具有可重新配置的量子处理单元的量子计算系统技术方案

一种量子计算系统，包括：可重新配置的量子处理单元，光学耦合至光子源和光子检测器，并具有多个马赫曾德尔(Mach

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可重新配置的量子处理单元的量子计算系统
相关申请的交叉引用
[0001]本申请根据35U.S.C.
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119要求于2020年6月26日提交的美国临时申请序列第63/044,615号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用以其整体并入本文。


[0002]本说明书总体上涉及量子计算系统。更具体地，本公开涉及具有用于执行线性光量子计算的可重新配置的量子处理单元的量子计算系统。

技术介绍

[0003]线性光量子计算是使用量子门和量子比特的通用量子计算机的物理实现。目前，可以使用分束器和移相器对双轨编码光子执行幺正操作。光学元件的简单性和低退相干性使线性光学实现比量子计算的超导实现更具吸引力。然而，线性光量子计算使用概率性的双量子比特和多量子比特线性光门。因此，线性光量子计算机的输出有可能是不正确的。因此，期望降低线性光量子计算机的错误概率的技术和设计。
[0004]在E.Knill、R.Laflamme、G.Milburn的“Efficient Linear Optics Quantum Computation(高效线性光量子计算)”(arXiv:quant
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ph/0006088(2000))中描述了一个示例线性计算系统，该文讨论了基于用于创建近确定性多量子比特转换的分束器、移相器和隐形传态协议的线性光量子计算。然而，该协议需要大量线性光学元件来形成光量子计算机，这产生了可扩展性和量子比特同步问题。在J.Carolan等人的“Universal linear optics(通用线性光学)”《科学》349，6249，第711
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716页(2015年)中描述了另一示例线性计算系统，该示例线性计算系统利用可重新配置的马赫曾德尔(Mach
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Zehnder)干涉仪(MZI)来执行幺正操作。在这种方案中，给定计算任务所需的MZI总数将取决于完成任务所需的量子比特数和计算步骤数。因此，越来越复杂的计算任务需要相应地增加数量的MZI，这也产生了可扩展性和量子比特同步问题。
[0005]因此，存在对可以处理越来越复杂的计算任务的改进的、可扩展的量子计算系统的需要。

技术实现思路

[0006]根据本公开的第一方面，量子计算系统包括光学耦合至光子源和光子检测器的可重新配置的量子处理单元，该可重新配置的量子处理单元具有多个马赫曾德尔(Mach
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Zehnder)干涉仪(MZI)，以及通信耦合至多个MZI的控制器。控制器被配置成生成控制信号以更改所述多个MZI中的至少一个MZI的相位设置，并且多个MZI被配置成更改穿过多个MZI的一个或多个光子的相位。此外，量子计算系统包括量子存储器阵列，该量子存储器阵列具有光学耦合至多个MZI的多个量子存储器，其中每个量子存储器被配置成吸收由量子存储器从可重新配置的量子处理单元接收的包括量子信息的光子并将包括所接收的光子的量
子信息的光子释放到可重新配置的量子处理单元中。
[0007]第二方面包括第一方面的量子计算系统，其中多个MZI布置在MZI晶格中，该MZI晶格包括沿着可重新配置的量子处理单元的第一端设置的第一边界MZI列、沿着可重新配置的量子处理单元的第二端设置的第二边界MZI列，以及定位在第一边界MZI列和第二边界MZI列之间的一个或多个内部MZI列。
[0008]第三方面包括第二方面的量子计算系统，其中第一边界MZI列以偏移取向光学耦合至相邻的内部MZI列，并且第二边界MZI列以偏移取向光学耦合至相邻内部MZI列。
[0009]第四方面包括第三方面的量子计算系统，其中一个或多个内部MZI列包括多列内部MZI，并且相邻列的内部MZI以偏移取向彼此光学耦合。
[0010]第五方面包括第二方面至第四方面中任一方面的量子计算系统，其中每个第一边界MZI光学耦合至量子存储器阵列中的至少一个量子存储器，使得从各个第一边界MZI引导的光子被至少一个量子存储器接收。
[0011]第六方面包括前述任一方面的量子计算系统，其中每个MZI包括上链路路径、下链路路径、光学耦合上链路路径和下链路路径的第一分束器和第二分束器、沿着上链路路径或下链路路径布置的第一移相器和沿着上链路路径或下链路路径布置的第二移相器。
[0012]第七方面包括第六方面的量子计算系统，其中控制器被配置成产生控制信号以更改第一移相器、第二移相器或所述第一移相器和所述第二移相器两者的相位设置。
[0013]第八方面包括第六方面或第七方面的量子计算系统，其中控制器被配置成产生控制信号以更改第一分束器、第二分束器或所述第一分束器和所述第二分束器两者的耦合比。
[0014]第九方面包括第六方面至第八方面中任一方面的量子计算系统，其中上链路路径包括第一上端链路、上中间链路和第二上端链路，下链路路径包括第一下端链路、下中间链路和第二下链路，第一上端链路和第一下端链路光学耦合至第一分束器，上中间链路和下中间链路在第一分束器和第二分束器之间延伸并光学耦合至第一分束器和第二分束器，第二上端链路和第二下端链路光学耦合至第二分光器，第一移相器被设置在上中间链路和下中间链路中的一者上，并且第二移相器被设置在第二上端链路和第二下端链路中的一者上。
[0015]第十方面包括第九方面的量子计算系统，其中第一上端链路和第一下端链路、第二上端链路和第二下端链路，以及上中间链路和下中间链路各自都是光学波导。
[0016]第十一方面包括第六方面至第十方面中任一方面的量子计算系统，其中第一分束器和第二分束器各自具有50:50的耦合比。
[0017]第十二方面包括前述方面中任一方面的量子计算系统，其中光子源和光子检测器各自是光学节点的一部分，光学节点进一步包括定位在光子源和光子检测器之间并光学耦合至光子源和光子检测器的光学开关。
[0018]第十三方面包括第十二方面的量子计算系统，其中光学节点被设置在可重新配置的量子处理单元的第一端和量子存储器阵列之间，光学节点进一步包括在光子源和光子检测器之间延伸并穿过光学开关的检测路径，以及与检测路径不平行地延伸穿过光学开关的处理路径，其中处理路径光学耦合至至少一个MZI和量子存储器阵列中的至少一个量子存储器。
[0019]第十四方面包括第十二方面或第十三方面的量子计算系统，其中光学节点被设置在光学节点阵列中，该光学节点阵列包括被设置在可重新配置的量子处理单元的第一端和量子存储器阵列之间并光学耦合至可重新配置的量子处理单元的第一端和量子存储器阵列的多个光学节点。
[0020]第十五方面包括前述任一方面的量子计算系统，其中光子源是单光子源，并且光子检测器是单光子检测器。
[0021]第十六方面包括前述任一方面的量子计算系统，其中量子存储器阵列包括第一量子存储器阵列，量子计算系统进一步包括第二量子存储器阵列，并且可重新配置的量子处理单元定位在第一量子存储器阵列和第二量子存储器阵列之间并光学耦合至第一量子存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种量子计算系统，包括：可重新配置的量子处理单元，所述可重新配置的量子处理单元光学耦合至光子源和光子检测器，所述可重新配置的量子处理单元包括多个马赫曾德尔干涉仪(MZI)；控制器，所述控制器通信耦合至所述多个MZI，其中所述控制器被配置成生成控制信号以更改所述多个MZI中的至少一个MZI的相位设置，并且所述多个MZI被配置成更改穿过所述多个MZI的一个或多个光子的相位；量子存储器阵列，所述量子存储器阵列包括光学耦合至所述多个MZI的多个量子存储器，其中每个量子存储器被配置成吸收由所述量子存储器从所述可重新配置的量子处理单元接收的包括量子信息的光子，并将包括所接收的光子的所述量子信息的光子释放到所述可重新配置的量子处理单元中。2.如权利要求1所述的量子计算系统，其中所述多个MZI布置在MZI晶格中，所述MZI晶格包括：沿着所述可重新配置的量子处理单元的第一端设置的第一边界MZI列；沿着所述可重新配置的量子处理单元的第二端设置的第二边界MZI列；以及定位在所述第一边界MZI列和所述第二边界MZI列之间的一个或多个内部MZI列。3.如权利要求2所述的量子计算系统，其中所述第一边界MZI列以偏移取向光学耦合至相邻的内部MZI列，并且所述第二边界MZI以偏移取向光学耦合至相邻的内部MZI列。4.如权利要求3所述的量子计算系统，其中所述一个或多个内部MZI列包括多列内部MZI，并且相邻列的内部MZI以偏移取向彼此光学耦合。5.如权利要求2所述的量子计算系统，其中每个第一边界MZI光学耦合至所述量子存储器阵列中的至少一个量子存储器，使得从各个第一边界MZI引导的光子被至少一个量子存储器接收。6.如权利要求1所述的量子计算系统，其中每个MZI包括上链路路径、下链路路径、光学耦合所述上链路路径和所述下链路路径的第一分束器和第二分束器、沿着所述上链路路径或所述下链路路径布置的第一移相器和沿着所述上链路路径或所述下链路路径布置的第二移相器。7.如权利要求6所述的量子计算系统，其中所述控制器被配置成产生控制信号以更改所述第一移相器、所述第二移相器或所述第一移相器和所述第二移相器两者的相位设置。8.如权利要求6所述的量子计算系统，其中所述控制器被配置成产生控制信号以更改所述第一分束器、所述第二分束器或所述第一分束器和所述第二分束器两者的耦合比。9.如权利要求6所述的量子计算系统，其中：所述上链路路径包括第一上端链路、上中间链路和第二上端链路；所述下链路路径包括第一下端链路、下中间链路和第二下链路；所述第一上端链路和所述第一下端链路光学耦合至所述第一分束器；所述上中间链路和所述下中间链路在所述第一分束器和所述第二分束器之间延伸并且光学耦合至所述第一分束器和所述第二分束器；所述第二上端链路和所述第二下端链路光学耦合至所述第二分束器；所述第一移相器被设置在所述上中间链路和所述下中间链路中的一者上；并且所述第二移相器被设置在所述第二上端链路和所述第二下端链路中的一者上。
10.如权利要求9所述的量子计算系统，其中所述第一上端链路和所述第一下端链路、所述第二上端链路和所述第二下端链路，以及所述上中间链路和所述下中间链路各自都包括光学波导。11.如权利要求6所述的量子计算系统，其中所述第一分束器和所述第二分束器各自具有50:50的耦合比。12.如权利要求1所述的量子计算系统，其中所述光子源和所述光子检测器各自是光学节点的一部分，所述光学节点进一步包括定位在所述光子源和所述光子检测器之间并且光学耦合至所述光子源和所述光子检测器的光学开关。13.如权利要求12所述的量子计算系统，其中所述光学节点被设置在所述可重新配置的量子处理单元的第一端和所述量子存储器阵列之间，所述光学节点进一步包括：在所述光子源和所述光子检测器之间延伸并且穿过所述光学开关的检测路径；以及与所述检测路径不平行地延伸穿过所述光学开关的处理路径，其中所述处理路径光学耦合至至少一个MZI和所述量子存储器阵列中的至少一个量子存储器。14.如权利要求12所述的量子计算系统，其中所述光学节点被设置在光学节点阵列中，所述光学节点阵列包括被设置在所述可重新配置的量子处理单元的第一端和所述量子存储器阵列之间并且光学耦合至所述可重新配置的量子处理单元的所述第一端和所述量子存储器阵列的多个光学节点。15.如权利要求1所述的量子计算系统，其中所述光子源包括单光子源，并且所述光子检测器包括单光子检测器。16.如权利要求1所述的量子计算系统，其中：所述量子存储器阵列包括第一量子存储器阵列；所述量子计算系统进一步包括第二量子存储器阵列；并且所述可重新配置的量子处理单元定位在所述第一量子存储器阵列和所述第二量子存储器阵列之间并且光学耦合至所述第一量子存储器阵列和所述第二量子存储器阵列。17.如权利要求16所述的量子计算系统，其中所述第一量子存储器阵列和所述第二量子存储器阵列中的每个量子存储器被配置成通过反向发射来释放光子，使得所述第一量子存储器阵列和所述第二量子存储器阵列两者释放的光子被引导朝向所述可重新配置的量子处理单元。18.如权利要求16所述的量子计算系统，其中：所述光子源和所述光子检测器各自是光学节点的一部分，所述光学节点进一步包括定位在所述光子源和所述光子检测器之间并且光学耦合至所述光子源和所述光子检测器的光学开关；所述光学节点是光学节点阵列中的分别的光学节点；并且所述光学节点阵列被设置在所述可重新配置的量子处理单元和所述第一量子存储器阵列之间，使得从所述可重新配置的量子处理单元传播至所述第一量子存储器阵列的光子穿过所述光学节点阵列中的分别的光学节点的所述光学开关。19.如权利要求18所述的量子计算系统，其中所述光学节点阵列中的分别的光学节点的所述光学开关被配置成选择性地将光子引导朝向所述第一量子存储器阵列、所述可重新配置的量子处理单元，以及所述分别的光学节点的分别的光子检测器。
20.如权利要求1所述的量子计算系统，其中所述量子存储器阵列中的每个量子存储器被配置成通过前向发射来释放光子，使得从所述可重新配置的量子处理单元的第一端被引导至所述量子存储器的第一端中的光子从所述量子存储器的第二端被释放至旁路光学路径中，所述旁路光学路径光学耦合至所述可重新配置的量子处理单元的第二端。21.一种执行计算任务的方法，所述方法包括：将一个或多个光子引导至包括多个马赫曾德尔干涉仪(MZI)的可重新配置的量子处理单元中，使得所述一个或多个光子中的至少一个光子穿过所述可重新配置的量子处理单元；使用量子存储器阵列中的量子存储器，吸收由所述量子存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：