波束及第二波束至量子位元之施加不影響量子位元。例如，量子位元空間210之第二狀態未經由第一波長λ 1耦合及/或僅非常弱地耦合至中間流形220。可將一讀取波束施加至量子位元以查看量子位元是否發螢光。例如，在量子位元處於量子位元空間之第二狀態之一例項中，量子位元將發螢光，且在量子位元最初處於量子位元空間之第一狀態且現排架於量子位元空間之外之一穩定狀態之一例項中，量子位元將不發螢光。
圖3提供繪示根據一實例實施例之用於執行包含含有排架之一讀取程序之一量子演算法及/或電路之至少一部分之各種處理程序、操作及/或程序之一流程圖。在各種實施例中，圖3中展示之處理程序、操作及/或程序由量子運算系統100之一控制器30執行。
以步驟/操作302開始，控制器30導致量子電腦110執行一量子演算法及/或電路之至少一部分。例如，控制器30可包括用於執行一量子演算法及/或電路之至少一部分之構件，諸如處理裝置505、記憶體510、驅動器控制器元件515、(若干) A/D轉換器525及/或類似物(參見圖5)。例如，控制器30可接收例如由一運算實體10提供之一量子演算法及/或電路。接著，控制器30可佇列化複數個命令且執行命令佇列以導致執行量子演算法及/或電路之至少一部分。例如，執行量子演算法及/或電路之至少一部分可包括：初始化一或多個量子位元(例如，將一或多個原子物件放置至量子位元空間210中)；將一或多個量子位元之至少一些輸送至原子物件約束設備300內之一或多個特定位置；對一或多個量子位元之至少一些執行一或多個單量子位元及/或雙量子位元及/或多量子位元閘；及/或類似物。
在步驟/操作304，在導致量子電腦110執行量子演算法及/或電路之至少一部分時，控制器30判定待讀取一量子位元。讀取一量子位元通常包括將一讀取波束施加至一量子位元以導致量子位元之量子狀態崩塌為量子位元空間210之狀態之一者，且基於量子位元是否發螢光來判定量子位元之量子狀態崩塌為量子位元空間210之哪一狀態。例如，控制器30可判定一即將執行及/或接下來待執行之命令集對應於讀取一量子位元。例如，控制器30可包括用於判定一即將執行及/或接下來待執行之命令集對應於讀取一量子位元之構件，諸如處理裝置505、記憶體510及/或類似物。
在步驟/操作306，回應於判定待讀取一量子位元(且可能將待讀取之量子位元輸送至原子物件約束設備300內之一適當位置)，控制器30可導致對量子位元執行一相干排架程序。例如，控制器30可導致一第一操縱源60產生一第一波長λ 1之一第一波束且導致第一波束施加至待讀取之量子位元。控制器30可導致一第二操縱源60產生一第二波長λ 2之一第二波束且導致第二波束施加至待讀取之量子位元。如上文描述，在各種實施例中，可同時、以一重疊方式、以一交替方式及/或類似物施加第一波束及第二波束。在一實例實施例中，施加第一波束，且接著在第一波束已停止施加之後施加第二波束。例如，控制器30可包括用於導致第一操縱源施加第一波束且第二操縱源施加第二波束之構件，諸如處理裝置505、記憶體510、驅動器控制器元件515及/或類似物。如上文描述，可以一特定相位關係、第一波束及第二波束之傳播方向之間之特定關係及/或第一波束及第二波束之極化之間之一特定關係施加第一波束及第二波束。在一實例實施例中，可施加第一波束及第二波束達10 μs至50 μs (例如，10 μs至30 μs、20 μs至40 μs及/或類似物)之時間。
在步驟/操作308，控制器30導致一讀取操縱源60將一讀取波束施加至待讀取之量子位元。如上文提及，若量子位元在步驟306已被排架(例如，量子位元處於量子位元空間210之第一狀態，且因此已相干地轉變至排架流形230之一穩定狀態)，則量子位元將不回應於讀取波束施加至量子位元而發螢光。若量子位元在步驟306未被排架(例如，量子位元曾經及正處於量子位元空間210之第二狀態，且因此尚未轉變至排架流形230之穩定狀態)，則量子位元將回應於讀取波束施加至量子位元而發螢光。接著，控制器30從量子電腦110之一光學收集系統接收指示是否偵測到/觀察到螢光之一信號。基於所接收之信號，控制器30判定量子位元之量子狀態崩塌為量子位元空間210內之哪一狀態(例如，接通狀態214及/或關斷狀態212)。例如，控制器30包括用於導致一讀取操縱源將一讀取波束施加至待讀取之量子位元，回應於讀取波束之施加而接收指示是否偵測到/觀察到量子位元之螢光之一信號，且判定量子位元之量子狀態之構件，諸如處理裝置505、記憶體510、驅動器控制器元件515、(若干) A/D轉換器525及/或類似物。
在步驟/操作310，控制器30導致重新初始化所讀取之量子位元。在各種實施例中，重新初始化量子位元包括執行一撤銷排架程序。在一實例實施例中，僅在步驟/操作308判定量子位元之量子狀態崩塌為量子位元空間210之第一狀態且因此在讀取程序期間進行排架(例如，未偵測到/觀察到螢光)時執行撤銷排架程序。例如，控制器30可包括用於導致可能經由一撤銷排架程序重新初始化量子位元之構件，諸如處理裝置505、記憶體510、驅動器控制器元件515、(若干) A/D轉換器525及/或類似物。在各種實施例中，重新初始化量子位元可包含除對量子位元撤銷排架以使得量子位元處於量子位元空間210中之一已知狀態之外之一或多個額外步驟及/或操作。
圖4繪示一實例實施例中之可用作量子運算系統之一量子位元之一實例原子物件之一能階圖400之一部分。當對一量子位元排架時(例如，在步驟/操作306)，量子位元轉變至排架流形230中之一穩定狀態。為了對量子位元撤銷排架且將量子位元帶回至量子位元空間210中，執行一撤銷排架程序。在各種實施例中，撤銷排架程序包括以同時及/或至少部分重疊之方式施加一第三波長λ 3之一第三波束及第二波長λ 2之一第四波長。例如，第三波束入射於量子位元上達第四波束入射於量子位元上之相同時間之至少一部分。第三波束及第四波束將排架流形之一或多個穩定狀態耦合至一臨時流形420之一或多個狀態。在一實例實施例中，第三波束及第四波束將排架流形之一或多個穩定狀態相干地耦合至臨時流形420之一或多個狀態。在各種實施例中，量子位元從臨時流形420之一或多個狀態快速衰減回至量子位元空間210中。在所繪示之實施例中，臨時流形420包括F=1及F=2, [3/2] 3/2流形。在一實例實施例中，施加第三波束及第四波束，使得施加第三波束及第四波束之重疊時間在10 ns至15 μs (例如，8 μs至12 μs、10μs及/或類似物)之範圍內。
例如，控制器30可導致一第三操縱源產生一第三波長λ 3之一第三波束且第二操縱源(或一第四操縱源)產生第二波長λ 2之一第四波束，使得第三波束及第四波束同時及/或以至少部分重疊之方式施加至量子位元。在各種實施例中，第三波長λ 3實質上等於976 nm，且第二波長λ 2實質上等於3.4 μm。接著，可容許量子位元衰減(例如，自發地)回至量子位元空間210中。
在一實例實施例中，可以一相位相干方式施加第三波束及第四波束。例如，可以相同相位施加第三波束及第四波束。在各種實施例中，可不以一相干方式施加第三波束及第四波束。例如，可以一特定相位偏移、一演進相位偏移及/或類似物施加第三波束及第四波束。在一實例實施例中，視應用而定，可以第三波束及第四波束之傳播方向之間之一特定角度施加第三波束及第四波束。例如，第三波束及第四波束可在相同方向上傳播(例如，具有實質上平行傳播方向)、在相反方向上傳播(例如，具有實質上反平行傳播方向)、在正交方向上傳播(例如，具有實質上垂直傳播方向)，或以第一波束及第二波束之傳播方向之間之另一角度傳播。在一實例實施例中，可以一特定極化偏移施加第三波束及第四波束。例如，視應用而定，可以相同極化、相反極化(例如，第三波束可為右線性極化且第四波束可為左線性極化或反之亦然，第三波束可為右手圓極化且第四波束可為左手圓極化或反之亦然)及/或類似物施加第三波束及第四波束。
繼續圖3，在步驟/操作312，控制器30可導致量子電腦繼續執行量子演算法及/或電路之剩餘部分及/或另一部分。例如，控制器30可包括用於執行量子演算法及/或電路之一額外及/或剩餘部分之構件，諸如處理裝置505、記憶體510、驅動器控制器元件515、(若干) A/D轉換器525及/或類似物(參見圖5)。例如，控制器30可繼續執行命令佇列以導致執行量子演算法及/或電路之額外及/或剩餘部分。例如，執行量子演算法及/或電路之額外及/或剩餘部分可包括：初始化一或多個量子位元(例如，將一或多個原子物件放置至量子位元空間210中)；將一或多個量子位元之至少一些輸送至原子物件約束設備300內之一或多個特定位置；對一或多個量子位元之至少一些執行一或多個單量子位元及/或雙量子位元及/或多量子位元閘；讀取一或多個量子位元之至少一些；及/或類似物。在一實例實施例中，可基於在步驟/操作308判定之量子位元之量子狀態來修改量子演算法及/或電路之額外及/或剩餘部分。 技術優點
各種實施例提供關於當預期一原子物件處於在能量上接近於原子物件之另一量子狀態之一量子狀態時判定原子物件之量子狀態之技術問題之技術解決方案。特定言之，各種實施例提供與對處於在能量上接近之一組量子狀態之一第一量子狀態之原子物件進行相干排架有關之技術解決方案，使得可判定原子物件是否處於在能量上接近之該組量子狀態之一第二量子狀態，而使判定不受偏共振誤差之限制。本文中描述之相干排架顯著快於習知(非相干)排架技術。例如，習知(非相干)排架技術以約30 ms之一時間標度發生。各種實施例之相干排架需要約10 μs至50 μs，或比習知(非相干)排架快三個數量級。各種實施例將此等技術解決方案應用於一量子電腦之一量子位元之讀取，其中量子位元係一原子物件，且量子位元空間定義由一小能量差(例如，20 GHz或更小)分離之兩個量子位元狀態。因此，各種實施例提供對準確判定一原子物件之一量子狀態之技術領域之技術改良。一些實施例提供對讀取一量子電腦(例如，使用超精細結構來定義一量子位元空間之一經捕獲原子物件量子電腦)之一量子位元之技術領域之技術改良。 例示性控制器
在各種實施例中，一約束設備300經併入至包括一控制器30之一系統(例如，一量子電腦110)中。在各種實施例中，控制器30經組態以控制系統(例如，量子電腦110)之各種元件。例如，控制器30可經組態以控制電壓源50、一低溫恆溫器系統及/或真空系統，從而控制低溫恆溫器及/或真空室40、操縱源60、冷卻系統及/或其他系統內之溫度及壓力，從而控制低溫恆溫器及/或真空室40內之環境條件(例如，溫度、濕度、壓力及/或類似物)及/或經組態以操縱及/或導致約束設備內之一或多個原子物件之量子狀態之一受控演進。在各種實施例中，控制器30可經組態以接收來自一或多個光學收集系統之信號。
如圖5中展示，在各種實施例中，控制器30可包括各種控制器元件，包含處理元件505、記憶體510、驅動器控制器元件515、一通信介面520、類比-數位轉換器元件525及/或類似物。例如，處理元件505可包括可程式化邏輯裝置(CPLD)、微處理器、協處理實體、特定應用指令集處理器(ASIP)、積體電路、特定應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)、可程式化邏輯陣列(PLA)、硬體加速器、其他處理裝置及/或電路系統及/或類似物。術語電路系統可指代一完全硬體實施例或硬體及電腦程式產品之一組合。在一實例實施例中，控制器30之處理元件505包括一時脈及/或與一時脈通信。
例如，記憶體510可包括非暫時性記憶體，諸如揮發性及/或非揮發性記憶體儲存裝置，諸如硬碟、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、快閃記憶體、MMC、SD記憶卡、記憶棒、CBRAM、PRAM、FeRAM、RRAM、SONOS、賽道記憶體、RAM、DRAM、SRAM、FPM DRAM、EDO DRAM、SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、RDRAM、RIMM、DIMM、SIMM、VRAM、快取記憶體、暫存器記憶體及/或類似物之一或多者。在各種實施例中，記憶體510可儲存待執行以導致執行一量子演算法及/或電路之一命令佇列(例如，一可執行佇列)、對應於量子電腦之量子位元之量子位元記錄(例如，呈一量子位元記錄資料儲存、量子位元記錄資料庫、量子位元記錄表及/或類似物)、一校準表、電腦程式碼(例如，呈一或多種電腦語言、(若干)專用控制器語言及/或類似物)及/或類似物。在一實例實施例中，儲存於記憶體510中之電腦程式碼之至少一部分之執行(例如，藉由一處理元件505)導致控制器30執行本文中描述之用於執行包含一排架程序(及一撤銷排架程序)之一量子位元讀取程序之一或多個步驟、操作、處理程序、程序及/或類似物。
在各種實施例中，驅動器控制器元件510可包含一或多個驅動器及/或各經組態以控制一或多個驅動器之控制器元件。在各種實施例中，驅動器控制器元件510可包括驅動器及/或驅動器控制器。例如，驅動器控制器可經組態以導致根據由控制器30 (例如，由處理元件505)排程及執行之可執行指令、命令及/或類似物來操作一或多個對應驅動器。在各種實施例中，驅動器控制器元件515可使控制器30能夠操作一電壓源50、操縱源60、冷卻系統及/或類似物。在各種實施例中，驅動器可為雷射驅動器；真空組件驅動器；用於控制施加至用於維持及/或控制約束設備300之捕獲電位之電極之電流及/或電壓之流動之驅動器(及/或用於將驅動器動作序列提供至約束設備之電位產生元件之其他驅動器)；低溫恆溫器及/或真空系統組件驅動器；冷卻系統驅動器，及/或類似物。在各種實施例中，控制器30包括用於傳達及/或接收來自(例如，光學收集系統之)一或多個光學接收器組件之信號之構件。例如，控制器30可包括經組態以接收來自一或多個光學接收器組件(例如，光學收集系統之一光偵測器)、校準感測器及/或類似物之信號之一或多個類比-數位轉換器元件525。
在各種實施例中，控制器30可包括用於與一運算實體10介接及/或通信之一通信介面520。例如，控制器30可包括用於接收來自運算實體10之可執行指令、命令集及/或類似物且將從量子電腦110 (例如，從一光學收集系統)接收之輸出及/或該輸出之一處理結果提供至運算實體10之一通信介面520。在各種實施例中，運算實體10及控制器30可經由一直接有線及/或無線連接及/或經由一或多個有線及/或無線網路20進行通信。 例示性運算實體
圖6提供可結合本發明之實施例使用之一實例運算實體10之一闡釋性示意圖。在各種實施例中，一運算實體10經組態以容許一使用者(例如，經由運算實體10之一使用者介面)將輸入提供至量子電腦110，且接收、顯示、分析及/或類似地處理來自量子電腦110之輸出。
如圖6中展示，一運算實體10可包含一天線612、一傳輸器604 (例如，無線電)、一接收器606 (例如，無線電)及將信號分別提供至傳輸器604及接收器606且接收來自傳輸器604及接收器606之信號之一處理元件608。分別提供至傳輸器604及接收器606且從傳輸器604及接收器606接收之信號可包含根據適用無線系統之一空中介面標準之發信資訊/資料以與諸如一控制器30、其他運算實體10及/或類似物之各種實體通信。在此方面，運算實體10可能夠使用一或多個空中介面標準、通信協定、調變類型及存取類型來操作。例如，運算實體10可經組態以使用一有線資料傳輸協定接收及/或提供通信，諸如光纖分佈式資料介面(FDDI)、數位用戶線(DSL)、乙太網路、異步傳送模式(ATM)、訊框中繼、有線電纜資料服務介面規範(DOCSIS)或任何其他有線傳輸協定。類似地，運算實體10可經組態以使用各種協定之任何者經由無線外部通信網路進行通信，諸如通用封包無線電服務(GPRS)、通用行動電信系統(UMTS)、分碼多重存取2000 (CDMA2000)、CDMA2000 1X (1xRTT)、寬頻分碼多重存取(WCDMA)、全球行動通信系統(GSM)、增強型資料速率GSM演進(EDGE)、分時同步分碼多重存取(TD-SCDMA)、長期演進(LTE)、演進通用地面無線電存取網路(E-UTRAN)、演進資料最佳化(EVDO)、高速封包存取(HSPA)、高速下行鏈路封包存取(HSDPA)、IEEE 802.11 (Wi-Fi)、Wi-Fi直連、802.16 (WiMAX)、超寬頻(UWB)、紅外(IR)協定、近場通信(NFC)協定、Wibree、藍牙協定、無線通用串列匯流排(USB)協定及/或任何其他無線協定。運算實體10可使用此等協定及標準以使用邊界閘道協定(BGP)、動態主機組態協定(DHCP)、域名系統(DNS)、檔案傳送協定(FTP)、超文字傳送協定(HTTP)、HTTP over TLS/SSL/Secure、網際網路訊息存取協定(IMAP)、網路時間協定(NTP)、簡單郵件傳送協定(SMTP)、遠端登錄、輸送層安全性(TLS)、安全套接層(SSL)、網際網路協定(IP)、傳輸控制協定(TCP)、使用者資料包協定(UDP)、資料包擁塞控制協定(DCCP)、串流控制傳輸協定(SCTP)、超文字標記語言(HTML)及/或類似物進行通信。
經由此等通信標準及協定，運算實體10可使用諸如非結構化補充服務資訊/資料(USSD)、短訊息服務(SMS)、多媒體傳訊服務(MMS)、雙音多頻發信(DTMF)及/或用戶識別模組撥號器(SIM撥號器)之概念與各種其他實體通信。運算實體10亦可下載例如對其韌體、軟體(例如，包含可執行指令、應用程式、程式模組)及作業系統之改變、新增及更新。
運算實體10亦可包括一使用者介面裝置，包括一或多個使用者輸入/輸出介面(例如，耦合至一處理元件608之一顯示器616及/或揚聲器/揚聲器驅動器及耦合至一處理元件608之一觸控螢幕、鍵盤、滑鼠及/或麥克風)。例如，使用者輸出介面可經組態以提供一應用程式、瀏覽器、使用者介面、介面、儀表板、螢幕、網頁、頁面及/或本文中可互換地使用之在運算實體10上執行及/或可經由運算實體10存取以導致資訊/資料之顯示或可聽呈現且經由一或多個使用者輸入介面與之互動之類似字詞。使用者輸入介面可包括容許運算實體10接收資料之數個裝置之任何者，諸如一小鍵盤618 (硬式或軟式)、一觸控顯示器、語音/話音或運動介面、掃描器、讀取器或其他輸入裝置。在包含一小鍵盤618之實施例中，小鍵盤618可包含(或導致顯示)習知數字(0-9)及相關鍵(#、*)以及用於操作運算實體10之其他鍵，且可包含一整組字母鍵或可經啟動以提供一整組字母數字鍵之一組鍵。除了提供輸入之外，使用者輸入介面可用於例如啟動或撤銷啟動某些功能，諸如螢幕保護程序及/或睡眠模式。透過此等輸入，運算實體10可收集資訊/資料、使用者互動/輸入及/或類似物。
運算實體10亦可包含揮發性儲存裝置或記憶體622及/或非揮發性儲存裝置或記憶體624，其可為嵌入式及/或可抽換式。例如，非揮發性記憶體可為ROM、PROM、EPROM、EEPROM、快閃記憶體、MMC、SD記憶卡、記憶棒、CBRAM、PRAM、FeRAM、RRAM、SONOS、賽道記憶體及/或類似物。揮發性記憶體可為RAM、DRAM、SRAM、FPM DRAM、EDO DRAM、SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、RDRAM、RIMM、SIMM、VRAM、快取記憶體、暫存器記憶體及/或類似物。揮發性及非揮發性儲存器或記憶體可儲存資料庫、資料庫例項、資料庫管理系統實體、資料、應用程式、程式、程式模組、指令碼、原始碼、目的碼、位元組碼、編譯碼、解譯碼、機器碼、可執行指令及/或類似物以實施運算實體10之功能。 結論
受益於前述描述及相關聯圖式中呈現之教示之熟習本發明所屬領域技術者將想到本文中闡述之本發明之許多修改及其他實施例。因此，應理解，本發明不限於所揭示之特定實施例且修改及其他實施例旨在包含於隨附發明申請專利範圍之範疇內。儘管本文中採用特定術語，但其等僅用於一通用及描述性意義且並非出於限制目的。
10:運算實體 20:有線或無線網路 30:控制器 40:真空室 50:電壓源 60:操縱源 100:量子運算系統 110:量子電腦 200:能階圖 210:量子位元空間 212:第一量子位元狀態/關斷狀態 214:第二量子位元狀態/接通狀態 220:中間流形 230:排架流形 300:原子物件約束設備 302:步驟/操作 304:步驟/操作 306:步驟/操作 308:步驟/操作 310:步驟/操作 312:步驟/操作 400:能階圖 420:臨時流形 505:處理裝置 510:記憶體 515:驅動器控制器元件 520:通信介面 525:類比-數位(A/D)轉換器 604:傳輸器 606:接收器 608:處理元件 612:天線 616:顯示器 618:小鍵盤 622:揮發性儲存裝置或記憶體 624:非揮發性儲存裝置或記憶體
因此，在已概括地描述本發明之情況下，現將參考隨附圖式，其等不一定按比例繪製，且其中：
圖1係繪示包括可用於執行一實例實施例之一讀取程序之一原子物件約束設備之一實例量子運算系統之一示意圖。
圖2係一實例實施例中之可用於執行一相干排架程序之一實例原子物件之一些能階之一示意圖。
圖3係繪示根據一實例實施例之包含排架之一讀取程序之各種處理程序、操作及/或程序之一流程圖。
圖4係根據一實例實施例之可用於在執行包含排架之一讀取程序之後執行一撤銷排架程序之一實例原子物件之一些能階之一示意圖。
圖5提供根據各種實施例之經組態以執行一或多個確定性重新塑形及/或重新排序功能之一量子電腦之一實例控制器之一示意圖。
圖6提供可根據一實例實施例使用之一量子電腦系統之一實例運算實體之一示意圖。
200:能階圖
210:量子位元空間
212:第一量子位元狀態/關斷狀態
214:第二量子位元狀態/接通狀態
220:中間流形
230:排架流形

Claims (10)

  1. 一種經捕獲離子量子電腦之控制器，該控制器包括至少一個處理裝置，該至少一個處理裝置與至少一個操縱源驅動器通信，該處理裝置經組態以導致該控制器： 導致一第一波長之一第一波束及一第二波長之一第二波束入射於該量子位元上，其中該第一波長及該第二波長經組態以將該量子位元之一量子位元空間之一狀態耦合至一穩定狀態，其中該穩定狀態具有長於執行一讀取操作所需之一時間長度之一使用期限，且該第一波束及該第二波束由藉由該至少一個操縱源驅動器操作之至少一個操縱源產生；及 導致一讀取波束入射於該量子位元上。
  2. 如請求項1之控制器，其中該量子位元係一單獨離子化鐿原子，該第一波長為411 nm，該第二波長為3.4微米，且該穩定狀態在F流形中。
  3. 如請求項1之控制器，其中該處理裝置與一光偵測器通信，且該處理裝置經進一步組態以導致該控制器： 接收來自該光偵測器之一信號，其中該信號對應於該讀取波束入射於該量子位元上之一結果；及 基於該信號判定該量子位元之一狀態。
  4. 如請求項1之控制器，其中該處理裝置經進一步組態以導致該控制器重新初始化該量子位元。
  5. 如請求項4之控制器，其中重新初始化該量子位元包括導致一第三波長之一第三波束及該第二波長之一第四波束入射於該量子位元上。
  6. 如請求項5之控制器，其中該第三波束及該第四波束在時間上至少部分重疊地入射於該量子位元上。
  7. 如請求項5之控制器，其中該量子位元係一單獨離子化鐿原子，該第二波長為3.4微米，且該第三波長為976 nm。
  8. 如請求項5之控制器，其中該第三波束及該第四波束入射於該量子位元上達小於15微秒之一時間段。
  9. 如請求項1之控制器，其中為了導致執行該讀取操作，該處理裝置經組態以導致一讀取波束入射於該量子位元上，且監測由一光偵測器產生之一信號以判定該量子位元是否回應於該讀取波束入射於該量子位元上而發螢光。
  10. 如請求項1之控制器，其中該處理裝置經組態以在執行一量子電路時判定待讀取該量子位元，其中回應於判定待讀取該量子位元而導致該第一波束及該第二波束入射於該量子位元上。
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