本技術(shù)涉及量子計(jì)算，尤其涉及一種量子計(jì)算系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)計(jì)算無法滿足計(jì)算資源需求較大的運(yùn)算任務(wù)，如量子化學(xué)仿真、最優(yōu)路徑尋找及大數(shù)因子分解等，基于中性原子架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算系統(tǒng)(中性原子系統(tǒng))應(yīng)運(yùn)而生。中性原子系統(tǒng)通過物鏡聚焦囚禁光形成光學(xué)鑷子(光鑷)，并使用光鑷來捕捉經(jīng)激光冷卻后的原子，被捕捉的原子規(guī)整的排列在真空玻璃腔中形成原子陣列，以表示量子比特。通常，對原子陣列中的原子照射全局及尋址光可實(shí)現(xiàn)對量子比特的并行或獨(dú)立操作，如改變量子比特的態(tài)(0態(tài)、1態(tài)或處于0和1的迭加態(tài))。而在量子比特的讀取過程中，對原子陣列中的原子照射探測光后得到散射的光子，根據(jù)從物鏡采集到的光子確定電子信號(hào)，并根據(jù)電子信號(hào)來確定量子比特的態(tài)，即：得到量子計(jì)算的結(jié)果。

2、在操作多個(gè)量子比特的邏輯門(多比特邏輯門)的過程中，需將中性原子從基態(tài)激發(fā)至里德堡態(tài)；處于里德堡態(tài)的不同原子之間的電子云有多個(gè)數(shù)量級的增大，使不同光鑷中的原子產(chǎn)生足夠的原子間作用力，從而實(shí)現(xiàn)多量子比特操作。其中，原子間作用力取決于電子云的大小及原子間距，電子云的大小由里德堡態(tài)的主量子數(shù)(n)決定，原子間作用力正比于n11、且反比于原子間距(r6)。

3、以中性原子系統(tǒng)中的雙組分系統(tǒng)為例，雙組分系統(tǒng)使用了兩種不同種類的原子來表示量子比特。由于不同種類原子有不同的能階結(jié)構(gòu)，不同能階結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的激發(fā)光頻率也有所不同。因此，在雙組分系統(tǒng)中可使用不同頻率的激發(fā)光，把不同組分的原子各自激發(fā)到不同的里德堡態(tài)，以實(shí)現(xiàn)多比特邏輯門的操作，即：通過改變相同種類的原子的主量子數(shù)來調(diào)整原子間作用力。然而，不同種類原子的里德堡態(tài)之間的頻率差達(dá)10ghz量級，而激發(fā)光的快速可調(diào)范圍只有100mhz量級，里德堡態(tài)的頻率差與激發(fā)光的快速可調(diào)范圍之間的差異過于大，這導(dǎo)致真空玻璃腔中原子陣列的量子態(tài)調(diào)節(jié)效率較低，量子計(jì)算的速度受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種量子計(jì)算系統(tǒng)及方法，解決了里德堡態(tài)的頻率差與激發(fā)光的快速可調(diào)范圍之間的差異過于大導(dǎo)致的量子態(tài)調(diào)節(jié)效率較低的問題，有利于提高量子計(jì)算的速度和效率。

2、本技術(shù)采用如下的技術(shù)方案。

3、第一方面，本技術(shù)提供一種量子計(jì)算系統(tǒng)。該量子計(jì)算系統(tǒng)包括：原子源、原子腔體、光鑷單元、光發(fā)射單元和量子比特測量單元。原子源用于提供多種類型的原子。原子腔體與原子源連接，用于存儲(chǔ)原子源提供的原子，原子源提供的原子包括第一類原子和第二類原子。其中，第一類原子的里德堡態(tài)包括：第一里德堡態(tài)與第二里德堡態(tài)，且第一里德堡態(tài)對應(yīng)于第一類原子的磁量子數(shù)為第一值、第二里德堡態(tài)對應(yīng)于第一類原子的磁量子數(shù)為第二值；第二類原子的里德堡態(tài)包括：第三里德堡態(tài)與第四里德堡態(tài)，且第三里德堡態(tài)對應(yīng)于第二類原子的磁量子數(shù)為第三值、第四里德堡態(tài)對應(yīng)于第二類原子的磁量子數(shù)為第四值。光鑷單元用于：在原子腔體中生成多個(gè)光鑷，并將多個(gè)光鑷中捕獲了原子腔體中原子的光鑷按照第一方式進(jìn)行排列得到原子陣列，一個(gè)光鑷用于捕獲一個(gè)或多個(gè)原子。光發(fā)射單元用于：根據(jù)第一信息產(chǎn)生第一方向的第一偏振光束及第二方向的第二偏振光束；第一偏振光束與第二偏振光束用于照射原子陣列，且第一偏振光束的第一頻率與第一方向?qū)?yīng)于第一里德堡態(tài)或第二里德堡態(tài)、第二偏振光束的第二頻率與第二方向?qū)?yīng)于第三里德堡態(tài)或第四里德堡態(tài)。量子比特測量單元用于：采集原子陣列經(jīng)探測光束照射后產(chǎn)生的散射光子，并根據(jù)散射光子確定第一信息的量子計(jì)算結(jié)果。

4、本技術(shù)提供的量子計(jì)算系統(tǒng)，在原子腔體包括至少兩種不同類型的原子的情況下，由光鑷捕獲不同類型的原子，并根據(jù)原子處于不同里德堡態(tài)之間的磁量子數(shù)來控制原子間作用力。具體而言，在選擇里德堡態(tài)的過程中，相同類型的原子所要操控的兩個(gè)里德堡態(tài)的磁量子數(shù)不同，使得相同類型的原子在不同的里德堡態(tài)之間進(jìn)行躍遷的過程中具有與這兩個(gè)里德堡態(tài)的磁量子數(shù)相關(guān)的能量值。由于這兩個(gè)能量值是根據(jù)原子的磁量子數(shù)來確定的，且改變原子的磁量子數(shù)所需調(diào)節(jié)光的頻率范圍較小，因此，量子計(jì)算系統(tǒng)控制不同類型的原子進(jìn)行里德堡態(tài)之間的躍遷所需調(diào)節(jié)的光的頻率范圍下降，有利于快速調(diào)節(jié)原子陣列的量子態(tài)，以提高量子計(jì)算的速度和效率。

5、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，光發(fā)射單元包括：激發(fā)光光源和光路調(diào)制組件。光路調(diào)制組件與激發(fā)光光源連接，該激發(fā)光光源用于提供照射光束。光路調(diào)制組件用于：根據(jù)第一信息，對照射光束的光參數(shù)進(jìn)行處理得到第一方向的第一偏振光束及第二方向的第二偏振光束。光參數(shù)包括以下的一項(xiàng)或幾項(xiàng)的組合：光束方向、偏振、及頻率。

6、值得注意的是，光的偏振與光的前進(jìn)方向跟量化軸的角度強(qiáng)相關(guān)。該量化軸的方向由線圈產(chǎn)生的磁場決定，由于磁場的調(diào)節(jié)會(huì)影響光鑷中的原子表征的量子比特的量子態(tài)，偏振的調(diào)節(jié)需通過改變激發(fā)光的方向達(dá)成。因此，本技術(shù)提供兩個(gè)非同向的激發(fā)光光路(第一偏振光束和第二偏振光束)，利用光路調(diào)制組件改變光束方向、偏振及頻率，以控制原子在不同的里德堡態(tài)之間進(jìn)行躍遷，有利于實(shí)現(xiàn)基于量子比特的量子計(jì)算過程。

7、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，光路調(diào)制組件，包括：聲光調(diào)制器(acousto-optic?modulator，aom)和分光器。該aom用于：將照射光束劃分為第一頻率的第一光束及第二頻率的第二光束，分光器用于：將第一光束的方向調(diào)整為第一方向得到第一偏振光束、將第二光束的方向調(diào)整為第二方向得到第二偏振光束。

8、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，光路調(diào)制組件，包括：電光調(diào)制器(electro-optic?modulator，eom)和偏振分束器(polarizing?beamsplitters，pbs)，該偏振分束器也稱偏振分光棱鏡。eom用于：處理照射光束得到偏振不同的第一照射子光束和第二照射子光束；pbs用于：調(diào)整第一照射子光束的方向?yàn)榈谝环较虻玫降谝黄窆馐?、調(diào)整第二照射子光束的方向?yàn)榈诙较虻玫降诙窆馐?/p>

9、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，光路調(diào)制組件，包括：數(shù)字微鏡器件(digital?micromirror?device，dmd)，該dmd用于：根據(jù)第一信息確定待使用的光參數(shù)，并按照待使用的光參數(shù)處理照射光束得到第一偏振光束和第二偏振光束。

10、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，原子腔體包括：玻璃腔和真空結(jié)構(gòu)。玻璃腔包括：第一連接件與腔體結(jié)構(gòu)，該第一連接件與原子源連接，且腔體結(jié)構(gòu)設(shè)置有第一孔結(jié)構(gòu)。該真空結(jié)構(gòu)與第一孔結(jié)構(gòu)可拆卸連接。示例性的，若腔體結(jié)構(gòu)通過第一孔結(jié)構(gòu)與真空結(jié)構(gòu)連接，真空結(jié)構(gòu)用于抽取腔體結(jié)構(gòu)中的背景氣體分子，以使腔體結(jié)構(gòu)處于真空狀態(tài)。

11、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，量子比特測量單元，包括：原子探測光源、物鏡、光電轉(zhuǎn)換單元和比特量化單元。原子探測光源用于提供照射原子陣列的探測光束。該物鏡用于：采集原子陣列經(jīng)探測光束照射后產(chǎn)生的散射光子。光電轉(zhuǎn)換單元與物鏡連接，用于：將散射光子進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出電信號(hào)，該電信號(hào)指示原子陣列中的量子比特，如該電信號(hào)是指電壓或電流。比特量化單元與光電轉(zhuǎn)換單元連接，用于：根據(jù)電信號(hào)確定第一信息的量子計(jì)算結(jié)果。

12、第二方面，本技術(shù)提供了一種量子計(jì)算方法。該量子計(jì)算方法應(yīng)用于第一方面中任一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中的量子計(jì)算系統(tǒng)，該量子計(jì)算系統(tǒng)包括：原子源、原子腔體、光鑷單元、光發(fā)射單元及量子比特測量單元，原子腔體與原子源連接。本技術(shù)提供的量子計(jì)算方法包括：原子源向原子腔體提供多種類型的原子，原子源提供的原子包括第一類原子和第二類原子；其中，第一類原子的里德堡態(tài)包括第一里德堡態(tài)和第二里德堡態(tài)，第一里德堡態(tài)對應(yīng)于第一類原子的磁量子數(shù)為第一值、第二里德堡態(tài)對應(yīng)于第一類原子的磁量子數(shù)為第二值，第二類原子的里德堡態(tài)包括第三里德堡態(tài)和第四里德堡態(tài)，第三里德堡態(tài)對應(yīng)于第二類原子的磁量子數(shù)為第三值、第四里德堡態(tài)對應(yīng)于第二類原子的磁量子數(shù)為第四值。以及，光鑷單元在原子腔體中生成多個(gè)光鑷，并將多個(gè)光鑷中捕獲了原子腔體中原子的光鑷按照第一方式進(jìn)行排列得到原子陣列，一個(gè)光鑷用于捕獲一個(gè)或多個(gè)原子。前述的光發(fā)射單元根據(jù)第一信息產(chǎn)生第一方向的第一偏振光束及第二方向的第二偏振光束，并將第一偏振光束與第二偏振光束照射原子陣列。第一偏振光束的第一頻率與第一方向?qū)?yīng)于第一里德堡態(tài)或第二里德堡態(tài)、第二偏振光束的第二頻率與第二方向?qū)?yīng)于第三里德堡態(tài)或第四里德堡態(tài)。量子比特測量單元采集原子陣列經(jīng)探測光束照射后產(chǎn)生的散射光子，并根據(jù)散射光子確定第一信息的量子計(jì)算結(jié)果。

13、如此，在選擇里德堡態(tài)的過程中，相同類型的原子所要操控的兩個(gè)里德堡態(tài)的磁量子數(shù)不同，使得相同類型的原子在不同的里德堡態(tài)之間進(jìn)行躍遷的過程中具有與這兩個(gè)里德堡態(tài)的磁量子數(shù)相關(guān)的能量值。由于這兩個(gè)能量值是根據(jù)原子的磁量子數(shù)來確定的，且改變原子的磁量子數(shù)所需調(diào)節(jié)光的頻率范圍較小，因此，量子計(jì)算系統(tǒng)控制不同類型的原子進(jìn)行里德堡態(tài)之間的躍遷所需調(diào)節(jié)的光的頻率范圍下降，有利于快速調(diào)節(jié)原子陣列的量子態(tài)，以提高量子計(jì)算的速度和效率。

14、結(jié)合第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，光發(fā)射單元包括：激發(fā)光光源，以及與該激發(fā)光光源連接的光路調(diào)制組件。該激發(fā)光光源提供照射光束，該光路調(diào)制組件根據(jù)第一信息，對前述的照射光束的光參數(shù)進(jìn)行處理得到第一方向的第一偏振光束及第二方向的第二偏振光束。本實(shí)現(xiàn)方式中的光參數(shù)包括以下的一項(xiàng)或幾項(xiàng)的組合：光束方向、偏振、及頻率。

15、結(jié)合第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，光路調(diào)制組件包括：聲光調(diào)制器(aom)和分光器。前述的光路調(diào)制組件根據(jù)第一信息，對前述的照射光束的光參數(shù)進(jìn)行處理得到第一方向的第一偏振光束及第二方向的第二偏振光束，包括：分光器根據(jù)第一信息將照射光束劃分為第一方向的第一光束和第二方向的第二光束；以及，aom根據(jù)第一信息將第一方向的第一光束的頻率調(diào)整為第一頻率得到第一偏振光束、將第二方向的第二光束的頻率調(diào)整為第二頻率得到第二偏振光束。

16、結(jié)合第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，光路調(diào)制組件包括：電光調(diào)制器(eom)和偏振分束器(pbs)。前述的光路調(diào)制組件根據(jù)第一信息，對前述的照射光束的光參數(shù)進(jìn)行處理得到第一方向的第一偏振光束及第二方向的第二偏振光束，包括：eom根據(jù)第一信息處理照射光束得到偏振不同的第一照射子光束和第二照射子光束；以及，pbs根據(jù)第一信息調(diào)整第一照射子光束的方向?yàn)榈谝环较虻玫降谝黄窆馐?，調(diào)整第二照射子光束的方向?yàn)榈诙较虻玫降诙窆馐?/p>

17、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)和第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，第一類原子在里德堡態(tài)及該里德堡態(tài)的相鄰里德堡態(tài)間的能量、及第二類原子在里德堡態(tài)及該里德堡態(tài)的相鄰里德堡態(tài)間的能量之間的差值小于能量閾值。如第一里德堡態(tài)與其相鄰里德堡態(tài)之間的能量差為第一能量值，第二里德堡態(tài)與其相鄰里德堡態(tài)之間的能量差為第二能量值，第三里德堡態(tài)與其相鄰里德堡態(tài)之間的能量差為第三能量值，第四里德堡態(tài)與其相鄰里德堡態(tài)之間的能量差為第四能量值。示例性的，第一能量值與第三能量值之間的差值(能量差)小于能量閾值；第一能量值與第四能量值之間的差值(能量差)小于能量閾值；第二能量值與第三能量值之間的差值(能量差)小于能量閾值；第二能量值與第四能量值之間的差值(能量差)小于能量閾值?？梢圆捎们笆龅腶om快速的調(diào)節(jié)原子的里德堡態(tài)，有利于提高基于里德堡態(tài)表征的量子比特的量子計(jì)算效率。

18、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)和第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，上述第一里德堡態(tài)和第二里德堡態(tài)對應(yīng)的第一類原子的軌道量子數(shù)不為零；和/或，第三里德堡態(tài)和第四里德堡態(tài)對應(yīng)的第二類原子的軌道量子數(shù)不為零。在本技術(shù)中，若量子計(jì)算系統(tǒng)中至少一類原子的里德堡態(tài)對應(yīng)的軌道量子數(shù)不為零，可打破相鄰里德堡態(tài)躍遷的空間對稱性，加強(qiáng)原子間相互作用力的方向性，更利于實(shí)現(xiàn)原子腔體中原子陣列所表征的量子比特的操控，從而提高量子計(jì)算的準(zhǔn)確性。

19、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)和第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，原子陣列中，相同類型的兩個(gè)相鄰原子之間的原子間相互作用力小于不同類型的兩個(gè)相鄰原子之間的原子間相互作用力。在本技術(shù)中，異組分間的原子間相互作用力遠(yuǎn)大于同組分間的原子間相互作用力，有利于增強(qiáng)異組分相互作用通道的方向性及可調(diào)性。

20、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)和第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，原子陣列中捕獲不同類型的原子的光鑷的排列關(guān)系是根據(jù)第二信息確定的，第二信息和第一信息為量子計(jì)算結(jié)果的量子計(jì)算過程的輸入信息。

21、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)和第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，多個(gè)光鑷的波長不同，其中第一波長范圍的光鑷用于捕獲第一類原子，第二波長范圍的光鑷用于捕獲第二類原子。采用不同波長范圍的光鑷來捕獲不同類型的原子，避免了相同波長范圍的光鑷來捕獲不同類型的原子導(dǎo)致原子陣列的排布發(fā)生紊亂的問題，有利于提高量子計(jì)算的準(zhǔn)確性。

22、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)和第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，第一偏振光束的第一頻率與第一方向?qū)?yīng)于第一里德堡態(tài)或第二里德堡態(tài)，包括：第一偏振光束用于將第一類原子激發(fā)至第一里德堡態(tài)或第二里德堡態(tài)。第二偏振光束的第二頻率與第二方向?qū)?yīng)于第三里德堡態(tài)或第四里德堡態(tài)，包括：第二偏振光束用于將第二類原子激發(fā)至第三里德堡態(tài)或第四里德堡態(tài)。

23、結(jié)合第一方面提供的量子計(jì)算系統(tǒng)和第二方面提供的量子計(jì)算方法，在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，第一類原子為銣(rubidium，rb)原子、第二類原子為鐿(ytterbium，yb)原子。

24、本技術(shù)在上述各方面提供的實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行進(jìn)一步組合以提供更多實(shí)現(xiàn)方式，在此不予贅述。