專利名稱：絕熱量子計(jì)算的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
提供了進(jìn)行量子計(jì)算的裝置和方法。這些系統(tǒng)和方法涉及使用 超導(dǎo)電路，更具體地說，涉及使用進(jìn)行量子計(jì)算的裝置。
背景技術(shù)：
圖靈機(jī)是1936年由阿蘭圖靈描述的一種理論的計(jì)算系統(tǒng)?？?以有效地才莫擬任何其他圖靈才幾的一臺(tái)圖靈枳4皮稱為通用圖靈才幾 (UTM)。丘奇-圖靈理i侖說明任何實(shí)際的計(jì)算才莫型或是具有 一 個(gè) UTM的等效運(yùn)算能力或是具有其運(yùn)算能力的一個(gè)子集。
一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是利用了一種或者多種量子效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算的 任何物理系統(tǒng)。能夠有效地才莫擬任何其他的量子計(jì)算才幾的一臺(tái)量子 計(jì)算機(jī)稱為通用量子計(jì)算機(jī)(UQC)。
1981年Richard P. Feynman提出可以使用量子計(jì)算才幾比一臺(tái) UTM更加有效地求解某些計(jì)算問題，并且因此4侓翻丘奇-圖靈理i侖。 參見 Fe"附aw 兄 P ， "Simulating Physics with Computers", International Journal of Theoretical Physics, Vol. 21 (1982) pp. 467-488。例如，指出可以使用 一 臺(tái)量子計(jì)算才幾才莫擬某些
其他量子系統(tǒng)，允許比4吏用一個(gè)UTM所可能的指凄t級(jí)地更快i也計(jì) 算,皮^^莫擬的量子系統(tǒng)的某些特性。
量子計(jì)算的途徑
設(shè)計(jì)和運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)有幾種一般的途徑。 一個(gè)這樣的途徑是 量子計(jì)算的"電路模型"。在該途徑中，通過多個(gè)系列的邏輯門作用 在多個(gè)量子位，這些邏輯門被編輯為一種算法的表述。電路才莫型量 子計(jì)算機(jī)在實(shí)際實(shí)施上有幾個(gè)嚴(yán)重的障礙。在該電路模型中，要求 在遠(yuǎn)長(zhǎng)于單門時(shí)間的時(shí)間周期上使多個(gè)量子位保持相干。提出這一 要求是因?yàn)殡娐纺Ｐ土孔佑?jì)算機(jī)要求的運(yùn)行是被集合地稱為量子 誤差校正，以便能夠運(yùn)算。在沒有電路模型量子計(jì)算機(jī)的這些量子 位能夠在單門時(shí)間的1000倍l史量級(jí)的時(shí)間周期上保持量子相干的 條件下，量子誤差校正就不能夠進(jìn)行。大量研究工作集中在開發(fā)量 子位，這些量子位具有足以形成電路模型量子計(jì)算機(jī)基本信息單元 的^目干'〖生。例3口參見Shor， P. W. "Introduction to Quantum Algorithms" arXiv.org:quant畫ph/0005003 (2001)， pp. 1-27。本才支術(shù)領(lǐng)域仍然受阻于 不能夠使量子位的相干性提高到設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)際電路模型量子計(jì) 算才幾可4妻受的水準(zhǔn)。
該電路模型一個(gè)例子示于圖2中。電路200是量子傅立葉變換 的 一種實(shí)施方案。量子傅立葉變換是在多個(gè)以電路模型為基礎(chǔ)的量 子計(jì)算應(yīng)用中的 一個(gè)有用的運(yùn)算方法。例如參見美國(guó)專利7>告 2003/0164490 Al, 題為"Optimization process for quantum computing process",其全文通過引用結(jié)合在此。時(shí)間/人左向右進(jìn)展，就是i兌， 時(shí)間步艱《201先于時(shí)間步驟202,并且依此類4偉。圖2所示的量子 系統(tǒng)中的四個(gè)量子位從下向上標(biāo)號(hào)為0-3。在任何給定時(shí)間步驟中 量子位0的狀態(tài)由線S0-S0，代表，在任何給定時(shí)間步驟中量子位1 的狀態(tài)由線S1-S1，代表，等等。在時(shí)間步驟201中， 一個(gè)單量子位 單一門，A3,;故施用于量子位3。在線S3-S3，上用于量子位3的下
一個(gè)門是一個(gè)雙量子位門，B23，在時(shí)間步驟202該雙量子位門^皮 施用于量子位2和3。概括地說，Ai門(例如，于時(shí)間步驟201^皮 施用于量子位3的A3)是施加在第i個(gè)量子位上的一個(gè)阿達(dá)馬門 (HADAMARD gate )，而Bj」門(例如，在時(shí)間步驟202凈皮施用于 量子位2和3的B23)是耦連到第i和第j個(gè)量子位的一個(gè) CPHASE門。這些單一門的應(yīng)用一直繼續(xù)到狀態(tài)SO —S3被轉(zhuǎn)換到 S0，-S3，為止。在時(shí)間步驟210之后，可以使更多的單一門施用于 這些量子位，或者這些量子位的狀態(tài)可以被確定(例如，通過測(cè)量)。
量子計(jì)算的另 一 個(gè)途徑涉及將多個(gè)耦連的量子系統(tǒng)的 一 個(gè)系 統(tǒng)的自然物理演算用作一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。該途徑不對(duì)量子門和量子電 路進(jìn)行苛刻的應(yīng)用。取而代之的是，從一個(gè)已知的初始化哈米爾頓 算子開始，它依賴于多個(gè)個(gè)耦連的量子系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)的受引導(dǎo)的 物理演算，其中要求解的問題按該系統(tǒng)的哈米爾頓算子進(jìn)行編碼， 乂人而該耦連的量子系統(tǒng)的終末狀態(tài)含與要求解的問題的解相關(guān)的 信息。該途徑不要求長(zhǎng)的量子位相干時(shí)間。此類途徑包括絕熱量子 計(jì)算，群集-狀態(tài)量子計(jì)算，單向量子計(jì)算，量子退火和經(jīng)典退火， 并且例3口i兌明于FaA/, 等人的"Quantum Adiabatic Evolution Algorithms versus Stimulated Annealing" arXiv.org:quant-ph/0201031 (2002), pp 1-24。
如圖3中所示，絕熱量子計(jì)算涉及將一個(gè)系統(tǒng)初始4匕為一種初 始狀態(tài)，該系統(tǒng)對(duì)一個(gè)要求解的問題進(jìn)行編碼。該初始狀態(tài)由一個(gè) 初始化p合米爾頓算子T/o描述。然后使該系統(tǒng)絕熱地遷移到由口合米 爾頓算子//p描述的一種終末狀態(tài)。該終末狀態(tài)編碼對(duì)該問題的一 個(gè)解。從」&向//P的遷移遵從由函數(shù)Y(t)描述的一個(gè)插值路徑， 該函數(shù)在零至r的間期(含區(qū)間端點(diǎn))上是連續(xù)的，并且具有一個(gè) 條件，即在時(shí)間T以后該初始化哈米爾頓算子//o降為零。在此，
r指得是該系統(tǒng)達(dá)到由哈米爾頓算子/^代表的狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)。可
任選底，該插值可以橫移到一個(gè)外部的p合米爾頓算子7/￡ ,該外部 的p合米爾頓算子可以含有用于某些或者全部由//。表達(dá)的量子位的
隧道效應(yīng)項(xiàng)。該外部的P合米爾頓算子//￡的幅度由一個(gè)函數(shù)《0描
述，該函數(shù)在零至r的間期(含區(qū)間端點(diǎn))上是連續(xù)的，并且在
該4^f直的開始0 = 0)和結(jié)束(,=T)時(shí)為零，而在？ = 0與f = T
之間的所有的或者 一部分的時(shí)間中是非零的。 量子位
如前所述，量子位可以用作一臺(tái)量子計(jì)算^L的信息的基本單
元。如同位在UTM的情況那樣，量子位可以指至少兩個(gè)完全不同 的量值； 一個(gè)量子位可以指在其中存儲(chǔ)信息的一個(gè)真實(shí)的物理裝
置，并且它還可以指,人其物理裝置抽象出的信息單位本身。
量子位推廣了經(jīng)典的數(shù)字位的概念。 一個(gè)經(jīng)典的信息存儲(chǔ)裝置
可以編石馬兩個(gè)離散4犬態(tài)，典型;也標(biāo)"0"和"1"。物理上這兩個(gè)離散習(xí)犬
態(tài)由經(jīng)典的信息存儲(chǔ)裝置的兩個(gè)不同且可區(qū)別物理狀態(tài)來表達(dá)，如 》茲場(chǎng)、電流或者電壓的方向和幅度，其中對(duì)該位的狀態(tài)進(jìn)行編碼的 量值按照經(jīng)典物理學(xué)的定律表現(xiàn)。 一個(gè)量子位也包含兩個(gè)離散的物
理狀態(tài)，它們也可以標(biāo)"O"和"1"。物理上這兩個(gè)離散狀態(tài)由量子信
息存儲(chǔ)裝置的兩個(gè)不同且可區(qū)別物理狀態(tài)來表達(dá)，如磁場(chǎng)、電流或 者電壓的方向和幅度，其中隊(duì)該位狀態(tài)進(jìn)4亍編碼的量值4安照量子物 理學(xué)的定律來表現(xiàn)。如果存儲(chǔ)這些狀態(tài)的物理量值按量子力學(xué)表
王見，該裝置還可以另外i也置于一種0和1的重疊。f尤是i兌，該量子 ^立可以同時(shí)存在于"0，，和"1 ，，狀態(tài)，并且因此可以對(duì)兩個(gè)狀態(tài)同時(shí) 進(jìn)行一個(gè)計(jì)算?？傊?，N個(gè)量子位可以處于2N個(gè)狀態(tài)的重疊之中。 各個(gè)量子算法利用該重疊特性來加速某些計(jì)算。
以標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)， 一個(gè)量子位的基本狀態(tài)凈皮稱為|0〉和|1〉狀 態(tài)。在量子計(jì)算的過程中，總體上， 一個(gè)量子位的狀態(tài)是基礎(chǔ)狀態(tài)
的一種重疊，乂人而該量子位具有占據(jù)該io〉基礎(chǔ)狀態(tài)的一個(gè)非零扭克率 和占據(jù)該ll〉基礎(chǔ)狀態(tài)的一個(gè)同時(shí)的非零概率。數(shù)學(xué)上，多個(gè)基礎(chǔ)狀
態(tài)的重疊是指該量子位的整體狀態(tài)，這用l甲〉表示，具有I H"IG〉 + Hl〉 的形式，其中"和6分別是對(duì)應(yīng)于概率l"卩和p卩的系數(shù)。系數(shù)"和 6各自有實(shí)部和虛部分量，這使得該量子位的相位能夠被表征出。 一個(gè)量子位的量子性的本質(zhì)很大程度上是從其存在于多個(gè)基礎(chǔ)狀 態(tài)的一種相干迭加的能力而衍生出，并且Y吏該量子位具有一個(gè)相位
的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)量子位允分地與脫散源相隔離時(shí)，該量子位將保持 作為各個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的相干重疊而存在的這種能力。
為了使用一個(gè)量子位來完成一個(gè)計(jì)算，該量子位的狀態(tài)被測(cè)量 (f尸讀出)。典型地，當(dāng)進(jìn)行該量子位測(cè)量時(shí)，該量子位的量子實(shí) 質(zhì)4皮臨時(shí);也丟失并且該基礎(chǔ)狀態(tài)的重疊崩潰為或?yàn)閨0〉基礎(chǔ)狀態(tài)或 為ll〉基礎(chǔ)狀態(tài)，并因此重新獲得與一個(gè)常規(guī)位的相似性。該量子位
在其崩潰以后的實(shí)際狀態(tài)取決于直接在該讀出運(yùn)作前的概率H2和問2。
超導(dǎo)量子位
人們?cè)诳紤]將多種不同的硬件和軟件途徑用于量子計(jì)算機(jī)中。 一種硬件途徑使用超導(dǎo)材料譬如鋁或者鈮形成的集成電路。設(shè)計(jì)和 制造超導(dǎo)集成電路所涉技術(shù)和工藝與用于常規(guī)集成電路的技術(shù)和 工藝相似。
超導(dǎo)量子位是可以包括在一個(gè)超導(dǎo)集成電路中的一種超導(dǎo)裝 置。根據(jù)用于對(duì)信息進(jìn)行編碼的物理特性，超導(dǎo)量子位可以分成幾 個(gè)類別。例如它們可以分成電荷裝置、通量裝置和相〗立裝置，例如
^口在Makhlin等人的,2001, Aev/ews o/ A/c^ferw尸/^57'c51 73， pp. 357~400中所述。電荷器件用該裝置的電荷狀態(tài)存^"和凈喿縱信息， 其中基本電荷由一種4皮稱為庫珀對(duì)的電子對(duì)構(gòu)成。 一個(gè)庫珀對(duì)具有
的電荷并且由兩電子構(gòu)成，這兩個(gè)電子例如由一個(gè)光子相互作用 4建4妄在一起。參見1"列^口， Nielsen and Chuang, Qw"w^w; Com/ wto〃ow gwaw^附/"ybr附a"'ow， Cambridge University Press, Cambridge (2000), pp. 343-345。通量裝置用 一種通過該裝置的某個(gè)部分的》茲通 量的變量來存儲(chǔ)信息。相位裝置用 一種在該相位裝置的兩個(gè)區(qū)域之 間超導(dǎo)相位的不同相關(guān)聯(lián)的變量來存儲(chǔ)信息。近年，已經(jīng)開發(fā)了使 用兩個(gè)或者多個(gè)電荷、通量和相位自由度的混合裝置。例如參見美 國(guó)專利號(hào)6,838,694禾口美國(guó)專利申"i青號(hào)2005-0082519。
圖1A示出一種持續(xù)電流量子4立101。持續(xù)電流量子4立101包 4舌由約瑟夫遜結(jié)101-1, 101-2和101-3間斷的超導(dǎo)才才津牛的環(huán);洛103。 約瑟夫遜結(jié)典型地使用標(biāo)準(zhǔn)制造工藝形成，總體上涉及金屬沉積和 平片反印屌'J術(shù)。侈'J:^口參見Madou， Fw"dawe"to/s o/ 71//croy^6Wc"〃o"， SecowJ五^"ow， CRC Press, 2002。制造約瑟夫遜結(jié)的方法是眾所周 ^口的并且侈'J長(zhǎng)口i兌明于Ramos等人的，2001， 7>""& J/ / .
Swpe/row/. 11， 998。持續(xù)電流量子4立的具體細(xì)節(jié)可以參閱C.H. van der Wal， 2001; J.B. Majer， 2002; and J.R. Butcher, 2002, all Theses in Faculty of Applied Sciences, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands; http:〃qt.tn.tudelft.nl; Kavli Institute of Nanoscience Delft, Delft University of Technology, P.O. Box 5046, 2600 GA Delft, The Netherlands。普通的基質(zhì)例如包括硅、氧化>法，或者藍(lán)寶石。約瑟 夫遜結(jié)還可以包4舌絕纟彖材沖牛，譬如氧4b鋁?？捎糜谛纬沙瑢?dǎo)環(huán)^各103 的示例性超導(dǎo)材料是鋁和鈮。這些約瑟夫遜結(jié)橫截面大小在約10 納米(nm)至10微米Om)之間。 一個(gè)或者多個(gè)約瑟夫遜結(jié)101具有 與該量子位中的其他約瑟夫遜結(jié)不同的參數(shù)，譬如結(jié)的大小、結(jié)表 面積、約瑟夫遜能量或者充電通量。
在持續(xù)電流量子位中任何兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)之間的差別的特征 是一個(gè)系數(shù)， 一皮稱為a，該系數(shù)典型地是從約0.5至約1.3的范圍。 在某些情況下，對(duì)于持續(xù)電流量子位的一對(duì)約瑟夫遜結(jié)的該項(xiàng)a是 該〉寸中兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)之間的臨界電流之比。 一個(gè)約瑟夫遜結(jié)的臨 界電流是^f吏該結(jié)不再超導(dǎo)的流經(jīng)該結(jié)的最小電流。這就是說，在該 臨界電流以下該結(jié)是的超導(dǎo)的，而在該臨界電;充以上，該結(jié)不是超
導(dǎo)的。因ot匕，例3。，只于于結(jié)101-1和101-2的的項(xiàng)ot 一皮定義為結(jié) 101-1的臨界電流與結(jié)101-2的臨界電流之比。
參見圖1A， 一個(gè)偏置源110 ^皮電感性地耦連到持續(xù)電流量子 位101。偏置源110用于使一個(gè)磁通量①x穿過相位量子位101以提 供對(duì)該相位量子位的狀態(tài)的控制。在一些情況下，該持續(xù)電流量子 位用一種f茲通量偏置(Dx來運(yùn)作，該》茲通量偏置范圍是,人約0.24。 至約0.S'O。，其中①。是通量量子。在一些情況下，該,茲通量偏置
范圍是乂人約0.47'$。至約0.5'00。
持續(xù)電流量子位101相對(duì)于^爭(zhēng)約瑟夫遜結(jié)101-1, 101-2,和
101-3的相位具有一個(gè)二維的勢(shì)能。在一些情況下，持續(xù)電流量子 位101 一皮一個(gè)石茲通量Ox偏置，這才羊該二維勢(shì)能的特性曲線包括本 地能量最小值的區(qū)域，其中該本地能量最小值是由小的能量壁壘相 互分開并且由大的能量壁壘與其他的區(qū)域分開。在一些情況下，該 勢(shì)能具有雙阱勢(shì)能100B的形狀(圖1B)，該雙阱勢(shì)能包4舌一個(gè)左 阱160-0和一個(gè)右阱160-1。在這樣的情況下，左阱160-0可以代表 在相位量子位101中的順時(shí)針(102-0)循環(huán)的超導(dǎo)電流而右阱160-1 可以代表在圖1A的持續(xù)電流量子位101中逆時(shí)針(102-1)循環(huán)的超 導(dǎo)電流。
當(dāng)雙阱160-0和160-1處于退4匕或者4妄近退^b時(shí)，意p未著它們 處于相同的能量勢(shì)或者接近相同的能量勢(shì)，如在圖1B中所示，這 時(shí)持續(xù)電流量子位101的量子狀態(tài)變成相位或者基本狀態(tài)的一個(gè)相 干疊加，并且該裝置可以作為一種相位量子位來運(yùn)4亍。處于或者才妻 近退化的點(diǎn)在此被稱為該持續(xù)電流的計(jì)算運(yùn)行點(diǎn)。在該持續(xù)電流量
子位的計(jì)算運(yùn)行過程中，該量子位的電荷被固定，導(dǎo)致相位基礎(chǔ)中 的不確定性和量子位的相位狀態(tài)的離域作用。于是可以利用可控的 量子效應(yīng)根據(jù)量子力學(xué)處理存儲(chǔ)在這些相位狀態(tài)中的信息。這使得 持續(xù)電流量子位可對(duì)抗電荷噪音并且由此延長(zhǎng)了可以-使量子位<呆 持在基礎(chǔ)狀態(tài)的 一種相干重疊中的時(shí)間。
計(jì)算復(fù)雜性理論
在計(jì)算機(jī)學(xué)中，計(jì)算復(fù)雜性理論是計(jì)算理論的分支，它研究求 解一個(gè)給定計(jì)算問題所要求的資源，或者成本。這種成本通常用抽 象的參數(shù)來衡量，例如時(shí)間和空間，稱之為計(jì)算資源。時(shí)間代表求 解一個(gè)問題所要求的步驟數(shù)而空間代表所要求的信息存儲(chǔ)量或者 要求多大的存儲(chǔ)器。
計(jì)算復(fù)雜性理論將計(jì)算問題劃分到復(fù)雜性等級(jí)。復(fù)雜性等級(jí)的 數(shù)目總是在改變，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)科學(xué)進(jìn)展中新的等級(jí)被定義而現(xiàn)有
的在合并。決策問題的復(fù)雜性等級(jí)包括
1. P -該復(fù)雜'l"生等級(jí)含由一個(gè)判定性UTM 4吏用一個(gè)多 項(xiàng)式量級(jí)的計(jì)算時(shí)間可以解出的決策問題；
2. NP ("非判定性多項(xiàng)式時(shí)間")-在一個(gè)非判定UTM上 用多項(xiàng)式時(shí)間可解的決策問題的集合。等價(jià)地說，它是可以由 一個(gè)判定性UTM在多項(xiàng)式時(shí)間中"騶3正"的問題的集合；
3. NP難題(非-判定性UTM多項(xiàng)式時(shí)間難題)-決策問 題的等級(jí)，它包含所有問題H,從而對(duì)于每個(gè)NP中的決策問 題L存在一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間多一歸約到H。非正式地/說，該等 級(jí)可以描述成包含至少與NP中的任何問題一樣難的決策問 題；
4. NP完全的- 一個(gè)決策問題C是NP-完全的，如果它 對(duì)于NP是完全的，意思是
(a) 它在NP中且
(b) 它是NP難題，
f尸，在NP中每個(gè)其4也問題都可以歸約為它。"可歸約的" 是指對(duì)于每個(gè)問題L,存在一個(gè)多項(xiàng)式-時(shí)間多一歸約， 一個(gè) 判定性算法，該使例1 e L變換到例c e C,從而當(dāng)并且僅當(dāng)1 的解是YES且貝'J c的解是YES。為了"i正明一個(gè)NP問題A事 實(shí)上是一個(gè)NP-完全問題，證明一個(gè)已知的NP-完全問題歸約 到A就足夠了 。
判定問題具有二元的結(jié)果。NP中的問題是對(duì)之存在一個(gè)多項(xiàng) 式時(shí)間的驗(yàn)證的計(jì)算問題。就是說為了驗(yàn)證一個(gè)潛在的解不用花費(fèi) 超過該問題大小的多項(xiàng)式時(shí)間(等級(jí)P)。然而，找出一個(gè)潛在的解 可能會(huì)花費(fèi)超過多項(xiàng)式時(shí)間。NP-難題的問題至少是與NP中任何問 題一樣難。
優(yōu)化問題是這樣一些問題，對(duì)它們?cè)谝粋€(gè)變量的集上使一個(gè)或 者多個(gè)目標(biāo)函數(shù)最小化或者最大化，有時(shí)要服從一個(gè)限制條件的集 合。例如，推銷員旅行問題("TSP")是一種優(yōu)化問題，其中一個(gè)目 標(biāo)函數(shù)例如代表須優(yōu)化的距離或者成本以找出 一種旅行路線，這被 編碼到一個(gè)代表該問題的優(yōu)化解的變量的集合中。例如，給定一個(gè) 地點(diǎn)的清單，該問題須包括對(duì)所有地點(diǎn)只訪問一次的最短路徑。優(yōu) 化問題的其他例子包括最大獨(dú)立集合，整數(shù)編程，限制性優(yōu)化，因 式分解，推算模擬，和k-SAT。這些問題是許多真實(shí)世界的優(yōu)化問 題的抽象，譬如運(yùn)算研究，金融資產(chǎn)組合選擇，計(jì)劃制定，供給管 理，電路設(shè)計(jì)，以及旅行路線優(yōu)化。很多大規(guī)模的基于決策的優(yōu)化
問題是NP-，,題。例長(zhǎng)口參見"^ i^'g/z-Leve/W (9p"w/za"o".' 尸mse械e-Optimization.com, 2000。
才莫擬問題典型地涉及由另 一個(gè)系統(tǒng)才莫擬另 一個(gè)系統(tǒng)，通常經(jīng)過 一個(gè)時(shí)間周期。例如，可以進(jìn)行商務(wù)過程，生態(tài)棲息地，蛋白質(zhì)折
疊，分子基狀態(tài)，量子系統(tǒng)等等的計(jì)算機(jī)模擬。這些問題往往包括 多個(gè)有復(fù)雜的相互關(guān)系和行為規(guī)則的不同實(shí)體。在F^ww""的文 章中提出可以使用一個(gè)量子系統(tǒng)比一個(gè)UTM更加有效地模擬某些 物理系統(tǒng)。
很多優(yōu)化問題和模擬問題不能夠用UTM求解。因?yàn)檫@一制約， 在本領(lǐng)域中存在對(duì)于超出UTM的范圍的計(jì)算問題能夠求解的計(jì)算 裝置的需要。例如在蛋白質(zhì)折疊領(lǐng)域中， 一直試圖用柵格計(jì)算系統(tǒng) 和超級(jí)計(jì)算機(jī)沖莫擬大的蛋白質(zhì)系統(tǒng)。參見Shirts爭(zhēng)入，2000， Sc/e"ce 290， pp. 1903—1904，和Allen爭(zhēng)入，2001, /5M一fe附 /ow層/40， p.310。 NEOS解算器是一種用于優(yōu)化問題的在線網(wǎng)絡(luò)解算器，其中 一名使用者提出一個(gè)優(yōu)化問題，選擇一個(gè)解該問題的算法，然后一 個(gè)中心服務(wù)器將該問題提交到該網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)能夠運(yùn)行所選取的算 法的計(jì)算機(jī)。例如參見Dolan等人，2002， 5Z4MiV簡(jiǎn)Vol. 35， p. 6。 其他基于tt字計(jì)算才幾的求解優(yōu)化問題的系統(tǒng)和方法例如可以查閱 Fourer等人，2001，/"&r/ac^ 31， pp. 130—150。然而,所有這些方法 都是有限的，因?yàn)樗鼈兝脭?shù)字，它們是UTM，并且因此受到在 問題大小和解算時(shí)間上比例不適當(dāng)?shù)慕?jīng)典計(jì)算的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的裝置和方法針對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)改善絕熱量子計(jì)算的 系統(tǒng)和方法的需要。在某些實(shí)施方案中， 一個(gè)基于圖形的計(jì)算問題， 譬如MAXCUT,是由一個(gè)無方向的邊緣加權(quán)的圖形來代表。在該 邊纟彖加權(quán)的圖形中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于多個(gè)量子4立中的一個(gè)量子4立。
該圖形的邊緣權(quán)重在多個(gè)量子位由這些量子位之間的耦合能量的 數(shù)值來代表。例如，在圖形中的第一和第二節(jié)點(diǎn)之間的邊緣權(quán)重是 由多個(gè)量子位中的對(duì)應(yīng)的第 一和第二量子位之間的耦合能量來代^ 表。
在本方法的一個(gè)方面，〗奪ft表該圖形的多個(gè)量子^f立^7始4匕到不 允許這些量子位到達(dá)量子隧道效應(yīng)的一個(gè)第一狀態(tài)。然后使該多個(gè) 量子位設(shè)置到 一個(gè)中間狀態(tài)，在該中間狀態(tài)中可以發(fā)生該多個(gè)量子 位的每個(gè)量子位的各個(gè)基本狀態(tài)之間的量子隧道效應(yīng)。在一 些實(shí)施 方案中，絕熱地發(fā)生向該中間狀態(tài)的改變。換言之，對(duì)于在向中間 狀態(tài)改變的過程中發(fā)生的任何給定的時(shí)刻f或者在這些量子位處于 該中間狀態(tài)中時(shí)，該多個(gè)量子位處于一個(gè)瞬態(tài)P合米爾頓算子基狀的
一個(gè)4妄;l也^l犬態(tài)(ground state ),這"i兌明了在時(shí)刻f的該多個(gè)量子4立。 這些量子位保持在該中間狀態(tài)，該中間狀態(tài)在一個(gè)足夠長(zhǎng)的期間允 許基本狀態(tài)之間的量子隧道效應(yīng)，該期間長(zhǎng)得足以允許該多個(gè)量子 位能夠?qū)τ稍摱鄠€(gè)量子位代表計(jì)算問題的達(dá)到一個(gè)解。
一旦允許了這些量子位在一個(gè)足夠的時(shí)間周期中發(fā)生量子隧 道效應(yīng)，這些量子位的狀態(tài)就纟皮調(diào)節(jié)，從而使它們達(dá)到某個(gè)終末狀 態(tài)，該終末狀態(tài)要么不允許量子隧道效應(yīng)，要么至少不允許快速的 量子隧道凌文應(yīng)。在一些實(shí)施方案中，絕熱;也發(fā)生向該纟冬末狀態(tài)的改 變。換言之，對(duì)于向該終末狀態(tài)改變的過程中發(fā)生的任何給定的時(shí) 刻？，該多個(gè)量子^f立處于一個(gè)瞬態(tài)p合米爾頓算子的4妄:t也狀狀，該一犬 態(tài)i兌明了在時(shí)刻f的該多個(gè)量子位。
在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的其4也實(shí)例中， 表該圖形的多個(gè)量子 位-陂初始化到到 一個(gè)第 一狀態(tài)，該狀態(tài)確實(shí)允"i午這些量子位發(fā)生量 子隧道效應(yīng)。 一旦在一個(gè)足夠的時(shí)間周期已經(jīng)允許了這些量子4立發(fā) 生量子隧道歲支應(yīng)，該量子系統(tǒng)的狀態(tài)即一皮改變。該量子4立的狀態(tài)#皮 調(diào)節(jié)為使它們達(dá)到某個(gè)終末狀態(tài)，該終末狀態(tài)要么不允許量子隧道
效應(yīng)，要么至少不允許快速的量子隧道效應(yīng)。在一些實(shí)施方案中， 絕熱i也發(fā)生向該終末狀態(tài)的改變。
本方法的一些實(shí)施方案是該絕熱量子計(jì)算才莫型中的通用量子 計(jì)算機(jī)。本方法的一些實(shí)施方案包括帶有單量子位哈米爾頓算子項(xiàng) 和至少一個(gè)雙量子位哈米爾頓算子項(xiàng)的量子位。
本方法的一個(gè)第一方面是使用包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一種量 子系統(tǒng)的用于量子計(jì)算的方法。該量子系統(tǒng)的特征是一個(gè)阻抗。還 有，該量子系統(tǒng)能夠在任何給定的時(shí)間處于至少兩個(gè)配置中的4壬意 一個(gè)。該至少兩個(gè)配置包4舌一個(gè)第一配置，其特^正為一個(gè)初始4匕P合 米爾頓算子以及一個(gè)第二配置，其特征為一個(gè)問題哈米爾頓 算子#/>。該問題哈米爾頓算子/^具有一個(gè)4妻地狀態(tài)。在該多個(gè)超 導(dǎo)量子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的第 一超導(dǎo)量子位都一皮安排為對(duì)應(yīng)于該多 個(gè)超導(dǎo)量子位中的 一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)量子4立，乂人而該第 一對(duì)應(yīng)的 超導(dǎo)量子位和該相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位限定一個(gè)預(yù)定的津禺連 強(qiáng)度。在每個(gè)第 一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位與相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位 之間的該預(yù)定的耦連強(qiáng)度集體地限定一個(gè)要求解的計(jì)算問題。在本 方法的這個(gè)第一方面中，該方法包^^吏該量子系統(tǒng)初始4匕為該^刀始 化P合米爾頓算子//0。然后該量子系統(tǒng)-故絕熱;也改變直到它由該問
題p合米爾頓算子/^接地狀態(tài)說明為止。然后通過探測(cè)CTxPauli矩 陣算子的一個(gè)可7見測(cè)項(xiàng)讀出該量子系統(tǒng)的狀態(tài)。
在才艮據(jù)以上方法的一些實(shí)施方案中，該讀出包括測(cè)量該量子系 統(tǒng)的一個(gè)阻抗。在一些實(shí)施方案中該讀出包4舌確定該多個(gè)超導(dǎo)量子 位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位的狀態(tài)。在一些實(shí)施方案中，該讀出對(duì)該超 導(dǎo)量子位的 一 個(gè)接地狀態(tài)與該超導(dǎo)量子位的 一 個(gè)受激狀態(tài)進(jìn)行區(qū) 別。在一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位是 一個(gè)持續(xù)電流量子位。在一些實(shí)施方案中，該讀出將該超導(dǎo)量子位 的一個(gè)量子狀態(tài)測(cè)量為有或者沒有一個(gè)電壓。在一些實(shí)施方案中，
該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位在該量子系統(tǒng)處于該第一 配置時(shí)能夠在一個(gè)第 一穩(wěn)態(tài)與 一個(gè)第二穩(wěn)態(tài)之間具有隧道效應(yīng)。
在一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位在 絕熱改變的過程中能夠在一個(gè)第一穩(wěn)態(tài)與一個(gè)第二穩(wěn)態(tài)之間具有
P遂道效應(yīng)。在一些實(shí)施方案中，該絕熱改變發(fā)生在1納秒與IOO凝: 秒之間的一個(gè)時(shí)間周期中。在一些實(shí)施方案中，該初始化包括在垂 直于由該多個(gè)超導(dǎo)量子位定義的一個(gè)平面的一個(gè)向量的方向上向 該多個(gè)超導(dǎo)量子4立施力口一個(gè)》茲場(chǎng)。在一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo) 量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位是一個(gè)持續(xù)電流量子位。
本方法的 一個(gè)第二方面提供了使用包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一 種量子系統(tǒng)的用于量子計(jì)算的方法。該量子系統(tǒng)耦連到一個(gè)阻4元讀 出裝置上。該量子系統(tǒng)能夠在任4可給定的時(shí)間處于至少兩個(gè)配置中 的4壬意一個(gè)。該至少兩個(gè)配置包4舌一個(gè)第一配置，其特4正為一個(gè)4刀 始化p合米爾頓算子以及一個(gè)第二哈密爾頓算子，其特4正為一 個(gè)問題p合米爾頓算子/^。該問題卩合米爾頓算子///>具有一個(gè)才妄〗也狀 態(tài)。在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的第一超導(dǎo)量子位都被安排 為對(duì)應(yīng)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)量子位，乂人而 該第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位和該第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位限定一個(gè)預(yù)定 的耦連強(qiáng)度。在每個(gè)第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位與相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo) 量子位之間的該預(yù)定的耦連強(qiáng)度集體地限定一個(gè)要求解的計(jì)算問 題。這些方法可以包括使該量子系統(tǒng)初始化成初始化p合米爾頓算子 然后該量子系統(tǒng)被絕熱地改變直到它由該問題哈米爾頓算子 //尸接地狀態(tài)說明為止。然后可以通過該阻抗讀出裝置讀出該量子系 統(tǒng)的狀態(tài)從而解出該計(jì)算問題。
在根據(jù)本方法的一些實(shí)施方案中，該讀出將多個(gè)超導(dǎo)量子位中 的一個(gè)超導(dǎo)量子4立的一個(gè)量子狀態(tài)測(cè)量為有或者沒有一個(gè)電壓。在 一些實(shí)施方案中，該讀出對(duì)該超導(dǎo)量子位的一個(gè)4妾地狀態(tài)與該超導(dǎo)
量子位的一個(gè)受激狀態(tài)進(jìn)行區(qū)別。在一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo) 量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位是(i) 一個(gè)電荷方案中的一個(gè)相位量
子位或者是(ii) 一個(gè)持續(xù)電流量子位。在一些實(shí)施方案中，在該量 子系統(tǒng)處于該第一配置時(shí)該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子^f立 能夠在一個(gè)第一穩(wěn)態(tài)與一個(gè)第二穩(wěn)態(tài)之間具有隧道效應(yīng)。在一些實(shí) 施方案中，在絕熱改變的過程中該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量 子位能夠在一個(gè)第一穩(wěn)態(tài)與一個(gè)第二穩(wěn)態(tài)之間具有隧道效應(yīng)。在一 些實(shí)施方案中，該絕熱改變發(fā)生在大于1納秒并且小于100纟斂秒的 一個(gè)時(shí)間周期中。在一些實(shí)施方案中，該初始4匕包括在垂直于由該 多個(gè)超導(dǎo)量子位定義的一個(gè)平面的一個(gè)向量的方向上向該多個(gè)超 導(dǎo)量子4立施加一個(gè)》茲場(chǎng)。在一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)量子l立中 的一個(gè)超導(dǎo)量子位是一個(gè)持續(xù)電流量子位。
本方法的一個(gè)第三方面提供確定一個(gè)第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子^立的 一種量子狀態(tài)的方法。該方法包括表現(xiàn)(presenting)多個(gè)超導(dǎo)量子 位，其中包括該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)第一耙標(biāo)超導(dǎo)量子位。一 個(gè)問題p合米爾頓算子說明(i)該多個(gè)超導(dǎo)量子位的量子狀態(tài)和(ii) 在該多個(gè)量子位中的量子位之間的每一個(gè)耦合能量。該問題p合米爾 頓算子處于或者接近于一個(gè)接地狀態(tài)。向該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位附 加一個(gè)rf通量(rf-flux)。該rf-通量具有小于一個(gè)通量量子的一個(gè) 幅4直。絕熱地地改變?cè)摰谝惠叞蜆?biāo)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)附加通量的量 值。觀察在絕熱改變過程中與該第 一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位電感性i也壽禺連 的一個(gè)儲(chǔ)能電路的電壓響應(yīng)中存在或者不存在一個(gè)下降，由此確定 該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的量子狀態(tài)。
在才艮據(jù)本方法的一些實(shí)施方案中，在增加、絕熱改變和7見察的 全部或者部分過程中該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)超導(dǎo)量子位處于 一種量子接地狀態(tài)。在一些實(shí)施方案中，該問題p合米爾頓算子對(duì)應(yīng) 該多個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)絕熱演算的一個(gè)端點(diǎn)。在一些實(shí)施方案
中，該方法還包4舌偏置全部或者一部分該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的超導(dǎo) 量子位。該問題P合米爾頓算子進(jìn)一步說明在該第 一靶標(biāo)超導(dǎo)量子4立 上的一種偏置。在一些實(shí)施方案中，該偏置的能量超過該第一革巴才示 超導(dǎo)量子位的哈米爾頓算子的 一個(gè)隧道效應(yīng)元件的隧道效應(yīng)能量， 由此在該偏置、增加以及絕熱改變的一個(gè)情況的過程中致^f吏在第一 乾標(biāo)超導(dǎo)量子位中4吏隧道歲文應(yīng)受到抑制。
在才艮據(jù)本方法的第三方面的一些實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包 括絕熱地去掉在絕熱改變過程中增加到該第一單巴標(biāo)超導(dǎo)量子^f立的 附加通量。在一些實(shí)施方案中，該絕熱地改變包括根據(jù)選自含有周 期的、正弦的、三角的和4弟形的組中的一個(gè)波形而絕熱i也改變i亥附 力口的通量。在一些實(shí)施方案中，該絕熱地改變包括4艮據(jù)選自由周期
的、正弦的、三角的和梯形的所構(gòu)成組中的一個(gè)波形的低次"i皆波j粵 立葉近似而絕熱地改變?cè)摳郊拥耐?。在一些?shí)施方案中，該附加 通量具有i人為是正或者負(fù)的一個(gè)方向。在一些實(shí)施方案中，該絕熱 地改變的特征是一種有幅度隨著時(shí)間增長(zhǎng)的波形。該波形的幅度對(duì) 應(yīng)于在絕熱地改變過禾呈中增加到該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的附加通 量的量。在一些實(shí)施方案中，該附加通量有一個(gè)隨著時(shí)間改變的平 衡點(diǎn)。在一些實(shí)施方案中，該附加通量要么是單方向的要么是雙方 向的。在一些實(shí)施方案中，該附加通量具有在約每秒1周與每秒100 千周之間的一個(gè)振蕩頻率。
在根據(jù)本方法的第三方面的一些實(shí)施方案中，該增加包括4吏用 (i) 一個(gè)激勵(lì)裝置，該激勵(lì)裝置電感性地耦連到該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量 子位上或者(ii) 一個(gè)儲(chǔ)能電^各來增加該rf-通量。在一些實(shí)施方案 中，該方法進(jìn)一步包4舌在1次與100次之間重復(fù)該增加和絕熱地>改 變。在這樣的實(shí)施方案中，觀察在該儲(chǔ)能電路的電壓響應(yīng)中存在或 不存在一個(gè)下降作為^,該絕熱響應(yīng)的每個(gè)情況的該〗諸能電^各的電 壓響應(yīng)的一個(gè)平均^IL。
在才艮纟居本方法的第三方面的一些實(shí)施方案中，在絕熱地改變的 過程中該第 一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位從一個(gè)起源的基本狀態(tài)向 一個(gè)交替 的基本狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。該方法進(jìn)一步包括使在絕熱改變之后通過絕熱;也 去除該量子位中的附加通量使該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位恢復(fù)到其起 源基本狀態(tài)。在一些實(shí)施方案中，除了該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位之夕卜， 該絕熱i也改變不改變?cè)摱鄠€(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)超導(dǎo)量子^f立的量 子狀態(tài)。在一些實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包4舌記錄在該^諸能電^各 的電壓響應(yīng)中存在或不存在該下1%。
在才艮^居本方法的第三方面的一些實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包 括向該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)第二耙標(biāo)超導(dǎo)量子^f立加以一個(gè)第
二rf通量。該第二 rf-通量具有的幅度小于一個(gè)通量量子。然后絕 熱地改變?cè)谠摰诙覙?biāo)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)額外的量的量值。7見察 絕熱改變過#呈中電感性地耦連該第二靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的 一個(gè)々者能 電路的電壓響應(yīng)中存在或不存在一個(gè)第二下降，由此確定該第二耙 標(biāo)超導(dǎo)量子位的量子狀態(tài)。
在才艮據(jù)本方法的第三方面的一些實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包 括使在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中指定一個(gè)不同的超導(dǎo)量子位作為該第 一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位。然后用作為該第 一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的不同的超 導(dǎo)量子位重新進(jìn)行增加和絕熱地改變。該指定和重新進(jìn)行重復(fù)到該 多個(gè)超導(dǎo)量子位中全部或者一部分的(例如，多數(shù)、幾乎全部，至 少百分之7\十的)的超導(dǎo)量子位已經(jīng)被指定為該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位。
在才艮據(jù)本方法的第三方面的一些實(shí)施方案中， 一個(gè)^f諸能電蹈^皮 電感性地與該第一革巴標(biāo)超導(dǎo)量子位耦連。該方法進(jìn)一步包括在該增 加前用該多個(gè)超導(dǎo)量子位進(jìn)4亍一個(gè)時(shí)間量的一個(gè)絕熱量子計(jì)算。該 時(shí)間量由 一個(gè)因數(shù)限定，該因數(shù)的幅度是該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的量 子位數(shù)目的函數(shù)。絕熱地改變?cè)摰谝话袠?biāo)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)附加
的通量的量。然后，觀察絕熱改變過程中一個(gè)儲(chǔ)能電路的電壓響應(yīng) 中存在或不存在一個(gè)下降，由此確定該第一輩巴標(biāo)超導(dǎo)量子位的量子 狀態(tài)。在一些實(shí)施方案中，該々者能電路的電壓響應(yīng)中存在一個(gè)下卩條 對(duì)應(yīng)于該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位處于一個(gè)第一基礎(chǔ)狀態(tài)。該儲(chǔ)能電^各 的電壓響應(yīng)中不存在一個(gè)下降對(duì)應(yīng)于該第一革巴標(biāo)超導(dǎo)量子位處在 一個(gè)第二基礎(chǔ)狀態(tài)。
在才艮據(jù)本方法的第三方面的一些實(shí)施方案中，該絕熱地改變進(jìn) 一步包括使用一種逼近評(píng)估方法鑒別該附加通量的平衡點(diǎn)。在一些 實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括當(dāng)跨該儲(chǔ)能電路的電壓中下降發(fā)生 在該平^軒點(diǎn)的左邊時(shí)將該第一草巴量子位分類為處在該第一基本一犬 態(tài)并且當(dāng)跨該儲(chǔ)能電路的電壓中下降發(fā)生在該平衡點(diǎn)的右邊時(shí)將 該第一靶量子位分類成處在該第二基本狀。
本方法的一個(gè)第四方面包含使用包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一種 量子系統(tǒng)的用于絕熱量子計(jì)算的方法。該量子系統(tǒng)能夠在任何給定 的時(shí)間處于至少兩個(gè)量子配置中的4壬意一個(gè)。該至少兩個(gè)配置包括「 一個(gè)第一配置，它由一個(gè)初始^f匕P合米爾頓算子Ho描述，以及一個(gè) 第二配置，它由一個(gè)問題哈米爾頓算子//p描述。該哈米爾頓算子 //尸具有一個(gè)4妻;也^)犬態(tài)。該方法包4^1奪該量子系統(tǒng)初始4匕為該第 一配
置。然后該量子系統(tǒng)絕熱i也改變直到它由該問題p合米爾頓算子 的接地狀態(tài)說明為止。然后讀出該量子系統(tǒng)的狀態(tài)。
在才艮據(jù)本方法的第四方面的一些實(shí)施方案中，在該多個(gè)超導(dǎo)量 子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的第 一超導(dǎo)量子位都^皮安排為相對(duì)于該多個(gè)超 導(dǎo)量子4立中的一個(gè)7于應(yīng)的第二超導(dǎo)量子4立，/人而該第 一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo) 量子位和該相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位限定一個(gè)預(yù)定的耦連強(qiáng)度。 在每個(gè)第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位與相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位之間
的該預(yù)定的耦連強(qiáng)度集體地限定一個(gè)要求解的計(jì)算問題。在一些情 況下，該問題p合米爾頓算子包括對(duì)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中每個(gè) 超導(dǎo)量子位的 一個(gè)隧道效應(yīng)項(xiàng)。對(duì)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中每個(gè)對(duì)應(yīng) 的超導(dǎo)量子位的隧道效應(yīng)項(xiàng)的能量低于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中每個(gè) 第 一對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位與第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位之間的預(yù)定的耦連強(qiáng) 度的平均值。
在才艮據(jù)本方法的第四方面的一些實(shí)施方案中，該讀出包括試兮罙
crx Pauli矩陣算子或者azPauli矩陣算子的一個(gè)可^見測(cè)項(xiàng)。在一些 實(shí)施方案中， 一個(gè)儲(chǔ)能電路與該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的全部或者一部 分超導(dǎo)量子位處于電感性聯(lián)通。在這樣的實(shí)施方案中，該讀出包括 測(cè)量跨過該儲(chǔ)能電路的一個(gè)電壓。在一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo) 量子位中的超導(dǎo)量子位是一個(gè)持續(xù)電流量子位。
本方法的一個(gè)第五方面提供包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的用于量子 計(jì)算的一種結(jié)構(gòu)。該多個(gè)超導(dǎo)量子位能夠在任何給定的時(shí)間處于至 少兩個(gè)配置中的4壬意一個(gè)。該至少兩個(gè)配置包4舌一個(gè)第一配置，其 特征為一個(gè)初始化哈米爾頓算子以及一個(gè)第二哈米爾頓算子， 其特征為 一個(gè)問題哈米爾頓算子//P。該問題哈密爾頓算子具有一個(gè) 接地狀態(tài)。在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的第 一超導(dǎo)量子位都 與該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)量子位耦連，乂人而該 第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位和相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位限定一個(gè)預(yù) 定的耦連強(qiáng)度。在每個(gè)第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位與相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超 導(dǎo)量子位之間的該預(yù)定的耦連強(qiáng)度集體地限定一個(gè)要求解的計(jì)算 問題。 一個(gè)儲(chǔ)能電路是與該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的全部或者一部分處 于電感性井禺連。
在才艮據(jù)本方法的第五方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)量子 位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位是一個(gè)持續(xù)電流量子位。在一些實(shí)施方案 中，儲(chǔ)能電路具有一個(gè)大于1000的品質(zhì)因數(shù)。在一些實(shí)施方案中， 該儲(chǔ)能電路包括一個(gè)電感元件。該電感元件包括一個(gè)超導(dǎo)材料的扁 平線圈。在一些實(shí)施方案中，該一種超導(dǎo)材^牛扁平線圈包括一個(gè)第
一匝和一個(gè)第二匝。該扁平線圈的超導(dǎo)材沖+是鈮。而且在該扁平線
圏的第一匝與第二臣之間有約l凝:沖立的一個(gè)間隔。
在根據(jù)本方法的第五方面的一些實(shí)施方案中，該儲(chǔ)能電路包括 相互并聯(lián)或者串聯(lián)安排的一個(gè)電感元件和一個(gè)電容元件。在一些實(shí) 施方案中，該儲(chǔ)能電路包括相互并聯(lián)安排的一個(gè)電感元件和一個(gè)電 容元件并且該〗諸能電3各具有一個(gè)在約50納亨與約250納亨之間的 電感量。在一些實(shí)施方案中，該儲(chǔ)能電3各包括相互并聯(lián)安排的一個(gè) 電感元件和一個(gè)電容元件并且該^賭能電i 各具有一個(gè)約50孩W效法與 約2000微微法之間的電容量。在一些實(shí)施方案中，該儲(chǔ)能電路包 :括相互并聯(lián)安^的一個(gè)電感元ff和一個(gè)電容元^f牛并JM諸能電3各具 有一個(gè)在約10兆赫與約20兆赫之間的諧振頻率。在一些實(shí)施方案 中，該儲(chǔ)能電^各具有一個(gè)諧振頻率/r該諧振頻率由下式?jīng)Q定
在#4居本方法的第五方面的一些實(shí)施方案中，該儲(chǔ)能電^各包括 一個(gè)或者多個(gè)約瑟夫遜結(jié)。在一些實(shí)施方案中，該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括-偏置該儲(chǔ)能電路的一個(gè)或者多個(gè)約瑟夫遜結(jié)的器件。在一些實(shí)施方 案中，該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括一個(gè)跨該儲(chǔ)能電路連接的放大器，其方式 為使該放大能夠4企測(cè)跨該儲(chǔ)能電路的電壓的一個(gè)變化。在一些實(shí)施 方案中，該;改大器包括一個(gè)高電子遷移性場(chǎng)歲文應(yīng)晶體管(HEMT)或 者一個(gè)4叚象高電子遷移性場(chǎng)歲文應(yīng)晶體管(PHEMT)。在一些實(shí)施方 案中，該》文大器包括一個(gè)多級(jí)放大器。在一些實(shí)施方案中，該多級(jí) ;故大器包括兩個(gè)，三個(gè)，或者四個(gè)晶體管。在一些實(shí)施方案中，該
式中
丄，是該儲(chǔ)能電路的電感量；而 G是該儲(chǔ)能電路的電容量。
結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括稀釋制冷機(jī)的一個(gè)氦-3容器，該稀釋制冷機(jī)連接到
全部或者一部分的該多個(gè)超導(dǎo)量子位。
在才艮纟居本方法的第五方面的一些實(shí)施方案中，該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包
括用一個(gè)直流偏置電流/dc驅(qū)動(dòng)該儲(chǔ)能電路的裝置。在一些實(shí)施方 案中，該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包4舌用一個(gè)交流電流/rf驅(qū)動(dòng)該z賭能電^各的裝 置，該交;充電流的頻率OD ^妄近于該z賭能電^各的"i皆4展頻率C0。。在一些 實(shí)施方案中，向該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的 一個(gè)超導(dǎo)量子位施加的總外 力口磁通量①e為
①e^dc +①rf
式中，
①rf是由交力t電;危/rf向該超導(dǎo)量子4立貢獻(xiàn)的施力o,茲通的量；
而
①dc是直流偏置電流/dc決定的施加,茲通的量。在一些實(shí)施方 案中，該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括用于向該超導(dǎo)量子位施加一個(gè)》茲場(chǎng)的裝 置，并且其中
①dc-①a+A,0，
式中，
①o是一個(gè)通量量子；
X0①。是常凄t或者ld曼地改變并且由該直流偏置電流/Dc產(chǎn)生； 并且
Oa = Ba xLq, 這樣
BA是通過施加該^磁場(chǎng)的裝置向該超導(dǎo)量子位施加的石茲場(chǎng)的幅
度；并且
L0是該超導(dǎo)量子位電感量。
在一些實(shí)施方案中X/)具有一個(gè)在o與之間的^直。在一些實(shí)施 方案中，向超導(dǎo)量子位施加》茲場(chǎng)的裝置包括一條偏置線，該偏置線 》茲耦連到該超導(dǎo)量子位。在一些實(shí)施方案中，該向超導(dǎo)量子位施加
^磁場(chǎng)的裝置是一種激勵(lì)器件。在一些實(shí)施方案中，①rf具有在約
10-5(D。與約10"①o之間的一個(gè)幅度。在一些實(shí)施方案中，該結(jié)構(gòu)進(jìn)
一步包括用于改變/(f)、①a、和/或①rf的裝置。在一些實(shí)施方案中，
該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包4舌才艮據(jù)一個(gè)小幅值快速函凄t (small amplitude fast function)改變Orf的裝置。在一些實(shí)施方案中，才艮據(jù)一個(gè)小幅值 快速函數(shù)改變①rf的裝置是一個(gè)孩史波發(fā)生器，該微波發(fā)生器與該 儲(chǔ)能電路電聯(lián)通。
在才艮寺居本方法的第五方面的一些實(shí)施方案中，該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包 括跨該儲(chǔ)能電路連接的一個(gè)放大器和用于測(cè)量該儲(chǔ)能電路的總阻 抗的裝置，該總阻抗由驅(qū)動(dòng)電流/rf與該儲(chǔ)能電壓之間的相位角5C 表達(dá)。在一些實(shí)施方案中，用于測(cè)量該儲(chǔ)能電路的總阻抗的裝置是 一個(gè)示波器。
本方法的第六方面4是供了同 一個(gè)計(jì)算才幾系統(tǒng)結(jié)合4吏用的 一種 計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括一個(gè)可計(jì)算機(jī)讀的存儲(chǔ)4某 體和一個(gè)嵌入其中的計(jì)算機(jī)程序機(jī)理。該計(jì)算機(jī)程序機(jī)理包括用于
含有多個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)量子系統(tǒng)初始化到一個(gè)p合米爾頓算子 的指令。該量子系統(tǒng)能夠在任何給定的時(shí)間處于至少兩個(gè)配置中
的4壬意一個(gè)。該至少兩個(gè)配置包4舌一個(gè)第一配置，其4爭(zhēng)4正為該^刀始 化哈米爾頓算子以及一個(gè)第二配置，其特征為一個(gè)問題p合米 爾頓算子月>。在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的第一超導(dǎo)量子位 都被安排為對(duì)應(yīng)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)量 子^f立，乂人而該第一^~應(yīng)的超導(dǎo)量子<立和第二^"應(yīng)超導(dǎo)量子4立限定一 個(gè)預(yù)定的耦連強(qiáng)度。在每個(gè)第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位與第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo) 量子位之間的該預(yù)定的耦連強(qiáng)度集體i也限定一個(gè)要求解的計(jì)算問
題。該計(jì)算機(jī)程序機(jī)理進(jìn)一步包括用于使該量子系統(tǒng)絕熱地改變直 到它由該問題哈米爾頓算子//P的接地狀態(tài)說明為止的指令以及讀 出該量子系統(tǒng)的狀態(tài)的指令。
在才艮據(jù)本方法的第六方面的一些實(shí)施方案中，計(jì)算4幾程序才幾理
進(jìn)一步包括多項(xiàng)指令用于在1次與100次之間(含1次和100次)
重復(fù)該偏置的指令、重復(fù)該增加的指令和重復(fù)該絕熱地改變的指 令。觀察存在或不存在該儲(chǔ)能電路的電壓響應(yīng)，作為對(duì)由該進(jìn)行重 復(fù)的指令執(zhí)行的用于絕熱地改變的指令的每一情況該儲(chǔ)能電路的
電壓響應(yīng)的一個(gè)平均值。
本方法的第七方面包含了用于同 一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合使用的
一種計(jì)算才幾程序產(chǎn)品。該計(jì)算枳4呈序產(chǎn)品包括一個(gè)可計(jì)算才幾讀的存 ^諸々某體和一個(gè)嵌入其中的計(jì)算才幾程序才幾理。該計(jì)算枳』程序才幾理包括-
用于初始化使它們由一個(gè)問題哈米爾頓算子說明的指令。該計(jì)算機(jī) 程序^L理確定在多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的 一個(gè)量子狀態(tài)。該計(jì)算機(jī)程序機(jī)理包括用于初始化多個(gè)超導(dǎo)量子位 的指令，這樣它們由一個(gè)問題哈米爾頓算子說明。該問題哈米爾頓 算子說明(i)該多個(gè)超導(dǎo)量子位的量子狀態(tài)和(ii)該多個(gè)量子位 中的各個(gè)量子位之間的每一耦合能量。該問題哈米爾頓算子處于或 者4姿近于一個(gè)4妄地狀態(tài)。該計(jì)算才幾程序一幾理進(jìn)一步包括向該第 一革巴 標(biāo)超導(dǎo)量子位增加一個(gè)rf通量的指令。該rf-通量具有小于一個(gè)通 量量子的幅度。該計(jì)算才幾程序才幾理進(jìn)一步包括絕熱地地改變?cè)摰谝?輩巴標(biāo)超導(dǎo)量子位中增加的通量的量值的指令和觀察在絕熱改變過 程中電感性地耦連到該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的一個(gè)儲(chǔ)能電路的電 壓響應(yīng)中存在或不存在一個(gè)下降的指令。
在才艮據(jù)本方法的第七方面的一些實(shí)施方案中，在初始化的指 令、增力卩的指令、和絕熱改變的指令的全部或者部分過程中該多個(gè) 超導(dǎo)量子位中的每個(gè)超導(dǎo)量子位處于一種量子4妄地狀態(tài)。在一些實(shí)施方案中，該問題p合米爾頓算子對(duì)應(yīng)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)絕 熱演算的端點(diǎn)。在一些實(shí)施方案中，該計(jì)算初」程序產(chǎn)品進(jìn)一步包括 偏置該多個(gè)超導(dǎo)量子位中全部或者一部分超導(dǎo)量子位的指令。在這 樣的實(shí)施方案中，該問題哈米爾頓算子附加地說明在該第 一耙標(biāo)超 導(dǎo)量子位上的一種偏置。在一些實(shí)施方案中，該偏置的能量超過該 多個(gè)超導(dǎo)量子位中的 一個(gè)超導(dǎo)量子位的p合米爾頓算子的 一個(gè)隧道 效應(yīng)元件的隧道效應(yīng)能量，從而在該偏置的指令、增加的指令和絕 熱改變的指令一個(gè)情況的過程中在該超導(dǎo)量子位中引起該隧道效 應(yīng)一皮水P制。
在才艮據(jù)本方法的第七方面的一些實(shí)施方案中，該計(jì)算才幾程序才幾 理進(jìn)一步包4舌用于絕熱i也去4皁在用于絕熱改變的指令過程中增加 到該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的附加通量的指令。在一些實(shí)施方案中， 這些用于絕熱改變的指令包括根據(jù)選自含有周期的、正弦的、三角 的和梯形的組中的一個(gè)波形絕用于熱地改變?cè)摳郊拥耐康闹噶睢?在一些實(shí)施方案中，這些用于絕熱改變的指令包括根據(jù)選自含有周 期的、正弦的、三角的和梯形的組中的一個(gè)波形的^f氐次"i皆波-f專立葉 逼近用于絕熱地改變?cè)摳郊拥耐康闹噶?。在一些?shí)施方案中，該 附加通量具有i人為是正或者負(fù)的方向。在一些實(shí)施方案中，該用于 絕熱地改變的指令的特征是一種有隨著時(shí)間增長(zhǎng)的幅度的波形并 且從而該波形的幅度對(duì)應(yīng)于在用于絕熱地改變的指令的 一 個(gè)情況 的過程中增加到該第 一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的附加的通量的量值。
在才艮據(jù)本方法的第七方面的一些實(shí)施方案中，該附加通量有一 個(gè)隨著時(shí)間改變的平^f點(diǎn)。在一些實(shí)施方案中，該附加通量要么是 單方向的要么是雙方向的。在一些實(shí)施方案中，該附加通量具有一 個(gè)在約每秒1周與每秒100千周之間的振蕩頻率。在一些實(shí)施方案 中，該用于增加的指令包括使用(i) 一個(gè)激勵(lì)裝置，該激勵(lì)裝置電 感性地耦連到該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位上或者(ii)該儲(chǔ)能電^各用于
增加rf-通量的指令。在一些實(shí)施方案中，該計(jì)算4幾程序才幾理進(jìn)一步 包4舌多個(gè)指令用于在1次與IOO次之間重復(fù)該增加指令和該絕熱地 改變的指令。在這樣的實(shí)施方案中，觀察在該儲(chǔ)能電路存在或不存 在電壓響應(yīng)，作為跨過由用于重復(fù)的指令所執(zhí)行的用于絕熱改變的 指令的每個(gè)情況的該儲(chǔ)能電路的電壓響應(yīng)的一個(gè)平均值。
本方法的一個(gè)第yV方面包4舌一個(gè)計(jì)算才幾系統(tǒng)，它用于確定在多 個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的一種量子狀態(tài)。該計(jì) 算才幾系統(tǒng)包括一個(gè)中央處理單元和耦連到該中央處理單元的 一個(gè) 存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用于偏置除該第一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的該多個(gè) 超導(dǎo)量子位中全部或者一部分量子位的指令。 一個(gè)問題哈米爾頓算 子i兌明(i)該多個(gè)超導(dǎo)量子位的這些量子位的偏置和(ii)該多個(gè) 量子位中的對(duì)應(yīng)的量子位對(duì)之間的每一耦合能量。該問題哈米爾頓 算子處于或者接近于一個(gè)接地狀態(tài)。該存儲(chǔ)器還存儲(chǔ)用于向該第一 耙標(biāo)超導(dǎo)量子位增加一個(gè)rf通量的指令。該rf-通量的幅度小于一 個(gè)通量量子。該存儲(chǔ)器進(jìn)一步存儲(chǔ)絕熱地改變?cè)摰谝话袠?biāo)超導(dǎo)量子 位中 一個(gè)增加的通量的量j直的指令和^L察在才丸4亍絕熱地改變的指 令的過程中電感性地耦連到該第 一靶標(biāo)超導(dǎo)量子位的 一個(gè)儲(chǔ)能電 路的電壓響應(yīng)中存在或不存在一個(gè)下降的指令。
本方法的一個(gè)第九方面提供用于絕熱量子計(jì)算的一種計(jì)算裝 置，它包括多個(gè)超導(dǎo)量子位。該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)超導(dǎo)量子 位包括兩個(gè)與可以偏置的一個(gè)cjZ Pauli矩陣的本征狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的基 本狀態(tài)。該量子計(jì)算裝置進(jìn)一步包括多個(gè)耦連。該多個(gè)耦連中的每 個(gè)耦連都置于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位對(duì)之間。該多 個(gè)耦連中的一個(gè)耦連的每項(xiàng)哈米爾頓算子都有一個(gè)與cjZ cyZ成比 例的主要成分。與該多個(gè)耦連中的一個(gè)耦連的aZ a2成比例的至 少一個(gè)主要成分的符號(hào)是反鐵磁的。這些超導(dǎo)量子位以及該多個(gè)耦 連共同:1也能夠處于至少兩個(gè)之配置中的4壬一個(gè)。該至少兩個(gè)配置包
4舌一個(gè)第一配置，其特^正為一個(gè)初始化P合米爾頓算子//0，以及一
個(gè)第二哈米爾頓算子，其特征為一個(gè)問題哈米爾頓算子T^。該問題
哈米爾頓算子具有一個(gè)接地狀態(tài)。在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)對(duì) 應(yīng)的第一超導(dǎo)量子位都^皮耦連到該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)對(duì)應(yīng) 的第二超導(dǎo)量子位上，乂人而該第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位和該相應(yīng)的第 二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位限定一個(gè)預(yù)定的耦連強(qiáng)度。在每個(gè)第一對(duì)應(yīng)的超 導(dǎo)量子位與相應(yīng)的第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)量子位之間的該預(yù)定的耦連強(qiáng)度 集體地限定一個(gè)要求解的計(jì)算問題。該計(jì)算裝置進(jìn)一步包括耦連到 該多個(gè)多個(gè)超導(dǎo)量子位中的至少一個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)讀出電3各。
本方法的一個(gè)第十方面包括一種裝置，該裝置包括多個(gè)超導(dǎo)電 荷量子位。在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的第一超導(dǎo)電荷量子 位都^皮耦連到該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的 一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)電荷量 子位，從而該第一對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)電荷量子位和第二對(duì)應(yīng)超導(dǎo)電荷量子 位限定一個(gè)預(yù)定的耦連強(qiáng)度。在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)第一對(duì) 應(yīng)的超導(dǎo)電荷量子位與每個(gè)第二對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)電荷量子位之間的該 預(yù)定的耦連強(qiáng)度集體地限定一個(gè)要求解的計(jì)算問題。該多個(gè)超導(dǎo)電 荷量子位中的每個(gè)超導(dǎo)電荷量子位能夠處于至少兩個(gè)之配置中的
任一個(gè)。該至少兩個(gè)配置包括根據(jù)一個(gè)初始化哈米爾頓算子//0的
一個(gè)第一配置和根據(jù)一個(gè)問題哈米爾頓算子Hp的一個(gè)第二配置。 該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)耦連到該多個(gè)多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的至 少 一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位的靜電計(jì)。
在才艮才居本方法第十方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位包括(i)由超導(dǎo)材料制成的一 個(gè)介觀島 (mesoscopic island) (ii)超導(dǎo)儲(chǔ)庫 (superconducting reservoir)和(iii) 一個(gè)將該介觀島連接到該超導(dǎo)儲(chǔ)庫的約瑟夫遜 結(jié)。在一些實(shí)施方案中，該約瑟夫遜結(jié)是一個(gè)裂隙約瑟夫遜結(jié)。在
一些實(shí)施方案中，該超導(dǎo)電荷量子位進(jìn)一步包^"一個(gè)通量源，該通 量源配置用于向該裂隙約瑟夫遜結(jié)施加通量。
在才艮據(jù)本方法第十方面的一些實(shí)施方案中，該裝置進(jìn)一步包括 通過一個(gè)電容器電容性地耦連到該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的一個(gè) 超導(dǎo)電荷量子位上的一個(gè)發(fā)生器。在一些實(shí)施方案中，該發(fā)生器被 配置為用于向該超導(dǎo)電荷量子位施加多個(gè)靜電脈沖。該多個(gè)靜電脈 沖附力口;也限定該計(jì)算問題。
在根據(jù)本方法第十方面的一些實(shí)施方案中，該裝置進(jìn)一步包括 置于該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的一個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位與一個(gè) 第二超導(dǎo)電極量子位之間的 一個(gè)可變的靜電變壓器，從而使得該第 一超導(dǎo)電荷量子位與該第二超導(dǎo)電荷量子位之間的該預(yù)定的耦連 強(qiáng)度是可調(diào)的。在一些實(shí)施方案中，在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè) 對(duì)應(yīng)的第 一超導(dǎo)電荷量子位都^皮安排為對(duì)應(yīng)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位 中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)電荷量子位，乂人而該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位 集體地形成一個(gè)非平面的圖# 。
本方法的一個(gè)第十一方面提供一種方法，該方法4吏用包"^多個(gè) 超導(dǎo)電荷量子位的一個(gè)量子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。該量子系統(tǒng)耦連到 一個(gè) 靜電計(jì)并且該量子系統(tǒng)能夠處于至少兩個(gè)配置中的4壬意一個(gè)。該至 少兩個(gè)配置包括一個(gè)第 一配置，其特征為 一個(gè)初始化哈米爾頓算子 以及一個(gè)第二配置，其特征為一個(gè)問題P合米爾頓算子//p。該 問題P合米爾頓算子具有一個(gè)"t妻地狀態(tài)。該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位相互 對(duì)應(yīng)地安排，在該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的對(duì)應(yīng)的超聲電荷量子位 的對(duì)應(yīng)配對(duì)之間有 一個(gè)預(yù)定數(shù)量的耦連，從而由該預(yù)定#1量的耦連 耦連著的該多個(gè)超導(dǎo)電荷集體地限定一個(gè)計(jì)算問題。該方法包括4吏 該量子系統(tǒng)初始^f匕為該初始4匕P合米爾頓算子Fo。然后該量子系統(tǒng) 被絕熱地改變直到它由該問題P合米爾頓算子//f的接地狀態(tài)說明為
止。隨后通過該靜電計(jì)讀出該量子系統(tǒng)的每一個(gè)超導(dǎo)電荷量子^f立的 量子狀態(tài)，從而解出該求解的計(jì)算問題。
在才艮據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位通過一個(gè)電容器耦連到該 多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的一個(gè)第二超導(dǎo)電荷量子位從而使得該第 一超導(dǎo)電荷量子位與該第二超導(dǎo)電荷量子位之間的該預(yù)定的耦連 強(qiáng)度是預(yù)定的并且是該電容器的物理特性的函數(shù)。
在才艮據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位通過一個(gè)裝置耦連一個(gè)發(fā) 生器上，該裝置被配置為用于提供一種可調(diào)的有效充電能量。該裝
置包4舌一個(gè)電容器并且該方法進(jìn)一步包4舌通過改變?cè)撗b置的電容 器上的門電壓調(diào)節(jié)該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效充電能量的值。在 一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位 包括具有一個(gè)可變的有效約瑟夫遜能的裂隙約瑟夫遜結(jié)。在這樣的 實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括通過改變施加在該裂隙約瑟夫遜結(jié) 上的一個(gè)通量來調(diào)節(jié)該超導(dǎo)電荷量子位有效約瑟夫遜能量。在一些 實(shí)施方案中，通過使該超導(dǎo)電荷量子位的有效約瑟夫遜能量設(shè)定到 一個(gè)最大值來達(dá)到該第一配置。
在才艮據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該絕熱:^也改變
包括使該系統(tǒng)的配置從以該初始化哈米爾頓算子F。為特征的第一 配置改變成以問題哈米爾頓算子//p為特征的第二哈米爾頓算子， 條件是在該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位上存在
隨道效應(yīng)。
在才艮據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位的特征是(i) 一個(gè)可調(diào)的有效 約瑟夫遜能量和(ii) 一個(gè)可調(diào)的有效充電能量。該有效約瑟夫遜能
量的一個(gè)最小值小于該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效充電能量。該有 效約瑟夫遜能量的一個(gè)最小值小于該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的一 個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位與一個(gè)第二超導(dǎo)電荷量子位之間的耦連的 強(qiáng)度。該有效充電能量最多是等于該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效約 瑟夫遜能量的最大值。而且，該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的該第一超 導(dǎo)電荷量子位與一個(gè)第二超導(dǎo)電荷量子位之間的一個(gè)耦連的強(qiáng)度 最多是等于該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效約瑟夫遜能量的最大值。
在才艮據(jù)本方法的第十一方面的另一個(gè)實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)
電荷量子位中的一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位的特征是(i) 一個(gè)可調(diào)的有 效約瑟夫遜能量和(ii) 一個(gè)可調(diào)的有效充電能量。在這才羊的實(shí)施方 案中，該絕熱地改變包4舌絕熱地調(diào)節(jié)該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效 約瑟夫遜能量，使得當(dāng)該量子系統(tǒng)由該問題哈米爾頓算子i/p的接 地狀態(tài)說明時(shí)，該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效約瑟夫遜能量達(dá)到一 個(gè)最小值。
在才艮據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位具有一個(gè)第一基本狀態(tài)和 一個(gè)第二基本狀態(tài)，并且當(dāng)該量子系統(tǒng)由該問題哈米爾頓算子//尸
的接地狀態(tài)說明時(shí)，在該第 一超導(dǎo)電荷量子位的該第一基本狀態(tài)與
該第二基本狀態(tài)之間不發(fā)生隧道效應(yīng)。
在才艮據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位具有一個(gè)第一基本狀態(tài)和 一個(gè)第二基本狀態(tài)，當(dāng)該量子系統(tǒng)由該問題哈米爾頓算子//尸的接
地狀態(tài)i兌明時(shí)，在該第一超導(dǎo)電荷量子位的該第 一基本狀態(tài)與該第 二基本狀態(tài)之間確實(shí)發(fā)生隧道效應(yīng)。另外，該讀出包括試探西格瑪 -x Pauli矩陣cjX的一個(gè)可^見測(cè)項(xiàng)。在才艮據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位的特征是(i) 一個(gè)可調(diào)的 有效約瑟夫遜能量和(ii) 一個(gè)可調(diào)的有效充電能量。在這樣的實(shí)施 方案中，該有效約瑟夫遜能量的一個(gè)最小值小于該第一超導(dǎo)電荷量 子位的有效充電能量；該有效約瑟夫遜能量的一個(gè)最小值小于該多 個(gè)超導(dǎo)電荷量子位中的該第一超導(dǎo)電荷量子位與一個(gè)第二超導(dǎo)電 荷量子位之間的耦連強(qiáng)度；該有效充電能量大于該第一超導(dǎo)電荷量 子位的有效約瑟夫遜能量的最大值；并且該多個(gè)超導(dǎo)電荷量子^f立中 的該第一超導(dǎo)電荷量子位與一個(gè)第二超導(dǎo)電荷量子位之間的一個(gè) 耦連的強(qiáng)度最多是等于該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效約瑟夫遜能 量的最大值。在這類實(shí)施方案中，該初始化包括使該第一超導(dǎo)電荷 量子位的有效充電能量設(shè)定到一個(gè)最小值。在這類實(shí)施方案中，該 絕熱地改變包4舌絕熱地調(diào)節(jié)該第 一 超導(dǎo)電荷量子位的有效約瑟夫 遜能量，使得當(dāng)該量子系統(tǒng)由該問題哈米爾頓算子7/尸的接地狀態(tài) 說明時(shí)，該有效約瑟夫遜能量達(dá)到一個(gè)最小值，并且絕熱地增加該 第 一超導(dǎo)電荷量子位的有效充電能量。
在根據(jù)本方法的第十一方面的一些實(shí)施方案中，該多個(gè)超導(dǎo)電
荷量子位中的一個(gè)第一超導(dǎo)電荷量子位的特征是一個(gè)可調(diào)的有效 約瑟夫遜能量。該初始化包括使該第一超導(dǎo)電荷量子位的有效充電 能量i殳定到一個(gè)最小4直，并且該絕熱地改變包凌舌(i)絕熱地調(diào)節(jié)該 第一超導(dǎo)電荷量子位的有效約瑟夫遜能量， -使得在該量子系統(tǒng)由該 問題p合米爾頓算子的4妄地狀態(tài)i兌明以前的一個(gè)時(shí)間周期中該有 效約瑟夫遜能量大于一個(gè)最小值，并且絕熱地調(diào)節(jié)該第一超導(dǎo)電荷 量子位的有效約瑟夫遜能量，使得在該量子系統(tǒng)由該問題p合米爾頓 算子/^的接地狀態(tài)說明時(shí)該有效約瑟夫遜能量是一個(gè)最小值。
在根據(jù)本方法的一個(gè)第十二方面中，包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一 個(gè)量子系統(tǒng)-故初始化到以 一個(gè)初始化口合米爾頓算子//0為特4正的一
個(gè)第 一配置的4妄地狀態(tài)，并且絕熱地演算到以 一個(gè)問題口合米爾頓算
子//P為特;f正的一個(gè)第二配置的4妄地狀態(tài)，該第二配置限定一個(gè)要 求解的計(jì)算問題。在絕熱演算該量子系統(tǒng)的過禾呈中，該量子系^^的 特征為一個(gè)演算哈米爾頓算子//,該演算哈米爾頓算子具有一個(gè)能 量i普，它有至少一個(gè)反交叉。該絕熱演算包4舌通過改變?cè)摿孔酉到y(tǒng) 的一個(gè)參凄t來增加一個(gè)反交叉能隙大小。
在根據(jù)本方法的一個(gè)第十三方面中，包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一
個(gè)量子系統(tǒng)被初始化到以一個(gè)初始化哈米爾頓算子w0為特4正的一 個(gè)第 一 配置的接地狀態(tài)，并且絕熱地演算到以 一個(gè)問題哈米爾頓算 子//p為特4正的一個(gè)第二配置的4妄地狀態(tài)，該第二配置限定一個(gè)要 求解的計(jì)算問題。在絕熱演算該量子系統(tǒng)的過禾呈中，該量子系統(tǒng)的 特征為一個(gè)演算哈米爾頓算子//,該演算哈米爾頓算子具有一個(gè)能 量語，它有至少一個(gè)反交叉。該絕熱演算包括通過范圍在o至l之 間的一個(gè)演算速率參凌t y0)控制該絕熱演算的速率，其中當(dāng)該絕熱 演算在一個(gè)反交叉的附近的時(shí)候該參數(shù)的變化速率被降低。
在根據(jù)本方法的一個(gè)第十四方面中，包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一
個(gè)量子系統(tǒng)凈皮初始4匕到以 一個(gè)初始^f匕p合米爾頓算子//0為特4正的一
個(gè)第一配置的4妄地狀態(tài)，并且絕熱地演算到以一個(gè)問題哈米爾頓算 子//p為特4i的一個(gè)第二配置的4妄地狀態(tài)，該第二配置限定一個(gè)要 求解的計(jì)算問題。在絕熱演算該量子系統(tǒng)的過禾呈中，該量子系統(tǒng)的 特征為一個(gè)演算哈米爾頓算子//，該演算哈米爾頓算子具有一個(gè)能 量^",它有至少一個(gè)反交叉。該絕熱演算包4舌通過改變改變?cè)摿孔?系統(tǒng)的一個(gè)參lt來增加一個(gè)反交叉的能隙大小并通過一個(gè)演算速 率參凄史y(O控制該絕熱演算的速率，其中當(dāng)該絕熱演算在一個(gè)反交 叉的附近的時(shí)候該參數(shù)的變化速率被降低。


圖1A示出一個(gè)已知的超導(dǎo)量子位。
圖IB示出一個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)已知的能量勢(shì)。
圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)示例性量子計(jì)算電路模型。
圖3示出說明絕熱量子計(jì)算理論的一個(gè)已知的通式。
圖4示出一個(gè)絕熱量子計(jì)算過程的工作流程圖。
圖5A至5E示出根據(jù)本方法的一些實(shí)施方案的用于絕熱量子計(jì) 算的超導(dǎo)量子位的安排。
圖6A-6B示出根據(jù)本方法的一些實(shí)施方案在絕熱計(jì)算過程中 多個(gè)哈米爾頓算子系數(shù)的圖形。
圖7A示出在系統(tǒng)的瞬時(shí)絕熱改變過程中包括多個(gè)超導(dǎo)量子位 的一個(gè)系統(tǒng)的能級(jí)圖。
圖7B示出當(dāng)多個(gè)量子位由一個(gè)問題哈米爾頓算子//尸的接 地狀態(tài)說明時(shí)包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)系統(tǒng)的能級(jí)圖。
圖8示出才艮據(jù)本方法的一些實(shí)施方案用于控制和讀出一個(gè)裝 置絕熱量子計(jì)算的一個(gè)超導(dǎo)量子位的狀態(tài)的一種裝置。
圖9A示出一個(gè)物理系統(tǒng)的能級(jí)圖，其中該能級(jí)圖展現(xiàn)根據(jù)本 方法的一個(gè)實(shí)施方案的物理系統(tǒng)的能級(jí)之間的一種反交叉。
圖9B示出一個(gè)物理系統(tǒng)的能級(jí)圖，該系統(tǒng)具有才艮據(jù)本方法的 一個(gè)實(shí)施方案的能級(jí)交叉。
圖IOA示出對(duì)于一個(gè)超導(dǎo)量子位的讀出4言號(hào)的形式，該超導(dǎo) 量子位具有兩個(gè)能級(jí)之間的一個(gè)反交叉。
圖IOB示出對(duì)于一個(gè)超導(dǎo)量子位的讀出信號(hào)的形式，該超導(dǎo) 量子位沒有兩個(gè)能級(jí)之間的反交叉。
圖11示出根據(jù)本方法的一些實(shí)施方案進(jìn)4亍運(yùn)算的一個(gè)系統(tǒng)。
貫穿這些附圖的幾個(gè)視圖，相同的標(biāo)號(hào)表示對(duì)應(yīng)的部分。
具體實(shí)施例方式
提供使用超導(dǎo)量子位進(jìn)行絕熱量子計(jì)算的系統(tǒng)和方法。在本方 法的不同實(shí)施方案中，絕熱量子計(jì)算在顯現(xiàn)量子計(jì)算功能度的超導(dǎo) 量子位寄存器上進(jìn)行。絕熱量子計(jì)算是可以用于嘗試對(duì)難以計(jì)算的 問題求解的量子計(jì)算的 一種模型。
一jfe實(shí)施方案
當(dāng)為絕熱量子計(jì)算挑選備用系統(tǒng)時(shí)，有些指標(biāo)應(yīng)當(dāng)遵循。 一個(gè) 指標(biāo)是該讀出裝置可以是一個(gè)Stern-Gerlach crz型觀察。 一個(gè)第二 指標(biāo)是該問題p合米爾頓算子中的隧道效應(yīng)項(xiàng)可以是大約為零。只于于 Hp = Acjx + scjz于是AaO。 一個(gè)第三指標(biāo)是該問題的、初始的或 者附加的p合米爾頓算子(i/p, //o, //E) 中的隧道效應(yīng)項(xiàng)的幅度可以 是可調(diào)的。 一個(gè)第四指標(biāo)是量子位-量子位耦連在終末量子位狀態(tài)中 的基礎(chǔ)中可以是對(duì)角的，即，c7Z(8)cjz。因?yàn)橛?失磁耦連的一個(gè)Ising 模型具有一種次要接地狀態(tài)，對(duì)齊所有的自旋， 一個(gè)第五指標(biāo)是該 系統(tǒng)可以有某種量子位之間的反鐵磁(AFM)耦連。 一些AFM耦 連包括全部是反4失萬茲的情況。還有，鐵》茲(FM)耦連具有一個(gè)負(fù)號(hào) -JcjZOcjZ,而反4失》茲摔禺連具有一個(gè)正號(hào)JcyZg) cjZ。
本方法的一些實(shí)施方案遵照上述指標(biāo)，而其他一些實(shí)施方案不 遵照上述指標(biāo)。有可能4吏該問題P合米爾頓算子中的隧道效應(yīng)項(xiàng)義于于
相位量子位是非零的，但是很弱，例如，對(duì)于//!> = AcTX + scjz于是 △ << s。在這樣一種情況下有可能使該讀出裝置試纟笨一種
Stern-Gerlach crx型可觀測(cè)項(xiàng)。根據(jù)本方法的超導(dǎo)絕熱量子計(jì)算才幾 的其他一些實(shí)施方案不遵照上述第三指標(biāo)，例如，該問題的、初始 的或者附加的p合米爾頓算子(//p, //o， //E)中的隧道效應(yīng)項(xiàng)的幅度 是固定的，在這樣的實(shí)施方案中該問題的、初始的、或附加的口合米 爾頓算子對(duì)瞬時(shí)哈米爾頓算子起的作用是可調(diào)的。下文說明本方法 的一些具體實(shí)施方案。
示例性一^:程序
根據(jù)本方法的一些實(shí)施方案，絕熱量子計(jì)算的一般程序示于圖 4中。在401，選4奪和或建構(gòu)一個(gè)將用于求解一個(gè)計(jì)算的量子系統(tǒng)。 在一些實(shí)施方案中，每個(gè)或者每類要求解的問題要求一個(gè)專為解該 問題設(shè)計(jì)的客戶量子系統(tǒng)。 一旦選取了一個(gè)量子系統(tǒng)，就需要限定 該量子系統(tǒng)的一個(gè)初始狀態(tài)和一個(gè)終末狀態(tài)。該初始狀態(tài)的特M正在 于初始化p合米爾頓算子//。而該終末狀態(tài)的特征在于終末p合米爾 頓算子T7p ，后者編碼所求解的計(jì)算問題。在一些實(shí)施方案中，佳L 該量子系統(tǒng)初始^f匕為該初始^匕p合米爾頓算子Ho的4妄i也狀態(tài)，并且 當(dāng)該系統(tǒng)達(dá)到該鄉(xiāng)冬末狀態(tài)時(shí)，它處于該終末P合米爾頓算子7T尸4妄;l也 狀態(tài)。如4可選4奪和設(shè)計(jì)系統(tǒng)以解算一個(gè)計(jì)算問題的更多細(xì)節(jié)在下面 說明。
在403，使該量子系統(tǒng)初始化到時(shí)間-無關(guān)的哈米爾頓算子F0 的接地狀態(tài)，這初始地說明該量子系統(tǒng)。假定//0 4妄地狀態(tài)是該系 統(tǒng)可以可靠地對(duì)之復(fù)制的狀態(tài)。
在動(dòng)作403與405之間的過渡404中，以一種絕熱的方式作用 在量子系統(tǒng)上以改變?cè)撓到y(tǒng)。該系統(tǒng)從由p合米爾頓算子i兌明改 變到由Z/p說明。3口以上所定義，該改變是絕熱的并且在發(fā)生在一 個(gè)時(shí)間r的周期中。換言之， 一個(gè)絕熱量子計(jì)算機(jī)的算子引起該系 統(tǒng)以及i兌明該系統(tǒng)的p合米爾頓算子i/在時(shí)間T中/人/f。改變到一個(gè) 終末形式/^。該改變是i^與//p之間的一個(gè)插值。該改變可以是 一種線性插^^直
其中絕熱演算參數(shù)Y(t)是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，具有丫0 = 0) =0，且
=r> =1。該改變可以是一種線性插值，Y(t) -vr從而
才艮凈居量子力學(xué)的絕熱理i侖，在該系統(tǒng)祐: 文變并且該改變完成以
后的所有情況下一個(gè)系統(tǒng)都將保持在接地狀態(tài)//,條件是該改變是 絕熱的。在本方法的一些實(shí)施方案中，該量子系統(tǒng)開始于一種不允 許量子隧道效應(yīng)的初始狀態(tài)//g中，以一種絕熱的方式一皮4尤動(dòng)到一 種允許量子隧道效應(yīng)的中間狀態(tài)，并且然后以一種絕熱的方式^皮4尤 動(dòng)到上述的終末狀態(tài)。
在405,該量子系統(tǒng)已經(jīng)^皮改變到一個(gè)由該鄉(xiāng)冬末口合米爾頓算子
i兌明的狀態(tài)。該終末p合米爾頓算子可以編石馬該計(jì)算問題的約束 從而該的接地狀態(tài)對(duì)應(yīng)于該問題的一個(gè)解。因此該終末p合米爾 頓算子也凈皮稱為問題p合米爾頓算子//P。如果該系統(tǒng)不處于/z尸的4妾 地狀態(tài)，該狀態(tài)就是該計(jì)算問題的一個(gè)近似解。對(duì)于很多計(jì)算問題 近似解是有用的，并且這樣的實(shí)施方案完全在本方法的范疇內(nèi)。
在407，讀出由該終末卩合米爾頓算子//尸i兌明的系統(tǒng)。該讀出 可以在該量子位的cyZ基礎(chǔ)中。如果該讀出基礎(chǔ)與該問題哈米爾頓
邵)=(1 — r(0)仏+ 算子/^換算，那么進(jìn)行一個(gè)讀出操作不干擾該系統(tǒng)的接地狀態(tài)。
該讀出方法可以采取多個(gè)形式。該讀出的目才示是準(zhǔn)確或者近合;u也確 定該系統(tǒng)的4妄地狀態(tài)。所有量子位的狀態(tài)由向量6表達(dá)，該向量給 出該接地狀態(tài)或者該系統(tǒng)的近似接地狀態(tài)的一個(gè)簡(jiǎn)潔的圖像。該讀 出方法可以比4交系統(tǒng)不同狀態(tài)的能量。下面給出更多的例子，利用 特定量子進(jìn)行更好地i兌明。
絕熱;也改變一個(gè)量子系統(tǒng)
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，在緩慢改變p合米爾頓算子//(t) 的條件下該量子系統(tǒng)的自然量子力學(xué)演算系統(tǒng)z使該量子系統(tǒng)的初 始狀態(tài)/f。帶入一個(gè)終末狀態(tài)，在一些實(shí)施方案中這可以是該接地 狀態(tài)/^，該終末狀態(tài)對(duì)應(yīng)于由該量子系統(tǒng)限定的問題的解。該量子 系統(tǒng)的該終末狀態(tài)的測(cè)量揭示在該問題p合米爾頓算子中編石馬的計(jì) 算問題的解。在這類實(shí)施方案中，可以限定該處理成功的一個(gè)方面 是在該初始化p合米爾頓算子與問題哈米爾頓算子之間的變化可以 多么快地(或者慢地)發(fā)生?？啥嗝春慰斓卦谠?/。與7/p之間驅(qū)動(dòng) 插值，同時(shí)保持該系統(tǒng)處在這些瞬時(shí)哈米爾頓算子的沖妄地基狀，該 量子系統(tǒng)到達(dá)/^的路徑中穿過這些瞬時(shí)哈米爾頓算子，是使用量 子力學(xué)的絕熱理i侖可以估文出的 一 項(xiàng)確定。本節(jié)才是供了量子力學(xué)的絕 熱理i侖的詳細(xì)i兌明。更加具體地，本節(jié)說明了量子力學(xué)如4可對(duì)可以 根據(jù)本發(fā)明使用的量子系統(tǒng)上加以約束以及^f吏用本發(fā)明的方法如 <可可以<吏用這類量子系統(tǒng)來求解計(jì)算問題。
一個(gè)量子系統(tǒng):接照Schr6dinger方程演算
式中 (t)和//(t)分別是該系統(tǒng)的時(shí)間4非序算子和p合米爾頓 算子。絕熱演算是//(t)為一種慢變函數(shù)的特殊情況。該哈米爾頓 算子的時(shí)間依從的基本狀態(tài)和能級(jí)是
邵)|/;/〉 = ￡,(/)|/力
式中/ e
，且W是由Schr6dinger方程式說明的量子系統(tǒng) 的希爾伯特空間的維數(shù)。該量子系統(tǒng)五,(t)的能量級(jí)、能量或者能 量譜是該系統(tǒng)可以占據(jù)的能量的集合。該狀態(tài)的能量是一個(gè)嚴(yán)才各遞增集。
一個(gè)量子系統(tǒng)的絕熱演算的通例如下。狀態(tài)|0;t〉和|l;t〉分別 是哈米爾頓算子7/(t)的接地狀態(tài)和第一受激狀態(tài)，帶有能量￡0(0 和AO)。能隙gO)是該*接地狀態(tài)和第一受5敫狀態(tài)之間的差<直，如 下式
如果使該量子系統(tǒng)于該接地狀態(tài)初始化并且在//(t)條件下演 算，其中是慢變的，并且如果該能隙大于零，于是對(duì)于OSf S T該量子系統(tǒng)將保持于該接地狀態(tài)。換言之
無意受限于任何特定的理論，人們認(rèn)為該能隙的存在意p未著基 于Schr6dinger方程式的該量子系統(tǒng)以高保真度保持于該接地狀態(tài)， 例如，1-s2 (s << 1)。該運(yùn)算的保真度可以定量地求出。
瞬時(shí)哈米爾頓算子在該接地狀態(tài)￡。與第一受激狀態(tài)A之間
的最小能隙由gmm給出，其中
gmm =jn,iB[W)—五。(,)]。
洲=，—，。
同樣相關(guān)的是矩陣元素:
絕熱理論斷定該量子系統(tǒng)的保真度將接近于一，條件是:
如果滿足該指標(biāo)，該量子系統(tǒng)將保持于該4妄地狀態(tài)。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，r是改變一個(gè)電荷量子位的控制 參數(shù)所需的時(shí)間，該參數(shù)例如是對(duì)一個(gè)有裂隙約瑟夫遜結(jié)的電荷量 子位的感應(yīng)的門電荷或者通量。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，時(shí)間 r是在約o.i納秒與約500微秒之間的一個(gè)值。換言之，在允許該 量子系統(tǒng)開始絕熱地^人初始狀態(tài)改變時(shí)到該量子系統(tǒng)首次達(dá)
到該終末狀態(tài)Hp時(shí)之間的時(shí)間量是在約0.1納秒與約500孩吏秒
之間。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，r是小于包括該超導(dǎo)量子4立的
物理系統(tǒng)的特4正頻率的倒^:的一個(gè)值。 一個(gè)量子位的特征頻率是一
個(gè)量子位的一個(gè)接地狀態(tài)與一個(gè)受激狀態(tài)之間的能量差。因此，包 括多個(gè)量子位的 一個(gè)物理系統(tǒng)的特征頻度是在該物理系統(tǒng)之中的
一個(gè)或者多個(gè)量子4立的特4i頻率。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，r是改變一個(gè)相位量子位的控制 參數(shù)所需的時(shí)間，該控制參數(shù)例如是一個(gè)持續(xù)電流量子位中的通 量。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，時(shí)間r是在約o.i納秒與約500 樣支秒之間的一個(gè)值。4灸言之，在允許該量子系統(tǒng)從初始狀態(tài)//0開 始絕熱;也改變時(shí)到該量子系統(tǒng)首次達(dá)到該纟冬末^l犬態(tài)時(shí)之間的
時(shí)間量是在約O.l納秒與約500樣t秒之間。在一些實(shí)施方案中，時(shí) 間r被計(jì)算成其中一種Landau-Zener過渡過程可能不發(fā)生的時(shí)間。
Landau-Zener過^度過禾呈的更多^f言息例^口參閱Garanin ^1^， 2002， 尸一.T ev. B 66, 174438。
Landau-Zener玉里i侖的應(yīng)用
絕熱算法的多凄t分析著重于該能隙，g(t),和矩陣元〈"^M〉w對(duì) 該能隙的最小值的平方之比如何與增加的問題大小成比例。據(jù)信， 通過4企查這些度量<直，可以確定該絕熱算法和其〗也絕熱處理的有歲丈 性。本方法的一些實(shí)施方案采用一種替代的分析，這種分析關(guān)注過
渡過程404或者其他過程為非絕熱的概率(即涉及熱轉(zhuǎn)移的一個(gè)過 程，與一個(gè)涉及無熱轉(zhuǎn)移的絕熱過程相反)。不同于計(jì)算最小能隙 (這是才莫擬所求解問題的 一個(gè)量子系統(tǒng)的接地狀態(tài)的能量與該第 一受激狀態(tài)的能量之間的差值)，該另外的分析計(jì)算過由該量子系 統(tǒng)過渡出該接地狀態(tài)的概率。在本方法的例子中，該概率計(jì)算可以 是一個(gè)估計(jì)該絕熱算法或者過程的失敗率的一個(gè)更相關(guān)的度量。為 進(jìn)行該計(jì)算，〗叚定任何絕熱過渡過程(以熱轉(zhuǎn)移為特4正的任何過渡 過程)都是一種Landau-Zener過渡，例如， 一個(gè)受限在反交叉的相 鄰能級(jí)的過渡。反交叉能級(jí)的一個(gè)說明在下面參照?qǐng)D9A和9B提供。 當(dāng)多個(gè)量子位4妻近一個(gè)反交叉時(shí)，過渡出該4妄地狀態(tài)的才既率可以凈皮 參數(shù)化為(i)該能隙的最小值，gmin， (ii) 進(jìn)行絕熱改變的該量子 位或多個(gè)量子位的能級(jí)的漸近線的殺牛率中的差A(yù)w，(例如圖8的量 子系統(tǒng)850),以及 (iii) 絕熱演算參凄t的變化速率，介/& =,。 Landau-Zener過渡概率的第 一估計(jì)是
參數(shù)gmin和Am的值將隨著在一個(gè)絕熱量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的該算法 的特定情況而變化。
本方法的其他實(shí)施方案可以用在404處對(duì)于一個(gè)絕熱過渡的概 率的不同估計(jì)來構(gòu)建和運(yùn)算。例如在一些實(shí)施方案中計(jì)算了該 Landau-Zener過渡概率的第二估算。該概率的形式是
式中A是一個(gè)約為1的常數(shù)，五j是該量子位的約瑟夫遜能量(或者 多個(gè)量子位的約瑟夫遜能量的最大約瑟夫遜能量)，而/p是一個(gè)增
加到該超導(dǎo)量子位一個(gè)附加通量的振蕩頻率。參數(shù)gmin和&的值 將隨著在一個(gè)絕熱量子計(jì)算4幾上運(yùn)行的算法的特定情況而變化。
在本方法的^艮多實(shí)施方案中，用于絕熱量子計(jì)算的量子系統(tǒng)#皮 設(shè)計(jì)為使該能量隙的最小值、該漸近線斜率中的差、以及該絕熱演
算參凄t的變化速率併3正在404處絕熱過渡的扭X率是小的，例如
尸lz遠(yuǎn)小于1。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，i\Z是l X l(X3或者以 下。乂人該量子系統(tǒng)的4妄地狀態(tài)向該量子系統(tǒng)的第 一 受激狀態(tài)過渡的 概率對(duì)于該絕熱演算的變化速率是成指數(shù)地敏感并且對(duì)該速率提 供了一個(gè)下限。乂人該量子系統(tǒng)的4妄地狀態(tài)向該量子系統(tǒng)的第一受激 狀態(tài)過渡的概率還提供了該絕熱演算參數(shù)的變化速率的一個(gè)上限。
一個(gè)絕熱算法或者過程的持續(xù)時(shí)間可小于發(fā)生 一 個(gè)Landau-Zener 過渡所占用的時(shí)間。如果尸lz是每個(gè)反交叉的概率，那么可以設(shè)計(jì) 和運(yùn)算該量子系統(tǒng)(例如圖8的量子系統(tǒng)850,它可以是一個(gè)單個(gè) 的量子位或多個(gè)量子位)以滿足以下的不等式7\2乂^ 1，式中 "a是時(shí)間7中穿過的反交叉的數(shù)量或者說7<< (PlzX ^xpA)-1, 其中Pa是沿該能量譜的接地狀態(tài)的反交叉的密度?？梢杂靡粋€(gè)近 似估算法計(jì)算沿該接地狀態(tài)的反交叉和交叉的密度。
在本方法的一些實(shí)施方案中，才丸4亍該讀出處理所要求的時(shí)間量 可以進(jìn)4于工程處理以4吏得量子系統(tǒng)850 乂人該4妄地狀態(tài)向該第 一 受 激狀態(tài)過渡的相克率是小的。在一個(gè)實(shí)施方案中，該扭克率小于百分之
一。對(duì)于一個(gè)讀出處理，必須遵循下式PLZxw xr 1,或 t /ax CPlzXW)-1,其中m是量子位的數(shù)量，而r是用于讀出 這些量子位的平均周期數(shù)，/A用于讀出這些量子位的周期的頻率， 而r是讀出多個(gè)w量子^f立中的一個(gè)量子^f立的時(shí)間。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于過渡/^z的這一必須的小扭無 率取決于所進(jìn)4于的處理。在對(duì)一個(gè)超導(dǎo)量子位施加附加的通量并經(jīng) 過一個(gè)儲(chǔ)能電路測(cè)量該狀態(tài)的一個(gè)讀出處理的情況下，譬如下面聯(lián) 系圖8詳細(xì)說明的實(shí)施方案，該"小"的值是取決于所使用的附加通 量的波形的周期凄t 0)。例如，在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中一個(gè)周 期中讀出一個(gè)量子位， 一個(gè)小的i^z值是lxl(T2或更小。在本方 法的一個(gè)實(shí)施方案中r個(gè)周期中讀出"個(gè)量子位， 一個(gè)小/\z ^直 是 (rxw)" x l(T2或更小。在該絕熱處理和后續(xù)的讀出周期上的 過渡的累計(jì)概率可以是小的并且對(duì)應(yīng)地i殳計(jì)和運(yùn)4亍該系統(tǒng)。在本方 法的一個(gè)實(shí)施方案中，過渡的一個(gè)小的累計(jì)概率為約1 x l(T2。
絕熱演算的加速
在本方法的一些實(shí)施方案中，該量子系統(tǒng)/人」&向//p演算所 占用的時(shí)間可以最小化。如前所述，Landau-Zener過渡是在絕熱量 子演算過禾呈中/人該即時(shí)的^妾地狀態(tài)激厲力的主要原因。Landau-Zener 過渡發(fā)生在進(jìn)行絕熱演算的量子系統(tǒng)的狀態(tài)的能量譜中的反交叉 的附近。如果在絕熱演算的過程中該量子系統(tǒng)的狀態(tài)過快地穿過該 反交叉，則有使該量子系統(tǒng)狀態(tài)激勵(lì)的大概率，結(jié)果是在該演算結(jié) 束時(shí)狀態(tài)的重疊而不是該哈米爾頓算子的接地狀態(tài)。然而涉及 該接地狀態(tài)的反交叉不經(jīng)常發(fā)生在該量子系統(tǒng)的能量譜中，并且因 此整個(gè)絕熱演算不必限制為與在反交叉處避免Landau-Zener過渡 對(duì)等的速率。
該絕熱演算可以表達(dá)為
式中yO)是一個(gè)時(shí)間-依/人的絕熱演算參^t,它隨著該量子系統(tǒng)絕 熱地爿t人以初始化p合米爾頓算子//2為特征的一個(gè)第一配置的"t妄地 狀態(tài)演算到以該哈米爾頓算子//￡為特征的一個(gè)第二配置的該接 地狀態(tài)在凄t值上變化。在該絕熱演算的開始處，這時(shí)該量子系統(tǒng)處
于該第一配置的4妄地狀態(tài)，Yo)具有的值為o。在該絕熱演算的結(jié) 束處，這時(shí)該量子系統(tǒng)處于該第二配置(問題配置)的接地狀態(tài)， y0)具有的l直為i。在典型的實(shí)施方案中，在該絕熱演算過程中的
所有其他時(shí)間點(diǎn)，y(t)具有的值約在0與l之間或包括0和l。在
本方法中，當(dāng)由//(t)-說明的該量子系統(tǒng)的狀態(tài)是在一個(gè)反交叉的
附近時(shí)絕熱演算過程中的y(t)變化速率減少，并且當(dāng)該量子系統(tǒng)的 狀態(tài)不在一個(gè)反交叉的附近時(shí)y(t)的改變速度增加。
在本方法的一些實(shí)施方案中，在絕熱演算的時(shí)間過程中的多個(gè) 時(shí)間點(diǎn)上絕熱演算被減慢，在該過程中量子系統(tǒng)的狀態(tài)是在多個(gè)反 交叉的附近。此類時(shí)間間隔的這些邊緣(它們界定了該量子系統(tǒng)的 狀態(tài)處于此類反交叉附近的時(shí)間)可以通過對(duì)不同問題p合米爾頓算 子/^統(tǒng)計(jì)學(xué)分析來確定。對(duì)于每個(gè)問題哈米爾頓算子確定在
可能發(fā)生 一 個(gè)反交叉的絕熱演算時(shí)間過程中的^i:值的 一 個(gè)范圍。通 過分析有不同凄t量的量子位和有變化的局部量子位偏置的值和耦
連強(qiáng)度的各種問題哈米爾頓算子，可以確定這些時(shí)間間隔，在其期 間該量子系統(tǒng)的狀態(tài)在平均上于一個(gè)反交叉的附近。在這樣的平均 的時(shí)間間隔之內(nèi)有反交叉存在的大概率，它獨(dú)立于特定的問題哈米 爾頓算子。每個(gè)這樣的平均的時(shí)間間隔構(gòu)成一個(gè)反交叉的臨近區(qū)， 其中存在發(fā)生反交叉的高概率。因此，當(dāng)不在這樣一個(gè)時(shí)間間隔中 時(shí)絕熱演算可以相對(duì)快地進(jìn)行，并且只在一個(gè)反交叉的附近放慢。
在一些實(shí)施方案中，放慢絕熱演算包括放慢(減少)參數(shù)y(t) 從y(t) =0進(jìn)展到y(tǒng)(t) =1時(shí)的變化速率。在一些實(shí)施方案中， 絕熱演算圍繞值<formula>formula see original document page 50</formula>。 在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)參數(shù)y(t)的值是在該參數(shù)y(t)于一個(gè)給定 的反交叉處的值的百分之十之內(nèi)或更小時(shí)減少函數(shù)Y(t)改變的速率。
放慢參數(shù)y(t)中改變的速率可以包括放慢改變量子位之間的 耦連強(qiáng)度的速率，和/或放慢改變隧道效應(yīng)幅度的速率。在一些實(shí)施 方案中，絕熱演算參凄t y(t) 的變化速率(々( )/刑在一個(gè)反交叉的 附近與當(dāng)該量子系統(tǒng)不在一個(gè)反交叉的附近相比4交可以減少(方丈 慢) 一個(gè)二至十的近似因數(shù)。
另 一 個(gè)提高絕熱演算速度的方法是用 一 個(gè)全局函數(shù)乘以該哈 米爾頓算子的重疊。這有增加該反交叉能隙大小的效果，由此降孑氐 量子系統(tǒng)經(jīng)受一個(gè)Landau-Zener過》度的才既率。 一個(gè)Landau-Zener 過渡的概率是與該能隙大小的平方按指數(shù)成正比，所以通過少量增 加能隙大小能夠顯著地提高保留在該接地狀態(tài)中的概率。因此，該 絕熱演算不必在整個(gè)反交叉中緩慢地進(jìn)行。該方法的一個(gè)例子用以 下哈米爾頓算子示出
<formula>formula see original document page 50</formula>
式中Y(t)是該絕熱演算參數(shù)，Y(t)m是y(t)在一個(gè)反交叉處的值， 而r(Y)是一個(gè)取決于該演算參數(shù)的全局函數(shù)。函數(shù)r(力在y(t) =y(t)m時(shí)為最大值并且當(dāng)y(t)是o或者i時(shí)下落到零。這樣一個(gè)函
數(shù)的一個(gè)例子是一個(gè)集中在y(t) m—個(gè)高斯樣函數(shù)。 一個(gè)全局函數(shù) 的另一個(gè)例子如下
<formula>formula see original document page 50</formula>
式中e(x)是一個(gè)階越函數(shù)，對(duì)x〈o它等于o且對(duì)于x〉o它等于 1。該全局函凄t不移動(dòng)該反交叉的位置，而其他形式的全局函凄t可 以移動(dòng)該位置，使之易于限定該反交叉的臨近區(qū)。
物理上，該，哈米爾頓算子乘以因凄t (l+r(")涉及改變?cè)摿孔酉?統(tǒng)中的一個(gè)或者多個(gè)偏置參數(shù)。這些偏置參數(shù)包括對(duì)應(yīng)于每個(gè)量子 位上的單獨(dú)的通量偏置或者電荷偏置的能量、每個(gè)量子位中的隧道 效應(yīng)項(xiàng)、以及量子位之間的耦連強(qiáng)度。將哈米爾頓算子乘以因數(shù) (l+r(")簡(jiǎn)單地以相同的量使這些參數(shù)的每一個(gè)成比例地變化。因 此，為了物理地實(shí)施該因數(shù)(l+r("),只需要按同一因數(shù)增加這些 單獨(dú)的偏置、隧道效應(yīng)項(xiàng)、以及耦連強(qiáng)度。調(diào)節(jié)這些參數(shù)的方法是 所屬技術(shù)領(lǐng)域中公知的并且在本i兌明書的其他章節(jié)中闡述。
圖6A分別地示出在一個(gè)絕熱演算的過程中//。和//p的系數(shù) 以及(i-w,))和y(t),在此Y(t)是一個(gè)線性函凄丈。該，哈米爾頓算子 //0隨著時(shí)間線性地減少到零而終末p合米爾頓算子隨著時(shí)間增 加到其最大值。作為一個(gè)例子，該反交叉任意地置于丫(1) = 0.5處。 圖6B示出與圖6A相同的情況下，除外Y(t)是非線性的并且這些 系數(shù)被乘以因數(shù)(l + r(")。請(qǐng)注意在y(t) = 0.5附近，兩個(gè)曲線幅度 都增加，這是提高全部p合米爾頓算子中//c和兩者幅度的結(jié) 果。該作用由因數(shù)(l+r(")引起，并且是反交叉在Y(t) = 0.5處的
能隙間隔增加的后果，由此降低了激勵(lì)離開即時(shí)接地狀態(tài)的概率。
(i + r(")可以用之增加該能隙大小的因數(shù)由于該系統(tǒng)的物理制約而 受到限制。
在本方法的一些實(shí)施方案中，函凄t r(力是一個(gè)高斯樣函凄t。 在其他一些實(shí)施方案中，函數(shù)r(y)是在該演算接近一個(gè)反交叉時(shí) 增力口 //。和//P ^又方的幅度并且在該演算穿過一個(gè)反交叉時(shí)降^氐
/70和雙方的幅度的一種函凄t。在一些實(shí)施方案中，該/^的4妻
地狀態(tài)可以是不退化的。因數(shù)(l+r(")可以通過以同樣的因數(shù)改變 這些量子4立的單獨(dú)的偏置、這些量子4立的隧道^t應(yīng)項(xiàng)、和/或改變量 子位之間的耦連強(qiáng)度來實(shí)施。
在本方法的 一些實(shí)施方案中，以上闡述的兩個(gè)加速該絕熱演算 的方法可以結(jié)合使用。這就是說，在反交叉的臨近區(qū)中增加一個(gè)反 交叉的能隙大d、并且降低絕熱演算的速度。
示例性實(shí)施方案
以下i^明能夠進(jìn)4于絕熱量子計(jì)算的量子系統(tǒng)的實(shí)施方案。 絕熱地使用一個(gè)持續(xù)電流量子位量子系統(tǒng)找到一個(gè)受抑制的
環(huán)的4妄:MM犬態(tài)
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)量子系統(tǒng)500 的一個(gè)第 一實(shí)例。三個(gè)耦連的通量量子位是^4居本發(fā)明的方法確定 尺寸和配置，因此系統(tǒng)500能夠使用絕熱計(jì)算方法找出一個(gè)受抑制 的量子系統(tǒng)的4妄;也^1犬態(tài)。
示例性實(shí)施方案中使用的持續(xù)電流量子位量子系統(tǒng)的總體說
盟
參見圖5A,量子系統(tǒng)500中的每個(gè)量子位101包括有串聯(lián)的 三個(gè)小電容量約瑟夫遜結(jié)的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路，它們封閉了一個(gè)所施加 的》茲通量/(D。(①。是超導(dǎo)通量量子其中/2普郎克常凄史)而 /是一個(gè)范圍在0 (不施加通量)至0.5或者更大的H在對(duì)應(yīng)的超 導(dǎo)環(huán)3各內(nèi)，每個(gè)約瑟夫遜結(jié)由一個(gè)"x"標(biāo)示。在每個(gè)量子位101中， 這些約瑟夫遜結(jié)中的兩個(gè)具有相等的約瑟夫遜能量A,而在第三個(gè) 節(jié)中的耦連是a五j，在此0.5〈ot〈1。每個(gè)量子位101有兩個(gè)符號(hào)相 反的持續(xù)循環(huán)電流的穩(wěn)定的經(jīng)典狀態(tài)。對(duì)于/=0.5,這兩個(gè)狀態(tài)的 能量相同。該狀態(tài)之間量子隧道效應(yīng)的壁壘強(qiáng)烈地取決于a的值。 具有圖5A中所示i殳計(jì)的量子^f立已經(jīng)由Mooij等人才是出，1999，
S"'ewce285， 1036。此類量子位的i殳計(jì)和制造在上文2.2.1節(jié)中進(jìn)一 步討論。
一個(gè)量子位101的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)將有相等的能量，意味著它們將退 化，并且將因此當(dāng)在量子位中捕捉的通量是0.5①。時(shí)將支持兩個(gè)相 等的能量狀態(tài)(基本狀態(tài))之間的量子隧道效應(yīng)。在量子位101中 捕捉的0.5d>。所要求的通量的量值與該量子位的面積直接成比例， 該量子位的面積在此定義為由該量子位的超導(dǎo)環(huán);洛封閉的面積。如 果在一個(gè)面積為Ai的第一量子^f立101中達(dá)到一個(gè)0.50。的4it才足所 需要的通量的量值是B"那么在一個(gè)面積為A2的第二量子位捕捉 0.5d>。通量所需要的通量的量值是(A2/A0 B"有利的是，在系統(tǒng) 500中，每個(gè)量子4立101具有相同的總表面積，因此一個(gè)外部的才幾 構(gòu)(例如一個(gè)儲(chǔ)能電路)可以引起系統(tǒng)500中每個(gè)對(duì)應(yīng)的量子位 101在近似或者準(zhǔn)確地相同的時(shí)間捕捉0.5①。的通量。
在一些實(shí)施方案中，在結(jié)構(gòu)500中的這三個(gè)持續(xù)電流量子位 101-1， 101-2,和101-3是電感性i也l禺連到一個(gè)々者能電路(在圖5A 中沒有完全示出)。該儲(chǔ)能電路既包括電感性電路元件也包括電容 性電路元件。該儲(chǔ)能電路被用于偏置量子位101使之各捕捉0.5①。 的通量。在本方法的一些實(shí)施方案中，該儲(chǔ)能電路有一個(gè)高的品質(zhì) 因數(shù)(例如，Q 〉 1000)和一個(gè)低的諧振頻率(例如一個(gè)不過于6 至30兆赫的頻率)。 一個(gè)儲(chǔ)能電路作為量子位控制系統(tǒng)的作用詳細(xì) 說明于美國(guó)專利7>開2003/0224944 Al中，題為"超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表征與 測(cè)量"，該專利全文通過引用結(jié)合在此，以及說明于Il'ichev等人， 2004 ， "Radio-Frequency Method for Investigation of Quantum Properties of Superconducting Structures," arXiv.org: cond-mat/0402559;和Il'ichev爭(zhēng)人的2003, "Continuous Monitoring of Rabi Oscillations in a Josephson Flux Qubit，" i3/^. Aev.丄饑91， 097906。 一個(gè)儲(chǔ)能電路的一個(gè)電感性元件在圖5A示出為元件502。 在一些實(shí)施方案中，電感性元件502是一個(gè)超導(dǎo)材料譬如鈮的扁平線圏，該線圏每匝之間有一個(gè)1微米的額定間隔。可以并聯(lián)或者串 聯(lián)地安排該儲(chǔ)能電路的電感性元件和電容性元件。對(duì)于一個(gè)并聯(lián)電
路， 一個(gè)對(duì)少量量子位有用的^t值組中約50納享至250納享之間 的電感量和約50微微法至約2000微微法的電容量，以及約10兆 赫至約20兆赫的一個(gè)諧振頻率。在一些實(shí)施方案中，諧振頻率/7 由/^式y(tǒng)^ = /2;r= y^r決定，式中；是該-賭能電^各的電感量而
CF是該儲(chǔ)能電路的電容量。
選擇持續(xù)電流量子位器件的參數(shù)
在本方法的一些實(shí)施方案中，選取量子位參凄t以滿足用絕熱量 子計(jì)算求解的問題的要求和該量子位限制條件。對(duì)于一個(gè)持續(xù)電流 量子位，該隧道效應(yīng)總是非零的且往往是不可變的。這提出了一個(gè) 問題，因?yàn)樵谝恍?shí)施方案中，對(duì)圖4的403選取一個(gè)不允許發(fā)生 量子隧道效應(yīng)的問題p合米爾頓算子77P。然而，在持續(xù)電流量子位 的情況下，不能夠找到一個(gè)不允許發(fā)生量子隧道效應(yīng)的狀態(tài)，因?yàn)?在這樣的量子位中該隧道效應(yīng)項(xiàng)總是非零的。不是必須讓問題哈米 爾頓算子或者初始化p合米爾頓算子//。中沒有隧道效應(yīng)項(xiàng)。在 本方法的一些實(shí)施方案中，出于以下原因的任何組合允許在Z/p和 /或中的一個(gè)非零隧道效應(yīng)項(xiàng)(i) 該隧道效應(yīng)項(xiàng)佳:得反交叉 可以用于讀出處理和(ii)在這沖羊的一些實(shí)施方案中非隧道歲文應(yīng)項(xiàng) 的要求被認(rèn)為是過于嚴(yán)格。對(duì)于后一個(gè)原因，在本發(fā)明的一些實(shí)施 方案中有一個(gè)比該隧道效應(yīng)強(qiáng)得多的耦連項(xiàng)就足夠了 。
在量子系統(tǒng)500 (圖5A)中的量子^f立101—個(gè)具體實(shí)施方案 中，該約瑟夫遜結(jié)的臨界電流密度是每平方厘米約1000安培。系 統(tǒng)500中的每個(gè)量子4立101的最大和最強(qiáng)的結(jié)有一個(gè)約450納米 乘以約200納米的面積。最大結(jié)的電容量是約4.5飛法(femtofarad) 并且約瑟夫遜能量與充電能量之比是約100。該充電能量在這類實(shí)
施方案是e"2C。最弱與最強(qiáng)約瑟夫遜結(jié)之比是0.707:1。量子位101 的隧道效應(yīng)通量在該實(shí)施方案中是各自約0.064開爾文。該持續(xù)電 流570納安。對(duì)于該持續(xù)電流值和對(duì)于/人圖5A的i殳計(jì)得出的量子 位間互感，該量子位的耦連通量是Jw-0.246開爾文、J2,3 = 0.122 開爾文以及J,，f0.059開爾文。所有這些參數(shù)都在當(dāng)前的制造技術(shù) 范圍所能達(dá)到的范圍之內(nèi)。該示例實(shí)施方案的特定值只以舉例的方 式才是供并且不對(duì)一個(gè)系統(tǒng)500的其他一些實(shí)施方案造成4壬何限制。
本發(fā)明的不同實(shí)施方案對(duì)流通在持續(xù)電流量子位101中的持續(xù) 電流提供不同的值。這些持續(xù)電流范圍在約100納安至約2毫安。 該持續(xù)電流值改變?cè)诜唇徊?15 (圖9A)處的漸近線的殺牛率。確 切地說，該量子位偏置等于7rlp(2①E/①()-1)，其中Ip是持續(xù)電流值 而該沐斤近線(例3。，詳斤近線914和/或916)的凍牛率與該量子4立偏置 成正比(對(duì)于大偏置，這時(shí)這樣偏置是約該隧道效應(yīng)通量的10倍)。 在本方法的一些實(shí)施方案中，量子位101的一個(gè)臨界電流密度是約 100 A/cm2至約2000 A/cm2。在本方法的一些實(shí)施方案中，量子 位101的臨界電流小于約600纟內(nèi)安。在本方法的一些實(shí)施方案中， 術(shù)語"約"與臨界電流相關(guān)是指高達(dá)所述值±50%的一個(gè)變化。
用于求解計(jì)算問題的算法
動(dòng)伴^W f涼備)。用于根據(jù)本方法求解一個(gè)計(jì)算問題的一個(gè) 裝置500的概觀。在本節(jié)中闡述圖4中示出的一般絕熱量子計(jì)算處 理。求解的問題是找出或者證明一個(gè)三節(jié)點(diǎn)的受抑制的環(huán)的接地狀 態(tài)或者終末狀態(tài)。系統(tǒng)500用于求解該問題。通過捕捉于每個(gè)量子 ^立101中的通量的電感性耦連實(shí)現(xiàn)了一個(gè)或者多個(gè)量子位101的牽 連。兩個(gè)量子位之間的此類耦連的強(qiáng)度部分地是兩個(gè)量子位之間的 共有面積的函凄t。增加鄰4妄量子^f立之間的共有面積導(dǎo)f丈這兩個(gè)鄰4妄 量子位之間增大的電感性耦連。
才艮據(jù)本發(fā)明的方法，確定該三節(jié)點(diǎn)受抑制環(huán)的4妄地狀態(tài)的問題
使用以下兩個(gè)變量制定兩個(gè)相鄰的量子位101之間的耦連常數(shù)而被 編碼到系統(tǒng)500中(i)這些量子位之間的距離(ii)這些量子位 的共有的表面積的量。調(diào)整量子位101的長(zhǎng)度和寬度，以及這些量 子位之間空間間隔以制定量子位間感性耦連強(qiáng)度，其方式是使這些 耦連強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于求解的計(jì)算問題(例如，三構(gòu)件受抑制環(huán)的接地狀 態(tài)或者終末狀態(tài))。在一些實(shí)施方案中，量子位IOI長(zhǎng)度和寬度的 選4奪受到每個(gè)量子位101要有相同或者近似相同的總表面積的限 制，因此可以使該量子位調(diào)整到它們?cè)谕?一時(shí)間各捕捉一個(gè)通量量 子的一半的狀態(tài)。
如圖5A中所示，量子位101的配置代表一個(gè)具有內(nèi)在性抑制 的環(huán)。該受抑制的環(huán)由圖5A經(jīng)過量子4立101的虛線的三角形標(biāo)出。 集合{101-1， 101-2, 101-3}的每?jī)蓚€(gè)量子位有一個(gè)有利于反鐵磁 對(duì)齊的耦連，即，相鄰的量子位存在于不同的基本狀態(tài)中。因?yàn)榇?在奇數(shù)的第三量子位和由該奇數(shù)的第三量子位造成的不對(duì)稱性，系 統(tǒng)500不允許這樣一種耦連的對(duì)齊g。這引起系統(tǒng)500 (在該實(shí)施 方案中是奇數(shù)個(gè)量子位的環(huán)樣構(gòu)形)是受抑制的。參見圖5A，在 本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)量子位IOI的面積近似相等。在一 個(gè)實(shí)施方案中，具有一個(gè)約80平方微米的面積(例如高度約9微 米而寬度約9微米、高度4微米且寬度40微米，等等)的多個(gè)持 續(xù)電流量子位，譬如量子位101, ^皮安排在兩個(gè)纟從向成對(duì)的全等的 量子位(例如101-1和101-2)和一個(gè)一黃向擺放并且對(duì)4妄于該對(duì)的末 端上的一個(gè)第三非全等量子^立(例如101-3)上，如在圖5A中所示。
所有三個(gè)量子^[立101-1， 101-2和101-3，在制造/>差范圍內(nèi)有 相同的面積。在本方法的一些實(shí)施方案中，這種7>差允許與平均量 子>[立表面積有高達(dá)±25%的偏差。量子4立101-1， 101-2和101-3不只于
稱地相互耦連的。換言之，對(duì)于量子位101-3和101-1 (或者101-2) 的共有的總面積小于對(duì)于量子位101-1和101-2的共有的總面積。
本方法的一些實(shí)施方案，譬如那些包^"一個(gè)類^f以于500的系統(tǒng) 的實(shí)施方案，具有以下p合米爾頓算子
式中；v中量子位的數(shù)量。量值是以頻率或者能量單位表達(dá)的第
i個(gè)量子位的隧道歲文應(yīng)的速率，或者能量。這些單4立以一個(gè)/z或者 普朗克常數(shù)的因數(shù)成不同比例。量值Si是施加于該量子位的偏置 量，或者等效地說，是在該量子位環(huán)路中的通量的量值。量值A(chǔ)是 第i個(gè)與第j個(gè)量子位之間的耦連的強(qiáng)度。該耦連能量是量子位^ = 之間的互感的一個(gè)函數(shù)。為了編碼該三節(jié)點(diǎn)受抑制環(huán)，該三
個(gè)耦連能量^皮安排為^f吏力2 力3 ^23。
在本方法的一些實(shí)施方案中，^f壬意兩個(gè)鄰接量子位之間的耦連 強(qiáng)度是該互感與這些耦連的量子位中的電流的乘積。該互感是共有 表面積與距離的函數(shù)。兩個(gè)相鄰的量子位之間的共有表面積越大該 互感就越強(qiáng)。兩個(gè)相鄰的量子位之間的距離大該互感就越小。每個(gè)
量子位中的電流是該量子位的約瑟夫遜能量E的函數(shù)。Ej取決于 該量子位內(nèi)中斷該超導(dǎo)環(huán)路的約瑟夫遜結(jié)的類型。電感量計(jì)算可以 使用譬如FASTHENRY的程序進(jìn)行，這是一種數(shù)值三維電感量計(jì)算 禾呈序,由Research Laboratory of Electronics of the Massachusetts Institute of Technology ， Cambridge, Massachusetts免費(fèi)提供。參閱 Kamon等的1994， "FASTHENRY: A Multbole畫Accelerated 3-D Inductance Extraction Program," /￡"￡^ Thms. o" M/crawave 77^or_y awe 7fec/zm々wes， 42， pp. 1750—1758。
動(dòng)/，4ft (^!^,秀i^ 50"初始化i i7。；。圖5A的系統(tǒng)500的 量子位101通過由4吏一個(gè)電流流過<諸能電路的線圈502而垂直于圖 5A的平面施加的^茲場(chǎng)與其環(huán)境相互作用。在動(dòng)作403,通過施加這 才羊一種外,茲場(chǎng)-使系統(tǒng)500 i殳定為以該p合米爾頓算子//。為特征的 一個(gè)初始狀態(tài)。該夕卜部;也施力口的》茲場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)由該口合米爾頓算子限 定的相互作用
式中g(shù)代表一個(gè)外部f茲場(chǎng)的強(qiáng)度。在一些實(shí)施方案中，該外部》茲 場(chǎng)具有的強(qiáng)度使s A或者s J。就是說，該》茲場(chǎng)是在一個(gè)相 對(duì)該，哈米爾頓算子中的其^f也項(xiàng)的一個(gè)大的能量規(guī)才莫上。作為 一個(gè)例 子，對(duì)于尺度為50至IOO平方微米的一個(gè)量子位，該磁場(chǎng)在約10_8 泰斯拉與約10—6泰斯拉之間。在一個(gè)面積為S的持續(xù)電流量子位中
的一個(gè)磁場(chǎng)B的能量按照MKS單位是/2//。 其中p。是4兀
x l(T7 Wb/(A*m) (每安米韋伯)。該》茲場(chǎng)還控制施加于每個(gè)量子 位的偏置s。當(dāng)每個(gè)量子位101產(chǎn)生的通量與該外部磁場(chǎng)對(duì)齊而捕 才足該通量時(shí)系統(tǒng)500處于/7o的該4矣地狀態(tài)|000>。
一旦系統(tǒng)500處于開始狀態(tài)//。的接地狀態(tài)|000〉中，就可以用 之解算通過制定量子位間耦連常數(shù)石更編碼到該系統(tǒng)中的計(jì)算問題。 為了完成這一任務(wù)，以足夠慢從而以引起該系統(tǒng)絕熱地改變的速率 去4卓所施力卩的》茲場(chǎng)。在去4皁該外部施加的初始化》茲場(chǎng)過禾呈中的任意 給定的時(shí)刻，系統(tǒng)500的狀態(tài)由以下p合米爾頓算子"i兌明
其中A是一個(gè)隧道歲丈應(yīng)項(xiàng)，它是由線圏502施力口的偏置s的一個(gè) 函凄t。如前文所述，該偏置s可以由線圈502施加因此半個(gè)通量量
"0 = eS
"=》
子(0.5①。)#:捕凈足在每個(gè)量子^立ioi中4吏得每個(gè)量子位的兩個(gè)穩(wěn)
態(tài)有相同的能量(退化)以實(shí)現(xiàn)理想的量子隧道效應(yīng)。而且，每個(gè) 量子4立可以有相同的總表面積^吏得每個(gè)量子位中的量子隧道效應(yīng)
在相同的時(shí)間開始和停止。作為替代方案，量子位101由線圈502 偏置，因此在每個(gè)量子位中捕捉的通量是0.5Oo的奇數(shù)倍(例如， N.0.5<D0，在此N是1， 2, 3...),因?yàn)榱孔游?01的只又穩(wěn)、態(tài)一夸有相 等的能量并且退化。然而，這種4交高量的捕捉通量可以對(duì)該量子位 中的超導(dǎo)電流的特性有不利的副作用。例如，大量捕4足在量子4立101 中的通量可能徹底熄滅流經(jīng)每個(gè)環(huán)^各的超導(dǎo)環(huán)^各中的超導(dǎo)電流。在 一些實(shí)施方案中，這些量子位由線圈502偏置為在每個(gè)量子位中捕 捉的通量的量值是。N.0.5cD。，其中C在約0.7與約1.3之間，并且 其中N是一個(gè)正整數(shù)。當(dāng)偏置于各對(duì)應(yīng)于通量的半-通量量子時(shí)量 子位101有最好的隧道效應(yīng)。
動(dòng)^"^ 5 r這^Z/'。7趟炎',悉H一 。當(dāng)絕熱地關(guān)斷外部垂直i也施加 的場(chǎng)時(shí)， 一個(gè)問題p合米爾頓算子達(dá)到
<formula>formula see original document page 59</formula>
請(qǐng)注意，不同于瞬時(shí)哈米爾頓算子，該問題哈米爾頓算子不包括包 括隧道效應(yīng)項(xiàng)A。因此當(dāng)系統(tǒng)500達(dá)到該終末問題狀態(tài)時(shí)，每個(gè)對(duì) 應(yīng)的量子位101的量子狀態(tài)不再有隧道效應(yīng)。典型地，該終末狀態(tài) 是其中完全沒有外部磁場(chǎng)施加于量子位101并且因此量子位不再捕 捉通量的狀態(tài)。
動(dòng)Y，^ 7^W量入在407,對(duì)該量子系統(tǒng)進(jìn)4亍測(cè)量。在本系統(tǒng) 戶斤4十乂于的問題中，有/v個(gè)可肯fe的解(000, 001， 010, 100, 011， 110, 101，和111}。測(cè)量涉及確定系統(tǒng)500采取了這/\個(gè)解的哪個(gè)。本 方法一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該解將代表該量子系統(tǒng)的實(shí)際解。
在本方法的 一個(gè)實(shí)施方案中，該絕熱量子計(jì)算的結(jié)果是4吏用各
個(gè)量子位》茲強(qiáng)計(jì)來確定。參見圖5C, —個(gè)用于沖全測(cè)一個(gè)持續(xù)電流 量子位的狀態(tài)的器件517 ^皮置于每個(gè)量子位101附近。然后可以讀 出每個(gè)量子位101的狀態(tài)以確定該接地狀態(tài)/7p。在本方法的一個(gè)實(shí) 施方案中，該用于檢測(cè)該電流量子位的狀態(tài)的裝置是一臺(tái) 517DC-SQUID ^茲強(qiáng)計(jì)、 一個(gè)f茲力顯樣史4竟，或者一個(gè)專用于單個(gè)量 子位101的儲(chǔ)能電^各。每個(gè)量子位101的讀出創(chuàng)建該接地狀態(tài) 的一個(gè)圖像。在本方法的一些實(shí)施方案中，用于讀出該量子位的狀 態(tài)的器件封閉該量子位。例如DC-SQUID磁強(qiáng)計(jì)，類似于圖5C中 的517-7、517-8和517-9或者去于閉一個(gè)持續(xù)電流量子4立，例如101-7、 101-8和101-9,以提高該石茲強(qiáng)計(jì)的讀出4呆真度。
在本方法的 一個(gè)實(shí)施方案中，該絕熱量子計(jì)算的結(jié)果是用在該 量子系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)量子位的臨近區(qū)放置的磁強(qiáng)計(jì)來確定。參見圖5D, 裝置527-1、527-2和527-3是用于檢測(cè)一個(gè)持續(xù)電流量子位的狀態(tài)， 并且分別地置于對(duì)應(yīng)的量子位501-1, 501-2和501-3之旁。然后可 以讀出每個(gè)量子位501的狀態(tài)以確定//尸的接地狀態(tài)。在本方法的 一個(gè)實(shí)施方案中，用于檢測(cè)一個(gè)量子位501的狀態(tài)的裝置是一個(gè) DC-SQUID;茲強(qiáng)計(jì)，專用于一個(gè)量子4立。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，在絕熱量子計(jì)算中使用的這些量 子位501由多個(gè)約瑟夫遜結(jié)耦連。參見圖5D，量子位501-1、 501-2 和501-3通過約瑟夫遜結(jié)533相互耦連。具體地說，約瑟夫遜結(jié) 533-1使量子位501-1耦連到量子位501-2,約瑟夫遜結(jié)533-2使量 子位501-2耦連到量子位501-3，而約瑟夫遜結(jié)533-3使量子位 501-3耦連到量子位501-1。對(duì)于反鐵磁耦連該耦連的符號(hào)是正的， 對(duì)于感性耦連也是如此。由約瑟夫遜結(jié)耦連的持續(xù)電流量子位501 的耦連的能量(強(qiáng)度)可以是約1開爾文。相比之下，在感性耦連 的持續(xù)電流量子位501之間的耦連的能量是約10毫開爾文。在本
方法的一個(gè)實(shí)施方案中，術(shù)語"約"與耦連能量相關(guān)，譬如約瑟夫遜
結(jié)在持續(xù)電流量子位之間介導(dǎo)和感應(yīng)的耦連定義為高達(dá)±500%的
能量的一個(gè)最大變化。兩個(gè)量子位之間的耦連能量正比于， 其中/是流過該量子位的電流，而￡是該耦連約瑟夫遜結(jié)的約瑟 夫遜能量。參見Grajcar等2005， arXiv.org: cond畫mat/0501085。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，絕熱量子計(jì)算中使用的量子位 501具有可調(diào)的隧道效應(yīng)能量。參見圖5D,在這樣一個(gè)實(shí)施方案中， 量子^f立501-1, 501-2和501-3包括裂隙的或者組合的約瑟夫遜結(jié) 528。本文闡述的其他量子位可以〗吏用一個(gè)裂隙結(jié)。組合約瑟夫遜 結(jié)528-1包括在圖5D中所示的一些實(shí)施方案中的量子位501-1 中。而且，組合約瑟夫遜結(jié)528-2包括在量子位501-2中，組合約 瑟夫遜結(jié)528-3包括在量子位501-3中。圖5D中所示的每個(gè)組合 結(jié)528包4舌兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)和在一個(gè)DC-SQUID幾4可中結(jié)構(gòu)中的一 個(gè)超導(dǎo)環(huán)3各。與該量子位的隧道效應(yīng)能量相關(guān)的量子位501的約瑟 夫遜結(jié)Ej的能量是由該環(huán)路提供在對(duì)應(yīng)的組合約瑟夫遜結(jié)528中 的一個(gè)外部磁場(chǎng)來控制?？梢允?28的組合的約瑟夫遜能量從構(gòu)成 約瑟夫遜結(jié)的約瑟夫遜能量的約兩倍調(diào)節(jié)到約為零。用數(shù)學(xué)表達(dá) 為，
其中^x是施加到該組合約瑟夫遜結(jié)的外部通量，而是在該組 合結(jié)中一個(gè)瑟夫遜結(jié)的約瑟夫遜能量。當(dāng)穿過裂隙結(jié)528的磁通是 一個(gè)通量量子的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)的量子位501的隧道效應(yīng)能量是零。 在組合約瑟夫遜結(jié)528中的石茲通可以由一個(gè)全局f茲場(chǎng)來施加。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，量子位501的隧道效應(yīng)〗旦通過向 一個(gè)或者多個(gè)量子位510的組合約瑟夫遜結(jié)528施加一個(gè)通量量子 的一半的一個(gè)通量而纟皮抑制。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中該裂隙結(jié)
環(huán)路取向?yàn)榇怪庇趯?duì)應(yīng)的(相鄰的)量子位501的平面，佳:得施加 于它的通量橫貫于該量子位的場(chǎng)中。
參見圖5，在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，用于絕熱量子計(jì)算的 這些量子^f立既有4失》茲的4禺連也有反4失不茲的耦連。圖5E中的多個(gè)量 子位555是通過4失石茲的以及反4失石茲的耦連來進(jìn)行耦連。具體i也-說， 量子位511-1與511-3之間的耦連，以及量子位511-2與511-4之間 的耦連是鐵磁的，而所有其他的耦連都是反鐵磁的(例如，在量子 位511-1與511-2之間)。該《失萬茲耦連由交叉548-1和548-2所誘導(dǎo)。
參見圖5A，在本方法的一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)500的每個(gè)量 子位101的狀態(tài)不是單個(gè)地讀出。反之，這類實(shí)施方案利用作為整 體的系統(tǒng)500在一個(gè)探測(cè)偏置電流范圍上的能量水平圖的特性曲 線。在這類實(shí)施方案中，當(dāng)系統(tǒng)500達(dá)到i^時(shí)，例如使用包括線 圈502的一個(gè)^"能電路以一個(gè)范圍的偏置電流來^:測(cè)該系統(tǒng)。在測(cè) 量407的過程中施加的偏置電流的范圍上系統(tǒng)500的整體的能量水 平限定了系統(tǒng)500的能量水平特性曲線，該特性曲線是系統(tǒng)500的 狀態(tài)的特4正。而且，如以下更加詳細(xì)地i兌明，系統(tǒng)500在一些實(shí)施 方案中被設(shè)計(jì)為使該系統(tǒng)可能采取的八個(gè)可能的狀態(tài)各自有 一 種 惟一的計(jì)算出的能量特性曲線(例如，惟一的拐點(diǎn)數(shù)量，惟一的曲 率)。在這類實(shí)施方案中，的測(cè)量可以相對(duì)一個(gè)偏置電流的范 圍通過計(jì)算系統(tǒng)500的能量特性曲線來完成。在這類實(shí)施方案中， 系統(tǒng)500的狀態(tài)(例如，001， 010, 100，爭(zhēng))是通過4吏所測(cè)量的 能量特性曲線的計(jì)算出的特點(diǎn)(例如斜率，拐點(diǎn)的數(shù)量等)與對(duì)每 個(gè)可能的解計(jì)算出能量特性曲線的特點(diǎn)(例如，對(duì)001計(jì)算的能量 特性曲線的特點(diǎn)，對(duì)010計(jì)算的能量特性曲線的特點(diǎn)等)相關(guān)聯(lián)而 確定的。當(dāng)根據(jù)本方法來設(shè)計(jì)時(shí)，只有一個(gè)計(jì)算出的能量特性曲線 匹配于測(cè)量出的能量特性曲線，并且這將是對(duì)于找出 一個(gè)受抑制的 環(huán)的接地狀態(tài)或者終末狀態(tài)的問題的解。在本方法的其^f也一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)500的每個(gè)量子^f立101 的狀態(tài)不是個(gè)別地讀出。反之，這類實(shí)施方案利用作為整體的系統(tǒng) 500在一個(gè)探測(cè)偏置電流范圍上的能量水平圖的特性曲線。在這類 實(shí)施方案中，當(dāng)系統(tǒng)500達(dá)到Hp時(shí)，例如使用包括線圈502 (圖 5A)的一個(gè)儲(chǔ)能電路以一個(gè)范圍的偏置電流探測(cè)該系統(tǒng)。系統(tǒng)500 在測(cè)量407的過程中所施加的在偏置電流范圍上總能級(jí)限定了系統(tǒng) 500的能級(jí)特性曲線，該能級(jí)特性曲線是系統(tǒng)500所處狀態(tài)的特征。 而且，如以下更加詳細(xì)地i兌明的那樣，系統(tǒng)500在一些實(shí)施方案中 被設(shè)計(jì)為使該系統(tǒng)可能采取的八個(gè)可能的狀態(tài)的每一個(gè)都以 一個(gè) 惟一的計(jì)算出的能量特性曲線為特征(例如，惟一的拐點(diǎn)數(shù)量，惟 一的曲率)。在這類實(shí)施方案中，/7p的測(cè)量可以涉及相^j"一個(gè)1"扁 置電流的范圍計(jì)算系統(tǒng)500的能量特性曲線，并且然后通過4吏所測(cè) 量的能量特性曲線的這些計(jì)算出的特點(diǎn)(例如斜率，拐點(diǎn)的tt量， 等)與對(duì)每個(gè)可能的解所計(jì)算的能量特性曲線的特點(diǎn)(例如，對(duì)OOl 計(jì)算的能量特性曲線的特點(diǎn)，對(duì)010計(jì)算的能量特性曲線的特點(diǎn)等， 依jt匕類4偉)相關(guān)耳關(guān)而確定系纟克500的習(xí)犬態(tài)(例》口， 001， 010, 100， 爭(zhēng))。當(dāng)根據(jù)本方法的這一實(shí)施方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將只會(huì)有一個(gè)計(jì)算 的能量特性曲線與該測(cè)量的能量特性曲線相匹配，并且這將是一個(gè) 模擬的受抑制的環(huán)的查找接地狀態(tài)的問題的解。
對(duì)于本方法的多個(gè)實(shí)施方案，跨一個(gè)探測(cè)偏置值的范圍的用于 絕熱量子計(jì)算系統(tǒng)的能級(jí)H/>可以相互區(qū)別開。圖7B示出這方面 的一個(gè)例子?？紤]一個(gè)系統(tǒng)500,其中三個(gè)量子位間耦連常凄t的兩 個(gè)是等于5 (力3 = J23 = S)而第三個(gè)等于該量的三倍即《/12 = 3.5。而 且，這些量子位的隧道效應(yīng)速率大約相等，并且在事實(shí)上約等于該 小耦連值5 (例如，~ = 1.1.5; A2 = 5; A3 = 0.9.5),其中.5用標(biāo) 準(zhǔn)化單位。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，5可以是一個(gè)范圍在約100 兆赫至約20千兆赫范圍內(nèi)的值。當(dāng)系統(tǒng)500是以這些隧道效應(yīng)值 和耦連值進(jìn)行配置時(shí)，那么兩個(gè)最低能級(jí)的曲率將會(huì)4皮此不同并且
因此可以用前文所述的阻抗^支術(shù)進(jìn)^亍區(qū)分。在這些阻抗^支術(shù)中，由
系統(tǒng)500中的儲(chǔ)能電^各施加的終末偏置電流是不固定的。反之，它 被調(diào)整為產(chǎn)生圖7B的能級(jí)。確實(shí)，圖7B被描繪成一個(gè)能量E對(duì) 比偏置s的一個(gè)函數(shù)，例如，其中由每個(gè)量子位101所包的面積 相等(例如圖5A的系統(tǒng)500)。該偏置s處于能量單位中并且圖 7B的水平軸具有的刻度是等于△的單位。該偏置對(duì)每個(gè)量子位是 相同的，因?yàn)閬V十于每個(gè)量子4立面積是相同的。作為^j"照，圖7A示 出乂人一個(gè)一犬態(tài)//。向一個(gè)爿犬態(tài)/^絕熱改變過禾呈中不同瞬間時(shí)間的 能級(jí)。
考慮圖7B，本方法的一些實(shí)施方案4吏用通過形狀區(qū)分能級(jí)的 現(xiàn)有技術(shù)，其中作為偏置s的函數(shù)的第一能級(jí)的形狀或者曲率可 以與其^f也能級(jí)區(qū)分開。例如，參閱美國(guó)專利/>開2003/0224944 Al, 題為"超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表征與測(cè)量"，該公報(bào)全文通過引用結(jié)合在此?？?以使用該阻抗讀出技術(shù)讀出該系統(tǒng)500以確定在該受抑制的安排 中的這些量子位的狀態(tài)。如果《/13約等于J23,對(duì)于每個(gè)可能的能級(jí) 的唯一的曲率(解)不發(fā)生顯著改變。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)通過區(qū)分不同能級(jí)(解) 而讀出以識(shí)別該4妻i也4犬態(tài)。在該持續(xù)電流量子4立的一個(gè)例子中，相 移率目前i己錄為2.5凝:秒或者以下。 一旦該系統(tǒng)處于一種狀態(tài) i/尸，該狀態(tài)(例如圖7A和7B的700或者"0 )可以通過{氐頻施 加一個(gè)偏置》茲場(chǎng)局部地:探測(cè)該能級(jí)結(jié)構(gòu)而^皮確定。
諸如圖7B那樣的能級(jí)圖的狀態(tài)可以通過這些曲率和對(duì)應(yīng)能級(jí) 的拐點(diǎn)進(jìn)4亍區(qū)分。兩個(gè)能級(jí)可在該曲率上有一個(gè)不同的符號(hào)，這佳: 得能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行區(qū)分。兩個(gè)能級(jí)可有相同的符號(hào)卻有不同的曲率 幅度。兩個(gè)能級(jí)可有不同數(shù)量的拐點(diǎn)。所有這些都在儲(chǔ)能電路中產(chǎn) 生不同的響應(yīng)電壓。例如，有兩個(gè)拐點(diǎn)的一個(gè)能纟及會(huì)^j"每個(gè)拐點(diǎn)具 有一個(gè)電壓響應(yīng)。該電壓響應(yīng)的符號(hào)對(duì)曲率的符號(hào)相關(guān)聯(lián)。
4刀始能級(jí)和只寸應(yīng)的電壓響應(yīng)的知i口、可以允i午確定出該才妻i也^l犬 態(tài)，條件是已經(jīng)進(jìn)行一些最低能級(jí)電壓響應(yīng)的采樣。因此，在本方
法的一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)不是初始4匕到該初始4^合米爾頓算子 的接地狀態(tài)。反之，該系統(tǒng)被初始化到該系統(tǒng)的一個(gè)受激狀態(tài)，如 750。然后在初始的和終末p合米爾頓算子之間的插值以一個(gè)絕熱的
速率發(fā)生，該速率快于離開狀態(tài)750的松馳速率。在一個(gè)持續(xù)電流 量子位的例子中，該+>馳速率是約1至約10微秒。該接地狀態(tài)將
有一個(gè)更大的曲率以及該系統(tǒng)的能級(jí)的最小數(shù)量的拐點(diǎn)。 通過一黃過交叉和反交叉的7見察和讀出
本節(jié)說明讀出一個(gè)量子系統(tǒng)850的狀態(tài)的^支術(shù)。在一些實(shí)施方 案中，這是通過在單獨(dú)的基礎(chǔ)上讀出量子系統(tǒng)850內(nèi)的每個(gè)量子位 的狀態(tài)來完成的。單獨(dú)的讀出一個(gè)量子系統(tǒng)850中的量子^f立例如可 以通過對(duì)量子系統(tǒng)850內(nèi)的每個(gè)量子位的狀態(tài)采用單獨(dú)的偏置線 或者單獨(dú)的才企查裝置820來完成，如在本節(jié)中所i兌明并且如在圖5B 中所示。在一些實(shí)施方案中，重復(fù)在圖4中所i兌明的整個(gè)處理，并 且在每次重復(fù)的過程中測(cè)量該量子系統(tǒng)850中的不同量子位。在一 些實(shí)施方案中不需要對(duì)量子系統(tǒng)850中的每個(gè)量子位重復(fù)圖4中說 明的處5里。
圖9示出帶有能級(jí)交叉和反交叉的能級(jí)圖的部分。圖9A和 9B可用于說聽在量子系統(tǒng)850中超導(dǎo)量子位的讀出是如何工作的 并且如何進(jìn)行這樣的一次讀出。圖9A和9B將一個(gè)量子位的能級(jí)表 示為施加在該量子位上的一個(gè)外部通量<D的函凄t。在一些實(shí)施方 案中，圖8所示的系統(tǒng)800的各個(gè)方面可以由圖9A和9B表現(xiàn)。 例如，圖8的超導(dǎo)量子位850可以具有圖9中所癥會(huì)的一個(gè)能級(jí)交叉 或者一個(gè)反交叉，在一些實(shí)施方案中它們可以由儲(chǔ)能電路810進(jìn)行 探測(cè)。
圖9A示出帶有一個(gè)反交叉的能^l圖。當(dāng)能級(jí)之間存在一個(gè)隧 道歲文應(yīng)項(xiàng)，或者更力。相ii舌i也i兌有一個(gè)過〉度項(xiàng)時(shí)， 一個(gè)反交叉產(chǎn)生在 一個(gè)量子位的能級(jí)之間。能級(jí)卯9 (4妄地狀態(tài))和919 (受激狀態(tài)) 具有一個(gè)作為施加的磁通量的函數(shù)的雙曲線形狀，帶有在框915內(nèi)
的一個(gè)反交叉，和一個(gè)接近的漸近線914和916。對(duì)于該能級(jí)圖的 △w值是靠近該反交叉的漸近線914和916的斜率的差值。圖9A的 線914和915是臨近一個(gè)交叉的一紐 漸近線的例子。 一個(gè)量子系統(tǒng) 850的一部分、并且由圖9A的通量圖形所-說明的超導(dǎo)量子位具有 一個(gè)計(jì)算基本狀態(tài)|0〉和|1〉。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，其中 該超導(dǎo)量子位是一個(gè)三約瑟夫遜結(jié)量子位，該|0〉和|1〉的計(jì)算基 本狀態(tài)對(duì)應(yīng)于右和左環(huán)流的超導(dǎo)電流(圖1A的102-0和102-1 of 圖1A)。該|0〉和|1〉的計(jì)算基本狀態(tài)示于圖9A中。在由圖9A所 代表的量子位的接地狀態(tài)卯9中，該|0〉基本狀態(tài)對(duì)應(yīng)于退化點(diǎn) 913左邊的區(qū)域910,而|1〉基本狀態(tài)對(duì)應(yīng)于該退化點(diǎn)右邊的區(qū)域 911。在由圖9A所代表的量子位的受激狀態(tài)919中，該|0〉基本狀 態(tài)是在退化點(diǎn)923的右邊的區(qū)域920中，而|1〉基本狀態(tài)對(duì)應(yīng)于退 化點(diǎn)923左邊的區(qū)域921。
才艮才居本方法的一個(gè)實(shí)施方案， 一個(gè)讀出量子系統(tǒng)850內(nèi)的一個(gè) 超導(dǎo)量子位的狀態(tài)的方法涉及4吏用4諸能電^各810在一個(gè)時(shí)間周期上 將一個(gè)范圍的通量施加到該超導(dǎo)量子位上，并且在掃描的過程中沖企 測(cè)耦連到該超導(dǎo)電路的儲(chǔ)能電路特性的變化。在該量子位是一個(gè)超 導(dǎo)通量量子位、 一個(gè)帶有由三約瑟夫遜結(jié)中斷的低電感量L的超導(dǎo) 環(huán)3各的情況下，在掃描過-呈中施加的通量范圍可以在約0.3<D。至 0.7①。。在本方法的一些實(shí)施方案中，該通量掃描是絕熱地進(jìn)行以保 證在過渡期間該量子位保持在其接地狀態(tài)中。在該絕熱掃描的情況 下，儲(chǔ)能電路810 (圖8)檢測(cè)該量子位越過該反交叉的時(shí)間并且 因此在圖4的結(jié)束405時(shí)確定該量子位的量子狀態(tài)。例如，參見圖 9A,如果該量子位是在能級(jí)反交叉915的左邊的結(jié)束405處于接
地狀態(tài)|0〉并且在407期間該通量#:絕熱地增加，那么該^賭能電路 將4企測(cè)反交叉915。另一方面，如果該量子位是在能級(jí)反交叉915 的右邊的結(jié)束405處于接地狀態(tài)|1〉，那么當(dāng)通量增加時(shí)該量子位 將不越過反交叉915并且因此將沒有這樣的反交叉被4企測(cè)到。以此 方式，只有該量子位保持在接地狀態(tài)，所施加的通量掃描可以用于 確定在讀出以前該量子位是處于|0〉還是處于|1〉基本狀態(tài)。
圖9B示出在具有一個(gè)能級(jí)交叉的量子系統(tǒng)850中的一個(gè)量 子4立的能級(jí)圖形。當(dāng)沒有隧il^文應(yīng)項(xiàng)、 一個(gè)最小隧道歲文應(yīng)項(xiàng)、或者 更一般地說被讀出的量子位的能級(jí)之間沒有過渡項(xiàng)時(shí)，能級(jí)交叉出 現(xiàn)在該量子位的能級(jí)之間。這與圖9A相反，在圖9A中由于一個(gè) 隧道效應(yīng)項(xiàng)、或者更一^:地說在這些能級(jí)之間的一個(gè)過渡項(xiàng)，存在 一個(gè)量子位的能級(jí)之間的一個(gè)反交叉。圖9B的能級(jí)950和951部 分地在圖9A的漸近線914和916交叉處。由能級(jí)圖形圖9B表示的 量子位的計(jì)算基本狀態(tài)被標(biāo)出。該|0〉狀態(tài)對(duì)應(yīng)于在交叉960與端 點(diǎn)952之間的整個(gè)能級(jí)950。該|1〉狀態(tài)對(duì)應(yīng)于交叉960與端點(diǎn)953 之間的整個(gè)能級(jí)951。
在端點(diǎn)952和953，對(duì)應(yīng)于能級(jí)的狀態(tài)消失并且該量子^f立的狀 態(tài)落入第一個(gè)可得能級(jí)。如在圖9B中所示，在該|0〉狀態(tài)的情況 下，開始于交叉960,隨著在該量子^f立中的通量①4皮降4氐且該|0〉 狀態(tài)的能量上升，該量子位保持于|0〉狀態(tài)直至達(dá)到端點(diǎn)952,在 該點(diǎn)|0〉狀態(tài)消失。相比之下，如果該量子位處于該|1〉狀態(tài)，那 么開始于交叉960,隨著在該量子^f立中的通量<D凈皮降^f氐，該|1〉狀 態(tài)的能量①逐漸下降。因此，無耦連項(xiàng)的一個(gè)量子位的4于為表現(xiàn) 為滯后的4于為，意p未著在交叉960處該量子4立的^1犬態(tài)取決于在4吏該 通量達(dá)到與交叉960相關(guān)的^直以前該量子位處于什么狀態(tài)。
在;f艮據(jù)本方法的一些實(shí)施方案中，其中一個(gè)超導(dǎo)量子位或者沒 有耦連項(xiàng)或者耦連項(xiàng)小得足以忽略，讀出407 (圖4)涉及掃描施
加到該超導(dǎo)量子位的通量，其量值以及方向被設(shè)計(jì)為以便4企測(cè)交叉
960和端點(diǎn)952及953。該方法利用的事實(shí)是， 一個(gè)儲(chǔ)能電^各可以 通過該量子位的滯后特性檢測(cè)該交叉。這些可測(cè)量的量值是相對(duì)偏 置通量具有不對(duì)稱形狀的儲(chǔ)能電路810的兩個(gè)電壓下降。換言之， 該Y諸能電路810將經(jīng)受在交叉960左邊和右邊的一個(gè)電壓下降，不 i侖該超導(dǎo)量子位處于哪個(gè)能量狀態(tài)。這些電壓下降的每一個(gè)都與量 子系統(tǒng)850的一個(gè)狀態(tài)相關(guān)。
參見圖9B，如果該超導(dǎo)量子位處于該|0〉狀態(tài)，例如處于能 級(jí)950,并且施加到該超導(dǎo)量子位的通量^皮增加，那么量子位的狀 態(tài)將保持為|0〉并且7見察不到電壓下降。類似地，如果超導(dǎo)量子位 處于|1〉狀態(tài)，例如處于能級(jí)951,并且施加到該超導(dǎo)量子位的通 量被減小，那么該量子位的狀態(tài)將保持為ll〉并且^見察不到電壓下 降。
現(xiàn)在考慮超導(dǎo)量子位處于|0〉狀態(tài)，例如，處于能級(jí)950，并 且施加到該超導(dǎo)量子位的通量纟皮減少的情況。在此情況下，該量子 位將保持為|0〉狀態(tài)直到通量被減少到剛好在對(duì)應(yīng)于端點(diǎn)952的點(diǎn) 之前，在該點(diǎn)處由于在端點(diǎn)952的臨近區(qū)能級(jí)950的一個(gè)輕度的曲 率在該儲(chǔ)能電i 各810的電壓中將出現(xiàn)一個(gè)寬的下降。在通量^皮減小 為超過端點(diǎn)952以后，狀態(tài)從|0〉過渡到|1〉因?yàn)闋顟B(tài)|0〉不復(fù)存 在。因此3爭(zhēng)-賭能電3各810的電壓中有一個(gè)急劇的上升。
進(jìn)一步考慮圖8的量子系統(tǒng)850中的一個(gè)量子位處于|1〉狀 態(tài)，例如處于圖9B的能級(jí)950,并且施加到該超導(dǎo)量子位的通量 被增加的情況。在此情況下，該量子位的狀態(tài)將保持為|1〉基本狀 態(tài)直到該通量被增加到剛好在端點(diǎn)953之前，此處由于在端點(diǎn)953 的臨近區(qū)中能級(jí)951的一個(gè)輕度曲率在該儲(chǔ)能電路810的電壓中將 出現(xiàn)一個(gè)寬的下降。當(dāng)通量被增加為超過端點(diǎn)953以后，狀態(tài)過渡 到|0〉狀態(tài)，并且^f諸能電i 各810的電壓中有一個(gè)急劇的上升。
讀出信號(hào)的形式
才艮據(jù)本方法的一些實(shí)施方案，圖10描繪了讀出信號(hào)的形式的 例子，例3口，通過測(cè)量一個(gè)量子系統(tǒng)850中的一個(gè)超導(dǎo)量子4立或者 多個(gè)超導(dǎo)量子位得出的儲(chǔ)能電路810的電壓下降。圖IOA示出一個(gè) 超導(dǎo)量子位的讀出信號(hào)的形式，該超導(dǎo)量子位包括兩個(gè)能級(jí)之間的 一個(gè)反交叉(圖9A)。圖10B示出一個(gè)超導(dǎo)量子^f立的讀出信號(hào)的 形式，該超導(dǎo)量子位包括兩個(gè)能級(jí)之間的一個(gè)交叉(圖9B)。圖 10A和10B描出一個(gè)儲(chǔ)能電^各對(duì)該量子位中的附加通量<DA的電 壓響應(yīng)。
圖10A中的電壓下降1010和1020與^立于平# 點(diǎn)1030右邊和 左邊的一個(gè)反交叉相關(guān)。根據(jù)圖9A的慣例，電壓下降1010和1020 對(duì)于所測(cè)量的量子位分別在|0〉和|1〉狀態(tài)。采用圖9A的慣例， 圖10A中所示的圖形描繪了兩個(gè)測(cè)量結(jié)果。如果觀察到下降IOIO, 這表明該量子位處在該|0〉狀態(tài)。如果只見察到下降1020,這表明該 量子位處在該|1〉狀態(tài)。為了展示目的兩個(gè)下降均畫出，但是一般 情況下只會(huì)觀察到 一 個(gè)。所屬領(lǐng)域的普通#支術(shù)人員會(huì)理解為狀態(tài) |0〉和|1〉分配標(biāo)號(hào)"O"和"l"是隨機(jī)的，并且在該超導(dǎo)量子位中環(huán) 流電流的方向是受測(cè)量的實(shí)際物理量。另外，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員可以對(duì)本方法的任何所述實(shí)施方案的物理狀態(tài)做出這樣的標(biāo) 注。
圖10B也是一個(gè)示波器的輸出波形。比起圖10A,圖形10B 3夸過一個(gè)更寬范圍的附加通量①A。由沿水平軸每個(gè)通量量子的特;f正
的重復(fù)顯示出受測(cè)量子位的周期特性-f亍為。在該圖中的一個(gè)電壓下 降由1015表示并》于應(yīng)于在一個(gè)未限定的^1犬態(tài)，它是一個(gè)平4lf點(diǎn)。 在圖10B還可以看到的是代表受測(cè)量子位的一個(gè)能級(jí)交叉的電壓 下降。該曲線圖示出下降1025和1035，帶有滯后特性的i兌明性跡 象-在一邊寬而在另一個(gè)邊有一個(gè)急劇上升的電壓下降。隨著通量
被施加于該量子位，上述兩邊的特性掉換位置。滯后特性是一個(gè)術(shù) 語，它用于說明 一個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)不只取決于其現(xiàn)狀還取決于其以往
的歷史。滯后特性示被顯示為圖IOB中所示的儲(chǔ)能電路810中的下 降。在圖10B中所展示的掃描中在特定點(diǎn)處的行為取決于該通量是 否尋皮增加還是減少。所屬領(lǐng)域的普通^支術(shù)人員會(huì)理解該行為i正明了 滯后特性并且因此i正明存在一個(gè)能級(jí)交叉(例如圖9B的交叉 960)。例如，參閱美國(guó)專利公開US 2003/0224944 Al,題為"超導(dǎo) 結(jié)構(gòu)的表征與測(cè)量"，其全文通過引用結(jié)合在此。參見圖10B,該量 子4立于讀出之前所處的習(xí)犬態(tài)是由電壓下降1025和1035相只于于平衡-點(diǎn)的4立置確定的。根據(jù)圖9B的慣例，如果電壓下降1025和1035 在該平4軒點(diǎn)的左邊，那么該量子位在讀出之前是處于|1〉基本狀 態(tài)，而如果該電壓下降在該平4耔點(diǎn)的右邊，那么該量子位是處于|0〉 基本狀態(tài)。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解為狀態(tài)|0〉和|1〉指定 標(biāo)志"0"和"1"是隨機(jī)的，并且在該超導(dǎo)量子位中環(huán)流的電流的方向 是受測(cè)量的實(shí)際物理。
該讀出(圖4的407)的4呆真度受發(fā)生Landau-Zener過渡的限 制。 一個(gè)Landau-Zener是跨過圖9A中所示的反交叉的能量狀態(tài)之 間的一種過渡。所屬領(lǐng)域的普通4支術(shù)人員會(huì)理解^U又發(fā)生 Landau-Zener過〉度不是傳達(dá)在讀出以前一個(gè)量子<立^1犬態(tài)的4言息所必 需的，尤其是在絕熱讀出處理中。這種過渡的準(zhǔn)確的形式和相位傳 送了這種狀態(tài)信息。4吏用圖8中所示的裝置， 一個(gè)Landau-Zener過 渡將會(huì)在示波器屏幕上顯現(xiàn)成一個(gè)寬的、短下降。然而只有在發(fā)生 的讀出處理(經(jīng)一個(gè)施加的通量范圍的掃描)是絕熱的時(shí)，發(fā)生一 個(gè)Landau-Zener過渡才是有用的。這些可以是絕熱的處理是對(duì)于小 凄欠量的量子位的讀出處理的某些實(shí)施方案。
總體上，并且尤其是在絕熱量子計(jì)算的絕熱演算過程中(圖4 的過渡404)，可能不允i午發(fā)生一個(gè)Landau-Zener過渡。在一些讀出
實(shí)施方案(407)中如果這才羊的的讀出處理是絕熱的，發(fā)生一個(gè) Landau-Zener過^度只于量子系統(tǒng)850 (圖8)的一些配置是有用的。 Landau-Zener過渡在圖4的動(dòng)作401、 403、 404和405的過程中可 能不會(huì)發(fā)生，并且事實(shí)上在動(dòng)作404中發(fā)生這才羊的一個(gè)過渡的纟既率 起的作用是限制該量子系統(tǒng)850可以絕熱地從//。演算到/// 的時(shí) 間。
本方法的一個(gè)實(shí)施方案采用一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路的技術(shù)來保證在 絕熱演算4(M(圖4)的過程中不發(fā)生Landau-Zener過渡。在該反々赍 :技術(shù)中， 一個(gè)絕熱量子計(jì)算才幾的用戶觀察乂人進(jìn)行絕熱演算的一個(gè)或 者多個(gè)超導(dǎo)量子位的讀出。如果過快地4妾近一個(gè)反交叉，耦連到量 子系統(tǒng)850的(圖8) 儲(chǔ)能電路810將表現(xiàn)出一個(gè)電壓下降。作 為回應(yīng)，該用戶(或者一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng))可以重復(fù)圖4中所示的全部 處理，但是在404的過程中以較慢的速率使得演算404保持為絕熱 的。該過禾呈允許絕熱演算以可變的速率發(fā)生，同時(shí)具有一個(gè)4交短的 持續(xù)時(shí)間，并且保持一個(gè)絕熱處理。
在本方法的一些實(shí)施方案中，對(duì)于相位信號(hào)，^諸能電^各響應(yīng)的 幅度改變X的范圍在約0.01纟瓜度到約6弧度。在本方法的一些實(shí)施 方案中，對(duì)于幅度信號(hào)，儲(chǔ)能電i 各響應(yīng)的幅度變化tan Oc)的范圍 在約0.02樣"犬OV)至約1 nV。
纟色熱讀出
本方法的一些實(shí)施方案可以利用一種絕熱處理在測(cè)量407的過 程中讀出該超導(dǎo)量子位的狀態(tài)。附加通量Oa和rf通量Orf被加 到該超導(dǎo)量子位上并且々艮據(jù)上述的絕熱處理進(jìn)^于調(diào)制。在一個(gè)附加 通量于^f諸能電^各810的電壓中產(chǎn)生一個(gè)下降并且該附加通量超過達(dá) 到該量子位的平衡點(diǎn)所需通量的量值的情況下，根據(jù)圖9B的慣例， 該量子位被視為在測(cè)量407開始時(shí)已經(jīng)處于該|0〉量子狀態(tài)。反之，在一個(gè)附加通量于^f諸能電路810的電壓中產(chǎn)生一個(gè)下降并且該附加 通量小于達(dá)到該量子位的平衡點(diǎn)所需通量的量值的情況下，根據(jù)圖 9B的慣例，該量子4i^皮^L為在測(cè)量407開始時(shí)已經(jīng)處于該|1〉狀 態(tài)。該電壓下降與該能級(jí)相對(duì)于通量或者其他量子位的其他參凄史的 二階導(dǎo)數(shù)成正比。因此，該下降發(fā)生在該能級(jí)的曲線最大的反交叉 960處或者周圍。在讀出該超導(dǎo)量子位狀態(tài)以后，通過絕熱地去除 該量子位中的附加的通量，使該量子位恢復(fù)到根據(jù)的原來狀態(tài)。 該讀出的結(jié)果記錄成407的一部分。在一些實(shí)施方案中，此類讀出 的絕熱性質(zhì)不改變?cè)摮瑢?dǎo)量子^f立的狀態(tài)。
重復(fù)讀出
本方法的一些實(shí)施方案可以采用重復(fù)的絕熱處理讀出量子系 統(tǒng)850的多個(gè)超導(dǎo)量子位的狀態(tài)(圖8)。這類實(shí)施方案通過相繼 讀出每個(gè)超導(dǎo)量子位的狀態(tài)來工作。在量子系統(tǒng)包括多個(gè)量子位的 一些實(shí)施方案中，以一種相繼的方式獨(dú)立i也讀出該多個(gè)量子4立中的 每個(gè)量子位，因此當(dāng)該量子系統(tǒng)850中該多個(gè)量子位中的任意給定 量子位#1讀出時(shí)該量子系統(tǒng)中所有其他量子位則不浮皮讀出。在該量 子系統(tǒng)中的其他量子位不^皮讀出時(shí)一個(gè)被讀出的量子位在本節(jié)中 一皮稱為一個(gè)靶標(biāo)量子位。
在一些實(shí)施方案中，量子系統(tǒng)850中的每個(gè)量子位(圖8)被 絕熱地讀出，因此不改變量子系統(tǒng)中每個(gè)其余的量子位的量子狀 態(tài)。在一些實(shí)施方案中，在任4可給定的乾標(biāo)量子位的讀出處理407 的過程中，不改變所有量子位的狀態(tài)，不論是靶標(biāo)量子位還是其他 量子位。該靶標(biāo)量子位的狀態(tài)被臨時(shí)地翻轉(zhuǎn)，但是通過絕熱地去除 該耙標(biāo)量子位中的附加的通量， -使該量子位恢復(fù)到其原來的狀態(tài)。 這對(duì)絕熱計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度基于量子系統(tǒng)850中的量子位的數(shù)量而造 成一個(gè)相乘因數(shù)。然而，任意單個(gè)的相乘因數(shù)都使總絕熱計(jì)算時(shí)間
多項(xiàng)式保持相對(duì)于量子位的數(shù)量。在一些實(shí)施方案中，量子系統(tǒng)
850包4舌兩個(gè)或者更多的量子^f立。
在測(cè)量過程中對(duì)量子位進(jìn)行偏置
作為測(cè)量407的一部分，量子系統(tǒng)850的多個(gè)量子位中的每 個(gè)量子位偏置(當(dāng)它是靶標(biāo)量子位時(shí))均受到偏置。可以通過在該 量子位近處的偏置線施加用于偏置的》茲場(chǎng)。用于偏置該量子^f立的電 流耳又決于該量子^[立與偏置線之間的互感。在本方法的一些實(shí)施方案 中，用于偏置該量子位的電流具有的數(shù)值在約0毫安與約2毫安之 間，包含端值。這里，術(shù)語"約"是指所陳述的值±20%。在這類實(shí) 施方案中，選擇量子系統(tǒng)850內(nèi)的一個(gè)耙標(biāo)量子位。使附加通量 ①a和rf通量O)rf加到該靶標(biāo)量子位上，并且按照以上說明的絕 熱讀出處理進(jìn)行調(diào)制。在這樣的情況下，當(dāng)在儲(chǔ)能電^各810中產(chǎn)生 一個(gè)電壓下降的附加通量高于與該量子位平4軒點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的通量的 量值時(shí)，才艮據(jù)圖9的慣例，該量子位被^L為在測(cè)量407開始時(shí)已經(jīng) 處于該|0〉狀態(tài)。類似地，當(dāng)在^諸能電路810中產(chǎn)生一個(gè)電壓下降 的附加通量低于與該量子位平衡點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的通量的量值時(shí)，根據(jù)圖 9的慣例，該量子位祐:一見為在測(cè)量407開始時(shí)已經(jīng)處于該|1〉狀態(tài)。 讀出該輩巴標(biāo)量子位的狀態(tài)以后，將該輩巴標(biāo)量子位恢復(fù)到測(cè)量以前該 量子^f立所處的狀態(tài)。該讀出i己錄在向量6中作為407的一部分。刈-該多個(gè)量子位中的一個(gè)新的耙標(biāo)量子位重復(fù)該處理一直到讀出了 所有的量子位。在一些實(shí)施方案中，在選擇一個(gè)新耙標(biāo)時(shí)，將一個(gè) 隨機(jī)選取的偏置施加到舊耙標(biāo)量子位上。耙標(biāo)量子位次序和運(yùn)行該 計(jì)算的隨才幾化有助于避免誤差。此類讀出的絕熱性質(zhì)典型地不翻轉(zhuǎn) 該靶標(biāo)量子位的狀態(tài)，也不翻轉(zhuǎn)該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的任何超導(dǎo)量 子位的狀態(tài)。
近似估算4支術(shù)的應(yīng)用
由于問題的大小作為在絕熱計(jì)算中使用的量子位的數(shù)目的一 個(gè)函凄t成指凄U也增加， 一個(gè)瞬時(shí)P合米爾頓算子//(t)的詳細(xì)準(zhǔn)確的 計(jì)算可能是難以控制的。因此，作為對(duì)該交叉和反交叉的位置的最 佳猜測(cè)近似估算4支術(shù)是有用的。據(jù)此，本方法的一些實(shí)施方案采用
一種近似估算方法來定位量子系統(tǒng)850中這些量子位的通量或者 能量譜的反交叉。如此辦理減少了用附加通量探測(cè)反交叉和交叉所 需要的時(shí)間。
在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，在讀出過#呈中將集體地7>知為隨 才幾矩陣?yán)韎侖 (RMT)的才支術(shù)應(yīng)用于分沖斤量子絕熱算法。參見Brody 等人，1981,Mod 53 ， p. 385。
在本方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，自^走密度泛函理;侖 (SDFT) -陂用作一種近似估算方法來定位該系統(tǒng)的能量交叉。于是可以4吏用 通過附加通量的能量譜、探測(cè)來定位交叉和反交叉并且進(jìn)4于超導(dǎo)量 子位狀態(tài)的讀出。
在本方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，該近似估算技術(shù)包括一種經(jīng)典 的近似算法以便解NP-難題問題。當(dāng)有一個(gè)要求解問題的一個(gè)特定 情況時(shí)，該問題被映射到用于解該NP-難題問題的量子位的一個(gè)說 明上。該過程涉及找出由該量子計(jì)算才幾求解的問題的一個(gè)近似算法 并且運(yùn)行該近似算法。然后使用曾用于編碼該NP-難題問題的情況 的映射將該近似解映射到該量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)。這就提供了對(duì)這些 超導(dǎo)量子位狀態(tài)的一個(gè)良好的估算并且降低了對(duì)探測(cè)交叉和反交 叉的能級(jí)的要求。這樣一種映射典型地涉及i殳定用于求解該NP-難 題問題的量子位之間的耦連能量，使得這些量子位近似地代表要求 解的問題。對(duì)于可用于本方法的近似算法的例子，參見Goemans和 Williamson, ".878-approximation算法for MAX CUT and MAXAe 77^or_y o/ Com/ wdwg, pages 422-431， Montreal, Qu6bec, Canada^ 23-25 May 1994。
用電荷量子位的絕熱量子計(jì)算
根據(jù)本方法的一個(gè)方面，超導(dǎo)電荷量子位可以用在絕熱量子計(jì) 算裝置中(例如，在量子系統(tǒng)850中)。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案 中，電容性耦連的超導(dǎo)電荷量子位可以用于絕熱量子計(jì)算。在本方 法的一個(gè)實(shí)施方案中，這些電荷量子位有一個(gè)固定的或者可調(diào)節(jié)的 隧道效應(yīng)項(xiàng)。在本方法的一個(gè)實(shí)施方案中，電荷量子位之間的耦連 有一個(gè)固定或者可調(diào)節(jié)的符號(hào)和/或耦連的幅度。本方法的一些實(shí)施 方案是在一個(gè)稀釋制冷機(jī)中工作，其中溫度是約10毫開爾文與4.2 開爾文之間。
4義表性系統(tǒng)
圖11示出一個(gè)系統(tǒng)1100，該系統(tǒng)4艮據(jù)本方法的一個(gè)實(shí)施方案 運(yùn)行。系統(tǒng)IIOO包括至少一個(gè)數(shù)字(二進(jìn)制，常規(guī)的)接口計(jì)算機(jī) 1101。計(jì)算機(jī)1101包括標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)部件，它們包括至少一個(gè)中央 處理單元1110,內(nèi)存1120，非易失存儲(chǔ)器，譬如盤存儲(chǔ)裝置1115。 內(nèi)存和存儲(chǔ)裝置兩者都用于存儲(chǔ)程序模塊和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)1101 進(jìn)一步包括輸入/輸出裝置1111，控制器1116和相互連接上述部件 的一個(gè)或者多個(gè)總線1117。用戶輸入/llT出裝置1111包括一個(gè)或者 多個(gè)用戶輸入/輸出部件譬如一個(gè)顯示器1112，鼠標(biāo)1113，和/或鍵 盤1114。
系統(tǒng)1100進(jìn)一步包括一個(gè)絕熱量子計(jì)算裝置1140,它包括以 上顯示的那些絕熱量子計(jì)算裝置。絕熱量子計(jì)算裝置1140的示例 包括，但是不限于， 圖1的裝置101;圖5的500， 510, 525，
535,和555;以及圖8的800。絕熱量子計(jì)算裝置的這些例子的清 單是非限制性的，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可會(huì)認(rèn)識(shí)到適用于1140 的其他裝置。
系統(tǒng)1100進(jìn)一步包括一個(gè)讀出控制系統(tǒng)1160。在一些實(shí)施方 案中，讀出控制系統(tǒng)1160包括多個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，或者靜電計(jì)，其中每 個(gè)》茲強(qiáng)計(jì)或者靜電計(jì)都分別電感性地或者電容性i也耦連到量子計(jì) 算裝置1140中的一個(gè)不同的量子位上。在這類實(shí)施方案中，控制 器1116通過一個(gè)讀出控制系統(tǒng)1160從讀出裝置1160中的每個(gè)磁 強(qiáng)計(jì)或者靜電計(jì)接收一個(gè)信號(hào)。系統(tǒng)1100可任選包括用于量子計(jì) 算裝置1140中的這些量子位的一個(gè)量子位控制系統(tǒng)1165。在一些 實(shí)施方案中，量子位控制系統(tǒng)1165包4舌一個(gè)》茲場(chǎng)源或者電場(chǎng)源， 它分別電感性地耦連或者電容性地耦連到量子計(jì)算裝置1140中的 一個(gè)量子^f立上。系統(tǒng)1100可4壬選包括一個(gè)耦連裝置控制系統(tǒng)1170 以控制絕熱量子計(jì)算裝置1140中的量子位之間的耦連。
在一些實(shí)施方案中，內(nèi)存1120包括凄t個(gè)才莫塊和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。應(yīng) 理解在系統(tǒng)的工作的任何時(shí)間，存儲(chǔ)在內(nèi)存1120中的全部或者一 部分模塊和/或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是停留在一個(gè)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)中 并且全部或者一部分模塊和/或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是存儲(chǔ)在一個(gè)非易失的存 儲(chǔ)裝置1115中。另夕卜，盡管內(nèi)存1120，包括非易失存儲(chǔ)器1115， 在圖中示出為裝在計(jì)算才幾1101之內(nèi)，本方法卻不受此限制。內(nèi)存 1120是裝在計(jì)算機(jī)1101內(nèi)的任何存儲(chǔ)器，或者是裝在一個(gè)或者多 個(gè)外部的數(shù)字計(jì)算機(jī)(未示出)中，它們可以由數(shù)字計(jì)算機(jī)1101跨 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(例如一個(gè)廣域網(wǎng)譬如互聯(lián)網(wǎng))進(jìn)行尋址。
在一些實(shí)施方案中，內(nèi)存1120包括一個(gè)操作系統(tǒng)1121。操作 系統(tǒng)1121包括處理不同系統(tǒng)服務(wù)(譬如文件服務(wù))以及用于執(zhí)行 取決于硬件的任務(wù)的例程。在本方法的一些實(shí)施方案中，存儲(chǔ)在系 統(tǒng)內(nèi)存1120中的程序和數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括一個(gè)絕熱量子計(jì)算裝置4妄
口模塊1123,它用于在一個(gè)絕熱量子計(jì)算裝置上限定和執(zhí)行要求解 的問題。在一些實(shí)施方案中，內(nèi)存1120包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器模塊1127。 驅(qū)動(dòng)器模塊1127包括用于接口和處理到計(jì)算機(jī)1101的不同外圍單 元的例程，譬如控制器1116和控制系統(tǒng)1160,量子位控制系統(tǒng) 1165，耦連裝置控制系統(tǒng)1170,以及絕熱量子計(jì)算裝置1140。在 本方法的一些實(shí)施方案中，存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存1120中的程序和數(shù)據(jù) 進(jìn)一步包括一個(gè)讀出模塊1130,它用于解釋來自控制器1116和控 制系統(tǒng)1160的凄t據(jù)。
控制器1116的功能性可以劃分成兩個(gè)功能性類別凄t據(jù)采集 和控制。在一些實(shí)施方案中， -使用了兩種不同的芯片處理每個(gè)這些 離散的功能類別。數(shù)據(jù)采集可以用于在完成絕熱演算以后測(cè)量絕熱 量子計(jì)算裝置1140中的量子位的物理特性?？梢浴嚼粲萌魏纹鄑量的 用戶定制的或者市售數(shù)據(jù)釆集微控制器，包括，但是不限于，由Elan Digital Systems (Fareham， UK) 公司制造的數(shù)據(jù)采集卡，包括， ^f旦不P艮于，AD132、 AD136、 MF232、 MF236、 AD142、 AD218和 CF241卡。在一些實(shí)施方案中，It據(jù)采集和控制由單個(gè)類型的樣吏處 理器來處理，譬如由ElanD403C或者D480C處理。在一些實(shí)施方 案中，存在多個(gè)接口卡1116,以便對(duì)一個(gè)計(jì)算1140中的量子位提 供足夠的控制并且測(cè)量在1140上的一個(gè)絕熱量子計(jì)算的結(jié)果。
結(jié)束語
在介紹本方法的要素或者其實(shí)施方案時(shí)，冠詞"一種""一個(gè)" "該"和"所述"旨在表示存在一個(gè)或者多個(gè)這些要素。術(shù)語"包括"
他要素。另外，術(shù)語"約"用于描述確切的參數(shù)。在多個(gè)情況中，為 術(shù)語"約"提供了確切的范圍。然而在本文中當(dāng)對(duì)于術(shù)語"約"的特定 使用沒有提供確切范圍時(shí)，可以使用兩個(gè)定義中的一個(gè)。在第一定 義中，術(shù)語"約"是所屬領(lǐng)域的普通4支術(shù)人員對(duì)由該值代表的物理參
凄史將會(huì)預(yù)期的凄t值的典型范圍。例如，關(guān)于一個(gè)特定值的一個(gè)典型 的取j直范圍可以定義為在測(cè)量或》見察該特定值所4戈表的物理參凄t 中所能預(yù)期的典型誤差。在約的第二個(gè)定義中，術(shù)語"約"是指所述
值與所述值的±0.10。在本文中使用時(shí)，術(shù)語"情況"指的是執(zhí)行一
個(gè)動(dòng)作。例如，在一個(gè)多動(dòng)作方法中，可以重復(fù)一個(gè)具體的動(dòng)作。 每次重復(fù)該動(dòng)作在本文中#:稱為該動(dòng)作的一個(gè)"情況"。
本文陳述的所有參引文件，包括但是不限于2004年3月29日 才是交的美國(guó)專利申i青60/557,748; 2004年7月13日提交的 60/588,002;和2006年1月27提交的6(V762，619;和2005年3月 28日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)7>開號(hào)2005/0224784Al,題為"利用超導(dǎo) 量子位的絕熱量子計(jì)算"、20005年3月28日提交的美國(guó)專利7>開 號(hào)2005/0250651 Al,題為"利用超導(dǎo)量子位的絕熱量子計(jì)算"，和 2005年3月28日提交的美國(guó)專利公開2005/0256007 Al,題為"利 用超導(dǎo)量子位的絕熱量子計(jì)算"，均通過引用全文結(jié)合在此，并且 對(duì)于所有的目的在同等的程度上如同每個(gè)單獨(dú)的7>開或者專利或 者專利申請(qǐng)都是確切地并且單獨(dú)地為了所有的目的通過引用而全 文結(jié)合在本申i青中。
替代實(shí)施方案
本方法可以實(shí)施為一種計(jì)算才幾程序產(chǎn)品，該計(jì)算枳』程序產(chǎn)品包 4舌嵌入在一個(gè)計(jì)算才幾可讀的存^^某體中的一種計(jì)算枳4呈序枳J里。例 如，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可含有實(shí)施本文所描述的不同方法的程序模 塊，譬如在圖11中所示的那些程序才莫塊。這些程序才莫塊可以存儲(chǔ) 在一個(gè)CD-ROM、 DVD、 ^磁盤存^f諸產(chǎn)品，或者4壬4可其他的計(jì)算才幾 可讀的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)產(chǎn)品上。該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中的這些軟件模 件業(yè)可以經(jīng)互連網(wǎng)或者其他方式，通過在一種載波上的計(jì)算枳4t據(jù) 信號(hào)(該軟件模件嵌入該信號(hào)中)的傳輸來進(jìn)行電子分發(fā)。
所屬領(lǐng)域的普通4支術(shù)人員會(huì)理解盡管本文主要地討i侖了超導(dǎo) 通量量子位，然而超導(dǎo)電荷量子位、超導(dǎo)相4立量子位、超導(dǎo)混合量 子位、量子點(diǎn)、捕獲的離子、捕獲的中性原子、用核自旋形成的量 子位、以及光子量子位都可以用于制造能夠?qū)嵺`所說明的方法的量 子系統(tǒng)。
同樣，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解還可以通過用
dc-SQUIDs或者說磁力顯孩史鏡(MFM)代替廣泛討論的儲(chǔ)能電路來 完成一個(gè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)的讀出。
對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員清楚的是，可以進(jìn)行本方法多種 ^奮改和改變而無須偏離其精神和范疇。在此i兌明的一些具體實(shí)施方 式僅以舉例的方式給出，并且本發(fā)明只受所附的權(quán)利要求的條件以 及這些權(quán)利要求享有的等效物的全部范圍的限制。
權(quán)利要求
1.使用包括多個(gè)超導(dǎo)量子位的一種量子系統(tǒng)進(jìn)行絕熱量子計(jì)算的一種方法，其中，該量子系統(tǒng)能夠在任何給定的時(shí)間處于至少兩個(gè)量子配置中的任一個(gè)，該至少兩個(gè)量子配置包括:一個(gè)第一配置，該第一配置由具有一個(gè)第一狀態(tài)的一個(gè)初始化哈米爾頓算子HO所說明；和一個(gè)第二配置，該第二配置由具有一個(gè)第二狀態(tài)的一個(gè)問題哈米爾頓算子HP所說明；該方法包括:將該量子系統(tǒng)初始化為該第一配置；演算該量子系統(tǒng)，其中該演算的至少一部是絕熱地進(jìn)行演算，由此實(shí)現(xiàn)一種絕熱演算，其中在該絕熱演算的過程中該量子系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)的特征為一個(gè)演算哈米爾頓算子H，直到它由該問題哈米爾頓算子HP的第二狀態(tài)說明為止，并且其中該演算哈米爾頓算子H包括具有至少一個(gè)反交叉的一個(gè)能量譜，并且其中絕熱地演算該量子系統(tǒng)包括在該時(shí)間間隔中通過改變?cè)摿孔酉到y(tǒng)的至少一個(gè)參數(shù)來增加該至少一個(gè)反交叉中的一個(gè)反交叉的能隙大??；并且讀出該量子系統(tǒng)的狀態(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè) 對(duì)應(yīng)第 一超導(dǎo)量子位都^皮安排為對(duì)應(yīng)于在該多個(gè)超導(dǎo)量子位 中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)量子位，因此該第 一超導(dǎo)量子位與該 對(duì)應(yīng)的第二超導(dǎo)量子位限定一個(gè)預(yù)定的耦連強(qiáng)度，并且其中在 該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè)第 一超導(dǎo)量子位與對(duì)應(yīng)的第二超 導(dǎo)量子位之間的預(yù)定的耦連強(qiáng)度集體地限定一個(gè)求解的計(jì)算 問題的至少一個(gè)4卩分。
3. 如4又利要求1所述的方法，其中該問題p合米爾頓算子/fP包 括對(duì)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中每個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)隧道歲文應(yīng) 項(xiàng)，并且其中對(duì)于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中每個(gè)超導(dǎo)量子位的隧道 效應(yīng)項(xiàng)的能量是低于該多個(gè)超導(dǎo)量子位中每個(gè)第 一超導(dǎo)量子 位與第二超導(dǎo)量子位之間的這些預(yù)定的耦連強(qiáng)度的一組絕對(duì) 值的一個(gè)平均值。
4. 如^又利要求1所述的方法，其中該讀出包4舌對(duì)于該多個(gè)超導(dǎo)量 子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位的至少一個(gè)超導(dǎo)量子位探測(cè)至少一 個(gè)ctx Pauli矩陣算子或者ciz Pauli矩陣算子的至少一個(gè)可，見測(cè)項(xiàng)。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中一個(gè)儲(chǔ)能電路是與該多個(gè)超導(dǎo) 量子位中的至少一部分超導(dǎo)量子位處于電感性聯(lián)通，并且其中 該讀出包括測(cè)量跨過該儲(chǔ)能電路的一個(gè)電壓。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該讀出包括測(cè)量該量子系統(tǒng)的 一個(gè)阻抗。
7. 如4又利要求1所述的方法，其中該讀出包4舌確定在該多個(gè)超導(dǎo) 量子^立中的至少 一個(gè)超導(dǎo)量子位的狀態(tài)。
8. 如—又利要求7所述的方法，其中該讀出包括對(duì)該超導(dǎo)量子4立的 一個(gè)接地狀態(tài)與該超導(dǎo)量子位的 一個(gè)受激狀態(tài)進(jìn)行區(qū)別。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的至少一 個(gè)超導(dǎo)量子位是選自由一個(gè)持續(xù)電流量子位和一個(gè)超導(dǎo)通量 量子^f立所纟且成的纟且。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中該讀出包括將該超導(dǎo)量子^f立的 一種量子狀態(tài)測(cè)量為存在或者不存在一個(gè)電壓中的至少一個(gè)。
11. 如4又利要求1所述的方法，其中該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的至少一 個(gè)超導(dǎo)量子位在該量子系統(tǒng)處于該第一配置時(shí)能夠在一個(gè)第 一穩(wěn)態(tài)與 一個(gè)第二穩(wěn)態(tài)之間具有隧道效應(yīng)。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的至少一 個(gè)超導(dǎo)量子位在演算的過程中能夠在一個(gè)第一穩(wěn)態(tài)與一個(gè)第 二穩(wěn)、態(tài)之間具有隧道效應(yīng)。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該演算發(fā)生在1納秒與大約 100孩i秒之間的 一 個(gè)時(shí)間周期中。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該初始化包括在垂直于由該多 個(gè)超導(dǎo)量子位定義的一個(gè)平面的一個(gè)向量的方向上向該多個(gè) 超導(dǎo)量子位施加一個(gè)》茲場(chǎng)。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該初始化包括對(duì)該多個(gè)超導(dǎo)量 子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位施加一個(gè)石茲偏置并且4妾照一 個(gè)預(yù)定的耦連強(qiáng)度將該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)的第 一超導(dǎo)量子位耦連到該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二 超導(dǎo)量子位。
16. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)參數(shù)是一個(gè)耦連強(qiáng) 度，該耦連強(qiáng)度在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中介導(dǎo)一個(gè)第一超導(dǎo)量子 位與 一個(gè)第二超導(dǎo)量子位之間的耦連。
17. 如斥又利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)參凄t是對(duì)于該多個(gè) 超導(dǎo)量子位中的至少一個(gè)超導(dǎo)量子位的一種單獨(dú)的偏置。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)參數(shù)是施加在該多 個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位上的一個(gè)通量偏置強(qiáng)度，并 且其中該通量偏置的強(qiáng)度在該絕熱演算的過程中4皮改變。
19. 如4又利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)參凄t包括施力口在該 多個(gè)超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位上的一個(gè)電荷偏置強(qiáng)度， 并且其中該電荷偏置在該絕熱演算的過禾呈中通過改變?cè)撾姾?偏置的強(qiáng)度而^皮改變。
20. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)參數(shù)包括對(duì)于該多 個(gè)超導(dǎo)量子4立中的一個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)隧道-丈應(yīng)項(xiàng)，并且其 中該隧道歲文應(yīng)項(xiàng)在該絕熱演算的過程中通過調(diào)節(jié)7十于i亥超導(dǎo) 量子^f立的一個(gè)約瑟夫遜能量而被改變。
21. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)津禺連 強(qiáng)度，該耦連強(qiáng)度在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中介導(dǎo)一個(gè)第 一超導(dǎo)量 子位與一個(gè)第二超導(dǎo)量子位的耦連，并且其中該耦連強(qiáng)度在該 絕熱演算的過程中通過調(diào)節(jié)介導(dǎo)該耦連強(qiáng)度的一個(gè)耦連裝置 而被改變。
22. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中改變?cè)摿孔酉到y(tǒng)的至少一個(gè)參 數(shù)包括在該時(shí)間間隔的過程中將該至少一個(gè)參數(shù)以l+r進(jìn)行 比例換算。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中l(wèi)+r在該至少一個(gè)反交叉中 的一個(gè)反交叉的臨近區(qū)具有一個(gè)最大值。
24. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中l(wèi)+r在該至少一個(gè)反交叉中 的每一個(gè)反交叉的臨近區(qū)具有一個(gè)最大值。
25. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中l(wèi)+r隨著該量子系統(tǒng)的狀態(tài) 4妻近該至少一個(gè)反交叉的至少一個(gè)第一反交叉而增加并且隨 著該量子系統(tǒng)的狀態(tài)從該至少 一 個(gè)第 一 反交叉離開而減少。
26. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中l(wèi)+r不移動(dòng)在該能量i普中反 交叉的位置。
27. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中增大在該至少一個(gè)反交叉中的 一個(gè)反交叉的能隙大小增加了在該絕熱演算過程中該量子系 統(tǒng)從該第 一狀態(tài)演算到該第二狀態(tài)的 一個(gè)速率。
28. 如4又利要求1所述的方法，其中當(dāng)在該至少一個(gè)反交叉中的一 個(gè)反交叉的一個(gè)能隙大小;f皮增加時(shí)該速率一皮增加了大約4倍。
29. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中該第二狀態(tài)是非退化的。
30. 如一又利要求1所述的方法，其中該能量i普包括在該絕熱演算大 約半途時(shí)發(fā)生的至少一個(gè)反交叉中的至少 一個(gè)第 一反交叉。
31. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中絕熱地演算該量子系統(tǒng)包括通過一個(gè)演算速率參#: Y(t) 控制該絕熱演算的一個(gè)速 率；并且在該絕熱演算的過程中在該至少一個(gè)反交叉中的一個(gè)第 一反交叉的臨近區(qū)降低該演算速率參數(shù)Y(t) 的變化速率。
32. 如沖又利要求31所述的方法，其中通過一個(gè)演算速率參凄t y(t) 控制該絕熱演算的一個(gè)速率包括通過范圍在大約0至大約1 之間的演算速率參凄t y(t) 控制該絕熱演算的速率。
33. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中該演算速率參數(shù)y(t) 在該 第一反交叉臨近區(qū)的大約0.3至大約0.5之間以及在大約0.5 至大約0.7之間。
34. 如4又利要求31所述的方法，其中相對(duì)于不在該第一反交叉的 臨近區(qū)的能量譜的一個(gè)部分中的演算速率參數(shù)的變化速率，該 演算速率參凄t y(t)的變化速率在該第一反交叉的臨近區(qū)以大 約2至大約10的一個(gè)因凝::帔降低。
35. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中當(dāng)該演算速率參數(shù)的值是在 該演算速率參數(shù)在該第一反交叉處所具有的值的大約百分之 一到大約百分之十之內(nèi)時(shí)，該演算速率參凄t y(t)的變4匕速率 #皮降低。
36. 如片又利要求31所述的方法，其中降低該變化速率包括降4氐一 個(gè)速率，在該速率下該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的至少兩對(duì)超導(dǎo)量子 位之間的至少一個(gè)耦連強(qiáng)度被改變、在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的 一個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)隧道步文應(yīng)的幅度^皮改變、或者在該多個(gè) 超導(dǎo)量子位中的一個(gè)超導(dǎo)量子位的一個(gè)局部偏置纟皮改變。
37. 如沖又利要求36所述的方法，其中該局部偏置是一個(gè)通量偏置。
38. 如斥又利要求36所述的方法，其中該局部偏置是一個(gè)電荷偏置。
39. 如片又利要求31所述的方法，其中該第一反交叉的臨近區(qū)是由 多個(gè)問題p合米爾頓算子的 一種統(tǒng)計(jì)分析來確定的。
40. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)參數(shù)是對(duì)于該多個(gè) 超導(dǎo)量子4立中的至少一個(gè)超導(dǎo)量子4立的一個(gè)隧道歲丈應(yīng)項(xiàng)。
41. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第一狀態(tài)是該量子系統(tǒng)的一 個(gè)初始^1犬態(tài)。
42. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第二狀態(tài)是該量子系統(tǒng)的一 個(gè)終末狀態(tài)。
43. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在該多個(gè)超導(dǎo)量子位中的每個(gè) 對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)量子位是由一個(gè)對(duì)應(yīng)的量子位偏置進(jìn)行初始化，這 樣每個(gè)對(duì)應(yīng)的量子位偏置限定一個(gè)求解的計(jì)算問題的至少一個(gè)部分。
全文摘要
提供了使用包括多個(gè)量子位的一種量子系統(tǒng)進(jìn)行量子計(jì)算的方法。該系統(tǒng)能夠在任何給定的時(shí)間處于至少兩個(gè)配置中的任一個(gè)，這些配置包括的一個(gè)配置的特征為一種初始化哈米爾頓算子H_O而一個(gè)配置的特征為一個(gè)問題哈米爾頓算子H_P。該問題哈米爾頓算子H_P具有一個(gè)終末狀態(tài)。在這些量子位中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的第一量子位都是相對(duì)這些量子位中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的第二量子位來安排，這樣它們限定一個(gè)預(yù)定的耦連強(qiáng)度。在該多個(gè)量子位中的這些量子位之間的預(yù)定耦連強(qiáng)度集體地限定一個(gè)求解的計(jì)算問題。在該方法中，該系統(tǒng)被初始化到H_O并且然后它被絕熱地改變直到該系統(tǒng)由該問題哈米爾頓算子H_P的終末狀態(tài)說明。然后通過探測(cè)σ_X Pauli矩陣算子的一個(gè)可觀測(cè)項(xiàng)讀出該系統(tǒng)的狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01L39/00GK101375302SQ200780003666
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月27日
發(fā)明者穆罕默德·H·阿明 申請(qǐng)人:D-波系統(tǒng)公司