容错量子猫态准备制造技术

一种量子计算系统，适用于通过执行一系列操作，在具有容错t和小于或等于4+4t的电路深度的量子电路中准备猫态，这些操作包括：对纠缠的一系列量子位中的单个相邻量子位对执行联合奇偶校验测量序列，以形成初始猫态；在至少t轮中重复测量序列；以及将第一组交替量子位从初始猫态分离，准备好的猫态由剩余的第二组交替量子位形成，第二组交替量子位与第一组交替量子位沿着一维连接的线交错，一系列操作足以保证准备好的猫态具有小于或等于t个错误。误。误。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】容错量子猫态准备

技术介绍

[0001]肖尔(Shor)猫态(cat state)或简称“猫态”是通过高度纠缠多个量子位的量子态形成的。猫态用于多种类型的量子运算以提供容错计算，包括逻辑运算的实现(例如，逻辑块内部和跨不同逻辑块的运算)、量子纠错以及从一个位到另一个位的量子态的隐形传态量子态。例如，猫态可用于对两个或更多个数据量子位执行泡利算子测量。这种测量需要(1)通过一系列运算来纠缠一组辅助量子位，以创建这些辅助量子位的猫态；(2)将待测数据量子位与准备好的猫态量子位纠缠在一起；(3)对每个辅助量子位执行单量子位测量以提取数据量子位测量，该测量由受此测量的位的集体奇偶性给出。

技术实现思路

[0002]根据一种实现，具有容错t和小于或等于4+4t的电路深度的量子电路通过执行一系列操作来执行猫态，这些操作包括：对纠缠的一系列量子位中的单个相邻量子位对执行联合奇偶校验测量序列，以形成初始猫态；在至少t轮中重复测量序列；以及将第一组交替量子位从初始猫态分离以形成具有剩余的第二组交替量子位的准备好的猫态，第二组交替量子位与第一组交替量子位沿着一维连接的线交错。准备好的猫态被保证具有预定义的确定性程度以包括少于或等于t的错误数目分离。本文还描述和列举了其他实现。
附图说明
[0003]图1图示了包括短深度容错猫态准备电路的量子计算系统。
[0004]图2A图示了量子计算设备中的量子位网格。
[0005]图2B图示了准备可用于测量图2A的目标数据量子位的猫态的示例容错猫准备电路。
[0006]图3图示了另一个示例短深度容错猫态准备电路。
[0007]图4A图示了具有深度4+2t的容错t的示例性猫态准备电路。
[0008]图4B图示了具有深度4+2t的容错t的另一个示例性猫态准备电路。
[0009]图4C图示了具有深度4+2t的容错t的又一个示例性猫态准备电路。
[0010]图5A图示了具有深度4+4t的容错t的示例性无拒绝容错猫态准备电路。
[0011]图5B图示了具有深度4+4t的容错t的另一个示例性无拒绝容错猫态准备电路其。
[0012]图5C图示了具有深度4+4t的容错t的又一示例无拒绝容错猫态准备电路。
[0013]图6A图示了与容错t并且深度为4+2t的图4A
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图4C相比尺寸减小的示例猫态准备电路。
[0014]图6B图示了与容错t并且深度为4+2t的图4A
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图4C相比尺寸减小的另一示例猫态准备电路。
[0015]图6C图示了与容错t并且深度为4+2t的图4A
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图4C相比尺寸减小的又一示例猫态准备电路。
[0016]图7图示了用于在容错t和深度4+2t的电路中使用后选择技术来准备猫态的示例
操作。
[0017]图8图示了用于在容错t和深度4+2t的电路中准备无拒绝猫态的示例操作800。
[0018]图9图示了适合于实现所公开技术的方面的示例性计算环境。
具体实施方式
[0019]肖尔猫态的准备需要执行一系列测量来纠缠一组选择的量子位。该过程之后可以是后选择阶段，在该阶段中执行一系列测量以验证猫态是否已准备好具有一定程度的充分性(例如，猫态包含的错误数量等于或小于对应测量电路的预定义容错)。
[0020]现有的肖尔猫态后选择(测试)方法测量猫态内随机量子位对的奇偶性。确保足够准确地准备猫态需要大量测量和高度的量子位连接(例如，在后选择测试中使用的每个辅助物与猫态下的所有量子位之间的连接)。在当前提出的量子平台中很难获得这种高度的连通性，包括例如在量子位网格内，使用超导量子位，使用马约拉纳量子位，或者使用表面代码、颜色代码或小代码块编码的逻辑量子位时。此外，这种在猫态下测试随机量子位对的方法需要大量的测量轮，每轮测量都会消耗大量的处理时间。例如，每轮测量对于超导量子位可能需要大约100ns，对于离子阱可能需要100微秒。
[0021]本文公开的技术提供了用于猫态准备的电路和用于测试准备的猫态的测试方法，与上述现有测试方法相比，其可以以较低的处理时间开销(例如，更少的测量轮)和降低的硬件要求(例如，量子位之间的较小程度的连通性)被实现。根据一种实现，容错猫态由展示一维连通性的单行量子位形成。这条量子位线可以从一个通用图中雕刻出来，以连接任意一对量子位。例如，量子位线可以是正方形网格中的任何量子位路径。备选地，量子位线可以延伸通过树的多个级别或通过通用图的任何连接线。猫态是使用后选择方法结合短深度电路产生和测试的，在一种实现中，最大深度为4+2t，其中t被定义为电路的容错性。在本文中称为“无拒绝电路”的另一实现中，执行纠错而不是称为后选择的技术(参照图3描述)。在这个实现中，猫态可以使用最大深度4+4t的电路被准备。
[0022]如本文所用，“电路深度”是指时间间隔测量或执行的测量轮的数目。例如，深度3电路执行三轮测量，每轮可能需要同时进行多个单独的量子位测量。通常，本文公开的电路(例如，深度为4+2t或4+4t)的深度明显短于实现上述现有猫态准备方法所需的典型电路深度，该方法需要测量猫态中的随机量子位对。在这些现有的猫态准备方法中，测量轮的数目(以及因此计算时间)随着猫态的大小而增长，因为猫态的每个量子位从准备猫态所在的位置一次移动一个到使用猫态执行数据量子位测量的位置。在下文关于图1
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6公开的实现中，各种示例性猫态准备电路的电路深度与量子位连通性、猫态大小和用于创建猫态的一系列中的量子位之间的距离无关。
[0023]图1图示了包括猫态准备电路104的量子计算系统100，该猫态准备电路104用于准备猫态，测量电路106使用该猫态来测量量子位寄存器108中的两个或更多个量子位的组。根据一种实现，猫态准备电路104是长度为4+2t的短深度电路。其中t是测量电路106的容错。
[0024]猫态准备电路104准备的每个猫态都是“容错的”，这意味着准备好的猫态包含的错误数量少于测量电路106的预定义容错t。将在下面详细描述，猫态准备电路104是被设计成通过执行一系列操作来生成容错猫态，以纠缠在量子位寄存器108中选择的量子位组。测
量电路106使用作为辅助量子位准备的猫态，这意味着测量辅助量子位并破坏它们的量子态，同时保留数据量子位的量子态。
[0025]量子计算系统100包括控制器102，控制器102通过操纵量子寄存器108内的量子位来执行计算。由这种操纵产生的量子位的值由读出设备114读取，读出设备114包括猫态准备电路104和测量电路106。这些电路中的每一个都可以被理解为包括硬件，例如一个或多个量子和/或经典处理器，和/或经典实现的软件。猫态准备电路104和测量电路106的硬件组件被设计为对量子位寄存器108中的物理量子位执行一系列量子运算，而这两个电路的软件组件被设计为经典地操纵测量的量子位值。
[0026]为了测量量子位寄存器中两个或多个数据量子位的任意组合，控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，包括：在具有容错t和小于或等于4+4t的电路深度的量子电路中执行一系列操作以准备猫态，所述一系列操作至少包括：对纠缠的一系列量子位中的单个相邻量子位对执行联合奇偶校验测量序列，以形成初始猫态；在至少t轮中重复所述测量序列；以及将第一组交替量子位从所述初始猫态分离以形成具有剩余的第二组交替量子位的准备好的猫态，所述第二组交替量子位与所述第一组交替量子位沿着一维连接的线交错，所述准备好的猫态被保证具有预定义的确定性程度以包括少于或等于t的错误数目。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用所述准备好的猫态执行附加操作以提取两个或更多个数据量子位的测量，所述附加操作包括：将所述两个或更多个数据量子位与所述准备好的猫态纠缠；以及从所述准备好的猫态提取所述两个或更多个数据量子位的测量结果。3.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于确定任何一个所述联合奇偶校验测量产生非平凡的结果，拒绝所述猫态并且准备新的猫态；以及响应于确定没有所述联合奇偶性测量产生非平凡的结果而进入所述至少t轮测量的下一轮。4.根据权利要求1所述的方法，其中在至少t轮上重复所述测量序列还包括：执行2*t轮所述测量序列，所述2*t轮足以在任何情况下保证具有所述预定义的确定性程度容错度达到t个错误数目，而没有拒绝所述猫态。5.根据权利要求4所述的方法，还包括：对于所述2*t轮的每次测量，计算和存储N量子位泡利算子，所述N量子位泡利算子可用于改变一个或多个所述量子位的存储量子态，以将所述测量结果从非平凡转换为平凡。6.根据权利要求5所述的方法，还包括：在所述2*t轮之后，基于经计算和存储的所述N量子位泡利算子，校正一系列中的每个所述量子位的存储量子态。7.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过执行操作序列以纠缠所述一系列量子位，来准备所述准备好的猫态，所述操作序列包括：对所述一系列中的每个所述量子位执行x基测量；对于具有非平凡结果的每个所述x基测量，实现测量更新操作以翻转所述结果；对所述一系列量子位中的每个单个相邻量子位对，执行z基联合奇偶校验测量；以及对于具有非平凡结果的每个所述z基联合奇偶校验测量，实现测量更新操作以翻转所述结果。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述量子电路的所述深度与量子位连通性、所述准备好的猫态的大小以及所述一系列中的所述量子位之间的距离无关。9.一种量子设...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：