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(jì)算模式以滿足應(yīng)用對(duì)更高性能的進(jìn)一步需求。量子計(jì)算是量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的新型交叉學(xué)科，在特定問(wèn)題求解上具有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，被公認(rèn)為是新型高性能計(jì)算領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。國(guó)際上圍繞量子計(jì)算機(jī)物理實(shí)現(xiàn)的研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，離子阱量子計(jì)算物理系統(tǒng)以其相干時(shí)間長(zhǎng)、邏輯操作保真度高等優(yōu)勢(shì)，成為量子計(jì)算物理系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。
　　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(rèn)為是實(shí)現(xiàn)多離子量子比特信息處理的有效途徑。本文針對(duì)面向多量子比特的表面電極離子阱芯片，研究其設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(jì)了相應(yīng)的優(yōu)化仿

3、真軟件套件。實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)離子阱芯片平臺(tái)上支持5種目前學(xué)術(shù)界主流的離子阱操作模式，增強(qiáng)離子阱芯片的重用性，并能有效降低實(shí)驗(yàn)的啟動(dòng)時(shí)間開銷（主要是節(jié)省超高真空抽調(diào)的時(shí)間）。軟件套件可用于優(yōu)化離子阱芯片電極尺寸、計(jì)算控制離子經(jīng)典輸運(yùn)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(tái)。
　　2）提出一種靈活的表面電極離子阱芯片二維擴(kuò)展優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。從有限元方法得到啟發(fā)，利用網(wǎng)格劃分策略可實(shí)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(qiáng)的缺點(diǎn)。另外，自變量的個(gè)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(gè)數(shù)的性能，進(jìn)而對(duì)比得到最優(yōu)個(gè)數(shù)。任意個(gè)數(shù)的自變量?jī)?yōu)化方式進(jìn)一步增強(qiáng)了方法的靈活性。性能的表征采用本文提出的混合多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，有效降低了各子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重因子的選擇難度。目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算過(guò)程中引入“空間換時(shí)間”策略，節(jié)省優(yōu)化時(shí)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(jì)模型。非諧勢(shì)阱的理論分析通

5、常只包含低階項(xiàng)，用于芯片設(shè)計(jì)時(shí)精度不夠，而引入高階項(xiàng)后問(wèn)題的可解性受限，本文提出的量化分析模型兼顧設(shè)計(jì)精度和計(jì)算可行性。利用二次規(guī)劃方法對(duì)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(shí)際需要的活躍電極個(gè)數(shù)以及所施加的電壓等）對(duì)離子囚禁個(gè)數(shù)和囚禁間距的影響，進(jìn)而給出非諧表面電極離子阱芯片體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)權(quán)衡。
　　4）提出利用高維量子比特執(zhí)行Shor算法時(shí)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(gè)數(shù)?；谔岢?/p>

6、的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)Shor算法的三進(jìn)制執(zhí)行。并以分解21為例，設(shè)計(jì)了具體的算法實(shí)驗(yàn)演示方案，即將其量子線路編碼到非諧勢(shì)阱中單個(gè)離子的振動(dòng)聲子態(tài)上。在演示方案中利用優(yōu)化控制理論來(lái)迭代計(jì)算振動(dòng)聲子態(tài)的操控電場(chǎng)，可以將整個(gè)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(jìn)制Shor算法一步執(zhí)行時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移的平均概率可達(dá)到0.9919。
　　5）根據(jù)本文前四個(gè)研究?jī)?nèi)容給出的芯片設(shè)計(jì)權(quán)衡，設(shè)計(jì)并制備了一款線性表面電極離子阱芯