多层结构的量子计算架构

本发明涉及量子计算领域，具体是利用多层结构实现的可扩展量子比特体系构筑方法，适用于冷原子量子比特和超导量子比特等多种量子计算物理体系。

背景技术：

1、在构建量子计算机的过程中，平衡比特的相干性、连通性和控制性是一个突出的挑战。在主流的超导量子计算体系中，为了实现远距离的耦合，需要通过微波谐振腔与物理比特频率的调整，实现二者之间的共振，从而进行有效的相互作用。然而为了避免串扰，每个物理比特需占用一定的频率范围，这在很大程度上限制了超导量子比特体系进一步扩大平台尺寸的可能性。里德堡原子作为极具前景的新兴量子平台，其两比特量子受控非门保真度有望超越99.9％，为构建大规模的中性原子量子比特平台提供了可能性。然而，为了实现通用量子计算，需要解决由里德堡阻塞作用中有限力程带来的连通性问题，这在构造纠错计算中的非clifford门等方面至关重要，目前采用的主要方案是可重构原子阵列量子处理器(引自论文an atom-by-atom assembler of defect-free arbitrary two-dimensional atomic arrays，作者daniel barredo,sylvain de léséleuc,vincentlienhard,thierry lahaye,antoine browaeys；论文in situ single-atom arraysynthesis using dynamic holographic optical tweezers，作者hyosub kim,woojunlee,han-gyeol lee,hanlae jo,yunheung song，jaewook ahn；论文quantumentanglement using trapped atomic spins，作者l.you and m.s.chapman)，然而由于冷原子量子比特的冷却与比特内态直接相关，对于冷原子量子比特的制冷可能导致内态存储的量子信息消失，因此，在执行量子计算的过程中，需要避免由于移动物理比特进行重新构建而引起的对冷原子量子比特的加热问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，实现高保真度和高连通性的量子比特阵列，提出了一种多层结构的量子计算架构，该架构适用于冷原子量子比特和超导量子比特等多种量子计算物理体系。核心在于利用中介比特的中继在远距离的控制比特和目标比特之间实现了高保真度多比特逻辑门的控制：在冷原子量子比特体系中，在调制波形的脉冲作用下，通过将物理比特与中介比特相纠缠并采用机械移动纠缠的中介比特对的方式，实现量子信息的相干传输；而在超导量子比特体系中，由于不同层的物理比特与对应的微波谐振腔耦合各自独立，不会发生串扰，因而可以通过在中介比特层产生纠缠的中介比特对，并将不同层的物理比特分别与中介比特相纠缠，实现平台扩展后任意物理比特之间的连通。本发明有利于在各个体系中进一步提升量子比特多比特逻辑门的保真度和连通性。

2、本发明的技术解决路线如下：

3、多层结构的量子计算架构，其特点在于，包括如下步骤：

4、在冷原子量子比特体系有接口层方案中:

5、步骤1.构筑多层结构的中性原子量子比特系统，该系统应具有如下特点：

6、1.该系统包括一层物理比特层，其中比特之间的间距远大于里德堡相互作用的阻塞半径，使得任意两个物理比特之间没有直接相互作用；

7、2.添加一层接口层，在物理比特的里德堡阻塞半径的范围内固定一个中介比特a作为接口；

8、3.该系统包括一层机动纠缠层，可以抓取若干中介比特b，在其之间实现纠缠，并能够将它们机械移动至物理比特或者中介比特a的里德堡阻塞半径的范围内，实现与物理比特的相互纠缠。

9、4.多层结构既可包含物理上的多层结构，也可仅代表逻辑上的多层结构。

10、即，实际情况中可以对物理比特和中介比特进行物理分层处理，也可以仅对其进行逻辑上的分层处理。

11、步骤2.为实现控制比特和目标比特之间的高保真度纠缠门，根据步骤1的量子系统利用中介比特实现量子信息的相干传输，其具体的操作如下：

12、1.利用波形调制的脉冲以及里德堡相互作用实现物理比特与其对应接口中介比特a之间的纠缠。

13、2.利用波形调制的脉冲在机动纠缠层将若干中介比特b制备为最大纠缠态。

14、3.分别将纠缠中介比特b绝热地移动至控制比特和目标比特附近。

15、4.根据所需要的门操作，利用波形调制的脉冲实现中介比特b与物理比特对应接口中介比特a之间的纠缠，从而实现非局域门操作，在维持保真度的情况下完成了两个物理比特间的连通。

16、在冷原子量子比特体系无接口层方案中:

17、步骤1.构筑多层结构的中性原子量子比特系统，该系统应具有如下特点：

18、1.该系统包括一层物理比特层，其中比特之间的间距远大于里德堡相互作用的阻塞半径，使得任意两个物理比特之间没有直接相互作用；

19、2.该系统包括一层机动纠缠层，可以抓取若干中介比特b，在其之间实现纠缠，并能够将它们机械移动至物理比特或者中介比特a的里德堡阻塞半径的范围内，实现与物理比特的相互纠缠；

20、3.多层结构既可包含物理上的多层结构，也可仅代表逻辑上的多层结构。

21、即，实际情况中可以对物理比特和中介比特进行物理分层处理，也可以仅对其进行逻辑上的分层处理。

22、步骤2.为实现控制比特和目标比特之间的高保真度纠缠门，根据步骤1的量子系统利用中介比特实现量子信息的相干传输，其具体的操作如下：

23、1.利用波形调制的脉冲在机动纠缠层将若干中介比特b制备为最大纠缠态；

24、2.分别将纠缠中介比特b绝热地移动至控制比特和目标比特附近；

25、3.根据所需要的门操作，利用波形调制的脉冲实现中介比特b与物理比特之间的纠缠，从而实现非局域门操作，在维持保真度的情况下完成了两个物理比特间的连通。

26、在超导量子比特体系中:

27、步骤1.考虑带宽限制，将若干超导物理比特置于同一物理比特层，物理比特之间可以通过布线层的总线a实现连通，物理比特与总线a之间通过调节谐振腔的频率实现开关耦合。

28、步骤2.按照步骤1的操作，布置若干层物理比特层，不同物理比特层之间不做布线处理，不同层的物理比特之间无耦合。

29、步骤3.将每一个物理比特层对应的总线a与一个中介比特相耦合，中介比特与总线a之间同样通过调节谐振腔的频率实现开关耦合。

30、步骤4.额外布置一个新的布线层，用于中介比特之间的耦合，中介比特之间可以通过新布线层中的总线b实现连通，中介比特与总线b之间通过调节谐振腔的频率实现开关耦合。

31、步骤5.对于同一层内物理比特之间的两比特逻辑门，根据所需要的门操作，分别调节控制比特以及目标比特与总线a之间的耦合，实现非局域门操作。

32、步骤6.对于不同层物理比特之间的两比特逻辑门，利用总线b将若干中介比特进行耦合，根据所需要的门操作，将纠缠的中介比特对分别与控制比特所在层对应的总线a，以及目标比特所在层对应的总线a之间实现耦合，最后将控制比特和目标比特分别与各自的总线a进行耦合，实现非局域门操作。该方案中的多层结构既可包含物理上的多层结构，也可仅进行逻辑上的分层。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

34、对于冷原子量子比特体系：

35、1)通过中介比特中继的设计，克服了物理比特之间的远距离相互作用难题。

36、通过将物理比特与中介比特纠缠，避免了对物理比特进行直接移动可能导致的量子信息破坏。

37、2)通过基于波形调制脉冲和具有量子比特实际性质自适应过程的两比特和多比特逻辑门，实现了物理比特层与中介比特层之间高保真度的纠缠。实际中量子比特的物理状况与设计量子逻辑门驱动波形的理想情况会存在区别，但调制驱动波形得益于按照完备函数基展开因而具有很大自由度，可以通过对展开系数的调整实现自适应过程，从而确保了较高的两比特门和多比特门保真度。物理比特与中介比特的选择自由度提升了该架构的可操作性。

38、对于超导量子比特体系：

39、1)通过多层结构的设计，解决了超导量子比特之间相互耦合所受到的带宽限制问题，有利于体系进一步扩展，分层处理使得布线层结构得以简化，提供了更灵活高效的量子计算平台。

40、本发明提供了一种多层次、高度灵活的量子计算架构,具有简单易于实现的优点；对物理比特和中介比特进行物理或逻辑上的分层处理，使得量子计算系统更加灵活，适应性更强。且本发明适用于冷原子量子比特和超导量子比特等多种量子计算物理体系，提出了一种普适的方案。