技術領域
[0001] 本
發(fā)明涉及
量子計算機技術領域，尤其涉及一種基于量子點的可編程量子處理器及其操縱方法。
背景技術
[0002]
半導體量子點具優(yōu)秀的可
操縱性和可擴展性，并且易于用經典
電子工業(yè)技術集成，因此被認為是實現(xiàn)
量子計算機最有前途的系統(tǒng)之—。近年來，人們已經提出了一些基于量子點的可以執(zhí)行某些量子計算的量子處理器。例如，利用交換相互作用和電子輸運提出了基于量子點的大規(guī)模的表面碼量子計算處理器；利用
硅基雙量子點實現(xiàn)了可編程的兩
量子比特處理器。然而，要實現(xiàn)任意兩量子比特之間以及任意多個量子比特之間的可控耦合操卻十分困難，因此，到目前為止還沒有一種能夠執(zhí)行任意給定量子信息處理任務的可編程量子點量子處理器被設計出來。
[0003] 要實現(xiàn)量子點之間的有效耦合，必須能夠達到足夠的耦合強度。在目前能夠達到的技術
水平條件下，通過電容可以實現(xiàn)近鄰量子點間的強耦合連接。但由于目前量子點量子比特是由一些加有
電壓的
電極圍成的，這些電極使得一個量子點同時擁有多個鄰近量子點十分困難，而非近鄰量子點之間的耦合目前主要采用諧振子等各種腔作為量子總線的方法來間接地實現(xiàn)。目前提出的實現(xiàn)任意兩量子點耦合的方案中，都同時存在著多種不同的相互作用，使得量子點量子比特之間的耦合十分復雜，很難實現(xiàn)可編程的通用量子計算。所以，要制造可編程的通用量子計算機，就需要有新的有效方案來解決這一問題。
發(fā)明內容
[0004] 本發(fā)明
實施例的目的在于提供一種基于量子點的可編程量子處理器及其操縱方法，能解決任意兩量子點量子比特之間的耦合操作、多量子點量子比特之間的并行耦合操作、多對量子點兩量子比特之間耦合的并行操作、多組量子點多量子比特之間耦合的并行操作、一對量子點兩量子比特之間耦合以及一組量子點多量子比特之間耦合的并行操作、多對量子點兩量子比特之間耦合以及多組量子點多量子比特之間耦合的并行操作。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供了一種基于量子點的可編程量子處理器，包括低電感體狀導體及其延伸分別下連的多個量子基本單位；其中，
[0006] 每一量子基本單位均包括依序連接的一耦合電極、一有效電容及一雙量子點量子比特，且所述耦合電極還與所述低電感體狀導體相連。
[0007] 其中，所述低電感體狀導體在臨界
溫度下為超導體；所述雙量子點量子比特為半導體雙量子點量子比特。
[0008] 本發(fā)明實施例還提供了一種基于量子點的可編程量子處理器操縱方法，其在前述的通用量子計算機
中央處理器上實現(xiàn)，所述方法包括以下步驟：
[0009] 步驟S1、通過外加的
電場或量子點上的
門電極電壓來控制雙量子點的失諧量，將各量子比特均制備到初始狀態(tài)，并通過調節(jié)各雙量子點門電極上的電壓來調控各量子點中雙量子點間的隧穿耦合強度，實現(xiàn)各量子比特間的初始耦合都為0；
[0010] 步驟S2、選擇當前量子比特操作模式；其中，所述量子比特操作模式包括任意單個量子比特操縱模式、任意一對兩量子比特間耦合模式、任意一組多量子比特間并行耦合模式、多對兩量子比特間并行耦合模式、多組多量子比特間并行耦合模式、一對兩量子比特之間耦合以及一組多量子比特之間耦合的并行操作模式、多對兩量子比特之間耦合以及多組多量子比特之間耦合的并行操作模式；
[0011] 步驟S3、根據所選的當前量子比特操作模式，確定待操縱的單量子比特或待耦合連通的兩量子比特或多量子比特，并對所述待操縱或待耦合連通的量子比特分別進行相應的雙量子點的門電極電壓調節(jié)，或對所有量子點量子比特進行門電極電壓的聯(lián)合調節(jié)；
[0012] 步驟S4、選擇下一步操作，并根據所選的當前操作，確定對各量子比特的具體操縱；其中，所述下一步操作包括：繼續(xù)下一步耦合操作、進行單量子比特操縱、聯(lián)合測量一系列操作后所得量子態(tài)的結果。
[0013] 其中，所述步驟S1具體包括：
[0014] 調節(jié)雙量子點的各門電極電壓，從量子點附近的費米電子海中將兩個電子注入量子點，通過外加的電場或量子點上的門電極電壓來控制雙量子點分子的失諧量為ε＝EC/2，讓量子點中的電子處于|(0,2)S>態(tài)；
[0015] 控制ε從EC/2快速絕熱地變化到-EC/2，將雙電子初始化到|(1,1)S>態(tài)后，通過絕熱地掃動ε從-EC/2變化到0，調節(jié)各量子點量子比特的門電極電壓來改變各量子比特中雙量子點間的隧穿耦合強度，使得各量子比特間的
頻率差滿足|ωi-ωj|＞50g，并經過足夠長的時間，處理器中各量子比特弛豫到初始基態(tài)。
[0016] 其中，所述步驟S3具體包括：
[0017] 當所選的當前量子比特操作模式為任意一個單量子比特操縱模式時，確定待操作的量子比特i；
[0018] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使量子比特i與其它量子比特的頻率之差的絕對值大于等于它們之間的耦合強度的103倍，而其它量子比特之中距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值大于等于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0019] 通過調節(jié)量子比特的門電極電壓，實現(xiàn)單個雙量子點量子比特的任意旋轉操作；其中，所述單個雙量子點量子比特的任意旋轉操作包括實現(xiàn)沿著Z軸方向的UZ操作、在XZ平面內的UXZ操作以及沿X軸方向的UX操作。
[0020] 其中，所述步驟S3還具體進一步包括：
[0021] 當所選的當前量子比特操作模式為任意一對兩量子比特間耦合模式時，確定待耦合連通的兩量子比特；
[0022] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得所選的量子比特i和j的頻率相等且二者的頻率之和大于它們之間的耦合強度的103倍，同時使得該對量子比特中的任一個與處理器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的103倍，而其它量子比特之中距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值大于等于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0023] 維持上述電壓一段時間t＝π/4g，則對量子比特i和j產生了一個 通用量子門操作，而當t＝π/2g時，則對量子比特i和j產生了一個交換操作 且其他任意量子比特對之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0024] 其中，所述步驟S3還具體進一步包括：
[0025] 當所選的當前量子比特操作模式為任意一組多量子比特間并行耦合模式時，確定待耦合連通的多量子比特；
[0026] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的一組量子比特中任意兩個量子比特的頻率都相等且頻率的二倍大于它們之間的耦合強度的103倍，同時使得該組量子比特中的任一個與處理器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的103倍，而其它量子比特之中距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間及其與所選的一組量子比特中的任一個量子比特之間的頻率之差的絕對值大于等于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0027] 維持上述電壓一段時間t＝π/4g，則對所選的一組量子比特中的任意兩個量子比特之間并行產生了一個 通用量子門操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0028] 其中，所述步驟S3還具體進一步包括：
[0029] 當所選的當前量子比特操作模式為多對兩量子比特間并行耦合模式時，確定多對中各自分別對應的待耦合操作的兩量子比特；
[0030] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的多對兩量子比特中的任意一對量子比特的頻率相同且該頻率的二倍大于量子比特間耦合強度的103倍，同時使得該對量子比特中的任一個與處理器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的103倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0031] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g或t＝π/2g后，即可分別完成所選的多對量子比特中每一對量子比特間的并行 通用量子門操作或交換操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0032] 其中，所述步驟S3還具體進一步包括：
[0033] 當所選的當前量子比特操作模式為多組多量子比特間并行耦合模式時，確定多組中各自分別對應的待耦合連通的多量子比特；
[0034] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的同一組量子比特中任意兩個量3
子比特的頻率都相等且頻率的二倍大于它們之間的耦合強度的10倍，同時使得該組量子比特中的任一個與處理器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的103倍，同時使得來自不同組的任意兩個量子比特間的頻率之差的絕對值均不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0035] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g后，完成所選的多組多量子比特中每一組內任意一對量子比特間的并行 通用量子門操作，而不同組的量子比特間未被執(zhí)行耦合操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0036] 其中，所述步驟S3還具體進一步包括：
[0037] 當所選的當前量子比特操作模式為一對兩量子比特之間耦合以及一組多量子比特之間耦合的并行操作模式時，確定一對兩量子比特以及一組多量子比特中各自分別對應的待耦合連通的量子比特；
[0038] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的一對兩量子比特的頻率相同且頻率的二倍大于它們間耦合強度的103，同時使得待耦合的一組多量子比特中的任意兩量子比特的頻率相同且頻率的二倍大于它們間耦合強度的103，同時使得該對兩量子比特中的任一個與處理器中該對兩量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得該組量子比特中的任一個與處理器中該組量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0039] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g后，即可完成所選的一對兩量子比特之間，以及所選的一組多量子比特中任一對量子比特間的并行 通用量子門操作，而所選的一對兩量子比特和所選的一組多量子比特間未被執(zhí)行耦合操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0040] 其中，所述步驟S3還具體進一步包括：
[0041] 當所選的當前量子比特操作模式為多對兩量子比特之間耦合以及多組多量子比特之間耦合的并行操作模式時，確定多對兩量子比特以及多組多量子比特中各自分別對應的待耦合連通的量子比特；
[0042] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的多對兩量子比特中的任一對的頻率相同且頻率的二倍大于該兩量子比特間耦合強度的103倍，同時使得待耦合的多組多量子比特中的任一組多量子比特中的任意兩量子比特的頻率相同且頻率的二倍大于該兩量子比特間耦合強度的103倍，同時使得所選的多對兩量子比特中任意一對中的任一個量子比特與處理器中該對兩量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值均不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得所選的多組多量子比特中任意一組中的任一個量子比特與處理器中該組量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值均不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0043] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g后，完成所選的多對兩量子比特的任意一對之間以及所選的多組多量子比特的任意一組中任一對量子比特間的并行 通用量子門操作，而所選的多對兩量子比特和所選的多組多量子比特的不同對之間、不同組之間以及不同對與不同組之間均未被執(zhí)行耦合操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0044] 其中，所述步驟S4還具體包括：
[0045] 當所選的當前量子比特操作模式為繼續(xù)下一步耦合操作或進行單量子比特操縱時，返回步驟S2繼續(xù)操作。
[0046] 其中，所述步驟S4還具體進一步包括：
[0047] 當所選的當前量子比特操作模式為聯(lián)合測量一系列操作后所得量子態(tài)的結果時，如果測量所需要的時間比耦合操作所需要的時間小兩個數(shù)量級以上，則直接對各量子比特進行聯(lián)合測量；反之，則聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓從而調節(jié)量子比特中兩量子點間的隧穿耦合強度，使得任意兩量子比特的頻率之差的絕對值均比它們間的耦合強度大兩個數(shù)量級以上，然后對各量子比特進行聯(lián)合測量。
[0048] 實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果：
[0049] 1、本發(fā)明設計出了基于半導體雙量子點量子比特的可編程處理器的結構，實現(xiàn)了任意量子點量子比特之間均可以直接用電容器相耦合的通用量子門操作，且量子比特之間的耦合強度只需要改變延伸進入量子點的耦合電極與量子點之間的電容大小就可按需要任意設計，該結構的處理器可以方便地使用當前成熟的半導體電子工業(yè)技術來實現(xiàn)，使得可編程通用量子計算機處理器的制造易于實現(xiàn)；
[0050] 2、本發(fā)明給出了半導體雙量子點可編程量子處理器的工作原理，基于該處理器設計出了實現(xiàn)可編程通用量子計算所需要的各種操作，包括：量子比特初態(tài)的制備、任意單量子比特的操縱、任意兩量子比特之間的耦合操作、多量子比特之間的并行耦合操作、多對兩量子比特之間耦合的并行操作、多組多量子比特之間耦合的并行操作、一對兩量子比特之間耦合以及一組多量子比特之間耦合的并行操作、多對兩量子比特之間耦合以及多組多量子比特之間耦合的并行操作等，從而使得在該類處理器上能夠實現(xiàn)可編程通用量子計算。
附圖說明
[0051] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或
現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，根據這些附圖獲得其他的附圖仍屬于本發(fā)明的范疇。
[0052] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于量子點的可編程量子處理器的連接結構示意圖；
[0053] 圖2為本發(fā)明實施例提供的單個半導體雙量子點的分子結構及其等效
電路的示意圖；其中，a為分子結構示意圖；b為分子結構的等效電路圖；
[0054] 圖3為本發(fā)明實施例提供的一種基于量子點的可編程量子處理器操縱方法的
流程圖。
具體實施方式
[0055] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0056] 為了尋找基于半導體量子點量子比特的可編程量子處理器的實現(xiàn)方案，
發(fā)明人將處理器設計為以依序連接的一耦合電極、一有效電容及一雙量子點量子比特為量子基本單位，且每一個量子基本單位均通過其上的耦合電極與低電感體狀導體(在
臨界溫度以下為超導體)相連的連接結構，即如圖1所示的將一系列耦合電極的一端直接連接同一低電感體狀導體(在臨界溫度下為超導體)，每個耦合電極的另一端分別與一個量子中的一個量子點經一耦合電容直接連接，使得任意量子比特兩兩之間以及多量子比特之間，都可以經電容器來直接耦合。圖1中由于同一低電感體狀導體(在臨界溫度以下為超導體)公共電感很小，從而由LC諧振子引起的量子比特之間的耦合很小，近似可以忽略不計?；谝陨狭孔狱c電路結構，發(fā)明人設計出一種聯(lián)合控制各個量子點量子比特中的各門電極電壓來實現(xiàn)任意量子比特之間耦合的斷開與開通以及對各量子比特的操縱。該方法能夠將需要進行耦合操作的量子比特之間的耦合開通，能夠將需要并行進行耦合操作的多組量子比特的每一組之中的量子比特之間的耦合開通而將不同組的量子比特之間的耦合斷開，與此同時能夠將不需要進行耦合操作的量子比特與自身以外的所有其它量子比特之間的耦合都斷開，使得其處于閑置狀態(tài)而對所有其它量子比特不產生影響。
[0057] 從圖1中可以看出，多個雙量子點量子比特(假設有n個)分別經耦合電極與量子點之間的耦合電容Co1，Co2，...,CoN相連接，所有耦合電極之間經導體連接在一起，其電感可以忽略不計。
[0058] 如圖2所示，為每一個半導體雙量子點的分子結構及其等效電路的示意圖，在圖2a中展示的是一個典型的雙量子點分子結構，以RG標記的電極延伸到右邊量子點上面并且可以連接到外部其他部分，(VL,VLP,VC,VRP,VR)標記的是門電極上的有相應電壓值的門電壓，S和D為二維電子氣結構的源極和漏極，在圖2b中展示的是圖2a中雙量子點分子結構的等效電路示意圖。左右點(LD，RD)按源(S)、漏(D)順序排列，利用二維電子氣(2DEG)在
異質結構上實現(xiàn)。額外的一個電極(RG)延伸到右邊的量子點，該電極的另一端可通過導體與其它量子比特的耦合電極相連。量子點上的靜電勢通過門電極VLP和VRP調節(jié)。為了允許電子傳輸，這兩個量子點之間以及它們和源(S)、漏(D)之間都由隧穿勢壘連接，隧穿勢壘可以通過VL,VC和VR來調節(jié)。在合適的
偏壓下，雙量子點分子可以只處于兩個點每個點上有且僅有一個電子的狀態(tài)，或是其中一個點上只有兩個電子另一個點無電子的狀態(tài)。由于庫侖相互作用和泡利原理，在“鞍”點附近的雙量子點分子可以被簡化為一個人工三能級系統(tǒng)，其哈密頓量為
[0059] H＝ET|(1,1)T0><(1,1)T0|+ES|(1,1)S><(1,1)S|-ε|(0,2)S><(0,2)S|[0060] +TC[|(1,1)S><(0,2)S|+|(0,2)S><(1,1)S|].???(1)
[0061] |(1,1)S>、|(1,1)T0>分別表示左、右量子點中各有一個電子的自旋單重態(tài)和自旋三重態(tài)，|(0,2)S>表示左、右量子點中分別有零個和二個電子的自旋單重態(tài)。TC表兩個量子點之間的隧穿耦合強度。定義
能量失諧量ε＝Δ-Ec/2,其中⊿為偏壓引起的兩個量子點的能量差，Ec是單個量子點中電子的充
電能。在選擇TC為實數(shù)且取一合適的規(guī)范的情況下，取一有效近似ET＝ES≈0,則可以得到哈密頓量(1)的本征態(tài)為
[0062]
[0063]
[0064] 其中 是高能態(tài)， 且可以通過改變金屬門電極上的電壓而被快速調節(jié)。兩態(tài)的能級差為 ω為量子比特的頻率。
[0065] 單量子比特量子態(tài)的初態(tài)制備和操縱已經在理論和技術上實現(xiàn)了，并且已經在公開的文獻中可以查閱。下面做簡要介紹：調節(jié)雙量子點的各門電極電壓，從量子點附近的費米電子海中將兩個電子注入量子點，控制雙量子點分子的失諧量為ε＝EC/2(ε可以通過外加的電場或量子點上的門電極電壓來控制【Phys.Rev.A?75，050301(2007)】)，從而讓量子點中的電子處于|(0,2)S>態(tài)。然后,控制ε從EC/2快速絕熱地變化到-EC/2,就可以將雙電子態(tài)初始化到|(1,1)S>態(tài)上【J.R.Petta,A.C.Johnson,and?J.M.Taylor?et?al.,Science?309,2180(2005)；J.M.Taylor?et?al.,Nature?Physics?1,177(2005)】。初始化后,我們必須將ε保持在-EC/2上,這樣所有的量子比特都處于電荷態(tài)|(1,1)S>上,有效相互作用被關閉。
[0066] 要實現(xiàn)單比特的任意旋轉操作，根據歐拉
角定理，需要找到兩個相互
正交的旋
轉軸。對于雙量子點分子結構，已經在理論和技術上都找到了這樣兩個
旋轉軸：沿著Z軸方向的UZ操作以及在XZ平面內的UXZ操作。這樣，要得到沿X軸方向的UX操作，我們只需要作三步驟操作UX＝UXZUZUXZ即可【J.M.Taylor?et?al.,Nature?Physics?1,177(2005)；R.Hanson?and?G.Burkard?Phys.Rev.Lett.98,050502(2007)】。
[0067] 絕熱地掃動ε從-EC/2變化到EC/2“,雙電子態(tài) 和 按(2)、(3)式演化。所謂的快速絕熱是指的變化速度相對于核混合時間 要足夠快(其中g*是電子的有效g因子,μB是波爾磁子),但相對于隧穿耦合強度TC又要足夠的慢【J.R.Petta,A.C.Johnson,and?J.M.Taylor?et?al.,Science?309,2180(2005).】。當參數(shù)處于θ＝π/4時，ΔE對ε的一階 漲 落和 核精 細場的 擾 動不 敏感 ，方 程 (2) 或 (3)中 的 態(tài)可 化簡 為[0068] 圖2中右邊量子點上的電勢為
[0069]
[0070] 式中CΣ為雙量子點的總電容。在基矢{|0>,|1>}下，方程(4)中的電勢和(2)中的哈密頓量分別可被重寫為 和 其中 和 為泡利矩陣，I為單位矩陣。
[0071] 對于如圖1所的n量子比特的系統(tǒng)示，將每個量子比特都設置在θ＝π/4的狀態(tài),并利用到連接在一起的耦合電極處于隔離狀態(tài)，其所帶的總凈電荷為零，因此可得到系統(tǒng)的哈密頓量為
[0072]
[0073] 其中量子比特間的耦合強度 (為了方便，我們設定各量子比特間的耦合強度都相同)，Coi＝C是量子比特i與延伸到其一量子點上的電極之間的電容，是量子點i的總電容。由于θ＝π/4時頻率ωi取決于量子比特i中兩個
量子點之間的隧穿耦合強度 其值是由門電極上的電壓來調控的，因此我們可以通過選擇適當?shù)钠珘簛砀淖內魏瘟孔颖忍氐念l率。方程(5)表明，當|ωi±ωj|＞＞g時，在旋波近似下，量子比特i與j之間的耦合被關閉；而當ωi＝ωj和2ωi＞＞g時，量子比特i與j之間的耦合被開通，這時，相應的相互作用哈密頓量為 經過一段時間t＝π/2g
的演化，它會在|01〉ij和|10>ij之間產生一個交換操作，但是當t＝π/4g時，相應的時間演化算符會產生一個通用雙量子比特門操作，即 門。
[0074] 基于以上原理，我們可以通過調節(jié)各量子比特的門電極電壓來實現(xiàn)任意雙量子點量子比特的操縱和量子比特間的各種操作。應當說明的是，在實現(xiàn)兩量子比特通斷時，都要用到旋波近似。若要較好地滿足旋波近似的條件，就需要較好的滿足|ωi-ωj|＞＞g，比如，取|ωi-ωj|～103g。為了避免量子比特數(shù)較多時的頻率擁擠，我們對于那些間隔一段時間t＝kτ之后才會被操作的量子比特(其中τ為一次量子門耦合操作的時間，k為整數(shù))，我們使得它與其它的量子比特的頻率之差的絕對值大于等于103g/k且大于50g即可。
[0075] 如圖3所示，為本發(fā)明實施例中，提供的一種基于量子點的可編程量子處理器操縱方法，其基于圖1和圖2的結構及工作原理上形成的前述通用量子計算機中央處理器上實現(xiàn)，所述方法包括以下步驟：
[0076] 步驟S1、通過外加的電場或量子點上的門電極電壓來控制雙量子點的失諧量，將各量子比特均制備到初始狀態(tài)，并通過調節(jié)各雙量子點門電極上的電壓來調控各量子點中雙量子點間的隧穿耦合強度，實現(xiàn)各量子比特間的初始耦合都為0；
[0077] 步驟S2、選擇當前量子比特操作模式；其中，所述量子比特操作模式包括任意單個量子比特操縱模式、任意一對兩量子比特間耦合模式、任意一組多量子比特間并行耦合模式、多對兩量子比特間并行耦合模式、多組多量子比特間并行耦合模式、一對兩量子比特之間耦合以及一組多量子比特之間耦合的并行操作模式、多對兩量子比特之間耦合以及多組多量子比特之間耦合的并行操作模式；
[0078] 步驟S3、根據所選的當前量子比特操作模式，確定待操縱的單量子比特或待耦合連通的兩量子比特或多量子比特，并對所述待操縱或待耦合連通的量子比特分別進行相應的雙量子點的門電極電壓調節(jié)，或對所有量子點量子比特進行門電極電壓的聯(lián)合調節(jié)；
[0079] 步驟S4、選擇下一步操作，并根據所選的當前操作，確定對各量子比特的具體操縱；其中，所述下一步操作包括：繼續(xù)下一步耦合操作、進行單量子比特操縱、聯(lián)合測量一系列操作后所得量子態(tài)的結果。
[0080] 具體過程為，在步驟S1中，調節(jié)雙量子點的各門電極電壓，從量子點附近的費米電子海中將兩個電子注入量子點，通過外加的電場或量子點上的門電極電壓來控制雙量子點分子的失諧量為ε＝EC/2，讓量子點中的電子處于|(0,2)S>態(tài)；
[0081] 控制ε從EC/2快速絕熱地變化到-EC/2，將雙電子初始化到|(1,1)S>態(tài)后，通過絕熱地掃動ε從-EC/2變化到0，調節(jié)各量子點量子比特的門電極電壓來改變各量子比特中雙量子點間的隧穿耦合強度，使得各量子比特間的頻率差滿足|ωi-ωj|＞50g，并經過足夠長的時間，處理器中各量子比特弛豫到初始基態(tài)。
[0082] 在步驟S3中，根據步驟S2所選的當前量子比特操作模式來確定待操縱的量子比特類型(如單量子比特或待耦合連通的兩量子比特或多量子比特)及門電極電壓調節(jié)方式。具體如下：
[0083] (1)當所選的當前量子比特操作模式為任意一個單量子比特操縱模式時，確定待操作的量子比特i；
[0084] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使量子比特i與其它量子比特的頻率之差的3
絕對值大于等于它們之間的耦合強度的10倍，而其它量子比特之中距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值大于等于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0085] 通過調節(jié)量子比特的門電極電壓，實現(xiàn)單個雙量子點量子比特的任意旋轉操作；其中，所述單個雙量子點量子比特的任意旋轉操作包括實現(xiàn)沿著Z軸方向的UZ操作、在XZ平面內的UXZ操作以及沿X軸方向的UX操作。
[0086] (2)當所選的當前量子比特操作模式為任意一對兩量子比特間耦合模式時，確定待耦合連通的兩量子比特；
[0087] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得所選的量子比特i和j的頻率相等且二者的頻率之和大于它們之間的耦合強度的103倍，同時使得該對量子比特中的任一個與處理3
器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的10 倍，而其它量子比特之中距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值大于等于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0088] 維持上述電壓一段時間t＝π/4g，則對量子比特i和j產生了一個 通用量子門操作，而當t＝π/2g時，則對量子比特i和j產生了一個交換操作 且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0089] (3)當所選的當前量子比特操作模式為任意一組多量子比特間并行耦合模式時，確定待耦合連通的多量子比特；
[0090] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的一組量子比特中任意兩個量子比特的頻率都相等且頻率的二倍大于它們之間的耦合強度的103倍，同時使得該組量子比特中的任一個與處理器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的103倍，而其它量子比特之中距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間及其與所選的一組量子比特中的任一個量子比特之間的頻率之差的絕對值大于等于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0091] 維持上述電壓一段時間t＝π/4g，則對所選的一組量子比特中的任意兩個量子比特之間并行產生了一個 通用量子門操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0092] (4)當所選的當前量子比特操作模式為多對兩量子比特間并行耦合模式時，確定多對中各自分別對應的待耦合操作的兩量子比特；
[0093] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的多對兩量子比特中的任意一對3
量子比特的頻率相同且該頻率的二倍大于量子比特間耦合強度的10倍，同時使得該對量子比特中的任一個與處理器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的103倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0094] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g或t＝π/2g后，即可分別完成所選的多對量子比特中每一對量子比特間的并行 通用量子門操作或交換操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0095] (5)當所選的當前量子比特操作模式為多組多量子比特間并行耦合模式時，確定多組中各自分別對應的待耦合連通的多量子比特；
[0096] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的同一組量子比特中任意兩個量子比特的頻率都相等且頻率的二倍大于它們之間的耦合強度的103倍，同時使得該組量子比特中的任一個與處理器中其它量子比特間的頻率之差的絕對值大于它們之間耦合強度的103倍，同時使得來自不同組的任意兩個量子比特間的頻率之差的絕對值均不小于它們3
之間耦合強度的10倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0097] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g后，完成所選的多組多量子比特中每一組內任意一對量子比特間的并行 通用量子門操作，而不同組的量子比特間未被執(zhí)行耦合操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0098] (6)當所選的當前量子比特操作模式為一對兩量子比特之間耦合以及一組多量子比特之間耦合的并行操作模式時，確定一對兩量子比特以及一組多量子比特中各自分別對應的待耦合連通的量子比特；
[0099] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的一對兩量子比特的頻率相同且頻率的二倍大于它們間耦合強度的103，同時使得待耦合的一組多量子比特中的任意兩量子比特的頻率相同且頻率的二倍大于它們間耦合強度的103，同時使得該對兩量子比特中的任一個與處理器中該對兩量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得該組量子比特中的任一個與處理器中該組量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0100] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g后，即可完成所選的一對兩量子比特之間，以及所選的一組多量子比特中任一對量子比特間的并行 通用量子門操作，而所選的一對兩量子比特和所選的一組多量子比特間未被執(zhí)行耦合操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0101] (7)當所選的當前量子比特操作模式為多對兩量子比特之間耦合以及多組多量子比特之間耦合的并行操作模式時，確定多對兩量子比特以及多組多量子比特中各自分別對應的待耦合連通的量子比特；
[0102] 聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓，使得待耦合的多對兩量子比特中的任一對的頻率相同且頻率的二倍大于該兩量子比特間耦合強度的103倍，同時使得待耦合的多組多量子比特中的任一組多量子比特中的任意兩量子比特的頻率相同且頻率的二倍大于該兩量子比特間耦合強度的103倍，同時使得所選的多對兩量子比特中任意一對中的任一個量子比特與處理器中該對兩量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值均不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得所選的多組多量子比特中任意一組中的任一個量子比特與處理器中該組量子比特之外的其它量子比特間的頻率之差的絕對值均不小于它們之間耦合強度的103倍，同時使得距離下一次被操作還有k次操作時間的量子比特與處理器中其它量子比特之間的頻率之差的絕對值不小于它們間耦合強度的 倍且大于50倍；
[0103] 持續(xù)量子門操作需要的一段時間t＝π/4g后，完成所選的多對兩量子比特的任意一對之間以及所選的多組多量子比特的任意一組中任一對量子比特間的并行 通用量子門操作，而所選的多對兩量子比特和所選的多組多量子比特的不同對之間、不同組之間以及不同對與不同組之間均未被執(zhí)行耦合操作，且其他任意量子比特對的兩個量子比特之間未被執(zhí)行耦合操作。
[0104] 在步驟S4中，當所選的當前量子比特操作模式為繼續(xù)下一步耦合操作或進行單量子比特操縱時，返回步驟S2繼續(xù)操作。
[0105] 若當所選的當前量子比特操作模式為聯(lián)合測量一系列操作后所得量子態(tài)的結果時，如果測量所需要的時間比耦合操作所需要的時間小兩個數(shù)量級以上，則直接對各量子比特進行聯(lián)合測量；反之(即測量所需要的時間大于等于耦合操作所需要的時間)，則聯(lián)合調節(jié)各量子比特的門電極電壓從而調節(jié)量子比特中兩量子點間的隧穿耦合強度，使得任意兩量子比特的頻率之差的絕對值均比它們間的耦合強度大兩個數(shù)量級以上，然后對各量子比特進行聯(lián)合測量。
[0106] 實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果：
[0107] 1、本發(fā)明設計出了基于半導體雙量子點量子比特的可編程處理器的結構，實現(xiàn)了任意量子點量子比特之間均可以直接用電容器相耦合的通用量子門操作，且量子比特之間的耦合強度只需要改變延伸進入量子點的耦合電極與量子點之間的電容大小就可按需要任意設計，該結構的處理器可以方便地使用當前成熟的半導體電子工業(yè)技術來實現(xiàn)，使得可編程通用量子計算機處理器的制造易于實現(xiàn)；
[0108] 2、本發(fā)明給出了半導體雙量子點可編程量子處理器的工作原理，基于該處理器設計出了實現(xiàn)可編程通用量子計算所需要的各種操作，包括：量子比特初態(tài)的制備、任意單量子比特的操縱、任意兩量子比特之間的耦合操作、多量子比特之間的并行耦合操作、多對兩量子比特之間耦合的并行操作、多組多量子比特之間耦合的并行操作、一對兩量子比特之間耦合以及一組多量子比特之間耦合的并行操作、多對兩量子比特之間耦合以及多組多量子比特之間耦合的并行操作等，從而使得在該類處理器上能夠實現(xiàn)可編程通用量子計算。
[0109] 本領域普通技術人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的
硬件來完成，所述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，所述的存儲介質，如ROM/RAM、磁盤、光盤等。
[0110] 以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權利范圍，因此依本發(fā)明
權利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
