量子位处理方法与流程

1.本发明涉及量子位处理方法和用于执行该方法的量子位处理器。


背景技术：

2.量子计算涉及量子位的操纵和处理。量子位或量子比特是平行于经典计算中使用的经典“比特”的量子，并且包含信息。存在可以用于处理量子位的多种可能的量子计算方案。
3.一种量子计算方案涉及使用一系列量子逻辑门来操纵量子位。在一种这样的基于门的方法中，脉冲的、局部的和全局的电磁波和静电势顺序地操纵布置在点阵上的固定的量子位和量子位对的状态。通过控制电磁波和电势的参数来控制量子位状态的操纵以实现跨点阵的一系列量子逻辑门。门的配置随时间而改变。典型地，该过程中的最后阶段是量子位状态的读取，最常见的是读取该点阵中的所有量子位。
4.在近期中尺度量子计算或nisq时代，每个器件上的量子位的数量和密度正在增加。例如，有可能使用硅金属氧化物半导体(simos)器件来产生电子自旋量子位的密集的二维网格，该密集的二维网格能够物理地适应这种生长。
5.然而，在器件上执行一系列量子逻辑门(例如，运行量子算法)需要将一系列同时和复杂的快速脉冲递送到器件上，其难度仅在量子位的数量增加时增加。以此方式处理大量量子位是资源密集的，而且是工程挑战。因此，难以设想扩大这种器件。
6.期望创建适用于nisq时代的处理器和处理方法。


技术实现要素：

7.本发明的第一方面提供了一种用于在量子位处理器中执行量子计算的方法。该方法包括以下步骤：配置第一位置集合中的第一位置以执行第一单量子位操作；配置该第一位置集合中的第二位置以执行第二单量子位操作；配置第二位置集合中的第一位置和第二位置以进行双量子位相互作用；在时间t1处，在该第一位置集合中的该第一位置处接收第一量子位；在时间t1处，在该第一位置集合中的该第二位置处接收第二量子位；其中该第一量子位和该第二量子位均被提供在包括n个量子位的第一量子位组内，其中n》2；对在第一位置集合中的该第一位置处的该第一量子位的状态执行该第一单量子位操作；对在该第一位置集合中的第二位置处的该第二量子位的状态执行第二单量子位操作；将第一量子位从第一位置集合中的第一位置转移到第二位置集合中的第一位置；将第二量子位从第一位置集合中的第二位置转移到第二位置集合中的第二位置；在第二位置集合中的第一量子位与第二量子位之间进行双量子位相互作用；将第一量子位从第二位置集合中的第一位置转移到读取位置集合中的第一位置；将第二量子位从第二位置集合中的第二位置转移到读取位置集合中的第二位置；在时间t2处，在第一位置集合中的第一位置处接收第二量子位组的第一量子位，其中t2》t1；在时间t2处，在第一位置集合中的第二位置处接收第二量子位组的第二量子位；读取在读取位置集合中的第一位置处的第一量子位的状态；以及读取在读取
位置集合中的第二位置处的第二量子位的状态。
8.有利地，以此方式处理量子位减少了执行量子位处理方法所需要的资源。在编译阶段中配置每个位置集合以执行特定的单量子位操作或双量子位操作。在运行阶段期间，每个位置集合的配置保持固定，而第一量子位和第二量子位可以从一个位置集合物理地转移到另一个位置集合上以执行一系列处理步骤。以此方式，以相同的方式处理每个量子位组。即，在位置集合中的特定位置处接收的每个量子位经历相同的操作。该第一位置集合中的第一位置和第二位置被配置为分别执行第一单量子位操作和第二单量子位操作。因此，将根据预定义的第一单量子位操作来操纵每个量子位组的第一量子位。类似地，将对每个量子位组的第二量子位的状态执行第二单量子位操作。第二位置集合中的第一位置和第二位置被配置为进行双量子位相互作用，因此使用该方法处理的每个量子位组中的每个第一和第二量子位将根据该配置在第二位置集合中经历双量子位相互作用。
9.在给定位置或位置集合处，仅执行一种类型的操作，直到在后续编译阶段中器件被重置。例如，位置集合可被配置为在每个位置处执行z旋转，对于该位置集合内的每个位置，旋转的量可以是可调谐的。优选地，在编译阶段中将这些位置调谐到所希望的参数，并在运行阶段期间保持恒定。
10.该第一量子位和该第二量子位均被提供在包括n个量子位的第一量子位组内，其中n大于2。在nisq时代，量子位处理器能够处理大量的量子位。第一量子位组中的量子位的数量优选大于50，更优选大于100，使得该量子位处理方法可以执行不能够被经典地模拟的模拟。典型地，每个位置集合中的位置的数量将与该第一量子位组中的量子位的数量相同或大于该第一量子位组中的量子位的数量。每个位置优选地包括电极，该电极可以被配置为对量子位执行操作。可选地，该第一量子位组可以被支持在任何位置集合中，以及可以作为单元在位置集合之间被操纵和转移。这可以通过在位置集合之间使用快速全局控制来执行转移步骤来简化该过程。
11.量子位处理方法包括以下步骤：在时间t2处，在第一位置集合中的第一位置和第二位置处分别接收第二量子位组的第一量子位和第二量子位。在时间t1(t2》t1)处，在第一位置集合中的该第一位置和第二位置处分别接收第一量子位组的第一量子位和第二量子位。这种处理量子位的方法的优点是：通过在处理第一量子位组之后不久在处理器中开始处理第二量子位组，能够同时在量子位处理器中处理多组量子位。这可以通过在空间中转移第一量子位组来实现。同时处理多个量子位组能够增加吞吐量。优选地，在可以对量子位执行操作的操作阶段期间，第一量子位组和第二量子位组被至少两个未被占用的位置集合分隔开。可选地，该第一量子位组和第二量子位组被一个未被占用的位置集合分隔开。
12.在时间t
tr
处，第一量子位组的第一量子位和第二量子位可以分别从该第二位置集合中的第一位置和第二位置被转移到第三位置集合中的第一位置和第二位置，该时间t
tr
典型地是在第一位置集合处接收第一量子位组之后，即t
tr
》t1。第三位置集合优选地是在第二位置集合与读取位置集合之间的中间位置集合。优选地，第一量子位组从第二位置集合到第三位置集合的转移发生在第一位置集合处接收第二量子位组之前，即t
tr
≤t2。有利地，这在该处理器内，在第一量子位组与第二量子位组之间提供了空的位置集合。第一量子位组和第二量子位组可以被单个未被占用的位置集合的最小值分隔开。这个距离可以在整个过程中被保持，避免跨第一量子位组和第二量子位组的无意量子位相互作用。可选地，同时并
且独立地处理多组量子位，在不同的位置集合中占用相同的相应位置。
13.典型地，在量子位处理器中存在n个位置集合，其中n》3。n的值可以通过计算机程序中的期望步骤数来确定。优选地，在每个位置集合处执行一个步骤，因此n个位置集合可以适应n个编程步骤。典型地，在计算结束时读取量子位的状态。因此，第n位置集合优选地包括读取位置集合。
14.可选地，在时间tr处，读取第一量子位组的第一量子位的状态；在时间tr处，读取第一量子位组的第二量子位的状态；其中tr》t2。在这个示例中，在时间t2处，在第一量子位组的处理完成之前开始在第一位置集合处接收第二量子位组的处理。典型地，该量子位处理方法中的最后步骤是读取该组内的量子位的状态。有利地，由量子位处理器同时处理多个量子位组增加了处理能力。
15.每组量子位的处理方式与该组通过从第一位置集合到读取位置集合的连续位置集合遍历量子位处理器的方式相同。因而，如果没有错误发生，在每个量子位组中的第i量子位的状态将是相同的。每个量子位组典型地包括n个量子位，1≤i《n。尽管如此，预期会发生将影响一个或更多个量子位的状态的错误。目前不可能完全消除错误，因此典型地多次执行量子计算以减少错误对计算的影响。这种处理量子位的方法有利地允许在该量子位处理器中独立地并且同时地处理多个量子位组，以便快速连续地多次重复执行相同系列的操作，从而确定每个量子位的平均状态。
16.优选地，该量子位处理器中的每个位置集合均可以被配置为对量子位组中的量子位的状态执行操作。操作可选地包括等待或由等待组成。每个量子位组典型地被连续的位置集合接收，终止于读取位置集合。多个量子位可以被同步处理。可选地，该量子位处理方法进一步包括以下步骤：在时间t3处，将第一量子位组的第一量子位从第三位置集合中的第一位置转移到第四位置集合中的第一位置；在时间t3处，将第一量子位组的第二量子位从第三位置集合中的第二位置转移到第四位置集合中的第二位置；在时间t3处，将第二量子位组的第一量子位从第一位置集合中的第一位置转移到第二位置集合中的第一位置；以及在时间t3处，将第二量子位组的第二量子位从第一位置集合中的第二位置转移到第二位置集合中的第二位置；其中t3》t2。有利地，多个量子位组在位置集合之间的转移可以被同步和全局地执行。第四位置集合优选地是第三位置集合与读取位置集合之间的中间位置集合。
17.总体上，在该量子位处理方法中的位置集合中可以进行双量子位相互作用。优选地，一种n量子位处理方法进一步包括以下步骤：在该第一量子位组中的第i量子位与第一量子位组中的第(i 1)量子位之间进行相互作用，使得该第一量子位组中的每个量子位直接或间接地与该第一量子位组中的每隔一个量子位相互作用。对于包括n个量子位的第一量子位组，1≤i《n。在特定的量子位对之间发生相互作用的位置可以取决于位置集合的配置以及位置集合内的位置。第i量子位和第(i 1)量子位优选地是该组中物理上相邻的量子位，进行交互作用可以包括：使量子位在空间上更靠近在一起以增加量子位之间的隧道耦合(tunnel coupling)，使得进行最近的相邻交互作用，如最近的相邻海森堡交换。
18.该量子位处理方法包括以下步骤：在两个量子位之间进行相互作用。更一般地，在n量子位组中，可以在该n量子位组内的任何相邻的量子位对之间进行相互作用。然而，连续的量子位组之间的时间的和空间的间隔优选地确保将不会存在组间量子位相互作用。例
如，该第一量子位组中的第一量子位与该第二量子位组中的第一量子位不相互作用。优选地，在操作阶段期间，第一量子位组和第二量子位组被至少一组未被占用的位置集合分隔开，以便避免属于不同量子位组的量子位之间的相互作用。如果执行操纵和转移步骤所花费的时间在位置集合之间不相等，则可能需要在每个占用的位置集合之间具有两个或更多个未被占用的位置集合。
19.可以初始化未被占用的位置集合。可选地，任何或所有未被占用的位置集合可以被全局重置为“零”。该量子位处理方法可以进一步包括：在该第一位置集合上执行初始化操作。执行初始化操作可以发生在该第一量子位组的第一量子位和第二量子位分别从该第一位置集合中的第一位置和第二位置转移之后，并在该第一位置集合中的第一位置和第二位置处分别接收该第二量子位组的第一量子位和第二量子位之前。这可以有利地防止在量子位的不完美转移的情况下的不希望的串扰。可选地，可以在第一量子位组的第一量子位和第二量子位从第一位置集合中的第一位置和第二位置转移之后，并在执行初始化操作之前测量量子位状态。在这种情况下，除非发生错误，否则测量结果将为零。因此，这可以有利地用于监测错误的发生，并在错误的情况下执行全局重置。
20.可选地，量子位是电子自旋量子位或捕获离子量子位或超导量子位。电子自旋量子位适合于量子计算过程，因为电子自旋量子位可以容易地操纵并且耦合到其他电子自旋量子位上。捕获离子量子位有利地提供了稳定性，这可以提高量子计算的容错性。超导量子位可以提供长的相干时间。优选地，量子位是基于硅的器件中的电子自旋量子位，因为这些有利地提供长的相干时间，并与现有技术兼容。
21.在位置集合之间转移量子位的步骤典型地取决于所选择的量子位的类型。例如，转移步骤可以包括：电子穿梭(shuttle)，其中电子自旋量子位或捕获离子量子位可以是“穿梭的”。这指的是局部电势能被修改以传输电荷的过程。电子将在电势能图景(landscape)中稳定在局部最小值，以及可以通过升高其当前位置中的电势能并降低预期位置中的电势能来向前穿梭，同时在别处维持高势垒以引导电子。这种方法是有利的，因为它是可靠的并且耐受故障。另外，使用电子穿梭的转移允许通过处理器对多个量子位组的移动进行全局控制。
22.可替代地，转移步骤可包括swap操作。在swap操作中，两个量子位被交换。可选地，swap操作可以用于转移超导量子位。在这个示例中，在每个位置集合中的每个位置处可以存在量子位，这可以有利地增加吞吐量。
23.本发明的另一方面提供了一种量子位处理器。该量子位处理器能够实现根据本发明的第一方面的量子位处理方法。该量子位处理方法的任何特征可以在该量子位处理器中实现，该量子位处理器的任何特征可以用于执行该量子位处理方法。本发明的每个方面具有相似的优点。该量子位处理器包括：第一位置集合、第二位置集合、以及读取位置集合。每个位置集合至少包括：第一位置和第二位置，该第一位置和第二位置被配置为分别接收第一量子位和第二量子位。第一位置集合中的第一位置被配置为执行第一单量子位操作，该第一位置集合中的第二位置被配置为执行第二单量子位操作。该第一位置集合被配置为：在第一位置处接收第一量子位以及在第二位置处接收第二量子位；对第一量子位的状态执行第一单量子位操作；以及对第二量子位的状态执行第二单量子位操作。第二位置集合中的第一位置和第二位置被配置为进行双量子位相互作用。第一量子位和第二量子位从第一
位置集合被转移到第二位置集合。第二位置集合被配置为在第一量子位与第二量子位之间进行双量子位相互作用。第一量子位和第二量子位从第二位置集合被转移到读取位置集合。该读取位置集合被配置为读取第一量子位的状态和第二量子位的状态。
24.优选地，使用simos技术来制造该量子位处理器，其中，高密度的量子位布置有可能具有低功率要求。该量子位处理器优选地被配置为处理n个量子位的组，典型地每个位置集合被配置为具有至少n个位置以容纳该n量子位组。n个位置中的每个均可包括电极。可选地，可以将电压施加到一个或更多个电极上以实现单量子位操作或双量子位操作。处理步骤的数量取决于所实现的程序。典型地，步骤数量n大于3，量子位处理器典型地包括至少n个位置集合。
25.使用simos技术来制造量子位处理器可以提供可扩展的架构，该可扩展的架构可以在处理芯片上实现量子位的密集封装布置。所描述的n量子位处理方法可能需要布置n
×
n个电极，以及优选地需要布置n
×
n个对应位置。这是√n
×
√n布置的替代方案，在该布置上可以顺序地执行n个不同的过程。在n
×
n个位置的布置中，该n个位置集合优选地对应于n个时间步长，然后在每个位置集合内的n个位置优选地对应于组中量子位的数量。使用simos技术，更大数量的位置是可能的，量子位处理方法有利地需要较少的来自信号发生器的输入。在量子位处理过程中对量子位组的控制被有利地简化。
26.该量子位处理器可选地包括第三位置集合；其中，电压源被电连接到该第一位置集合和该第三位置集合，以便同时向该第一位置集合和该第三位置集合施加电压。该第三位置集合优选地是在该第二位置集合与该读取位置集合之间的中间位置集合。所描述的量子位处理方法的优点是：能够在任何时间在该处理器内处理多组量子位。量子位沿着处理器从一个位置集合到下一个位置集合的转移可以有利地全局地执行。例如，相同的电压源可以用于将第一量子位组和第二量子位组两者转移到下一个位置集合，即使第一量子位组和第二量子位组可以在处理器内在空间上分隔。优选地，存在分隔每个占用的位置集合的至少两个未被占用的位置集合。有利地，该电压源可以被电连接到每个占用的位置集合，以通过量子位处理器来控制多个量子位组的移动。
27.可以在运行作为量子计算的一部分的量子位处理方法之前建立量子位处理器。这通常涉及在每个位置处局部调谐电极，使得每个位置集合中的每个位置可被配置为执行特定操纵或操作。位置处的电极可以被配置为执行单量子位操作，或者位置集合中的一对相邻位置处的电极可以被配置为在两个量子位之间进行相互作用。该量子位处理器优选地在执行计算之前被配置。在计算阶段期间，该量子位处理器配置优选地保持固定，使得每个位置集合以及位置集合内的每个位置对所接收的每个连续的量子位组执行相同的操作。
28.优选地，该量子位处理方法包括编译阶段、运行时阶段和读取阶段。在编译阶段期间，第一位置集合中的第一位置和第二位置被配置为分别执行第一单量子位操作和第二单量子位操作。在示例中，第一单量子位操作是x旋转，第二单量子位操作是z旋转。在另一个示例中，该第一单量子位操作和第二单量子位操作是相同类型的操作。第二位置集合中的第一位置和第二位置也在编译阶段期间被配置以进行诸如交换相互作用的双量子位相互作用。
29.可选地，在编译阶段，可以调谐施加到量子位处理器内的位置集合中的位置处的电极上的电压。该调谐可选地控制位置集合内的各个位置处的量子位逻辑门速率，以及位
置集合之间的电子的隧道速率。在特定的位置集合上，电压调谐可以控制在位置集合内的各个位置处的量子位-量子位耦合强度。在该运行时阶段期间，可以执行接收量子位、执行操作、转移量子位和进行相互作用的步骤。根据在编译阶段期间设置的每个位置集合内的每个位置的配置执行操作。在编译阶段中建立的调谐可以提供在运行时阶段过程中对量子位以及量子位所携带的量子信息的控制。
30.可选地，该运行时阶段包括以下步骤：在二维位置网格中的第k位置集合处同步接收n个量子位状态；对第k位置集合处的量子位的状态执行同步操纵(该同步操纵可以包括等待)；以及将n个量子位状态从该第k位置集合同步转移到后续的第(k 1)位置集合上。
31.典型地，交替的位置集合彼此解耦，使得操纵实现一组单量子位逻辑门。在中间位置集合上，某些相邻的量子位可以彼此耦合，使得操纵实现双量子位逻辑门。
32.优选地，已经完成了对于所有位置集合的以上运行时步骤，在读取阶段期间，在最终位置集合(读取位置集合)处读取n个量子位的状态。
33.本发明的另一方面提供了一种用于在量子位处理器中执行量子计算的方法。该方法包括以下步骤：在第一位置集合中的第一位置处接收第一量子位；在第一位置集合中的第二位置处接收第二量子位；对在第一位置集合中的该第一位置处的第一量子位的状态执行操作；对在第一位置集合中的第二位置处的第二量子位的状态执行操作；将第一量子位从第一位置集合中的第一位置转移到第二位置集合中的第一位置；将第二量子位从第一位置集合中的第二位置转移到第二位置集合中的第二位置；在第二位置集合中的第一量子位与第二量子位之间进行相互作用；将第一量子位从第二位置集合中的第一位置转移到读取位置集合中的第一位置；将第二量子位从第二位置集合中的第二位置转移到读取位置集合中的第二位置；读取在读取位置集合中的第一位置处的第一量子位的状态；以及读取在读取位置集合中的第二位置处的第二量子位的状态。
34.本发明的另一方面提供了一种量子位处理器。该量子位处理器能够实现根据本发明的第一方面的量子位处理方法。该量子位处理方法的任何特征可以在该量子位处理器中实现，该量子位处理器的任何特征可以用于执行该量子位处理方法。本发明的每个方面具有相似的优点。该量子位处理器包括：第一位置集合、第二位置集合、以及读取位置集合。每个位置集合至少包括：第一位置和第二位置。第一位置集合被配置为：在第一位置处接收第一量子位以及在第二位置处接收第二量子位；对第一量子位的状态和第二量子位的状态执行操作。该第一量子位和该第二量子位从该第一位置集合被转移到该第二位置集合。该第二位置集合被配置为在该第一量子位与该第二量子位之间进行相互作用。该第一量子位和该第二量子位从该第二位置集合被转移到该读取位置集合。该读取位置集合被配置为读取该第一量子位的状态和该第二量子位的状态。
附图说明
35.现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：
36.图1是根据第一实施例的量子位处理器的示意图；
37.图2是根据第二实施例的量子位处理器的示意图；
38.图3是根据第三实施例的量子位处理器的示意图；
39.图4a是根据第四实施例的量子位处理器在时间ta处的示意图；
40.图4b是根据第四实施例的量子位处理器在时间tb》ta处的示意图；
41.图5是根据第五实施例的量子位处理器的示意图；
42.图6a是根据第六实施例的量子位处理器在时间t1处的示意图；
43.图6b是根据第六实施例的量子位处理器在时间t2处的示意图；
44.图6c是根据第六实施例的量子位处理器在时间t3处的示意图；
45.图6d是根据第六实施例的量子位处理器在时间t4处的示意图；
46.图7是根据第七实施例的量子位处理器中的操作的示意图；
47.图8a是根据第八实施例的量子位处理器中的操作的第一示意图；
48.图8b是根据第八实施例的量子位处理器中的操作的第二示意图；
49.图9是根据第九实施例的量子位处理器中的操作的流程图；
50.图10a是根据第十实施例的量子位处理器中的操作的第一示意图；
51.图10b是根据第十实施例的量子位处理器中的操作的第二示意图；
52.图10c是根据第十实施例的量子位处理器中的操作的第三示意图；
53.图11是根据第十一实施例的量子位处理器中的操作的流程图；
54.图12是根据第十二实施例的量子位处理器的俯视图的示意图；
55.图13a是根据第十三实施例的量子位处理器的俯视图的示意图；以及
56.图13b是根据第十三实施例的量子位处理器的横截面视图的示意图。
具体实施方式
57.图1示意性地示出了第一实施例中的第一位置集合101、第二位置集合102、第三位置集合103和第n位置集合107。每个位置集合101-103、107均被配置为支持一组量子位108，以及操纵该组内的量子位的状态。在这个实施例中，每个位置集合101-103、107均被配置为在位置集合内的量子位上执行预定的操作。为了在量子计算方案中在量子位上执行一系列操作，将该组量子位从一个位置集合穿梭到下一个位置集合。包括n个步骤的量子位处理方法能够在这个实施例中通过包括n个位置集合来实施。在第n位置集合处执行第n步骤，其中，1≤n≤n。第n位置集合107是读取位置集合，在该读取位置集合处该组内的每个量子位的状态可以由读取装置109读取。
58.图2示意性地示出了根据第二实施例的六个相邻的位置集合201、202、203、204、205、206。在该实施例中，对于每个位置集合201-206，执行操作所花费的时间是相同的。量子位处理方法通过交替的操作步骤和穿梭步骤进行。在操作步骤过程中，根据对于该位置集合的预定操作来操纵该组量子位。在穿梭步骤过程中，将该组量子位从第n位置集合穿梭到第(n 1)位置集合，其中1≤n≤n-1，以及总共存在n个位置集合。这种处理量子位的方法有利地允许连续地处理多组量子位。
59.图2示出了所示六个位置集合201-206之间的电连接。第一位置集合201和第四位置集合204由第一电压源211同步控制。类似地，第二位置集合202和第五位置集合205、以及第三位置集合203和第六位置集合206分别由第二电压源212和第三电压源213同步控制。电压源211-213中的每个均是快速脉冲发生器，以及与每隔两个位置集合电连接。如将参见图7所描述的，每个电压源所施加的电压均可以被修改以便将该组量子位从第n位置集合穿梭到第(n 1)位置集合。用单个电压源联合控制每隔两个位置集合允许该组量子位填充每隔
两位置集合，并且用单个电压源联合控制每隔两个位置集合同时被穿梭。例如，参见图2，可以分别根据第一位置集合和第四位置集合的预定操作来操纵第一位置集合中的第一组量子位和第四位置集合中的第二组量子位。在操作步骤之后，可以通过控制施加到第一电压源和第二电压源上的电压将第一组量子位和第二组量子位分别穿梭到第二位置集合和第五位置集合。在穿梭步骤之后，可以分别根据第二位置集合和第五位置集合的预定操作来操纵第一组量子位和第二组量子位。
60.在替代实施例中，使用swap操作执行量子位组从一个位置集合到后续的位置集合上的转移。在该示例中，可以占用每个位置集合中的每个位置。根据特定位置内的预先配置的布置来操纵量子位，然后执行swap操作。在swap操作过程中，通过将第n位置集合和第(n 1)位置集合耦合，可以将已经经历了第n次操纵操作的第n位置集合中的量子位与第(n 1)位置集合中的量子位进行交换，其中1≤n≤n-1，以及总共存在n个位置集合。以此方式，数据量子位组通过处理器从第一位置集合行进到第n位置集合，在该第n位置集合中数据量子位组的状态被读取，辅助量子位以相反的方向行进，从而在整个处理器上进行swap。swap操作可以用于转移任何类型的量子位，但是在使用超导量子位的实现方式中可以是特别有利的。类似于穿梭要求，第一子位组和第二量子位组应该被至少两个位置集合分隔开以避免当相邻的多个位置集合耦合时组间量子位相互作用。
61.量子位处理方法通常需要多次重复以建立代表性统计结果。如所描述的在量子位处理器内同时处理连续的量子位组允许执行许多重复。
62.如果对于每个位置集合的操作和穿梭时间是恒定的，则每两个位置集合的最大值可以被占用，因此每个电压源可以被电连接到每两个位置集合，以便执行量子位组从一个位置集合到下一个位置集合的转移步骤。在另一实施例中，每个位置集合的操作和穿梭时间可以不是恒定的。在这种情况下，可以将n个位置集合划分成块，其中，针对每个块执行操作和穿梭步骤所花费的时间相同。如果对于每个位置集合，操作和穿梭时间不是恒定的，则可能需要在每个被占用的位置集合之间具有多于两个未被占用的位置集合。在这种情况下，块中的每个位置集合将电连接至不同的电压源。使用一个电压源同时控制多个位置集合有利地降低了该量子位处理方法中控制和互连资源的所需数量和复杂度。
63.在另一实施例中，在特定位置集合处的操作可能比其他位置集合处的操作花费显著更长(例如，一个数量级或更多)的时间来执行。例如，在第一位置集合处的初始化操作或在第n位置集合处的读取操作可以花费长时间来执行。在这个示例中，量子位处理器可能仅能够支持单个量子位组。然而，通过处理器转移组所需的资源以及类似地处理的复杂度将仍然降低。如果量子位处理器一次仅处理一个量子位组，则可以仅使用三个而不是n个电压源来执行这些转移步骤。
64.图3是根据第三实施例的量子位处理器电路的示例性部分。示出了四个位置集合301、302、303、304，其中，五个电极305、306、307、308、309在每个位置集合301-304中的相应位置处。每个位置集合301-304均可以接收一组n个量子位，其中，每个电极305-309均可以接收量子位。在这个实施例中，在每个量子位组中均有五个量子位，n＝5。在第一位置集合301中，存在五个单量子位量子逻辑门311、312、313、314、315。在第二位置集合302中，第一电极和第二电极以及第四电极和第五电极被耦合以形成双量子位量子逻辑门321、322。第二位置集合302被配置为使得来自第一位置集合301的已经在第一位置集合中经历了单量
子位操作的第一量子位和第二量子位在第二位置集合302中彼此相互作用。类似的相互作用发生在第二位置集合302中的第四量子位和第五量子位之间。分别在第三位置集合303和第四位置集合304中示意性地示出的双量子位量子逻辑门323、324确保在该量子位处理方法过程中每个量子位与剩余的量子位直接或间接相互作用。这总体上是通过在相邻的量子位(即，第i个量子位与第(i-1)和第(i 1)个量子位，1＜i＜n)之间进行相互作用来实现的。在替代实施例中，用于进行双量子位相互作用的两个电极的耦合可以在该量子位处理器中的任何位置集合中发生。
65.图4a和图4b示意性地示出了根据第四实施例的量子位处理器电路的一部分。在这个示例中，量子位是电子自旋量子位，其中，电子被限制在量子点中，量子信息被包含在电子的自旋状态中。示出了三个位置集合401、402、403。在图4a中，按照为第一位置集合401预设的控制参数对包括五个量子位的一组n(n＝5)个量子位405、406、407、408、409进行操纵。在这个实施例中，在第一位置集合中的位置处的每个电极均被配置为单量子位量子逻辑门411、412、413、414、415。在第一位置集合401中的操作步骤的过程中，该组量子位中的每个量子位405-409因此经历单量子位操作。在时间ta处，在第一位置集合401中的操作步骤之后以及在从第一位置集合401到第二位置集合402的穿梭步骤之前，每个量子位405-409的状态被表示为其中1≤i≤5。随着穿梭时间δts，五个量子位405-409被转移到第二位置集合402，如水平线所示。
66.在图4b中，该组量子位405-409在第二位置集合402中。第二位置集合包括一个单量子位量子逻辑门422和两个双量子位量子逻辑门421、423。在操作时间δtg期间，由单量子位门和双量子位门421、422、423操纵该组量子位405-409。在时间tb处，每个量子位405-409的状态被表示为其中1≤i≤5。所执行的操作取决于在运行该量子位处理程序之前预设的控制参数的调谐。调谐的水平由阴影示意性地表示。例如，可以针对单量子位量子逻辑门来调谐旋转角，或者可以针对双量子位量子逻辑门来调谐量子位-量子位相互作用的强度。控制参数在特定程序的执行期间保持固定，但可被重新调谐以执行不同程序。
67.图5是根据第五实施例的量子位处理器电路的示例性部分，其中位置集合在解耦配置与耦合配置之间交替。示出了四个位置集合351、352、353、354，其中，五个电极355、356、357、358、359在每个位置集合351-354中的相应位置处。第一位置集合351和第三位置集合353处于解耦配置。在第一位置集合351中，存在五个单量子位量子逻辑门361、362、363、364、365。第三位置集合353也具有五个单量子位量子逻辑门381、382、383、384、385。中间位置集合(即，第二位置集合352和第四位置集合354)处于耦合配置，在该耦合配置中，相邻的量子位被彼此耦合以实现双量子位逻辑门。在第二位置集合352中，第一电极355和第二电极356处的量子位以及第三电极357和第四电极358处的量子位被耦合以形成双量子位量子逻辑门371、372。在第四位置集合354中，双量子位量子逻辑门391、392被配置为分别在第二电极356和第三电极357处以及在第四电极358和第五电极359处耦合量子位。第四位置集合354中的双量子位量子逻辑门391、392从第二位置集合352中的双量子位量子逻辑门371、372偏移。双量子位门的布置影响量子位处理器中的量子位之间的直接或间接的相互作用。在替代实施例中，任何相邻电极对可以被耦合以实现双量子位门。
68.在图5中，第一至第四时间t
11
、t
12
、t
13
、t
14
示意性地指示在该处理器中量子位组在
连续的时间点处的位置。在时间t
11
处，该量子位组从第一位置集合351被转移到第二位置集合352。在时间t
12
处，在第二位置集合352处的量子位组中的相邻量子位之间进行相互作用。在时间t
13
处，量子位组从第二位置集合352被转移到第三位置集合353。在时间t
14
处，量子位组中的每个量子位在第三位置集合353处经历单量子位操作。
69.图6a、图6b、图6c和图6d示意性地示出根据第六实施例的量子位处理器电路的一部分。示出了具有交替的耦合配置和解耦配置的四个位置集合451、452、453、454。在量子位处理方法的运行时阶段过程中的不同时间点处示出了包括五个量子位455、456、457、458、459的量子位组在该量子位处理器中的定位。量子位处理器的处理参数(即量子位进动频率和最近邻连通性)在运行时阶段之前的编译阶段被调谐。最近邻连通性的选择性调谐形成单量子位逻辑门和双量子位逻辑门。
70.在图6a中，描绘了第一转移步骤。在时间t1处示出了量子位，其中，量子位状态被表示为1≤i≤5。第一位置集合451以解耦的布置被配置具有五个单量子位量子逻辑门461、462、463、464、465。量子位组中已经在第一位置集合451的单量子位门461-465处经历了单量子位操作的每个量子位455-459随着时间δts被转移到第二位置集合452，如由水平线所示。
71.在图6b中，在时间t2》t1处，量子位组中的量子位455-459位于第二位置集合452中，该第二位置集合452以耦合布置被配置。随着操作时间δtg，该组量子位455-459被操纵。在第一双量子位量子逻辑门471处的第一量子位455和第二量子位456之间以及在第二双量子位量子逻辑门472处的第三量子位457和第四量子位458之间进行相互作用。示出了双量子位量子逻辑门473的一部分，在该部分处第五量子位459与相邻的量子位(未示出)相互作用。在时间t2处，量子位状态被表示为1≤i≤5。
72.图6c示出了类似于图6a中所示的第二转移步骤的第二转移步骤。在时间t3》t2处，量子位状态被表示为如图6b所示，量子位455-459已经在第二位置集合452中经历了双量子位操作。在时间δts期间，量子位组455-459从第二位置集合452被转移到第三位置集合453。
73.在图6d中，在时间t4》t3处，在第三位置集合453处示出了量子位组455-459，其中，量子位状态被表示为1≤i≤5。第三位置集合453处于解耦配置。在第三位置集合453处存在五个单量子位量子逻辑门481、482、483、484、485。在操作时间δtg期间，该组量子位中的每个量子位455-459均经历单量子位操作。
74.图7示意性地示出了根据第七实施例的量子位的穿梭。该曲线图描绘了电势能(以任意单位)随距离的变化。该电势能跨两个位置集合501、502内的两个捕获位置(trapping location)。在这个实施例中，可以改变电子势图景以“捕获”电子，以及将电子从一个位置集合传输到另一个位置集合。在穿梭时间δts期间，在四个时间点t
s1
、t
s2
、t
s3
、t
s4
处示出了电势能，其中t
s1
＜t
s2
＜t
s3
＜t
s4
。在时间t
s1
处，在第一位置集合501中捕获电子。通过反转位置集合501、502之间的偏置，将电子从第一位置集合501穿梭至第二位置集合502。这导致在穿梭步骤过程中，电极在该第一位置集合501中的捕获位置处的电势能的升高和电极在第二位置集合502中的捕获位置处的电势能的降低。同时，将周围电极的电势能维持在捕获阈值以上，以便将电子限制在位置集合内的特定位置。随着第二位置集合502的偏置电压的增
加、以及第一位置集合501的偏置电压的减小，电子随着电势移动，以及在电子寻出低电势时从一个位置集合穿梭至下一个位置集合。移位偏置为单组量子位局部地产生移动电势最小值。在时间t
s4
处，在第二位置集合502中捕获电子。
75.图8a和图8b示意性地示出了一个量子位的穿梭操作。在该示例中，在每个位置集合601、602、603、604、605、606中，操作步骤的处理时间相同。因此，每组量子位可以在前一组量子位之后进入量子位处理器三个位置集合。在该实施例中，示出了六个连续的位置集合601-606。由正方形示意性地表示每个位置处的每个电极，电极的电子势由阴影的深度表示。较深的阴影对应于较高的电势能。由在电极上的圆示出量子位611、612。在这个实施例中，每个位置集合601-606均包括“捕获”位置，该“捕获”位置包括具有低电势能的电极。每个捕获位置均被包括具有高电势能的电极的限制位置包围。在图8a中，将第一位置集合601和第四位置集合604的电势偏移，使得在相应的捕获位置621、624处的电极的势阱下降到捕获阈值以下，以及电子611、612被捕获。
76.在穿梭过程中，降低第二位置集合602和第五位置集合605的电势能，同时升高第一位置集合601和第四位置集合604的电势能。以此方式，电子沿着量子位处理器并行转移。在图8b中，电子已经分别穿梭到第二位置集合602和第五位置集合605内的捕获位置622、625中。包围捕获位置621、622、623、624、625、626的限制位置631、632、633、634、635、636、641、642、643、644、645、646处的电极的电势能太高而不能捕获电子，因此这些电极将电子引导到位置集合内的选定位置。
77.图9是描述涉及量子位处理方法中的单个量子位的操作的流程图。在第n位置集合中的位置处接收701量子位。这通过施加偏移电压以降低第n位置集合的势阱从而在捕获位置处捕获电子来实现。在捕获该量子位之后，对量子位的状态执行702操作。该操作例如可以是x或z旋转，以及控制该操作的参数是在量子位处理器的编译阶段中预先确定的。在操纵该量子位状态之后，该量子位从第n位置集合中的位置被转移703到第(n 1)位置集合中的对应位置。
78.图10a、图10b和图10c示意性地示出了涉及两个量子位的穿梭操作。在图10a中，该第二位置集合802的电势被偏移，以便在该第二位置集合802中捕获该组n个量子位，其中n＝2。在第二位置集合802中，电极被配置为使得两个量子位831、832被捕获在捕获位置843、844中，以及通过限制位置854、855、856分隔开。每个量子位831、832在第二位置集合802中经历单量子位操作，这花费时间δt
g2
。
79.图10b示出了在穿梭过程中电子从第二位置集合802移动到第三位置集合803。穿梭过程花费时间δt
s2
。在第三位置集合803中，由第二位置集合802中的限制位置855分隔开的两个量子位831、832被带到一起。这是通过将第二位置集合802中的限制位置854-856的电极以及第三位置集合803中的限制位置857、858、859的电极配置为使得第二量子位832从第二位置集合802中的捕获位置844对角地穿梭到第三位置集合803中的捕获位置846来实现的。第一量子位831从第二位置集合802中的捕获位置843水平地穿梭到第三位置集合803中的捕获位置845。在第三位置集合803中，第一量子位831和第二量子位832之间的隧道耦合随着它们在相邻位置中而增加。这使得在第三位置集合803中的第一量子位831和第二量子位832之间能够进行双量子位相互作用。在该示例中，双量子位相互作用随着时间δt
g3
＝δt
g2
发生。
80.在图10c中，示出了在第二穿梭过程中花费时间δt
s3
＝δt
s2
的电子的移动，其中，将第一组量子位从第三位置集合803穿梭到第四位置集合804。在第四位置804中，第二量子位832被对角地穿梭离开第一量子位831，第一量子位831和第二量子位832在第四位置集合804中随着时间δt
g4
＝δt
g2
经历单量子位操作。在将第一组量子位从该第三位置集合803穿梭到第四位置集合804的同时，在第一位置集合801处接收第二组量子位，该第二组量子位包括第三量子位833和第四量子位834。
81.在这个示例中，对于每个位置集合，穿梭时间δt
si
是相等的，其中i表示量子位组从其转移的位置集合。类似地，对于每个位置集合，操作时间δt
gi
是相等的，其中i表示执行操作的位置集合。典型地，该操作时间显著地长于穿梭时间δt
gi
》》δt
si
。例如，操作时间可以在1
×
10-6
s的量级上，穿梭时间可以在1
×
10-9
s的量级上。在其他实施例中，在位置集合之间，操作时间和/或穿梭时间可以不同，第一量子位组和第二量子位组可以由多于两个的未被占用的位置集合分隔开。
82.电压源被用来将全局偏移施加到特定的位置集合上，以便沿着这些组量子位穿梭，同时下面的电势图景保持固定。此穿梭过程是快速的，通常花费约一纳秒。这样，在图10c中的第一位置集合801中捕获的第二组量子位的第三量子位833和第四量子位834将经历与图10a、图10b和图10c中所示出的第一组量子位中的第一量子位831和第二量子位823相同的相互作用的图案。
83.图11是描述涉及量子位处理方法中的两个量子位的操作的流程图。在第一位置集合处接收901第一组量子位。在此之后，按照预定参数对量子位的状态进行操纵902。然后，将第一组量子位从第一位置集合转移903到第二位置集合，此时，状态被再次操纵904。在第二位置集合中的操作阶段之后，该第一组量子位被转移905到第三位置集合。在这个实施例中，在第一位置集合和第二位置集合中的操作是单量子位操作，在第三位置集合中是双量子位操作。电势图景是使得典型地通过使两个量子位紧密靠近以增加隧道耦合来进行906双量子位相互作用。例如，第一量子位可以水平地移动，第二量子位可以水平地和垂直地移动，使得第二量子位与第一量子位相邻。在两个量子位相互作用之后，将第一组量子位从第三位置集合转移907到第四位置集合。同时，在第一位置集合处接收908第二组量子位。第二组量子位经历与第一组量子位相同的操作、转移和相互作用步骤902-907，具有小的时间延迟。使用这种布置，可以以相同的方式操纵和处理多组量子位。
84.图12示意性地示出了使用simos技术制造的电子自旋量子位的量子位处理器的实现方式的俯视图。选择性地蚀刻包括下硅层、中间绝缘层和上硅层的绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)基板，使得保留硅纳米线(silicon nanowire，sinw)的凸起“网格”1001。上硅层被选择性地蚀刻以创建网格，以及由soi基板(未示出)的下硅层和中间绝缘层支撑。
85.网格包括称为水平sinw 1002和垂直sinw 1003的正交纳米线的二维阵列。诸如二氧化硅sio2的电介质材料布置在sinw的顶部上以形成静电势垒。在水平sinw 1002和垂直sinw 1003之间的交叉点处在网格的基本平坦的区域上设置四个表面电极1011、1012、1013、1014。在水平sinw 1002的基本平坦的区域上设置三个交换电极1004、1006、1008。在交换电极1004、1006、1008下方的每个交换区域可以耦合至两个限制区域，其中，限制区域在表面电极1011-1014下方。在图12中，第一表面电极1011和第二表面电极1012定位在第一
交换电极1004的相对侧上。
86.垂直sinw 1003中的每一个均具有两个边缘1020、1030、1040、1050。在垂直sinw 1003中的每一个的边缘1020、1030、1040、1050之上均设置二十个边缘电极1021、1022、1023、1024、1025、1031、1032、1033、1034、1035、1041、1042、1043、1044、1045、1051、1052、1053、1054、1055。第一边缘1020上的每个边缘电极1021-1025与第二边缘1030上的其他边缘电极1031-1035相对布置以形成边缘电极对。类似地，第三边缘1040上的每个边缘电极1041-1045与第四边缘1050上的其他边缘电极1051-1055相对布置以形成边缘电极对。每对边缘电极相隔10纳米。相邻的边缘电极对相隔10纳米。在替代实施例中，跨sinw的边缘电极之间的间距可以高达200纳米，以及沿sinw的边缘电极之间的间距可以高达200纳米。每个边缘电极1021-1025、1031-1035、1041-1045、1051-1055均被配置为使得可以在相应的边缘电极下方的硅网格1001中诱导量子点。这些量子点限定了可以接收量子位的位置。
87.表面电极1011-1014由多晶硅形成。由金形成的相应的导电通孔1015、1016、1017、1018或垂直互连通路电连接至表面电极1011-1014中的每一个。可以向表面电极1011-1014施加偏置电势，以在相应的表面电极1011-1014下方，在硅网格1001中诱导限制区域。交换电极1004、1006、1008还包括导电材料，以及电连接到包括导电材料的对应的导电通孔1005、1007、1009。可以向交换电极1004、1006、1008施加偏置电势，以掺杂交换电极下方的区域，从而提供在垂直sinw 1003之间交换量子信息的方法。
88.类似地，边缘电极1021-1025、1031-1035、1041-1045、1051-1055包括导电材料，以及电连接至包括导电材料的对应的导电通孔1061、1062、1063、1064、1065、1071、1072、1073、1074、1075、1081、1082、1083、1084、1085、1091、1092、1093、1094、1095。在图12中，导电通孔定位于每个边缘电极的一端。然而，导电通孔的定位不影响器件的电性能。可以向边缘电极1021-1025、1031-1035、1041-1045、1051-1055施加偏置电势，以在sinw的边缘处诱导量子点。
89.在替代实施例中，交换电极1004、1006、1008、表面电极1011-1014、边缘电极1021-1025、1031-1035、1041-1045、1051-1055和导电通孔1005、1007、1009、1015-1018、1061-1065、1071-1075、1081-1085、1091-1095可以由任何导电材料形成。
90.在量子位处理方法过程中，边缘电极1021-1025、1031-1035、1041-1045、1051-1055和表面电极1011-1014可以用于支撑硅网格1001中的量子位，交换电极1004、1006、1008可以用于进行双量子位相互作用。
91.在图12中所示的实施例中，如相对于先前图所描述的位置集合平行于水平sinw 1002。位置集合中的每个位置均包括电极。在量子位处理方法过程中的量子位的移动基本上是垂直的。例如，第一量子位可以(a)从第一边缘1020的第一边缘电极1021移动到第一表面电极1011，然后(b)移动到第一边缘1020的第二边缘电极1022，然后(c)移动到第一边缘1020的第三边缘电极1023，然后(d)移动到第二边缘1030的第四边缘电极1034，然后(e)移动到第三表面电极1013，然后(f)移动到第二边缘1030的第五边缘电极1035。第二量子位可以(a)从第四边缘1050的第一边缘电极1051移动到第二表面电极1012，然后(b)移动到第四边缘1050的第二边缘电极1052，然后(c)移动到第四边缘1050的第三边缘电极1053，然后(d)移动到第三边缘1040的第四边缘电极1044，然后(e)移动到第四表面电极1014，然后(f)移动到第三边缘1040的第五边缘电极1045。
92.第一量子位和第二量子位形成量子位组的一部分，该量子位组将作为组移动通过该量子位处理器。用于第一量子位的步骤(a)-(f)与用于第二量子位的步骤(a)-(f)同时发生。在步骤(a)中，第一量子位和第二量子位中的每个分别从边缘电极被转移到第一表面电极1011和第二表面电极1012。此时，在第一量子位与第二量子位之间进行双量子位相互作用。双量子位相互作用由第一交换电极1004调解(mediate)。可以在平行于水平sinw 1002的任何边缘电极对处执行单量子位相互作用。在步骤(e)中，第一量子位和第二量子位分别被转移到第三表面电极1013和第四表面电极1014上。
93.在替代实施例中，可以存在位于相邻水平sinw之间的任何数量的边缘电极。此外，可存在位于每个表面电极之间的交换电极。可以通过选择性偏压来控制交换电极，以控制提供调解交换相互作用的双量子位门的位置。
94.图13a和图13b分别示意性地示出了量子位处理器的另一实现方式的俯视图和横截面侧视图。该实现方式类似于参见图12所描述的实现方式。
95.在图13a中，sinw网格2001设置有水平sinw 2002和垂直sinw 2003。在sinw网格2001上设置包括二氧化硅sio2的第一介电层2101。设置在水平sinw 2002的基本平面的区域上的交换电极2004可以被配置为分别调解第一表面电极2011和第二表面电极2012下方的限制区域之间的交换相互作用。交换电极2004电连接至导电通孔2005，第一表面电极2011和第二表面电极2012电连接至相应的导电通孔2015、2016。
96.如关于图12所描述的，沿垂直sinw 2003的边缘设置金属边缘电极2021和导电通孔2031。在覆盖sinw 2002、2003、交换电极2004、表面电极2011、2012和边缘电极2021的网格2001上设置第二介电层2102。设置覆盖垂直sinw 2003的顶部电极2041。
97.在这个实施例中，水平sinw 2002和垂直sinw 2003的宽度基本相同，但是这在俯视图中是模糊的，因为第二介电层2012和顶部电极2041被定位为覆盖sinw2002、2003。
98.图13b示出了处理器沿着图13a中指示的线a的横截面视图。第一介电层2101布置为覆盖垂直sinw 2003。sinw 2003具有两个边缘2020、2030。两个金属边缘电极2021被定位为覆盖sinw 2003的相应边缘2020、2030。两个导电通孔2031中的每个与两个金属边缘电极2021中的一个电接触。第二介电层2102布置为覆盖sinw 2003和金属边缘电极2021。
99.如将认识到的，提供了在nisq时代使用的一种改进的量子位处理方法和一种量子位处理器，其中，减少了执行该方法所要求的资源。密集的量子位架构可以在用于量子计算的simos器件中实现。所提供的大量量子位阵列的控制的简化使得这些器件的比例放大是可行的。