量子信息的存储及传导的制作方法

本发明技术涉及量子信息的存储及操纵。一些实施例提供用于在具有以不同能量分隔开的量子状态的量子位之间传导量子信息的方法及设备。举例来说，本发明技术的一应用是将量子信息从具有对应于微波波长的能级分离的量子位传导到可见光子。本发明技术的另一应用是存储量子信息。本发明的另一应用是在多个量子位之间形成量子纠缠。

背景技术：

1、量子计算有可能使计算机科学彻底变革。在量子计算中，量子系统的状态用于表示数据。举例来说，粒子(例如电子)相对于磁场的自旋方向可表示二进制值1或0，这取决于自旋是定向为平行于磁场(下自旋)还是反平行于磁场(上自旋)。量子计算的一个优点是量子系统可处于状态叠加。举例来说，在某种意义上，量子系统可同时上自旋及下自旋。量子计算的另一优点来自不同量子系统的状态可被纠缠的事实。

2、制作量子计算机的一个困难是，在将量子系统设定为处于特定所要状态并且同时操纵量子系统以试图将其置于所要状态之后，量子系统可因与其环境相互作用而失去相干。此导致量子系统不再处于所要状态。一些量子系统在极短时间(例如，一纳秒左右时间)经历去相干。可通过使量子系统保持于极冷(例如，mk)温度来减小去相干对特定量子系统的影响。

3、仍需要将进一步推动量子计算进展的技术进步。

4、定义

5、“量子系统”是具有两个或更多个状态且可以两个或更多个状态的叠加存在的系统。举例来说，量子系统可包括粒子(例如电子、质子、中子、原子核、原子、原子群)、伪粒子(例如，声子、激子、磁子)、光子等等。

6、“量子相互作用”包含两个或更多个量子位的量子状态之间的相互作用。量子相互作用的实例包含状态传送相互作用及量子纠缠操作。

7、“量子相干”意指量子系统(例如量子位)的不同量子状态的相位之间的关系被保留的程度。

8、“量子去相干”是因量子系统与其环境之间的相互作用导致的系统的量子状态的改变。

9、“纠缠”在应用于两个或更多个量子系统时意指纠缠的量子系统中的任一者的量子状态无法独立于纠缠的量子系统中的其它者(另一者)的状态来描述。

10、“发光中心”意指具有激发态的量子系统，所述激发态可随着通过具有至少0.1德拜的跃迁偶极矩的跃迁发射可见光子而衰变到较低能量状态。在优选实施例中，发光中心在处于激发态时将经历50μs或更短的跃迁且以相对高概率(例如，1％或更大)发射可见光子。

11、“可见光子”意指具有在远红外线与紫外线之间的范围内的波长的电磁辐射的光子。具有在15μm到10nm的范围内的波长的光子是可见光子的实例。具有在2μm到380nm的范围内的波长的光子是可见光子的实例。

12、“量子位”意指可以可表示数据的状态的叠加存在的量子系统。量子位的实例是可定向为平行于磁场(“下自旋”)或反平行于磁场(“上自旋”)的粒子的量子自旋。举例来说，上自旋状态可与逻辑“1”相关联且下自旋状态可与逻辑“0”相关联。

13、“量子测量”意指通过其针对量子系统的可测量量确定值的过程。量子测量的实例是确定量子粒子的自旋是上自旋还是下自旋的过程。在量子系统处于量子状态叠加且可测量量针对量子状态中的每一者具有不同值的情况下，则量子测量的结果是量子系统将处于与在量子测量之后立即确定的值对应的量子状态中的一者。

14、“叠加”在应用于量子粒子或其它量子系统时意指量子系统同时以两个或更多个单独量子状态存在。举例来说，在磁场中具有非零自旋的量子粒子可同时处于两个不同自旋状态。

技术实现思路

1、本发明技术具有各种方面。这些包含但不限于：

2、·用于延长量子计算机中的量子位的相干时间的系统及方法；

3、·用于将数据提供到量子计算机中的量子位及从量子计算机中的量子位读取数据的系统及方法；

4、·用于使用可见光子来与其中状态以亚光能量分隔开的量子位相互作用的系统及方法；

5、·用于量子计算的系统及方法；

6、·用于使微波与可见光子纠缠的系统及方法；

7、这些方面可个别地应用或以任何组合应用。

8、本发明的一个方面提供一种用于存储量子信息的方法。所述方法包括提供处于将第一量子信息编码的第一量子状态的第一量子位。所述第一量子位具有以对应于微波频率的能量δesq分隔开的第一与第二经量化能级。在一些实施例中，所述第一量子位包括超导量子位。所述方法包括通过微波光子状态将所述第一量子位耦合到硅中的第一发光中心，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的量子状态经历量子相互作用，其中所述第一发光中心的所述量子状态将所述第一量子信息编码。

9、一些实施例包括将所述第一量子位与所述第一发光中心解耦合。

10、一些实施例包括将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心达基本上等于所述第一量子位及所述第一发光中心的两量子位拉比(rabi)频率的n个半周期的时间，其中n是奇整数。

11、在一些实施例中，所述第一发光中心具有以能量δelc1分隔开的第一与第二经量化能级，且将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心包括调整所述能量δelc1及所述能量δesq中的一者或两者使得δelc1与δesq基本上相等。

12、一些实施例包括通过将电场施加到所述第一发光中心而调整所述能量δelc1。一些实施例包括通过将rf驱动信号施加到所述第一发光中心而调整所述能量δelc1。一些实施例包括通过将应变施加到所述第一发光中心位于其中的所述硅而调整所述能量δelc1。在一些实施例中，所述第一发光中心是在磁场中，且所述方法包括通过改变所述发光中心处所述磁场的强度而调整所述能量δelc1。

13、在一些实施例中，所述第一发光中心拥有以能量差δelc2与所述第一能级分隔开的第三能级，且所述方法包括将所述第一发光中心的所述量子状态耦合到具有对应于δelc2的谐振频率的第一谐振器中的光子状态，使得所述第一谐振器中的所述光子状态将所述第一量子状态编码。在一些实施例中，所述第一谐振器中的所述光子状态是可见光子状态。在一些实施例中，所述第一谐振器中的所述光子状态对应于在约1μm到约5μm的范围内的光波长。

14、一些实施例包括将所述光子状态的光子递送到第二谐振器且将所述第二谐振器耦合到第二发光中心，使得所述第二发光中心的量子状态将所述第一量子信息编码。

15、在一些实施例中，使所述第一谐振器中的所述光子状态与第二谐振器中的另一光子状态纠缠，且所述方法包括将所述第二谐振器耦合到第二发光中心，使得所述第二发光中心的量子状态将所述第一量子信息编码。

16、一些实施例包括通过经由另一微波光子状态将所述第二发光中心耦合到第二物质量子位而以所述第二物质量子位的量子状态将所述第一量子信息编码，其中所述第二物质量子位及所述第二发光中心的量子状态参与量子相互作用，使得所述第二物质量子位的所述量子状态将所述第一量子信息编码。一些实施例包括将所述第二物质量子位与所述第二发光中心解耦合。一些实施例包括使所述光子状态与三个或更多个发光中心纠缠。一些实施例包括通过经由另一微波光子状态将所述第一发光中心耦合到所述第一量子位而将所述第一量子信息返回到所述第一量子位，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的量子状态参与量子状态传送相互作用，使得所述第一量子位的所述量子状态将所述第一量子信息编码。

17、在一些实施例中，所述第一发光中心包括硅晶体中的晶体缺陷。在一些实施例中，所述第一发光中心包括发光中心系集，其中所述系集中的所述发光中心中的每一者包括硅晶体中的晶体缺陷。

18、在一些实施例中，所述晶体缺陷包括t中心。在一些实施例中，所述晶体缺陷具有不成对基态自旋且包括i中心或m中心或al1中心或ga1中心或氮-碳中心或者硅损坏中心。

19、在一些实施例中，其中所述晶体缺陷包括具有电子自旋的电子及具有空穴自旋的空穴中的至少一者，且所述第一发光中心的所述第一及第二经量化能级分别包括所述电子或所述空穴的下自旋状态及上自旋状态。在一些实施例中，所述晶体缺陷包括至少一个核自旋，且所述方法进一步包括以所述核自旋的量子状态将所述电子或所述空穴的量子状态编码，使得所述核自旋将所述第一量子信息编码。

20、在一些实施例中，所述晶体缺陷包括至少一个不成对电子或空穴自旋及至少一个核自旋，且所述方法进一步包括以所述至少一个不成对电子或空穴自旋与所述至少一个核自旋的联合量子状态将所述第一量子信息编码。在一些实施例中，以所述不成对电子或空穴自旋与所述核自旋的所述联合量子状态将所述第一量子信息编码包括引起交叉跃迁。在一些实施例中，所述交叉跃迁包括电子偶极自旋谐振(edsr)跃迁。一些实施例包括通过将所述不成对电子或空穴自旋设定为具有经初始化量子状态且引起所述不成对电子或空穴自旋及/或所述核自旋的自旋跃迁而恢复所述第一量子信息。

21、在一些实施例中，所述晶体缺陷包括多个核自旋，且所述方法包括：

22、以所述核自旋中的第一者将所述第一量子信息编码；

23、致使所述第一量子位将第二量子信息编码；

24、通过第二微波光子状态将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心，使得所述第一量子位及所述第一发光中心的电子或空穴的量子状态经历量子相互作用且所述第一发光中心的所述电子或空穴的所述量子状态将所述第二量子信息编码；

25、将所述第一量子位与所述第一发光中心解耦合；及

26、以所述核自旋中的第二者的量子状态将所述电子或空穴的所述量子状态编码，使得所述核自旋中的所述第二者将所述第二量子信息编码。

27、一些实施例包括在将所述第一量子位耦合到所述第一发光中心之前通过以光脉冲照明所述晶体缺陷中心而形成束缚激子。一些实施例包括以所述空穴的自旋状态将所述第一量子信息编码。在一些实施例中，所述发光中心包括硅晶体中的杂质原子。

28、在一些实施例中，所述杂质原子包括双施体原子。在一些实施例中，所述双施体是硒、碲或硫原子。

29、在一些实施例中，所述硅晶体中的至少95％的硅原子是硅-28。

30、在一些实施例中，所述第一量子位是在第一冷冻器中且所述第二物质量子位是在第二冷冻器中，且所述第一与第二谐振器是通过在所述第一及第二冷冻器外部经过的光学路径而连接。在一些实施例中，在所述第一及第二冷冻器外部的所述光学路径的至少一部分处于大于δesq/kb的温度，其中kb是波兹曼(boltzmann)常数。在一些实施例中，所述光学路径包括光纤。在一些实施例中，δesq是1.3mev或更小。

31、在一些实施例中，所述第一量子位是超导量子位。在一些实施例中，所述第一量子位包括量子点或离子阱。

32、本发明的另一方面提供一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的方法。所述方法包括：将具有具以能量δe1分隔开的对应能级的两个量子状态的超导量子位耦合到硅中的发光中心，所述发光中心具有具以接近δe1的能量分隔开的对应能级的第一及第二量子状态以及具有分别以能量δe2及δe3与对应于所述第一及第二状态的所述能级分隔开的对应能级的第三及第四量子状态，及随后将所述发光中心耦合到光学结构，所述光学结构支持具有对应于所述能量δe2及/或δe3的频率的光子模式。

33、在一些实施例中，δe2≠δe3。

34、在一些实施例中，将所述超导量子位耦合到所述发光中心是通过具有对应于所述能量δe1的微波谐振频率的谐振器执行。

35、一些实施例包括维持所述超导量子位与所述发光中心之间的所述耦合达等于所述经耦合超导量子位及所述发光中心的两量子位拉比频率的奇数个周期的时间且接着将所述超导量子位与所述发光中心解耦合。

36、在一些实施例中，所述光学结构是光学谐振器。

37、一些实施例包括检测所述光学结构中的光子。

38、本发明的另一方面提供一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的方法。所述方法包括通过微波光子使所述超导量子位的所述量子状态与发光中心的量子状态纠缠；及随后使所述发光中心的所述量子状态与可见光子状态纠缠。

39、一些实施例包括在使所述发光中心的所述量子状态与所述可见光子纠缠之前操纵所述发光中心的所述量子状态。

40、本发明的另一方面提供一种用于存储第一量子信息的方法。所述方法包括：耦合具有第一量子状态的量子位与硅中的t中心中的电子自旋或空穴自旋以将所述第一量子状态传送到所述电子自旋或空穴自旋的量子状态；及将所述电子自旋或空穴自旋与所述量子位解耦合。

41、一些实施例包括随后引起所述电子自旋或空穴自旋的所述量子状态与所述t中心的多个核自旋中的第一核自旋的量子状态之间的量子相互作用，使得以所述第一核自旋将所述第一量子信息中的一些或全部编码。

42、一些实施例包括将所述量子位设定为具有第二量子状态；及

43、耦合所述量子位与所述t中心中的所述电子自旋或空穴自旋以将所述第二量子状态传送到所述电子自旋或空穴自旋。

44、一些实施例包括将所述电子自旋或空穴自旋与所述量子位解耦合；及

45、随后将所述电子自旋或空穴自旋的所述量子状态传送到所述t中心的所述多个核自旋中的第二核自旋的量子状态。

46、本发明的另一方面提供一种用于存储量子信息的设备。所述设备包括：第一量子位，其具有以对应于微波频率的能量δesq分隔开的第一与第二经量化能级；硅中的发光中心，其具有以能量δelc1分隔开的第一与第二经量化能级；及用于通过微波光子将所述第一量子位耦合到所述发光中心的构件。

47、在一些实施例中，所述第一量子位是超导量子位。

48、在一些实施例中，所述第一量子位是量子点或离子阱。

49、在一些实施例中，所述用于耦合的构件包括微波谐振器。

50、在一些实施例中，所述用于耦合的构件包括用于调整所述能量δelc1及所述能量δesq中的一者或两者使得δelc1与δesq基本上相等的构件。

51、一些实施例包括用于将所述第一量子位耦合到所述发光中心达基本上等于所述第一量子位及所述发光中心的两量子位拉比频率的n个半周期的时间的构件，其中n是奇整数。

52、在一些实施例中，所述发光中心包括t中心。

53、在一些实施例中，所述发光中心包括t中心系集。

54、一些实施例包括用于将所述t中心的不成对电子选择性地耦合到所述t中心的核自旋的构件。

55、在一些实施例中，所述发光中心是在硅衬底中且所述第一量子位是支撑在所述硅衬底上。

56、本发明的另一方面提供一种用于将超导量子位的量子状态传送到可见光子的设备。所述设备包括：超导量子位，其具有具以能量δe1分隔开的对应能级的两个量子状态；硅中的发光中心，其具有具以接近δe1的能量分隔开的对应能级的第一及第二量子状态以及具有分别以能量δe2及δe3与对应于所述第一及第二量子状态的所述能级分隔开的对应能级的第三及第四量子状态；用于将所述超导量子位耦合到所述发光中心的构件；及用于将所述发光中心耦合到光学结构的构件，所述光学结构支持具有对应于所述能量δe2及/或δe3的频率的光子模式。

57、本发明的另一方面提供一种用于在多个间隔开的量子位当中形成量子纠缠的方法。所述量子位中的每一者具有以对应于微波频率的能量δesq分隔开的第一与第二经量化能级。所述方法包括：通过微波光子状态将所述量子位中的每一者耦合到硅中的对应发光中心，所述发光中心具有至少第一、第二及第三经量化能级，其中所述第一与第二能级以对应于所述微波光子状态的能量的能量差分隔开且所述第一与第三能级以对应于可见光子的能量的能量差分隔开；及通过光学结构将所述发光中心中的每一者耦合到所述对应发光中心中的其它者，所述光学结构支持一或多个可见光子状态，所述一或多个可见光子状态具有对应于所述发光中心在所述第一与第三能级之间的量子跃迁的能量。

58、本发明的另一方面提供一种用于量子计算的方法。所述方法包括：将量子信息作为量子位状态存储于硅晶体中的缺陷中，其中所述缺陷包括多个杂质原子，所述多个杂质原子共同包含具有对应电子自旋状态的至少一个不成对电子及各自具有对应核自旋状态的多个核自旋；及将所述自旋状态中的一者设定为表示所述量子位信息且使用多个所述核自旋对所述量子位信息进行量子错误校正或错误检测。

59、一些实施例包括使用所述多个核自旋进行多数决局部错误校正。

60、一些实施例包括使用所述多个核自旋作为用于以逻辑量子位将所述量子位信息编码的辅助。

61、在一些实施例中，所述缺陷包括t中心、i中心或m中心。

62、在一些实施例中，所述缺陷包括t中心。

63、在一些实施例中，所述核自旋的不同核自旋状态之间的跃迁的能级针对所述核自旋中的不同者是不同的。

64、本发明的另一方面提供一种用于量子纠缠纯化的方法。所述方法包括：提供硅晶体中的第一及第二缺陷，其中所述第一及第二缺陷各自包括包含电子或空穴自旋的操作量子位及包含核自旋的至少一个存储器量子位；及使所述第一及第二缺陷的所述操作量子位的量子状态纠缠；通过状态传送将所述纠缠传送到所述第一及第二缺陷中的每一者的所述至少一个存储器量子位。

65、一些实施例包括重复以下步骤：使所述第一及第二缺陷的所述操作量子位的量子状态纠缠；及通过状态传送将所述纠缠传送到所述第一及第二缺陷中的每一者的所述至少一个存储器量子位。

66、在一些实施例中，所述缺陷包括t中心、i中心或m中心。在一些实施例中，所述缺陷包括t中心。

67、本发明的另一方面提供一种用于将量子信息存储于硅晶体中的缺陷中的方法。所述方法包括：设定所述缺陷的电子或空穴自旋的量子状态以将第一量子信息编码且将所述缺陷的第一核自旋初始化到第一初始核自旋状态；及以第一光子照明所述缺陷，所述第一光子具有与涉及所述电子或空穴自旋及所述第一核自旋的第一自旋跃迁的能量匹配的第一波长。

68、一些实施例包括设定所述缺陷的所述电子或空穴自旋的量子状态以将第二量子信息编码且将所述缺陷的第二核自旋初始化到第二初始核自旋状态；及以第二光子照明所述缺陷，所述第二光子具有与涉及所述电子或空穴自旋及所述第二核自旋的第二自旋跃迁的能量匹配的第二波长。

69、在一些实施例中，所述第一跃迁是交叉跃迁。

70、在一些实施例中，以相干pi脉冲的形式提供所述第一光子。

71、在一些实施例中，所述缺陷包括t中心、i中心或m中心。

72、在一些实施例中，所述缺陷包括t中心。

73、在附图中图解说明及/或在以下说明中描述其它方面及实例实施例。

74、需要强调的是，本发明涉及以上特征的所有组合，即使这些是在不同技术方案中叙述。