量子计算的制作方法

本公开总体上涉及使用腔体量子电动力学(腔体qed)的量子计算以及相关设备、系统、计算机可读介质和方法。一些实施例涉及光子图态的生成。

背景技术：

1、建立商业上有用的量子计算机(qc)可能由于许多原因而具有挑战性，例如，由于随着更多量子比特的添加，复杂性、噪声和串扰不断增加，从而导致扩展性问题。此外，量子计算算法可以利用纠缠态，并且一些量子计算架构可以使用纠缠态源(也称为资源态生成器)来获得那些纠缠态。本公开涉及用于在这种纠缠态源中使用或与之一起使用的机制。目前，量子计算仍然限于概念证明阶段，具有仅足以证明量子计算在原理上是可行的相对较小数量的量子比特。为了使量子计算实用于处理真实世界的问题，当前设备需要被放大以处理超过106的大量的量子比特，包括用于纠错的量子比特。

2、用于量子计算的量子比特通常托管在三个物理平台(或体系)之一中：超导体(超导态)、原子(例如离子态)和光子(光子态)。

3、与其他平台相比，光子平台提供了许多显著的实用优势。光子相对容易生成并且不需要低温或超高真空环境，并且微小化、可靠的光子器件及其通信基础设施的构造是利用现成的制造技术来完成的。因此，光子平台目前是实现实用量子计算设备所需的高级别规模化的领先候选平台。

4、然而，目前没有实现光子平台的全部潜力，这在很大程度上是因为在光子量子计算中生成用作纠缠资源的纠缠的光子态当前是高度低效的。常规布置依赖于晶体中的非线性效应来生成单光子。为了生成光子图态，使用线性光学元件以概率方式使这些光子纠缠。为此，生成的光子应该是不可区分的，是根据完美定时和相同形状的脉冲生成的。不幸的是，这种要求是以生成效率为代价的。此外，为了以一定数量的量子比特的光子图态结束，概率纠缠过程将需要更大数量的初始单光子，并且因此需要更大数量的元件。这些低效率点是累积的，并且严重限制了将光子平台规模化至有意义数量的量子比特的努力。

5、因此，非常期望具有用于生成光子图态的设备和方法，该方法减少或消除概率过程及其固有的低效率，并且替代地以最大效率或以改进的效率确定性地生成光子图态以用作量子比特。本公开的实施例实现或有助于该目的。

技术实现思路

1、一种用于量子计算架构中的纠缠态源可以使用基于物质或基于光的机制。基于物质的量子计算机制(例如使用捕获的离子、超导量子比特或量子点的那些量子计算机制)有时被认为比基于光的量子计算机制更有效地实现纠缠态。基于光的量子计算机制(例如硅光子)，被认为是更可扩展的和模块化的。因此，基于光的机制可能有助于解决上述可可扩展性问题。

2、使用与本公开一致的实施例，例如，使用光子量子计算，就有可能为使用大量量子比特的量子计算提供纠缠态源。这种架构还可以提供可在标准硅制造实验室中制造的可扩展架构。在与本公开一致的实施例中使用的基于腔体量子电动力学(腔体qed)的机制可以利用光和物质性质，并且因此可以用作这种架构中的纠缠态源，从而形成一种可扩展的架构，该架构甚至可以在标准硅制造实验室中以潜在的合理成本制造。

3、作为示例，与本公开一致的一些实施例包括新型纠缠光子簇态生成设备。更具体地，本公开包括腔体qed系统的芯片实施方式的描述。纠缠的光子可以用作量子计算机的基本构建块。

4、基于光子的量子计算是量子计算的几种方法之一。在光子量子计算机中，量子数据可以以光子的量子态存储。光子量子计算机的构建块可以包括纠缠的光子。因此，需要有效地生成纠缠的光子。

5、本公开的实施例能够提供或使得能够提供用于生成和纠缠单光子、多光子和可用于量子计算的光子图态的确定性设备和方法。通过避免概率过程，本公开可以实现高效率，允许生成的光子很大程度上可用于量子比特。

6、根据本公开的方面，提供了如本文所述的系统、方法、装置、集成电路器件、电路、集成电路器件的布局、计算机可读存储介质、非暂时性计算机可读存储介质和信号。从以下的从属权利要求、条款、附图和参考附图的示例性实施例的描述中，所公开的实施例的其他性质将是显而易见的。

7、一些公开的实施例涉及：在多个耦合位置中的每一者处耦合量子发射体，使得多个量子发射体中的每一者与不同的耦合位置相关联，其中每个耦合位置与多个光子腔体中的一个不同的光子腔体相关联，并且其中与每个耦合位置相关联的量子发射体被配置为介导连续入射的光子量子比特之间的相互作用以生成图态；向所述多个光子腔体供应光子，其中所述光子腔体被配置为将光子量子比特耦合到所述量子发射体；和经由所述多个腔体下游的多个光子输出通道输出所述图态。

8、一些公开的实施例涉及：在与多个腔体相关联的多个耦合位点处定位多个量子发射体；初始化与所述多个量子发射体中的每一者相关联的量子发射体量子比特的状态；在至少一个第一实例传输中向所述多个量子发射体传输光子量子比特，用于在所述光子量子比特和所述量子发射体量子比特之间生成纠缠门以便使所述量子发射体量子比特和所述光子量子比特纠缠；和在至少一个第一实例传输之后，在至少一个第二实例传输中向多个量子发射体传输光子量子比特，用于在光子量子比特和量子发射体量子比特之间生成swap门，以将量子发射体量子比特映射到光子量子比特。

9、一些公开的实施例涉及：将量子发射体耦合到腔体；生成具有第一时间轮廓的第一脏光子；使用所述第一脏光子来形成第一光子量子比特；生成具有第二时间轮廓的第二脏光子；使用所述第二脏光子来形成第二光子量子比特；使用耦合到所述腔体的所述量子发射体来使所述第一光子量子比特与所述第二光子量子比特纠缠以形成一对纠缠的光子量子比特；和使用所述一对纠缠的光子量子比特进行量子计算。

10、根据本公开的一个方面，提供了量子计算系统、方法和计算机可读介质(或非暂时性计算机可读介质)，其涉及：初始化谐振器耦合的(resonator-coupled)量子发射体的状态；接收至少两个光子图态，所述至少两个光子图态中的每一者包含至少两个光子；从每个图态中选择至少一个光子；经由所述谐振器耦合的量子发射体馈送选择的光子通过纠缠门；和将所述谐振器耦合的量子发射体从所述选择的光子解纠缠，其中所述解纠缠包括检测所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态或将所述谐振器耦合的量子发射体的所述状态映射到附加光子的状态中的至少一者。

11、根据本公开的一个方面，提供了量子计算系统、方法和计算机可读介质(或非暂时性计算机可读介质)，其涉及：初始化具有以n配置布置的至少四个能级的谐振器耦合的量子发射体，所述n配置具有第一基态、第二基态、第一激发态和第二激发态；调谐所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁的频率；调谐所述第二基态和所述第二激发态之间的第二跃迁的频率；调谐所述第二基态和所述第一激发态之间的第三跃迁的频率；以对应于所述第二跃迁的所述频率的频率馈送多个光子，从而将所述多个光子纠缠到所述谐振器耦合的量子发射体；和以对应于所述第一跃迁或所述第三跃迁中的至少一者的频率的频率馈送光子，从而将所述谐振器耦合的量子发射体的状态映射到光子。

12、一些公开的实施例涉及：多个光子处理级，其中每个光子处理级包括光学开关、波束分离器、波导或光子生成器中的至少两者；多个无预报连接，每个无预报连接位于相邻的光子处理级之间；和电路，其被配置为调整相邻级之间的光子流动，使得关于级设置或相邻级之间的流动的决策没有来自先前级的输入。

13、根据当前公开的主题的方面，提供了确定性光子图态生成器及其相关方法。将确定性单光子生成与确定性腔体增强的光子-原子纠缠相结合以产生时间序列化的纠缠的光子，并且在相关实施例中，将生成和纠缠单元并入到发射纠缠的光子的具有一个时间维度和一个或两个附加维度(例如一个或两个空间维度)的多维簇态的集成阵列中。

14、单光子生成、原子-光子纠缠和光子-光子纠缠可以通过光学腔体内的四态原子系统来完成，其跃迁可根据入射的光子的能量和偏振独立地进行。操作类型包括单光子获取、原子-光子纠缠、多光子纠缠以及原子量子比特的准备和测量。

15、根据一个方面，提供了一种用于获取量子纠缠的光子的图态的方法，该方法包括(光子源单元也可以称为光子生成器)：

16、提供用于获取(source)单光子的光子源单元，所述光子源单元包括布置在源-光学腔体的腔体内场内的源单元原子；

17、提供光子纠缠单元，其用于光子态的量子纠缠，光子纠缠单元原子设置在纠缠-光学腔体的腔体内场内；

18、向所述光子纠缠单元发送光子脉冲，以将所述纠缠单元原子设置为原子量子叠加态

19、

20、向所述光子源单元发送光子脉冲以将所述源单元原子初始化为量子态|1>；

21、向所述光子源单元中发送处于第一光子模态的光子的光子脉冲，以使所述源单元原子输出处于第二光子模态的单光子，其中所述第一光子模态耦合到所述源单元原子的第一跃迁，并且其中所述第二光子模态耦合到所述源单元原子的第二跃迁；

22、将处于所述第二光子模态的所述单光子路由到所述光子纠缠单元，以形成第三光子模态与第四光子模态的叠加；

23、其中所述第三光子模态耦合到所述纠缠单元原子的第三跃迁；

24、其中所述第四光子模态不耦合到所述源单元原子的任何跃迁；

25、其中所述第四光子模态不耦合到所述纠缠-光学腔体；和

26、其中，处于第三光子模态和第四光子模态的叠加的光子与所述纠缠单元原子进行量子纠缠；

27、重复所述路由至少一次以将处于所述第二光子模态的至少一个附加单光子路由到与所述纠缠单元原子量子纠缠的处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加的所述光子纠缠单元；

28、对所述纠缠单元原子执行测量，从而使其与处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的光子解纠缠；

29、其中处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的至少两个光子是量子纠缠的；和

30、输出处于所述第三光子模态和所述第四光子模态的叠加态的至少两个光子作为时间序列化的相互纠缠的光子。

31、对纠缠单元原子执行测量可以包括在布洛赫球(bloch sphere)的x-y平面中执行测量。

32、根据另一方面，提供了一种用于获取量子纠缠的光子的图态的装置，该装置包括：

33、多个单光子源单元；

34、第一级线性光学元件；和

35、第一多个纠缠单元；

36、其中所述多个单光子源单元、所述第一级线性光学元件和所述第一多个纠缠单元沿着预定空间轴对应地移位；

37、其中所述多个光子源单元中的每个单光子源单元将单光子输出到所述第一级线性光学元件，并由此输出到所述第一多个纠缠单元的相应纠缠单元中；和

38、其中所述第一多个纠缠单元以时间维度序列输出纠缠的光子的一维空间阵列。

39、所述单光子源单元和/或所述纠缠单元可以各自包括处于第一基态、第一激发态、第二基态、第二激发态或其叠加的原子，所述原子还被配置为选择性地经历：

40、所述第一基态和所述第一激发态之间的第一跃迁；

41、所述第一激发态和所述第二基态之间的第二跃迁；以及

42、所述第二基态和所述第二激发态之间的第三跃迁；

43、所述装置包括：光学腔体，其限定用于在其中布置原子的腔体内场；光子波导，其耦合到所述光学腔体；磁体，其被配置为在所述原子上产生磁场；以及激光源，其被配置为产生处于相干状态中的光子的脉冲，所述装置被配置为使得每个跃迁都在所述光学腔体的谐振内。

44、可以对第一跃迁和第二跃迁进行选择，使得它们相对于彼此正交偏振。

45、第一激发态和第二激发态可以处于相同的能级。

46、第一基态和第二基态可以处于彼此不同的能级。

47、激光源可以被配置为选择性地生成：

48、初始化光子的脉冲，所述初始化光子的脉冲被配置为通过诱发原子经历从所述第一基态经由所述第一激发态到所述第二基态的所述第一跃迁和所述第二跃迁来初始化所述原子；和

49、获取光子的脉冲，所述获取光子的脉冲被配置为通过诱发原子经历从所述第二基态经由所述第一激发态到所述第一基态的所述第二跃迁和所述第一跃迁来从所述原子获取单光子。

50、所述激光源可被配置为选择性地生成准备光子，所述准备光子被配置为将所述原子的状态设置为量子叠加态，所述准备光子处于第一准备模态和第二准备模态的叠加态，其中所述准备光子与所述原子的相互作用导致其第一基态和第二基态处于与所述第一准备模态和所述第二准备模态的叠加态对应的叠加态，即，所述相互作用导致原子的第一基态和第二基态处于概率幅度等于入射的准备光子的第一准备模态和第二准备模态的概率幅度的叠加。

51、所述原子可以是铷原子。

52、所述磁体可以是螺线管。

53、所述第一级线性光学元件可以包括相位控制。

54、所述装置还可以包括：

55、第二级线性光学元件；和

56、第二多个纠缠单元；

57、其中所述第二级线性光学元件和所述第二多个纠缠单元与所述多个单光子源单元、所述第一级线性光学元件和所述第一多个纠缠单元沿所述预定空间轴相对应地移位；和

58、其中从所述第一多个纠缠单元的每个相应纠缠单元输出的处于纠缠态的单光子被输入到所述第二级线性光学元件，并由此被输入到所述第二多个纠缠单元的相应纠缠单元。

59、所述第二多个纠缠单元可以被配置为以时间维度序列输出纠缠的光子的二维空间阵列。

60、所述装置可被配置为产生用来与量子计算机一起使用的纠缠的量子比特。

61、所述装置可以被配置为用于执行当前公开的主题的任何方面的方法。

62、前述
技术实现要素：
提供所公开的实施例的某些示例以提供用于本公开的特色，而不旨在概括所公开的实施例的所有方面。所公开的实施例的附加特征和优点将在下面的描述中部分地阐述，并且将从描述中部分地显而易见，或者可以通过实践所公开的实施例来获知。所公开的实施例的特征和优点将通过所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和达到。

63、应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅是示例和解释，而不是对权利要求所公开的实施例的限制。附图是本说明书的一部分。附图示出了本公开的几个实施例，并且与描述一起用于解释如所附权利要求中所阐述的所公开的实施例的原理。