一种寻址操控系统的制作方法
本文涉及但不限于量子计算机技术领域，尤指一种寻址操控系统。
背景技术：
量子计算机是一种使用量子逻辑门进行通用量子计算和模拟的设备，现阶段还处于原型机的研发测试阶段。当前，物理上实现量子计算机的主要实验平台有：离子阱、超导及金刚石色心等。量子计算机的基础逻辑单元由遵守量子力学原理的量子比特构成，大量可相干操控的量子比特在物理上可以实现量子计算机。相对于传统计算机，量子计算机在解决特定问题时运算时间可大幅度减少；小规模量子比特构成的量子计算机已经可以用于完成一些经典计算机无法实现的计算任务。因此，量子计算机在基础科学研究、人工智能、材料模拟、信息安全、金融市场优化与气候变化预测等方面具有重要的应用前景，从而受到了广泛关注。如何实现量子计算机是当前物理学、计算机信息科学等学科交叉领域的研究热点之一。
利用囚禁于离子阱中的离子量子比特阵列，可以在已有实验条件下实现各种高保真度的量子逻辑门操作，是实现量子计算机的主要研究方向之一。离子量子比特在相互作用的可控性、长相干时间、高保真度量子逻辑门操作及量子纠错等方面均十分优秀，是最有可能实现量子计算机的平台之一(本文将基于离子量子比特形成的量子计算机简称为离子型量子计算机)。离子型量子计算机上的量子比特基本逻辑门操作，主要是通过激光或者微波来实现；如何设计实现针对离子量子比特的寻址操控系统，是实现离子型量子计算机的核心技术问题之一，对离子型量子计算机系统的复杂度、逻辑门操作的速度及保真度、量子算法设计的灵活性、及物理资源的占用等问题都有着重要的影响。随着量子比特数的不断增加，对寻址操控系统的性能要求均大大提升；高性能的寻址操控系统成为实现可扩展大规模离子型量子计算机的关键。目前，常见的离子量子比特的寻址方式主要有两种；图1(a)为相关技术中离子量子比特的寻址操作示意图，如图1(a)所示，通过多通道的声光调制器(aom)进行量子比特寻址操控；入射的多束激光同时入射多通道aom的各个通道上进行移频偏转，调制后的一级衍射光斑由光学系统入射到对应的离子上；单个离子量子比特的寻址操控对应于该aom中单个通道的控制；其中，每个寻址通道需要由独立的电子系统驱动。随着需要操控的量子比特增加，系统所需的aom的通道数和电子系统也呈线性增加，使量子计算机寻址控制系统变得非常庞大和复杂，将极大地降低整个系统的可靠性。图1(b)为相关技术中另一离子量子比特的寻址操作示意图，如图1(b)所示，在芯片离子阱上设计了3个微波场(mw)，利用微波电极在离子阱囚禁区域产生的径向梯度磁场。离子在势阱中的不同径向位置，其塞曼磁子能级之间的跃迁频率随磁场强度变化。调节微波电极中的微波频率可以实现对不同径向位置的离子进行寻址及量子操控；为了产生较大的梯度磁场，离子和微波电极的距离非常近(30微米左右)；因此该方案只适用于特定设计的芯片离子阱；由于离子与芯片的电极非常近，芯片表面的电场噪声会极大地降低量子比特的相干时间，且在寻址过程中需要改变电场让离子偏离轴向，因此会引入离子的微运动，从而降低量子相干操作的保真度。
综上，对于上述离子量子比特寻址操控方案，将随着量子比特数目的增加，对实现该寻址操控系统所需的光学或微波系统设计，控制电子系统设计以及逻辑控制程序的复杂度也会呈现快速增长，制约了大规模量子计算机设计实现。
技术实现要素：
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寻址操控系统，能够简化寻址操作系统架构。
本发明实施例提供了一种寻址操控系统，包括：第一声光处理组件和第二声光处理组件；其中，
第一声光处理组件用于：生成用于预设数值维度选址操作的衍射光束；
第二声光处理组件用于：确定生成的衍射光束各个维度的出射方向，并根据确定的出射方向输出衍射光束，以进行预设数值维度的量子比特阵列的寻址操控；
其中，所述第一声光处理组件生成的衍射光束的第一射频频率，用于对第二声光处理组件不同出射方向输出的衍射光束的第二射频频率进行补偿。
可选的，所述第一声光处理组件包括：声光调制器aom、偏振分束器pbs、四分之一波长的波片、挡光板凸透镜及反射镜；其中，所述aom设置于所述凸透镜的焦距位置；所述四分之一波长的波片设置于所述pbs与所述aom之间；
所述pbs接收入射的线偏振激光束，将接收到的所述线偏振激光束入射到所述四分之一波长的波片，通过所述四分之一波长的波片后入射到所述aom后，产生第一衍射光和零级光；
产生的所述零级光通过挡光板进行遮拦后，将产生的所述一级衍射光发送至所述凸透镜，通过所述凸透镜及反射镜后返回所述aom以产生所述衍射光束；
将产生的所述衍射光束通过所述波片进行偏转旋转后，通过pbs后以布拉格(bragg)角入射到所述第二声光处理组件。
可选的，所述第二声光处理组件包括：预设数值个声光偏转器aod。
可选的，所述预设数值为2时，所述第二声光处理组件包括：相互垂直的两个aod，和设置于两个aod之间的二分之一波长的波片。
可选的，所述选址操作系统还包括驱动单元，用于：
确定所述aom的第一射频频率和各所述aod的第二射频频率；
根据确定的所述第一射频频率，驱动通过所述aom输出所述衍射光束；
根据确定的所述第二射频频率驱动各aod，以通过所述aod确定所述衍射光束各个维度的出射方向。
可选的，所述预设数值为1时，所述第一射频频率乘以2、与所述第二射频频率的和，在一维量子比特阵列的寻址操控时保持不变。
可选的，所述预设数值为2时，
所述第一射频频率乘以2、与所有第二射频频率的和，在二维量子比特阵列的寻址操控时保持不变。
可选的，所述驱动单元用于确定所述aom的第一射频频率和各所述aod的第二射频频率包括：
根据量子比特阵列的空间分布，确定各aod的第二射频频率和所述aom的第一射频频率。
可选的，所述选址操作系统还包括实时调整单元，用于：
根据量子算法及量子纠错码，进行预设数值维度的量子比特阵列的寻址操控。
可选的，所述第二声光处理组件用于根据确定的出射方向输出衍射光束包括：
对单个周期内的两个或两个以上量子比特的选址操作，根据预设的时间设定策略确定各量子比特的选址操作的时间；根据确定的各量子比特的选址操作的时间，采用时分复用方法对确定出射方向的衍射光束进行输出，以对各量子比特进行选址操作。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：第一声光处理组件和第二声光处理组件；其中，第一声光处理组件用于：生成用于预设数值维度选址操作的衍射光束；第二声光处理组件用于：确定生成的衍射光束各个维度的出射方向，并根据确定的出射方向输出衍射光束，以进行预设数值维度量子比特阵列的寻址操控；所述第一声光处理组件生成的衍射光束的第一射频频率，用于对第二声光处理组件不同出射方向输出的衍射光束的第二射频频率进行补偿。本发明实施例简化了寻址操作系统架构。
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(a)为相关技术中离子量子比特的寻址操作示意图；
图1(b)为相关技术中另一离子量子比特的寻址操作示意图；
图2为本发明实施例寻址操控系统的结构框图；
图3为本发明应用示例一维量子比特的选址操作系统的结构框图；
图4为本发明应用示例二维量子比特的选址操作系统的结构框图；
图5为本发明应用示例时间脉冲序列的示意图；
图6为本发明应用示例被寻址的量子比特在相空间上轨迹示意图。
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2为本发明实施例寻址操控系统的结构框图，如图2所示，包括：第一声光处理组件和第二声光处理组件；其中，
第一声光处理组件用于：生成用于预设数值维度选址操作的衍射光束；
可选的，本发明实施例第一声光处理组件包括：声光调制器aom、偏振分束器pbs、四分之一波长的波片、挡光板凸透镜及反射镜；其中，aom设置于所述凸透镜的焦距位置；四分之一波长的波片设置于pbs与aom之间；
所述pbs接收入射的线偏振激光束，将接收到的所述线偏振激光束入射到所述四分之一波长的波片，通过所述四分之一波长的波片后入射到所述aom后，产生第一衍射光和零级光；
产生的零级光通过挡光板进行遮拦后，将产生的一级衍射光发送至凸透镜，通过凸透镜及反射镜后返回所述aom以产生所述衍射光束；
将产生的所述衍射光束通过所述波片进行偏转旋转后，通过pbs后以布拉格bragg角入射到所述第二声光处理组件。
需要说明的是，本发明实施例一级衍射光和零级光通过凸透镜后，一级衍射光变成与零级光平行，零级光经过凸透镜前被挡光板挡住。这里，根据组件各个部分的功能，本领域技术人员可以参照包括光学的相关原理确定各个部分(包括但不限于：挡光板、凸透镜和反射镜)的位置。零级光可以通过除挡光板以外的其他光学组件实现遮拦，在此不做赘述。
第二声光处理组件用于：确定生成的衍射光束各个维度的出射方向，并根据确定的出射方向输出衍射光束，以进行预设数值维度的量子比特阵列的寻址操控。
可选的，本发明实施例所述第一声光处理组件生成的衍射光束的第一射频频率，用于对第二声光处理组件不同出射方向输出的衍射光束的第二射频频率进行补偿。
可选的，本发明实施例第二声光处理组件包括：预设数值个声光偏转器aod。
需要说明的是，本发明实施例选址操作系统用于一维量子比特阵列的寻址操控时，第二声光处理组件可以包括：一个aod；选址操作系统用于二维量子比特阵列的寻址操控时，第二声光处理组件可以包括：两个aod。
可选的，本发明实施例预设数值为2时，所述第二声光处理组件包括：相互垂直的两个aod，和设置于两个aod之间的二分之一波长的波片(图中未示出)。这里，二分之一波长的波片用于促使衍射光束从第一个aod输出之后，输入到第二个aod之前，在偏振方向旋转90度。
需要说明的是，本发明实施例预设数值为二时，利用aom的双程(doublepass)光路和两个相互垂直的aod构成了二维寻址方案；即两次经过aom的二次衍射光束入射到两个相互垂直的声光偏转器(aod)上，改变aod的射频频率可以实现衍射光束的二维阵列扫描。
可选的，本发明实施例选址操作系统还包括驱动单元，用于：
确定所述aom的第一射频频率和各所述aod的第二射频频率；
根据确定的所述第一射频频率，驱动通过所述aom输出所述衍射光束；
根据确定的所述第二射频频率驱动各aod，以通过所述aod确定所述衍射光束各个维度的出射方向。
可选的，本发明实施例预设数值为1时，所述第一射频频率乘以2、与所述第二射频频率的和，在一维量子比特阵列的寻址操控时保持不变。
可选的，本发明实施例预设数值为2时，
所述第一射频频率乘以2、与所有第二射频频率的和，在二维量子比特阵列的寻址操控时保持不变。
需要说明的是，本发明实施例：预设数值为1时，第一射频频率乘以2、与第二射频频率的和，在一维量子比特阵列的寻址操控时保持不变，和第一射频频率乘以2、与所有第二射频频率的和，在二维量子比特阵列的寻址操控时保持不变；可以作为第一射频频率对第二射频频率进行补偿的补偿依据。
需要说明的是，本发明实施例改变声光偏转器的第二射频频率υrf1可以确定用于寻址扫描的衍射光束的出射方向(通过出射方向，结合相关原理可以确定出射位置)，在确定出射方向的同时改变aom第一射频频率υm，保证2υm+υrf1值不变时，可以实现寻址过程中操控衍射光束的射频频率不随出射方向的改变而改变，从而满足量子计算机对量子比特的一维寻址操控的要求。本发明实施例通过保持aom的第一射频频率υm，和两个aod的第二射频频率υrf1、υrf2之间的2υm+υrf1+υrf2频率总和在不同出射位置取值一致，可以实现该平面内对离子量子比特的二维寻址操控。
本发明实施例用于选址操作的衍射光束的射频频率相同，可以通过改变声光调制器的射频频率，动态补偿不同位置aod所需的射频频率。
可选的，本发明实施例驱动单元用于确定所述aom的第一射频频率和各所述aod的第二射频频率包括：
根据量子比特阵列的空间分布，确定各aod的第二射频频率和所述aom的第一射频频率。
可选的，本发明实施例寻址操作系统可以在时域上分开寻址阵列中的多个量子比特。对单个周期内的两个或两个以上量子比特的选址操作，根据预设的时间设定策略确定各量子比特的选址操作的时间；根据确定的各量子比特的选址操作的时间，采用时分复用方法对各量子比特进行选址操作。这里，本发明实施例对单个周期内多个量子比特的选址操作，选择合适的时间脉冲序列，采用时分复用方式就可以实现多个量子比特之间的逻辑门操作。本发明实施例，通过以上时分复用方式进行寻址操控，实现了任意量子比特之间的双比特或者多比特量子逻辑门操作。
可选的，本发明实施例选址操作系统还包括实时调整单元，用于：
根据量子算法及量子纠错码，进行预设数值维度的量子比特阵列的寻址操控。
需要说明的是，本发明实施例选址操作系统还包括一些其他组件，例如、挡光板、反射镜等，可以由本领域技术人员根据衍射光束的生成过程和目的进行分析设置，在此不做赘述。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：第一声光处理组件和第二声光处理组件；其中，第一声光处理组件用于：生成用于预设数值维度选址操作的衍射光束；第二声光处理组件用于：确定生成的衍射光束各个维度的出射方向，并根据确定的出射方向输出衍射光束，以进行预设数值维度的量子比特阵列的寻址操控。本发明实施例简化了寻址操作系统架构。
以下通过应用示例对本发明实施例方法进行清楚详细的说明，应用示例仅用于陈述本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
应用示例
本发明应用示例提出的寻址操控系统，可以适用于离子量子计算机，也可以应用于原子或其他需要激光操控的量子比特系统。寻址操控系统既可以用于一维量子比特阵列，也可以用于二维或三维量子比特阵列。该系统可以增加寻址操作系统的信道容量，提高系统的寻址操作效率，降低射频驱动模块及控制单元的复杂度，消除对特定器件或特殊设计物理系统的依赖，实现一维与高维的任意量子比特阵列的寻址操控。本发明应用示例可以促进量子计算机的规模化进展与实现。
图3为本发明应用示例一维量子比特的选址操作系统的结构框图，如图3所示，选址操作系统包括：单个声光调制器(aom)、单个声光偏转器(aod)、偏振分束器、1/4波长的波片凸透镜及反射镜；处理过程包括：
线偏振激光束入射到偏振分束器(pbs，polarizedbeamsplitter)，经过1/4波长的波片后再入射到声光调制器(aom)产生一级衍射光；一级衍射光和零级光一起通过凸透镜，声光调制器放置于凸透镜的焦距位置，一级衍射光将变成与零级光平行。零级光在光路中被挡光元件遮挡。一级衍射光被反射后原路返回，再次经过aom产生衍射。二次衍射产生的衍射光束沿第一次入射到声光调制器的光束原路返回，再经过1/4波长的波片后偏振旋转，通过偏振分束器(pbs)之后垂直出射。aom的doublepass光路结构可以保证在改变声光调制器(aom)的第一射频频率υm时衍射光束的出射方向不变。从声光调制器光路出射的衍射光束以布拉格(bragg)角(θ)入射到aod上，aod在射频场(radiofrequency，频率为υrf1，波矢为
图4为本发明应用示例二维量子比特的选址操作系统的结构框图，如图4所示，选址操作系统包括：单个声光调制器(aom)、两个相互垂直的声光偏转器(aod)、偏振分束器、1/4波长的波片凸透镜及反射镜；本发明应用示例可以利用单个aom和两个相互垂直的aod实现对二维量子比点阵的寻址操控。假设入射到doublepass光路的激光频率为ωl，则doublepass光路输出的激光频率为ωl+2υm，波矢为
本发明应用示例两个aod的声波传播方向分别为
图5为本发明应用示例时间脉冲序列的示意图，如图5所示，同一周期内(比如周期a)，将在aom和aod分别加载不同的第一射频频率和第二射频频率时，可以实现不同时刻选址操控不同位置的离子量子比特。图6为本发明应用示例被寻址的量子比特在相空间上轨迹示意图，，图中的横坐标p表示的量子比特的动量，x纵坐标表示的是量子比特的位置，每个量子比特在相空间中的轨迹回到寻址操控的起点从而形成闭环。通过该方法可以实现任意量子比特之间的双比特或者多比特量子逻辑门操作。
本发明应用示例可对量子计算机(包括离子型量子计算机)内任意量子比特(包括离子量子比特)进行寻址操控。通过改变aom射频频率来动态补偿aod不同偏转位置时的频率差，保证不同位置的寻址操控激光的频率完全一致。消除了因寻址操控系统导致的激光频率起伏而引入的操控误差，提高了量子计算机中量子逻辑门的保真度。保证了寻址操控系统在对任意量子比特进行操控时激光频率不随量子比特位置而改变。
本发明应用示例通过时分复用的寻址操控可以实现对量子计算机上任意量子比特进行双比特或者多比特量子逻辑门操作。离子量子比特控制系统的寻址性能主要由该系统中声光偏转器(aod)的分辨率决定。对于寻址系统中用到的声光偏转器(aod)，它的中心频率为υ0，工作带宽为δυ，分辨率为n。本发明应用示例可以在aod的工作带宽内构建n个信道，每个信道将对应于量子计算机中需要寻址的单个离子量子比特。参见图5，虽然本发明应用示例系统中单个声光调制器不能同时补偿两个位置的频率偏移，但是可以通过在时域上分开寻址阵列中的多个量子比特，从而实现任意比特的量子逻辑门操作。单个周期内的不同时刻针对不同的离子量子比特进行寻址操控，选择合适的时间脉冲序列就可以同时使得多个量子比特在相空间中的轨迹回到寻址操控的起点，从而实现多个量子比特之间的逻辑门操作。通过时分复用寻址操控技术可以实现任意量子比特之间的双比特或者多比特量子逻辑门操作。
本发明应用示例可以实现微秒量级的快速寻址操控。核心器件是控制光束偏转的声光偏转器(aod)和动态补偿位置频率偏差的声光调制器(aom)，这些元件一般工作在百兆赫兹频段。aod器件的上升时间通常在百纳秒级，在选择合适的器件参数之后可实现寻址激光微秒(us)时间尺度上的开关及时序控制，满足离子型量子计算机的性能要求。通过控制驱动射频信号功率，可以同时实现对寻址激光的强度控制。
本发明应用示例，可以根据离子量子比特在空间中的分布来优化寻址系统性能并可依据离子位置实施动态反馈。本发明应用示例不需要离子量子比特在空间中均匀分布。对在空间中特定分布的一维离子量子比特阵列，只要满足离子链中距离最近的两个离子能被aod(空间分辨率为n)空间中分辨寻址。在整个离子链的长度l小于n*l(l为相邻离子之间的距离)的范围内，本发明应用示例可以根据离子中位置改变驱动aod的频率成分(υ0，υ1，…υn)，改善每一个信道的中心频率所对应的离子空间位置分布。本发明应用示例可以根据离子的空间位置分布，来优化驱动aod来进行寻址所需的射频信号频率分布。在量子算法运行过程中，离子量子比特位置如果有所改变，本发明应用示例可以根据离子量子比特位置进行实时反馈优化，可以实现更加复杂的量子算法及量子纠错码。
本发明应用示例可以应用于对量子计算机中任意量子比特的量子态进行读取并进行反馈操控。在离子型量子计算机中，对量子态的读取通常是通过一束全局探测光与所有量子比特进行相互作用，通过收集所有量子比特的荧光信息来进行量子态读取。当探测光经过本发明的寻址操控系统，可以实现选择性的读取量子计算机上任意量子比特的量子态，并根据测量结果对在运行中的量子算法进行动态反馈。依据本发明能实现可容错的逻辑比特算法以及动态反馈的量子纠错码。
本发明应用示例中声光偏转器(aod)中多量子比特寻址能力取决于具体实现方案中所选择的声光偏转器(aod)型号的工作波长、工作带宽、入射光阑直径、声光晶体中的声速等参数。但这些参数只是为本发明应用示例选择合适的声光偏转器(aod)提供依据。在进行寻址系统调节时，入射光与aod的角度也需要严格满足布拉格衍射(bragg)的角度要求。在实际的光路调节中，未能满足理想工作条件的寻址操作系统只是在性能、效率等方面有所降低。
本发明实施例的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的每个模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
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