[发明专利]量子相干态的通用量子控制技术及相关系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求根据35U.S.C.§119(e)于2015年2月27日提交的题为“Holonomic Quantum Computing With Cat-Qudits”的美国临时专利申请第62/126,384号的权益，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本申请总体上涉及量子信息处理。更具体地，本申请涉及具有多个相干量子态的系统的量子控制。

背景技术

准备和控制量子系统的量子态的能力对于量子信息处理而言是重要的。正如传统计算机存储器应该具有初始化比特和实现门以将比特的状态从零改变成一以及从一改变成零的能力，量子计算机应该能够初始化用于存储量子信息的量子系统的状态并且能够实现改变量子系统状态的逻辑门。

量子信息可以存储在各种量子力学系统中的任何一个中。通常，量子信息可以使用被称为“量子比特(qubit)”的量子比特(quantum bit)来进行存储，这些量子比特通常是两态量子力学系统。然而，多态量子系统例如量子力学振荡器也可以用于存储量子信息。

发明内容

一些方面涉及一种操作装置的方法，该装置包括具有多个相干量子态的第一量子系统，该第一量子系统耦接至第二量子系统，该方法包括：向第二量子系统提供输入能量信号，该输入能量信号激励第一量子系统与第二量子系统之间的能量传递，并且使能量的净耗散从第二量子系统输出，其中，输入能量信号包括至少两个分量，所述至少两个分量具有不同频率并且各自具有振幅和相位；以及绝热地改变输入能量信号的至少两个分量的振幅和相位，以引起第一量子系统的多个相干量子态中的一个或更多个相干量子态的改变。

根据一些实施方式，第一量子系统的多个相干量子态中的一个或更多个相干量子态的改变是多个相干量子态中的第一相干量子态相对于多个相干量子态中的其他相干量子态的相位改变。

根据一些实施方式，第一量子系统的多个相干量子态中的一个或更多个相干量子态的改变是多个相干量子态中的第二相干量子态与多个相干量子态中的第三相干量子态之间的布居数(population)变换。

根据一些实施方式，执行输入能量信号的至少两个分量的振幅和相位的所述绝热变化，使得输入能量信号的至少两个分量中的每一个分量的振幅和相位中的每一个在绝热变化之前和之后具有相同的初始值和最终值。

根据一些实施方式，第一量子系统经由非线性元件耦接至第二量子系统。

根据一些实施方式，非线性元件是约瑟夫逊结。

根据一些实施方式，第一量子系统是第一谐振腔，第二量子系统是第二谐振腔，输入能量信号是输入光子信号，并且第一量子系统与第二量子系统之间的所述能量传递包括第一量子系统与第二量子系统之间的光子转换。

根据一些实施方式，第一谐振腔的品质(Q)因子大于第二谐振腔的Q因子。

根据一些实施方式，输入光子信号的第一分量具有第一频率，输入光子信号的第二分量具有第二频率，并且其中，第一频率与第二频率之间的差等于第一谐振腔的谐振频率。

根据一些实施方式，输入光子信号的第三分量具有等于第二谐振腔的谐振频率的第三频率。

根据一些实施方式，第一量子系统与第二量子系统之间的光子转换包括从第一量子系统到第二量子系统的光子转换以及从第二量子系统到第一量子系统的光子转换。

根据一些实施方式，从第一量子系统到第二量子系统的光子转换包括以下的叠加：第一量子系统的两个光子转换成第二量子系统的一个光子，以及第一量子系统的一个光子转换成第二量子系统的一个光子。

根据一些实施方式，该方法还包括：在所述提供输入能量之前，以多个相干态中的至少两个的叠加来初始化第一量子系统。

根据一些实施方式，第一量子系统具有至少三个相干量子态。

一些方面涉及一种装置，该装置包括：第一量子系统，其具有多个相干量子态；第二量子系统，其耦接至第一量子系统；至少一个能量源；以及至少一个控制器，其被配置成从至少一个能量源向第二量子系统提供输入能量信号，输入能量信号激励第一量子系统与第二量子系统之间的能量传递，并且使能量的净耗散从第二量子系统输出，其中，所述输入能量信号包括至少两个分量，所述至少两个分量具有不同的频率并且各自具有振幅和相位，以及绝热地改变输入能量信号的至少两个分量的振幅和相位，以引起第一量子系统的多个相干量子态中的一个或更多个相干量子态的改变。

根据一些实施方式，第一量子系统经由约瑟夫逊结耦接至第二量子系统。