一种构建量子逻辑门的方法及装置

本文涉及但不限于量子计算技术，尤指一种构建量子逻辑门的方法及装置。

背景技术：

1、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，量子计算机可大幅度减少在解决一些特定问题时的运算时间；量子计算机在未来的基础科学研究、量子通讯及密码学、人工智能、金融市场模拟和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。

2、利用囚禁于势阱中的离子量子比特阵列可以在现有实验条件下实现高保真度的量子逻辑门操作；离子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的关键指标方面都有非常优秀的表现，是最有可能实现量子计算机的平台之一。

3、在单个势阱中囚禁尽可能多的离子能有效扩展离子量子计算的规模，因此，能应用于大规模离子量子比特阵列的量子逻辑门的构建，对于大规模量子计算有着重要的意义。相关技术中量子逻辑门主要基于线性自旋相关势能实现，利用激光构造自旋相关势能(spin-dependent potential)(不同自旋状态上的离子感受到的势能不同，实现自旋与热运动模式的耦合)；以热运动模式作为媒介，可制备量子比特之间纠缠态；上述量子比特之间纠缠态的实现，主要利用自旋相关势能关于空间的线性项，忽略了高阶项，等价于要求量子比特处于兰姆-蒂克极限(lamb-dick limit)，即量子比特热运动尺度需要远小于激光波长；快速量子逻辑门要求对量子比特进行大尺度激发，从而超出兰姆-蒂克极限，基于线性自旋相关势能实现量子逻辑门限制了量子逻辑门操作速度，降低了量子逻辑门的保真度。

4、为使量子比特可以突破兰姆-蒂克极限，相关技术利用超快脉冲激光引起的自旋相关动量反冲(spin-dependent kick)；但是利用超快脉冲激光引起的自旋相关动量反冲存在操作难度大，其实现的量子逻辑门保真度远低于容错计算阈值的问题。相关技术还通过量子比特阵列的集体振动模式来构造量子逻辑门；为了利用单个集体振动模式，需要降低量子逻辑门的操作速度，以避免其余集体振动模式的影响；当量子比特数量增加时，集体振动模式频谱间隔减小，量子逻辑门操作异常缓慢；而想要利用所有集体振动模式来构建量子逻辑门，需要精确知道量子比特阵列的量子比特数量、用于构造量子逻辑门的量子比特所处位置以及集体振动模式的频谱信息，当量子比特数量增加时，量子逻辑门操作的参数设计将变得非常困难。综上，利用集体振动模式或者线性自旋相关势能来构造量子逻辑门，不具备可扩展性，无法适用包含大量量子比特的量子计算平台。

技术实现思路

1、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。

2、本发明实施例提供一种构建量子逻辑门的方法及装置，能够提升量子逻辑门的可扩展性。

3、本发明实施例提供了一种构建量子逻辑门的方法，包括：

4、将量子逻辑门操作拆分为2n1个第一级分段；

5、对每一个第一级分段的激光进行参数调整，以使量子逻辑门操作结束时用于构建量子逻辑门的量子比特在x-p相空间中运动轨迹的经典部分回到初始状态，且用于构建量子逻辑门的两个量子比特的两比特相位等于预设数值；

6、将参数调整后的激光照射在量子比特上，以实现量子逻辑门的构建；

7、其中，n1为大于或等于1的整数；所述激光所构建的自旋相关势能与所述用于构建量子逻辑门的量子比特的局域振动模式近共振。

8、另一方面，本发明实施例还提供一种构建量子逻辑门的装置，包括：拆分单元、参数调整单元和照射单元；其中，

9、拆分单元设置为：将逻辑门操作拆分为2n1个第一级分段；

10、参数调整单元设置为：对每一个第一级分段的激光进行参数调整，以使量子逻辑门操作结束时用于构建量子逻辑门的量子比特在x-p相空间中运动轨迹的经典部分回到初始状态，且用于构建量子逻辑门的两个量子比特的两比特相位等于预设数值；

11、照射单元设置为：将参数调整后的激光照射在量子比特上，以实现量子逻辑门的构建；

12、其中，n1为大于或等于1的整数；所述激光所构建的自旋相关势能与所述用于构建量子逻辑门的量子比特的局域振动模式近共振。

13、本申请技术方案包括：将量子逻辑门操作拆分为2n1个第一级分段；对每一个第一级分段的激光进行参数调整，以使量子逻辑门操作结束时用于构建量子逻辑门的量子比特在x-p相空间中运动轨迹的经典部分回到初始状态，且用于构建量子逻辑门的两个量子比特的两比特相位等于预设数值；将参数调整后的激光照射在量子比特上，以实现量子逻辑门的构建；其中，n1为大于或等于1的整数；所述激光所构建的自旋相关势能与所述用于构建量子逻辑门的量子比特的局域振动模式近共振。本发明实施例通过参数可调整的激光对量子比特进行照射，激发用于构建量子逻辑门的量子比特的局域振动模式，实现了基于任意形式的自旋相关势能的量子逻辑门，适用于任意规模的量子比特阵列，且无需区分量子比特阵列的各个集体振动模式，逻辑门操作速度不受拉姆-迪克极限的限制，提升了量子逻辑门的可扩展性。

14、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。

技术特征：

1.一种构建量子逻辑门的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对每一个第一级分段的激光进行参数调整，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对每一个所述第一级分段的激光进行相位调制，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子逻辑门操作结束时用于构建量子逻辑门的量子比特在x-p相空间中运动轨迹的经典部分回到初始状态，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对每一个第一级分段的激光进行参数调整，包括：

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，所述激光为连续激光。

7.根据权利要求1、2、4或5所述的方法，其特征在于，排序在后的2n1/2个所述第一级分段的激光的相位比排序在前的2n1/2个所述第一级分段的激光的相位多π/2。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

9.一种构建量子逻辑门的装置，包括：拆分单元、参数调整单元和照射单元；其中，

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述参数调整单元是设置为：

技术总结
本文公开一种构建量子逻辑门的方法、装置、计算机存储介质及终端，包括：将量子逻辑门操作拆分为2<supgt;n1</supgt;个第一级分段；对每一个第一级分段的激光进行参数调整，以使量子逻辑门操作结束时用于构建量子逻辑门的量子比特在x‑p相空间中运动轨迹的经典部分回到初始状态，且两比特相位等于预设数值；将参数调整后的激光照射在量子比特上，以构建量子逻辑门；其中，激光所构建的自旋相关势能与用于构建量子逻辑门的量子比特的局域振动模式近共振。本发明实施例利用量子比特的局域振动模式，实现了基于任意形式自旋相关势能的量子逻辑门，无需区分量子比特阵列的各个集体振动模式，并且逻辑门速度不受拉姆‑迪克极限的限制，提升了量子逻辑门的可扩展性。

技术研发人员：段路明,杨蒿翔
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13