用于量子计算的腔中的量子系统的阵列

相关申请的交叉引用

要求基于2011年6月14日提交的标题为“ARRAY OF THREE  DIMENSIONAL SUPERCONDUCTING QUBIT/CAVITY CLUSTERS FOR QUANTUM  COMPUTING”的美国临时专利申请序列号No.61/497,018的优先权，其 全部公开内容通过引用合并于此。本申请涉及代理人案号为 #YOR920110314US3的、xx/xx/xx提交的标题为“MODULAR ARRAY OF  FIXED-COUPLING QUANTUM SYSTEMS FOR QUANTUM INFORMATION  PROCESSING”并且被给予序列号[xx/xxx,xxx]的待决美国专利申请，其全 部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明一般地涉及量子系统，并且更具体地涉及应用于量子信息 处理的、通过传导壁限定的体积内的量子系统的阵列。

背景技术

量子信息处理是信息处理的新范例，其中对于信息处理应用采用 显式量子力学状态以及量子力学现象和行为。该技术通过在传统系统中 无法实现的量子系统中发现的一些特殊属性来实现：量子系统处于其若 干本征态的叠加中的能力以及若干量子系统彼此纠缠的能力。这样，量 子物理提供了用于实现解决与当前机器计算交互的特定种类的数学问 题的计算能力的基础。与传统比特类似，其中处理器中的晶体管的状态、 硬盘表面的磁化和线缆中的电流的存在都可以用于表示在同一计算机 中的比特，量子比特表示不同的状态。然而，对于传统比特，可以理解 的是，其状态必须是0或1。量子比特可以是0或1或二者的叠加。

几种类型的物理系统可能最适合于建立量子计算机。这样的物理 系统包括但不限于：硅基核自旋、陷获离子、腔量子电动力学、核自旋、 量子点中的电子自旋、超导环路和约瑟夫逊结、液态核磁共振（NMR） 以及液氦表面上方悬浮的电子。

历史上，液态NMR量子计算机（NMRQC）是论证许多量子计算的 主要概念的第一个物理系统。在这样的系统中，核自旋置于强磁场中， 产生表示逻辑|0〈和|1〉状态的核自旋的“向上”和“向下”状态（类似于 条形磁铁）。随后的量子算法被识别为允许实施三个量子比特的量子搜 索算法、五个量子比特顺序查找算法，实现绝热量子优化算法以及论证 肖尔（Shor）因子分解算法（使用7个自旋分子对数字15的因子分解）。 图1图示了用于将数字15分解成其素数3和5的现有技术NMR的七个 自旋分子。NMRQC被很好地表征并且具有包括7个自旋状态的若干优点。 然而，NMRQC具有若干缺点，包括量子比特系统被限制为自然提供的那 些属性以及有限的可扩展性。目前，若干类型的物理系统追求量子计算， 包括实现约瑟夫逊结、超导回路、超导电容器以及超导量子比特。除了 各种基于超导量子比特的方法，最活跃的研究领域涉及陷获离子和量子 点。在当今这些系统中的任何一个中建立的最大量子计算机包括大约 10个量子比特，并且多数实现方式集中于特定量子算法或量子态的论 证。然而，在当前的物理系统中，对于超导量子比特的集合的数目仍然 可能存在限制。

发明内容

示例性实施例包括一种设备，该设备包括通过电磁传导壁限定的 体积、电磁传导壁的边界壁中的孔、设置在该体积内的多个量子系统以 及经由所述孔耦合到所述体积的电磁场源。

其他示例性实施例包括一种装置，该装置包括通过具有孔的传导 表面限定的体积、设置在该体积内的量子系统的布置以及耦合到该体积 的电磁场源。

其他示例性实施例包括量子比特装置，该量子比特装置包括其中 限定腔的壳体、布置在该腔中的多个量子比特设备以及耦合到该壳体并 且被配置成在该腔内施加电磁场的电磁场源。

通过本发明的技术来实现其他特征和优点。本发明的其他实施例 和方面在这里详细描述并且被视作要求保护的发明的一部分。为了更好 地理解具有该优点和特征的本发明，参考说明书和附图。

附图说明

关于本发明的主题在说明书的结束处的权利要求书中被具体地 指出并且明确地要求保护。从结合附图做出的下面的具体描述中，本发 明的前述和其他特征及优点是显而易见的，在附图中：

图1图示了现有技术的NMR七个自旋分子；

图2图示了量子比特装置的示例；以及

图3图示了示例性的三维量子比特簇装置的示例。

图4图示了根据示例性实施例的量子计算方法的方法流程图。

具体实施方式

在示例性实施例中，本文所描述的系统和方法实现可以用于量子 计算应用的耦合的超导量子比特的大集合（例如，在数千和更大量级 上）。在示例性实施例中，可以实现任何适当的物理量子比特系统。例 如，任何两级系统都可以用作量子比特。如果多级系统具有可以与其余 态有效解耦和的两种状态（例如，非线性振荡器的第一激发态和基态）， 则也可以使用这些多级系统。这样的系统可以包括但不限于：硅基核自 旋、陷获离子、腔量子电动力学、核自旋、量子点中的电子自旋、超导 环路和约瑟夫逊结、液态NMR、液氦表面上方悬浮的电子。

存在在构建量子计算机中考虑的若干量子力学属性。量子比特和 传统比特之间的一个区别特征是多个量子比特可以表现出量子纠缠 （entanglement），这是允许一组量子比特来表达比在传统系统中更高 的相关性的非局部属性。以处于贝尔（Bell）态的两个纠缠的量子比特 为例，这被称为平衡叠加。与一次仅具有一个值的传统比特不同，纠缠 还允许多个状态（即，上述贝尔态）同时作用。纠缠是在传统计算上无 法有效进行的任何量子计算的必要要素。诸如量子遥传 （teleportation）和超密编码这样的许多量子计算和通信的成功都利 用了纠缠，提出纠缠是量子计算特有的资源。另一个量子力学属性是量 子遥传或纠缠辅助遥传，这是量子比特状态可以在量子比特不通过中间 空间传送的情况下，被准确地（在理论上）从一个位置传送到另一位置 的过程。这可以用于量子信息处理；然而，它不会立即传送传统信息， 并且因此不能用于超光速（比光更快）的通信。量子遥传与常见的术语 遥传无关——它并不传输系统本身，并且不考虑重新排列粒子以复制对 象的形式。

对于构建实际的量子计算机的需要比诸如仅叠加和纠缠这样的 量子力学属性更加复杂。为了构建实际的量子计算机，存在必须满足的 一组需要。一个需要是具有可以被初始化为已知状态的量子比特系统。 另一个需要是通过应用单个和多量子比特门运算来操纵该状态使得可 以实现任何任意的逻辑运算的能力。最后，必须通过已知的技术来测量 计算的结果。此外，为了使量子系统保持精确创建的叠加和纠缠的状态 达足够长的时间（即，相干时间），其必须很好地与环境隔离。然而， 为了根据期望的算法的步骤来操纵量子系统，其必须本质上还耦合到外 部环境，从而引入减少相干时间的噪声机制。

然而，如本文所述的，已经对NMRQC进行了大量研究。这里描述 的示例性系统和方法实现量子比特簇，其与NMRQC非常相似地进行动作 并且可以与NMRQC非常相似地被表征。这样，在表征示例性系统和方法 中，可以如这里进一步描述的那样来分析NMRQC的若干特征。

在示例性实施例中，本文所描述的系统和方法包括壳体或体积， 其中在该壳体或体积内限定有腔。量子系统被设置在腔内，并且可以通 过由电磁场源激励的电磁场模式来彼此耦合。在示例性实施例中，腔包 括每一个都以谐振频率为特征的谐振模式。此外，量子系统包括具有相 关联频率的多个本征态。电磁场具有多个模式，使得每一个量子系统可 以经由量子系统到电磁场的相互耦合来耦合到其他量子系统。

可以理解的是，量子系统可以是可以支持用于信息处理的量子比 特的任何种类的设备，诸如电子电路（例如，约瑟夫逊结）。量子系统 可以表示例如由多个量子系统和腔的谐振模式形成的复合量子系统。在 示例性实施例中，电磁场源被配置成引起对量子系统和复合量子系统中 的一个或多个中的至少一个的本征态的测量。此外，电磁场源被配置成 引起在多个量子系统中的本征态之间的转换（transition）。这样，每 个量子系统都具有相关联的转换频率，其使得当通过电磁场的不同模式 引起本征态之间的转换时，量子系统能够在本征态之间进行转换。

图2图示了量子比特装置200的示例。该装置200提供了用于描 述这里的示例性系统和方法的说明性基础。该装置包括在其中限定有腔 210的壳体205。装置200还可以包括被设置在腔210内的量子比特215。 装置200还可以包括耦合到壳体205并且提供由箭头225表示的电磁场 的外部电磁源220（例如，同轴电缆）。这样，可以理解，壳体205是 用于施加到壳体的电磁场的电磁波导。还可以理解，壳体205可以支持 电磁场的若干模式。为了说明的目的，量子比特215是具有约瑟夫逊结 216的电路，其由诸如本领域中公知的电容器和电感器这样的其他电路 元件217、218限定。量子比特215可以有利地耦合到传输线或被配置 用于测量从电磁场在量子比特215中引起的量子态的其他适当的连接 器（图中未示出）。测量可以通过互连和观察反射或透射的信号以对腔 210施加信号来执行。如果以透射方式进行测量，则可以添加第二端口 （输出端口）。如果以反射方式进行测量，则可以经由支持外部磁源 220的端口来进行测量。为了进一步说明的目的，壳体205可以是诸如 铝（Al）的任何适当的超导材料，并且量子比特215可以是气窗型 （transom-style）超导约瑟夫逊结。气窗量子比特是通过使量子比特 电容变大而使得其对充电不敏感的超导量子比特。通过调节电容和约瑟 夫逊电感（二者都通过制造和设备几何形状来确定），与量子比特电容 （Ec）和量子比特电感（Ej）相关联的特征能量满足Ej>>Ec。可以 理解，在其他示例性实施例中考虑了其他类型的量子比特。因此，装置 200可以是三维波导腔和量子比特，其形成支持在50μs范围中的相干 时间的有效电路量子电力学（cQED）系统。在该范围中的相干时间可期 望用于使cQED系统保持精确产生的叠加和纠缠态，如这里进一步描述。 当前的cQED系统通常通过叉指状电容器来实现共平面波导谐振器和平 面量子比特。在示例性实施例中，该装置200在其物理结构和量子比特 215所耦合到的关联的电磁（EM）场方面都是三维的。

可以对装置200进行若干评述。首先，电磁模式占据了由腔210 所限定的自由空间区域。可以认为模体积相对于腔210较大，但也进行 很好的限定并且具有可预测的质量因数和频率。例如，测量结果指示了 这些模式完全被控制高达27GHz的最大特征频率。仅存在占据了自由空 间区域的所理解和可预测的模式意味着系统内的损耗的可能源比在平 面的几何形状中更加有限。通过将量子比特215置于腔210内部，除了 电磁场模式之外，还可以调节与量子比特模式相关联的电磁场的分布和 位置。可以理解，必须对量子比特电容的几何形状进行适当的修改以获 得适当的分流和耦合电容。

此外，该装置的内部质量因子（即，Q因子）已经被测量为高达 440万。Q因子表征与其中心频率相关的谐振器的带宽。较高的Q指示 相对于腔210所储存的能量的较低能量损失速率，并且因此振荡消失得 较慢。此外，Q因子很容易被调谐，并且可以针对读出性能或珀塞尔 （Purcell）效应量子比特弛豫（relaxation）而增加。在该情况下， 珀塞尔效应定义了量子比特弛豫（即，失去其当前的量子态）的速度。 例如，该装置已经被测量为在具有20,000的加载Q的情况下在腔210 中具有2.7μs的珀塞尔限制的量子比特寿命。此外，在量子比特和腔 210之间的耦合系数g已经被测量为g=475MHz。这样的耦合指示在腔 210和量子比特215之间的强交互。这样，施加的电磁场可以易于调节 量子比特215的量子态，这进而将使弛豫足够慢以允许适当的测量。这 样的测量指示，本文所描述的许多量子比特系统可以提供使量子计算执 行高保真度多量子比特逻辑的有意义的测量。

图2的装置200是单个三维（3D）配置，其中针对腔210中的电 磁场的量子比特215的耦合在三维中出现。在示例性实施例中，图2 的单个3D量子比特可以被升级为较大阵列的耦合的3D量子比特以用于 现在所描述的量子计算。

图3图示了示例性3D量子比特簇装置300的示例。装置300包 括其中限定有腔310的壳体305。装置300可以进一步包括设置在腔310 内的量子比特315的簇。如本文所述，超导约瑟夫逊结的示例被描述为 量子比特315中的每一个。然而，如本文所述，应当理解的是，可以实 现任何类型的量子比特，包括但不仅限于，量子点、电子或核自旋或其 集合。装置300可以进一步包括耦合到壳体305并且在腔310内提供电 磁场的外部电磁源320（例如，同轴电缆）。这样，可以理解，壳体205 是用于施加到壳体305的电磁场的电磁波导。量子比特315可以以多种 方式被布置在腔310内。腔内的量子比特的位置和取向可以影响其耦合 到腔模式的强度。每个量子比特315可以被看作是具有关联的偶极矩矢 量的偶极子。其与腔310的交互的强度主要通过偶极矩矢量与量子比特 115的位置处的电场矢量的点积来确定。这样，与感兴趣的模式的电场 分布有关的量子比特位置和取向的调节可以用于调节量子比特-腔耦合 的强度，并且进而调节量子比特-量子比特耦合的强度，这是因为量子 比特通过其与腔模式的相互交互来获取直接的量子比特-量子比特有效 交互。装置300表现出与关于图2描述的装置类似的物理性质。装置 300由此是包括多个量子比特315的升级的装置。这样，腔310可以在 腔310和量子比特之间强耦合的情况下支持大量电磁模式。此外，在可 以通过调节来自电磁源320的电磁场来控制和调谐的腔内的各个量子 比特315之间也存在强耦合。因此，装置300被从单个3D量子比特升 级为用于量子计算的耦合的3D量子比特的大平台。在示例性实施例中， 升级过程是模块化的。图3图示了如所述的单个量子比特簇300。在示 例性实施例中，图示了8个量子比特315，并且其可以以多种方式被布 置以便在量子比特之间实现期望的耦合。应当认识到，存在量子比特 315可以进行耦合的很多方法和方式。量子比特315被图示为八角形图 案，但是并不将其他示例性实施例限制为该图案。此外，可以在腔310 中布置比8个量子比特更少或更多的量子比特115。如这里进一步描述 的，图示了8个量子比特115，这是因为它们的行为非常类似于传统NMR 分子，并且因此很好理解和表征。

这样，图3图示了腔内的8个气窗型量子比特315以形成量子比 特簇装置300，其如所描述的是超高Q超导波导谐振器。

在示例性实施例中，如本文所述，簇内的量子比特的耦合也可以 通过电磁场的施加来实现。随后，可以进行量子比特的测量以确定量子 比特的量子态。电磁场的施加以及随后的量子态测量描述了整个量子计 算方法。首先，簇内的所有量子比特通过已知技术在其频率f_i和对腔 的耦合强度g_i方面被表征。通过该量子比特表征的迭代过程，然后校 准量子比特的联合读出。通过f_i和g_i的值，然后可以重新构建量子比 特/腔系统的汉密尔顿函数H。而且，用于通用门组的协议被设计为由 rf脉冲序列组成。并行地，要实现的算法被选择和分解为与簇中可用 的资源一致的单个和多个门运算的集合。然后，rf脉冲序列的集合被 设计为基于针对通用门组所确定的那些来实现该算法。这些RF脉冲序 列接下来被应用于该系统，并且进行所有量子比特的联合读出以确定结 果。

现在进一步描述示例性系统和方法的若干属性。如本文所述，很 好理解了具有分散耦合到单个玻色子（bosonic）谐振器模式的多个气 窗型量子比特的系统的物理性质（例如，NMRQC）。在示例性实施例中， 利用固定的量子比特频率和固定的量子比特-量子比特的耦合来实现本 文所描述的系统和方法。以这种方式，可以实现已知的NMR控制技术。 在NMR技术中，实现拉莫尔（Larmor）频率，其中量子比特倾向于与所 施加的电磁场对准。此外，在本文描述的示例性量子比特簇中，描述在 分子的电子环境中的能级的依赖关系的化学移位可以被实现为确定在 给定的腔中的能级的依赖关系。通过实施这样的公知的技术，可以获得 这里所描述的示例性量子比特簇的通用控制。在示例性实施例中，量子 比特频率可以经由引入到腔的电线来进行控制。通过对量子比特频率和 非调谐性的准确选择，可以获得与NMR中的汉密尔顿函数等效的汉密尔 顿函数，其中存在可比强度的长期和非长期的耦合项，但是仅长期的部 分是重要的，因为它进入微扰理论（perturbation theory）中的第一 阶。在示例性实施例中，可以在腔内的单个量子比特上选择自旋。

在NMRQC中，ZZ交换和交互描述了相邻分子之间的自旋交换。该 概念可以被延伸以描述如在示例性实施例中所描述的量子比特中的自 旋交换。当在特定腔中的量子比特之间的有效ZZ交互与非对角 （off-diagonal）J-耦合项（即交互量子比特的角动量的耦合）相比显 著时，NMR型汉密尔顿函数出现。该ZZ交互具有两个物理源点。首先， 当腔-量子比特耦合被处理为微扰理论中的第四阶时，ZZ交互在两级近 似中出现。其次，其在计算子空间外的额外的量子比特等级被适当地建 模时出现。可以使得两个效应相加而不是抵消。在示例性实施例中，本 文所描述的包括实现NMR型汉密尔顿函数的电路的系统和方法需要理 解和利用ZZ交互项的两个这样的源点。随着簇中的一个量子比特的1- >2转换接近另一个量子比特的0->1转换，该效应的强度迅速增加。 通过利用这些物理现象，可以如所述的对这里描述的量子比特簇进行调 整。

在示例性实施例中，为了产生特征在于下述各项的NMR型汉密尔 顿函数：a）固定的量子比特转换频率以及b）由ZZ交互支配的固定的 量子比特-量子比特耦合，本文所述的系统具有下述特性：1）以表现为 有效的两级系统的方式来控制和操纵每个量子比特；2）每个量子比特 利用远大于量子比特的弛豫和解相干速率的耦合能量来与至少一个其 他量子比特交互；3）该系统允许对量子比特施加频率和幅度调制的微 波控制场；以及4）该系统允许经由反射或透射来读出所有量子比特的 量子态，诸如联合读出。

在示例性实施例中，通过对将要被纠缠的两个量子比特什么都不 做而执行两个量子比特门，而对所有其他对之间的交互重新聚焦。在对 多自旋分子的最近的液态NMR实验中，已经证明了E_1q=1.3×10^-4和 E_2q=4.7x10^-3的非常高保真度的控制。认为这些是由于开始难以对自旋 进行极化而受到限制。相反，在示例性实施例中，可以容易地初始化这 里描述的量子比特（即，超导量子比特可以容易地被初始化）。然而， 由于较高的拉莫尔频率（与50-500MHz相比，大约1-10GHz）导致了 必须进行额外的步骤以执行准确的数值脉冲优化。

在示例性实施例中，此处所描述的示例性簇内的量子比特通过对 容纳其的腔的谐振或近谐振信号的施加来测量。可以根据所建立的联合 分散读出的方法来进行读出。还通过对相邻耦合元素施加驱动信号来实 现单次读出，其非线性使其适合用于信号放大。

这样，可以理解，这里所描述的示例性簇组合了NMRQC的已知和 良好表征的特征以及量子比特的期望属性，诸如超导属性。

在示例性实施例中，如本文所述，簇内的量子比特的耦合也可以 通过施加电磁场来实现。随后可以进行量子比特的测量以便确定量子比 特的量子态。电磁场的施加以及随后的量子态测量描述了整个量子计算 方法。图4图示了根据示例性实施例的量子计算方法的方法400的流程 图。首先，簇内的所有量子比特通过已知技术在其频率f_i和对腔的耦 合强度g_i方面被表征。通过该量子比特表征的迭代过程，然后校准量 子比特的联合读出。通过f_i和g_i的值，然后可以重新构建量子比特/腔 系统的汉密尔顿函数H。而且，用于通用门组的协议被设计为由rf脉 冲序列组成。并行地，要实现的算法被选择和分解为与在簇中可用的资 源一致的单个和多个门运算的集合。然后，rf脉冲序列的集合被设计 为基于针对通用门组所确定的那些来实现该算法。这些rf脉冲序列接 下来被应用于该系统，并且进行所有量子比特的联合读出以确定结果。

这里描绘的流程图仅仅是一个示例。在不脱离本发明精神的情况 下，可能存在对附图或这里描述的步骤（或操作）的许多变化。例如， 步骤可以以不同的顺序被执行，或者步骤可以被添加、删除或修改。所 有这些变化都被认为是所要求保护的本发明的一部分。

虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应理解，对于本领域 技术人员来说，无论是现在还是将来，可以进行落在所附权利要求的范 围内的多种改进和增强。这些权利要求应该被解释为保持对于在先描述 的本发明的适当的保护。