[发明专利]可构建不完美系统任意几何量子逻辑门的方法

说明书

本发明属于量子计算领域，公开了可构建不完美系统任意几何量子逻辑门的方法，在一个三能级系统中正向设计两个含有自由度的光脉冲，根据所述三能级系统要求优化所述两个含有自由度的光脉冲的振幅和位相，将其对应的振幅和位相输入任意波发生器生成振幅和位相与对应光脉冲相同的无线电信号，使用无线电信号驱动连续激光光路中的声光调制器得到一组双色光脉冲，产生的所述双色光脉冲在[0，t_f]对光场探测的量子态进行操控，在[t_f，2t_f]对光场不能探测的量子态进行操控，从而构建任意几何逻辑门，构建的所述几何逻辑门可应用于依据频率寻址的不完美系统中。

技术领域

本发明属于量子计算领域，具体涉及一种可构建不完美系统任意几何量子逻辑门的方法。

背景技术

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。

高保真度量子逻辑门的实现依赖于对开量子态的精准操控，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，在超导传输线量子态中，量子态参数(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Pr³⁺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。

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。本发明将旨在不完美系统中实现高保真度的量子逻辑门操控。

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。所以本发明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。