一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法技术

本发明专利技术涉及一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法，所述方法包括：针对布洛赫球上的初始态和目标态，在所述初始态和所述目标态之间连接测地线，所述测地线与所述布洛赫球的球心形成一个目标平面；选取坐标系，以使得所述目标平面为所述坐标系的X轴和Y轴形成的XY平面，并使得所述初始态位于所述坐标系的X轴上，所述目标态位于所述XY平面中；在所述测地线上，从靠近所述初始态的位置开始，在所述初始态和所述目标态之间选取指定数量的采样点，所述采样点与所述坐标系的X轴之间的夹角满足指定条件；依次在所述指定数量的采样点上施加π脉冲，完成量子态的操控。本发明专利技术提供的技术方案，能够提高操控效率并保证操控准确度。能够提高操控效率并保证操控准确度。能够提高操控效率并保证操控准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法


[0001]本专利技术涉及量子
，具体而言，涉及一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法。

技术介绍

[0002]在量子计算和量子信息中，量子比特是最基本的单元，它由微观量子系统的两个能级构成。微观量子系统对环境噪声以及操控误差非常敏感，细微的噪声和操控误差足以破坏量子系统的量子相干性。因此，高效且精确地操控量子态是量子信息处理和量子精密测量的核心技术之一，也是人们研究的一个重要方向。高效且精确地操控量子态的方法在很多领域都有应用，包括量子计算中的态操控、量子传感中的信号感知和测量、以及对材料中原子自旋的探测与操控等。
[0003]目前，国内外提出了多种二能级量子态操控的方法。最简单的一种操控方法是施加恒定的驱动场来操控量子态，但这种方法对控制误差比较敏感。量子绝热方法通过缓慢改变操控场，对控制场操控误差的容错性非常好，但缺点是操控时间长，而且长时间操控过程中量子态容易受到环境噪声的破坏而降低目标保真度。量子绝热捷径方法通过施加辅助控制场，提高操控速度并模拟量子绝热方法的演化路径，但缺点是辅助场通常比较复杂而难以实施，而且因为不满足量子绝热条件，并不能保证操控方法对操控误差和环境噪声具有良好的抵抗性。此外，复合脉冲法对操控误差具有良好的容错性，并且操控速度快，其缺点是它的设计很难，并且不能实现任意的量子态操控，例如目前主流的复合脉冲法只能实现水平方向的π脉冲或者脉冲的特定量子态操控。
[0004]鉴于此，目前需要一种更加便捷和准确的单量子比特快速量子绝热捷径操控方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法，能够提高操控效率，并保证操控准确度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法，所述方法包括：
[0007]针对布洛赫球上的初始态和目标态，在所述初始态和所述目标态之间连接测地线，所述测地线与所述布洛赫球的球心形成一个目标平面；
[0008]选取坐标系，以使得所述目标平面为所述坐标系的X轴和Y轴形成的XY平面，并使得所述初始态位于所述坐标系的X轴上，所述目标态位于所述XY平面中；
[0009]在所述测地线上，从靠近所述初始态的位置开始，在所述初始态和所述目标态之间选取指定数量N的采样点，所述采样点与所述坐标系的X轴之间的夹角满足指定条件；
[0010]依次在所述指定数量的采样点上施加π脉冲，以完成量子态的操控。
[0011]在一个实施方式中，所述指定条件通过以下公式表示：
[0012][0013]其中，表示第β
j
个采样点与所述坐标系的X轴的夹角，n取比N小的所有自然数，故指定条件是N个方程，表示所述初始态和所述目标态在所述目标平面中的夹角。
[0014]在一个实施方式中，所述采样点在脉冲驱动场下的哈密顿量通过以下公式表示：
[0015][0016]其中，H表示所述哈密顿量，σ
x
、σ
y
、σ
z
为泡利算符，ω0和ω分别是量子比特的本征频率和脉冲驱动场的频率，Ω是理想的拉比频率,φ是脉冲驱动场的相位角，δ为拉比频率的相对误差。
[0017]在一个实施方式中，在考虑驱动场相对强度误差后，各个脉冲的哈密顿量和演化算符分别表示为：
[0018][0019][0020]其中，σ
+
和σ
‑
是升降算符，Δ＝ω0‑
ω是脉冲驱动场的频率误差，R为所述演化算符。
[0021]在一个实施方式中，在完成量子态的操控后，最终演化态的保真度表示为：
[0022]F＝|<ψ
target
|R
(N)
|ψ
initial
>|2＝|<ψ
target
|ψ
real
>|2＝1
‑
E
[0023]其中，F表示最终演化态的保真度，E为保真度误差，|ψ
target
>表示目标态，|ψ
initial
>表示初始态，N表示所述指定脉冲数量，|ψ
real
>＝R
(N)
|ψ
initial
>表示包含控制误差效果实际得到的演化态。
[0024]本专利技术的有益效果为：
[0025]本专利技术公开了一种针对量子比特系统的、具有任意强鲁棒性的、快速的、高保真的量子态操控方法。本专利技术利用满足规范不变的幺正分解方法，提取了控制误差导致的修正项，然后对量子态演化所走的测地线进行采样并施加对应的控制场，从而达到同时抑制非绝热跃迁错误和操控误差的所带来的影响，实现单量子比特的量子绝热捷径操控。本专利技术只需要1个脉冲就能实现任意的量子态转换，对于存在操控误差的情况下，把脉冲数目增加到N个就可以将操控误差的效果抑制到N
‑
1阶。例如，即使操控场的场强相对误差高达40％，利用6个π脉冲依然能实现保真度超过99.9％的量子比特态演化。
附图说明
[0026]图1示出了本专利技术一个实施方式中的单量子比特快速量子绝热捷径操控方法步骤示意图；
[0027]图2为本专利技术提供的布洛赫球上选取的初始态和目标态的夹角的示意图；
[0028]图3为本专利技术提供的施加3个脉冲驱动的量子态演化路径示意图；
[0029]图4为本专利技术提供的施加5个脉冲时，量子态在布洛赫球上的演化路径示意图；
[0030]图5为本专利技术提供的施加实现π相位门的强鲁棒性的脉冲相位序列，保真度与脉冲振幅误差的关系图；
[0031]图6为本专利技术提供的施加实现相位门的强鲁棒性的脉冲相位序列，保真度与脉冲振幅误差的关系图；
[0032]图7为本专利技术提供的施加实现相位门的强鲁棒性的脉冲相位序列，保真度与脉冲振幅误差的关系图；
[0033]图8为本专利技术提供的施加3个脉冲实现π相位门，保真度与脉冲振幅误差和失谐误差的关系图；
[0034]图9为本专利技术提供的施加5个脉冲实现π相位门，保真度与脉冲振幅误差和失谐误差的关系图；
[0035]图10为本专利技术提供的施加8个脉冲实现π相位门，保真度与脉冲振幅误差和失谐误差的关系图。
具体实施方式
[0036]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0037]请参阅图1，本专利技术一个实施方式提供一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法，所述方法包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单量子比特快速量子绝热捷径操控方法，其特征在于，所述方法包括：针对布洛赫球上的初始态和目标态，在所述初始态和所述目标态之间连接测地线，所述测地线与所述布洛赫球的球心形成一个目标平面；选取坐标系，以使得所述目标平面为所述坐标系的X轴和Y轴形成的XY平面，并使得所述初始态位于所述坐标系的X轴上，所述目标态位于所述XY平面中；在所述测地线上，从靠近所述初始态的位置开始，在所述初始态和所述目标态之间选取指定数量的采样点，所述采样点与所述坐标系的X轴之间的夹角满足指定条件；依次在所述指定数量的采样点上施加π脉冲，以完成量子态的操控。2.根据权利要求1所述的单量子比特快速量子绝热捷径操控方法，其特征在于，所述指定条件通过以下公式表示：其中，表示第β
j
个采样点与所述坐标系的X轴的夹角，N表示所述指定数量，n取比N小的所有自然数，表示所述初始态和所述目标态在所述目标平面中的夹角。3.根据权利要求1所述的单量子比特快速量子绝热捷径操控方法，其特征在于，所述采样点在脉冲驱动场下的哈密顿量通过以下公式表示：其中，H表示所述哈密顿量，σ
x
、σ
z
为泡利算符，ω0和ω分别是量子比特的本征频率和脉冲驱动场的频率，Ω是理想的拉比频率,φ是脉冲驱动场的相位角，δ为拉比频率的相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振宇，方锡彬，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：