Квантовая вычислительная система на основе нейтральных атомов Российский патент 2024 года по МПК G06N10/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для выполнения квантовых вычислительных алгоритмов и моделирования эволюции квантовых систем.

Уровень техники

В отличие от классических вычислительных машин, работающих с битами информации, квантовый вычислитель оперирует квантовыми объектами, которые являются носителями кубитов - единицами квантовой информации. Так как состояние регистра из N кубитов может находиться в состоянии суперпозиции, которое является принципиально недоступным для регистра из N классических битов и описывается 2^N комплексными числами, использование квантовых вычислителей позволяет достичь превосходства над классическими ЭВМ в ряде алгоритмов.

Кубит, как абстрактный носитель квантовой информации, может быть физически реализован разными способами. Например, возможно кодирование кубита в двух энергетических подуровнях сверхтонкого расщепления основного состояния водородоподобного атома (рубидий, цезий, кальций, стронций и др.). Для одного базисного состояния кубита обычно вводится обозначение |0> (обычно выбирается нижний энергетический подуровень сверхтонкого расщепления), второе базисное состояние обозначается как |1> (обычно выбирается верхний энергетический подуровень сверхтонкого расщепления). При этом для приготовления, изменения и итогового измерения состояний атомных кубитов применяются лазерные источники излучения.

Квантовые вычисления считаются перспективной моделью вычислений, способной дать существенное превосходство по сравнению с классическими расчетами, в таких областях как материаловедение или квантовая химия.

Из существующего уровня техники в мире известны несколько прототипов квантовых вычислителей на основе нейтральных атомов. Разработки ведутся во Франции, Китае, Швеции и других странах. Наиболее близким к заявляемому изобретению является универсальный квантовый вычислитель [Graham, Т.М., Song, Y., Scott, J. et al. «Multi-qubit entanglement and algorithms on a neutral-atom quantum computer.» Nature 604, 457-462, 2022], который содержит блок лазеров, состоящий из шести различных лазеров с возможностью стабилизации по частоте каждого из лазеров; блок формирования упорядоченного массива атомов, блок выполнения квантовых одно и двухкубитных операций, осуществляющий инициализацию квантового вычислительного регистра и последующее выполнение квантовых одно и двухкубитных операций над заранее определенными атомами внутри квантового вычислительного регистра, принципы и методы выполнения квантовых (одно и двухкубитных) операций подробно рассмотрены в статье [Walker T.G., Saffman М. «Entanglement of Two Atoms Using Rydberg Blockade», Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 61, 81-115, 2012]; сверхвысоковакуумную камеру, представляющую собой стеклянную кювету, подключенную с группе вакуумных насосов и расположенную между двумя объективами, через которые осуществляется фокусировка лазерных пучков на отдельных атомах квантового вычислительного регистра; измерительный блок, включающий высокочувствительную камеру и оптическую схему, состоящую из дихроичных зеркал, линз и зеркал для построения изображения нейтральных атомов на матрице высокочувствительной ПЗС камеры; блок управления вычислителем, предназначенным для выработки управляющих сигналов к каждому из вышеперечисленных блоков, и обработки данных, поступающих с измерительного блока.

Блок управления вычислителем контролирует все этапы, требуемые для выполнения и получения результата работы пользовательской квантовой программы. В силу специфики квантовых вычислений, результат может быть получен только после усреднения результатов выполнения большого количества одинаковых вычислительных циклов. Каждый вычислительный цикл может быть разбит на 3 последовательные фазы: в первой фазе происходит формирование квантового вычислительного регистра; во второй фазе производится инициализации атомных кубитов в фиксированном квантовом состоянии, после этого над квантовым вычислительным регистром производится серия квантовых операций (выполнение пользовательской квантовой программы) [Henriet L., Beguin L., Signoles A., Lahaye Т., Browaeys, A. et al. «Quantum computing with neutral atoms», Quantum 4, 327, 2020]; в третей фазе цикла производится измерение итогового квантового состояния, при этом, согласно основным законам квантовой механики, итоговое квантовое состояние в процессе измерения искажается и требует повторной инициализации, таком образом вычислительный цикл завершается. Для продолжения усреднения результата необходимо повторить вычислительный цикл, начиная с первой фазы (формирование квантового вычислительного регистра). При формировании квантового вычислительного регистра производится изначальная загрузка одиночных нейтральных атомов из магнитооптической ловушки в массив дипольных микроловушек с последующим формированием упорядоченного массива нейтральных атомов (данный процесс подробно изложен в статье [Mello D., Schäffner D., Werkmann J., Preuschoff Т., Kohfahl L., Schlosser M., Birkl G. «Defect-Free Assembly of 2D Clusters of More Than 100 Single-Atom Quantum Systems» Phys. Rev. Lett. 122, 203601, 2019]).

Однако, данный квантовый вычислитель характеризуется длительным (относительно остальных двух фаз) выполнением первой фазы вычислительного цикла, что существенно замедляет скорость повторения вычислительных циклов, и как следствие, получение итогового результата пользовательской квантовой программы.

Таким образом, технической проблемой современных квантовых вычислительных систем на основе нейтральных атомов и рассмотренного выше прототипа, в частности, является длительное выполнение вычислительных циклов, и как следствие, получение итогового результата пользовательской квантовой программы.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является создание квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов с возможностью ускоренного формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра за счет реализации в системе функции активной стабилизации положения магнитооптической ловушки.

Технический результат достигается с помощью квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов, включающей:

блок лазеров, выполненный с возможностью активной стабилизации частоты генерации источников лазерного излучения и привязки по частоте генерации источников лазерного излучения вблизи оптических резонансных переходов нейтральных атомов;

сверхвысоковакуумную камеру, выполненную с возможностью оптического доступа в область сверхвысокого вакуума, с расположенным внутри сверхвысоковакуумной камеры источником нейтральных атомов, выполненным с возможностью локализации одиночных нейтральных атомов в фиксированной плоскости, с возможностью создания магнитооптической ловушки вокруг области локализации одиночных нейтральных атомов и адресного оптического доступа ко всем локализованным одиночным нейтральным атомам;

блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, выполненный с возможностью генерации массива оптических дипольных микроловушек (МОДМ), перемещения нейтральных атомов между отдельными узлами МОДМ с использованием динамического оптического пинцета, при этом динамический оптический пинцет выполнен с возможностью одновременного перемещения более одного нейтрального атома между узлами массива оптических дипольных микроловушек;

измерительный блок, выполненный с возможностью детектирования оптического сигнала флуоресценции, излучаемого одиночными нейтральными атомами, локализованными в массиве оптических дипольных микроловушек, с возможностью пространственного разрешения каждого из нейтральных атомов;

блок выполнения одно и двухкубитных операций, выполненный с возможностью адресного воздействия на отдельные нейтральные с обеспечением выполнения одно и двухкубитных операций согласно заданной последовательности квантовых инструкций, а также с возможностью селективной адресации к нейтральным атомам, формирующим кубиты, локализованным в массиве оптических дипольных микроловушек для инициализации начального состояния, упорядоченного квантового вычислительного регистра;

блок стабилизации магнитооптической ловушки, выполненный с возможностью подавления негативных интерференционных эффектов, возникающих при генерации магнитооптической ловушки внутри сверхвысоковакуумной камеры, в т.ч. за счет пространственного разделения входного лазерного излучения, поступающего от блока лазеров на несколько пространственных каналов и последующего изменения оптических частот лазерного излучения в каждом из пространственных канатов;

блок управления магнитными полями, выполненный с возможностью контролировать и стабилизировать магнитные поля внутри сверхвысоковакуумной камеры, за счет изменения величины силы тока в катушках Гельмгольца, а также с возможностью создавать градиент магнитного поля в трех пространственных направлениях с применением катушек анти-Гельмгольца, при этом стабилизация магнитного поля реализована посредством получения сигналов обратной связи с цифровых компасов, расположенных возле сверхвысоковакуумной камеры;

блок управления вычислителем, выполненный с возможностью генерации и передачи управляющих электрических сигналов к блоку лазеров, блоку формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, блоку выполнения одно и двухкубитных операций, блоку стабилизации магнитооптической ловушки, блоку управления магнитными полями, с возможностью исполнения квантовых вычислительных циклов, получения сигналов обратной связи от блока лазеров и блока выполнения одно и двухкубитных операций для точной подстройки частоты и мощности лазерного излучения в процессе исполнения квантового вычислительного цикла;

при этом выход блока лазеров соединен со входом блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, со входом блока выполнения одно и двухкубитных операций, со входом блока стабилизации магнитооптической ловушки.

вход сверхвысоковакуумной камеры соединен с выходом блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, с выходом блока выполнения одно и двухкубитных операций, с выходом блока стабилизации магнитооптической ловушки, с выходом блока управления магнитными полями,

выход сверхвысоковакуумной камеры соединен с измерительным блоком, который соединен с блоком управления вычислителем, который в свою очередь связан с остальными упомянутыми блоками с обеспечением генерации последовательности управляющих электрических сигналов и временной синхронизации блоков в соответствии с квантовым вычислительным циклом.

В одном из вариантов осуществления изобретения блок лазеров содержит по меньшей мере 8 лазеров: лазер стационарной ловушки, выполненный с возможностью удерживать одиночные нейтральные атомы в узлах массива оптических дипольных микроловушек, сформированных в потоке излучения этого лазера внутри сверхвысоковакуумной камеры; лазер динамического пинцета, выполненный с возможностью захватывать и удерживать одиночные нейтральные атомы внутри сверхвысоковакуумной камеры; лазер охлаждения, выполненный с возможностью осуществления лазерного охлаждения при создании магнитооптической ловушки; лазер перекачки, выполненный с возможностью катализации процесса лазерного охлаждения при создании магнитооптической ловушки; лазер зеемановской накачки, выполненный с возможностью инициализации начального квантового состояния нейтральных атомов локализованных в массиве оптических дипольных микроловушек; лазер однокубитного вращения, выполненный с возможностью осуществлять однокубитные квантовые операции над одиночными нейтральными атомами; лазер ридберговского возбуждения, выполненный с возможностью осуществлять двухкубитные квантовые операции над одиночными нейтральными атомами; лазер проверки квантового состояния, выполненный с возможностью осуществлять селективное воздействие на одиночные нейтральные атомы в зависимости от их итогового квантового состояния. При этом лазер однокубитного вращения может содержать внутри два лазерных диода, разностная частота генерации которых поддерживается равной частоте перехода нейтрального атома из квантового состояния |1> в квантовое состояние |0>.

Сверхвысоковакуумная камера может быть выполнена с возможностью подключения вакуумных насосов для достижения сверхвысокого вакуума с остаточным давлением менее 5×10^-10 мБар; с возможностью установки внутрь конфокальной системы линз с числовой апертурой не менее 0,6 для обеспечения эффективного сбора оптического излучения, попадающего на вход сверхвысоковакуумной камеры и излучаемого нейтральными атомами, локализованными в массиве оптических дипольных микроловушек; с возможностью установки внутрь четырех пар металлических электродов, позволяющих компенсировать постоянные электрические поля, негативно влияющие на точность выполнения двухкубитных операций.

Измерительный блок в одном из вариантов его реализации включает высокочувствительную КМОП-камеру, способную регистрировать сигнал флуоресценции, испускаемый одиночным нейтральным атомом; систему из двух линз для коррекции оптических аберраций и интерференционный фильтр для фильтрации оптического излучения, исходящего только от нейтральных атомов.

Блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра выполнен с возможностью установки пространственного модулятора света для отображения фазовой голограммы, при этом массив оптических дипольных микроловушек формируется за счет дифракции излучения лазера стационарной ловушки на фазовой голограмме; с возможностью установки системы из двух линз для компенсации оптических аберраций; с возможностью установки одного или более акустооптического дефлектора лазерного излучения с частотами управления 100±50 МГц на пути пучка лазера динамического пинцета с обеспечением возможности одновременного перемещения одного или более нейтральных атомов между узлами МОДМ.

Блок выполнения одно и двухкубитных операций предпочтительно включает два оптических тракта, где первый тракт выполнен с возможностью адресации (наведения) лазера однокубитного вращения и лазера проверки квантового состояния на заданных блоком управления вычислителем узлах МОДМ, при этом второй оптический тракт выполнен с возможностью адресации лазера ридберговского возбуждения на заданных узлах МОДМ. Первый оптический тракт в одном из вариантов реализации изобретения включает два акустооптических дефлектора лазерного излучения с частотами управления 100±50 МГц, два поляризационных делителя, дихроичное зеркало и систему коррекции оптических аберраций, состоящую из двух линз; второй оптический тракт включает акустооптический дефлектор лазерного излучения с частотами управления 100±50 МГц, систему коррекции оптических аберраций, состоящую из двух линз и дихроичное зеркало, отражающее излучение лазера ридберговского возбуждения внутрь сверхвысоковакуумной камеры, при этом пропускающее излучение от одиночных нейтральных атомов из сверхвысоковакуумной камеры в измерительный блок.

Блок стабилизации магнитооптической ловушки может быть реализован посредством трех акустооптических модуляторов, работающих с частотами управления 80,000 МГц, 80,001 МГц и 80,002 МГц, соответственно.

Квантовая вычислительная система на основе нейтральных атомов может быть выполнена с обеспечением долговременной стабильности положения центра магнитооптической ловушки на уровне 50 микрометров.

Блок управления магнитными полями может быть реализован посредством двух многоканальных программируемых источников тока, при этом первый многоканальный программируемый источник тока содержит три выходных канала постоянного тока мощностью до 10 Вт каждый, с диапазоном установки тока от -800 мА до 800 мА и точностью установки 2 мА, а второй многоканальный программируемый источник тока имеет 2 канала мощностью до 400 Вт каждый, с диапазоном установки тока от -8 А до 8 А и точностью установки 10 мА. При этом первый многоканальный программируемый источник тока может быть выполнен с возможностью обработки данных с трех внешних цифровых компасов для корректировки выходных токов в режиме реального времени; с обеспечением долговременной стабильности удержания постоянного магнитного поля на уровне 0,1 Гаусс.

Квантовый вычислительный цикл, реализуемый заявляемой квантовой вычислительной системой, содержит три последовательные фазы, включающие фазу формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, отличающуюся тем, что в данной фазе задействован блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, при участии лазерного блока, блока стабилизации магнитооптической ловушки, блока управления магнитными полями и измерительного блока; фазу выполнения квантовых операций, определяемых пользовательской квантовой программой, отличающуюся тем, что во время данной фазы активен блок лазеров и блок выполнения одно и двухкубитных операций; фазу финального измерения, при которой активными являются блок лазеров и измерительный блок.

Таким образом, технический результат достигается с помощью подавления негативных интерференционных эффектов, возникающих при формировании магнитооптической ловушки в квантовых вычислительных системах на основе нейтральных атомов за счет применения дополнительных электрооптических компонентов и электронных блоков. Техническая реализация квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов производится при взаимодействии следующих компонентов: блока лазеров, блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, блока управления магнитными полями, блока стабилизации магнитооптической ловушки, блока выполнения одно и двухкубитных операций, сверхвысоковакуумной камеры, измерительного блока и блока управления вычислителем.

Общая блок-схема, а также иерархия взаимодействия основных компонентов квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов изображена на фиг. 1.

В качестве физических кубитов в предлагаемом изобретении применяются одиночные водородоподобные атомы (Cs, Са, K, Li, Sr или Rb (например, изотоп 87)), локализуемые в массиве оптических дипольных микроловушках (МОДМ). При этом в качестве базисных состояний физического кубита |0> и |1> выбирается пара подуровней сверхтонкого расщепления для используемого атома.

Таким образом, изобретение представляет собой квантовую вычислительную систему на основе нейтральных атомов, оснащенную оригинальными блоками формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра и стабилизации магнитооптической ловушки, позволяющими существенно ускорить частоту повторения квантовых вычислительных алгоритмов.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлена общая блок-схема квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов (по тексту и на фиг. 1 номера отдельных блоков обозначены цифрами жирным шрифтом).

На фигуре 2 представлен алгоритм выполнения вычислительного цикла, состоящего из трех последовательных фаз: результатом выполнения первой фазы является сформированный квантовый вычислительный регистр; результатом выполнения второй фазы является применение квантовых операций согласно коду пользовательской квантовой программы; результатом выполнения третей фазы является набор данных, требуемых для усреднения итогового результата пользовательской квантовой программы.

На фигуре 3 приведена принципиальная схема экспериментальной установки для реализации квантовых вычислений на основе нейтральных атомов (блоки, в которых отражено схематично внутреннее содержание, на фиг. 3 отделены друг от друга контурами в виде пунктирной линии), установка содержит:

сверхвысоковакуумную камеру 2, в состав которой входят: одномодовые оптические волокна 1, 19, 20, коллиматоры оптического излучения 3, 16, 18, зеркала 2, 4, 17, фазовые четвертьволновые пластинки 5, 6, 7, 13, 14, 15, СВЧ антенна 8, линзы 11, 12, расположенные внутри металлической вакуумной камеры 9, электроды 55, 56, 57, 58, 59, 60,61,62;

блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра 3, в состав которого входят: пространственный модулятор света 23, одномодовые оптические волокна 21, 27, коллиматоры оптического излучения 22, 28, зеркало 30, поляризационный делитель 24, линзы 25, 26, акустооптический дефлектор 29;

измерительный блок 4, в состав которого входят: интерференционный фильтр 31, линзы 32, 33, высокочувствительная КМОП-камера 34;

блок выполнения одно и двухкубитных операций 5, в состав которого входят: одномодовые оптические волокна 39, 44, 53, коллиматоры оптического излучения 40, 43, 47, 54, зеркала 35, 63, поляризационные делители 38, 42, линзы 36, 37, 50, 51, акустооптические дефлекторы 41, 46, 52, дихроичное зеркало 49, счетчик одиночных фотонов 45.

На фиг. 4 показана принципиальная схема блока стабилизации магнитооптической ловушки, соответствующая блоку 6 на блок-схеме (фиг. 1), содержащая: одномодовые оптические волокна 68, 81, 82, 83, коллиматоры оптического излучения 84, 78, 79, 80, зеркало 67, линзы 69, 70, 71, поляризационные делители 64, 66, фазовые полуволновые пластинки 65, 85, акустооптические модуляторы 72, 73, 74.

На фиг. 5 представлен графический пользовательский интерфейс блока управления вычислителем 8, отвечающий за функционирование блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра.

На фиг. 6 представлено изображение магнитооптической ловушки, полученное с помощью измерительного блока 4 с отключенным блоком стабилизации магнитооптической ловушки 6.

На фиг. 7 представлено изображение магнитооптической ловушки, полученное с помощью измерительного блока 4 с включенным блоком стабилизации магнитооптической ловушки 6.

Осуществление изобретения

Принципиальная схема экспериментальной установки для реализации квантовых вычислений на основе нейтральных атомов, изображена на фиг. 3. В качестве нейтральных атомов, используемых в качестве физических кубитов, в одном из вариантов реализации изобретения могут быть выбраны атомы рубидия, изотоп 87. При этом, в качестве логических квантовых состояний |0> и |1> кубита выбраны подуровни сверхтонкого расщепления 5s1/2, F=1, mf=0 и 5s1/2, F=2, mf=0 соответственно.

Блок лазеров 1 объединяет в себе: лазер стационарной ловушки Л1 с малым (менее 10^-3) уровнем флуктуаций мощности; лазер динамического пинцета, с такими же параметрами по величине флуктуаций мощности, которые необходимы для работы блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра; несколько стабилизированных по частоте и интенсивности лазеров Л3, Л4, Л5, Л6, Л7, Л8 с возможностью привязки частоты генерации вблизи рабочих оптических резонансных переходов выбранного водородоподобного атома, при этом необходимо выполнение требования в отношении ширины линии генерации каждого из стабилизируемых по частоте лазеров - она должна быть на 2-3 порядка меньше ширины линии рабочего оптического перехода выбранного водородоподобного атома. В одном из вариантов осуществления изобретения блок лазеров 1 может быть реализован в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1, и иметь типовое исполнение, представленное в статье [Beguin L., Vernier A., Chicireanu R., Lahaye Т., Browaeys A. «Direct Measurement of the van der Waals Interaction between Two Rydberg Atoms» Phys. Rev. Lett. 110, 263201, 2013]. В качестве этих лазеров как правило выделяют лазер зеемановской накачки (Л3); лазер однокубитного вращения (Л4), который, в свою очередь, может содержать в одном устройстве два лазерных диода, данный лазер служит для осуществления однокубитных операций; лазер ридберговского возбуждения (Л5), применяемый для выполнения двухкубитных операций, в состав которого могут входить два лазерных источника, суммарная частота генерации которых стабилизируется для обеспечения возможности ридберговского возбуждения нейтрального атома; лазер проверки квантового состояния Л6, используется при измерении итогового состояния квантовой системы; лазер перекачки Л7 и лазер охлаждения Л8, необходимые для формирования начального облака холодных нейтральных атомов магнитооптической ловушки (МОЛ).

В случае выбора в качестве нейтральных атомов рубидия, изотопа 87 могут быть заданы следующие конкретные параметры всех лазеров, входящих в лазерный блок: лазер стационарной ловушки Л1 с длиной волны излучения 850 нм и шириной линии генерации около 150 кГц, лазер динамического пинцета Л2, с длиной волны 830 нм и шириной линии генерации около 10 МГц; шесть стабилизируемых по частоте лазеров: лазер зеемановской накачки Л3, со спектральной шириной линии генерации 50 кГц, настроен по частоте на резонансный переход между уровнями рубидия 5s1/2, F=1 и 5р3/2, F=2 (780 нм), совместно с лазером перекачки Л7 используется для инициализации одиночных атомов, в изначальное квантовое состояние |1>; лазер однокубитного вращения Л4, осуществляет однокубитные операции над квантовыми состояниями одиночных нейтральных атомов, в составе лазера находятся два лазерных диода (лазерных источника) со средней частотой генерации вблизи резонанса перехода между уровнями 5s1/2, F=1 и 5p1/2, F=2 (795 нм), каждый из лазерных диодов имеет спектральную ширину линии 200±50 Гц за счет дополнительной привязки по частоте к спектральной линии пропускания высокодобротного (добротность Q ~ 62000) резонатора Фабри-Перо; при этом отстройка по частоте генерации между лазерными источниками производится на величину радиочастотного перехода между подуровнями атомного кубита - 5s1/2, F=1, mf=0 и 5s1/2, F=2, mf=0, и составляет примерно 6834 МГц; лазер ридберговского возбуждения Л5 с длиной волны излучения 474 нм, со спектральной шириной линии 200±50 Гц, также привязывается по частоте к линии пропускания высокодобротного резонатора, данный лазер необходим для выполнения двухкубитных операций над соседними нейтральными атомами в квантовом вычислительном регистре за счет двухфотонного ридберговского возбуждения, при этом в процессе возбуждения также используется излучение лазера однокубитного вращения Л4. Для измерения итогового квантового состояния атомного кубита в конце вычислительного цикла (Фаза 3, фиг. 2) применяется лазер проверки квантового состояния Л6, настроенный в резонанс с переходом между уровнями 5s1/2, F=2 и 5р3/2, F=3. Данный лазер позволяет селективно выбивать атом из узла МОДМ в том случае, когда атом находился в квантовом состоянии |1>, при этом лазер проверки состояния проверки состояния не влияет на атом, находящийся в квантовом состоянии |0>; лазер перекачки Л7, настроен по частоте на резонансный переход между уровнями 5s1/2, F=1 и 5p1/2, F=2 атома рубидия изотопа 87 (795 нм), применяется в процессе формирования магнитооптической ловушки в качестве катализатора процесса лазерного охлаждения при котором требуется изменение населенности атомного уровня с 5s1/2, F=1 на уровень 5s1/2, F=2 за счет спонтанных переходов, происходящих при возбуждении энергетических уровней 5р1/2, также данный лазер перекачки Л7 участвует в процессе инициализации захваченных атомов, упорядоченных в МОДМ, в изначальное квантовое состояние |1>, для начала выполнения второй фазы вычислительного цикла, спектральная ширина линии лазера перекачки составляет 50 кГц; лазер охлаждения Л8, с длиной волны генерации 780 нм - отстроен по частоте на 12 МГц в красную область от резонансного перехода между уровнями 5s1/2, F=2 и 5р3/2, F=3, применяется для лазерного охлаждения в процессе создания магнитооптической ловушки, а также начального охлаждения нейтральных атомов при их загрузке в МОДМ, излучение данного лазера поступает на вход блока стабилизации магнитооптической ловушки;

Сверхвысоковакуумная камера 2 представляет собой герметичную стальную камеру 9 с подключенными к ней вакуумными насосами для достижения сверхвысокого вакуума (5×10^-10 мБар): магнито-разрядного, титано-сублимационного и турбомолекулярного. На стальной камере 9 также установлены специальные окна для получения оптического доступа внутрь. Внутри камеры на специальных креплениях установлены конфокально две линзы с числовой апертурой 0,6 (поз. 11 и 12 на фиг. 3), массив оптических дипольных микроловушек формируется в общей фокальной плоскости обеих линз. Между линзами расположены четыре пары электродов (поз. 55 и 56, 57 и 58, 59 и 60, 61 и 62 на фиг. 3) для компенсации внешних статических электрических полей, оказывающих негативное влияние на точность двухкубитных операций над нейтральными атомами, локализованными в МОДМ. Для получения МОДМ может применяться как голографический метод, так и метод формирования микроловушек за счет интерференции двух и более монохроматических лазерных пучков света. Следует отметить, что для реализации изобретения тип МОДМ не имеет значения. Это могут быть микроловушки, сформированные за счет отталкивания от стенок потенциального барьера, окружающих одиночный атом, при этом излучение лазера, формирующего МОДМ должно быть отстроено в более высокочастотную (синюю) от резонансных атомных переходов область спектра, так и за счет притягивания атомов в область максимальной интенсивности электромагнитного поля лазера стационарной ловушки Л1, формирующего МОДМ, при этом излучение лазера стационарной ловушки Л1 должно быть отстроено в более низкочастотную (красную) от резонансных атомных переходов область спектра. В случае голографического метода получения МОДМ в пучок лазера стационарной ловушки помещают заранее рассчитанную фазовую или амплитудную голограмму, дальняя зона дифракции от которой располагается в фокальной плоскости высокоаппертурных объективов. Размер пучка лазера стационарной ловушки выбирают из условий наступления столкновительной блокады при загрузке нейтральных атомов в массив оптических дипольных микроловушек, то есть условия, при котором в любом из узлов МОДМ находится не более одного атома.

Измерительный блок 4 представляет собой оптическую схему, в которой излучение, испускаемое нейтральными атомами, расположенными в МОДМ, изначально отфильтровывается спектральным интерференционным фильтром (поз.31 на фиг. 3), затем данное излучение фокусируется на оптическую матрицу высокочувствительной КМОП-камеры 34 при помощи системы линз 32 и 33, компенсирующих оптические аберрации. Измерительный блок 4 обеспечивает возможность регистрации наличия одиночных нейтральных атомов в узлах МОДМ. В качестве высокочувствительной КМОП-камеры 34 используют камеру с квантовой эффективностью сенсора более 60% на длине волны 780 нм, например, фотокамеру «Dhyana 400BSI V2», с КМОП-сенсором GSENSE2020BSI. Фотографические снимки с высокочувствительной камеры обрабатываются блоком управления вычислителем 8 для формирования управляющих радиочастотных сигналов, используемых в дальнейшем блоком формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра 3, также в результате цифровой обработки полученных фотоснимков производятся расчеты итоговых результатов работы квантовых алгоритмов. Опционально, для детектирования без пространственного разрешения может быть использован лавинный фотодиод, работающий в режиме счета фотонов, например Laser Components COUNT-50N-FC. Оптический сигнал, являющийся входным для этого лавинного фотодиода, обозначен как поз.45 на фиг. 3. Применение дополнительного лавинного фотодиода позволяет более точно позиционировать МОЛ за счет оптимизации уровня среднего сигнала флуоресценции от атомов, находящихся в облаке МОЛ.

Блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра 3 содержит оптическую систему, состоящую из коллиматора 22 излучения лазера стационарной ловушки Л1, фазовой или амплитудной голограммы, отображаемой при помощи пространственного модулятора света 23, либо из набора уголковых отражателей, для обеспечения интерференции в каждом из 3-х пространственных направлений, в результате которой может быть создано условие захвата одиночных нейтральных атомов, системы линз 25 и 26 для корректировки оптических аберраций при формировании МОДМ. В состав данного блока также входят один или несколько двухосевых акустооптических дефлекторов лазерного излучения (поз.29 на фиг. 3), на которые попадает пучок лазера динамического пинцета Л2, и системы оптических элементов: зеркала 30; поляризационного делителя излучения 24 - обеспечивающих возможность фокусировки излучения лазера динамического пинцета в плоскости формирования МОДМ (между линзами 11 и 12). Двухосевой акустооптический дефлектор представляет собой два скрещенных под 90 градусов кристалла, внутри которых акустическая волна высокой частоты формирует бегущую дифракционную решетку. При подаче одночастотного сигнала на каждую из осей акустооптического дефлектора происходит отклонение падающего лазерного луча на угол, пропорциональный частоте сигнала, поступающего на дефлектор. При подаче на акустооптический дефлектор управляющего радиочастотного сигнала, представляющего сумму радиочастотных сигналов с фиксированными несущими частотами, входное лазерное излучение «расщепляется» (отклоняется дефлектором на различные углы) на количество лучей, равное количеству спектральных компонент управляющего радиочастотного сигнала, поступающего от блока управления вычислителем 8. Пример графического пользовательского интерфейса, отображающий процесс формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра представлен на фиг. 5. Данный интерфейс позволяет настраивать параметры обнаружения нейтральных атомов, локализованных в узлах МОДМ, а также визуализировать процесс формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра на стадии выполнения первой фазы вычислительного цикла (фиг. 2).

Блок стабилизации магнитооптической ловушки 6 (фиг. 4) состоит из делителя оптического излучения из одного в три пространственных оптических канал, в каждом из которых установлен акустооптический фазовый модулятор, либо электрооптический фазовый модулятор проходящего излучения. В случае использования электрооптического фазового модулятора глубина фазовой модуляции должна составлять не менее π радиан. Разность электрических частот, поступающих на любую из пар фазовых модуляторов, должна быть меньше минимальной механической частоты колебаний атома, локализованного в оптической дипольной микроловушке, типичные значения механических колебательных частот атома составляют порядка 100 кГц в поперечном направлении распространения излучения лазера Л1, и 10 кГц - в продольном направлении. Излучение после модулятора каждого из трех оптических каналов направляется в соответствующий пространственный канал формирования магнитооптической ловушки. Таким образом, блок стабилизации магнитооптической ловушки 6 производит усреднение фазовых соотношений между оптическими путями, участвующими в формировании магнитооптической ловушки, вследствие чего не возникает негативных интерференционных эффектов, мешающих пространственной локализации облака магнитооптической ловушки. Схема данного блока представлена на фиг. 4. В выбранной реализации блок стабилизации магнитооптической ловушки состоит из трех акустооптических модуляторов - 72, 73 и 74, с близкими управляющими частотами модуляции, например, 80,000 МГц, 80,001 МГц и 80,002 МГц соответственно. Входное излучение лазера охлаждения Л8 и лазера перекачки Л7 разделяется на 3 оптических пространственных канала, подключаемых к оптическим входам блока 2 за счет двух полуволновых пластинок 65 и 85 и двух поляризационных делителей 64 и 66. Несовпадение управляющих частот, поступающих от блока управления вычислителем 8 ведет к потере когерентности между оптическими пучками, исходящими из одномодовых оптических волокон (поз. 81, 82, 83 на фиг. 4), подключенных ко входам излучения блока 2, при этом каждый из пучков, выходящих из одномодовых оптических волокон (поз. 1, 19 и 20 на фиг. 3) продолжает выполнять функцию по формированию магнитооптической ловушки. На этапе формирования магнитооптической ловушки наличие интерференционных эффектов приводит к ограничению пространственной области, в которой может быть образовано облако холодных атомов, также область локализации облака изменяется из-за температурных эффектов, связанных с небольшим изменением (порядка длины волны) оптических путей прохождения света в оптических пучках, исходящих из одномодовых оптических волокон (поз. 81, 82, 83 на фиг. 3).

Блок выполнения одно и двухкубитных операций 5 представляет собой оптическую систему с установленными в ней двухосевыми акустооптическими дефлекторами (поз. 41, 46, 52 на фиг. 3.), позволяющими направлять лазерное излучение на один или несколько адресуемых атомов в квантовом вычислительном регистре, согласно коду пользовательской квантовой программы. При этом однокубитные операции могут реализовываться как за счет непосредственного адресного воздействие лазерным излучением, поступающим от лазера однокубитного вращения Л4, так и за счет общего воздействия микроволновым СВЧ полем, направляемым на нейтральные атомы, локализованные в МОДМ с помощью антенны (поз.8 фиг. 3), при этом адресация осуществляется за счет увеличения глубины узла МОДМ в котором производится операция. Лазерное воздействия для ридберговского возбуждения атомов также может не иметь адресации на узлы квантового вычислительного регистра, в этом случае селективность атомных кубитов, участвующих в квантовом преобразовании, выполняется за счет адресного воздействия на требуемые атомы квантового вычислительного регистра нерезонансного лазерного излучения, сдвигающего энергетические подуровни атомных оптических переходов за счет эффекта Штарка. В конкретной реализации блок выполнения одно и двухкубитных операций представляет собой оптическую систему, состоящую из двух оптических трактов отдельно для «красных» лазеров блока лазеров: лазера однокубитного вращения Л4; лазера проверки квантового состояния Л6 и тракт для синего лазера ридберговского возбуждения Л5. В каждом из оптических трактов находится по одному оптическому телескопу, образованному двумя линзами, установленными конфокально (линзы 36, 37 в первом тракте и 51, 50 - во втором). Данные телескопы предназначены для компенсации сферических аберраций, возникающих при отклонении лазерных пучков от направления распространения вдоль оптических осей. Генерацию высокочастотных управляющих сигналов, управляющих акустооптическими дефлекторами (поз. 41, 46, 52 фиг. 3), обеспечивает блок управления вычислителем 8. Для обеспечения высокой стабильности по мощности лазеров, выполняющих однокубитные вращения, двухкубитные операции, также проверку результирующего квантового состояния, возле каждого из акустооптических модуляторов устанавливаются кремниевые фотодиоды, усиленный сигнал с которых передается обратно в блок управления вычислителем, что позволяет корректировать управляющие сигналы, поступающие на акустооптические дефлекторы (поз. 29, 41, 46, 52 на фиг. 3) в режиме реального времени, так как управляющие электрические сигналы помимо адресации в МОДМ, также задают мощность лазерного пучка, попадающего на адресуемый атом. В ходе вычислительного цикла контроль мощностей и частот генерации блока лазеров осуществляется на стадии «Настройка параметров излучения блока лазеров» (Фазы 1 фиг. 2).

Блок управления магнитными полями 7 состоит из трех пар воздушных катушек Гельмгольца для компенсации внешних полей вокруг места локализации МОДМ; дополнительной пары воздушных катушек Гельмгольца, включаемых после формирования квантового вычислительного регистра для снятия вырождения по магнитному квантовому числу для атомных подуровней при инициализации кубитов в состояниях |0> или |1>; пары воздушных катушек анти-Гельмгольца, необходимых для формировании магнитооптической ловушки для начальной загрузки нейтральных атомов в МОДМ, и программируемых многоканальных источников тока, подключенных к воздушным катушкам. Блок управления магнитными полями 7 может работать как в режиме стабилизации постоянных токов через вышеперечисленные пары катушек, так и изменять величину токов, стабилизируя значение и направление магнитного поля, измеряемое специальным датчиком. В конкретной реализации данный блок представлен двумя отдельными многоканальными программируемыми источниками тока, способными выставлять и поддерживать постоянными уровни постоянного тока на выходных каналах. Первый многоканальный программируемый источник тока содержит три выходных канала, используемых для компенсации паразитных магнитных полей, присутствующих в области локализации МОДМ за счет подключения трех пар катушек Гельмгольца, расположенных вокруг сверхвысоковакуумной камеры. Типичное значение токов компенсации на выходных каналах первого многоканального программируемого источника тока составляет от 20 до 500 мА в зависимости от количества витков намотки и расстояния между парой катушек Гельмгольца (каждая пара катушек Гельмгольца предназначена для компенсации магнитного поля в одном из трех пространственных направлений (осей) X, Y, Z прямоугольной декартовой системы координат). Первый многоканальный программируемый источник тока позволяет самостоятельно обрабатывать данные о внешних магнитных полях, поступающих с трех цифровых компасов (например, HMC5883L) и стабилизировать значения магнитных полей при помощи внутренней петли обратной связи. Второй многоканальный программируемый источник тока имеет два выходных канала, один из которых предназначен для создания магнитного поля смещения (в диапазоне от 5 до 20 Гаусс), включаемого после формирования квантового вычислительного регистра на этапе «Инициализация начального квантового состояния» (Фазы 2 на фиг. 2). Наличие магнитного поля смещения позволяет производить накачку атомов в определенное квантовое состояние (|0> или |1>), также данное поле смещения фиксирует базис для последующих квантовых операций [Beguin L., Vernier A., Chicireanu R., Lahaye Т., Browaeys A. «Direct Measurement of the van der Waals Interaction between Two Rydberg Atoms» Phys. Rev. Lett. 110, 263201, 2013]. Второй канал второго многоканального программируемого источника тока подключается к паре катушек анти-Гельмгольца, создающих градиент магнитного поля, требуемого при создании магнитооптической ловушки [Raab Е. L., Prentiss М., Cable А., Chu S., Pritchard D. Е. «Trapping of Neutral Sodium Atoms with Radiation Pressure)), Phys. Rev. Lett. 59, 2631, 1987]. Максимальная мощность данного канала составляет около 400 Вт. При завершении формирования квантового вычислительного регистра данный канал отключается на время выполнения вычислительных фазы 2 и фазы 3 (фиг. 2) вычислительного цикла.

Блок управления вычислителем 8 представляет собой программно-аппаратный комплекс, включающий в себя выделенный сервер, к которому подключены:

- управляющая электронная плата синхронизации, позволяющая генерировать управляющие сигналы для ведомых блоков 1, 3, 4, 5, 6, 7, с целью синхронизации последних по времени работы, при этом точность с которой может быть обеспеченна временная синхронизация управляющих сигналов составляет 20 нс;

- 17-ть программируемых генераторов ВЧ сигналов с полосой генерации от не более 20 МГц до не менее 200 МГц и точностью установки частоты не менее 10 Гц, при этом управляющие сигналы данных программируемых генераторов ВЧ сигналов поступают к лазерам Л3, Л4, Л5, Л6, Л7, Л8 блока лазеров 1, акустооптическому дефлектору 29, блока формирования упорядоченного квантового регистра 3, при этом, для подключения акустооптического дефлектора 29 требуется два генератора ВЧ сигнала (на каналы управления по осям X и Y), к акустооптическим дефлекторам 41, 46, 52 (на каналы управления по осям X и Y для каждого из дефлекторов) блока выполнения одно и двухкубитных операций 5 и акустооптическим модуляторам 72, 73, 74 блока стабилизации магнитооптической ловушки 6;

- СВЧ генератор с полосой генерации от не более 6 ГГц до не менее 8 ГГц и точностью установки частоты не более 50 Гц, используемым при реализации однокубитных операций за счет СВЧ воздействия на одиночные нейтральные атомы;

- два СВЧ генератора с полосой от не более 0,1 ГГц до не менее 3 ГГц и точностью установки частоты не более 10 Гц, необходимыми для тонкой подстройки частоты лазеров Л4 и Л5 блока лазеров 1 при привязке их частоты генерации к высокодобротному (Q ~ 62000) резонатору Фабри-Перо.

Управляющая электронная плата синхронизации принимает набор специализированных инструкций, упакованных в бинарный файл команд, компилируемый выделенным сервером.

Для управления вычислительным циклом работы квантовой программы выделенный сервер содержит специальное приложение, которое будем называть операционной системой OS. Операционная система OS предоставляет программный интерфейс API, при помощи которого пользователь формулирует задачу, решаемую с помощью квантовой вычислительной системы. Бинарный файл команд генерируется специализированным компилятором из исходного кода квантовой программы под целевой квантовый вычислитель - в конкретной реализации производится генерация бинарного файла команд для квантового вычислителя на основе нейтральных атомов. После загрузки бинарного файла команд в управляющую электронную плату начинается исполнение вычислительного цикла (фиг. 2), с последующей обработкой результатов всех предыдущих вычислительных циклов и получением итогового ответа.

Как и в случае с классической работой электронной вычислительной машины, где для реализации любого вычисления достаточно трех атомарных операций над битами (например И, НЕ, ИЛИ-НЕ), в случае квантового вычислителя - произвольная пользовательская квантовая программа может быть представлена в базисе из нескольких квантовых операций (вентилей), например, операция «Паули-Х» (X), операция «Паули-Y» (Y), операция «Адамар Н», контролируемое НЕТ (CNOT) и фазового вентиля Р. Соответствующие матричные формы представленных операций выглядят как:

На основе данных вентилей можно определить вентили более общего вида: поворот на угол в вокруг оси X, Y или Z, соответственно, обозначаемые как :

.

Более глубоко процесс квантовых вычислений на базе систем нейтральных атомов хорошо известен из мировой литературы [Labuhn, Н., Barredo, D., Ravets, S. et al. «Tunable two-dimensional arrays of single Rydberg atoms for realizing quantum Ising models.» Nature 534, 667-670 2016; Gross C, Bloch I. «Quantum simulations with ultracoldatoms in optical lattices)) Science 357, 995-1001, 2017].

Примеры реализации изобретения

Для проверки работоспособности квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов с возможностью ускоренного формирования квантового вычислительного регистра была собрана экспериментальная установка, согласно принципиальным схемам, представленным на фиг. 3 и фиг. 4.

Для изначального позиционирования магнитооптической ловушки и измерения параметров ее стабилизации измерительный блок 4 настраивался в режим наблюдения за магнитооптической ловушкой: для этого на матрице высокочувствительной КМОП-камеры (34 фиг. 3.) при помощи изменения положения линз 32, 33 (фиг. 3.) строилось увеличенное изображение магнитооптической ловушки. Магнитооптическая ловушка представляет собой ограниченное в пространстве облако охлажденных атомов изотопа рубидия-87, испускающее свет под воздействием лазера перекачки Л7 и лазера охлаждения Л8 блока лазеров 1. При этом во время позиционирования ловушки все остальные лазеры кроме Л7 и Л8 были отключены. Также во время данного эксперимента производилась регистрация оптического сигнала от магнитооптической ловушки при помощи счетчика одиночных фотонов (45 фиг. 3) для количественного анализа стабильности магнитооптической ловушки. Следует отметить, что оптический сигнал, попадающий на счетчик одиночных фотонов, собирается лишь из небольшой пространственной области магнитооптической ловушки, в которой производится локализация одиночных нейтральных атомов после активации блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра 3, таким образом, средний сигнал счетчика одиночных фотонов прямо пропорционален вероятности загрузки одиночного нейтрального атома в узел МОДМ.

Сигнал счетчика одиночных фотонов регистрировался при помощи управляющей электронной платы синхронизации блока управления вычислителем 8 на протяжении 10 минут, интервалами по 100 мс отдельно при подключенном и отключенном блоке стабилизации магнитооптической ловушки 6, при фиксированных остальных параметрах квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов. В случае отключенного блока стабилизации магнитооптической ловушки средний уровень детектируемых событий, пропорциональных зарегистрированным фотонам, составил 52 Гц при этом стандартное отклонение регистрируемых событий составило 70 Гц, что говорит о существенной нестабильности во времени магнитооптической ловушки. Уровень относительных флуктуаций регистрируемых событий в этом случае составил 137%. Изображение, полученное при помощи высокочувствительной КМОП-камеры в данном режиме эксперимента представлено на фиг.6. При этом делалась серия изображений, по которым было хорошо видно временную нестабильность магнитооптической ловушки.

Для случая включенного блока стабилизации магнитооптической ловушки 6 средний уровень детектируемых событий, пропорциональных зарегистрированным фотонам, составил 355 Гц при этом стандартное отклонение регистрируемых событий составило 90 Гц, уровень относительных флуктуаций регистрируемых событий в этом случае составил 26%, что позволяет сделать вывод о том, что применение блока стабилизации магнитооптической ловушки 6 более чем в 5 раз стабилизирует во времени сигнал магнитооптической ловушки, в следствии чего также увеличивается вероятность загрузки нейтрального атома в узел МОДМ. Изображение, полученное при помощи высокочувствительной КМОП-камеры 34 в данном режиме эксперимента представлено на фиг.7, на изображении хорошо видна увеличенная средняя яркость магнитооптической ловушки относительно фиг.6.

Для проведения прямых измерений по формированию упорядоченного квантового вычислительного регистра на матрице высокочувствительной КМОП-камеры (34 фиг. 3.) строилось изображение одиночных нейтральных атомов, локализованных в узлах МОДМ, также был включен блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра. На фиг. 5. представлен графический пользовательский интерфейс управления формированием упорядоченного квантового вычислительного регистра, запущенный на выделенном сервере блока управлением вычислителем 8. Тестировалось формирование упорядоченного квантового вычислительного регистра, состоящего из 36 узлов (массив 6×6). Проводилась серия из 100 испытаний по формированию упорядоченного квантового вычислительного регистра, состоящего из 36 узлов, при этом замерялось время каждого испытания для случая включенного и отключенного блока стабилизации магнитооптической ловушки соответственно. Среднее время формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра в случае включенного блока стабилизации магнитооптической ловушки составило 22 с, в случае отключенного - 123 с. Отношение среднего времени формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра для случаев включенного и отключенного блока стабилизации магнитооптической ловушки составило 5,6 раз.

Для измерения точности выполнения операции Паули-Х, а затем и точности операции Паули-Y в блок управления вычислителем был загружен код пользовательской квантовой программы, которая в цикле 200 раз приготавливает кубит в состоянии |0>, применяет операцию RX с углом поворота, задаваемым в коде программы, и выполняет измерение кубита с записью суммарного результата в ячейку классической памяти с адресом 10 (код, применяющий операцию RY выглядит аналогичным образом): LABEL@ROTATEX

COPY 0 [0] // Скопировать значение 0 в ячейку классической памяти с адресом [0] (счетчик цикла)

COPY 0 [10] // Инициализация ячейки [10] - суммарного результата измерения LABEL@CYCLE_BEGIN // Установить метку начала тела цикла INIT 1 // Инициализация одного кубита в состоянии |0>

RX([20]) 0 // Поворот состояния кубита 0 вокруг оси X на угол, содержащийся в ячейке памяти с адресом 20

MEASURE 0 [1] // Измерение кубита 0 и запись результата в ячейку памяти [1]

ADD 1 [0] [0] // Прибавить к значению в ячейке памяти [0] единицу и записать результат обратно в ячейку [0] (увеличить счетчик цикла)

ADD [1] [10] [10] // Прибавить текущий результат измерения к суммарному

LT [0] 200 [1] // Проверка условия, что выполнено меньше 200 итераций и запись булевого результата сравнения в ячейку [1]

JUMP-UNLESS@CYCLE_BEGIN [1] // Перейти в начало цикла, если значение в ячейке [1]=ИСТИНА

HALT // Остановка программы

По результатам измерений была составлена таблица истинности для каждой операции (Паули-Х, и Паули-Y) и произведено ее сравнение с таблицей истинности для идеального вентиля. Точность выполнения однокубитной операции рассчитывалась по следующей формуле:

где р с двумя индексами - матричные элементы значения вероятностей для идеальной таблицы истинности, ас двумя индексами - матричные элементы значений вероятностей, полученных в ходе эксперимента. Индексы i, j, m, n, l, k, x, y изменяются в пределах от 1 до 2 с шагом 1, что соответствует размерности гильбертова пространства состояний для одного кубита. Индексы i, m, l, x отвечают за нумерацию строк, j, n,k, у - за нумерацию столбцов подставляемых матриц. Так, например, вероятность р₁₂ для идеальной таблицы истинности операции Паули-Y равна

В ходе тестирования квантовой вычислительной системы на основе нейтральных атомов были получены следующие результаты: точность выполнения однокубитной операции применения операции Паули-Х (эквивалентна команде RX поворота состояния кубита вокруг оси X с углом поворота π) составила 99,98% с погрешностью не более 1,6%; точность выполнения однокубитовой операции Паули-Y (RY с углом π) - (97,3%±1,3%). При этом, скорость накопления данных (200 измерений) падала более чем в 5 раз при отключении блока стабилизации магнитооптической ловушки.

Полученные результаты позволяют говорить об ускорении формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра за счет использования дополнительного блока стабилизации магнитооптической ловушки.

Изобретение относится к квантовой вычислительной системе на основе нейтральных атомов. Технический результат заключается в возможности ускоренного формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра за счет реализации в системе функции активной стабилизации положения магнитооптической ловушки. Квантовая вычислительная система на основе нейтральных атомов включает соединенные оптической связью блок лазеров, сверхвысоковакуумную камеру, блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, измерительный блок, блок выполнения одно- и двухкубитных операций, блок стабилизации магнитооптической ловушки, блок управления магнитными полями, блок управления вычислителем, при этом сверхвысоковакуумная камера соединена с измерительным блоком, который соединен с блоком управления вычислителем, который в свою очередь связан с остальными упомянутыми блоками с обеспечением генерации последовательности управляющих электрических сигналов и временной синхронизации блоков в соответствии с квантовым вычислительным циклом. 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Квантовая вычислительная система на основе нейтральных атомов, включающая:

блок лазеров, выполненный с возможностью активной стабилизации частоты генерации источников лазерного излучения и привязки по частоте генерации источников лазерного излучения вблизи оптических резонансных переходов нейтральных атомов;

сверхвысоковакуумную камеру, выполненную с возможностью оптического доступа в область сверхвысокого вакуума, с расположенным внутри сверхвысоковакуумной камеры источником нейтральных атомов, выполненным с возможностью локализации одиночных нейтральных атомов в фиксированной плоскости, с возможностью создания магнитооптической ловушки вокруг области локализации одиночных нейтральных атомов и адресного оптического доступа ко всем локализованным одиночным нейтральным атомам;

блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, выполненный с возможностью генерации массива оптических дипольных микроловушек (МОДМ), перемещения нейтральных атомов между отдельными узлами МОДМ с использованием динамического оптического пинцета, при этом динамический оптический пинцет выполнен с возможностью одновременного перемещения более одного нейтрального атома между узлами массива оптических дипольных микроловушек;

измерительный блок, выполненный с возможностью детектирования оптического сигнала флуоресценции, излучаемого одиночными нейтральными атомами, локализованными в массиве оптических дипольных микроловушек, с возможностью пространственного разрешения каждого из нейтральных атомов;

блок выполнения одно- и двухкубитных операций, выполненный с возможностью адресного воздействия на отдельные нейтральные атомы с обеспечением выполнения одно- и двухкубитных операций согласно заданной последовательности квантовых инструкций, а также с возможностью селективной адресации к нейтральным атомам, формирующим кубиты, локализованным в массиве оптических дипольных микроловушек для инициализации начального состояния, упорядоченного квантового вычислительного регистра;

блок стабилизации магнитооптической ловушки, выполненный с возможностью подавления негативных интерференционных эффектов, возникающих при генерации магнитооптической ловушки внутри сверхвысоковакуумной камеры, за счет пространственного разделения входного лазерного излучения, поступающего от блока лазеров на несколько пространственных каналов и последующего изменения оптических частот лазерного излучения в каждом из пространственных каналов;

блок управления магнитными полями, выполненный с возможностью контролировать и стабилизировать магнитные поля внутри сверхвысоковакуумной камеры, за счет изменения величины силы тока в катушках Гельмгольца, а также с возможностью создавать градиент магнитного поля в трех пространственных направлениях с применением катушек анти-Гельмгольца, при этом стабилизация магнитного поля реализована посредством получения сигналов обратной связи с цифровых компасов, расположенных возле сверхвысоковакуумной камеры;

блок управления вычислителем, выполненный с возможностью генерации и передачи управляющих электрических сигналов к блоку лазеров, блоку формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, блоку выполнения одно- и двухкубитных операций, блоку стабилизации магнитооптической ловушки, блоку управления магнитными полями, с возможностью исполнения квантовых вычислительных циклов, получения сигналов обратной связи от блока лазеров и блока выполнения одно- и двухкубитных операций для точной подстройки частоты и мощности лазерного излучения в процессе исполнения квантового вычислительного цикла;

при этом выход блока лазеров соединен со входом блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, со входом блока выполнения одно- и двухкубитных операций, со входом блока стабилизации магнитооптической ловушки,

вход сверхвысоковакуумной камеры соединен с выходом блока формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра, с выходом блока выполнения одно- и двухкубитных операций, с выходом блока стабилизации магнитооптической ловушки, с выходом блока управления магнитными полями,

выход сверхвысоковакуумной камеры соединен с измерительным блоком, который соединен с блоком управления вычислителем, который в свою очередь связан с остальными упомянутыми блоками с обеспечением генерации последовательности управляющих электрических сигналов и временной синхронизации блоков в соответствии с квантовым вычислительным циклом.

2. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что блок лазеров содержит по меньшей мере 8 лазеров: лазер стационарной ловушки, выполненный с возможностью удерживать одиночные нейтральные атомы в узлах массива оптических дипольных микроловушек, сформированных в потоке излучения этого лазера внутри сверхвысоковакуумной камеры; лазер динамического пинцета, выполненный с возможностью захватывать и удерживать одиночные нейтральные атомы внутри сверхвысоковакуумной камеры; лазер охлаждения, выполненный с возможностью осуществления лазерного охлаждения при создании магнитооптической ловушки; лазер перекачки, выполненный с возможностью катализации процесса лазерного охлаждения при создании магнитооптической ловушки; лазер зеемановской накачки, выполненный с возможностью инициализации начального квантового состояния нейтральных атомов локализованных в массиве оптических дипольных микроловушек; лазер однокубитного вращения, выполненный с возможностью осуществлять однокубитные квантовые операции над одиночными нейтральными атомами; лазер ридберговского возбуждения, выполненный с возможностью осуществлять двухкубитные квантовые операции над одиночными нейтральными атомами; лазер проверки квантового состояния, выполненный с возможностью осуществлять селективное воздействие на одиночные нейтральные атомы в зависимости от их итогового квантового состояния.

3. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что использует в качестве физических кубитов, на которых производятся квантовые вычисления, атомы рубидия, изотопа 87.

4. Квантовая вычислительная система по п. 2, характеризующаяся тем, что лазер однокубитного вращения реализован посредством комбинации двух лазерных источников, разностная частота генерации которых равна частоте перехода нейтрального атома из квантового состояния |1>в квантовое состояние |0>.

5. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что сверхвысоковакуумная камера выполнена с возможностью подключения вакуумных насосов для достижения сверхвысокого вакуума с остаточным давлением менее 5×10^-10 мБар.

6. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что сверхвысоковакуумная камера выполнена с возможностью установки внутрь конфокальной системы линз с числовой апертурой не менее 0,6 для обеспечения эффективного сбора оптического излучения, попадающего на вход сверхвысоковакуумной камеры и излучаемого нейтральными атомами, локализованными в массиве оптических дипольных микроловушек.

7. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что сверхвысоковакуумная камера выполнена с возможностью установки внутрь четырех пар металлических электродов, позволяющих компенсировать постоянные электрические поля, негативно влияющих на точность выполнения двухкубитных операций.

8. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что измерительный блок включает высокочувствительную КМОП-камеру, способную регистрировать сигнал флуоресценции, испускаемый одиночным нейтральным атомом.

9. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что измерительный блок включает систему из двух линз для коррекции оптических аберраций и интерференционный фильтр для фильтрации оптического излучения, исходящего только от нейтральных атомов.

10. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра выполнен с возможностью установки пространственного модулятора света для отображения фазовой голограммы, при этом массив оптических дипольных микроловушек формируется за счет дифракции излучения лазера стационарной ловушки на данной фазовой голограмме.

11. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра выполнен с возможностью установки системы из двух линз для компенсации оптических аберраций.

12. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что блок формирования упорядоченного квантового вычислительного регистра выполнен с возможностью установки одного или более акустооптического дефлектора лазерного излучения с частотами управления 100±50 МГц на пути пучка лазера динамического пинцета с обеспечением возможности одновременного перемещения одного или более нейтральных атомов между узлами МОДМ.

13. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что блок выполнения одно- и двухкубитных операций включает два оптических тракта, первый тракт выполнен с возможностью адресации лазера однокубитного вращения и лазера проверки квантового состояния на заданных блоком управления вычислителем узлах МОДМ, при этом второй оптический тракт выполнен с возможностью адресации лазера ридберговского возбуждения на заданных узлах МОДМ.

14. Квантовая вычислительная система по п. 13, характеризующаяся тем, что первый оптический тракт включает два акустооптических дефлектора лазерного излучения с частотами управления 100±50 МГц, два поляризационных делителя, дихроичное зеркало и систему коррекции оптических аберраций, состоящую из двух линз.

15. Квантовая вычислительная система на основе нейтральных атомов по п. 13, характеризующаяся тем, что второй оптический тракт включает акустооптический дефлектор лазерного излучения с частотами управления 100±50 МГц, систему коррекции оптических аберраций, состоящую из двух линз, и дихроичное зеркало, отражающее излучение лазера ридберговского возбуждения внутрь сверхвысоковакуумной камеры, при этом пропускающее излучение от одиночных нейтральных атомов из сверхвысоковакуумной камеры в измерительный блок.

16. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что блок стабилизации магнитооптической ловушки реализован посредством трех акустооптических модуляторов, работающих с частотами управления 80,000 МГц, 80,001 МГц и 80,002 МГц соответственно.

17. Квантовая вычислительная система на основе нейтральных атомов по п. 16, характеризующаяся тем, что выполнена с обеспечением долговременной стабильности положения центра магнитооптической ловушки на уровне 50 микрометров.

18. Квантовая вычислительная система по п. 1, характеризующаяся тем, что блок управления магнитными полями реализован посредством двух многоканальных программируемых источников тока, при этом первый многоканальный программируемый источник тока содержит три выходных канала постоянного тока мощностью до 10 Вт каждый, с диапазоном установки тока от -800 мА до 800 мА и точностью установки 2 мА, а второй многоканальный программируемый источник тока имеет 2 канала мощностью до 400 Вт каждый, с диапазоном установки тока от -8 А до 8 А и точностью установки 10 мА.

19. Квантовая вычислительная система по п. 18, характеризующаяся тем, что первый многоканальный программируемый источник тока выполнен с возможностью обработки данных с трех внешних цифровых компасов для корректировки выходных токов в режиме реального времени.

20. Квантовая вычислительная система по п. 18, характеризующаяся тем, что первый многоканальный программируемый источник тока выполнен с обеспечением долговременной стабильности удержания постоянного магнитного поля на уровне 0,1 Гаусс.