经由频率调制可调谐耦合元件利用一阶跃迁的快速量子门制造技术

提供了涉及操作量子处理设备的技术。设备包括耦合到频率可调谐耦合器的至少两个固定频率量子电路。耦合器的频率可以被调制，以便驱动量子处理设备中的至少两个可选择性寻址的能量跃迁。方法包括调制耦合器的频率以便驱动两个一阶能量跃迁。这样做以便经由可调谐耦合器将量子电路中的一个的激励(至少部分地)传递到量子电路中的至少另一个。还提供了相关的量子处理设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】经由频率调制可调谐耦合元件利用一阶跃迁的快速量子门
本专利技术总体上涉及量子处理设备及其操作的领域，并且更具体地涉及操作具有耦合到频率可调谐耦合器的固定频率量子电路(例如，超导量子位)的量子处理设备，以及相关设备。
技术介绍
量子增强感测和量子计算的最新进展使得这些技术与工业应用更加相关。量子感测和量子计算二者都直接利用量子力学现象，例如叠加和纠缠。量子感测的目的在于提高测量装置的精度，而量子计算机对数据纠缠执行操作。超导电路相对容易用当前技术制造，因此是进一步扩展量子信息技术的有前途的候选。今天，可以想象，在近期，基于几百个超导量子位的小型量子计算机将能够模拟对于常规计算机难以处理的量子系统，该小型量子计算机限于没有误差校正。尽管在设计量子系统方面有所改进，超导量子位仅可以存储有限寿命的量子信息，该有限寿命被称为相干时间。量子感测和量子计算二者理想地都需要高度纠缠的多量子位态的快速和高保真度的生成。目前，这样的态只能通过顺序地执行许多双量子位门操作来制备，这种制备消耗了量子位的大量相干时间。此外，这种制备限制了实际上可以使用的量子位的数量，因为态制备的持续时间随着量子位的数量而增加。然而，态制备的持续时间必须比相干时间短得多。当态制备的持续时间与相干时间相当时，系统不再能够操作。较短的态制备(例如，使用一次作用于多个量子位并使其纠缠的门获得)将允许量子计算机或量子传感器以较少的误差执行并被缩放到较大数量的量子位。在超导量子位领域，多量子位、单步骤的态制备问题迄今为止不是问题。实际上，所研究的系统的大小目前被限制为几个量子位，并且与量子位的相干时间相比，可靠的双量子位纠缠门是短的。在各种其它可能的现有实现中，存在已知的双量子位门，其利用传输子(transmon)量子位来实现，其中量子位经由频率可调谐耦合器元件来耦合。与其它方法相反，这种实现方式利用固定频率量子位的高相干性来产生具有大于97％的保真度的纠缠的两个量子位态。然而，选通速率(gaterate)仍然相对较慢(数百纳秒)。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术的实施例提供了一种如权利要求1所述的操作量子处理设备的方法。本方法利用固定频率电路的高相干性和一阶跃迁所允许的短操作时间，例如，以实现高选通速率。这种方法尤其可以用于允许在单个短操作内使多个固定频率量子位纠缠。因此，可以利用上述方法获得较短的态制备。这进而使得量子计算机或量子传感器有可能以更少的误差来执行并且可以被缩放到更大数量的量子位。在本专利技术的实施例中，可调谐耦合器的频率被以两个频率调制。即，在一方面，以第一频率调制耦合器，以便驱动第一跃迁，并且由此将量子电路中的所述一个量子电路的激励(至少部分地)传递到可调谐耦合器。在另一方面，以一个或多个第二频率(每个与第一频率不同)调制耦合器，以便分别驱动一个或多个第二跃迁，并且由此进一步将该激励从可调谐耦合器(至少部分地)传递到量子电路中的另一个量子电路。第一跃迁和(一个或多个)第二跃迁中的每一个都是一阶能量跃迁。可调谐耦合器的频率可以首先被以所述第一频率调制以驱动第一跃迁，并且随后被以所述至少一个第二频率调制以在第一跃迁之后驱动至少一个第二跃迁。然而，优选地(但不是必须地)，可调谐耦合器的频率被相伴地以所述第一频率和所述至少一个第二频率调制，以便相伴地驱动第一跃迁和至少一个第二跃迁。即，以(一个或多个)第二频率调制可调谐耦合器的时间段至少部分地与以第一频率调制可调谐耦合器的时间段重叠，以便提高操作速度。使用相伴的驱动使得有可能实现高选通速率(例如，在10-100兆赫(MHz)范围内)，其中对应的选通时间在100纳秒(ns)-10ns范围内，即，与单量子位门一样快。结果，可以在可短至10ns的时间内实现单纠缠操作。当调制可调谐耦合器的频率时，可以以选定的步调开启以所述第一频率的驱动和以所述第二频率的驱动，以便产生绝热完整门变换。本专利技术的实施例依赖于所谓的“红色边带跃迁”，其可以例如通过施加到可调谐耦合器的谐波微波信号而容易地被驱动。特别感兴趣的是利用特定的激发态|gg...，1>。即，第一频率和(一个或多个)第二频率中的每一个可以对应于量子处理设备的激发态对之间的能量差，其中，每对激发态涉及该激发态|gg...，1>，其可表示为涉及可调谐耦合器的激发态|1>和量子电路中的每一个的基态|g>的张量积。因为相同的激发态|gg...，1>被涉及在对应于第一频率和(一个或多个)第二频率的能量差中的每一个中，所以该态稍后被称为“参考”激发态|gg...，1>。例如，第一频率和至少一个第二频率中的每一个可以对应于所述参考激发态|gg...，1>和激发态|ab...，0>之间的能量差。激发态|ab...，0>可表示为涉及可调谐耦合器的基态|0>和量子电路的态|ab...>的张量积。态|ab...>本身可表示为涉及量子电路中的仅一个的激发态|e>和剩余量子电路中的每一个的基态|g>的张量积。第一频率和第二频率各自“对应于”如上定义的能量差，意味着这样的频率可以等于这样的能量差，或者在变型中，接近于这样的能量差。如上所述，通过将谐波微波信号施加到可调谐耦合器，可以驱动一阶能量跃迁。调制所施加的信号以调制可调谐耦合器的频率，以便驱动所述第一跃迁和所述至少一个第二跃迁。值得注意的是，可以实施本方法以便操作具有多于两个固定频率量子电路的量子处理设备。这样，可以将初始激励传递到多个量子电路。即，量子处理设备可以包括至少三个固定频率量子电路。再次，每个量子电路耦合到可调谐耦合器。可调谐耦合器的频率相伴地在一方面被以第一频率调制以便驱动第一跃迁，以及在另一方面被以两个或更多个第二频率调制以便相伴地分别驱动两个或更多个第二跃迁。这样，激励可以(再次，至少部分地)从可调谐耦合器传递到量子电路中的两个或更多个其它量子电路。所述跃迁中的每一个是一阶能量跃迁，以便确保快速操作。如本文所述的操作还可以需要适当地设置施加到可调谐耦合器的信号的幅度和相位，例如以便实现量子电路的多部分纠缠态。值得注意的是，可以操作本方法以及如本文描述的量子处理设备以便实施一个或多个量子门。每个门进而可以在量子电路中的一个或多个上操作。然而，由于可调谐耦合器不意在用作计算量子位，所以这样的量子门将不在可调谐耦合器的态上操作(至少不有效)。本专利技术的实施例基于至少两个量子电路的态实现通用的门集合。然而，由于与上述相同的原因，这样的门不基于可调谐耦合器的态。例如，可以在调制施加到可调谐耦合器的信号的频率之前或同时设置这种信号的幅度和相位，以便实现iSWAP门、c相位门、Fredkin门(也称为CSWAP门)或SWAP门的平方根(通常由表示)，或这样的门的任意组合。根据另一方面，本专利技术的实施例提供了如权利要求13所述的量子处理设备。与本方法一致，在操作中，控制器优选地(但不是必须地)被配置为在一方面以第一频率调制耦合器的频率以便驱动第一跃迁并且由此将量子电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种操作量子处理设备的方法，所述方法包括：/n调制可调谐耦合器的频率以便驱动两个一阶能量跃迁，其中，所述量子处理设备包括耦合到所述可调谐耦合器的至少两个固定频率量子电路，其中，所述可调谐耦合器的频率可操作以被调制，以便驱动所述量子处理设备中的至少两个可选择性寻址的能量跃迁；以及/n响应于调制所述可调谐耦合器的频率以便驱动所述两个一阶能量跃迁，引起所述至少两个固定频率量子电路中的一个固定频率量子电路的第一激励，使得所述第一激励经由所述可调谐耦合器被至少部分地传递到所述至少两个固定频率量子电路中的至少另一个固定频率量子电路；/n其中：/n以第一频率调制所述可调谐耦合器的频率，以便驱动第一跃迁，并且由此将所述至少两个固定频率量子电路中的所述一个固定频率量子电路的第一激励至少部分地传递到所述可调谐耦合器；以及/n以不同于所述第一频率的至少一个第二频率调制所述可调谐耦合器的频率，以便分别驱动至少一个第二跃迁，并且由此进一步将所述第一激励从所述可调谐耦合器至少部分地传递到所述至少两个固定频率量子电路中的所述至少另一个固定频率量子电路，其中所述第一跃迁和所述至少一个第二跃迁中的每一个是一阶能量跃迁。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180321 US 15/927,5021.一种操作量子处理设备的方法，所述方法包括：
调制可调谐耦合器的频率以便驱动两个一阶能量跃迁，其中，所述量子处理设备包括耦合到所述可调谐耦合器的至少两个固定频率量子电路，其中，所述可调谐耦合器的频率可操作以被调制，以便驱动所述量子处理设备中的至少两个可选择性寻址的能量跃迁；以及
响应于调制所述可调谐耦合器的频率以便驱动所述两个一阶能量跃迁，引起所述至少两个固定频率量子电路中的一个固定频率量子电路的第一激励，使得所述第一激励经由所述可调谐耦合器被至少部分地传递到所述至少两个固定频率量子电路中的至少另一个固定频率量子电路；
其中：
以第一频率调制所述可调谐耦合器的频率，以便驱动第一跃迁，并且由此将所述至少两个固定频率量子电路中的所述一个固定频率量子电路的第一激励至少部分地传递到所述可调谐耦合器；以及
以不同于所述第一频率的至少一个第二频率调制所述可调谐耦合器的频率，以便分别驱动至少一个第二跃迁，并且由此进一步将所述第一激励从所述可调谐耦合器至少部分地传递到所述至少两个固定频率量子电路中的所述至少另一个固定频率量子电路，其中所述第一跃迁和所述至少一个第二跃迁中的每一个是一阶能量跃迁。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可调谐耦合器的频率首先被以所述第一频率调制以驱动所述第一跃迁，并且随后被以所述至少一个第二频率调制以在所述第一跃迁之后驱动所述至少一个第二跃迁。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可调谐耦合器的频率被相伴地以所述第一频率和所述至少一个第二频率调制，以便相伴地驱动所述第一跃迁和所述至少一个第二跃迁。


4.根据权利要求3所述的方法，其中，调制所述可调谐耦合器的频率还包括以步调开启以所述第一频率和以所述至少一个第二频率的驱动，以便生成绝热完整门变换。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，为了调制所述可调谐耦合器的频率，所述第一频率和所述至少一个第二频率中的每一个分别对应于所述量子处理设备的激发态对之间的能量差，由此每对激发态涉及参考激发态|gg...，1>，所述参考激发态|gg...，1>可表示为涉及所述可调谐耦合器的激发态|1>和所述至少两个固定频率量子电路中的每个固定频率量子电路的基态|g>的张量积。


6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一频率和所述至少一个第二频率中的每一个对应于所述参考激发态|gg...，1>和激发态|ab...，0>之间的能量差，所述激发态|ab...，0>可表示为涉及所述可调谐耦合器的基态|0&...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·菲利普，N·莫里，D·J·艾格尔，M·冈泽霍恩，A·弗赫尔，G·万萨利斯，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US