[实用新型]一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统

说明书

本实用新型公开了一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统，使用任意波发生器驱动连续激光光路中的声光调制器构建能产生量子比特任意叠加态的一组双色光脉冲，双色光脉冲场强中的额外自由度被用来最优化脉冲的形状，使之对系统中存在的频率失谐量呈现出鲁棒性，对系统中存在的背景离子的非共振激发足够小，从而在短作用时间内以高保真度创建量子比特的任意叠加态；产生的光脉冲可以在4μs的作用时间内生成一个量子比特的任意叠加态，在±340kHz的频率失谐量范围内的保真度不低于99.5％，对背景离子的非共振激发不超过2％。

技术领域

本实用新型属于量子计算领域，具体涉及掺杂稀土离子的量子系统。

背景技术

量子计算是量子信息处理中的一个重要分支，在大质数因子分解、全局搜索、以及生物分子模拟等问题中具有经典计算算法不可比拟的运算速度。使用光脉冲在短时间内以高保真度将量子比特初始化到一个任意叠加态是开启量子计算的第一步。但是物理系统中不可避免地存在一些干扰因素，比如频率失谐，光场强度波动，光场位相波动，非共振激发等干扰。如何生成光脉冲，使之在对量子比特进行操控时对这些干扰呈现较强的鲁棒性，同时具有作用时间短，保真度高的特点，是量子计算领域一个亟待解决的问题。

在诸多承载量子计算的物理系统中，随机掺杂在无机晶体中的稀土离子是一种比较有竞争力的载体，因为量子比特的相干时间可以长达6小时，而且此种晶体价格低廉且已商品化。在该系统中，量子比特由非均匀展宽线上一组系综离子来表征，以掺杂在Y₂SiO₅晶体中的Pr³⁺为例，它们的光跃迁频率在605.977nm处呈现出±170kHz的半峰全宽。量子比特的两个能级之间的耦合通过光学跃迁来实施，构成一个三能级系统。在这样的三能级系统中以高保真度创建一个量子比特的任意叠加态，光脉冲必须满足如下条件，(1)对量子比特操控的保真度对量子比特离子之间存在的频率失谐量呈现较强的鲁棒性，即保真度在±170kHz范围内尽可能地接近理想值1；(2)对在频域内与量子比特离子相距大于3.5MHz的其它离子的非共振激发足够小，以免干扰量子比特离子；(3)脉冲作用时间尽可能短。

目前操控量子系统的光脉冲主要分为三种类型。第一种是简单的共振脉冲，如方波脉冲，高斯脉冲等，这种脉冲作用时间短，但是对系统中存在的干扰因素比较敏感。第二种是绝热近似光脉冲，它对系统中存在的干扰因素具有较好的鲁棒性，但是因为是绝热过程所以脉冲作用时间较长。第三种是基于非绝热过程的绝热捷径光脉冲，在某些物理系统中已经被证明可以在短作用时间内以高保真度和强鲁棒性实现了量子布局数转移。但是，布局数转移仅是量子比特任意叠加态中一个特殊态，任意叠加态是量子操控中必不可少且可以充分开发量子计算机强大运算能力的一种普变态。目前在存在频率失谐的三能级量子系统中，比如稀土离子系统，在短时间内以高保真度产生量子比特任意叠加态的光脉冲尚未见报道。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：脉冲作用时间过长，鲁棒性差；为了达到上述目的，采用的技术方案如下：

一种可创建稀土离子量子比特任意叠加态的系统，包括激光器、声光调制器、任意波发生器、掺杂稀土离子的晶体；所述的任意波发生器输出两列无线电信号，这两列无线电信号传输至声光调制器，这两列无线电信号的时长相同，振幅、频率和位相都不同，且振幅均随时间变化；激光器输出的光入射至由任意波发生器驱动的声光调制器上；声光调制器的+1阶或-1阶光路中放置有掺杂稀土离子的晶体。

上述技术方案中优选的：还包括平面反射镜、光挡；所述的平面反射镜放置于声光调制器的+1阶或-1阶光路中，光挡放置于声光调制器的零阶光路中。

还包括示波器、光电探测器、任意波发生器中输出的第三列频率随时间呈线性变化的方波信号；光电探测器放置于从掺杂稀土离子的晶体中透射出来的光路上，光电探测器采集的信号传输至示波器。

还包括运算电路，光电探测器采集的信号传输给运算电路，经去卷积运算，输出在量子比特频率窗口中的吸收谱。