面向多量子比特的表面電極離子阱芯片.pdf

1、目前，半導(dǎo)體晶體管特征尺寸正逐漸縮減至物理極限，量子效應(yīng)不可避免，必須探索新型計算模式以滿足應(yīng)用對更高性能的進一步需求。量子計算是量子力學(xué)和計算機科學(xué)的新型交叉學(xué)科，在特定問題求解上具有超越經(jīng)典計算機的能力，被公認為是新型高性能計算領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。國際上圍繞量子計算機物理實現(xiàn)的研究已經(jīng)取得了顯著的進展，離子阱量子計算物理系統(tǒng)以其相干時間長、邏輯操作保真度高等優(yōu)勢，成為量子計算物理系統(tǒng)研究的熱點。
　　離子阱系統(tǒng)面臨的難題是操控多

2、離子量子比特。得益于成熟的半導(dǎo)體工藝，表面電極離子阱芯片被認為是實現(xiàn)多離子量子比特信息處理的有效途徑。本文針對面向多量子比特的表面電極離子阱芯片，研究其設(shè)計和制備的關(guān)鍵技術(shù)，主要從離子阱芯片的可配置體系結(jié)構(gòu)、二維陣列和一維線性結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、以及在非諧離子阱芯片中利用高維量子比特優(yōu)化Shor算法執(zhí)行等方面展開工作。本文的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1）提出一種可配置線性表面電極離子阱芯片體系結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了相應(yīng)的優(yōu)化仿

3、真軟件套件。實現(xiàn)在同一個離子阱芯片平臺上支持5種目前學(xué)術(shù)界主流的離子阱操作模式，增強離子阱芯片的重用性，并能有效降低實驗的啟動時間開銷（主要是節(jié)省超高真空抽調(diào)的時間）。軟件套件可用于優(yōu)化離子阱芯片電極尺寸、計算控制離子經(jīng)典輸運的電學(xué)參數(shù)等。根據(jù)理論分析和模擬仿真，本文提出的可配置結(jié)構(gòu)可以作為一種統(tǒng)一的量子信息處理平臺。
　　2）提出一種靈活的表面電極離子阱芯片二維擴展優(yōu)化設(shè)計方法。從有限元方法得到啟發(fā)，利用網(wǎng)格劃分策略可實現(xiàn)各種不

4、同部件的射頻電極優(yōu)化，克服了現(xiàn)有方法專用性強的缺點。另外，自變量的個數(shù)也可以任意選擇，然后利用蟻群算法搜索不同自變量個數(shù)的性能，進而對比得到最優(yōu)個數(shù)。任意個數(shù)的自變量優(yōu)化方式進一步增強了方法的靈活性。性能的表征采用本文提出的混合多目標優(yōu)化函數(shù)，有效降低了各子目標函數(shù)權(quán)重因子的選擇難度。目標函數(shù)的計算過程中引入“空間換時間”策略，節(jié)省優(yōu)化時間。
　　3）提出基于線性方程組的非諧表面電極離子阱芯片量化分析設(shè)計模型。非諧勢阱的理論分析通

5、常只包含低階項，用于芯片設(shè)計時精度不夠，而引入高階項后問題的可解性受限，本文提出的量化分析模型兼顧設(shè)計精度和計算可行性。利用二次規(guī)劃方法對模型快速求解，可分析體系結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括電極寬度、電極間距、實際需要的活躍電極個數(shù)以及所施加的電壓等）對離子囚禁個數(shù)和囚禁間距的影響，進而給出非諧表面電極離子阱芯片體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計權(quán)衡。
　　4）提出利用高維量子比特執(zhí)行Shor算法時的量子線路優(yōu)化策略，從而有效減少基本量子邏輯門的使用個數(shù)?；谔岢?/p>

6、的優(yōu)化策略，實現(xiàn)Shor算法的三進制執(zhí)行。并以分解21為例，設(shè)計了具體的算法實驗演示方案，即將其量子線路編碼到非諧勢阱中單個離子的振動聲子態(tài)上。在演示方案中利用優(yōu)化控制理論來迭代計算振動聲子態(tài)的操控電場，可以將整個算法一步執(zhí)行完成，也可串行地執(zhí)行量子邏輯門。數(shù)值模擬結(jié)果表明：將三進制Shor算法一步執(zhí)行時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移的平均概率可達到0.9919。
　　5）根據(jù)本文前四個研究內(nèi)容給出的芯片設(shè)計權(quán)衡，設(shè)計并制備了一款線性表面電極離子阱芯