本文公开了一种用于量子信息处理的设备。根据示例，该设备包括用于限制用作数据量子迪特(qudits)的自旋电荷载流子的第一组限制区。该设备还包括用于限制用作辅助量子迪特的自旋电荷载流子的第二组限制区，第二组限制区中的每个限制区都可耦合至用于测量辅助量子迪特的测量装置。该设备还包括用于限制自旋电荷载流子的第三组限制区，第三组限制区中的每个限制区位于第一组限制区中的第一限制区与第二组限制区中的第二限制区之间，并用于介导第一限制区域的数据量子迪特与第二限制区的辅助量子迪特之间的相互作用。该设备进一步包括一个或多个电荷库。第三组限制区中的每个限制区可耦合至一个或多个电荷库中的电荷库。本文还描述了用于操作用于量子信息处理的设备的方法、及计算机可读介质。及计算机可读介质。及计算机可读介质。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】量子信息处理架构
[0001]本专利技术涉及用于量子信息处理和存储的设备、架构和系统。
技术介绍
[0002]本文描述的本专利技术至少部分地基于量子力学、量子信息和量子计算。对于感兴趣的读者，Michael A Nielsen和Isaac L Chuang在“量子计算与量子信息(Quantum Computation and Quantum Information)”中详细介绍了基础知识。具体而言，该文献包含量子位的特性和互补碱基中量子测量的基础知识，并介绍了量子纠错和容错量子计算。该文献还可使读者熟悉量子物理学领域中常用的符号。
[0003]量子计算机是一种用于处理量子信息的设备，其中，量子信息是经典计算机处理的经典信息(例如，离散经典比特，即0和1)的概括。至少对于某些过程，量子计算机有可能比经典计算机强大得多，因为其可以更有效地执行许多操作。
[0004]在用于处理量子比特(也称为“量子位(qubit)”)的计算机中，每个量子位都可以处于两种状态之一。但是，由于量子位的性质，它们也可以处于这两种状态的叠加中。如果将计算机的每个量子位都置于合适的状态叠加中，则计算机中的整体状态叠加会缩放为2
n
，其中n为量子位的数量。通过将计算机置于这种状态叠加，可以使用诸如Grover算法等量子算法更快地解决各种问题。这可以看作是由于这样一个事实，即量子位不是按顺序运行通过每个可能的状态，而是同时处于所有可能的状态组合中。虽然量子位可被认为是经典的0、经典的1或这两种状态的叠加，但量子位可被认为是0、1、...、n
‑
1或这n个状态的任意状态的叠加。
[0005]通用量子计算机有望加快多项操作的处理时间，例如，因数分解、搜索算法和量子模拟，但此类量子计算机的发展进程受到对量子态控制的高精度要求的阻碍。
[0006]就量子位而言，原则上任何满足量子位算符和(其中，和为泡利(Pauli)算符)的二能级系统都可用于定义量子位。算符的本征态可以是例如基态|g>和激发态|e>。基态是算符的+1本征态，其中，激发态是算符的
‑
1本征态，其中，然而，量子位可以以其本征态的叠加形式存在，|Ψ>＝α|g>+β|e>。量子位在Z基下的测量通常将量子位投影到基态或激发态，其概率取决于参数α和β。状态投影可由测量有意地引起，也可是由于量子位与环境的相互作用而无意引起的。这种无意的状态投影会导致量子错误(quantum errors)。因此，可以通过引入随机相位翻转操作(randomphase flip operations)或位翻转操作(bit flip operations)来模拟量子位错误。
[0007]量子计算机发展的一个主要障碍是退相干(decoherence)——量子态与外部世界的意外相互作用导致量子信息的丢失。量子纠错可用于保护量子信息免受由于退相干和其他噪声源所引起的错误。实际上，可以从多个物理量子位构建逻辑量子位，使得可以比任何
单个物理量子位更精确地处理逻辑量子位。
[0008]建造量子计算机的一种方法是基于表面码(surface code)，其作为稳定子码(stabilizer code)运行。理论上，表面码具有非常显著的优势，因为它们对局部错误的容错性相对较高。在典型的表面码中，物理量子位使用一系列物理量子位受控非(Control
‑
NOT(CNOT))操作纠缠在一起，随后对纠缠态的测量提供了纠错和错误检测的手段。一组以这种方式纠缠在一起的物理量子位被用来定义一逻辑量子位，由于纠缠和测量，逻辑量子位的性能远远优于底层物理量子位。
[0009]有关表面码量子计算的介绍，包括“元格(plaquettes)”的定义，读者可以阅读Fowler等人发表的“Surface codes:Towards practical large
‑
scale quantumcomputation”，(Physical ReviewA，第86卷，第3期，032324，2012年9月18日)。
[0010]在典型的二维表面码架构中，多个“数据量子位(data qubits)”中散布着多个“辅助量子位(ancillary qubits)”(也被称为“测量量子位(measurement qubits)”)。图1中示出了一种典型的表面码架构100。在纠缠物理量子位的二维阵列中，多个数据量子位110(图中示为黑色圆圈)中散布着多个辅助量子位120(图中示为白色圆圈)。数据量子位110与辅助量子位120之间的直接交互(可以是直接交换交互(direct exchange interaction))用于操纵架构100的量子信息。远离边界处，每个数据量子位110耦合至四个辅助量子位120，并且，每个辅助量子位120与四个数据量子位110耦合。辅助量子位120用于稳定和操纵数据量子位110的量子态。可以通过在最近邻量子位(涉及数据量子位110和辅助量子位120两者)之间执行两个量子位测量的组合来实现量子逻辑门，例如，受控非门(controlled
‑
NOT gate,CNOT)、数据量子位上的单量子位操作以及辅助量子位上的测量。
[0011]虽然图1所示的表面码架构在理论上是容错的，但根据表面码架构所依赖的物理系统的性质，仍然可能有例如大量电荷泄露到计算子空间之外的物理状态。泄漏可能是由于，例如，阵列的一个位置处的电子隧穿到相邻位置。这种泄漏会导致计算错误，无法通过标准表面码协议进行纠正。
[0012]本专利技术提供了能够减轻上述问题中的一些问题的设备、架构和装置。
技术实现思路
[0013]根据本专利技术的一方面，提供了一种设备，该设备适用于量子信息处理。该设备包括用于限制用作数据量子迪特(qudits)的自旋电荷载流子的第一多个限制区或称为“第一组限制区”。该设备还包括用于限制用作辅助量子迪特(qudits)的自旋电荷载流子的第二多个限制区或称为“第二组限制区”，所述第二组限制区中的每个限制区都可耦合至用于测量辅助量子迪特(qudit)的测量装置。该设备还包括用于限制自旋电荷载流子的第三多个限制区或称为“第三组限制区”。所述第三组限制区中的每个限制区位于所述第一组限制区中的第一限制区与所述第二组限制区中的第二限制区之间，适于介导所述第一限制区的数据量子迪特(qudits)与所述第二限制区的辅助量子迪特(qudits)之间的相互作用。该设备进一步包括一个或多个电荷库。所述第三组限制区中的每个限制区可耦合至所述一个或多个电荷库中的电荷库。
[0014]本专利技术的设备可用于表面码量子信息处理。在以下整个描述中，参考表面码量子信息处理和存储描述了本文公开的设备以及用于控制和使用这些设备的方法。然而，本领
域技术人员将理解，本文公开的设备可以与其他量子信息处理方法一起使用，例如，二维颜色码方案(2
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D colour c本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于量子信息处理的设备，该设备包括：第一组限制区，用于限制用作数据量子迪特(qudits)的自旋电荷载流子；第二组限制区，用于限制用作辅助量子迪特(qudits)的自旋电荷载流子，所述第二组限制区中的每个限制区都可耦合至用于测量辅助量子迪特(qudits)的测量装置；第三组限制区，用于限制自旋电荷载流子；所述第三组限制区中的每个限制区位于所述第一组限制区中的第一限制区与所述第二组限制区中的第二限制区之间，并用于介导所述第一限制区的数据量子迪特(qudits)与所述第二限制区的辅助量子迪特(qudits)之间的相互作用；及一个或多个电荷库；其中，所述第三组限制区中的每个限制区可耦合至所述一个或多个电荷库中的电荷库。2.根据权利要求1所述的设备，其中，每个量子迪特(qudit)包括量子位。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一组限制区中的每个限制区包括量子点。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第一组限制区中的每个量子点的直径在5nm至100nm之间。5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述第二组限制区中的每个限制区包括一对量子点。6.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述第三组限制区中的每个限制区包括用于包含一个或多个自旋电荷载流子的介体量子点。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述介体量子点包括细长的介体量子点。8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述介体量子点具有介于5
‑
100nm之间的第一维度和介于50
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1000nm之间的第二维度。9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中：所述第三组限制区中的每个限制区位于所述第一组限制区中的第一限制区与所述第二组限制区中的第二限制区之间；并且，其中，所述第一限制区与所述第二限制区之间的距离介于50nm至1000nm之间。10.根据任一前述权利要求所述的设备，其中：所述第三组限制区中的每个限制区位于所述第一组限制区中的第一限制区与所述第二组限制区中的第二限制区之间；并且，其中，所述第三组限制区中的所述限制区与所述第一组限制区中的...
【专利技术属性】
技术研发人员：约翰，
申请(专利权)人：量子运动科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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