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光子和人造原子的量子比特交換

 AIpatent 2024-06-16 發(fā)布于上海

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本文778字,閱讀約需2分鐘

摘   要:本研究證實(shí)只需將微波光子反射到超導(dǎo)人造原子上,就可以交換兩者所具有的量子比特,這是首次證實(shí)交換兩個(gè)量子比特的雙向傳輸,有助于實(shí)現(xiàn)“分布式”量子計(jì)算機(jī)。

關(guān)鍵詞:光子、超導(dǎo)人造原子、量子計(jì)算機(jī)、量子比特交換

日本東京醫(yī)科齒科大學(xué)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所經(jīng)研究證實(shí),只需將微波光子反射到超導(dǎo)人造原子上,就可以交換兩者所具有的量子比特。

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī),通過(guò)使用像光子一樣移動(dòng)的顆粒作為量子比特、并連接多個(gè)量子處理器來(lái)顯著增加量子比特?cái)?shù)量的分布式量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是一種有前途的解決方案。

超導(dǎo)人造原子通過(guò)超導(dǎo)態(tài)的非線性LC電路實(shí)現(xiàn),電路的基態(tài)|g>和第一激發(fā)態(tài)|e>被用作量子比特。換句話說(shuō),超導(dǎo)量子比特的狀態(tài)表示為α1|g>+α2|e>,作為兩者的疊加(α1和α2是復(fù)系數(shù))。

另一方面,具有兩種載波頻率(10.208和10.266GHz)的單光子被用作微波光子,低頻態(tài)|ωL>和高頻態(tài)|ωH>被用作量子比特。換句話說(shuō),微波光子的狀態(tài)表示為β1L>+β2H>,作為兩者的疊加(β1和β2是復(fù)系數(shù))。

本研究中使用的設(shè)備中,超導(dǎo)人造原子通過(guò)諧振器耦合到波導(dǎo)。當(dāng)超導(dǎo)人造原子受到適當(dāng)頻率和強(qiáng)度的微波驅(qū)動(dòng),并相應(yīng)地從波導(dǎo)注入微波光子時(shí),反射后兩者之間的量子信息進(jìn)行交換。

即反射后,超導(dǎo)量子比特變?yōu)闋顟B(tài)β1|g>+β2|e>,微波光子量子比特變?yōu)闋顟B(tài)α1L>+α2H>。在量子計(jì)算術(shù)語(yǔ)中,此操作被稱(chēng)為二量子比特的交換(SWAP)門(mén)。

本研究中使用的器件。

(a)概念圖。超導(dǎo)人造原子與諧振器耦合,每個(gè)諧振器與波導(dǎo)耦合。從端口2向超導(dǎo)人造原子施加驅(qū)動(dòng)波,同時(shí)從端口1注入微波光子。|0>、|1>、|2>表示諧振器中光子數(shù)量的狀態(tài)。

(b)顯微照片。右下插圖為超導(dǎo)人造原子的放大照片。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí),超導(dǎo)人造原子和微波光子之間確實(shí)發(fā)生了雙向量子態(tài)轉(zhuǎn)移。到目前為止,已經(jīng)有報(bào)道將一個(gè)量子比特從超導(dǎo)人造原子單向轉(zhuǎn)移到微波光子,或者從微波光子轉(zhuǎn)移到超導(dǎo)人造原子的方案,但這是首次證實(shí)交換兩個(gè)量子比特的雙向傳輸。

研究小組認(rèn)為,超導(dǎo)人造原子和微波光子之間的這種量子相互作用可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)“分布式”量子計(jì)算機(jī),利用光子連接多個(gè)量子處理器,并大幅增加量子比特的數(shù)量。


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