基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统、方法及介质

本发明涉及量子网络和量子计算领域，具体涉及一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统、方法及介质。

背景技术：

1、为了让功能性量子计算机执行足够高质量的门，目前已经探索出很多方法以处理退相干问题，其中包括无消相干子空间等方法，可以将量子信息编码在无信息泄露的量子态子空间内。除此之外还发展了具有集成错误检测的预报量子门的概念，在产生的量子门中，确定性门所存在的误差被转换为由辅助原子预报的失败事件，一旦预报式量子门成功，则相应的门操作误差可以任意小。根据该思想，borregaard等在2015年提出的基于单光学微腔实现近确定性量子门的方法，其与确定性腔的门相比在误差比例上有显著改进；而weiqin等在2017年将该思想应用在了超导电路中，将辅助原子的位置扩展到远距离的情况。这些都是在相对简单或者特定的物理系统中实现的，并且所有的量子位原子均与同一光学微腔模式耦合，这具有较大的局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统、方法及介质，实现具有高保真度的通用预报量子门，不仅可以应用于构造高性能的量子计算机，而且可以应用于量子网络通信领域。

2、实现本发明的技术解决方案为：利用一个辅助原子作为预报装置，对该辅助原子的条件测量消除预报式量子门的检测误差，将确定性纠缠量子门所存在的误差转换为由辅助原子预报的失败事件，一旦预报模式量子纠缠门成功，相应的门操作误差可以任意小，一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算系统，其包括：第一光学微腔a、第二光学微腔b和第三光学微腔c、两个量子位原子、一个与光学微腔b耦合的四能级辅助原子，第一光学微腔a、第二光学微腔b和第三光学微腔c通过光纤串联，两个量子位原子分别和第一光学微腔a和第三光学微腔c耦合，辅助原子由两个外部场驱动，其中一个为微波场ωmw，另一个为弱激光场ω；其中辅助原子还将作为腔内光子源和探测器来解决光子损耗、单光子探测器效率低和非理想的单光子源等问题；通过适当的脉冲长度和简单的单量子位旋转，来实现具有高保真度的量子门；同时，结合实际物理系统参数，通过理论推导确定具有最小误差的脉冲长度，并利用计算机对该系统演化过程进行模拟，数值验证解析结果的正确性。

3、光学微腔从左到右我们将其标号为a、b和c光学微腔之间的有效耦合强度为j，且光学微腔的衰变率为κ；两个量子位原子都为λ型三能级原子，其具有两个基态|0>和|1>(量子位)，还有一个激发态|e>，每个量子位原子以相同的耦合强度g与自己所在的腔模aa或ac相互作用，且每个量子位原子从|e>态衰减到|d>态(可能为|0>或|1>)的速率为γ；辅助原子由两个基态|g>和|f>还有两个激发态|e1>和|e2>组成，的跃迁通过耦合强度gf与腔模ab耦合，|e2>和|e1>分别衰变到|g>和|f>，衰变速率分别为γg和γf；的跃迁由的弱激光(ω在设定值)驱动，驱动强度为ω，同时，的跃迁由微波场驱动，耦合强度为ωmw，以此来抑制辅助原子自发辐射到|g>态所引起的不可检测误差。

4、一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算方法，包括如下步骤：

5、第一步，构建分布式量子计算的通用物理模型；

6、第二步，利用了一种基于lindblad形式的主方程对系统的耗散动力学进行研究；

7、第三步，设定脉冲长度，将相位演化的过程与单比特旋转相结合来实现预报式控制相位(cz)门；

8、第四步，利用计算机对该量子计算系统的演化过程进行验证；

9、第五步，结合预报式操作和无消相干子空间方法，实现具有高保真度的逻辑比特门；

10、进一步地，根据一个基于三个光学微腔的预报式近确定性双量子比特控制相位(cz)门的通用物理系统，为了方便进一步研究该系统的动力学过程，引入了三个非局域玻色模式c1、c2和c3，这样，总哈密顿量表示为其中

11、

12、和其中>e1、δe2和δe为失谐值，h.c.表示共轭哈密顿量。

13、进一步地，利用了一种基于lindblad形式的主方程作为标准方法来研究该系统的耗散动力学,在经典激光场ω较弱的情况下，即{ω/δe2,ω/g}＜＜1，此时如果系统最初处于基态，那么谐振腔模和激发态都可以被绝热消除，从而用有效算符形式描述整个系统的演化过程

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15、其中ρ为系统的密度矩阵，为有效哈密顿量，为有效lindblad算符，其中lj表示原子和腔的lindblad算符，hnh是无跳跃哈密顿量，其由可得。

16、进一步地，在单激发态子空间内，理论推导出有效哈密顿量的具体形式为其中δn就是交流斯塔克位移(ac stark shift)，pn表示在子空间上的投影，该子空间由n个处于|1>态的量子位表征；根据有效lindblad形式主方程，在后续的过程中仅需要考虑基态动力学的演化就可以了，这大大降低了该开放量子系统的复杂性；同样可以得到有效lindblad算符形式，除了所有的耗散过程都会导致|g＞→|f＞衰减，因此，通过对处于|g＞状态的辅助原子进行测量，可以消除由这些衰变引起的误差。

17、进一步地，通过考虑与量子比特状态无关的衰减率，使得总衰变率γn不随着处于|1>态的量子位的数目n发生改变，即确保γ0＝γ1＝γ2来消除由衰变率引起的不利影响，通过调整失谐δe2和δe，可以推导出为总衰变率为γn＝γ，进而可以求得此时的交流斯塔克位移δn。

18、进一步地，为了进一步实现正确的相位翻转，可以将该相位演化的过程与单比特旋转相结合，该过程使得误差可以任意小，为此，将驱动脉冲的长度设置为tcz＝π|δ2-2δ1+δ0|-1，脉冲过后，将正确的酉运算u|0>＝exp(iδ0tcz/2)|0>，u|1>＝exp(iδ1tcz/2)|1>作用在每个量子位上；由此产生的量子门要么是翻转量子比特状态|11>的相位，要么是保持其他量子比特状态不变，这样就实现了一种基于腔原子耦合系统的分布式量子计算，即实现了一种非局域预报控制相位(cz)门。在理论上该量子门的成功概率为pcz＝exp(-γtcz)，并且随着协同性参数(cooperativity,c)的增长门误差趋近于0。

19、进一步地，通过将预报操作用作基础工具，结合无消相干(decoherence freespace,dfs)编码的方法来实现通用的预报量子计算。

20、与现有技术相比，本发明的有益特点是：与基于腔原子耦合系统的确定性量子门相比，该方法在误差比例上有显著改进，在量子网络中可以执行具有高保真度的量子门；此外，将不同量子位原子与不同光学微腔耦合，并以此作为量子网络节点的构想是非常有价值的，可以用于可扩展的量子信息处理；建立的物理模型是通用的，在实际的物理系统中，可以采用rb原子等天然原子以及超导量子比特等人工原子；结合预报模式和无消相干子空间的方法还可以实现高保真度的逻辑比特门下面结合附图对本发明作进一步详细描述。