一种在不完美系统中实施任意几何量子逻辑门的系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种在不完美系统中实施任意几何量子逻辑门的系统，包括：激光器，在激光器的出射光光路上依次设置为：声光调制器，分束镜；出射光经分束镜后分为反射光路以及透射光路，在透射光路上依次设置稀土离子晶体、第二光电探测器，在反射光路上设置第一光电探测器；第二光电探测器用于采集透过所述稀土离子晶体的稀土离子信号并传输给第二示波器，第一光电探测器将反射的光信号传输给第一示波器；声光调制器与任意波发生器连接，并由任意波发生器驱动，构建的所述系统可应用于依据频率寻址的不完美系统中。据频率寻址的不完美系统中。据频率寻址的不完美系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种在不完美系统中实施任意几何量子逻辑门的系统


[0001]本技术属于量子计算领域，具体涉及一种在不完美系统中实施任意几何量子逻辑门的系统。

技术介绍

[0002]量子计算近年来已成为国内外研究的热门方向，建立高保真度的量子逻辑门是量子计算中至关重要的一步。量子逻辑门的保真度主要受环境噪声和量子系统的演化时间影响，其中，几何量子逻辑门凭借着其对环境噪声具有较好的抗干扰性在许多高鲁棒的量子操控中具有较好的应用前景。所谓几何逻辑门就是整个演化过程形成的位相角是几何位相，动力学位相在脉冲终止时刻为零。另外，量子系统过长的演化时间会导致退相干，降低逻辑门的保真度，解决这一问题的方法通常是采用非绝热脉冲替代传统的绝热脉冲，缩短量子系统的演化时间。
[0003]高保真度量子逻辑门的实现依赖于对量子比特的精准操控，尤其在一些具有物理缺陷的系统中，量子位寻址频率的变化和由于不均匀展宽导致的频率失谐，高保真度门操作仍然具有挑战性。例如，在超导传输线量子比特中，量子比特参数(例如，量子比特频率)可能会随时间漂移或波动。此外，为了执行纠错需要在同一电路中构建数百个物理比特，而这些物理比特受到制造工艺限制，不会完全相同。为了进行精确控制，必须以高精度测量每个物理量子位的寻址频率，并且必须定制控制信号以匹配各个量子位。另一个例子是系综稀土离子量子比特系统，由于系综量子比特在频域内所处环境不纯净，附近存在其它量子比特，它们的非共振激发会给目标量子比特带来干扰。但是，稀土离子量子比特系统具有长达6小时的量子比特相干时间，是目前非常具有竞争力的系统。以掺杂在Y2SiO5晶体中的Pr
3+
为例，对此系统中的量子比特进行精准操控需要对
±
170kHz范围内的频率失谐量具有高鲁棒性，并且不能引起
±
3.5MHz以外的干扰激发。
[0004]实现上述不完美系统中量子比特的精准操控主要依赖于光脉冲的设计。在共振系统中，只要满足上述条件，脉冲包络可以具有任意形状。然而，上述不完美系统大多由于不均匀展宽或拉比频率波动导致光场驱动频率与量子跃迁频率失谐，属于非共振系统，对于这样的系统要想维持演化的几何性质需要任意两个时刻对易的哈密顿量来去除时序算符，满足此条件的只能是方波脉冲。但方波脉冲有以下缺点：(1)方波脉冲不可优化使其满足实验系统要求； (2)脉冲频域中的傅立叶变换具有多个频率分量，这可能会激发不需要的跃迁；(3)使用方脉冲的门操作对强度和相位的波动很敏感。为此，设计设计可精准操控不完美系统量子比特的光脉冲是个技术难题。目前针对于此类系统的光脉冲设计可借鉴《可创建三能级系统量子比特任意叠加态的光脉冲设计方法》(申请号：201810234933.5)，延英等人通过设计并优化含有多个自由度参数的光脉冲，在系综稀土离子量子比特系统中实现了量子比特的初始化。但该工作并未涉及量子逻辑门的建立。本技术旨在不完美系统中实现高保真度的量子逻辑门操控。
[0005]量子逻辑门分为任意和非任意两种，任意的量子逻辑门所执行的门操作类型多于
非任意的量子逻辑门，这也是国内外学者致力研究的方向。正向设计和逆向设计均可实现任意量子逻辑门的构建，尤其是根据系统演化的目标态进行逆向设计的方案近几年提出了不少。但是，在这些逆向设计方案中往往要求光脉冲的振幅和位相均随时间变化，这大大增加了实验的难度和精度。所以本技术将结合上述光脉冲设计方案采用正向设计的方法，在不完美系统中构建任意几何量子逻辑门。

技术实现思路

[0006]本技术解决的技术问题是：量子逻辑门在一定频率失谐范围内的鲁棒性差，在该频率失谐范围外的非共振激发高。
[0007]为解决上述技术问题提出一种在不完美系统中实施任意几何量子逻辑门的系统，包括：激光器，在激光器的出射光光路上依次设置为：声光调制器，分束镜；出射光经分束镜后分为反射光路以及透射光路，在透射光路上依次设置稀土离子晶体、第二光电探测器，在反射光路上设置第一光电探测器；第二光电探测器用于采集透过所述稀土离子晶体的稀土离子信号并传输给第二示波器，第一光电探测器将反射的光信号传输给第一示波器；声光调制器与任意波发生器连接，并由任意波发生器驱动。
[0008]优选的：所述的任意波发生器中输出两列时长相同，振幅、频率和位相不同且振幅随时间变化的无线电脉冲。
[0009]所述激光器输出连续激光，激光的频率在稀土离子晶体的量子比特离子的光学跃迁频率附近。
[0010]稀土离子晶体材料为Pr
3+
离子，所述的光学跃迁频率为3H4‑1D2跃迁线的频率；所述连续激光的线宽不超过100kHz。
[0011]激光器输出连续激光，波长在量子比特离子的光学跃迁频率附近，若采用Pr
3+
离子的3H4‑1D2跃迁线，则激光器的输出波长应在605.977nm；所述连续激光的线宽不超过100kHz；任意波发生器生成两个无线电信号驱动声光调制器，两个无线电信号的时长相同，但是振幅、频率和位相都不同，振幅均随着时间变化，频率均在声光调制器的驱动频率带宽内，两个无线电信号的频率相差10.2MHz，二者的位相分别是个常数，光脉冲振幅和位相的设置均依赖于初始量子态与目标量子态；这两个无线电信号使得声光调制器内置晶体的折射率发生周期性变化，所述连续激光在声光调制器中传播时产生的两个光脉冲一部分通过分束镜的透射光路传输至稀土离子晶体并于稀土离子系统进行相互作用，使得系统能级发生跃迁，晶体处于2K的低温环境中；量子比特会依据自身所处的量子态选择性地吸收一些频率分量，这样量子比特量子态的信息被调制到了扫描光脉冲上，为了检测光脉冲对稀土离子的操控结果，在其与稀土离子作用结束后，从晶体中透射出来的扫描光脉冲被第二光电探测器收集并传至第二示波器用来显示光电探测器探测到的通过稀土离子晶体后的扫描光脉冲的透射信号；与此同时，所述连续激光在声光调制器中传播时产生的两个光脉冲的另一部分将通过分束镜的反射光路被第一光电探测器所收集并传输至第一示波器来显示光电探测器探测到的未通过稀土离子晶体的扫描光脉冲的透射信号，将此信号与第二示波器采集的信号进行对比分析处理；光脉冲对稀土离子的量子态进行操控，可将其从初始态|1> 创建到任意一个量子态，若是将|1>创建到|0>，则是创建了NOT门。
[0012]所述双色光脉冲先在[0，t
f
]对光场探测的量子态的进行操控，所操控的量子态为
亮态；在[t
f
，2t
f
]通过对脉冲振幅和位相的调整并将调整地新的脉冲振幅和位相输入任意波发生器进而驱动声光调制器产生新的补偿脉冲，将光场不能直接探测的量子态转变为可探测的量子态进而进行操控，所操控的量子态为暗态，对暗态进类似的量子操控可以使其在门操作的时间内与亮态积累一个相同的位相，只有这样才有可能在引入频率失谐后，实现逻辑门操控保真度对频率失谐的鲁棒性，其中t
f
是双色光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在不完美系统中实施任意几何量子逻辑门的系统，其特征在于包括：激光器，在激光器的出射光光路上依次设置为：声光调制器，分束镜；出射光经分束镜后分为反射光路以及透射光路，在透射光路上依次设置稀土离子晶体、第二光电探测器，在反射光路上设置第一光电探测器；第二光电探测器用于采集透过所述稀土离子晶体的稀土离子信号并传输给第二示波器，第一光电探测器将反射的光信号传输给第一示波器；声光调制器与任意波发生器连接，并由任意波发生器驱动。2.根据权利要求1所述的一种在不完美系统中实施任意几何量子逻辑门的系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱嘉旻，延英，莫泽，陈添凤，彭宏，乐猛，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：