[发明专利]通用离子阱量子计算机上的并行多量子位操作

说明书

本公开描述了与实现有效多量子位操作相关的各个方面，并且更具体地，涉及用于在通用离子阱量子计算机上实现并行多量子位操作的技术。在一个方面，一种在离子阱量子计算机或受俘离子量子系统中执行量子操作的方法包括实现量子电路的至少两个并行门，所述至少两个并行门中的每一个是多量子位门，所述至少两个并行门中的每一个是使用一离子阱中的多个离子的不同离子集合来实现的，并且所述多个离子包括四个或更多个离子。该方法还包括作为所述量子操作的一部分，对所述至少两个并行门同时执行操作。还公开了对应于上述方法的受俘离子量子系统和计算机可读存储介质。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月8日提交的名称为“PARALLEL2-QUBIT OPERATIONS ON AUNIVERSAL ION TRAP QUANTUM COMPUTER”的美国临时专利申请No.62/682,677和2019年6月6日提交的名称为“PARALLEL MULTI-QUBIT OPERATIONS ON A UNIVERSAL ION TRAPQUANTUM COMPUTER”的美国专利申请No.16/433,950的优先权和利益，上述申请的全文通过引用明确并入本文。

政府许可权

本发明是在NSF授予的PHY0822671、IARPA授予的W911NF1610082、ARO授予的W911NF1610349和AFOSR授予的FA95501410052下的政府支持下完成的。政府在本发明中有一定的权利。

技术领域

本公开的各方面总体上涉及实现有效的多量子位操作，并且更具体地，涉及用于在通用离子阱量子计算机上实现并行多量子位操作的技术。

背景技术

量子计算机的电路模型由量子位(qubits)之间的门操作序列组成，这些操作来自一个通用的离散操作族，并且并行执行这些门的能力对于量子计算技术的进步至关重要。同时或并行执行量子门的能力为众多量子电路和算法提供明显的效率增益。更重要的是，量子门并行性对于受空闲退相干(idle decoherence)影响的量子位的容错纠错至关重要。在没有门并行性的情况下，容错所需的误差阈值对于实际系统来说可能小得难以达成。并行量子门的实现由于潜在的串扰而变得复杂，特别是在通过共模总线完全连接的量子位之间，例如在库仑耦合的受俘(trapped)原子离子或腔耦合的超导传输子(transmons)中。

因此，人们希望能够实现允许量子门并行性的技术，并避免一些现有的限制，特别是在其涉及受俘离子技术时。

发明内容

下面给出一个或多个方面的简要概述，以便对这些方面有一个基本的了解。该概述不是对所有预期方面的广泛概述，并且既不意图识别所有方面的关键或必要要素，也不意图描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化的形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的序言。

本公开给出与多量子位操作相关的各个方面，并且更具体地，给出用于在通用离子阱量子计算机上实现并行多量子位(至少两个量子位)操作的技术。本公开描述一种在受俘离子量子系统中执行量子操作的方法，所述方法包括实现量子电路的至少两个并行门，所述至少两个并行门中的每一个是多量子位门，所述至少两个并行门中的每一个是使用一离子阱中的多个离子的不同离子集合来实现的，并且所述多个离子包括四个或更多个离子。该方法还包括作为所述量子操作的一部分，对所述至少两个并行门同时执行操作。

本公开还描述一种被配置为执行量子操作的受俘离子量子系统，所述受俘离子量子系统包括：算法组件，其被配置为实现量子电路的至少两个并行门，所述至少两个并行门中的每一个是多量子位门，所述至少两个并行门中的每一个是使用一离子阱中的多个离子的不同离子集合来实现的，并且所述多个离子包括四个或更多个离子。所述受俘离子量子系统还包括所述离子阱，其中，作为所述量子操作的一部分，对所述至少两个并行门同时执行操作。所述受俘离子量子系统也可以称为通用离子阱量子计算机、量子信息处理(QIP)系统、量子计算机或通常称为计算机设备。