CN112836826B - 一种实现量子逻辑门的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本文公开一种实现量子逻辑门的方法及装置，本发明实施例基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；其中，原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。本发明实施例原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁，基于处于亚稳态的原子实现量子逻辑门，降低了量子逻辑门的实现难度。
Description
技术领域
本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种实现量子逻辑门的方法及装置。
背景技术
量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。量子计算机的基础逻辑单元是由遵守量子力学原理的量子比特构成，大量相互作用的量子比特可以在物理上实现量子计算机。相对于传统计算机，量子计算机在解决一些特定问题时运算时间可大幅度减少。量子计算机在基础科学研究、量子通讯及密码学、人工智能、金融市场模拟、气候变化预测等方面具有广泛的应用前景，因此受到了广泛关注。利用囚禁于势阱中的量子比特阵列可以在实验条件下实现高保真度的量子逻辑门操作。量子比特在相互作用控制、长相干时间、高保真度量子逻辑门操作及量子纠错等衡量量子计算性能等方面表现优秀，是最有可能实现量子计算机的平台之一。
量子计算的核心步骤包括构建高保真度的量子逻辑门，在离子型量子计算系统中，由于离子间自旋相关的相互作用长度远小于离子间距，因此需要利用离子与外界电磁场(激光或者微波等)的相互作用来激发离子链的集体振动模式，从而构造离子间自旋相关的相互作用，进而实现量子逻辑门。
在利用激光实现量子逻辑门方案中，需要使用等效线宽极窄的跃迁，如拉曼跃迁或者电四极跃迁等。对于常用的部分离子类型，例如镱-171离子，量子比特通常编码在基态能级，为了构造量子逻辑门，需要使用紫外激光或近紫外激光。目前，紫外光技术存在以下问题：大功率紫外激光器价格高、体积大和寿命短；紫外光光学元件一般为石英光学元件，会由于易暗化而导致性能降低；紫外光光纤传输效率低，且无成熟的大功率光纤技术。由于上述紫外光技术存在的问题，导致基于紫外光技术构建量子逻辑门实现困难，增加了量子计算系统实现难度，降低了这类量子计算系统的可靠性及可扩展性。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种实现量子逻辑门的方法及装置，能够降低量子逻辑门及量子计算系统的实现难度。
本发明实施例提供了一种实现量子逻辑门的方法，包括：
基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；
其中，所述原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。
在一种示例性实例中，所述基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门，包括：
将预设激光照射于所述处于亚稳态上的原子，实现原子在所述亚稳态上的拉曼跃迁；
控制所述预设激光的照射时间，实现所述量子逻辑门。
在一种示例性实例中，所述预设激光包括：
预设频率、偏振、强度和传播方向的可见光或红外光波段的激光。
在一种示例性实例中，所述将预设激光照射于所述处于亚稳态上的原子之前，所述方法还包括：
将所述原子由基态相干转移到所述亚稳态。
在一种示例性实例中，所述原子包括：中性原子和带电原子。
在一种示例性实例中，所述带电原子包括：镱-171离子。
在一种示例性实例中，所述亚稳态包括：52D3/2或52D5/2。
另一方面，本发明实施例还提供一种实现量子逻辑门的装置，包括：处理单元；其中，
处理单元设置为：基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；
其中，所述原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。
在一种示例性实例中，所述处理单元是设置为：
将预设激光照射于所述处于亚稳态上的原子，实现原子在所述亚稳态上的拉曼跃迁；
控制所述预设激光的照射时间，实现所述量子逻辑门。
在一种示例性实例中，所述预设激光包括：
预设频率、偏振、强度和传播方向的可见光或红外光波段的激光。
在一种示例性实例中，所述装置还包括相干转移单元，设置为：
将所述原子由基态相干转移到所述亚稳态。
在一种示例性实例中，所述原子包括：中性原子和带电原子。
在一种示例性实例中，所述带电原子包括：镱-171离子。
在一种示例性实例中，所述亚稳态包括：52D3/2或52D5/2。
本发明实施例基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；其中，原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。本发明实施例原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁，基于处于亚稳态的原子实现量子逻辑门，降低了量子逻辑门的实现难度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例实现量子逻辑门的方法的流程图；
图2为本发明实施例镱-171离子的能级示意图；
图3为相关技术在基态能级上实现量子逻辑门的示意图；
图4为本发明实施例原子相干转移的示意图；
图5为本发明实施例原子在亚稳态跃迁的示意图；
图6为本发明另一实施例原子相干转移的示意图；
图7为本发明另一实施例原子在亚稳态跃迁的示意图；
图8为本发明实施例实现量子逻辑门的装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明实施例实现量子逻辑门的方法的流程图，如图1所示，包括：
步骤101、基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；
其中，原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。
在一种示例性实例中，本发明实施例基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门，包括：
将预设激光照射于处于亚稳态上的原子，实现原子在亚稳态上的拉曼跃迁；
控制预设激光的照射时间，实现量子逻辑门。
本发明实施例原子在亚稳态上的拉曼跃迁和量子逻辑门的实现，不存在先后顺序，在进行拉曼跃迁的同时就是在进行量子逻辑门的操作，实现量子逻辑门，需要控制拉曼跃迁的时间。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的预设激光包括：
预设频率、偏振、强度和传播方向的可见光或红外光波段的激光。
需要说明的是，本发明实施例激光的预设频率、偏振、强度和传播方向可以是根据量子逻辑门实现设置的动态的参数，及激光在照射原子过程中相关参数是可变的。
在一种示例性实例中，本发明实施例可以由本领域技术人员通过量子计算的相关原理确定可在亚稳态上实现跃迁的原子。
本发明实施例基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；其中，原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。本发明实施例原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁，基于处于亚稳态的原子实现量子逻辑门，降低了量子逻辑门的实现难度。
在一种示例性实例中，将预设激光照射于处于亚稳态上的原子之前，本发明实施例方法还包括步骤100：
步骤100、将原子由基态相干转移到亚稳态。
本发明实施例将原子由基态相干转移到亚稳态的处理，可以参照相关技术中已有的处理方式实现。
在一种示例性实例中，本发明实施例原子包括：中性原子和带电原子。
在一种示例性实例中，本发明实施例带电原子包括：镱-171离子。
在一种示例性实例中，本发明实施例可见光包括：532纳米激光、1064 纳米激光。
在一种示例性实例中，本发明实施例亚稳态包括：52D3/2或52D5/2。
需要说明的是，本发明实施例参照量子计算相关原理确定上述原子后，可以基于相关原理或仿真，确定用于跃迁和相干转移的激光，同一原子，在跃迁过程和相干转移过程中使用的激光可以不同。
本发明实施例可以利用处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门。原子可以包括镱-171离子，以镱-171离子实现量子逻辑门的原子进行示例，图2为本发明实施例镱-171离子的能级示意图，如图2所示，镱-171离子在基态能级 62S1/2上具有紫外波段的电偶极跃迁，相关技术中的量子逻辑门一般利用基态能级上的跃迁实现；图3为相关技术在基态能级上实现量子逻辑门的示意图，如图3所示，利用355纳米激光可实现镱-171离子在基态能级上的拉曼跃迁，基于在基态能级上的进行拉曼跃迁的镱-171离子，可以实现量子逻辑门。镱 -171离子的亚稳态能级52D3/2上具有两个电偶极跃迁，其波长分别为可见光波段和红外波段，本发明实施例基于镱-171离子的亚稳态上的跃迁实现量子逻辑门；图4为本发明实施例原子相干转移的示意图，如图4所示，利用435 纳米激光，可以将镱-171离子从基态能级62S1/2上相干转移到亚稳态52D3/2上；图5为本发明实施例原子在亚稳态跃迁的示意图，如图5所示，使用1064纳米激光，镱-171离子在亚稳态52D3/2态上实现了拉曼跃迁，基于在亚稳态52D3/2上进行拉曼跃迁的镱-171离子可以实现量子逻辑门。由于1064纳米激光可以通过成熟的光学技术实现，因此，通过本发明实施例可降低量子逻辑门的实现难度，提升量子计算系统的可靠性。在一种示例性实例中，本发明实施例将镱-171离子相干转移到亚稳态52D3/2上后，还可以使用532纳米激光实现镱 -171离子在亚稳态52D3/2上的拉曼跃迁，图6为本发明另一实施例原子相干转移的示意图，如图6所示，使用532纳米激光实现镱-171离子在亚稳态52D3/2上的拉曼跃迁。图7为本发明另一实施例原子在亚稳态跃迁的示意图，如图7 所示，使用532纳米激光实现镱-171离子在亚稳态52D3/2上的拉曼跃迁后，基于拉曼跃迁的镱-171离子可以实现量子逻辑门。同样的，由于532纳米激光可以通过成熟的光学技术实现，因此，通过本发明实施例可降低量子逻辑门的实现难度，提升量子计算系统的可靠性。
需要说明的是，本发明实施例中的离子类型、亚稳态能级选择、亚稳态上跃迁波长、亚稳态上跃迁类型(例如电偶极或电四极跃迁等)、量子逻辑门的实现方式(例如几何量子逻辑门、逻辑门、利用自旋相关动量反冲(spin-dependent kick)等)、量子比特的编码方式(包括编码基矢的选择)可根据量子计算的需求做出调整，不用于限定本发明实施例的保护范围。
图8为本发明实施例实现量子逻辑门的装置的结构框图，如图8所示，包括：处理单元；其中，
处理单元设置为：基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；
其中，原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。
本发明实施例基于处于亚稳态上的原子实现量子逻辑门；其中，原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。本发明实施例原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁，基于处于亚稳态的原子实现量子逻辑门，降低了量子逻辑门的实现难度。
在一种示例性实例中，本发明实施例处理单元是设置为：
将预设激光照射于处于亚稳态上的原子，实现原子在亚稳态上的拉曼跃迁；
控制预设激光的照射时间，实现量子逻辑门。
在一种示例性实例中，本发明实施例装置还包括相干转移单元，设置为：
将原子由基态相干转移到亚稳态。
本发明实施例将原子由基态相干转移到亚稳态的处理，可以参照相关技术中已有的处理方式实现。
在一种示例性实例中，本发明实施例原子包括：中性原子和带电原子。
在一种示例性实例中，本发明实施例带电原子包括：镱-171离子。
在一种示例性实例中，本发明实施例可见光包括：532纳米激光、1064 纳米激光。
在一种示例性实例中，本发明实施例亚稳态包括：52D3/2或52D5/2。
“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质”。
Claims (12)
1.一种实现量子逻辑门的方法，包括：
将预设激光照射于处于亚稳态上的原子，实现原子在亚稳态上的拉曼跃迁；
控制预设激光的照射时间，实现量子逻辑门；
其中，所述原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设激光包括：
预设频率、偏振、强度和传播方向的可见光或红外光波段的激光。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述将预设激光照射于所述处于亚稳态上的原子之前，所述方法还包括：
将所述原子由基态相干转移到所述亚稳态。
4.根据权利要求1～2任一项所述的方法，其特征在于，所述原子包括：中性原子和带电原子。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述带电原子包括：镱-171离子。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述亚稳态包括：
52D3/2或52D5/2。
7.一种实现量子逻辑门的装置，包括：处理单元；其中，
处理单元设置为：将预设激光照射于处于亚稳态上的原子，实现原子在亚稳态上的拉曼跃迁；控制预设激光的照射时间，实现量子逻辑门；
其中，所述原子处于亚稳态时具有处于可见光或红外光波段的跃迁。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述预设激光包括：
预设频率、偏振、强度和传播方向的可见光或红外光波段的激光。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括相干转移单元，设置为：
将所述原子由基态相干转移到所述亚稳态。
10.根据权利要求7～8任一项所述的装置，其特征在于，所述原子包括：中性原子和带电原子。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述带电原子包括：镱-171离子。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述亚稳态包括：
52D3/2或52D5/2。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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