基于多量子位门的量子计算机架构的制作方法

基于多量子位门的量子计算机架构
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2019年12月9日提交的题为“quantum computer architecture based on multi
‑
qubit gates”的美国非临时申请第16/708,025号和2019年1月8日提交的题为“quantum computer architecture based on multi
‑
qubit gates”的美国临时专利申请第62/789,875号的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开的方面一般涉及量子系统，并且更具体地，涉及用于执行量子操作的俘获离子系统中的多量子位门架构的实际实现。


背景技术：

4.可以考虑用于实际实现的传统量子计算机架构基于基本通用门集的执行，通常由单量子位门和双量子位门定义。这主要源于多量子位门(或多量子位门)在实践中难以可靠实现的事实。在俘获离子系统中，已经提出甚至在实验中证明了多量子位门的直接实现，尽管质量很低。由几个单量子位门和双量子位门组装而成的多量子位门表现更好，迄今为止一直是首选方法。由于实际实施的困难，缺乏用这种方法构建计算机器的系统设计努力。
5.操作基于任意多量子位门的量子计算机的巨大优势源于不同算法分解为量子计算机或量子信息处理(qip)系统的本机指令集的有效方式。例如，受控n
‑
受控非门(例如，三量子位门也称为tofffoli门)是许多量子算法(如算术电路、优化算法和grover算法)的基础，并且通常要求它分解为六(6)个双量子位门(例如cnot门)，以便可以实际实施。因此，与其必须使用单个多量子位门并将其分解为许多较小的本地操作(例如，双量子位门)，能够执行多个这样的多量子位门作为其自己的单个本地操作可以在量子计算机或qip系统中更有效地实现各种量子算法。
6.因此，需要允许实际实现用于量子计算的灵活多量子位门的技术，包括在俘获离子量子位链中的实现。


技术实现要素：

7.以下提供了一个或多个方面的简化摘要，以提供对这些方面的基本理解。该概述不是对所有预期方面的广泛概述，并且既不旨在识别所有方面的关键或必要要素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化的形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前序。
8.本公开描述了用于量子计算的俘获离子系统中多量子位门架构的实际实现的技术。此外，本公开描述了可以在这样的架构中实现以获得性能增益的各种应用电路。
9.在本公开的一个方面，描述了一种使用离子阱实现多量子位门的方法，该方法包括启用离子阱中的离子，该离子包括三个能级，在所述离子阱中的离子的运动基态启用低速升温(low
‑
heating rate)运动模式，并使用低速升温运动模式作为cz协议的运动状态和
所述能级之一作为cz协议的辅助状态来执行cirac和zoller(cz)协议，其中执行cz协议包括使用离子阱中的离子的至少一子集来实现多量子位门。
10.在本公开的另一方面，描述了一种用于在离子阱中实现多量子位门的系统，该系统包括具有包括三个能级的多个离子的离子阱、配置为控制离子阱中的离子的光学控制器、配置组件，其中配置组件被配置为在离子阱中的离子的运动基态启用低速升温运动模式，并且至少通过光学控制器使用低速升温运动模式作为cz协议的运动状态和一个能级作为cz协议的辅助状态来执行cz协议，其中cz协议使用离子阱中的离子的至少一个子集来实现多量子位门。
11.本文描述了用于与俘获离子系统中的多量子位门架构的实现相关联的各个方面的方法、装置和计算机可读存储介质以及用于这种架构的应用电路。
附图说明
12.附图仅说明了一些实施方式，因此不应认为是对范围的限制。
13.图1图示根据本公开的方面的用于实现多量子位门的协议的一般描述的示例。
14.图2a图示根据本公开的方面的线性晶体中原子离子的俘获的视图。
15.图2b图示根据本公开的方面的俘获原子离子的锯齿形模式的示例。
16.图3图示根据本公开的方面的用于使用俘获原子离子实现多量子位门的光学寻址方案的示例。
17.图4是图示根据本公开的方面的计算机设备的示例的图示。
18.图5是图示根据本公开的方面的方法的示例的流程图。
19.图6a是图示根据本公开的方面的量子信息处理(qip)系统的示例的框图。
20.图6b是图示根据本公开的方面的图6a中的qip系统的算法组件的示例的框图。
具体实施方式
21.下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述并且不旨在表示可以实践本文所述的概念的唯一配置。详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的特定细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，众所周知的组件以框图形式显示以避免混淆这些概念。
22.cirac和zoller(cz)在他们的原始工作中描述了一种用于实现或实施多量子位门或多控制门的协议，例如n次受控z门(n
‑
controlled z gate，c
n
‑
z门)(参见例如，quantum computations with cold trapped ions,phys.rev.lett.74,4091,1995年5月15日出版)。使用n次受控z门的一个示例是受控
‑
受控
‑
非门(ccnot)，它使用两个控制(cc
‑
z，加上两个哈达玛门)，也称为toffoli门。toffoli门是一个3量子位门，是量子计算的通用门。n次受控z门可以用于更多数量的量子位(例如，多于tofffoli门的三个量子位)。例如，有一组4个量子位在状态x1、x3、x4和x6处(例如，来自更大的一组量子位中的量子位1、3、4和6子集)的情况下，如果控制量子位1、3、4处于状态“1”且量子位6也处于状态“1”，则量子位6的符号翻转，否则量子位6的符号不翻转，即量子位6保持不变。在这个例子中，改变量子位6的符号有效地改变了涉及四个量子位的整体量子态的符号。由于当且仅当所有量子位都处于“1”状态时，n次受控z门基本上会翻转所涉及的量子位整体状态的符号，因此“目标”没有特殊指
定。当量子位6在应用n次受控z门之前和之后补充有两个哈达玛门时，这是具有三个控制的受控
‑
受控
‑
受控
‑
非门(cccnot)的示例，其中量子位1、3和4是控制。通常，通过将两侧的两个哈达玛门应用于一个“特殊”量子位，可以将n次受控z门变成n次受控非门，从而将该量子位转换为目标量子位。n次受控z门是一个非常特殊的门，cirac和zoller描述的协议虽然理论上可行，但在现实生活中以高保真度实施却具有挑战性。
23.1999年，和提出了一种用于量子计算的双量子位门(以下简称ms门)。发现该门比使用cirac和zoller(cz)协议提出的门更实用。ms门克服了基于cz协议的门或cz门的许多实际挑战和非理想性，例如对离子热运动的敏感性。cz门的高保真实现需要将离子运动冷却到并保持在量子力学基态，这增加了实验上的挑战性要求。因此，现在很少有人关注cz协议，因为它很难实施，而且有一个可行的替代。因此，当前用于构建量子计算机或量子信息处理(qip)系统的架构基于ms门的使用。
24.然而，cz门是可取的，因为使用它们可以直接实现某些多量子位门，并且它们是灵活的，允许从更大的一组量子位中挑选或选择任何n个量子位来实现多量子位门，使cz门优于ms门，以有效执行一些重要的量子算法。虽然ms门可用于实现多量子位门，但通常仅限于量子位集中所有可能对之间成对(双量子位)相互作用的统一组合，而不是像cz门可能的那样的多量子位相互作用，使得在许多算法实现中使用ms门不如cz门有效。2018年12月27日提交的题为“use of global interactions in efficient quantum circuit constructions”的美国专利申请第16/234,112号中描述了这种方法的示例，其内容通过引用并入本文。
25.当前基于俘获离子技术的qip系统(例如，使用离子阱，也称为表面阱)可以提供一个框架，其中cz门可以通过规避最初在其实施中发现的问题和挑战来实施。这将允许使用cz门将各种类型的算法分解为更有效的方式。某些问题很自然地分解为所谓的原始门。如果这些原始门可以在量子计算机或qip系统中实现，那么可以非常有效地解决各自的问题。例如，用两个量子位门实现的c4‑
z门可能需要多达15或16个ms门。因此，可能需要许多双量子位门来分解c
n
‑
z门，而这又可以使用单个多量子位门(例如cz门)来实现。在另一个示例中，实现n次控制非门所需的双量子位门(例如cnot门)的典型数量与n(～an，其中a是常数，约为12)成线性比例。虽然原则上可以采用多量子位门并将其分解为成对门(例如，双量子位ms门)，但这种方法不是很有效，因为在大多数情况下需要许多ms门。此外，如果系统仅限于将双量子位门应用于最近的邻居(或其他约束)，则由于这些约束，一般门数可能会进一步增加，具体取决于参与量子位系统的其余部分中的门的n 1个量子位的分布。
26.本公开描述了如何使用俘获离子技术有效地实施cz门的各个方面，以及一旦实施了cz门，可以如何以非常有效的方式利用cz门来执行各种算法和/或计算。
27.首先，为了使用俘获离子技术实现cz门，可能需要在单个原子或离子内使用三(3)个分开的能级。这些能级可以被称为量子位状态的|0>和|1>，和作为可用的某种形式的辅助状态的|a>(参见例如图1)。因此，用作离子阱技术一部分的离子阱或表面阱中的每个原子或离子都将具有这种配置。在当前的俘获离子系统中，人们专注于仅利用原子或离子中的两个能级。
28.其次，一旦带电原子被加载到阱中，它们都会由于库仑相互作用(由于电荷而相互排斥)而相互作用，这种相互作用导致链中离子位置的耦合运动，称为运动状态。也就是说，
如果任何一个离子受到震动，那么所有的离子都会震动。如果有k个离子，那么将有3k个正常运动模式或运动状态(x、y和z方向中的每个方向都有k个正常模式)。关注其中一个方向(例如，离子链中的两个横向模式之一)，这些运动模式中不重要的一种是质心(center
‑
of
‑
mass，com)模式，其中所有带电原子(离子或原子离子)一起移动。这些运动模式中的另一种是锯齿形模式，其中相邻离子沿相反方向移动(参见例如图2b)。如上所述，对于cz门，所有离子都耦合的模式是理想的，以允许多体相互作用。com模式和锯齿形模式是此类模式的示例，如果其中一个离子受到撞击(例如，运动被激发)，则所有其他离子的运动都会被激发。实现cz门的条件是挑选或选择所有离子都很好地耦合到它们的运动状态的模式。
29.正如cirac和zoller所提议的，要使用的模式是com模式。这带来了一系列挑战，这就是为什么实现cz门的原始协议没有被广泛使用，而是ms门成为首选方法的原因。
30.图1示出了图示100，其图示了用于实现由cirac和zoller提出的多量子位门的原始协议的一般描述。作为原始协议的一部分，运动状态，即com模式，需要降低到运动的基态(例如，|0>
m
)。也就是说，需要通过移除所有运动量子，然后在门的持续时间内让运动状态处于量子力学运动基态来冷却运动状态。这通常不容易做到，但当前的离子阱技术现在能够将运动状态带到并保持在运动基态。
31.可能有多种状态需要考虑，在图示100中显示为x1、x2、x3、
…
、x
n
，对应于用于实现多量子位门的量子位(例如，离子)。应当理解，这些状态是通过说明的方式提供的，并且该协议具有使用陷阱中任何离子集或子集的状态的灵活性。作为协议的一部分，第一状态x1首先与作为com模式的运动状态相互作用(操作1)，然后下一个状态x2与运动状态相互作用(操作2)，然后是下一个状态x3与运动状态相互作用(操作3)，这一直持续到最后一个状态x
n
与运动状态相互作用(操作n)。激光或光束可用于激发各种状态以与运动状态相互作用。
32.一旦协议的这部分完成，协议继续，返回并让各状态以相反的顺序与运动状态相互作用。例如，状态x3与运动状态相互作用(操作2n
‑
3)，状态x2与运动状态相互作用(操作2n
‑
2)，最后状态x1与运动状态相互作用(操作2n
‑
1)。因此，整个协议在与运动状态相互作用时使状态上升，然后在再次与运动状态相互作用时使状态下降，相互作用涉及单独的能级和运动状态，在这种情况下是com状态。在协议结束时，结果是一个非常具体的多量子位门。
33.使用上面结合图1中的图示100中概述的方法的挑战之一是在将运动状态带入运动基态并执行协议的各种操作后，运动状态将处于基态和只有一个激发的激发态的特定(纠缠和叠加)状态，并且不能从该特定运动状态改变，否则协议不起作用，多量子位门也不会按预期运行。但是在运动状态中总会发生一些自然或感应加热。例如，保持离子(例如，量子位)的阱中存在的一些电场波动会导致运动状态被激发，并使其脱离门过程中产生的特定运动状态。换句话说，加热可以将运动状态从特定状态(仅由基态和只有一个激发的激发态组成)转化为热态，从而使协议/多量子位门执行不好。由于com模式很难一直保持冷，因此用于实现多量子位门的原始cz协议在实践中很难以高保真度实现。
34.本公开提出了不同的方法。代替使用com模式作为运动状态，提出使用低速升温模式(例如，具有高空间频率的运动模式)来实现多量子位门。此外，本公开提出使用塞曼能级或d能级(例如亚稳激发态)作为辅助状态，其中可以使用各种方法来改善这些状态的相干时间(例如使用镱(yb)和钡(ba)方案)。本公开中提出的其他特征包括用于实现系统的光寻
址方案、使用幅度调制/频率调制(am/fm)类技术使其对模式频率漂移具有鲁棒性的门设计、使用补偿脉冲技术使红边带pi(π)和2pi(2π)脉冲对激光强度漂移具有鲁棒性，以及对自旋和运动相位的考虑以及如何鲁棒地控制它们。
35.对于运动状态，一种方法是使用锯齿形模式或接近锯齿形模式用于低速升温模式。图2a图示了在线性晶体210中原子离子220的俘获的图示200a，其中原子离子220(例如，量子位)可以被激发到锯齿形模式，如图2b中的图示200b所示。线性晶体210可以在真空室中形成，该真空室容纳电极作为离子阱的一部分(参见例如图6a中的离子阱670)以限制原子离子220。
36.返回参考图2a中的图示200a，被俘获并形成线性晶体210的原子离子220可用于实现量子信息处理，并因此实现此类处理所需的多量子位门。基于原子的量子位可用作不同类型的设备，包括但不限于量子存储器、量子计算机和模拟器中的量子门以及量子通信网络的节点。基于俘获原子离子的量子位具有非常好的相干特性，可以以接近100％的效率制备和测量，并且可以通过用合适的外部控制场(例如光场或微波场)调制其库仑相互作用来轻松地相互纠缠。如在本公开中使用的，术语“原子离子”、“原子”和“离子”可以互换使用以描述将被限制或实际上被限制在阱中以形成晶体或类似排列或配置的粒子。
37.用于量子信息和计量目的的典型离子阱几何形状或结构是线性射频(rf)paul阱(也称为rf阱、表面阱或简称为paul阱)，其中附近的电极保持静态和动态电势，导致离子的有效非均匀谐波限制。rf paul阱是一种使用电场将带电粒子捕获或限制在特定区域、位置或地点的阱。当原子离子在这样的阱中被激光冷却到非常低的温度时，原子离子会形成一个稳定的量子位晶体(例如，量子位的结构化排列)，库仑排斥力平衡了外部约束力。为了获得足够的阱各向异性，离子可以沿着弱约束方向形成线性晶体，这是量子信息和计量学应用中通常采用的排列方式。如上所述，可能由阱中附近的电极引起的电场波动可以将运动状态从基态或零模式或状态加热到热状态。
38.在图示200a所示的示例中，限制在线性晶体210中的镱离子(例如，
171
yb

离子)被激光冷却至几乎静止。俘获的原子离子220的数量是可配置的。在该示例中，如荧光所示，原子离子220彼此分开约5微米(μm)的距离215。原子离子的分离取决于外部约束力和库仑排斥力之间的平衡。
39.各个俘获原子离子的强荧光依赖于光子的有效循环，因此离子的原子结构必须具有强封闭光学跃迁，允许激光冷却运动、量子位状态初始化和有效的量子位读出。这可能会排除许多原子离子种类，除了具有孤立外电子的简单原子离子，例如碱土金属(be

,mg

,ca

,sr

,ba

)和特定的过渡金属(zn

,hg

,cd

和yb

)。在这些原子离子中，量子位可以用两个稳定的电子能级表示，通常由具有两种状态|
↑
>和|
↓
>或等效地|1>和|0>的有效自旋来表征。
40.对于量子位能级之间的相干转换，可能存在单量子位旋转操作和纠缠多量子位操作。单量子位旋转操作也可以称为单量子位操作或简称为量子位翻转。关于纠缠多量子位操作，许多俘获离子的运动通过库仑相互作用耦合，很像由弹簧连接的钟摆阵列。在晶体中的原子离子之间实现纠缠量子逻辑门的一种自然方法是使用运动作为中介。
41.回头参考图2b中的图示200b，示出了一个例子，其中几个原子离子220以z字形模式排列，相邻离子如箭头所示沿相反方向移动。该模式具有部分基于原子离子220之间的间
距215的明确定义的频率。由于其高空间频率，结果表明该模式不能很好地升温(例如，它是低速升温模式)。也就是说，一旦锯齿形模式冷却到其运动基态，将这种模式从其运动基态中激发出来的方法是使例如由阱中的电极产生电场噪声或波动具有与锯齿形模式的空间轮廓紧密匹配的空间图案或轮廓。鉴于原子离子220彼此相隔大约5μm，任何现有的低噪声电场波动都不太可能与锯齿形模式的空间图案或轮廓相匹配。因此，锯齿形模式通常会停留在其运动基态，如果锯齿形模式用作cz协议的运动状态来实现多量子位门，这是可取的。
42.使用俘获离子技术有效实施cz门的另一个条件是具有三个(3)分开的能级，这在图1的图示100中示为|0>、|1>、以及辅助状态|a>。如上所述，本公开提出使用塞曼能级或d能级(例如亚稳激发态)作为辅助状态|a>。为了实现这一点，操作环境需要相当稳定，例如通过良好的磁场屏蔽(或其他形式的屏蔽)来保护原子离子220。
43.在图3中的图示300中描述了可用作量子计算机或qip系统的一部分以能够实现和使用多量子位门的光学方案，其中从一个方向向所有原子离子220施加单个宽光束310，然后从另一方向用专用光束320单独寻址(例如单独控制)每个原子离子220。在这个例子中，这两个光束驱动不同量子位能级(通常处于基态)之间的拉曼跃迁。光束310和320的方向可以彼此成180度(例如，相反方向)或彼此成90度(例如，垂直或法线方向)。通过使光束处于这种配置中，并通过使用适当的偏振，可以寻址单个原子离子220的量子位状态和辅助状态。当需要使用d能级时，可以使用聚焦在每个离子上的频率稳定的激光束来驱动向d能级的跃迁。
44.与基于俘获离子技术的多量子位门的实现和使用相关的另一方面是限制离子的俘获电势可能随时间波动，这可导致运动状态的频率(例如，模式频率)漂移一点。虽然这种模式频率漂移原则上可以被稳定，但在实际情况下它确实会发生漂移，并且系统需要能够在频率变化发生时处理频率变化。当实现多量子位门并与之相互作用时，重要的是确切地知道模式的频率是多少，以便可以使用使相互作用对漂移具有鲁棒性的技术。例如，通过对相互作用中涉及的激光或光束执行幅度调制(am)和/或频率调制(fm)(例如，通过使用声光调制器(aom))，可以调整和/或设计激光束提供的脉冲或脉冲序列，使其对频率漂移具有更强的鲁棒性。即，可以使脉冲或脉冲序列对频率漂移较不敏感和/或通过am和/或fm调制补偿频率漂移。
45.与基于俘获离子技术的多量子位门的实现和使用相关的另一方面是存在激光或光束用于与多量子位门相互作用并且激光束的强度变化或漂移的情况。尽管可以直接调整激光束的强度，但这可能不足以获得所需的精度级别(例如，精度为10
‑4)。在这种情况下可以使用的一种方法是应用补偿脉冲或补偿序列技术，其中代替照射在多量子位门上的脉冲，使用具有变化相位的脉冲序列来产生整体稳定的激光束强度。类似的方法已用于核磁共振(nmr)，并且可适用于多量子位门。
46.如上所述，本公开提出使用高阶模式用于运动状态(例如，锯齿形模式、低速升温模式、高空间频率模式)和使用原子的内部状态作为辅助状态(例如，塞曼能级或d能级)来实现cz协议，同时克服最初使cz协议难以实施的问题和挑战。然后，这允许直接实现多量子位门(例如，n次受控z门或c
n
‑
z门)，而不必使用双量子位门(例如，ms门)将门分解为大量成对相互作用。
47.利用使用俘获离子技术使用上述cz协议的各种修改来实现多量子位门或多控制
门的能力，以及通过使用例如单独的光寻址、模式频率漂移补偿和/或激光束强度漂移补偿在执行给定的量子计算所需的长时间内保持这些类型门的质量的附加能力，现在可以更有效地执行各种算法。
48.第一个这样的算法是grover算法，其中多量子位门的实现允许预言机(oracles)或类似功能的有效电路级实现。grover算法是一种用于解决可满足性问题的算法。
49.grover算法可用于各种类型的搜索问题，包括未排序的数据库搜索，由此从量子计算方法执行搜索，可以以最佳方式进行搜索，与最佳的经典计算方法相比，可达到二次方的速度改进。例如，当查看按姓氏组织的电话簿并提供了一个人的号码时，为了找出谁的号码是所提供的号码，在经典计算方法中，必须查看该电话簿中的每个条目，直到找到该号码的匹配，因为电话簿未按电话号码排序，除非电话号码与某人的姓氏相关的特殊情况。所以如果有m个条目，在最坏的情况下需要查看m次，或者平均m/2次才能找到与提供的号码匹配的名字。相反，如果电话簿存储在量子数据库中，则可以做的是创建一个预言机，它是要搜索的谓词的构造或函数。因此，虽然预言机可以识别答案，但它并未配置为寻找答案。
50.通常，预言机可以构造为接收单个输入，如果该输入是正确答案，则预言机返回“1”或类似/等效的指示符作为输出，否则如果输入不是正确答案，则预言机返回“0”或类似/等效的指示符作为输出。因此，预言机允许将提供的查询作为输入，就像在电话簿数据库中查找号码一样。传统上，一次只能进行一个查询。经典预言机根据所提供的输入是否满足预先分配的条件而返回输出“0”或“1”。
51.grover算法中使用的预言机的量子版本可以同时使用所有状态的叠加作为输入。对于满足预先分配条件的所有输入项，量子预言机将“标记”这些条目(并行，如果有多个)。grover算子(由预言机和“均值反转(inversion about the mean)”操作组成)的每次迭代将放大测量时检测到正确答案的概率。grover算子的重复应用将迅速将初始状态演变为测量以非常高的概率产生正确答案的状态。在grover算法中，量子预言机可以运行找到答案的概率约为1(～100％)。与经典情况下的m次顺序查找不同，在量子方法中，它只需要顺序查找。
52.如果量子预言机是一个布尔函数，那么量子预言机可以是一个n次受控z门或c
n
‑
z门。在grover算法的一个简单实现中，c
n
‑
z门的实现是量子预言机。如果量子预言机是使用与双量子位门(例如ms门)的成对相互作用来实现的，那么根据量子位的数量，这种分解最终可能非常难以完成，从而导致电路非常复杂。相反，使用单个多量子位门来实现量子预言机要有效得多。
53.上述与grover算法相关的类似方法可用于解决量子近似优化算法(qaoa)的问题。qaoa为解决某些优化问题提供了一种启发式方法，它考虑了需要满足的条件和一些布尔子句。例如，假设一个给定的图包括m个顶点或点和连接任意顶点对的边，并且目标是二分给定的图。qaoa可用于确定如何最好地进行边缘去除以实现二分分割。因此，qaoa是一种解决搜索问题的技术，可用于解决优化问题，例如旅行商问题。
54.通常，qaoa尝试确定这些布尔子句是否已得到满足。为此，可能需要实施多控制操作，因为在量子计算机或qip中应用的这种操作仅在所有控制量子位都处于一种状态(例如，“0”不满意，“1”满意)时才包括在目标量子位上的操作。因此，多控制非或多控制z门可用于在量子计算机中轻松实现上述可满足性检查步骤。无论量子计算机有多大(或可满足
性条件的大小)，每个需要满足的条件都可以实现为单个多量子位门。这在量子环境中非常强大，因为在量子计算机中可以同时加载每个单个图案，以同时尝试所有图案并找到满足预先指定条件的图案。
55.例如，在一些俘获离子系统中，一个离子阱中可能有50个或更多个量子位，并且可能存在50个或更多个位包含每个子句的条件。在这些情况下，子句中涉及的位数决定了要使用的多量子位门的大小。因此，使用的每个子句都可以变成一个n次受控非门，其中n可以大于50，并且可以使用这些门来实现qaoa的条件。
56.从本公开中可以理解，能够将多量子位或多控制门实现为本地操作比必须将门分解为更小的本地操作单元更有效。此外，本文描述的用于使用对cz协议的修改来实现多量子位或多控制门的方法可以应用于任意数量的控制(例如，两个或更多个控制)，并且可以比使用较小单元作为本地操作但控制数量有限的其他方法更灵活。
57.与完全连接的离子阱处理器相比，执行这里描述的技术可能有额外的好处。如果使用像锯齿形模式这样的模式，其中所有离子都耦合，则可以实现任意n次受控z门，其成本(或资源)几乎“平坦”，因为虽然执行门的成本作为n的函数增加，但是本公开中描述的方法几乎与那些n 1量子位在量子计算机或量子信息处理系统内的分布无关。
58.而且，量子计算机或量子信息处理系统可以是模块化的，即可以有多个量子位模块。此类模块化系统的示例在2018年11月26日提交的题为“software
‑
defined quantum computer”的美国专利申请第16/199,993号中有所描述，其内容通过引用并入本文。当要执行的问题或应用的规模大于单个模块内可以处理的量子位的数量时，可以在模块之间“传送”一些量子位，并且只要“子句”的大小是小于模块中量子位的数量(因此可以使用n次受控非门或n次受控z门来实现)，因此就可以有效地实现该算法。
59.除了上述算法之外，其他应用还涉及算术的使用，例如加法或乘法。整数算术经典计算机做得很好。然而，在某些情况下，需要在量子计算机中执行算术以解决例如离散对数问题，这是著名的shor因子分解算法的推广。在shor因式分解算法中，有许多算术运算需要在将结果应用于量子傅立叶变换(qft)运算之前预先执行。shor因式分解算法的算术运算需要使用量子方法来执行，并且这种量子算术电路通常涉及非门、受控
‑
非门和受控
‑
受控
‑
非门。
60.如在本公开中使用的，受控
‑
受控
‑
非门和受控
‑
受控
‑
z门可以被认为是相似或等效的门(在应用于目标的两个哈达玛门内)，并且如上所述，受控
‑
受控
‑
not门通常称为tofffoli门。toffoli门的多个方面之一是它可以用于编写任何经典算法，因为它是可逆经典计算中的通用门。因此，tofffoli门倾向于用于量子电路的一部分受可逆经典运算驱动和/或基于可逆经典运算的量子计算环境中。因此，至少有一部分基于可逆经典运算的量子电路将具有这些类型的多量子位门。这些可逆电路的一些例子包括可逆逻辑电路，尤其是reed
‑
muller类型，其可应用于最小化或映射问题。
61.除了在量子算术电路中使用多量子位门之外，这些类型的门还可以用于量子纠错码及其蒸馏电路(distillation circuit)。
62.本公开中描述的多量子位门的另一个应用包括量子模拟，例如用于建模或模拟材料的各种性质的量子模拟。由于某些材料模拟涉及对量子粒子之间的强相关性(例如，核物理中的有效力)进行建模，因此多量子位门可用作模拟多个粒子之间相互作用的算法的一
部分。
63.本公开中描述的多量子位门的又一应用包括select
‑
v门，通常用于使用幺正或量子信号处理算法的线性组合的哈密顿模拟。它们是渐近最佳的模拟算法，并且它们也可用于直接实现toeplitz和hankel矩阵或循环矩阵及其变体以进行视觉跟踪。select
‑
v门实现需要使用多量子位或多控制门。然而，这些算法中的大多数都假定容错。
64.图4示出了计算机设备400的示例，该计算机设备400被配置为使用如上所述的cz协议的修改版本实现多量子位门并且执行使用多量子位门的一种或多种算法。在一个示例中，计算机设备400可以包括处理器410，用于执行与本文描述的一个或多个特征相关联的处理功能。处理器410可以包括单组或多组处理器或多核处理器。此外，处理器410可以实现为集成处理系统和/或分布式处理系统。处理器410可以包括中央处理单元(cpu)、量子处理单元(qpu)、图形处理单元(gpu)或这些类型处理器的组合。一方面，处理器410可以指计算机设备400的通用处理器，其还可以包括额外的处理器410以执行更具体的功能，例如用于实现多量子位门并用这样的门执行各种算法的功能。
65.在一个示例中，计算机设备400可以包括存储器420，用于存储处理器410可执行的指令以执行本文描述的功能。例如，在一个实施方式中，存储器420可以对应于存储代码或指令以执行本文描述的一个或多个功能或操作的计算机可读存储介质。在一个示例中，存储器420可以包括用于执行以下结合图5描述的方法500的各方面的指令。与处理器410一样，存储器420可以指计算机设备400的通用存储器，其还可以包括附加存储器420来存储用于更具体功能的指令和/或数据，例如用于实现多量子位门，维持这些门的运行，和/或基于这些门执行算法的指令和/或数据。
66.此外，计算机设备400可以包括通信组件430，其用于使用硬件、软件和服务来建立和维持与一方或多方的通信。通信组件430可以承载计算机设备400上的组件之间的通信，以及计算机设备400和外部设备之间的通信，例如位于通信网络上的设备和/或串行或本地连接到计算机设备400的设备。例如，通信组件430可以包括一个或多个总线，并且还可以包括分别与发射器和接收器相关联的发射链组件和接收链组件，其可操作以与外部设备接口。
67.此外，计算机设备400可以包括数据存储440，其可以是硬件和/或软件的任何适当组合，其提供与文本描述的实现结合使用的信息、数据库和程序的大容量存储。例如，数据存储440可以是操作系统460(例如，经典os或量子os)的数据储存库。在一种实现方式中，数据存储440可以包括存储器420。
68.计算机设备400还可以包括用户界面组件450，其可操作以从计算机设备400的用户接收输入并且进一步可操作以生成用于呈现给用户或提供给不同系统的输出(直接或间接)。用户界面组件450可以包括一个或多个输入设备，包括但不限于键盘、数字键盘、鼠标、触敏显示器、数字转换器、导航键、功能键、麦克风、语音识别组件、能够接收来自用户的输入的任何其他机制、或它们的任何组合。此外，用户界面组件450可以包括一个或多个输出设备，包括但不限于显示器、扬声器、触觉反馈机制、打印机、能够向用户呈现输出的任何其他机制、或其任何组合。
69.在一个实施方式中，用户界面组件450可以发送和/或接收与操作系统460的操作相对应的消息。此外，处理器410可以执行操作系统460和/或应用程序、程序或算法，并且存
储器420或数据存储440可以存储它们。
70.当计算机设备400被实现为基于云的基础设施解决方案的一部分时，用户界面组件450可用于允许基于云的基础设施解决方案的用户与计算机设备400远程相互作用。
71.图5是图示用于使用离子阱实现多量子位门的方法500的示例的流程图。在一方面，方法500可以在诸如上述计算机系统400的计算机系统中执行，其中例如处理器410、存储器420、数据存储440和/或操作系统460可以用于执行方法500的功能。类似地，方法500的功能可以由qip系统的一个或多个组件执行，例如qip系统605及其组件(例如，配置组件615、光控制器620、离子阱670和/或算法组件610及其子组件)。
72.在510，方法500包括启用离子阱中的离子(例如，原子离子220)，其包括三个能级(例如，量子位状态|0>、|1>、以及辅助状态|a>)。
73.在520，方法500包括在离子阱中的离子的运动基态启用低速升温运动模式(例如，图2b中的图示200b中的锯齿形模式)。
74.在530，方法500包括使用低速升温运动模式作为cz协议的运动状态以及能级之一作为cz协议(例如，用于实际实施的cz协议的修改版本)的辅助状态来执行cz协议。执行cz协议包括实现多量子位门。例如，可以使用离子阱中的离子的至少一个子集来实现多量子位门。
75.在方法500的一个方面，多量子位门是单本机门操作。多量子位门可以是多控制量子位门。多量子位门可以是n次受控z门或c
n
‑
z门。
76.在方法500的另一方面，低速升温运动模式是锯齿形模式。低速升温运动模式可以是俘获离子系统中的所有离子都强耦合的模式，并且低速升温运动模式可以具有与背景电场噪声的空间频率轮廓不同的空间频率轮廓。在这样的例子中，这种模式提供的全对全连接允许人们在链中的任意一组量子位之间实现n次受控z(或n次受控非)门。
77.在一种替代方法中，在一特定组的量子位中实现本节中描述的多量子位门可能会利用不同的运动模式，该模式有效地耦合门中的所有量子位，但不包括不参与该门的其他量子位。也就是说，挑选或选择的运动模式取决于应用门的离子组。例如，如果门涉及17个离子链中的离子1、3、16和17，则可以使用“摇摆”模式，其中这四个离子强烈耦合，但有些离子耦合不太好。这将有助于管理或最小化不参与门的其他离子的激发。虽然这种模式选择对于任何一组离子都不是通用的，但这里的要点是可以根据门中涉及的离子组使用不同的模式。
78.在方法500的另一方面，方法500可以包括基于在其上应用该门的离子选择低速升温运动模式。例如，所选择的低速升温运动模式可以是摇摆模式或锯齿形模式，具体取决于链或晶体中的哪些离子用于正在实施的门。
79.在方法500的另一方面，辅助状态是塞曼基态(例如塞曼能级)或亚稳激发态(例如d能级)之一。
80.方法500的其他方面包括使用离子阱中的离子的至少一个子集，通过使用涉及在第一方向上的单个宽光束和在第二方向上用于该离子子集中的每个离子的单独光束的光学寻址方案控制该离子子集来实现多量子位门。第一和第二方向是相反的方向(180度)或者第一和第二方向是垂直或法线方向(90度)。
81.方法500的其他方面包括使用离子阱中的离子的至少一个子集通过调制施加到该
离子子集的光束以补偿运动模式中的频率漂移来来实现多量子位门。调制可以是幅度调制(am)、频率调制(fm)、相位调制(pm)或三者的任意组合。此外，调制可由一个或多个aom(例如，aom 645)执行。
82.方法500的其他方面包括使用离子阱中的离子的至少一个子集通过使用或施加光束来控制该离子子集并对光束的强度施加或执行脉冲补偿以减少强度漂移来实现多量子位门。
83.方法500还可包括使用多量子位门执行一种或多种算法。所述一种或多种算法可以包括grover算法，并且grover算法的一个或多个预言机是使用多量子位门实现的。所述一个或多个算法可以包括qaoa，并且qaoa的一个或多个布尔子句条件是使用多量子位门实现的。所述一种或多种算法可以包括shor因式分解算法，并且shor因式分解算法的一个或多个算术电路是使用多量子位门实现的，其中多量子位门可以是非门、受控非门，或受控
‑
受控
‑
非门之一。所述一种或多种算法可以包括纠错算法，并且纠错算法的蒸馏电路是使用多量子位门实现的。所述一种或多种算法包括量子模拟(例如，材料模拟)，并且作为量子模拟的一部分执行的多体相互作用中的至少之一是使用多量子位门执行的。所述一种或多种算法可以包括哈密顿模拟，并且哈密顿模拟的select
‑
v门是使用多量子位门实现的。
84.图6a是说明根据本公开的各方面的qip系统605的实例的图示600。qip系统605也可以被称为量子计算系统、量子计算机、计算机设备等。在一方面，qip系统605可以对应于图4中的计算设备400的量子计算机实现的部分。
85.qip系统605可以包括向具有离子阱670的室650提供原子种类(例如，中性原子流)的源660，离子阱670捕获被光学控制器620电离(例如，光电离)后的原子种类。在一些实施方式中，源660在室650内部。离子阱670可以用于捕获在线性晶体中的离子(如图2a中的图示200a所示)。光学控制器620中的光源630可包括一个或多个激光器或光束源，其可用于原子种类的电离、原子离子的控制(例如相位控制)，可以通过在光学控制器620中的成像系统640中操作的图像处理算法来监控和跟踪原子离子的荧光，和/或使用cz协议的修改以及与多量子位门675的其他相互作用(例如上面描述的那些)来执行与实现多量子位门675相关联的光学控制功能。在一方面，光源630可以与光学控制器620分开实施。
86.成像系统640可以包括用于在原子离子被提供给离子阱时或在它们已经被提供给离子阱670之后监测它们的高分辨率成像器(例如，ccd照相机)。在一个方面，成像系统640可以与光学控制器620分开实施，然而，使用图像处理算法使用荧光来检测、识别和标记原子离子可能需要与光学控制器620协调。
87.声光调制器aom 645可用于对光源630产生的激光或光束进行调制。调制可包括am、fm、pm或三者的任意组合，并且可以至少部分地用于抵消或补偿模式频率的漂移，如上所述。
88.qip系统605还可以包括算法组件610，其可以与qip系统605的其他部分(未示出)一起操作以执行量子算法或量子操作，包括单量子位操作或多量子位操作以及扩展量子计算。因此，算法组件610可以向qip系统605的各种组件(例如，向光控制器620)提供指令以能够实现量子算法或量子操作，并因此实现本文描述的各种技术。
89.qip系统605还可以包括配置组件615，其可以向qip系统605的其他部分提供适当的指令、命令和/或信息以启用使用cz协议的修改版本实现多量子位门所必需的适当的运
动状态和其他条件，然后在各种算法中使用以这种方式实现的多量子位门。因此，配置组件615可以与算法组件610通信，以识别哪个算法要被实施以及哪种类型的多量子位门要被实施用于该算法，与光学控制器620通信，用于要使用cz协议的修改版本执行的操作以及用于光学寻址方案和用于执行处理模式频率和/或强度漂移的技术，并且与室650/离子阱670通信，以启用建立运动状态的适当条件和执行与该运动状态的相互作用。在一些实现方式中，配置组件615不需要是分开的组件并且可以至少部分地集成到qip系统605的其他组件中。在一些实现方式中，配置组件615可以被实现为硬件处理器，其利用可执行指令执行上面描述的各种功能。
90.图6b示出了算法组件610的至少一部分。在该示例中，算法组件610可以包括不同的子组件以支持不同算法的操作。这些子组件中的每一个可以在qip系统605中接收、存储和/或访问与指定算法的执行相关的信息，包括与为了执行指定算法而实现的多量子位门的类型相关的信息。在一个实施方式中，算法组件610可以包括grover算法组件611，其具有用于执行如上所述的grover算法的信息。在一个实施方式中，算法组件610可以包括qaoa组件612，其具有用于执行如上所述的qaoa的信息。在一个实施方式中，算法组件610可以包括shor因式分解算法组件613，其具有用于执行如上所述的shor因式分解算法的信息。在一个实施方式中，算法组件610可以包括纠错组件614，其具有用于执行如上所述的纠错码的信息。在一个实施方式中，算法组件610可以包括n体相互作用量子动力学模拟组件615，其具有用于执行如上所述的量子模拟的信息。在一个实施方式中，算法组件610可以包括哈密顿模拟组件616，其具有用于执行如上所述的哈密顿模拟的信息。
91.尽管已经根据所示的实施方式提供了本公开，但是本领域的普通技术人员将容易地认识到可以对实施例进行变形并且那些变形将在本公开的范围内。因此，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以做出许多修改。