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诸如叠加和纠缠之类的量子力学现象来对数据执行操作。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，数字计算机需要将数据编码为二进制数字(位)，每个数字始终处于两个确定状态(0或1)之一，而量子计算使用量子位(qubit)，它可以处于状态叠加。

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(诸如原子的超精细状态或核自旋态)可以被配置为用作量子位(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、一方面，本公开提供了一种用于执行非经典计算的系统，包括：一个或多个光学捕获单元，被配置为生成空间上不同的多个光学捕获位点，该多个光学捕获位点被配置为捕获多个原子，该多个原子包括大于60个原子；一个或多个电磁递送单元，被配置为向多个原子中的一个或多个原子施加电磁能，从而诱发一个或多个原子采用第一原子态和与第一原子态不同的至少第二原子态的一个或多个叠加态；一个或多个纠缠单元，被配置为将处于叠加态的一个或多个原子的至少一个子集与多个原子中的至少另一个原子进行量子力学纠缠；以及一个或多个读出光学单元，被配置为对一个或多个叠加态执行一个或多个测量以获得非经典计算。非经典计算可以包括量子计算。量子计算可以包括门模型量子计算。多个原子中的一个或多个原子可以包括量子位。第一原子态可以包括第一单量子位状态并且第二原子态可以包括第二单量子位状态。第一原子态或第二原子态可以相对于原子的基原子态在能量上是升高的。第一原子态可以包括第一超精细电子态，并且第二原子态可以包括与第一超精细电子态不同的第二超精细电子态。第一原子态可以包括第一核自旋态，并且第二原子态可以包括与第一核自旋态不同的第二核自旋态。多个原子可以包括至少100个原子。多个原子可以包括中性原子。多个原子可以包括稀土原子。多个原子可以包括碱原子。多个原子可以包括碱土原子。碱土原子可以包括锶原子。锶原子可以包括锶-87原子。第一和第二原子态可以包括锶-87 3p1流形上的第一和第二超精细态。第一和第二原子态可以包括锶-87 3p2流形上的第一和第二超精细态。第一和第二原子态可以包括多重态流形上的第一和第二超精细态。第一和第二原子态可以包括三重态流形上的第一和第二超精细态。第一和第二原子态可以包括四极核的第一和第二核自旋态。第一和第二原子态可以包括自旋-9/2核的第一和第二核自旋态。第一和第二原子态可以包括锶-87的第一和第二核自旋态。处于一个或多个叠加态的一个或多个原子和另一原子的子集可以以至少1秒的相干寿命进行量子力学纠缠。多个原子可以包括至多10微开尔文(μk)的温度。该系统可以还包括一个或多个真空单元，该真空单元被配置为将该系统维持在至多10-6帕斯卡(pa)的压力下。多个光学捕获位点中的每个光学捕获位点可以与其他光学捕获位点在空间上相隔至少200纳米(nm)。多个光学捕获位点中的每个光学捕获位点可以被配置为捕获多个原子中的单个原子。一个或多个光学捕获位点可以包括一个或多个光镊。一个或多个光学捕获位点可以包括一个或多个光学晶格中的一个或多个光学晶格位点。一个或多个光学晶格可以包括从由以下组成的组中选择的一个或多个成员：一维(1d)光学晶格、二维(2d)光学晶格和三维(3d)光学晶格。一个或多个光学捕获单元可以包括一个或多个空间光调制器(slm)，其被配置为生成多个光学捕获位点。一个或多个slm可以包括一个或多个数字微镜器件(dmd)或一个或多个硅基液晶(lcos)器件。一个或多个光学捕获单元可以包括一个或多个光源，其被配置为发射调谐到与多个原子相对应的一个或多个神奇波长的光。一个或多个光学捕获单元可以包括一个或多个成像单元，其被配置为获得在光学捕获位点内捕获的多个原子的空间配置的一个或多个图像。一个或多个图像可以包括从由荧光图像、单原子荧光图像、吸收图像、单原子吸收图像、相衬图像和单原子相衬图像组成的组中选择的一个或多个成员。该系统还可以包括一个或多个空间配置人工智能(ai)单元，其被配置为执行一个或多个ai操作以基于一个或多个图像来确定在光学捕获位点内捕获的多个原子的空间配置。一个或多个ai操作可以包括一个或多个机器学习(ml)操作。一个或多个ai操作可以包括一个或多个强化学习(rl)操作。一个或多个光学捕获单元可以包括一个或多个原子重排单元，该原子重排单元被配置为基于一个或多个图像来赋予被光学捕获位点捕获的多个原子的改变的空间布置。该系统还可以包括一个或多个空间布置人工智能(ai)单元，其被配置为执行一个或多个ai操作以基于一个或多个图像确定在光学捕获位点内捕获的多个原子的改变的空间布置。一个或多个ai操作可以包括一个或多个机器学习(ml)操作。一个或多个ai操作可以包括一个或多个强化学习(rl)操作。一个或多个原子重排单元可以被配置为改变空间布置以获得多个光学捕获位点的填充因子的增加。填充因子可以包括至少70％的值。该系统还可以包括一个或多个状态准备单元，其被配置为准备多个原子的状态。一个或多个状态准备单元可以被配置为冷却多个原子。一个或多个状态准备单元可以被配置为在多个光学捕获位点处捕获多个原子之前冷却多个原子。状态准备单元中的一个或多个可以包括塞曼减速器，其被配置为将一个或多个原子从第一速度或速度分布减慢到低于第一速度或速度分布的第二速度。塞曼减速器可以包括一维(1d)塞曼减速器。第二速度可以至多为每秒10米(m/s)。状态准备单元中的一个或多个还可以包括第一磁光学捕获(mot)，其被配置为将一个或多个原子冷却到第一温度。第一mot可以包括三维(3d)mot。第一mot可以包括一个或多个光源，其被配置为发射具有在从400nm至500nm范围内的一个或多个波长的光。第一温度可以是至多10毫开尔文(mk)。状态准备单元中的一个或多个可以还包括第二mot，其被配置为将一个或多个原子从第一温度冷却到低于第一温度的第二温度。第二mot可以包括一个或多个光源，其被配置为发射具有在从400nm至1,000nm范围内的一个或多个波长的光。第二温度可以至多为100微开尔文(μk)。一个或多个状态准备单元还可以包括边带冷却单元。边带冷却单元可以被配置为使用边带冷却来将一个或多个原子从第二温度冷却到低于第二温度的第三温度。边带冷却单元可以包括一个或多个光源，其被配置为发射具有在从400nm至1,000nm范围内的一个或多个波长的光。第三温度至多可以为10微开尔文(μk)。状态准备单元中的一个或多个可以包括光泵浦单元，其被配置为发射光以将多个原子中的一个或多个原子从平衡原子态光学地泵浦到非平衡原子态。光泵浦单元可以包括一个或多个光源，其被配置为发射包括在从400纳米(nm)至1,000nm范围内的一个或多个波长的光。光可以包括在从650nm至700nm的范围内的一个或多个波长。状态准备单元中的一个或多个可以包括相干驱动单元，其被配置为将一个或多个原子从非平衡原子态相干驱动到第一或第二原子态。相干驱动单元可以被配置为在非平衡态与第一或第二原子态之间诱发双光子跃迁。相干驱动单元可以包括一个或多个光源，其被配置为发射具有在从400nm至1,000nm范围内的一个或多个波长的光。相干驱动单元可以被配置为在非平衡态与第一或第二原子态之间诱发单光子跃迁。相干驱动单元可以包括一个或多个光源，其被配置为发射具有在从400nm至1,000nm范围内的一个或多个波长的光。相干驱动单元可以被配置为在非平衡态与第一或第二原子态之间诱发射频(rf)跃迁。相干驱动单元可以包括一个或多个电磁辐射源，该电磁辐射源被配置为发射被配置为诱发rf跃迁的电磁辐射。一个或多个电磁递送单元可以包括被配置为选择性地向多个原子中的一个或多个原子施加电磁能的一个或多个空间光调制器(slm)、声光器件(aod)或声光调制器(aom)。一个或多个电磁递送单元可以包括一个或多个数字微镜器件(dmd)或一个或多个硅基液晶(lcos)器件。该系统还可以包括一个或多个电磁能人工智能(ai)单元，其被配置为执行一个或多个ai操作以选择性地向一个或多个原子施加电磁能。一个或多个ai操作可以包括一个或多个机器学习(ml)操作。一个或多个ai操作可以包括一个或多个强化学习(rl)操作。电磁能可以包括光能。电磁能可以包括微波能。电磁能量可以包括射频(rf)能量。rf能量可以包括至少30毫米(mm)的一个或多个波长。rf能量可以包括不超过10瓦(w)的平均功率。一个或多个电磁递送单元可以被配置为对一个或多个量子位实现一个或多个单量子位门操作。一个或多个读出光学单元可以包括一个或多个光学检测器。一个或多个光学检测器可以包括一个或多个照相机。一个或多个光学检测器可以包括一个或多个荧光检测器。该系统可以还包括一个或多个原子贮存器，该原子贮存器被配置为在从多个光学捕获位点中的一个或多个光学捕获位点丢失一个或多个原子时供应一个或多个替换原子以替换该一个或多个光学捕获位点处的该一个或多个原子。该系统可以还包括一个或多个原子移动单元，其被配置为将一个或多个替代原子移动到一个或多个光学捕获位点。一个或多个原子移动单元可以包括一个或多个电可调透镜、声光偏转器(aod)或空间光调制器(slm)。处于一个或多个叠加态的一个或多个原子的子集和另一个原子可以通过磁偶极相互作用、感应磁偶极相互作用、电偶极相互作用或感应电偶极相互作用而被量子力学纠缠。一个或多个纠缠单元可以包括一个或多个里德堡激发单元，其被配置为将处于一个或多个叠加态的一个或多个原子的子集电子激发到里德堡态或到里德堡态和低能原子态的叠加，从而形成一个或多个里德堡原子或修饰的里德堡原子。一个或多个里德堡激发单元可以被配置为在一个或多个里德堡原子或修饰的里德堡原子与另一个原子之间诱发一个或多个量子力学纠缠，该另一个原子位于与该一个或多个里德堡原子或修饰的里德堡原子相距不超过10微米(μm)的距离处。一个或多个里德堡单元可以被配置为将一个或多个里德堡原子或修饰的里德堡原子驱动到较低能量的原子态，从而形成一个或多个双量子位单元。一个或多个电磁递送单元可以被配置为对一个或多个双量子位单元实现一个或多个双量子位门操作。一个或多个里德堡激发单元可以包括一个或多个光源，其被配置为发射具有一个或多个紫外(uv)波长的光。光可以包括在从300nm至400nm的范围内的一个或多个波长。该系统可以通过网络可操作地耦合到数字计算机。网络可以包括云网络。

4、在另一方面，本公开提供了一种非经典计算机，包括：包括大于60个原子的多个量子位，每个原子被捕获在空间上不同的多个光学捕获位点中的一个光学捕获位点内，其中该多个量子位包括至少第一量子位状态和第二量子位状态，其中第一量子位状态包括第一原子态并且第二量子位状态包括第二原子态；一个或多个电磁递送单元，被配置为向多个量子位中的一个或多个量子位施加电磁能，从而向一个或多个量子位赋予非经典操作，该非经典操作包括至少第一量子位和第二量子位状态之间的叠加状态；一个或多个纠缠单元，被配置为对处于叠加中的多个量子位的至少一个子集与多个量子位中的至少另一个量子位进行量子力学纠缠；以及一个或多个读出光学单元，被配置为对一个或多个量子位执行一个或多个测量，从而获得非经典计算。

5、在另一方面，本公开提供了一种非经典计算机，其包括多个量子位，该量子位包括大于60个原子，每个原子被捕获在空间上不同的多个光学捕获位点中的光学捕获位点内。

6、在另一方面，本公开提供一种用于执行非经典计算的方法，包括：(a)生成空间上不同的多个光学捕获位点，该多个光学捕获位点被配置为捕获多个原子，该多个原子包括大于60个原子；(b)向多个原子中的一个或多个原子施加电磁能，从而诱发一个或多个原子采用第一原子态和与第一原子态不同的至少第二原子态的一个或多个叠加态；(c)将处于一个或多个叠加态的一个或多个原子的至少一个子集与多个原子中的至少另一个原子进行量子力学纠缠；并且(d)对一个或多个叠加态执行一个或多个光学测量以获得非经典计算。

7、另一方面，本发明提供了一种进行非经典计算的方法，包括：(a)提供包括大于60个原子的多个量子位，每个原子被捕获在空间上不同的多个光学捕获位点中的光学捕获位点内，其中多个量子位包括至少第一量子位状态和第二量子位状态，其中第一量子位状态包括第一原子态并且第二量子位状态包括第二原子态；(b)向多个量子位中的一个或多个量子位施加电磁能，从而将非经典操作赋予一个或多个量子位，该非经典操作包括至少第一量子位状态和第二量子位状态之间的叠加状态；(c)将处于叠加中的多个量子位中的至少一个子集与多个量子位中的至少另一个量子位进行量子力学纠缠；并且(d)对一个或多个量子位执行一个或多个光学测量，从而获得非经典计算。

8、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)提供多个量子位，该量子位包括大于60个原子，每个原子被捕获在空间上不同的多个光学捕获位点中的光学捕获位点内；并且(b)使用多个量子位的至少一个子集来执行非经典计算。

9、在另一方面，本公开证实了一种用于执行非经典计算的方法，包括：(a)提供包括多个原子的多个光学捕获位点，该多个原子是多个量子位；(b)将多个原子中的一个或多个从被占据的捕获位点移动到未被占据的捕获位点，从而改变多个原子的空间布置；(c)向该多个原子中的一个或多个原子施加电磁能，以诱发该一个或多个原子采用第一原子态和与该第一原子态不同的至少第二原子态的一个或多个叠加态，其中处于该一个或多个叠加态的该一个或多个原子中的一个原子与该多个原子中的另一个原子被量子力学纠缠；并且(d)对该一个或多个叠加态执行一个或多个测量。

10、在另一方面，本公开证实了一种用于执行非经典计算的方法，包括：(a)生成空间上不同的多个光学捕获位点，该多个光学捕获位点被配置为捕获多个原子，其中该多个原子是量子位，其中该多个原子中的一个原子通过吸引力而被捕获在该多个光学捕获位点的光学捕获位点中；(b)向该多个原子中的一个或多个原子施加电磁能，从而诱发该一个或多个原子采用第一原子态和与该第一原子态不同的至少第二原子态的一个或多个叠加态；(c)将处于该一个或多个叠加态的该一个或多个原子的至少一个子集与该多个原子中的至少另一个原子进行量子力学纠缠；并且(d)对该一个或多个叠加态执行一个或多个测量以获得该非经典计算。

11、在另一方面，本公开证实了一种用于执行非经典计算的方法，包括：(a)生成空间上不同的多个光学捕获位点，该多个光学捕获位点被配置为捕获多个原子，其中该多个原子是量子位；(b)向该多个原子中的一个或多个原子施加电磁能，从而诱发该一个或多个原子采用第一原子态和与该第一原子态不同的至少第二原子态的一个或多个叠加态，其中该施加包括用至少两个光调制器调制该电磁能；(c)将处于该一个或多个叠加态的该一个或多个原子的至少一个子集与该多个原子中的至少另一个原子进行量子力学纠缠；并且(d)对该一个或多个叠加态执行一个或多个测量以获得该非经典计算。

12、本公开的另一方面提供了一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，该机器可执行代码在由一个或多个计算机处理器执行时实现以上或本文其他地方的任何方法。

13、本公开的另一方面提供了一种系统，该系统包括一个或多个计算机处理器和与其耦合的计算机存储器。计算机存储器包括机器可执行代码，该机器可执行代码在由一个或多个计算机处理器执行时实现上述或本文其他地方的任何方法。

14、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显而易见，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。

15、通过引用并入

16、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。