一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统，使用任意波发生器驱动连续激光光路中的声光调制器构建能产生量子比特任意叠加态的一组双色光脉冲，双色光脉冲场强中的额外自由度被用来最优化脉冲的形状，使之对系统中存在的频率失谐量呈现出鲁棒性，对系统中存在的背景离子的非共振激发足够小，从而在短作用时间内以高保真度创建量子比特的任意叠加态；产生的光脉冲可以在4μs的作用时间内生成一个量子比特的任意叠加态，在±340kHz的频率失谐量范围内的保真度不低于99.5％，对背景离子的非共振激发不超过2％。

A system for creating rare earth ions qubit arbitrary superposition state

The utility model discloses a system which can create an arbitrary superposition state of rare earth ion quantum bits. Using an arbitrary wave generator to drive an acoustooptic modulator in a CW laser path, a set of two-color optical pulses capable of generating an arbitrary superposition state of quantum bits is constructed. The extra degree of freedom in the field strength of the two-color optical pulses is used to optimize the pulses. The shape makes it robust to the frequency detuning in the system, and the non-resonant excitation of background ions in the system is small enough to create an arbitrary superposition state of quantum bits with high fidelity in a short action time; the generated optical pulse can generate an arbitrary quantum bit in the action time of 4 us. In the superposition state, the fidelity is not less than 99.5% in the range of frequency detuning of (+340 kHz) and the non-resonant excitation of background ions is not more than 2%.

【技术实现步骤摘要】
一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统
本技术属于量子计算领域，具体涉及掺杂稀土离子的量子系统。
技术介绍
量子计算是量子信息处理中的一个重要分支，在大质数因子分解、全局搜索、以及生物分子模拟等问题中具有经典计算算法不可比拟的运算速度。使用光脉冲在短时间内以高保真度将量子比特初始化到一个任意叠加态是开启量子计算的第一步。但是物理系统中不可避免地存在一些干扰因素，比如频率失谐，光场强度波动，光场位相波动，非共振激发等干扰。如何生成光脉冲，使之在对量子比特进行操控时对这些干扰呈现较强的鲁棒性，同时具有作用时间短，保真度高的特点，是量子计算领域一个亟待解决的问题。在诸多承载量子计算的物理系统中，随机掺杂在无机晶体中的稀土离子是一种比较有竞争力的载体，因为量子比特的相干时间可以长达6小时，而且此种晶体价格低廉且已商品化。在该系统中，量子比特由非均匀展宽线上一组系综离子来表征，以掺杂在Y2SiO5晶体中的Pr3+为例，它们的光跃迁频率在605.977nm处呈现出±170kHz的半峰全宽。量子比特的两个能级之间的耦合通过光学跃迁来实施，构成一个三能级系统。在这样的三能级系统中以高保真度创建一个量子比特的任意叠加态，光脉冲必须满足如下条件，(1)对量子比特操控的保真度对量子比特离子之间存在的频率失谐量呈现较强的鲁棒性，即保真度在±170kHz范围内尽可能地接近理想值1；(2)对在频域内与量子比特离子相距大于3.5MHz的其它离子的非共振激发足够小，以免干扰量子比特离子；(3)脉冲作用时间尽可能短。目前操控量子系统的光脉冲主要分为三种类型。第一种是简单的共振脉冲，如方波脉冲，高斯脉冲等，这种脉冲作用时间短，但是对系统中存在的干扰因素比较敏感。第二种是绝热近似光脉冲，它对系统中存在的干扰因素具有较好的鲁棒性，但是因为是绝热过程所以脉冲作用时间较长。第三种是基于非绝热过程的绝热捷径光脉冲，在某些物理系统中已经被证明可以在短作用时间内以高保真度和强鲁棒性实现了量子布局数转移。但是，布局数转移仅是量子比特任意叠加态中一个特殊态，任意叠加态是量子操控中必不可少且可以充分开发量子计算机强大运算能力的一种普变态。目前在存在频率失谐的三能级量子系统中，比如稀土离子系统，在短时间内以高保真度产生量子比特任意叠加态的光脉冲尚未见报道。
技术实现思路
本技术解决的技术问题是：脉冲作用时间过长，鲁棒性差；为了达到上述目的，采用的技术方案如下：一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统，包括激光器、声光调制器、任意波发生器、掺杂稀土离子的晶体；所述的任意波发生器输出两列无线电信号，这两列无线电信号传输至声光调制器，这两列无线电信号的时长相同，振幅、频率和位相都不同，且振幅均随时间变化；激光器输出的光入射至由任意波发生器驱动的声光调制器上；声光调制器的+1阶或-1阶光路中放置有掺杂稀土离子的晶体。上述技术方案中优选的：还包括平面反射镜、光挡；所述的平面反射镜放置于声光调制器的+1阶或-1阶光路中，光挡放置于声光调制器的零阶光路中。还包括示波器、光电探测器、任意波发生器中输出的第三列频率随时间呈线性变化的方波信号；光电探测器放置于从掺杂稀土离子的晶体中透射出来的光路上，光电探测器采集的信号传输至示波器。还包括运算电路，光电探测器采集的信号传输给运算电路，经去卷积运算，输出在量子比特频率窗口中的吸收谱。激光器输出连续激光，波长在量子比特离子的光学跃迁频率附近，若采用Pr3+离子的3H4-1D2跃迁线，则激光器的输出波长应在605.977nm；连续激光的线宽不超过100kHz；任意波发生器生成两个无线电信号驱动声光调制器，两个无线电信号的时长相同，但是振幅、频率和位相都不同，振幅均随着时间变化，具体形状依赖于要实现的目标量子态，频率均在声光调制器的驱动频率带宽内，两个无线电信号的频率相差10.2MHz，二者的位相分别是个常数，其值依赖于目标量子态；这两个无线电信号使得声光调制器内置晶体的折射率发生周期性变化，所以连续激光在声光调制器中传播时，零阶光仍沿原方向行进，被光挡拦截；而+1阶或-1阶光的传播方向发生偏折，而且+1阶或-1阶光的振幅、位相、以及频率均被两个无线电信号所调制，具有与两个无线电信号相同的振幅、位相和时长；这样产生的两个光脉冲经过平面镜传播到稀土离子晶体中，晶体处于2K的低温环境中，光脉冲对稀土离子的量子态进行操控，可将其从初始态|1>创建到任意一个叠加态其中θa∈[0，π]，为了检测光脉冲对稀土离子的操控结果，在其与稀土离子作用结束后，任意波发生器生成一个频率随时间呈线性变化的方波信号，连续激光在此方波信号的调制下生成一个频率扫描光脉冲，该光脉冲入射到晶体中时，量子比特会依据自身所处的量子态选择性地吸收一些频率分量，这样量子比特量子态的信息被调制到了扫描光脉冲上，从晶体中透射出来的扫描光脉冲被光电探测器收集。示波器用来显示光电探测器探测到的扫描光脉冲的透射信号；与此同时，将此透射信号传输到电脑中进行去卷积运算，得出在量子比特频率窗口中的吸收谱，进而得到在双色光脉冲与稀土离子作用后量子比特的最终态信息。基于上述装置的可创建三能级系统量子比特任意叠加态的光脉冲生成方法，在一个三能级系统中采用基于Lewis-Riesenfeld不变量理论逆向求解三能级系统的含时薛定谔方程得到光脉冲的振幅和位相，将此振幅和位相输入任意波发生器生成具有振幅和位相与光脉冲相同的无线电信号，使用此无线电信号驱动连续激光光路中的声光调制器得到+1级或-1级偏折输出光，生成一组双色光脉冲。将生成的双色光脉冲垂直入射到三能级量子系统介质中，双色光脉冲与量子系统介质相互作用产生量子比特的任意叠加态。与现有技术相比，具有以下显著特点：所生成的双色光脉冲适用于三能级量子系统，包含两个同时作用但是频率、振幅和位相均不相同的光脉冲，光脉冲的上述参数均可由任意波发生器和声光调制器完全控制。双色光脉冲能够在三能级系统中产生一个量子比特的任意叠加态，包括两个量子比特能级之间的任意布局数分布和任意相对位相调控。双色光脉冲的起始和终止值可以为零也可以不为零，均可产生量子比特的任意叠加态。双色光脉冲的振幅随时间变化，但是频率和位相不随时间变化。光脉冲的时长在理论上可以任意短，只要光场强度足够大，对于最大拉比频率是2MHz的光场，光脉冲的长度不超过4μs。附图说明图1是掺杂在Y2SiO5晶体中的Pr3+的相关能级结构图；图2是光脉冲在与量子系统作用过程中光脉冲的拉比频率随时间变化图；图3是光脉冲在与量子系统作用过程中量子比特的状态演化图；图4是光脉冲在与量子系统作用过程中光脉冲的拉比频率随时间变化图；图5是光脉冲在与量子系统作用过程中量子比特的状态随时间变化图；图6是光脉冲在与量子系统作用过程中其拉比频率随时间变化图；图7是光脉冲在与量子系统作用过程中量子比特的状态随时间变化图；图8是光脉冲在与量子系统作用结束后产生目标量子比特叠加态的保真度与频率失谐量之间的依赖关系图；图9是光脉冲在与量子系统作用结束后对距离量子比特离子为ΔMHz的背景离子的非共振激发情况图；图10是光脉冲在与量子系统作用过程中的拉比频率随时间变化图；图11是光脉冲在与量子系统作用结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统，包括激光器、声光调制器、任意波发生器、掺杂稀土离子的晶体；其特征在于：所述的任意波发生器输出两列无线电信号，这两列无线电信号传输至声光调制器，这两列无线电信号的时长相同，振幅、频率和位相都不同，且振幅均随时间变化；激光器输出的光入射至由任意波发生器驱动的声光调制器上；声光调制器的+1阶或‑1阶光路中放置有掺杂稀土离子的晶体。

【技术特征摘要】
1.一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统，包括激光器、声光调制器、任意波发生器、掺杂稀土离子的晶体；其特征在于：所述的任意波发生器输出两列无线电信号，这两列无线电信号传输至声光调制器，这两列无线电信号的时长相同，振幅、频率和位相都不同，且振幅均随时间变化；激光器输出的光入射至由任意波发生器驱动的声光调制器上；声光调制器的+1阶或-1阶光路中放置有掺杂稀土离子的晶体。2.根据权利要求1所述的可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统，其特征在于：还包括平面反射镜、光挡；所述的平面反射镜放置...

【专利技术属性】
技术研发人员：延英，陈玺，李亦超，
申请(专利权)人：苏州大学，上海大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32