本说明书涉及一种用于控制量子计算系统的方法。相关方面涉及量子计算系统和远程计算系统。
背景技术：
1、人们对在各种物理系统上实现量子计算，以解决各种现实世界的问题，比如涉及化学、生物学、固态物理和密码系统的问题(例如，参见e.grumbing和m.horowitz，quantumcomputing:progress and prospects”washington,dc:the national academies press,2019；https://doi.org/10.17226/25196)的兴趣不断增加。目标是与经典计算机相比加快计算速度，和/或解决一类即使在基于经典算法进行经典计算的超级计算机上也无法解决的问题。在用于对真实量子系统建模的量子计算机(例如，量子模拟器)中使用的许多已知量子算法需要将受控酉变换应用于在进行量子计算的量子计算机的硬件上(例如，芯片上)实现的量子比特的子集(即，应用于其量子态)。这里，酉变换的控制不是其中经典值控制是否应用变换的经典控制，而是其中取决于量子系统的状态应用酉变换，从而产生量子纠缠的量子控制。需要这种受控酉变换的算法的例子是量子相位估计算法。
2、重要的是，量子计算机的潜在物理实现易于发生与所述物理实现和环境的耦合相关的量子退相干。然而，用于控制量子计算的一些已知现有技术耗时，结果，量子比特可能会在比完成量子计算任务所需的时间间隔更短的时间间隔内失去其相干性。于是，需要开发用于控制量子计算系统的新的高效技术。
技术实现思路
1、本公开的第一方面涉及一种用于配置量子计算系统的方法，其中所述量子计算系统包括布置在二维(2d)晶格上的多个量子比特。本公开的方法包括接收对所述多个量子比特中的第一批一个或多个量子比特的选择，其中所述第一批一个或多个量子比特被配置为被初始化成预定信息内容。所述方法还包括接收对所述多个量子比特中的第二批多个量子比特的选择，其中所述第二批多个量子比特中的一个或多个量子比特与所述第一批一个或多个量子比特中的相应至少一个量子比特相邻，并且被配置为从所述第一批一个或多个量子比特中的相应至少一个量子比特接收所述预定信息内容。第一方面的方法还包括接收对所述多个量子比特中的配置为进行多个量子计算操作的第三批多个量子比特的选择。在第一方面的方法中，使用来自所述第一批一个或多个量子比特中的相应至少一个量子比特的所述预定信息内容来控制对所述第三批多个量子比特中的每个量子比特的多个量子计算操作中的量子计算操作。在第一方面的方法中，所述第二批多个量子比特中的若干量子比特中的每个量子比特与所述第三批多个量子比特中的至少一个量子比特相邻，并且与所述第二批多个量子比特中的所述若干量子比特中的相应量子比特相邻的所述第三批多个量子比特中的每个量子比特被配置为从所述相应量子比特接收所述预定信息内容。
2、第二方面提供一种根据按照第一方面的技术的任何步骤配置的量子计算系统。
3、第三方面提供一种量子计算系统，用于进行受控量子计算操作并且适合于执行按照第一方面的技术的任何步骤。
4、本公开的第四个一般方面涉及一种远程计算系统，所述远程计算系统包括量子计算系统并且被配置为进行量子计算任务，其中量子计算任务可以包括根据第一方面要对相应量子比特执行的多个量子计算操作。第四方面的多个量子计算操作可以根据第一方面的方法步骤中的任何一个来控制。第四方面的远程计算系统还被配置为将计算任务的结果发送到计算机实现的系统。
5、第一方面～第四方面的技术可以具有有利的技术效果。
6、首先，本公开的技术涉及在包括具有布置在2d晶格中的量子比特的硬件架构(例如，一个或多个芯片)的量子计算系统上执行受控量子计算操作，与一些现有技术相比，所述控制所需的操作数量减少。在一些情况下，与一些现有技术相比，提供对量子比特的受控操作的执行所必需的量子比特之间的swap操作的数量随着量子比特的数量n而更缓慢地增加。例如，在本发明中，发送用于控制对量子比特的计算操作的辅助量子比特的量子态可能需要按量子比特的数量缩放为n1/2的一次性操作，而在一些现有技术中，对于在量子计算期间在不同时刻进行的对量子比特的每个受控操作，必须执行所述量子态的发送。此外，通过使用本技术的量子比特配置，可以减少完成量子计算任务所需的量子门的数量，从而减少在量子计算系统中发生的完全退相干或不准确性：每个量子门可能是与量子门的物理实现可能与用户指定的逻辑门操作不匹配(该问题被称为门不保真)的事实相关的退相干和/或不准确性的潜在来源。因此，当同时考虑上述两个因素时，与一些现有技术相比，在减少对相应量子比特进行受控计算操作所需的对2d晶格的量子比特的操作的总数方面的增益变得更加显著。
7、其次，本公开的技术使得能够并行地进行受控量子计算操作，这在现有技术的一些技术中是不可能的。这可以提供受控量子计算操作的额外加速，这可以导致在量子计算任务的整个执行时间内保持量子比特之间的相干性。
8、一些术语在本说明书中以以下方式使用：
9、术语“量子比特”可以指的是具有(至少)两个量子态或这些量子态的任何叠加的量子力学系统，它也被简称二能级系统。二能级系统是携带量子信息的基本单元，量子信息可以被编码到其中，并且可以从中检索量子信息。例如，具有两个能级和对应的自旋向上和自旋向下状态的电子在磁场中的自旋(spin)是量子比特的物理实现。另一种物理实现涉及单个光子的偏振，其中两个正交偏振可以被视为两个量子比特态。在一些情况下，两个量子态可以与两个不同的能级关联，例如，充当量子比特的物理实现的物理系统的非简谐能谱(或者，换句话说，能级的非简谐阶梯)中的两个选定能级(例如，超导量子比特可能就是这种情况)。在其他情况下，两个量子态可能与两个简并能级关联(即，它们共享相同的能量值)，这可能是光量子计算机中的情况。单个量子比特的量子态可以用波函数来描述，波函数可以表示为二维复空间中的向量，并且其量子态的变化(例如，归因于量子比特态的时间演化和/或作为应用量子门操作的结果)可以在布洛赫球上可视化(例如，参见m.a.nielsen和i.l.chuang，“quantum computation and quantum information”:10th anniversaryedition,cambridge university press,2010)。量子计算可能涉及对多个量子比特的量子计算操作(另见下面的讨论)，使得可以操纵和改变它们的多量子比特量子态。在一些情况下，多个量子比特中的每个量子比特可以被彼此独立地处理，在这种情况下，可以将多量子比特量子态改写成可分离的量子态，即，它可以表示为每个单量子比特态的张量积(并且最终可以表示为各个量子比特的量子态的对应叠加)。在其他情况下，当多个量子比特中的至少两个量子比特不能被彼此独立地处理(或者，换句话说，它们不能彼此分开地描述)时，多量子比特量子态表示不能用各个量子比特态的张量积来表示的纠缠态(另见下面进一步的讨论，其中更详细地讨论了这两种状况)。
10、存在在量子计算的背景下，可以用作量子比特(即，作为二能级系统)的系统的许多物理实现。本公开的量子比特不限于特定的物理实现。此类物理实现的例子是基于腔量子电动力学(cqed)的量子计算机，其中量子比特是由耦合到高精细度腔的俘获原子的内部状态提供的。使用电路量子电动力学的量子计算的一个例子是基于耦合到微波腔(称为量子总线)并在微波区域中辐射的超导量子比特的超导量子计算，其量子态由电磁脉冲操纵，以控制磁通量、电荷或纳米制造的约瑟夫逊结两端的相位差，例如参见https://doi.org/10.1038/nature07128。另一个例子涉及固态核磁共振(nmr)凯恩量子计算机，其量子比特被实现为嵌入到相应主晶格(例如，在纯硅晶格中)中的施主原子(例如，磷施主原子)的核自旋态。在一些其他例子中，量子计算机的物理实现可以基于光学晶格中的中性原子，当量子比特由俘获在光学晶格中(例如，通过里德伯相互作用彼此相互作用)的中性原子(例如，里德伯原子)的内部态来实现时，例如参见，https://doi.org/10.1088/0953-4075/49/20/202001。在其他例子中，量子计算机可以是量子点计算机，其中量子比特由俘获电子的相应自旋态给出。
11、术语“量子计算操作”和相关术语“量子计算”可以指的是对能够改变其量子态的量子比特的操作。对一个或多个量子比特的量子计算操作可以通过操纵量子比特的量子态的量子门来执行，或者换句话说，利用量子比特携带的量子信息来执行。如下面进一步公开的，单个量子比特可以形成单量子比特量子态(例如，基态、激发态或两者的叠加)。在一些情况下，多个量子比特可以形成多量子比特量子态，该量子态可以是张量积态或纠缠态(更多细节请参见下面的讨论)。量子门由酉算子u表示(例如，由相应的酉矩阵表示)，酉算子u确保在没有耗散的情况下量子比特的波函数的范数守恒，使得该算子与其厄米共轭的乘积等于恒等算子其中表示厄米共轭，i是恒等算子。因此，量子门被配置为对量子比特进行酉变换，即，换句话说，表示量子门的所述酉算子对量子比特的量子态进行酉转换(也参见下面的讨论)。哈达玛门h、相位门s、π/8门和泡利x-,y-和z-门是其对量子比特的作用可以在上述布洛赫球上可视化的单量子比特门的例子(例如，参见m.a.nielsen和i.l.chuang所著的书)。对一个或多个量子比特的任意量子计算可以由量子比特门的有限集合生成，据说这对量子计算是通用的。在这种情况下，表示对量子比特的这种量子计算的任何酉操作都可以分解为由包括来自该有限集合的门的量子电路进行的一组操作。任何酉操作(例如，对任何多个量子比特逻辑门进行的酉操作)可以由双量子比特受控not(cnot)门和对应数量的单量子比特门组成，即，具有表征所考虑的酉操作的若干自由参数的单量子比特旋转。例如，任何酉操作都可以通过也称为通用量子门的哈达玛门、相位门、cnot门和π/8门来近似(达到给定的精度)(例如，参见m.a.nielsen和i.l.chuang，“quantumcomputation and quantum information”:10th anniversary edition,cambridgeuniversity press,2010)。例如，在超导量子比特的背景下，单量子比特门可以通过由发送到与量子比特耦合的传输线的微波脉冲引起的单个超导量子比特的两个能级之间的旋转来实现，其频率与能级之间的能量间隔共振。此外，双量子比特门可以通过例如经由微波腔或中间电耦合电路耦合两个超导量子比特来实现(例如参见，https://doi.org/10.1038/nature02851)。在中性原子量子计算的背景下，双量子比特门可以使用足够强以进行双门操作的中性原子之间的可控里德伯相互作用来实现，例如参见https://doi.org/10.1103/physrevx.10.021054。
12、本文中使用的应用于量子比特的术语“酉变换”在本公开中应当被广义地解释，并且可以指的是由作用于所述量子比特的酉操作引起的量子比特的量子态的酉变换，它可由作用于量子比特的量子态的酉算子定义。例如，量子计算操作，比如将不同的一个或多个量子门(由相应的酉算子表示)应用于量子比特的量子计算操作，可以导致量子比特的量子态的酉变换。在其他情况下，量子比特的量子态可以根据量子比特的哈密顿量(例如，cqed中的jaynes-cummings哈密顿量)酉演化，哈密顿量是厄米算子，所述厄米算子确定量子比特与外部控制场(例如，磁场)的相互作用，以及量子比特与宿主晶格或腔(例如，在超导量子计算背景下的量子总线)的耦合以及它们的可能相互作用(例如，在里德伯原子背景下的偶极-偶极相互作用)。在量子计算期间发生的量子比特的量子态的这种酉时间演化(由酉时间演化算子表示)在本说明书中也被称为“酉变换”。从上面的讨论可以看出，单量子比特旋转是酉变换的特定情况。
13、关于(例如布置在2d晶格上的)量子比特的术语“邻接性”(或属性“相邻”)在本公开中应当被广义地解释，使得如果可以实现作用于两个量子比特的通用量子门，而不需要在这两个量子比特中的任何量子比特与第三量子比特之间的一个或多个单独的量子门，则这两个量子比特可以被归类为相邻。例如，如果量子计算机在不涉及第三量子比特的情况下提供与作用于两个量子比特的通用门组相关的所有酉操作，或者如果它们在硬件上物理耦合，或者如果可以实现作用于两个量子比特的硬件本地双量子比特门，而不需要在这两个量子比特中的每个单独量子比特和第三量子比特之间的独立量子门。在一些例子中，例如，如果量子比特是相同或不同种类的量子比特(例如，一个种类可以代表控制量子比特，而另一个种类则可以代表对其进行量子计算操作的系统量子比特)内的最近邻量子比特，或者如果所考虑的量子比特之间的距离等于或小于预定特征距离，则量子比特可以被归类为相邻的(另见后面的讨论)，则量子比特可以被归类为相邻。当量子比特例如经由偶极-偶极相互作用彼此直接相互作用时，量子比特的空间分离可能是决定性因素，例如，如同对于光学俘获的里德伯原子的偶极-偶极相互作用的情况，例如参见，https://doi.org/10.1088/0953-4075/49/20/202001。在其他例子中，量子比特之间的空间距离可能不是相关因素，或者至少不仅仅是确定量子比特的邻接性的相关因素。例如，半导体量子比特可以经由这些量子比特耦合到的量子总线相互耦合，使得量子比特耦合可以通过这些量子比特的磁通量控制来调整，从而它们的空间分离可能不是决定性因素。例如，当量子比特耦合超过预定临界值，使得可以基于这两个量子比特(不涉及第三量子比特)实现双量子比特门，或者这两个量子比特可以形成纠缠态时，所述量子比特可以被视为相邻量子比特。在这种情况下，它们的空间分离可能不是决定性因素。在一些其他例子中，超导量子比特的量子比特-量子比特耦合可以通过将它们连接到中间电耦合电路来调节，例如参见https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5。
14、术语“辅助量子比特”和“附属辅助量子比特”指的是用于控制对“系统量子比特”的量子计算操作和由此产生的酉变换的量子比特。因此，在本说明书中，由辅助量子比特控制的酉变换在本说明书中被称为受控酉变换。“辅助量子比特”可以包含预定的信息内容(例如，它们被初始化为的已知量子态，比如纠缠态)，并且可以将该信息发送到附属辅助量子比特。例如，在量子计算期间，若干“辅助量子比特”可以被重新初始化以包含其他预定信息内容。
15、在本说明书中，在相同或不同种类的量子比特内的量子比特之间“发送预定信息内容”应当被广义地解释。在一些情况下，在两个相邻量子比特之间发送预定信息内容可以包括对所述量子比特应用酉变换，例如，使用一个或多个双量子比特门，或者在一些例子中，除了所述双量子比特门外，还使用一个或多个单量子比特门或多量子比特门。应注意的是，涉及酉变换的在两个相邻量子比特之间“发送预定信息内容”可以包括这些量子比特之间的直接(物理)相互作用和/或这些量子比特例如经由宿主晶格/量子总线的相互作用(在上述意义上)。在本说明书的一些例子中，“预定信息内容”可以经由在布置在遥远量子比特之间的相邻量子比特间应用的相应酉变换，在所述遥远量子比特之间发送(更多细节参见下面的进一步讨论)。在本技术中，在两个相邻量子比特之间“发送预定信息内容”可以包括控制由发送“预定信息内容”的量子比特对“预定的信息内容”被发送到的量子比特执行的量子计算操作。在一些情况下，“预定信息内容”例如可以在量子计算操作的过程中(例如，在不同的时刻)被发送一次或多次，以提供所述控制，另见下面进一步的讨论。此外，当在上述意义上“预定信息内容”可以从一个量子比特发送到另一个相邻量子比特时，“预定信息信息内容”被发送到的量子比特可以被称为被配置为接收“预定信息内容”。
16、本文中使用的术语“量子比特链”在本公开中应当广义地解释为指相同种类的量子比特在2d晶格的平面上的一维(1d)空间布置(例如，沿着1d曲线或直线)。在一些情况下，一种量子比特可以包括在一个或多个方向上延伸的一个或多个连接的量子比特链。另外地或可替选地，一种量子比特可以包括在一个或多个方向上延伸的一个或多个断开的量子比特链，所述一个或多个断开的量子比特链例如被其他种类的量子比特的一个或多个链中断。
1.一种用于配置量子计算系统的方法，其中所述量子计算系统包括布置在二维(2d)晶格上的多个量子比特，所述方法包括：
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在执行权利要求1的接收选择步骤之后，控制量子计算系统，包括：
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中所述第一批、第二批和第三批多个量子比特在所述2d晶格上形成对应数量的链，
4.按照权利要求2或3所述的方法，其中所述第一批一个或多个量子比特的所述预定信息内容包括关于所述一个或多个量子比特的量子态(|ψ>)的信息，其中所述量子态是以下之一：
5.按照权利要求3和4所述的方法，所述方法还包括：
6.按照权利要求5所述的方法，所述方法还包括：
7.按照权利要求5或6所述的方法，所述方法还包括在对所述第二批多个量子比特中的相应一个或多个量子比特向其发送所述预定信息内容的所述第三批多个量子比特中的一个或多个量子比特(3a-3c)进行所述多个量子计算操作中的一个或多个量子计算操作之后，将所述第二批多个量子比特中的相应一个或多个量子比特重置(630)为第零量子态(|0>)，可选地，其中重置(630)包括在两个或更多的断开链的相应的相邻量子比特之间应用若干连续cnot操作(10)。
8.按照权利要求3和4所述的方法，所述方法还包括：
9.按照权利要求2～8任意之一所述的方法，所述方法还包括将所述预定信息内容发送到所述第三批多个量子比特中对其来说没有所述第二批多个量子比特中的相邻量子比特可用的量子比特，其中所述发送步骤还包括：
10.按照权利要求1～9任意之一所述的方法，其中进行(800)所述多个量子计算操作包括进行应用于所述第三批多个量子比特中的相应量子比特的一个或多个受控酉变换(810)，从而修改所述相应量子比特的量子态，其中对所述相应量子比特的一个或多个酉变换是使用发送到所述相应量子比特的所述预定信息内容控制的，
11.按照权利要求10所述的方法，其中进行(820)应用于所述相应量子比特的受控旋转变换(ra(θ)；70)包括：
12.按照权利要求1～11任意之一所述的方法，所述方法还包括进行量子计算任务，其中所述量子计算任务包括对所述第三批多个量子比特中的一个或多个量子比特进行的多个量子计算操作。
13.一种根据按照权利要求1～12任意之一所述的方法步骤配置的量子计算系统(1000)。
14.一种量子计算系统(1000)，所述量子计算系统(1000)被配置为进行受控量子计算操作并且适合于进行按照权利要求2～12任意之一所述的方法步骤。
15.一种包括量子计算系统(1000)的远程计算系统，所述远程计算系统适合于：
