一种基于异核原子阵列辅助读出数据比特的方法

本技术属于量子计算和冷原子的交叉领域，更具体的属于基于光镊阵列的中性原子量子计算的实现，具体涉及一种基于异核原子阵列辅助读出数据比特的方法。

背景技术：

1、基于囚禁于光镊阵列的中性原子量子计算的量子系统研究目标之一是可重复纠错的量子编码。在量子纠错的过程中，如果使用同一种原子来编码数据比特和读出比特，那么在通过原子荧光探测读出比特时，作为读出比特的原子辐射出的光子会被临近的数据比特吸收，吸收光子的过程使数据比特的量子态被破坏。这样基于同一种原子编码的逻辑比特在纠错过程中不可避免地引入错误。类似于被广泛应用于量子逻辑的异核离子，由于异核原子的能级存在明显差异，使用两种原子编码逻辑比特进行量子纠错则可以有效地解决该难题。

2、量子环路中的测量是实现重复量子纠错有效的途径之一，同核原子阵列在探测过程中不可避免地引入约4%的串扰误差，已远高出量子计算的容错阈值。另外，量子比特的损失也是中性原子量子计算的难题之一。

3、此外，在目前的双组份里德堡原子的实验中，通常需要利用四台不同的激光器来实现异核原子的里德堡激发。由于里德堡能级很窄，里德堡激发需要用pdh（pound-drever-hall）稳频方法得到窄线宽激光，所以每一台激光器都需要配备一套与之相关的稳频光路和电子元件。这种方案工作量大，价格昂贵，操作流程很繁琐，且需要保证每一台激光器在实验运行的过程中都需要处于良好的锁定状态。为了减少工作量，降低成本，提高可行性。

技术实现思路

1、本发明为解决对编码数据比特的原子进行荧光探测时，造成临近数据比特串扰的问题，提出一种基于异核原子阵列中的里德堡阻塞效应，使用同位素原子作为辅助比特，实现高保真度、低串扰读出数据比特的方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于异核原子阵列辅助读出数据比特的方法，包括如下步骤 ：

4、步骤1、制备异核原子阵列，异核原子阵列中划分有存储区域和量子计算区域，量子计算区域中包括配对的数据比特和辅助比特，配对的数据比特和辅助比特之间的距离小于或等于里德堡阻塞半径；

5、步骤2、在量子计算区域中选择数据比特，并对选择的数据比特进行里德堡激发；

6、步骤3、在量子计算区域中选择辅助比特，其中，选择的辅助比特为步骤2中选择的数据比特配对的辅助比特，仅对选择的辅助比特进行里德堡激发；

7、步骤4、通过探测辅助比特是否处于里德堡态，对步骤2选择的数据比特在里德堡激发前的状态进行判断。

8、如上所述步骤2中里德堡激发为态里德堡激发：

9、当所述步骤4探测到辅助比特处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态，当所述步骤4探测到辅助比特没有处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态；

10、或者步骤2中里德堡激发为态里德堡激发：

11、当所述步骤4探测到辅助比特处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态，当所述步骤4探测到辅助比特没有处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态。

12、如上所述步骤4还包括如下步骤：

13、判断完数据比特的量子态后，将数据比特还原至步骤2里德堡激发前的量子态。

14、如上所述步骤2中里德堡激发为：使用态里德堡激发对数据比特进行激发，并使用态里德堡激发对数据比特进行激发；

15、所述步骤4中，当探测到辅助比特处于里德堡态，则数据比特存在损失；若探测到辅助比特未处于里德堡态，则数据比特没有损失。

16、如上所述步骤1中的存储区域包括完成量子态初始化的数据比特；

17、所述步骤4还包括以下步骤：对于有损失的数据比特，将储存区内已经完成的量子态初始化的数据比特，转移到有损失的数据比特所在位置。

18、如上所述步骤1中的存储区域包括完成量子态初始化的数据比特；

19、所述步骤2中里德堡激发为态里德堡激发时：

20、当所述步骤4探测到辅助比特处于里德堡态，则判断数据比特在态里德堡激发前处于态或者存在损失，执行步骤6；当所述步骤4探测到辅助比特没有处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态，执行步骤5；

21、所述步骤2中里德堡激发为态里德堡激发时：

22、当所述步骤4探测到辅助比特处于里德堡态，则判断数据比特在态里德堡激发前处于态或者存在损失，执行步骤6，当所述步骤4探测到辅助比特没有处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态，执行步骤5；

23、步骤5、使数据比特恢复到里德堡激发前的量子态，停止执行；

24、步骤6、将辅助比特恢复到里德堡激发前的量子态；

25、步骤7、若在步骤2中里德堡激发为态里德堡激发，则在量子计算区域中对步骤2中选择的数据比特进行态里德堡激发；

26、若在步骤2中里德堡激发为态里德堡激发，则在量子计算区域中对步骤2中选择的数据比特进行态里德堡激发；

27、步骤8、在量子计算区域中选择辅助比特，选择的辅助比特为步骤6中恢复到步骤2进行里德堡激发前的量子态的辅助比特，对步骤8选择的辅助比特进行里德堡激发；

28、步骤9、通过探测辅助比特是否处于里德堡态，对数据比特在里德堡激发前的状态进行判断：

29、所述步骤7中里德堡激发为态里德堡激发时：

30、当所述步骤9探测到辅助比特处于里德堡态，则数据比特丢失，执行步骤10；当所述步骤9探测到辅助比特没有处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态，则执行步骤5；

31、步骤7中里德堡激发为态里德堡激发时：

32、当所述步骤9探测到辅助比特处于里德堡态，则数据比特损失，执行步骤10；当所述步骤9探测到辅助比特没有处于里德堡态，则数据比特在态里德堡激发前布居在态，则执行步骤5；

33、步骤10、将储存区域内完成量子态初始化的数据比特转移到有损失的数据比特所在位置。

34、如上所述步骤4探测辅助比特是否处于里德堡态采用无损探测时，则步骤6中辅助比特与步骤4中的辅助比特为同一辅助比特；所述步骤4探测辅助比特是否处于里德堡态采用有损探测时，则步骤6中辅助比特为从存储区域转移一个完成量子态初始化的辅助比特到所述步骤4中辅助比特的位置上的辅助比特。

35、如上所述里德堡激发包括如下步骤：

36、预备里德堡激发光通过空间滤波产生预备里德堡激发光高斯光束后依次通过第一半波片和第一偏振分束棱镜后分为两束，

37、其中，第一偏振分束棱镜的透射光依次经过第一反射镜反射和第二半波片透射后入射至第一声光调制器，第一声光调制器输出的0级衍射光被第一挡光板遮挡；第一声光调制器输出的+1级衍射光通过第三半波片后入射至第二偏振分束棱镜；

38、第一偏振分束棱镜的反射光透射第四半波片后入射至第二声光调制器，第二声光调制器输出的0级光被第二挡光板遮挡，第二声光调制器输出的-1级衍射光依次经过第二反射镜反射、第一移动反射镜反射和第二移动反射镜反射、以及第五半波片透射后入射至第二偏振分束棱镜，并与入射到第二偏振分束棱镜的+1级衍射光合束；

39、关闭第二声光调制器的射频开关，打开第一声光调制器的射频开关，第二偏振分束棱镜仅输出数据比特对应的激发光脉冲；通过调整第一声光调制器的驱动频率，对数据比特对应的激发光脉冲进行移频，实现将布居在态的数据比特激发到对应的里德堡态，即里德堡态激发为态里德堡态激发；或者实现将布居在态的数据比特激发到对应的里德堡态，即里德堡态激发为态里德堡态激发；

40、打开第二声光调制器的射频开关，关闭第一声光调制器的射频开关，第二偏振分束棱镜仅输出辅助比特对应的激发光脉冲；实现仅对辅助比特进行里德堡激发或恢复到里德堡激发前的量子态。

41、如上所述里德堡激发还包括如下步骤：

42、所述第二偏振分束棱镜输出的合束激光依次通过第一平凸透镜和第二平凸透镜进行扩束，再依次经过第三反射镜反射、第三平凸透镜透射、第三移动反射镜反射、第六半波片透射和四分之一波片透射后入射至量子计算区域；

43、调整第三移动反射镜的角度，控制合束激光的方向，从而对量子计算区域中的数据比特或辅助比特进行选择。

44、如上所述预备里德堡激发光通过空间滤波产生预备里德堡激发光高斯光束，具体过程为：

45、预备里德堡激发光经过滤光孔进行空间滤波产生预备里德堡激发光高斯光束。

46、与现有技术相比，本发明均有如下有益效果：

47、（1）用辅助比特探测数据比特。

48、在异核原子阵列中，利用里德堡阻塞效应，使激发到里德堡态的数据比特阻塞辅助比特的里德堡激发，辅助比特发出的光子由于脱离数据比特原子的共振频率，从而不会对数据比特造成影响，通过探测辅助比特的量子态，从而实现对数据比特的量子态的低串扰（即低于容错阈值）读出，

49、相比于普适各种量子体系的基于量子线路的辅助读出和损失纠错方式，本发明中的方法利用了原子体系特有的里德堡阻塞效应，很大程度降低了执行辅助读出和损失纠错的复杂程度，从而降低了各种误差来源使保真度有极大提升（高于99%）、无损失、快速的读出的特点。

50、（2）用85rb原子探测87rb原子的损失，并进行损失纠正。

51、本发明还提出一种纠正量子比特损失的方法：利用辅助比特对数据比特的两个编码的量子态分别进行探测。如果两次探测结果为数据比特处于其中一个量子态，则可判断数据比特仍保存在光镊中；如果两次探测结果得到数据比特不处于其中任何一个编码的量子态，则可判断原子损失。这时利用可移动光镊将储存区的完成量子态初始化的数据比特转移到有损失的数据比特对应的位置，以此来纠正量子比特的损失。

52、（3）仅使用一台种子激光器、一套稳频光路实现辅助比特和数据比特的里德堡激发。