可扩展的基于中性原子的量子计算的制作方法

背景技术：

1、量子计算机通常利用量子力学现象，诸如叠加和纠缠，对数据执行操作。量子计算机可能不同于基于晶体管的数字电子计算机。例如，数字计算机要求将数据编码为二进制数字(比特)，每个数字总是处于两种确定状态(0或1)中的一种，而量子计算则使用量子比特(量子位)，其可以是状态的叠加。

技术实现思路

1、在本文中认识到需要用于执行非经典计算的方法和系统。

2、本公开提供了用于利用原子(诸如中性或不带电原子)来执行非经典或量子计算的系统和方法。原子可以被光学地捕获在大阵列中。原子的量子力学状态(诸如，原子的超精细态或核自旋态)可以被配置成用作量子位(qubit)基态。可以通过与光学、射频或其他电磁辐射的相互作用来操纵量子位状态，从而执行非经典或量子计算。

3、在一个方面，本公开提供了一种用于执行非经典计算的系统，包括：多个捕获位点被配置成捕获多个原子，多个原子对应于多个量子位；光单元被配置成提供第一光和第二光；第一光调制器被配置成接收第一光并将该第一光沿多个第一光路引导至多个捕获位点的至少捕获位点子集，该至少捕获位点子集包括至少两个捕获位点；第二光调制器被配置成接收第二光并将该第二光沿多个第二光路引导至该至少捕获位点子集；和控制器可操作地耦合至光单元，其中该控制器被配置成引导光单元发射第一光并所述第二光以在捕获位点的至少该子集处捕获的多个原子的至少原子子集上实现一个或多个量子位操作，该原子的至少该子集包括至少两个原子。

4、在一些实施例中，第一光调制器和第二光调制器被定向，使得第一光与第二光之间的频率差在捕获位点的至少该子集的每个捕获位点处基本恒定。在一些实施例中，多个第一光路包括一条或多条第一正阶光路和一条或多条第一负阶光路，多个第二光路包括一条或多条第二正阶光路和一条或多条第二负阶光路。在一些实施例中，第一正阶光路和第二负阶光路每个终止于捕获位点的至少该子集的相同捕获位点，或者其中第一负阶光路和第二正阶光路每个终止于捕获位点的至少该子集的相同捕获位点。在一些实施例中，第一正阶光路与第二负阶光路基本平行，或者其中第一负阶光路与第二正阶光路基本平行。在一些实施例中，第一正阶光路和第二正阶光路每个终止于捕获位点的至少该子集的相同捕获位点，或者其中第一负阶光路和第二负阶光路每个终止于捕获位点的至少该子集的相同捕获位点。在一些实施例中，第一光调制器或第二光调制器包括声光偏转器(aod)。在一些实施例中，第一光调制器或第二光调制器包括二维(2d)aod。在一些实施例中，第一光调制器或第二光调制器包括一对交叉的一维(1d)aod。在一些实施例中，一个或多个量子位操作包括一个或多个单量子位操作。在一些实施例中，一个或多个单量子位操作包括一个或多个单量子位门操作。在一些实施例中，一个或多个量子位操作包括一个或多个双量子位操作。在一些实施例中，一个或多个双量子位操作包括一个或多个双量子位门操作。在一些实施例中，一个或多个量子位操作包括多量子位操作。在一些实施例中。一个或多个量子位操作包括一个或多个多量子位门操作。在一些实施例中，第一光的第一波长与第二光的第二波长不同。在一些实施例中，第一光的第一波长与第二光的第二波长相同。在一些实施例中，一个或多个量子位操作包括原子的至少该子集的一个或多个双光子激发。在一些实施例中，一个或多个量子位操作包括原子的至少该子集的一个或多个里德堡激发。在一些实施例中，第一光和第二光基本同时到达至少捕获位点的至少该子集处。在一些实施例中，第一光与第二光在捕获位点的至少该子集的每个捕获位点处重叠。在一些实施例中，多个原子包括2d原子阵列。在一些实施例中，原子的至少该子集包括2d原子阵列的一维(1d)原子线。在一些实施例中，多个原子包括三维(3d)原子阵列。在一些实施例中，原子的至少该子集包括述3d原子阵列的1d原子线。在一些实施例中，原子的至少该子集包括3d原子阵列的2d原子阵列。权利要求1的系统还包括一个或多个相位调制器或波长调制器，被配置成调制第一光或第二光的相位或波长。在一些实施例中，一个或多个相位调制器或波长调制器位于光单元与第一光调制器之间或光单元与第二光调制器之间。在一些实施例中，一个或多个相位调制器或波长调制器包括一个或多个选自下组的成员：电光调制器(eom)和声光调制器(aom)。在一些实施例中，光单元包括被配置成发射光的单个光源和一个或多个被配置成接收光并将该光分成第一光和第二光的分光器。在一些实施例中，光单元包括被配置成发射第一光的第一光源和被配置成发射第二光的第二光源。在一些实施例中，捕获位点的至少该子集包括多个捕获位点的所有捕获位点。

5、在另一方面，本公开提供了一种用于执行非经典计算的方法，包括：(a)激活非经典计算单元，包括：(i)多个捕获位点；(ii)光单元；(iii)第一光调制器；和(iv)第二光调制器；(b)使用多个捕获位点捕获多个原子，该多个原子对应多个量子位；(c)使用光单元提供第一光和第二光；(d)使用第一光调制器接收第一光并将第一光沿多个第一光路引导至多个捕获位点的至少捕获位点子集，该至少捕获位点子集包括至少两个捕获位点；(e)使用第二光调制器接收第二光并将第二光沿多个光路引导至捕获位点的至少该子集；和(f)使用第一光和第二光以在捕获位点的至少该子集处捕获的多个原子的至少原子子集上实现一个或多个量子位操作，该原子的至少该子集包括至少两个原子。

6、在另一方面，本公开提供了一种用于选择多个原子中的原子的方法，该方法包括：(a)向所述多个原子施加第一脉冲，所述多个原子包括原子和一个或多个其他原子；(b)向该原子但不向所述一个或多个其他原子施加第二脉冲；和(c)向所述多个原子施加第三脉冲，从而激发该原子的至少一个量子位状态以提供所选择的原子。

7、在一些实施例中，该第一脉冲包括π/2脉冲。在一些实施例中，该第二脉冲包括2π脉冲。在一些实施例中，该第三脉冲包括-π/2脉冲。在一些实施例中，该第一脉冲和该第三脉冲在符号方面彼此相反。在一些实施例中，该所选择的原子可由与所述多个原子中的原子不同的光寻址。在一些实施例中，(a)至(c)赋予该原子的至少一种状态的变化，但不赋予所述多个原子中的每个其他原子的变化。在一些实施例中，该方法还包括跨越所述多个原子施加磁场。在一些实施例中，该第一脉冲或该第三脉冲是电磁脉冲并且被极化。在一些实施例中，该极化是圆极化或π极化。在一些实施例中，该极化是线性极化。在一些实施例中，所述多个原子包括具有两个价电子的原子。在一些实施例中，该第一脉冲和该第三脉冲具有至少约0.95的幅度比。在一些实施例中，该第一脉冲和该第三脉冲与该第二脉冲一样被施加到所述多个原子的不同跃迁。在一些实施例中，该方法还包括(d)，对该所选择的原子进行成像。

8、在另一方面，本公开提供了一种方法，该方法包括：(a)提供多个原子，其中所述多个原子中的至少一个原子具有与所述多个原子中的一个或多个其他原子不同的状态；和(b)将该至少一个原子激发到激发态，其中使用在所述多个原子上面的仅与该至少一个原子相互作用的非位点选择性激发光束来执行所述激发。

9、在一些实施例中，该非位点选择性激发光束被施加到所述多个原子中的至少两个原子。在一些实施例中，该非位点选择性激发光束被施加到所述多个原子中的每个原子。在一些实施例中，该激发态是里德堡状态。在一些实施例中，该激发是时域多路复用的。在一些实施例中，该方法是量子位门操作的通用集合的至少一部分。在一些实施例中，该非位点选择性激发光束包括紫外激发光束。在一些实施例中，该方法还包括：与(b)同时地，使用该相同的激发光束激发所述多个原子中的至少另一个原子，其中该至少另一个原子不与该至少一个原子相互作用。在一些实施例中，该方法还包括：在(b)之后，使用该相同的激发光束激发所述多个原子中的至少另一个原子，其中该至少另一个原子不与该至少一个原子相互作用。在一些实施例中，该至少一个原子被用于量子位门操作。在一些实施例中，该方法还包括激发第二原子并在具有该至少一个原子的双量子位门中使用该第二原子。

10、在另一方面，本公开提供了一种方法，该方法包括：(a)选择多个原子中的原子；和(b)向该原子施加位点选择性脉冲，其中该位点选择性脉冲被配置成：提供该原子相比于所述多个原子的基态和时钟流形(clock manifold)之间的差分位移。

11、在一些实施例中，该位点选择性脉冲是失共振脉冲。在一些实施例中，该位点选择性脉冲仅被施加到该原子而不被施加到所述多个原子。在一些实施例中，由于该位点选择性脉冲，该原子不能由与所述多个原子相同的光束寻址。在一些实施例中，该方法还包括：在(b)之后，向该原子和所述多个原子施加搁置光脉冲。在一些实施例中，该搁置光脉冲不与该原子相互作用。

12、从以下详细描述中，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员将变得容易理解，其中仅示出和描述了本公开的说明性实施例。如将意识到的，本公开能够有其他不同的实施例，并且其若干细节能够在各种明显的方面进行修改，所有这些都没有脱离本公开。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。

13、援引并入

14、本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示为通过引用并入一样。如果通过引用并入的出版物和专利或专利申请与包含在说明书中的公开内容相矛盾，则该说明书旨在取代和/或优先于任何此类矛盾材料。