KR20240019110A - System and method using multilayer optical lattice qubit arrays for quantum computing - Google Patents
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Abstract
양자 컴퓨팅(QC) 시스템은 제1의 실질적인 평면 영역 내에 제1의 복수의 논리 큐비트들 및 상기 제1의 실질적인 평면 영역과 실질적으로 평행한 제2의 실질적인 평면 영역 내에 제2의 복수의 논리 큐비트들을 포함한다. 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하도록 구성되며, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하고, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록 구성된다. 상기 QC 시스템은 상기 제1 및 제2의 실질적인 평면 영역들과 실질적으로 평행한 추가적인 실질적인 평면 영역들 내에 추가적인 복수들의 논리 큐비트들을 포함할 수 있으며, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 상기 추가적인 복수들의 논리 큐비트들 중의 하나 또는 그 이상과 상호 작용하도록 구성될 수 있다.A quantum computing (QC) system includes a first plurality of logical qubits in a first substantially planar region and a second plurality of logical queues in a second substantially planar region substantially parallel to the first substantially planar region. Contains bits. At least some of the first plurality of logical qubits are configured to interact with each other, and at least some of the second plurality of logical qubits are configured to interact with each other, and the first plurality of logical qubits are configured to interact with each other. It is configured to interact with at least some of the The QC system may include an additional plurality of logical qubits in additional substantially planar regions substantially parallel to the first and second substantially planar regions, wherein at least one of the second plurality of logical qubits Some may be configured to interact with one or more of the additional plurality of logical qubits.
Description
본 출원은 대체로 양자 컴퓨팅(QC)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 하나 이상의 차원의 격자 어레이 구조들을 채용하는 양자 컴퓨터 아키텍처들에 관한 것이다.This application relates generally to quantum computing (QC), and more particularly to quantum computer architectures employing lattice array structures of one or more dimensions.
확장 가능한 양자 컴퓨팅을 지향하는 기술 이력들은 다양해지고 있다. 다양한 장점의 모형들에서 입증된 성능은 각 접근 방식에 의해 채용되는 물리적 퀀텀 비트(quantum bit)("큐비트(qubit)"로도 호칭됨)의 유형에 따라 폭넓게 변화되고 있다. 포획된 원자 이온들 또는 초전도 큐비트들에 기초하는 접근 방식들이 20여년에 걸쳐 해당 기술 분야를 지속적으로 이끌어왔다. 포획 리드베르크(Rydberg) 원자 접근 방식들의 최근의 진전은 해당 기술 분야에서 이들의 성공 가능성과 중요성을 증가시키고 있다.The technological history toward scalable quantum computing is becoming more diverse. Demonstrated performance across models of varying merit varies widely depending on the type of physical quantum bit (also called “qubit”) employed by each approach. Approaches based on trapped atomic ions or superconducting qubits have continued to lead the field for over two decades. Recent advances in captured Rydberg atom approaches are increasing their potential for success and importance in this field.
본 발명은 하나 이상의 차원의 격자 어레이 구조들을 채용하는 양자 컴퓨터 아키텍처들을 제공한다.The present invention provides quantum computer architectures employing lattice array structures of one or more dimensions.
여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 둘 이상의 논리 큐비트들(예를 들어, 각 논리 큐비트는 하나 또는 그 이상의 물리적 큐비트들을 포함함)이 동시에 얽힐 수 있는 양자 게이트들을 구현하고 상호 연결하기 위해 하나 이상의 차원의 격자 어레이 구조를 채용하는 양자 컴퓨터 아키텍처를 제공한다. 여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 재구성의 정도를 유리하게 제공할 수 있는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA)들과 유사하게 양자 처리 칩들을 위한 양자 마이크로프로세서 구성 및 게이트 어레이 설계 플랫폼들을 제공한다. 여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 특정된 적용에 대해 최적화될 수 있고, 고객맞춤 설계 유연성을 유리하게 제공할 수 있는 응용 주문형 집적 회로(ASIC)들과 유사한 양자 처리 칩들 또는 보드들(예를 들어, 전기적 및/또는 광학적 회로들; 집적 광학 격자들)을 위한 양자 마이크로프로세서 구성 및 게이트 어레이 설계 플랫폼들을 제공한다.Certain implementation examples disclosed herein include one or more to implement and interconnect quantum gates in which two or more logical qubits (e.g., each logical qubit comprising one or more physical qubits) can be simultaneously entangled. Provides a quantum computer architecture employing a three-dimensional lattice array structure. Certain implementations disclosed herein provide quantum microprocessor architecture and gate array design platforms for quantum processing chips similar to field programmable gate arrays (FPGAs) that can advantageously provide a degree of reconfigurability. Certain implementations disclosed herein include quantum processing chips or boards (e.g., application specific integrated circuits (ASICs)) that can be optimized for a particular application and advantageously provide custom design flexibility. Quantum microprocessor architecture and gate array design platforms for electrical and/or optical circuits (integrated optical gratings) are provided.
여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 서로 실질적으로 평행한 복수의 실질적인 평면 영역들(예를 들어, 평면들; 층들) 내에 실질적으로 배열되는 복수의 큐비트들을 포함하는 양자 컴퓨팅(QC) 시스템을 제공하며, 상기 실질적인 평면 영역들 중의 적어도 일부는 둘 또는 그 이상의 큐비트들을 포함하고, 각 실질적인 평면 영역의 하나 또는 그 이상의 큐비트들은 적어도 하나의 인접하는 실질적인 평면 영역의 하나 또는 그 이상의 큐비트들과 상호 작용하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 QC 시스템은 복수의 2D 격자 층들(예를 들어, 원자; 광자)을 포함할 수 있으며, 상기 격자 층들은 실질적으로 평행하고, 상기 QC 시스템은 다중 격자 층들에 걸치는 영역 내에 위치하는 복수의 다중 큐비트 게이트들로서 배열되는 상기 복수의 큐비트들을 구비하는 다중 큐비트 게이트 어레이를 포함할 수 있다. 상기 다중 큐비트 게이트 어레이는 질소 공공(nitrogen-vacancy) 또는 NV 센터들(예를 들어, 다이아몬드 또는 다른 결정 내에 제작되는), 포획 보스-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate)(BEC)들의 어레이들, 그리고 다른 것들과 같은 다층의 격자 층들 내에 구속되는 천연(예를 들어, 대전되지 않은) 원자들, 리드베르크(Rydberg) 원자들 및/또는 다른 큐비트들을 포함하거나 및/또는 선택적으로 처리하도록 구성되는 격자들을 포함할 수 있다. 이러한 특정한 예들에서, 이들 실질적으로 평행한 격자 층들은 복수의 실질적인 평면 영역들(예를 들어, 평면들; 레벨들) 내에 실질적으로 배열될 수 있으며, 적어도 하나의 실질적인 평면 영역의 상기 큐비트들의 적어도 일부는 적어도 하나의 다른(예를 들어, 인접하는) 실질적인 평면 영역의 큐비트들 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록(예를 들어, 양자 역학적으로 얽히도록) 구성된다.Certain implementations disclosed herein provide a quantum computing (QC) system comprising a plurality of qubits arranged substantially within a plurality of substantially planar regions (e.g., planes; layers) that are substantially parallel to each other, , at least some of the substantially planar regions include two or more qubits, and one or more qubits of each substantially planar region interact with one or more qubits of at least one adjacent substantially planar region. It is configured to work. For example, the QC system may include a plurality of 2D grid layers (e.g., atomic; photonic), the grid layers being substantially parallel, and the QC system located within a region spanning multiple grid layers. It may include a multi-qubit gate array having the plurality of qubits arranged as a plurality of multi-qubit gates. The multi-qubit gate array is comprised of nitrogen-vacancy or NV centers (e.g., fabricated in diamond or other crystals), arrays of trapped Bose-Einstein condensates (BECs). , and/or configured to selectively process natural (e.g., uncharged) atoms, Rydberg atoms, and/or other qubits, confined within multiple lattice layers, and/or others. It can include grids that are In certain such examples, these substantially parallel grid layers may be substantially arranged within a plurality of substantially planar regions (e.g., planes; levels), and at least one of the qubits of at least one substantially planar region may be substantially parallel. Some are configured to interact (e.g., become quantum mechanically entangled) with at least some of the qubits of at least one other (e.g., adjacent) substantially planar region.
여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 3차원(3D) 격자 구조들의 어레이들로서 배열되는(예를 들어, 게이트들을 형성하도록) 다중의 전체적으로 연결된 큐비트들을 구비하는 격자 구성들을 포함하며, 동시의 다중 큐비트 게이트 동작들은 기하학적 레이아웃들로 배열되는 큐비트들에 의해 가능하게 된다. 여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 최적으로 효율적인 양자 컴퓨터를 제작하기 위해 공통적인 세트의 중요한 도전 과제들을 처리한다. 이들 과제들 중에서 주요한 것은 다수의 큐비트 양자 게이트 동작들까지 자연적으로 또는 단일 게이트 동작에서 기하학적으로 영향을 미치기 위해 어떻게 구현 가능한 최대 숫자의 최근접 이웃(nearest neighbor), 다음의 최근접 이웃, 다음다음의 최근접 이웃 등의 큐비트들이 동시에 얽힐 수 있는 큐비트들의 기하학적 구조들을 제작할 것인가이다(예를 들어, 각기 여기에 전체적으로 참조로 포함되는 2021년 5월 7일에 출원된 미국 공개 임시 특허 출원 제63/186,037호; 2020년 11월 5일에 출원된 미국 공개 특허 출원 제17/090,747호; 2019년 11월 8일에 출원된 미국 공개 임시 특허 출원 제62/933,148호 참조).Particular implementations disclosed herein include lattice configurations having multiple globally connected qubits arranged as arrays of three-dimensional (3D) lattice structures (e.g., to form gates), and supporting multiple qubits simultaneously. Gate operations are made possible by qubits arranged in geometric layouts. The specific implementation examples disclosed herein address a common set of important challenges for building optimally efficient quantum computers. Chief among these challenges is how to implement the maximum number of nearest neighbors, next-nearest neighbors, next-next, etc. to effect multi-qubit quantum gate operations naturally or geometrically from a single gate operation. How to fabricate geometries of qubits in which qubits, such as their nearest neighbors, can be entangled simultaneously (e.g., U.S. Published Provisional Patent Application filed May 7, 2021, each of which is incorporated herein by reference in its entirety) No. 63/186,037; U.S. Published Provisional Patent Application No. 17/090,747, filed November 5, 2020; U.S. Published Provisional Patent Application No. 62/933,148, filed November 8, 2019).
특정한 구현 예들에서, 양자 컴퓨팅(QC) 시스템은 제1의 실질적인 평면 영역 내에 제1의 복수의 논리 큐비트들 및 상기 제1의 실질적인 평면 영역과 실질적으로 평행한 제2의 실질적인 평면 영역 내에 제2의 복수의 논리 큐비트들을 포함한다. 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하도록 구성되며, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하도록 구성되고, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록 구성된다. 특정한 구현 예들에서, 상기 QC 시스템은 상기 제1 및 제2 실질적인 평면 영역들과 실질적으로 평행한 추가적인 실질적인 평면 영역들 내에 추가적인 복수들의 논리 큐비트들을 포함하며, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 상기 추가적인 복수들의 논리 큐비트들 중의 하나 또는 그 이상과 상호 작용하도록 구성된다.In certain implementations, a quantum computing (QC) system may include a first plurality of logical qubits within a first substantially planar region and a second plurality of logical qubits within a second substantially planar region substantially parallel to the first substantially planar region. It includes a plurality of logical qubits. At least some of the first plurality of logical qubits are configured to interact with each other, and at least some of the second plurality of logical qubits are configured to interact with each other, and the first plurality of logical qubits are configured to interact with each other. configured to interact with at least some of the bits. In certain implementations, the QC system includes an additional plurality of logical qubits in additional substantially planar regions substantially parallel to the first and second substantially planar regions, wherein the second plurality of logical qubits at least some of which are configured to interact with one or more of the additional plurality of logical qubits.
특정한 구현 예들에서, 양자 컴퓨팅(QC) 시스템은 2차원 이상을 가지는 다중 큐비트 격자 어레이 내에 양자 게이트들을 형성하는 논리 큐비트들을 포함하도록 구성되는 복수의 구속 영역(confinement region)들을 포함한다. 상기 양자 게이트들은 1- 및 2-큐비트 게이트들의 연결들에 의존하지 않고 셋 또는 그 이상의 논리 큐비트들을 자연적으로 수반하는 양자 논리 연산들을 수행하도록 구성된다.In certain implementations, a quantum computing (QC) system includes a plurality of confinement regions configured to contain logical qubits that form quantum gates within a multi-qubit lattice array having two or more dimensions. The quantum gates are configured to perform quantum logic operations that naturally involve three or more logical qubits without relying on connections of 1- and 2-qubit gates.
본 명세서의 일부로서 포함되고 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 여기에 설명되는 하나 또는 그 이상의 구현 예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 이들 구현 예들을 설시한다.
도 1은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 실질적인 평면 영역들을 포함하는 예시적인 양자 컴퓨팅(QC) 시스템의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 2a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 서로 실질적으로 평행한 셋의 실질적인 평면 영역들 내에 36의 논리 큐비트들을 포함하는 예시적인 시스템의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 2b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 서로 실질적으로 평행한 셋의 실질적인 평면 영역들 내에 60의 논리 큐비트들을 포함하는 다른 예시적인 시스템의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 3a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 서로 실질적으로 평행한 셋의 실질적인 평면 영역들(예를 들어, 도 2a 및 도 2b의 예시적인 시스템들과 호환될 수 있는) 내에 배열되는 복수의 논리 큐비트들의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 3b 및 도 3c는 각기 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 서로 실질적으로 평행한 다섯의 실질적인 평면 영역들 내에 배열되는 복수의 논리 큐비트들의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 각기 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 대응되는 복수의 논리 큐비트들을 각기 포함하는 셋의 평면 영역들을 구비하는 예시적인 시스템의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 각기 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 대응되는 복수의 논리 큐비트들을 각기 포함하는 셋의 평면 영역들을 구비하는 예시적인 다른 시스템의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 5c는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 도 5b의 경우와 유사한 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 각기 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 대응되는 복수의 큐비트들을 각기 포함하는 셋의 평면 영역들을 구비하는 또 다른 예시적인 시스템의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 6c는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 도 6b의 경우와 유사한 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 6d 및 도 6e는 각기 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 대응되는 복수의 큐비트들을 각기 포함하는 셋의 평면 영역들을 구비하는 또 다른 예시적인 시스템의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 6f는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 도 6e의 경우와 유사한 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 7a-도 7e는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 다중의 2D 평면 광학 트랩 영역들 사이에 형성되고, 복수의 어드레싱 레이저 광속들을 가지는 예시적인 다중 큐비트 게이트 셀(예를 들어, 중심 내의 타겟 큐비트 및 다른 곳의 컨트롤 큐비트들을 구비하여 파이로클로르 구성으로 21의 큐비트들을 가지는 C20NOT 게이트 셀 또는 C20φ 게이트 셀)의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 8a-도 8e는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 트래핑 레이저 광속들의 다양한 도면들을 개략적으로 예시한다.
도 9a-도 9b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 트래핑 레이저 광속들의 교차하는 어레이들에 의해 생성되는 3층의 10 x 10원자 트랩 격자의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 9c는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 도 9a-도 9b의 구조의 상면도를 개략적으로 예시한다.
도 10a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 세 세트들의 어드레싱 레이저 광속들 및 트래핑 레이저 광속들의 둘의 교차하는 어레이들을 구비하는 3층의 10 x 10 원자 격자를 포함하는 부분적으로 조립된 QC 시스템의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 10b-도 10d는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 10a의 세 세트들의 어드레싱 레이저 광속들 및 트래핑 레이저 광속들의 둘의 교차하는 어레이들의 다른 방향들로부터의 다른 도면들을 도시한다.
도 10e는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 네 세트들의 어드레싱 레이저 광속들 및 트래핑 레이저 광속들의 둘의 교차하는 어레이들을 구비하는 3층의 10 x 10 원자 격자를 포함하는 다른 부분적으로 조립된 QC 시스템의 사시도를 개략적으로 예시한다.
도 10f-도 10h는 여기에 설명되는 특정한 다른 구현 예들에 따라 도 10e의 네 세트들의 어드레싱 레이저 광속들 및 트래핑 레이저 광속들의 둘의 교차하는 어레이들의 다른 방향들로부터의 다른 도면들을 도시한다.
도 11a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 제1 광 검출기 포트(242a)를 통해 관찰되는 도 9a-도 9c 및 도 10a-도 10d의 3층의 10 x 10 3D 원자 격자의 도면들 개략적으로 예시한다.
도 11b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 도 11a의 구조의 측부 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 12는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 도 8e, 도 9a, 도 10a 및 도 11a에 대응되는 예시적인 조립된 QC 시스템의 예시적인 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 13은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 다양한 다중 큐비트 격자 어레이들을 위해 정해진 게이트 충실도들에서 동시에 얽힐 수 있는 큐비트들의 전체 숫자를 비교하는 셋의 표들을 도시한다.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate one or more implementations described herein and set forth these implementations together with the detailed description of the invention.
1 schematically illustrates a perspective view of an example quantum computing (QC) system including substantially planar regions in accordance with certain implementation examples described herein.
FIG. 2A schematically illustrates a perspective view of an example system including 36 logical qubits within three substantially planar regions substantially parallel to each other in accordance with certain implementations described herein.
FIG. 2B schematically illustrates a perspective view of another example system including 60 logical qubits within three substantially planar regions substantially parallel to each other in accordance with certain implementations described herein.
3A illustrates a plurality of logic arrays arranged within three substantially planar regions substantially parallel to each other (e.g., compatible with the example systems of FIGS. 2A and 2B) in accordance with certain implementations described herein. A perspective view of qubits is schematically illustrated.
3B and 3C each schematically illustrate a perspective view of a plurality of logical qubits arranged within five substantially planar regions substantially parallel to each other in accordance with specific implementation examples described herein.
4A and 4B each show top views (e.g., along the z-axis) of an example system having a set of planar regions each containing a corresponding plurality of logical qubits according to specific implementations described herein. (following) and a perspective view are schematically illustrated.
5A and 5B each show top views (e.g., z- along axis) and perspective views are schematically illustrated.
Figure 5C schematically illustrates a perspective view similar to the case of Figure 5B according to specific implementation examples described herein.
6A and 6B are top views (e.g., z- along axis) and perspective views are schematically illustrated.
Figure 6C schematically illustrates a perspective view similar to the case of Figure 6B according to specific implementation examples described herein.
6D and 6E each show top views (e.g., z- along axis) and perspective views are schematically illustrated.
Figure 6F schematically illustrates a perspective view similar to the case of Figure 6E according to specific implementation examples described herein.
7A-7E illustrate an example multi-qubit gate cell (e.g., a target within the center) formed between multiple 2D planar optical trap regions and having multiple addressing laser beams, according to certain implementations described herein. A perspective view of a C 20 NOT gate cell or C 20 ϕ gate cell) having 21 qubits in a pyrochlore configuration with control qubits and control qubits elsewhere is shown schematically.
8A-8E schematically illustrate various diagrams of trapping laser beams according to specific implementations described herein.
9A-9B schematically illustrate a perspective view of a three-layer 10 x 10 atom trap grid created by alternating arrays of trapping laser beams in accordance with certain implementations described herein.
Figure 9C schematically illustrates a top view of the structure of Figures 9A-9B according to certain implementations described herein.
10A shows a partially assembled QC system comprising a three-layer 10 x 10 atomic grid with three sets of addressing laser beams and two alternating arrays of trapping laser beams in accordance with certain implementations described herein. Schematically illustrate a perspective view.
10B-10D show different views from different directions of two intersecting arrays of addressing laser beams and trapping laser beams of three sets of 10A according to certain implementations described herein.
10E shows another partially assembled QC system comprising a three-layer 10 x 10 atomic grid with four sets of addressing laser beams and two alternating arrays of trapping laser beams in accordance with certain implementations described herein. A perspective view is schematically illustrated.
FIGS. 10F-10H show different views from different directions of the two intersecting arrays of the four sets of addressing and trapping laser beams of FIG. 10E according to certain other implementations described herein.
11A is a schematic illustration of the three-layer 10 x 10 3D atomic lattice of FIGS. 9A-9C and 10A-10D viewed through the first photodetector port 242a according to certain implementations described herein. Illustrate.
FIG. 11B schematically illustrates a side cross-sectional view of the structure of FIG. 11A according to certain implementations described herein.
Figure 12 schematically depicts an example perspective view of an example assembled QC system corresponding to Figures 8E, 9A, 10A and 11A in accordance with certain implementations described herein.
Figure 13 shows a set of tables comparing the total number of qubits that can be simultaneously entangled at given gate fidelities for various multi-qubit lattice arrays according to specific implementation examples described herein.
개요outline
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 동시의 다중-큐비트 게이트 동작들이 기하학적 레이아웃들로 배열된 큐비트(qubit)들에 의해 가능한 3차원(3D) 격자 구조들(예를 들어, 셀들)의 어레이들로 배열되는 다중의 전체적으로 연결된 큐비트들을 구비하는 격자 구성들을 포함한다. 여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 격자 층들의 숫자를 유리하게 증가시키며, 리드베르크 원자(Rydberg atom)들을 위해 현재의 제곱 기반 광자 격자(photonic lattice)들을 이용하는 현재 구현 가능한 한계들(예를 들어, 허용 가능한 게이트 충실도(gate fidelity)들로)에 대해서 및 잠재적으로 이온들에 대한 육각형의 다층 표면-포획(surface-trap) 기하학적 구조들 내에 구현 가능한 큐비트 밀도들에 대해서 동시에 얽힐 수 있는 큐비트들의 숫자를 증가시킨다.Specific implementation examples described herein include arrays of three-dimensional (3D) lattice structures (e.g., cells) where simultaneous multi-qubit gate operations are enabled by qubits arranged in geometric layouts. It includes lattice configurations with multiple globally connected qubits arranged as . Certain implementations disclosed herein advantageously increase the number of lattice layers and allow for the limits of current implementations using current square-based photonic lattices for Rydberg atoms (e.g. The number of qubits that can be entangled simultaneously (with possible gate fidelities) and potentially achievable qubit densities in hexagonal multilayer surface-trap geometries for ions. increases.
여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 최적의 효율적인 양자 컴퓨터를 제작하는 도전 과제들을 해결한다. 하나의 이러한 과제는 최근접 이웃(nearest neighbor)하는, 다음의 최근접 이웃하는, 다음다음의 최근접 이웃하는 등의 큐비트들의 최대 숫자들이 다수의 큐비트 양자 게이트 동작들을 자연적으로(예를 들어, 단일 게이트 동작 내에서 기하학적으로) 제공하도록 동시에 얽힐 수 있는 큐비트들의 기하학적 구조들을 어떻게 구현 가능하게 공학적으로 제작할 것인가이다. 이러한 공학적 제작 도전 과제는 둘의 동등한 부분들을 포함한다. 하나의 부분은 최적의 얽힌 기하학적 구조들 내에 어떻게 상기 큐비트들을 구속하는(예를 들어, 포획하거나; 그 결정격자 부위를 제작하는)가이다. 이러한 구속(confinement)은 대체로 결정들 내의 결함 부위들의 정확한 주기 위치들, 전극들 및/또는 자기장들과 함께 몇몇 층들의 복합적인 교차점들을 제작하는 과정을 수반한다. 상기 공학적 제작 도전 과제의 다른 부분은 어떻게 가능한 한 선택적으로(예를 들어, 개별적으로) 상기 큐비트들을 처리하고(예를 들어, 조명하거나; 여기하거나; 조작하고), 판독하는(예를 들어, 검출하거나; 영상화하는)가이다. 이러한 어드레싱(addressing)은 종종 전체적인 어드레싱으로 이루어질 수 있는 가능한 한 많은 큐비트들 사이에 동시의 얽힘(entanglement)의 생성을 넘어설 수 있다. 오히려, 수많은 얽힌 큐비트들의 전체 연산 능력을 개발하는 것도 필요에 따라 각 큐비트를 처리하는 능력을 활용하는 원하는 다중 큐비트 게이트 동작의 개개의 큐비트 상태들을 조작하고 판독하는 과정들을 포함할 수 있다. 이러한 능력은 각 양자 컴퓨팅 게이트(quantum computing gate)의 고유 연산 능력이 각 게이트 동작에서 논리 큐비트(logical qubit)들로 전체적으로 참여할 수 있는 동시에 얽힌 큐비트들의 큐비트의 숫자에 기하급수적(예를 들어, 2 내지 그 능력까지에 비례하여)이기 때문에 매우 중요할 수 있다. 또한, 오버헤드(overhead)(예를 들어, 오류 보정 큐비트들; 중복 큐비트들; 부속 큐비트들)가 고려되어야 하며, 이는 양자 컴퓨팅 아키텍처들의 사이즈가 표면 코드들이 매우 많은 숫자의 큐비트들의 오류들을 보정하기 위해 활용되는 규모들까지 증가함에 따라 급격하게(예를 들어, 자릿수가 다르게) 증가된다. 이에 따라, 앞서의 게이트 셀들 내에 보다 개별적으로 동시에 어드레싱 가능한(예를 들어, 논리) 큐비트들을 얽히게 하는 전체적인 이점이 표면 코드 오류 보정을 수반하는 자릿수가 다른 부가된 오버헤드의 이용을 보다 크게 감소시키거나 방지하여 심지어 표시되는 초기의 지수적인 속도 향상을 크게 넘어설 수 있다.Specific implementation examples disclosed herein address the challenges of building an optimally efficient quantum computer. One such challenge is that the maximum number of nearest neighbor, next nearest neighbor, next next nearest neighbor, etc. , how to engineer the geometries of qubits that can be simultaneously entangled to provide (geometrically) within a single gate operation. This engineering fabrication challenge involves equal parts of both. One part is how to confine (e.g., capture; fabricate the crystal lattice region) the qubits within optimal entangled geometries. This confinement usually involves fabricating complex intersections of several layers with precise periodic positions of defect sites, electrodes and/or magnetic fields within the crystals. Another part of the engineering fabrication challenge is how to process (e.g., illuminate; excite; manipulate) and read (e.g., detecting or imaging). This addressing can often go beyond the creation of simultaneous entanglement between as many qubits as possible, which can be accomplished with global addressing. Rather, developing the full computational power of numerous entangled qubits may also involve manipulating and reading out the individual qubit states of the desired multi-qubit gate operation, leveraging the ability to process each qubit as needed. . This capability allows the intrinsic computational power of each quantum computing gate to participate entirely as logical qubits in each gate operation, while at the same time increasing the number of entangled qubits exponentially (e.g. , in proportion to 2 to its capabilities), so it can be very important. Additionally, overhead (e.g., error correction qubits; redundant qubits; accessory qubits) must be considered, as the size of quantum computing architectures requires that surface codes require a very large number of qubits. The scales used to correct errors increase dramatically (e.g., the number of digits varies) as the scale increases. Accordingly, the overall advantage of entangling more individually simultaneously addressable (e.g. logical) qubits within the preceding gate cells is to significantly reduce the use of the added overhead of different orders of magnitude accompanying surface code error correction. This can even significantly exceed the initial exponential speedup seen.
여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 실질적으로 서로 평행하고, 3차원(3D) 셀들의 어레이들을 형성하는 다중의 2차원(2D)(예를 들어, 평면) 큐비트 어레이들(예를 들어, 층들)로서 구성될 수 있다. 상기 셀들의 어레이들은 3D 결정 구조들과 유사할 수 있거나 지칭될 수 있다. 다양한 구현 예들이 활용되는(예를 들어, 최적화되는) 양자 상호 작용들의 성질을 예시하기 위해 광학 격자 구조들 내의 포획된 중성(예를 들어, 대전되지 않은) 원자 큐비트들 또는 리드베르크 원자 큐비트들을 활용하는(예를 들어, I. Bloch의 "Quantum coherence and entanglement with ultracold atoms in optical lattices"(Nature 453, 1016(2008)) 참조) 것으로 여기에 설명되지만, 다른 구현 예들은 구조 및 기능 모두가 동등한 격자 구조들 내의 하나 또는 그 이상의 선택적인 큐비트 기술들(예를 들어, 천연 결정격자들 내에 포획된 큐비트들; 인공적으로 형성된 결정 구조들)을 이용할 수 있다(예를 들어, 단일 게이트 내에 수백 또는 수천의 1- 및 2-큐비트 양자 게이트 동작들의 연결(concatenation)들에 의해 이전에 제공되었던 경우를 제공하도록 최대 숫자의 최근접 이웃, 다음의 최근접 이웃, 다음다음의 최근접 이웃 등의 큐비트들이 동시에 얽히게 할 수 있는 파이로클로르(pyrochlore) 유사 구조들의 확장을 형성할 수 있다).Certain implementations disclosed herein include multiple two-dimensional (2D) (e.g., planar) qubit arrays (e.g., layers) substantially parallel to each other, forming arrays of three-dimensional (3D) cells. It can be composed as. The arrays of cells may resemble or be referred to as 3D crystal structures. Captured neutral (e.g. uncharged) atomic qubits or Rydberg atomic qubits in optical lattice structures to illustrate the nature of quantum interactions for which various implementations are exploited (e.g. optimized). (see, e.g., I. Bloch's "Quantum coherence and entanglement with ultracold atoms in optical lattices" (Nature 453, 1016 (2008))), other implementations are described here, but other implementations utilize both structure and function. One or more selective qubit technologies (e.g., qubits trapped in natural crystal lattices; artificially formed crystal structures) within equivalent lattice structures can be used (e.g., within a single gate). maximum number of nearest neighbors, next nearest neighbor, next nearest neighbor, etc. to provide cases previously provided by concatenations of hundreds or thousands of one- and two-qubit quantum gate operations. of qubits can be simultaneously entangled, forming an extension of pyrochlore-like structures).
결정들 내의 원자 공공(atomic vacancy) 중심들(예를 들어, 질소 공공(nitrogen-vacancy) 중심들, 이하에 간단하게 다이아몬드들 내의 "NV 센터들"로 지칭함)의 하나의 예시적인 선택적인 기술도 최근에 10의 큐비트들 사이까지의 완전한 연결성 및 7까지의 큐비트들을 구비하는 다중으로 얽힌 상태들의 측면들에서 진전되어 왔다(예를 들어, C. E. Bradley 등의 "A 10-qubit solid-state spin register with quantum memory up to one minute"(Phys. Rev. X 9, 031045(2019)) 참조). 원자와 같은 성질들과 함께 NV 센터들의 나타나는 이러한 성질들은 다층 광학 격자들 내에 모든 큐비트들이 개별적으로 최대 숫자의 큐비트들의 동시 얽힘 및 어드레싱을 위한 최적의 기하학적 접근들(예를 들어, 모든 큐비트들의 초기화, 이들에 대한 게이트 동작들의 수행 및 그 값의 판독) 모두를 가능하게 하는 것과 같이 이들이 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 직접 적용될 수 있는 큐비트 기술의 하나 이상의 예를 구현하게 한다. 또 다른 구현 예들은 다른 선택적인 큐비트 기술들, 예를 들면, 포획 보스-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate)(BEC)들; 중성 분자들; 포논(phonon)들; 포톤(photon)들; 및 다른 것들을 이용할 수 있다.One exemplary alternative description of atomic vacancy centers in crystals (e.g., nitrogen-vacancy centers, hereinafter simply referred to as “NV centers” in diamonds) is also shown. Recently, progress has been made in terms of full connectivity between up to 10 qubits and multiple entangled states with up to 7 qubits (e.g., “A 10-qubit solid-state spin” by C. E. Bradley et al. register with quantum memory up to one minute"(Phys. Rev. X 9, 031045(2019)). These properties of NV centers, along with their atomic-like properties, enable optimal geometric approaches for simultaneous entanglement and addressing of a maximum number of qubits individually in multilayer optical lattices (e.g., all qubits enabling them to implement one or more examples of qubit technology that can be directly applied to the specific implementations described herein, such as enabling both initialization of qubits, performance of gate operations on them, and reading of their values. Still other implementation examples include other optional qubit technologies, such as captured Bose-Einstein condensate (BEC); neutral molecules; phonons; photons; and others may be used.
여기에 설명되는 양자 컴퓨팅(QC) 시스템의 특정한 구현 예들은 유리하게 최적의 숫자의 큐비트들이 최근접 이웃(nearest neighbor)하는 것들, 다음의 최근접 이웃하는 것들 및 다음다음의 최근접 이웃하는 것들, 그리고 잠재적으로는 그 이상의 것들 사이에서 동시에 얽히게 하도록 다층 아키텍처(architecture)를 제공한다. 특정한 구현 예들은 확장 가능한 양자 프로세서들의 제작의 필요에 따라 전기적, 자기적 및 광학적 어드레싱, 제어, 검출 및 판독의 최적의 조합들이 가능하도록 구성되는 기하학적 구조들을 포함한다. 전체적으로 연결되는 큐비트들의 어레이들은 채용되는 큐비트의 유형 또는 이들의 레이아웃으로 인해 얽힌 게이트 동작들이 특정한 쌍들에 제한되는 설계들 보다 하드웨어 내에서 양자 알고리즘들을 실행시키기 위한 보다 효율적이 유연한 선택들을 제공한다. 이러한 개선된 효율과 유연성은 어레이 내의 큐비트들의 숫자와 함께 증가한다. 둘 이상의 큐비트들을 동시에 수반하는 게이트 동작들을 수행하기 위한 역량을 추가하는 것은 1- 및 2-큐비트 게이트들로 제한되는 설계들에 비해 효율 이득들을 상당히 촉진시키며, 수십의 게이트들이 하나의 4-큐비트 게이트로 대체될 수 있다. 여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 1차원 및 2차원 기하학적 구성들의 문제점들(예를 들어, 연결성에 대한 제한들; 2차원들만으로 제한될 때에 점차 치밀해지는 게이트 어레이들 내의 각 큐비트를 컨트롤하기 위해 요구되는 구성 요소들의 밀집)을 유리하게 회피하도록 다중의 큐비트 어레이들(예를 들어, 다중의 직접 연결 평면 격자들)을 이용한다. 특정한 구현 예들에서, 큐비트들의 다차원 셀들은 파이로클로르들과 같은 결정들을 닮도록 형성된다. 특정한 구현 예들에서, 큐비트들의 다차원 셀들은 최근접 이웃, 다음의 최근접 이웃하는 큐비트들(예를 들어, 셀 내에; 셀들에 걸쳐; 층들에 걸쳐) 및 이들을 넘어서는 큐비트들이 선택된 게이트 동작을 위해 동시에 얽히는 것에 따라 다양한 결정 구조들로 재구성될 수 있고, 형성될 수 있다. 게이트 당 참여하는 많은 큐비트들을 이용하는 것도 회로 깊이, 오류 보정 및 간섭 완화에 대한 요구 사항들을 감소시킬 수 있다. 재구성될 수 있는 구성 셀들은 양자 FPGA(QFPGA) 및 ASIC(QASIC) 레이아웃(예를 들어, 칩들)을 가능하게 할 수 있다.Certain implementations of the quantum computing (QC) system described herein advantageously have an optimal number of qubits that are the nearest neighbors, the next nearest neighbors, and the next next nearest neighbors. , and potentially more, providing a multi-layered architecture for simultaneous entanglement. Particular implementation examples include geometries configured to enable optimal combinations of electrical, magnetic and optical addressing, control, detection and readout depending on the needs of fabricating scalable quantum processors. Arrays of globally connected qubits provide more efficient and flexible options for executing quantum algorithms in hardware than designs where entangled gate operations are limited to specific pairs due to the type of qubits employed or their layout. This improved efficiency and flexibility increases with the number of qubits in the array. Adding the capability to perform gate operations involving two or more qubits simultaneously promotes significant efficiency gains compared to designs limited to 1- and 2-qubit gates, allowing tens of gates to operate on a single 4-qubit gate. It can be replaced with a qubit gate. Certain implementations disclosed herein address the problems of one-dimensional and two-dimensional geometric configurations (e.g., limitations on connectivity; the requirement to control each qubit in increasingly dense gate arrays when limited to only two dimensions). It utilizes multiple qubit arrays (e.g., multiple directly connected planar lattices) to advantageously avoid crowding of components. In certain implementations, multidimensional cells of qubits are formed to resemble crystals such as pyrochlores. In certain implementations, multidimensional cells of qubits are configured such that their nearest neighbors, next-nearest neighboring qubits (e.g., within a cell; across cells; across layers), and qubits beyond them perform selected gate operations. Depending on how they are simultaneously entangled, they can be reorganized and formed into various crystal structures. Using many qubits participating per gate can also reduce requirements for circuit depth, error correction, and interference mitigation. Reconfigurable component cells may enable quantum FPGA (QFPGA) and ASIC (QASIC) layouts (e.g., chips).
여기에 개시되는 QC 시스템의 특정한 구현 예들은 기하학적 레이아웃들로 배열되는 큐비트들에 의해 가능한 동시의 다중 큐비트 게이트 동작들을 가지는 3차원(3D) 격자 구조들(예를 들어, 셀들)의 어레이들로 배열되는 다중의 완전 연결 큐비트들을 구비하는 다층의 구성들을 포함한다. 예를 들면, 층들 내의 다중의 평면 큐비트 어레이들(예를 들어, 로우들 및 칼럼들; 격자)은 서로 실질적으로 평행할 수 있고, 결정 구조들과 유사할 수 있거나, 이들로 지칭될 수 있는 3D 셀들의 어레이들을 형성할 수 있다. 특정한 구현 예들에서, 다른 종들이나 데이터 비트들 혹은 상당한 시간 지연들에 대해 원위치에서 큐비트들을 처리하는 것의 손실이 많은 전환들을 수반하는 비효율적인 광자 또는 다른 상호 연결들(예를 들어, 양자 원거리 이동(quantum teleportation))을 요구하지 않고 다중의 실질적인 평면 어레이 영역들(예를 들어, 층들; 레벨들; 평면들)에 걸쳐 최근접 이웃하는 큐비트들, 다음의 최근접 이웃하는 큐비트들 등의 사이에 최적의 응집 연결성(예를 들어, 얽힘)을 직접적으로 가능할 수 있도록 상기 큐비트들이 다중 큐비트 격자 구속 구역(containment zone)들(예를 들어, 평행한 중성 원자-트랩 어레이들; NV 센터들) 내에 국한될(예를 들어, 포획되거나; 매달리거나; 구속될) 수 있다. 이러한 특정 구현 예들은 1- 및 2-큐비트 게이트들로 제한되는 설계들에 비하여 효율 이득들을 상당히 가속화시킬 수 있는 동시에 둘 이상의 큐비트들을 수반하는 게이트 동작들을 수행하는 역량을 제공하는 기하학적으로 대칭적인 셀 구조들을 활용한다. 특정한 다른 구현 예들은 3D 구조들이 다중의 2D 층들 사이에 형성될 수 있도록 서로 실질적으로 평행한 다중의 2차원(2D) 큐비트 격자 어레이들(예를 들어, 평면 격자들; 그리드들; 로우들 및 칼럼들)로 구성될 수 있다.Specific implementations of the QC system disclosed herein include arrays of three-dimensional (3D) lattice structures (e.g., cells) with simultaneous multi-qubit gate operations enabled by qubits arranged in geometric layouts. It includes multi-layered configurations with multiple fully connected qubits arranged as . For example, multiple planar qubit arrays (e.g., rows and columns; lattice) within layers may be substantially parallel to each other and may resemble, or may be referred to as, crystal structures. Arrays of 3D cells can be formed. In certain implementations, inefficient photonic or other interconnections (e.g., quantum far-field transport (e.g., between nearest-neighboring qubits, next-nearest-neighboring qubits, etc., across multiple substantially planar array regions (e.g., layers; levels; planes) without requiring quantum teleportation. The qubits are placed in multi-qubit lattice containment zones (e.g., parallel neutral atom-trap arrays; NV centers) to directly enable optimal coherent connectivity (e.g., entanglement). ) may be confined (e.g., captured; suspended; restrained) within. These specific implementations can significantly accelerate efficiency gains compared to designs limited to one- and two-qubit gates, while providing a geometrically symmetrical design that provides the ability to perform gate operations involving more than two qubits. Utilize cell structures. Certain other implementations include multiple two-dimensional (2D) qubit grid arrays (e.g., planar grids; grids; rows and columns).
다양한 구현 예들이 중성 원자(예를 들어, 대전되지 않은 원자, 리드베르크 원자) 큐비트 접근 방식들의 물리학에 따라 여기에 설명되지만, 다른 큐비트 접근 방식들(예를 들어, NV 센터들; 초전도 큐비트들; 여기에 언급되는 다른 것들)도 일반성의 손상 없이 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 이용될 수 있다.Various implementation examples are described here according to the physics of neutral atom (e.g. uncharged atom, Rydberg atom) qubit approaches, but other qubit approaches (e.g. NV centers; superconducting cue bits; others mentioned herein) may also be used according to the specific implementation examples described herein without loss of generality.
여기에 설명되는 QC 시스템의 특정한 구현 예들은 복수의 다중 큐비트 3차원(3D) 게이트 셀들을 포함하고, 전체적으로 연결될 수 있는 적어도 셋의 큐비트들을 포함하는 각 셀은 동시에 3차원들에 걸치며, 복수의 다중 큐비트 셀들은 상기 다중 큐비트 게이트들 중의 둘 또는 그 이상의 게이트 동작들을 위해 구성된다. 이러한 특정 구현 예들의 QC 시스템은 다층의 어레이 층들, 레벨들 또는 평면들에 걸쳐 최근접 이웃하는 큐비트들, 다음의 최근접 이웃하는 큐비트들 등의 사이에 직접적인 최적의 응집 연결성 또는 얽힘을 가능하게 하는 평행한 중성 원자 포획 어레이들과 같은 광자 큐비트들 또는 다른 비효율적인 상호 연결들(예를 들어, 상당한 손실들 및/또는 시간 지연들을 가져오는 상호 연결들)로 및 이들로부터의 전환을 요구하지 않고 다중의 실질적으로 평행한 큐비트 구속 격자(containment lattice)들을 포함할 수 있다. 상기 다중 큐비트 셀들은 다중의 1- 및 2-큐비트 게이트들의 연결에 의존하지 않고 하나의 게이트 동작에서 다중 큐비트 게이트들이 자연적으로 영향을 받을 수 있게 하는 기하학적 대칭성을 이용하도록 구성될 수 있다. 셀 내의 다중 큐비트들 사이의 등변 커플링(equilateral coupling) 거리들의 대칭성에 영향을 미치는 것은 둘 이상의 얽힌 큐비트들이 동시에 그렇지 않으면 단지 1- 및 2-큐비트 게이트들을 포함하는 보다 많은 큐비트 게이트 동작들을 요구할 수 있었던 게이트 동작들을 수행하게 할 수 있다.Specific implementations of the QC system described herein include a plurality of multi-qubit three-dimensional (3D) gate cells, each cell containing at least three qubits that can be connected throughout, spanning three dimensions simultaneously, and The multi-qubit cells are configured for gate operations of two or more of the multi-qubit gates. The QC systems of these specific implementations enable direct optimal coherent connectivity or entanglement between nearest-neighboring qubits, next-nearest-neighboring qubits, etc., across multiple array layers, levels or planes. requires a transition to and from photonic qubits, such as parallel neutral atom capture arrays, or other inefficient interconnections (e.g., interconnections that introduce significant losses and/or time delays). and may include multiple substantially parallel qubit containment lattices. The multi-qubit cells can be configured to take advantage of geometric symmetry that allows multiple qubit gates to be naturally affected in a single gate operation without relying on the connection of multiple 1- and 2-qubit gates. Affecting the symmetry of the equilateral coupling distances between multiple qubits within a cell allows more than two entangled qubits to operate simultaneously, which would otherwise involve only 1- and 2-qubit gates. It is possible to perform gate operations that could have been requested.
여기에 개시되는 다른 특정한 구현 예들은 서로 실질적으로 평행한 복수의 2D 어레이 층들(예를 들어, 2D 격자들; 평면들; 그리드들), 둘 또는 그 이상의 큐비트들 및 적어도 하나의 이웃하는 2D 어레이 층의 하나 또는 그 이상의 큐비트들과 상호 작용하도록 구성되는 각 어레이 층의 하나 또는 그 이상의 큐비트들을 포함하는 상기 2D 어레이 층들의 적어도 일부 내에 실질적으로 배열되는 복수의 큐비트들을 포함하는 QC 시스템을 제공한다. 상기 QC 시스템은 실질적으로 서로 평행한 복수의 원자 트랩 층들(예를 들어, 2D 광학 격자 트랩들)을 포함할 수 있으며, 상기 QC 시스템은 상기 트랩 층들 사이 및/또는 내부의 영역들 내에 위치하는 복수의 다중 큐비트 게이트들로서 배열되는 상기 복수의 큐비트들을 포함하는 다중 큐비트 3D 게이트 어레이들을 더 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 다중 큐비트 게이트 어레이의 큐비트들은 중성 원자들(예를 들어, 대전되지 않은 원자들, 리드베르크 상태들), NV 센터들, 또는 다른 큐비트 종들을 포함하는 원자 큐비트들을 구비하도록 구성되는 2D 트랩 어레이들을 포함한다. 리드베르크 원자들, NV 센터들 및 다른 원자 큐비트 종들의 예들에서, 큐비트들은 격자들 내에 구속되며(예를 들어, 전위 우물(potential well)들 내에; 원자 공공 중심들 내에 포획되며), 이는 광학 빔(예를 들어, 레이저) 격자들에 의해 생성될 수 있고, 복수의 실질적으로 평행한 트랩 어레이 층들(예를 들어, 격자들; 레벨들; 평면들) 내에 실질적으로 배열될 수 있으며, 적어도 하나의 다른(예를 들어, 이웃하는) 실질적으로 평행한 트랩 어레이 층의 상기 큐비트들의 적어도 일부와 직접적으로 상호 작용하도록(예를 들어, 양자 역학적으로 얽히도록) 구성되는 적어도 하나의 2D 트랩 어레이 층의 상기 큐비트들의 적어도 일부를 구비한다.Other specific implementations disclosed herein include a plurality of 2D array layers (e.g., 2D lattices; planes; grids) substantially parallel to each other, two or more qubits, and at least one neighboring 2D array. A QC system comprising a plurality of qubits substantially arranged within at least a portion of the 2D array layers including one or more qubits of each array layer configured to interact with one or more qubits of the layer. to provide. The QC system may include a plurality of atomic trap layers (e.g., 2D optical grating traps) that are substantially parallel to each other, and the QC system may include a plurality of atomic trap layers located within regions between and/or within the trap layers. It may further include multi-qubit 3D gate arrays including the plurality of qubits arranged as multi-qubit gates. For example, the qubits of the multi-qubit gate array may be atomic qubits containing neutral atoms (e.g., uncharged atoms, Rydberg states), NV centers, or other qubit species. It includes 2D trap arrays configured to be provided. In examples of Rydberg atoms, NV centers and other atomic qubit species, the qubits are confined within lattices (e.g., within potential wells; trapped within atomic vacancy centers), which An optical beam (e.g., a laser) may be generated by gratings and may be substantially arranged within a plurality of substantially parallel trap array layers (e.g., gratings; levels; planes), at least At least one 2D trap array configured to directly interact (e.g., quantum mechanically entangle) with at least some of the qubits of one other (e.g., neighboring) substantially parallel trap array layer. It has at least some of the qubits in a layer.
여기에 설명되는 QC 시스템의 각각의 구현 예들에서, 셀마다의 다중 큐비트들의 대칭적이나 등변 커플링 기하학적 구조들은 단일의 게이트 동작에서 보다 복잡한 양자 게이트들이 수행되게 할 수 있으며, 회로 깊이, 오류 보정 및 간섭 완화에 대한 요구 사항들을 추가적으로 감소시킬 수 있다. 호환 가능한 구성 셀들은 양자 FPGA(QFPGA) 및 ASIC(QASIC) 레이아웃(예를 들어, 칩들)을 가능하게 할 수 있으며, 고도로 재구성 가능할 수 있다.In each implementation of the QC system described herein, the symmetric or equilateral coupling geometries of multiple qubits per cell allow more complex quantum gates to be performed in a single gate operation, providing improved circuit depth, error correction, and Requirements for interference mitigation can be further reduced. Compatible configuration cells may enable quantum FPGA (QFPGA) and ASIC (QASIC) layouts (e.g., chips) and may be highly reconfigurable.
여기에 설명되는 QC 시스템의 특정한 구현 예들은 1차원(1D) 레이아웃 또는 2차원(2D) 레이아웃들을 이용하여 제공되는 경우보다 보다 많은 큐비트들 및/또는 큐비트 게이트들이 연산들을 위해 이용되게 할 수 있는 큐비트들의 3차원(3D) 레이아웃 및/또는 큐비트 게이트들을 유리하게 제공한다(예를 들어, J.I. Cirac 및 P. Zoller의 "A scalable quantum computer with ions in an array of microtraps"(Nature, Vol. 404, p. 579(2000)); J. Chiaverini 등의 "Quant. Inf. Comp."(Vol. 5, 419(2005)) 참조). 예를 들면, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 각 큐비트의 어드레싱, 조작, 컨트롤, 판독 및 전위 측파대(potential sideband) 냉각을 위한 전기적 연결들 및 광 경로들이 가능하도록 충분한 간격을 제공하고, 시정 접근 각도들을 제공하면서, 각기 다중 원자 큐비트들(예를 들어, 셋 또는 그 이상의 동시에 얽힌 중성 원자들, 대전된 원자들, NV 센터 큐비트들 등)을 포함하는 큐비트 게이트들의 3D 레이아웃을 제공한다.Certain implementations of the QC system described herein may allow more qubits and/or qubit gates to be utilized for operations than would be provided using one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) layouts. advantageously provides a three-dimensional (3D) layout of qubits and/or qubit gates (e.g., "A scalable quantum computer with ions in an array of microtraps" by J.I. Cirac and P. Zoller, Nature, Vol. 404, p. 579 (2000)); see J. Chiaverini et al., “Quant. Inf. Comp.” (Vol. 5, 419 (2005)). For example, specific implementations described herein provide sufficient spacing to enable electrical connections and optical paths for addressing, manipulating, controlling, reading, and cooling the potential sideband of each qubit, Provides a 3D layout of qubit gates, each containing multiple atomic qubits (e.g., three or more simultaneously entangled neutral atoms, charged atoms, NV center qubits, etc.), providing approach angles. do.
큐비트들의 특정한 배치나 세트가 임의의 큐비트가 상기 세트 내의 임의의 다른 큐비트와 직접적으로 양자 역학적으로 얽히도록 할 수 있을 때, 상기 큐비트들은 "전체적으로 연결되는" 것으로 설명될 수 있다. 예를 들면, 1차원(1D)의 선형 원자 트랩 내에 전체적으로 연결되는 이온들(예를 들어, 대전된 원자들)을 포함하는 적은 숫자의 큐비트들일지라도 단지 쌍으로 연결되는 동일한 숫자의 큐비트들 보다 큰 잠재적인 처리 능력을 측정으로 입증할 수 있다(예를 들어, N.M. Linke 등의 "Experimental comparison of two quantum computing architectures"(PNAS, Vol. 114, No. 13(2017)) 참조).When a particular arrangement or set of qubits can cause any qubit to become directly quantum mechanically entangled with any other qubit in the set, the qubits may be described as “globally connected.” For example, an equal number of qubits connected only in pairs, even if only a small number of qubits containing ions (e.g. charged atoms) connected entirely within a one-dimensional (1D) linear atomic trap. Greater potential processing power can be demonstrated by measurement (see, for example, N.M. Linke et al., “Experimental comparison of two quantum computing architectures” (PNAS, Vol. 114, No. 13 (2017))).
양자 컴퓨팅(QC) 설계들은 양자 컴퓨터가 단순하게는 얼마나 많은 큐비트들이 동일한 방식으로 함께 연결되는 가에 기초하지 않는 이의 종래의 컴퓨터 상대자보다 얼마나 빠르게 보다 우수한 결과를 산출하는 가에 대부분 영향을 미치는 파라미터들을 나타내는 것을 과거 20년에 걸쳐 입증하였다. 이러한 시스템들의 입증된 성능은 큐비트 충실도들(예를 들어, 얼마나 정밀하게 상기 시스템이 게이트 동작들을 수행할 수 있는 지), 어떻게 상기 큐비트들이 상호 연결되는지, 그리고 어려운 문제들에 대한 해결 방안들을 계산하기 위해 상기 큐비트들이 함께 동작하는 데 얼마나 많은 오버헤드(overhead)가 사용되는 지로 설명되어 왔다.Quantum computing (QC) designs are based on parameters that mostly influence how quickly a quantum computer produces better results than its conventional computer counterpart, which is not based simply on how many qubits are connected together in the same way. This has been proven over the past 20 years. The demonstrated performance of these systems determines qubit fidelity (e.g., how precisely the system can perform gate operations), how the qubits are interconnected, and solutions to difficult problems. This has been explained by how much overhead it takes for the qubits to work together to perform a computation.
1-큐비트 게이트들은 단지 큐비트 자체를 "0"으로부터 "1"까지 또는 "0" 및 "1"의 특정한 양자 중첩까지 플립핑(flipping)하는 과정을 수반한다. 2-큐비트 게이트들은 상기 큐비트들 중의 하나에 대해 이루어진 것이 다른 하나에 영향을 미치도록 양자 얽힘으로 결합되는 중첩을 이용하여 둘의 큐비트들을 연결시킨다. 이러한 2-큐비트 게이트에서, 타겟 큐비트(target qubit)는 상태 "0" 또는 상태 "1"에서 개시될 수 있으며, "0" 및 "1"의 임의의 중첩(예를 들어, "0" 및 "1" 사이의 중간)으로 될 수 있다. 예를 들면, 양자-제어 NOT(CNOT) 게이트의 기능은 상기 컨트롤 큐비트(control qubit)가 상태 "1"에 있을 경우에 상기 타겟 큐비트를 플립시키고, 그렇지 않으면 작동하지 않는 것이다. 1- 또는 2- 큐비트 게이트들은 많은 다른 양자 게이트 기반의 아키텍처들 내에 직접적으로 구현될 수 있다. 보다 복잡한 게이트 동작들을 위해, 둘 이상의 큐비트들이 즉시 얽힐 수 있는 구현 예들은 동작 및 이들에 포함되는 알고리즘들에 영향을 효과적이 되도록 큐비트들 전체 숫자 및 수행되는 단계들의 전체적인 숫자에 상당한 영향을 미칠 수 있다(예를 들어, C. Figgatt 등의 "Parallel entangling operations on a universal ion-trap quantum computer"(Nature, Vol. 571(2019)); Y. Lu 등의 "Global entangling gates on arbitrary qubits"(Nature, Vol. 571(2019)) 참조). 전위에 이용되는 큐비트들의 숫자 및 단계들의 측정 가능한 감소들은, 일부 예들에서, 성공적인 결과들을 구현하기 위해 오버헤드의 급격한 감소를 가져올 수 있다. 하나의 예는 일부 시간에서도 광범위한 오류 보정이 없이 보다 적은 부속물들로 그렇지 않으면 처리하기 어려운 문제점들에 대한 해결 방안들을 제공할 수 있었던 원형의 시연이 될 수 있었다.One-qubit gates simply involve flipping the qubit itself from “0” to “1” or to a specific quantum superposition of “0” and “1”. Two-qubit gates connect two qubits using superposition, a combination of quantum entanglement, such that what is done to one of the qubits affects the other. In such a two-qubit gate, the target qubit can start in either state “0” or state “1”, with any superposition of “0” and “1” (e.g. “0” and “1”). For example, the function of a quantum-controlled NOT (CNOT) gate is to flip the target qubit if the control qubit is in state “1”, otherwise it will not operate. One- or two-qubit gates can be implemented directly within many other quantum gate-based architectures. For more complex gate operations, implementations where two or more qubits can be immediately entangled will have a significant impact on the overall number of qubits and the overall number of steps performed to effectively influence the operation and the algorithms involved in them. (For example, C. Figgatt et al., “Parallel entangling operations on a universal ion-trap quantum computer” (Nature, Vol. 571 (2019)); Y. Lu et al., “Global entangling gates on arbitrary qubits” ( (see Nature, Vol. 571 (2019)). Measurable reductions in the number of qubits and steps used for transposition can, in some instances, result in a drastic reduction in overhead to implement successful results. One example could be a demonstration of a prototype that could provide solutions to otherwise intractable problems with fewer accessories and without extensive error correction, even at some times.
여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 다중의 전체적으로 연결되는 높은 충실도의 큐비트들을 이용한다. 이러한 특정한 구현 예들의 이점들(예를 들어, 얼마나 훨씬 효율적인 특정한 양자 게이트 동작이 1- 및 2-큐비트 게이트들의 결합들을 이용하는 것과 대향될 수 있는지)은 넷의 전체적으로 연결되는 높은 충실도의 큐비트들을 포함하는 예시적인 양자 삼중 제어(triply-controlled) NOT(C3NOT) 게이트를 고려하여 예시될 수 있다. 상기 C3NOT 게이트는 슈퍼 토폴리 게이트(super Toffoli gate)로도 지칭된다. 이러한 예시적인 C3NOT 게이트에서, 셋의 컨트롤 큐비트들 모두가 네 번째 타겟 큐비트를 "1"로부터 "0"까지 플립시키기 위해 특정된 상태(예를 들어, "1, 1, 1")에 있어야 한다. 하나 또는 그 이상의 단일 큐비트 게이트 동작들과 결합될 때, 이러한 다중 큐비트 양자 게이트들은 양자 컴퓨팅을 위한 범용 세트를 완성하는 데 이용될 수 있다. 다중 제어 NOT 게이트들은 확장된 일련의 1- 및 2-큐비트 게이트 동작들을 포함하는 것으로 대체로 기준 소스들로 설명된다(예를 들어, M.A. Nielsen 및 I.L. Chuang의 "Quantum Computing and Quantum Information"(1st ed.)(Cambridge Univ. Press, 2000) 참조). 이들 1- 및 2-큐비트 게이트 시리즈들에 대한 확장은 이용되는 큐비트들의 유형에 따라서 및 얼마나 많은 큐비트들이 전체적으로 연결될 수 있고 서로 얽힐 수 있는 지에 따라서 물리적인 구현들을 보다 크게 증가시킨다. 그러나, 넷의 전체적으로 연결되고 동시에 다중으로 얽힌 이온들을 이용하여 구현되는 C3NOT 게이트는 적절한 물리적 레이아웃으로 1- 및 2-큐비트 게이트들로만 구현되는 C3NOT 게이트 내에 이용되는 양자 게이트 동작들의 적은 부분을 구비하도록 구성될 수 있다. 보다 단순한 C2NOT 토폴리 게이트를 구현하기 위한 방법들은 최초에 포획된 이온들을 이용하는 것으로 설명되었고(예를 들어, J.I. Cirac 및 P. Zoller "Quantum Computations with Cold Trapped Ions"(Phys. Rev. Lett. Vol. 74(20)(1995)) 참조), 이후에 입증되었다(예를 들어, T. Monz 등의 "Realization of the Quantum Toffoli gate with Trapped Ions"(Phys. Rev. Lett. Vol. 102, 040501(2009)) 참조). 상기 3-큐비트 C2NOT 구현은 게이트 오차들로 인해 이들이 훨씬 높은 개별적인 충실도들을 가지는 경우에도 상기 1- 및 2-큐비트 게이트들의 연결에 비하여 순(net) 충실도의 향상을 생성하면서, 기여하는 게이트들의 숫자 및 전체 게이트 동작을 완료하기 위해 요구되는 시간의 상당한 감소를 이미 나타내었다. 이러한 3-큐비트 게이트는 기하학적 대칭에 대한 강한 요구 없이 선형 트랩 내에 구현될 수 있었다. 이에 비하여, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 여기에 설명되는 설계들의 전체적인 3D 대칭성들을 활용하여 CnNOT 게이트들을 제공한다. 이러한 방식에서, 앞서 언급한 개선된 효율의 예는 이들을 구현하기 위해 요구되는 양자 게이트들의 동반되는 감소를 통해 각 CnNOT 게이트 내의 컨트롤들의 숫자에 따라 크게 증가될 수 있다. 상 회전을 포함하여 다른 다중 제어 게이트 동작들은 둘 이상의 동시에 얽히는 큐비트들을 수반하는 물리적 구성을 이용하여 효율에서 유사한 개선 사항들을 나타낼 수 있다. 앞서의 이들 개선 사항들은 오류 보정을 크게 감소시킬 수 있다.Certain implementations disclosed herein utilize multiple, fully connected, high fidelity qubits. The advantages of these specific implementations (e.g., how much more efficient certain quantum gate operations can be compared to using combinations of 1- and 2-qubit gates) are that they utilize four fully connected high-fidelity qubits. It can be illustrated by considering an exemplary quantum triply-controlled NOT (C 3 NOT) gate comprising: The C 3 NOT gate is also referred to as a super Toffoli gate. In this example C 3 NOT gate, all three control qubits are in a specified state (e.g., “1, 1, 1”) to flip the fourth target qubit from “1” to “0”. must be in When combined with one or more single-qubit gate operations, these multi-qubit quantum gates can be used to complete a universal set for quantum computing. Multi-controlled NOT gates are largely described in reference sources as involving an extended series of 1- and 2-qubit gate operations (e.g., "Quantum Computing and Quantum Information" by MA Nielsen and IL Chuang, 1st ed. .) (Cambridge Univ. Press, 2000). Extensions to these 1- and 2-qubit gate series greatly increase the physical implementations depending on the type of qubits used and how many qubits can be connected and entangled together. However, a C 3 NOT gate, which is implemented using four fully connected and simultaneously multiply entangled ions, has a small subset of the quantum gate operations utilized within a C 3 NOT gate which is implemented only as 1- and 2-qubit gates with the appropriate physical layout. It may be configured to have a. Methods for implementing simpler C 2 NOT Toffoli gates were initially described using trapped ions (e.g., JI Cirac and P. Zoller "Quantum Computations with Cold Trapped Ions" (Phys. Rev. Lett. Vol. 74(20) (1995)), which was later proven (e.g., T. Monz et al., "Realization of the Quantum Toffoli gate with Trapped Ions" (Phys. Rev. Lett. Vol. 102, 040501) (2009)). The 3-qubit C 2 NOT implementation produces a net fidelity improvement over the connection of the 1- and 2-qubit gates, even though they have much higher individual fidelities due to gate errors, contributing to A significant reduction in the number of gates and the time required to complete the overall gate operation has already been shown. These three-qubit gates could be implemented within a linear trap without strong requirements for geometric symmetry. In comparison, certain implementation examples described herein utilize the overall 3D symmetries of the designs described herein to provide C n NOT gates. In this way, the previously mentioned examples of improved efficiency can be greatly increased with the number of controls within each C n NOT gate through a concomitant reduction in the quantum gates required to implement them. Other multiple control gate operations, including phase rotation, can exhibit similar improvements in efficiency using physical configurations involving two or more simultaneously entangled qubits. These previous improvements can significantly reduce error correction.
가장 고품질의 큐비트들이 주목할 만한 오차율들을 나타내는 경우, 이는 큐비트마다는 작을 수 있지만 알고리즘을 실행시키는 데 이용되는 게이트들의 숫자로 증가될 수 있다. 합계 오차율이 신뢰성 있는 결과를 야기하는 합당한 기회로 훨씬 작은 세트의 양자 동작들을 수행하도록 오류 보정이 요구되는 임계값에 도달할 때, 상기 아키텍처의 효율은 상기 오류 보정에 대해 이용된 오버헤드의 양에 비례하여 즉시 저하된다.If the highest quality qubits exhibit appreciable error rates, these may be small per qubit but can increase with the number of gates used to run the algorithm. When the sum error rate reaches a threshold where error correction is required to perform a much smaller set of quantum operations with a reasonable chance of producing reliable results, the efficiency of the architecture depends on the amount of overhead used for the error correction. It deteriorates proportionally immediately.
논리 연산들을 수행하기 위해 의도되는 수백의 상대적으로 고품질의 큐비트들을 가지는 소규모 양자 컴퓨터에 대해, 상기 오류 보정 큐비트들의 오버헤드에 더하여 부속물들은 비례하는 효율의 감소와 함께 한 자릿수의 큐비트들의 숫자 또는 대략적으로 열의 인자의 증가를 나타낼 수 있다. 보다 큰 규모의 시스템들을 위해, 상기 오버헤드는 다중으로 자릿수가 다른 정도까지 더 증가할 수 있다. 그러나 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에서, 전체적으로 연결되는 고품질의 큐비트들의 합계 효율들로부터 이점이 있고, 다중 큐비트 게이트 동작들을 채용하는(예를 들어, 다차원의 기하학적 구조를 활용하여 자연적으로 수행되는) 양자 컴퓨터는 상당히 적은 단계들 및 상당히 적은 전체 숫자의 큐비트들을 이용할 수 있다. 여기에 사용되는 바와 같이, "네이티브(native)" 게이트 동작들이라는 표현은 기하학적 레이아웃에 의하여 둘 이상의 큐비트들이 동시에 참여할 수 있는 것을 나타낸다. 여기에 설명되는 특정한 네이티브 다중 큐비트 게이트 구현 예들은 광범위한 오류 보정 오버헤드를 이용하지 않고 알고리즘들을 유리하게 수용할 수 있다. 또한, 기본적 양자 컴퓨팅 알고리즘들 또는 하위 루틴들을 수행하고, 종래의 컴퓨팅 시스템들과 비교하여 증가된 속도로 실제적인 유용성을 나태내기 위해 감소된 오버헤드로 인해 전체적인 설계 효율의 상당한 개선들이 다중으로 자릿수가 다르게 적은 양자 자원들을 이용하여 구현될 수 있다.For a small-scale quantum computer with hundreds of relatively high-quality qubits intended to perform logic operations, the overhead of the error correction qubits plus the appendix can be expected to increase the number of qubits in the single order of magnitude, with a proportional reduction in efficiency. Or, it may roughly indicate an increase in the heat factor. For larger scale systems, the overhead can increase further by several orders of magnitude. However, in the specific implementations described herein, it benefits from the summation efficiencies of globally connected, high-quality qubits, and employs multi-qubit gate operations (e.g., which are naturally performed utilizing multi-dimensional geometries). ) Quantum computers can utilize significantly fewer steps and a significantly smaller overall number of qubits. As used herein, the expression “native” gate operations indicates that two or more qubits can participate simultaneously due to the geometric layout. Certain native multi-qubit gate implementation examples described herein can advantageously accommodate algorithms without utilizing extensive error correction overhead. Additionally, significant improvements in overall design efficiency can be achieved by multiple orders of magnitude due to reduced overhead for performing basic quantum computing algorithms or subroutines and demonstrating practical utility at increased speeds compared to conventional computing systems. Alternatively, it can be implemented using fewer quantum resources.
현재까지 원자 큐비트들을 이용하는 대부분의 QC 시스템들은 전기적이나 광자적으로 상호 연결될 수 있는 1차원(예를 들어, 선형) 트랩들을 채용하였다(예를 들어, 미국 특허 제9,858,531호; Debnath 등의 "Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits"(Nature, Vol. 536, p.63(2016)) 참조). 대부분의 이러한 1D 트랩들은 큐비트들의 선형 체인이 공통 전위 우물(potential well) 또는 트래핑 구역(trapping zone) 내에 전체적으로 연결되게 할 수 있다. 전체적인 연결성의 정도는 상기 선형 체인의 대향하는 종점들에서나 부근에서 큐비트들 사이의 커플링 강도가 신뢰성 있는 다중 큐비트 게이트 동작들을 이용하기에 너무 약하기 이전에 얼마나 많은 큐비트들이 함께 이어질 수 있는가에 의해 제한되므로, 제한된 길이들의 다중의 선형 트랩들 사이에 상호 연결들을 생성하는 것이 바람직할 수 있다. 광학적 상호 연결들은, 예를 들면, 원자 큐비트로부터 광자까지 큐비트 상태를 전환시키고, 이후에 상기 양자 상태가 또 다른 원자로 전환되는 또 다른 선형 트랩으로 상기 광자를 전송하여 채용될 수 있다. 이와 같은 프로세스를 위해 이용되는 한 가지 유형의 프로토콜은 "원거리 이동(quantum teleportation)"으로 지칭된다. 이러한 상호 연결들은 전환들(예를 들어, 원자 큐비트로부터 광자로 및 제2의 원자로)에서 시간 지연들 및 잠재적인 비효율성들을 가져온다. 여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 광학적 상호 연결들을 구비하는 선형 또는 2D 요소들을 이용하여 효율성을 구현할 수 있는 큐비트-대-큐비트 상호 작용들을 동시에 보다 직접적으로 최적화시키기 위해 선택적인 구성을 유리하게 제공한다. 보다 큰 숫자의 큐비트들까지 규모를 증가시킬 때, 이러한 특정한 구현 예들은 이들의 연관된 불이익들(예를 들어, 시간 지연들; 이온-광자 전환 손실들)과 함께 노드들 사이의 광학적 상호 연결들의 숫자를 유리하게 감소시키거나 피할 수 있다.To date, most QC systems utilizing atomic qubits have employed one-dimensional (e.g., linear) traps that can be electrically or photonically interconnected (e.g., U.S. Pat. No. 9,858,531; Debnath et al., “Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits" (Nature, Vol. 536, p.63 (2016)). Most of these 1D traps allow a linear chain of qubits to be connected entirely within a common potential well or trapping zone. The degree of overall connectivity depends on how many qubits can be chained together before the coupling strength between qubits at or near opposing endpoints of the linear chain becomes too weak to utilize reliable multi-qubit gate operations. Because of the constraints, it may be desirable to create interconnections between multiple linear traps of limited lengths. Optical interconnections can be employed, for example, by switching the qubit state from an atomic qubit to a photon, and then transferring the photon to another linear trap where the quantum state is switched to another atom. One type of protocol used for this process is referred to as “quantum teleportation.” These interconnections introduce time delays and potential inefficiencies in transitions (e.g., from atomic qubit to photon and second atomic). Certain implementations disclosed herein advantageously provide optional configurations to more directly optimize qubit-to-qubit interactions while simultaneously enabling efficiencies using linear or 2D elements with optical interconnects. do. When scaling up to larger numbers of qubits, this particular implementation of optical interconnections between nodes along with their associated penalties (e.g., time delays; ion-to-photon conversion losses) Numbers can be advantageously reduced or avoided.
직사각형의 2차원(2D) 그리드 구성들은 일부 포획 이온 접근 방식 및 초전도 큐비트(SCQ) 계획들에 대해 이전에 적용되어 왔다. 이러한 2D 그리드 접근 방식들에서, 상기 큐비트들 사이의 상호 작용들은 대체로 포획 이온 그리드 레인(lane)들 내에서 일어나고(예를 들어, 교차점들을 통해 레인들 내로 및 외부로 큐비트들을 왕복시켜), 통상적으로 이용 가능한 레벨들까지 알고리즘을 실행시키는 데 성공할 가능성을 상승시키기 위해 장애 허용 능력(fault tolerance)을 추가하도록 상당한 중복에 의존하는 1- 및 2-큐비트 동작들에 제한되어 왔다. 예를 들면, 일부 접근 방식들은 큐비트들의 총체의 전체적인 어드레싱을 이용하고, 이는 많은 큐비트들 사이에서 단일의 1- 또는 2-큐비트 동작에 중복적으로 영향을 미치기 위해 그리드 내의 정렬된 교차점들 내로 및 외부로 왕복되며, 이후에 오차들을 감소시키도록 평균화된다. 이와 같은 접근 방식에서 상기 오버헤드는 충분한 충실도로 단일 논리 연산에 영향을 미치기 위한 중복 큐비트들의 숫자들의 측면에서 상기 양자 컴퓨터에 의해 수행되어야 하는 상기 논리 연산들의 규모와 함께 빠르게 증가한다. 이에 비하여, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에서, 둘 이상의 큐비트들 사이의 얽힘은 동시에 수반되고, 다중 큐비트 게이트 동작들에 직접적으로나 자연적으로 영향을 미치도록 2 또는 그 이상의 차원들로 배열되는 상기 큐비트들을 가짐에 의해 가능하게 된다.Rectangular two-dimensional (2D) grid configurations have previously been applied for some trapped ion approaches and superconducting qubit (SCQ) schemes. In these 2D grid approaches, interactions between the qubits largely occur within capture ion grid lanes (e.g., shuttling qubits into and out of lanes through intersections), Traditionally, it has been limited to one- and two-qubit operations that rely on significant redundancy to add fault tolerance to increase the likelihood of success in executing the algorithm up to usable levels. For example, some approaches use global addressing of a collection of qubits, which aligns intersections within a grid to redundantly influence the operation of a single 1- or 2-qubit among many qubits. It is cycled inward and outward and then averaged to reduce errors. In such an approach the overhead grows rapidly with the scale of the logical operations that must be performed by the quantum computer in terms of the number of redundant qubits to effect a single logical operation with sufficient fidelity. In contrast, in certain implementations described herein, entanglement between two or more qubits is simultaneously involved and arranged in two or more dimensions to directly or spontaneously affect multi-qubit gate operations. This is made possible by having qubits.
제시되었거나 및/또는 채용되었던 다른 2D 격자 접근 방식들은 중성 원자들을 이용하여 리드베르크-차단(Rydberg-blockade) 방법들을 초기에 적용하는 과정을 포함한다(예를 들어, M. Saffman 등의 "Quantum information with Rydberg atoms"(Rev. Mod. Phys. 82, 2313(2010)); K. Maller 등의 "Rydberg-blockade controlled-not gate and entanglement in a two-dimensional array of neutral-atom qubits"(Phys. Rev. A 92, 022336(2015)) 참조). 초기의 리드베르크-차단 방법들의 충실도는 컴퓨팅을 위한 양자 게이트(quantum gate)들을 형성하는 데 경쟁적이지 못하였지만, 이들 리드베르크 차단 방법들은 리드베르크 원자들을 얽히게 하는 개선된 방법들에 의해 진전되었다(예를 들어, D. Petrosyan 등의 "High-fidelity Rydberg quantum gate via a two-atom dark state"(Phys. Rev. A 96, 042306(2017)); M. Khazali 및 K. Molmer의 "Fast Multiqubit Gates by Adiabatic Evolution in Interacting Excited-State Manifolds of Rydberg Atoms and Superconducting Circuits"(Phys. Rev. X 10, 021054(2020)) 참조).Other 2D lattice approaches that have been presented and/or employed involve initially applying Rydberg-blockade methods using neutral atoms (e.g., M. Saffman et al., “Quantum information with Rydberg atoms"(Rev. Mod. Phys. 82, 2313(2010)); K. Maller et al., "Rydberg-blockade controlled-not gate and entanglement in a two-dimensional array of neutral-atom qubits"(Phys. Rev .A 92, 022336 (2015)). Although the fidelity of early Rydberg-blocking methods was not competitive for forming quantum gates for computing, these Rydberg-blocking methods were advanced by improved methods of entangling Rydberg atoms (e.g. For example, D. Petrosyan et al., “High-fidelity Rydberg quantum gate via a two-atom dark state” (Phys. Rev. A 96, 042306 (2017)); M. Khazali and K. Molmer, “Fast Multiqubit Gates by Adiabatic Evolution in Interacting Excited-State Manifolds of Rydberg Atoms and Superconducting Circuits" (Phys. Rev. X 10, 021054 (2020)).
서술적 표현들과 가시적 레이아웃들이 유사하게 나타날 수 있는 다른 접근 방식들과 여기에 설명되는 특정한 구현 예들을 구별하기 위해, 규칙적인 기하학적 격자 트랩들과 같은 2D의 주기적 결정 구조들의 전체적인 레이아웃이 아직까지는 다중 큐비트들 사이의 게이트 동작들을 구현하지 못하는 본체 상호 작용들의 물리학의 연구를 위해 유용한 방식들로 형성되었던 점에 유의하도록 한다. 예를 들면, 삼각형의 이온 트랩들(예를 들어, 페닝 트랩(Penning trap)들)이 특정 유형들의 양자 시뮬레이터(quantum simulator)들을 위해 이용될 수 있는 확장된 2D 결정 또는 삼각형의 격자를 형성하도록 이온들이 내부로 위치할 수 있는 주기적 전기전위 우물들의 표면으로 형성될 수 있다. 이들 트랩들은 모델화되는 상기 양자 시스템의 경우들을 모방하는 에너지 토폴로지(energy topology)들을 형성하는 데 이용될 수 있다. 유사하게, 사면체의 육각형인 키타에프(Kitaev) 모델들(예를 들어, A. Kitaev의 "Anyons in an exactly solved model and beyond"(Ann. Phys. Vol. 321, 2(2006)); R. Schmied 등의 "Quantum simulation of the hexagonal Kitaev model with trapped ions"(New J. Phys. 13 115011(2011)) 참조); 혼성 격자들; 카고메(kagome) 광학 격자들(예를 들어, R. Samajdar의 "Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A."(118, e2015785118(2021)) 참조); 그리고 다른 규칙적인 격자 구조들이 닮을 수 있지만, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들과는 설계 복잡성과 목적에서 기본적으로 다르다. 예를 들면, 이러한 결정격자 구조들이 양자 시스템들의 시뮬레이션들을 위해 설계되었지만, 이러한 구조들은 대체로 게이트 동작들을 수행하도록 의도되지는 않는다. 특히, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 이온들의 2D 육각형의 격자(예를 들어, 상기 키타에프 모델을 따르는) 또는 중성 원자들(예를 들어, 광학 카고메 격자 내의)을 가지는 양자 시뮬레이터는 대체로 양자 게이트 동작들을 수행할 수 있는 "풀-업(full-up)" 양자 컴퓨터의 이러한 구조들의 복잡성과 숫자보다 보다 적은 레이저들로 훨씬 간단한 큐비트 컨트롤, 어드레싱 및 판독 계획들 (예를 들어, 어드레싱 레이저들 대신에 전체적인 어드레싱), 보다 간단한 검출 계획들, 보다 적은 전극 구조들 등을 이용할 수 있다.To distinguish the specific implementation described here from other approaches whose descriptive representations and visual layouts may appear similar, the overall layout of 2D periodic crystal structures, such as regular geometric lattice traps, has not yet been multiplied. Note that this was done in a useful way for the study of the physics of body interactions that do not implement gate operations between qubits. For example, triangular ion traps (e.g., Penning traps) collect ions to form an extended 2D crystal or triangular lattice that can be used for certain types of quantum simulators. They can be formed on the surface of periodic electrical potential wells that can be located internally. These traps can be used to form energy topologies that mimic those of the quantum system being modeled. Similarly, Kitaev models of tetrahedral hexagons (e.g., A. Kitaev, “Anyons in an exactly solved model and beyond” (Ann. Phys. Vol. 321, 2 (2006)); R. See Schmied et al., “Quantum simulation of the hexagonal Kitaev model with trapped ions” (New J. Phys. 13 115011 (2011)); Hybrid grids; kagome optical gratings (see, e.g., R. Samajdar, “Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.” (118, e2015785118 (2021))); And while other regular grid structures may resemble them, they differ fundamentally in design complexity and purpose from the specific implementations described here. For example, although these crystal lattice structures are designed for simulations of quantum systems, these structures are generally not intended to perform gate operations. In particular, quantum simulators with 2D hexagonal lattices of ions (e.g., following the Kitaev model above) or neutral atoms (e.g., in an optical Kagome lattice), according to certain implementations described herein, are generally quantum Much simpler qubit control, addressing and readout schemes with fewer lasers than the complexity of these structures and a "full-up" quantum computer capable of performing gate operations (e.g., addressing lasers). instead of global addressing), simpler detection schemes, fewer electrode structures, etc.
여기에 개시되는 특정한 구현 예들은 2D 포획 원자 격자들로부터 규모가 확대되는 게이트 모델 QC 구조들을 설계할 때에 빠르게 증가하고, 쉽지 않거나 실핸 불가능한 것으로 나타날 수 있는 하드웨어 도전 과제들에 대한 해결 방안들을 유리하게 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 어드레싱, 조작, 판독 및 전위 측파대 트래핑 및/또는 각 큐비트의 냉각을 위해 광학 요소들(예를 들어, 레이저들; 광학 포트들; 섬유들; 검출기들)을 상기 QC 구조 내에 통합시키며 시정 전급 각도들을 제공한다.Certain implementation examples disclosed herein advantageously enable solutions to rapidly increasing, hardware challenges that may appear challenging or impracticable when designing gate model QC structures that scale up from 2D trapped atomic lattices. You can do it. For example, specific implementations described herein may include optical elements (e.g., lasers; optical ports; fibers; detectors) are integrated into the QC structure and provide corrective field angles.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 최적의 숫자의 이웃하는 큐비트들 사이의 동시 얽힘을 가능하게 하여 직접적인 "기입"이 가능하며, 복합 양자 알고리즘들을 실행시키는 확장 가능한 하드웨어 구성들을 유리하게 제공한다. 특정한 구현 예들에서, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA)와 같은 종래의 펌웨어와 유사한 다차원의 양자 게이트 구현이 다중-큐비트 게이트들의 형태로 직접적으로 기입될 수 있고, 유연하게 재프로그램될 수 있다.Specific implementation examples described herein enable simultaneous entanglement between an optimal number of neighboring qubits, enabling direct "writing", and advantageously provide scalable hardware configurations for executing complex quantum algorithms. In certain implementations, multidimensional quantum gate implementations, similar to conventional firmware, such as field programmable gate arrays (FPGAs), can be written directly in the form of multi-qubit gates and can be flexibly reprogrammed.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 유리하게는 다차원의 기하학적 구조를 활용하여 다중 제어 양자 게이트 동작들이 자연적으로 실행되게 할 수 있다. 특정한 구현 예들에서, 상기 양자 게이트 동작들은 가장 작은 숫자의 단계들로 양자 펌웨어 플랫폼 상에서 실행된다(예를 들어, 다중 제어 NOT 동작에 영향을 미치기 위한 1- 및 2-큐비트 게이트 동작들의 연결들에 대한 재분류 없이).Certain implementations described herein may advantageously utilize multi-dimensional geometries to allow multiple controlled quantum gate operations to be performed naturally. In certain implementations, the quantum gate operations are executed on a quantum firmware platform in the smallest number of steps (e.g., coupling of 1- and 2-qubit gate operations to effect multiple control NOT operations). (without reclassification).
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 유리하게는 범용의 양자 컴퓨팅이 가능하도록 회로 모델 아키텍처 내의 각 큐비트의 전체 제어 및 판독을 위해 양자 펌웨어 플랫폼을 전기적 및 광학적 접근들을 통합시킬 필요에 따라 확장시킬 수 있는 구현 가능한 공학적 제작 구성을 제공한다.Certain implementations described herein advantageously enable a quantum firmware platform to be expanded as needed to integrate electrical and optical approaches for full control and readout of each qubit within a circuit model architecture to enable general-purpose quantum computing. Provides an engineered fabrication configuration that can be implemented.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 유리하게는 최적의 숫자의 큐비트들이 최근접 이웃하는 것들, 다음의 최근접 이웃하는 것들, 다음다음의 최근접 이웃하는 것들 및 이들을 넘어서 동시에 얽히게 할 수 있도록 구성되는 다층 양자 컴퓨팅 구조를 제공한다. 이러한 특정한 구현 예들은 확장 가능한 양자 프로세서들에서 큐비트들의 어드레싱, 제어 및 판독들을 위한 전기적 채널들 및 광학적 접근들을 포함한다. 예를 들면, 전체적으로 연결되는 큐비트들의 어레이들은 유리하게는 얽힌 게이트 동작들이 특정한 쌍들에 제한되는(예를 들어, 채용되는 큐비트의 유형 또는 이들의 레이아웃으로 인해) 다른 설계들 보다는 하드웨어 내에서 양자 알고리즘들을 실행하기 위한 보다 효율적이고, 유연한 선택들을 제공한다. 이러한 개선된 효율과 유연성은 어레이 내의 큐비트들의 숫자화 함께 빠르게 증가될 수 있다.Certain implementations described herein are advantageously configured such that an optimal number of qubits can be simultaneously entangled with their nearest neighbors, next-nearest neighbors, next-nearest neighbors, and beyond. Provides a multi-layer quantum computing structure. These specific implementation examples include electrical channels and optical approaches for addressing, controlling and reading out qubits in scalable quantum processors. For example, arrays of globally connected qubits advantageously allow for quantum processing within hardware rather than other designs where entangled gate operations are limited to specific pairs (e.g. due to the type of qubits employed or their layout). Provides more efficient, flexible options for executing algorithms. This improved efficiency and flexibility can be rapidly increased with the number of qubits within the array.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 유리하게는 동시에 둘 이상의 큐비트들을 수반하는 게이트 동작들을 수행할 수 있으며, 이에 따라 1- 및 2-큐비트 게이트들에 제한되는 이전의 설계들에 비해 효율의 상당한 개선 사항들을 제공한다(예를 들어, 수십의 이러한 게이트들을 하나의 4-큐비트 게이트로 대체하여). 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 유리하게는 1차원 및 2차원 큐비트 기하학적 구조들(예를 들어, 선형으로 포획된 이온들; 2D 그리드들, 2D 다이아몬드 격자들 내의 NV 센터들 내에 포획된 이온들; 다른 1D 및 2D 큐비트 격자들) 내에서 발견되는 연결 한계들을 극복한다. 예를 들면, 상기 큐비트 어레이들 사이의 직접 연결(예를 들어, 얽힘)로 다중의 큐비트 어레이들(예를 들어, 다중의 평면 및/또는 선형 큐비트 어레이들) 내에 큐비트들을 배열하는 것은 상당한 시간 지연의 문제점 및 이온 큐비트들로부터 광자 큐비트들로 전환시키는 과정의 비효율성들을 해결할 수 있으며, 다시 1D 체인 또는 2D 그리드 내의 수십의 원자들까지 계속적으로 확장될 수 있다.Certain implementations described herein advantageously can perform gate operations involving two or more qubits simultaneously, thereby providing significant improvements in efficiency compared to previous designs limited to one- and two-qubit gates. Provides improvements (e.g., by replacing dozens of these gates with a single 4-qubit gate). Certain implementations described herein advantageously utilize one-dimensional and two-dimensional qubit geometries (e.g., ions trapped linearly; ions trapped within NV centers in 2D grids, 2D diamond lattices). ; overcome connectivity limitations found within other 1D and 2D qubit lattices). For example, arranging qubits within multiple qubit arrays (e.g., multiple planar and/or linear qubit arrays) with direct connection (e.g., entanglement) between the qubit arrays. This can solve the problems of significant time delays and inefficiencies in the transition from ionic qubits to photonic qubits, and can then be scaled up to tens of atoms in a 1D chain or 2D grid.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 유리하게는 복잡한 3D 결정 구조들(예를 들어, 파이로클로르들)을 닮는 다차원의 얽힌 기하학적 구조들을 제공한다. 또한, 특정한 구현 예들로 설계되는 특정하고 방해받지 않는 시정들은 유리하게는 각 원자 큐비트들뿐만 아니라 상기 큐비트들의 총체들을 개별적으로 고유하게 어드레싱하기 위한 다중의 각도들로부터의 광학적 접근들을 제공한다. 특정한 구현 예들은 유리하게는 검출기들에 의한 개개의 원자 큐비트 상태들의 판독을 위해 다중의 광학적 접근 방식들을 제공한다.Certain implementations described herein advantageously provide multidimensional, entangled geometries that resemble complex 3D crystal structures (e.g., pyrochlores). Additionally, the specific, unobstructed visibility designed into specific implementations advantageously provides optical approaches from multiple angles for individually and uniquely addressing each atomic qubit as well as the ensemble of said qubits. Certain implementations advantageously provide multiple optical approaches for readout of individual atomic qubit states by detectors.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 다중 큐비트 격자 어레이들을 형성하기 위해 중성 원자 큐비트들(예를 들어, 외곽 전자가 고도로 여기된 상태로 상승되는 대전되지 않은 리드베르크 원자들)을 유리하게 활용하며, 이는 선택적인 큐비트 유형들에 대한 이러한 시스템과 방법들의 적용 가능성을 입증하고, 처리 잠재력을 더 예시하는 데 기여한다. 리드베르크 원자들을 얽히도록 하는 최근의 개선된 기술은 이들이 양자 컴퓨팅이 보다 더 수행할 수 있게 만든다(예를 들어, M. Khazali 및 K. Molmer(2020); D. Petrosyan 등(2017) 참조). 개선된 기술들의 결과로서, 리드베르크 원자들도 여기에 설명되는 시스템과 방법들을 위한 다른 예시적인 큐비트로서 가능하도록 잘 적합하게 된다. 리드베르크 큐비트 격자들을 형성하기 위한 기술들은 포획 이온 격자 어레이들의 많은 동일한 이점들 및 일부 특별한 이점들로 이온 큐비트들을 포획하도록 전기전위를 이용하는 과정과 유사하게 개개의 중성 원자 큐비트들을 포획하기 위해 응집 광속(light beam)들(예를 들어, 레이저들)을 교차시키는 과정 및 교차하는 광학 빔(optical beam)들(예를 들어, 적색 측파대들에 의해 형성되는 전위 우물들 내에) 내에, 상기 광속들(예를 들어 사이의 공간들(예를 들어, 셀들) 내에, 청색 측파대들에 의해 형성되는 전위 우물들 내에) 에너지 전위 우물들을 형성하도록 상기 광학 측파대들로 전자기장 상호 작용들을 생성하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들면, 비록 리드베르크 큐비트들이 아직까지는 가장 높은 큐비트 게이트 충실도들 및 포획된 이온들과 연관된 가장 긴 수명들을 가지는 것을 입증하고 있지만, 리드베르크 원자들은 주요한 예들로서 이온 큐비트들을 이용하는 미국 특허 출원 공개 제2021/0142204(A1)호에 기재되어 있는 경우들과 동등하거나 및/또는 연결되는 결정성 기하학적 구조들(예를 들어, 파이로클로르 구조들)을 생성하기 위해 육각형의 격자 층들로 구성될 수 있다. 상기 리드베르크 원자들을 포획하기 위해 활용되는 상기 광자 격자 구조들은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 매우 가까운 큐비트 간격 및 추가적인 어레이 층들을 가능하게 할 수 있다.Certain implementations described herein advantageously utilize neutral atomic qubits (e.g., uncharged Rydberg atoms whose outer electrons are raised to a highly excited state) to form multi-qubit lattice arrays. , which serves to demonstrate the applicability of these systems and methods to select qubit types and further illustrate their processing potential. Recent improvements in entangling Rydberg atoms make them more amenable to quantum computing (see, for example, M. Khazali and K. Molmer (2020); D. Petrosyan et al. (2017)). As a result of improved technologies, Rydberg atoms are also potentially well-suited as other exemplary qubits for the systems and methods described herein. Techniques for forming Rydberg qubit gratings have many of the same advantages of trapping ion grid arrays and some special advantages for trapping individual neutral atomic qubits, similar to the process of using electrical potentials to trap ionic qubits. In the process of intersecting coherent light beams (e.g. lasers) and in intersecting optical beams (e.g. in potential wells formed by red sidebands), the generating electromagnetic field interactions with the optical sidebands to form energy potential wells in the light fluxes (e.g., within the spaces (e.g., cells) between them, within the potential wells formed by the blue sidebands). Process may be included. For example, although Rydberg qubits have yet to be demonstrated to have the highest qubit gate fidelities and the longest lifetimes associated with trapped ions, the US patent uses Rydberg atoms as prime examples, ionic qubits. Composed of hexagonal lattice layers to create crystalline geometries (e.g. pyrochlore structures) equivalent to and/or connected to the cases described in Application Publication No. 2021/0142204(A1) It can be. The photonic lattice structures utilized to capture the Rydberg atoms can enable very close qubit spacing and additional array layers, depending on specific implementations described herein.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 리드베르크 원자들에 대한 현재의 제곱 기반 광자 격자들을 이용하여 격자 층들의 숫자를 증가시키고, 현재 구현 가능한 한계들에 대해 동시에 얽힐 수 있는 큐비트들의 숫자를 증가시키는(예를 들어, w허용 가능한 게이트 충실도들로) 잠재성으로 및 이온들을 위한 여기에 설명되는 육각형의 다층 표면-포획 기하학적 구조들 내의 구현 가능한 큐비트 밀도들에 대해 잠재적으로 미국 공개 특허 제2021/0142204(A1)호에 기재된 경우들(예를 들어, 주로 대전된 원자 큐비트 예들을 이용함)과 동등한 기하학적 구조들 내의 다층 격자 구조들의 큐비트 어레이들 내의 리드베르크 원자들을 유리하게 활용한다. 소규모의 선형 및/또는 정사각형의 어레이들 내의 트래핑 중성 리드베르크 원자들의 최근의 실험들로부터의 데이터는 20 자릿수의 큐비트들이 확장 가능한 고장 허용 한계 양자 컴퓨팅을 위해 충분한 다중 큐비트 게이트 충실도들로 2D 정사각형 격자 내에 동시에 얽힐 수 있는 것을 나타낸다(예를 들어, M. Khazali 및 K. Molmer(2020) 참조).Specific implementations described herein utilize current square-based photonic gratings for Rydberg atoms to increase the number of grating layers; The hexagonal multilayer surface-trapping geometry described herein for ions and has the potential to increase the number of qubits that can be simultaneously entangled (e.g., with acceptable gate fidelities) beyond the limits of current implementation possibilities. Multilayer grids in geometries potentially equivalent to the cases described in US Patent Publication No. 2021/0142204(A1) (e.g., using primarily charged atomic qubit examples) for implementable qubit densities within The structures utilize Rydberg atoms within qubit arrays to their advantage. Data from recent experiments with trapping neutral Rydberg atoms in small-scale linear and/or square arrays show that 20 orders of magnitude qubits can be used in 2D squares with multi-qubit gate fidelity sufficient for scalable fault tolerance quantum computing. It represents what can be simultaneously entangled within a grid (see, for example, M. Khazali and K. Molmer (2020)).
다중의 방향들로 최대 숫자의 셀들에 걸쳐 큐비트들 사이에 얽히는 동작들의 숫자와 충실도를 최적화하기 위하여 응집 광자(예를 들어, 레이저) 빔들의 다축 어레이들을 광학 트랩 격자들 내로 통합시키고, 상기 3D 격자 셀 형상들과 간격을 조정함에 의해, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 대전된 원자 큐비트들(예를 들어, 이온들)의 경우들과 동등하고, 일부 경우들에서 복잡성과 처리 능력을 능가시키는 다차원의 얽힌 기하학적 구조들을 유리하게 제공한다. 예를 들면, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 최소화된 큐비트간 간격(예를 들어, 광자 트랩 격자 내에서 10미크론 보다 적게)을 유리하게 가능하게 하는 광자 다중 큐비트 격자 어레이들 내의 리드베르크 원자들을 활용한다. 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 격자 층들(예를 들어, 3, 4, 5 또는 그 이상의 층들까지)의 추가를 가능하게 하면서 12 이상의 동시에 얽히는 큐비트들의 전체적인 연결을 가능하게 하도록 이온들에 대해 여기에 설명되는 경우들과 동등한 육각형의 다층 격자 어레이들을 포함한다. 이들 예시적인 구현 예들은 보다 많은 큐비트들을 동시에 얽히게 하는 능력을 산출할 수 있다. 처리 능력이 동시에 얽힐 수 있는 실질적으로 동등한 충실도들의 큐비트들의 숫자로 기하급수적으로 증가하기 때문에, 30의 큐비트들의 차이를 위해 12의 얽힌 원자 큐비트들 내지 42의 큐비트들로 지칭될 수 있는 이러한 숫자를 증가시키는 것은 230의 컴퓨팅 능력 증가 또는 10억 폴드(fold) 이상의 이점으로 해석된다.Integrating multi-axis arrays of coherent photon (e.g., laser) beams into optical trap gratings to optimize the number and fidelity of entangled operations between qubits across a maximum number of cells in multiple directions, the 3D By adjusting the grid cell shapes and spacing, the specific implementations described here are equivalent to the cases of charged atomic qubits (e.g., ions), and in some cases exceed their complexity and processing power. Shiki advantageously provides multidimensional, intertwined geometric structures. For example, certain implementations described herein include Rydberg atoms in photonic multi-qubit grating arrays that advantageously enable minimized inter-qubit spacing (e.g., less than 10 microns in a photon trap grating). Take advantage of them. Specific implementations described herein enable the addition of lattice layers (e.g., up to 3, 4, 5 or more layers) while excitation on ions allows for the overall connection of 12 or more simultaneously entangled qubits. It includes hexagonal multilayer grid arrays equivalent to the cases described in . These example implementations may yield the ability to entangle more qubits simultaneously. As processing power increases exponentially with the number of qubits of substantially equal fidelity that can be entangled simultaneously, we can refer to 12 entangled atomic qubits to 42 qubits for a difference of 30 qubits. Increasing these numbers translates into an increase in computing power of 2 30 , or a benefit of over 1 billion folds.
예시적인 구현 예들Illustrative Implementations
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 3D 결정 구조들(예를 들어, 파이로클로르들)을 닮을 수 있는 큐비트들의 다차원 구성들(예를 들어, 셀들; 노드들)을 활용한다. 특정한 구현 예들은 게이트마다 많은 큐비트들을 활용하며, 회로 깊이, 오류 보정 및 간섭 완화를 유리하게 감소시킬 수 있다(예를 들어, 최소화할 수 있다). 특정한 구현 예들은 양자 FPGA(QFPGA) 및 양자 ASIC(QASIC) 칩들을 유리하게 구현할 수 있는 호환 가능한 구성 셀들을 활용한다.Certain implementations described herein utilize multidimensional configurations of qubits (e.g., cells; nodes) that can resemble 3D crystal structures (e.g., pyrochlores). Certain implementations utilize many qubits per gate and may advantageously reduce (e.g., minimize) circuit depth, error correction, and interference mitigation. Certain implementations utilize compatible configuration cells that can advantageously implement quantum FPGA (QFPGA) and quantum ASIC (QASIC) chips.
특정한 구현 예들의 물리적인 구성들이 높은 충실도의 포획 원자 큐비트들(예를 들어, 낮은 오류율들)을 이용하는 것으로 여기에 설명되지만, 다중의 다른 큐비트들과 다차원으로 동시에 얽힐 수 있는 임의의 유형의 큐비트(예를 들어, 자연적으로 발생하는; 인공적으로 형성되는)가 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 이용될 수 있다. 여기에 설명되는 특정한 구현 예들과 호환될 수 있는 큐비트들의 예들은, 이에 한정되는 것은 아니지만: 아원자 입자들; 중성 원자들; 이온들; 중성 분자들; 대전된 분자들; 보스-아인슈타인 응축물(BEC)들; 전자들; 전자 홀들; 여기자(exciton)들; 자기 큐비트들; 질소 공공(NV) 센터들(예를 들어, 다이아몬드 내부); 포논들; 포톤들; 양자점(quantum dot)들; 리드베르크 원자들; 실리콘 내의 스핀; 그리고 가능한 초전도 큐비트들을 포함한다. 특정한 구현 예들에서, 상기 큐비트들은 특정된 구성 내의 둘 이상의 큐비트들 사이에서 게이트 동작들에 직접적으로(예를 들어, 자연적으로) 영향을 미치기에 적합하다. 예를 들면, 특정한 구현 예들의 물리적 아키텍처는 1- 및 2-큐비트 게이트들의 직렬적인 연결들에 의지하지 않고 다중-제어 NOT 또는 상(phase) 회전과 같은 복합 게이트 동작들을 직접적으로 유리하게 제공할 수 있다.Although the physical configurations of certain implementations are described herein as utilizing high fidelity captured atomic qubits (e.g., low error rates), any type of qubit that can be multidimensionally entangled simultaneously with multiple other qubits Qubits (e.g., naturally occurring; artificially formed) may be utilized according to certain implementations described herein. Examples of qubits that are compatible with the specific implementations described herein include, but are not limited to: subatomic particles; neutral atoms; ions; neutral molecules; charged molecules; Bose-Einstein condensates (BECs); electrons; electron holes; excitons; magnetic qubits; nitrogen vacancy (NV) centers (eg, inside diamonds); phonons; photons; quantum dots; Rydberg atoms; spin in silicon; And it includes possible superconducting qubits. In certain implementations, the qubits are suitable to directly (e.g., spontaneously) affect gate operations between two or more qubits in a specified configuration. For example, the physical architecture of certain implementations may advantageously provide complex gate operations such as multi-control NOT or phase rotation directly without resorting to serial connections of 1- and 2-qubit gates. You can.
여기에 설명되는 특정한 구현 예들에서 활용되는 포획 원자 큐비트들은 최적화되는 양자 상호 작용들의 성질을 예시한다. 포획된 원자들이 나타내는 적절한 숫자의 장점은, 이에 한정되는 것은 아니지만, (i) 이들이 정해진 종들 내에서 동일하며, 이에 따라 광범위한 보정이나 조정이 유리하게 회피될 수 있는 사실, (ii) 이들의 잠재적인 게이트 사이클 타임들에 대해 우수한 안정성 및 코히런스 시간들을 가지는 큐비트들을 형성하는 능력, 그리고 (iii) 경쟁하는 큐비트 기술들과 비교할 경우에 연속되고 입증된 높은 충실도의 게이트 동작들을 포함한다. 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에서, 동시의 다중 큐비트 게이트 동작들은 다중의 동일한 전체적으로 연결되는 큐비트들의 3D 기하학적 레이아웃들로 배열되는 원자들에 의해 가능하게 될 수 있다. 특정한 구현 예들에서, 전체적으로 연결되는 큐비트들의 3D 기하학적 레이아웃들은 하나 이상의 큐비트 유형을 유리하게 통합할 수 있다(예를 들어, 상기 다중의 컨트롤 큐비트들에 대해 하나의 종의 원자들 및 타겟으로서 제2의 원자 종들을 채용하거나; 이웃하는 셀들에 대해 다른 원자 종들을 채용한다).Captured atomic qubits utilized in specific implementations described herein illustrate the nature of quantum interactions that are optimized. The advantages of an adequate number of captured atoms include, but are not limited to, (i) the fact that they are identical within a given species and thus extensive corrections or adjustments can be advantageously avoided, (ii) their potential (iii) the ability to form qubits with excellent stability and coherence times relative to gate cycle times, and (iii) continuous and proven high fidelity gate operations when compared to competing qubit technologies. In certain implementations described herein, simultaneous multi-qubit gate operations may be enabled by atoms arranged in 3D geometric layouts of multiple identical globally connected qubits. In certain implementations, 3D geometric layouts of globally connected qubits may advantageously integrate more than one qubit type (e.g., as a single species of atom and target for the multiple control qubits). adopt secondary atomic species; employ different atomic species for neighboring cells).
여기에 설명되는 특정한 구현 예들은, 이에 한정되는 것은 아니지만: 자연적으로 발생하는 원자들; 중성 원자들; 대전된 원자들; 이온들; 분자들; 인공적으로 형성된 원자들; 리드베르크 원자들; 다이아몬드 내의 질소 공공(NV) 센터들; 보스-아인슈타인 응축물(BEC)들; 전자들; 포톤들; 양자 입자들; 양자점들; 포논들; 포톤들; 양자 입자들로 거동하는 양자 상태들을 포함하여 다양한 큐비트 기술들을 활용하는 다층 큐비트 어레이들을 포함한다. 여기서의 도면들은 대전되지 않은 원자들(예를 들어, 중성 원자들; 리드베르크 상태들; 중성 리드베르크 원자들)을 포함하는 다양한 예시적인 다층 큐비트 어레이들을 도시하지만, 이들 예시적인 다층 큐비트 어레이들이 다른 큐비트 기술들과 호환될 수 있는 점도 이해될 것이다.Specific embodiments described herein include, but are not limited to: naturally occurring atoms; neutral atoms; charged atoms; ions; molecules; artificially formed atoms; Rydberg atoms; Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond; Bose-Einstein condensates (BECs); electrons; photons; quantum particles; quantum dots; phonons; photons; It includes multi-layer qubit arrays utilizing a variety of qubit technologies, including quantum states that behave as quantum particles. Although the drawings herein illustrate various example multilayer qubit arrays containing uncharged atoms (e.g., neutral atoms; Rydberg states; neutral Rydberg atoms), these example multilayer qubit arrays It will also be appreciated that they are compatible with other qubit technologies.
도 1은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 실질적인 평면 영역들(120) 내에 논리 큐비트들(110)을 포함하는 예시적인 양자 컴퓨팅(QC) 시스템(100)의 사시도를 개략적으로 예시한다. 상기 시스템(100)은 제1의 실질적인 평면 영역(120a) 내에 제1의 복수의 논리 큐비트들(110a)을 포함하며, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들(110a) 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하도록 구성된다. 상기 시스템(100)은 상기 제1의 실질적인 평면 영역(120a)과 실질적으로 평행한 제2의 실질적인 평면 영역(120b) 내에 제2의 복수의 논리 큐비트들(110b)을 더 포함한다. 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들(110b) 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하고, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들(110a) 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록 구성된다. 도 1의 논리 큐비트들(110)은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 다중의 2D 평면 광학 트랩 층들에 걸쳐 다중 큐비트 게이트들을 형성한다.1 schematically illustrates a perspective view of an example quantum computing (QC) system 100 including logical qubits 110 within substantially planar regions 120 in accordance with certain implementations described herein. The system 100 includes a first plurality of logical qubits 110a within a first substantially planar area 120a, where at least some of the first plurality of logical qubits 110a are adjacent to each other. It is designed to interact. The system 100 further includes a second plurality of logical qubits 110b within a second substantially planar region 120b substantially parallel to the first substantially planar region 120a. At least some of the second plurality of logical qubits 110b are configured to interact with each other and with at least some of the first plurality of logical qubits 110a. Logic qubits 110 of FIG. 1 form multi-qubit gates across multiple 2D planar optical trap layers according to specific implementation examples described herein.
특정한 구현 예들에서, 도 1에 개략적으로 예시한 바와 같이, 상기 예시적인 시스템(100)은 상기 제2의 실질적인 평면 영역(120b)과 실질적으로 평행한 제3의 실질적인 평면 영역(120c) 내에 제3의 복수의 논리 큐비트들(110c)을 더 포함한다. 상기 제3의 복수의 논리 큐비트들(110c) 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하고, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들(110b) 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록 구성된다. 여기에 설명되는 특정한 구현 예들과 호환될 수 있는 다른 예시적인 시스템(100)은 상기 제1, 제2 및 제3의 실질적인 평면 영역들(120a, b, c)과 실질적으로 평행한 적어도 하나의 추가적인 실질적인 평면 영역(120) 내에 적어도 하나의 추가적인 복수의 논리 큐비트들(110)을 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 추가적인 복수의 논리 큐비트들(110)은 서로 상호 작용하고, 상기 제1, 제2 및/또는 제3의 복수의 논리 큐비트들(110a, b, c) 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록 구성된다. 이러한 특정한 구현 예들에서, 상기 시스템(100)은 서로 실질적으로 평행한 넷, 다섯, 여섯, 또는 그 이상의 실질적인 평면 영역들(120) 내에 배열되는 넷, 다섯, 여섯 또는 그 이상의 복수의 논리 큐비트들(110)을 포함할 수 있으며, 상기 다양한 평면 영역들(120)의 상기 논리 큐비트들(110)은 서로 상호 작용(예를 들어, 평면내의 상호 작용들 및 평면간의 상호 작용들)하도록 구성된다.In certain implementations, as schematically illustrated in FIG. 1 , the example system 100 includes a third substantially planar region 120c within a third substantially planar region 120c that is substantially parallel to the second substantially planar region 120b. It further includes a plurality of logical qubits 110c. At least some of the third plurality of logical qubits 110c are configured to interact with each other and with at least some of the second plurality of logical qubits 110b. Another example system 100 that is compatible with certain implementations described herein includes at least one additional substantially parallel to the first, second and third substantially planar areas 120a, b, c. The substantially planar area 120 may include at least one additional plurality of logical qubits 110, wherein the at least one additional plurality of logical qubits 110 interact with each other, and the first, configured to interact with at least some of the second and/or third plurality of logical qubits 110a, b, and c. In certain such implementations, the system 100 includes a plurality of four, five, six, or more logical qubits arranged within four, five, six, or more substantially planar regions 120 that are substantially parallel to each other. 110, wherein the logical qubits 110 of the various planar regions 120 are configured to interact with each other (e.g., intra-plane interactions and inter-plane interactions). .
특정한 구현 예들에서, 상기 복수들의 논리 큐비트들(110)(예를 들어, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들(110a), 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들(110b) 및/또는 상기 제3의 복수의 논리 큐비트들(110c))은 자연적으로 발생하는 원자들; 중성 원자들; 대전된 원자들; 이온들; 분자들; 인공적으로 형성된 원자들; 리드베르크 원자들; 다이아몬드 내의 질소 공공(NV) 센터들; 보스-아인슈타인 응축물(BEC)들; 전자들; 포톤들; 양자 입자들; 양자점들; 포논들; 트랜스몬(transmon)들; 양자 입자들로 거동하는 양자 상태들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 물리적인 큐비트를 포함한다. 특정한 구현 예들에서, 상기 복수들의 논리 큐비트들(110)(예를 들어, 상기 제1, 제2 및/또는 제3의 복수의 논리 큐비트들(110a, b, c)) 중의 논리 큐비트들(110)은 개별적으로 어드레싱 가능할 수 있다.In certain implementations, the plurality of logical qubits 110 (e.g., the first plurality of logical qubits 110a, the second plurality of logical qubits 110b and/or The third plurality of logical qubits 110c) are naturally occurring atoms; neutral atoms; charged atoms; ions; molecules; artificially formed atoms; Rydberg atoms; Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond; Bose-Einstein condensates (BECs); electrons; photons; quantum particles; quantum dots; phonons; transmons; It contains at least one physical qubit selected from the group consisting of quantum states that behave as quantum particles. In certain implementations, a logical qubit among the plurality of logical qubits 110 (e.g., the first, second and/or third plurality of logical qubits 110a, b, c). Fields 110 may be individually addressable.
특정한 구현 예들에서, 상기 복수들의 논리 큐비트들(110) 중의 적어도 일부(예를 들어, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들(110a) 중의 적어도 일부, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들(110b) 중의 적어도 일부 및/또는 상기 제3의 복수의 논리 큐비트들(110c) 중의 적어도 일부)는 둘 이상의 논리 큐비트들(110)이 동시에 참여하는 다중 큐비트 게이트 동작들을 겪도록 구성되는 적어도 하나의 3차원(3D) 게이트 셀 어레이(예를 들어, 복수의 다중 큐비트 3D 게이트 셀들(130)을 포함)를 형성하기 위해 서로 직접적으로 상호 작용하도록 구성된다. 예를 들면, 3D 게이트 셀(130)의 각 논리 큐비트(110)는 상기 3D 게이트 셀(130)의 적어도 하나의 다른 논리 큐비트(110)와 양자 역학적으로 얽히도록 구성될 수 있다.In certain implementations, at least some of the plurality of logical qubits 110 (e.g., at least some of the first plurality of logical qubits 110a, the second plurality of logical qubits At least some of (110b) and/or at least some of the third plurality of logical qubits (110c) are configured to undergo multi-qubit gate operations in which two or more logical qubits (110) participate simultaneously. configured to interact directly with each other to form at least one three-dimensional (3D) gate cell array (e.g., comprising a plurality of multi-qubit 3D gate cells 130). For example, each logical qubit 110 of the 3D gate cell 130 may be configured to be quantum mechanically entangled with at least one other logical qubit 110 of the 3D gate cell 130.
특정한 구현 예들에서, 상기 제1 평면 영역(120a) 내의 각 제1 논리 큐비트(110a)는 상기 제1 평면 영역(120a) 내의 일부(예를 들어, 최근접 이웃 및 다음의 최근접 이웃) 다른 제1 논리 큐비트들(110a)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 상기 제2 평면 영역(120b) 내의 각 제2 논리 큐비트(110b)는 상기 제2 평면 영역(120b) 내의 일부(예를 들어, 최근접 이웃 및 다음의 최근접 이웃) 다른 제2 논리 큐비트들(110b)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성될 수 있으며, 상기 제3 평면 영역(120c) 내의 각 제3 논리 큐비트(110c)는 상기 제3 평면 영역(120c) 내의 일부(예를 들어, 최근접 이웃 및 다음의 최근접 이웃) 다른 제3 논리 큐비트들(110c)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 평면 영역(120a) 내의 각 제1의 논리 큐비트(110a)는 상기 제2 평면 영역(120b) 내의 일부(예를 들어, 최근접 이웃 및 다음의 최근접 이웃) 제2 논리 큐비트들(110b)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성될 수 있고, 상기 제2 평면 영역(120b) 내의 각 제2의 논리 큐비트(110b)는 상기 제3 평면 영역(120c) 내의 일부(예를 들어, 최근접 이웃 및 다음의 최근접 이웃) 제3 논리 큐비트들(110c)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성될 수 있으며, 상기 제3 평면 영역(120c) 내의 각 제3 논리 큐비트(110c)는 상기 제2 평면 영역(120b) 내의 일부(예를 들어, 최근접 이웃 및 다음의 최근접 이웃) 제2 논리 큐비트들(110b)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성될 수 있다. 비록 도 1에는 도시되지 않지만, 특정한 구현 예들에서, 상기 논리 큐비트들(110) 중의 적어도 일부는 동일한 평면 영역(120) 내 및/또는 인접하는 평면 영역(120) 내의 심지어 보다 먼 논리 큐비트들(110)(예를 들어, 다음다음의 최근접 논리 큐비트들(110); 다음다음다음의 최근접 논리 큐비트들(110))과 직접적으로 상호 작용할 수 있다.In certain implementations, each first logical qubit 110a within the first planar region 120a may have a portion (e.g., nearest neighbor and next nearest neighbor) within the first planar region 120a. It may be configured to interact directly with the first logical qubits 110a. Similarly, each second logical qubit 110b within the second planar region 120b has another second portion (e.g., nearest neighbor and next-nearest neighbor) within the second planar region 120b. It may be configured to interact directly with logical qubits 110b, and each third logical qubit 110c within the third planar region 120c is a portion (e.g., a portion) within the third planar region 120c. For example, the nearest neighbor and the next nearest neighbor) may be configured to interact directly with other third logical qubits 110c. Additionally, each first logical qubit 110a within the first planar region 120a has a second logic qubit (e.g., nearest neighbor and next-nearest neighbor) within the second planar region 120b. Can be configured to interact directly with qubits 110b, wherein each second logical qubit 110b within the second planar region 120b is a portion (e.g., a portion) within the third planar region 120c. may be configured to interact directly with third logical qubits 110c (e.g., nearest neighbor and next nearest neighbor), each third logical qubit 110c within the third planar region 120c. may be configured to interact directly with some (eg, nearest neighbor and next nearest neighbor) second logical qubits 110b within the second planar region 120b. Although not shown in FIG. 1 , in certain implementations, at least some of the logical qubits 110 may be within the same planar region 120 and/or even more distant logical qubits within an adjacent planar region 120 110 (e.g., the next-next-closest logical qubits 110; the next-next-next-next-closest logical qubits 110).
도 2a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 실질적으로 평행한 셋의 실질적인 평면 영역들(120a, b, c) 내에 36의 논리 큐비트들(110)을 포함하는 예시적인 시스템(100)의 사시도를 개략적으로 예시한다. 도 2b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 실질적으로 서로 평행한 셋의 실질적인 평면 영역들(120a, b, c) 내에 60의 논리 큐비트들(110)을 포함하는 다른 예시적인 시스템(100)의 사시도를 개략적으로 예시한다. 도 2a 및 도 2b의 예시적인 시스템들(100)은 각기 다중 큐비트 게이트들(예를 들어, 상기 논리 큐비트들(110)이 인접하는 실질적인 평면 영역들(120) 내의 논리 큐비트들(110) 사이에 직교하는 연결들을 가지는 다중 평면 층들 내에 걸리거나 포획되는 3D 육각형의 규칙적이거나 "파이로클로르(pyrochlore)" 격자 큐비트 어레이 구성으로)을 형성하는 2D 평면 광학 격자 층들을 구비하는 3D 격자 큐비트 어레이를 포함한다.2A is a perspective view of an example system 100 including 36 logical qubits 110 within a set of substantially parallel substantially planar regions 120a, b, and c in accordance with certain implementations described herein. is schematically illustrated. 2B illustrates another example system 100 including 60 logical qubits 110 within three substantially planar regions 120a, b, and c that are substantially parallel to each other in accordance with certain implementations described herein. A perspective view is schematically illustrated. The example systems 100 of FIGS. 2A and 2B each include multiple qubit gates (e.g., logical qubits 110 within substantially planar regions 120 where the logical qubits 110 are adjacent). ) A 3D lattice cue comprising 2D planar optical lattice layers forming a 3D hexagonal regular or “pyrochlore” lattice qubit array configuration that is latched or trapped within multiple planar layers with orthogonal connections between them. Contains a bit array.
특정한 구현 예들에서, 도 2a 또는 도 2b에 도시한 논리 큐비트들(110)은 예시적인 시스템(100)의 모든 논리 큐비트들(110)이지만, 다른 특정한 구현 예들에서, 도 2a 또는 도 2b에 도시한 논리 큐비트들은 단지 상기 예시적인 시스템(100)의 논리 큐비트들(110)의 서브 세트이다. 상기 논리 큐비트들(110)은 적어도 하나의 다중-큐비트 3D 게이트 셀(130)을 형성한다. 예를 들면, 인접하는 3D 게이트 셀들(130)의 각 쌍은 상기 제1 평면 영역(120a) 내의 둘의 제1 논리 큐비트들(110a), 상기 제2 평면 영역(120b) 내의 둘의 제2 논리 큐비트들(110b), 그리고 상기 제3 평면 영역(120c) 내의 둘의 제3 논리 큐비트들(110c)을 공유한다.In certain implementations, the logical qubits 110 shown in FIG. 2A or FIG. 2B are all logical qubits 110 of the example system 100, but in other specific implementations, the logical qubits 110 shown in FIG. 2A or FIG. 2B The logical qubits shown are only a subset of the logical qubits 110 of the example system 100 above. The logical qubits 110 form at least one multi-qubit 3D gate cell 130. For example, each pair of adjacent 3D gate cells 130 has two first logical qubits 110a in the first planar region 120a and two second logical qubits 110a in the second planar region 120b. It shares logical qubits 110b, and two third logical qubits 110c in the third planar area 120c.
도 2a의 각각의 상기 평면 영역들(120a, b, c)은 실질적으로 육각형의 2D 패턴으로 배열되는 12의 논리 큐비트들(110)을 포함하며, 도 2b의 각각의 상기 평면 영역들(120a, b, c)은 실질적으로 육각형의 2D 패턴으로 배열되는 20의 논리 큐비트들(110)을 포함한다. 도 2a 및 도 2b의 논리 큐비트들(110)은 각 평면 영역(120a, b, c) 내에 각 논리 큐비트(110) 및 그 최근접 이웃 논리 큐비트들(110) 사이의 평면내(intraplanar) 최근접 이웃(nn) 거리 d 1 을 가지며, 도 2a 및 도 2b에서는, 다른 평면 영역들(120) 내의 각 논리 큐비트(110) 및 그 최근접 이웃 논리 큐비트들(110) 사이의 평면내 최근접 이웃(nn) 거리는 평면간(interplanar) 거리 d 2 와 동일하다. 특정한 구현 예들에서, 각각의 상기 평면 영역들(120a, b, c)의 상기 평면내의 nn 거리 d 1 은 실질적으로 서로 동일하지만, 다른 특정한 구현 예들에서, 상기 평면 영역들(120a, b, c) 중의 적어도 둘의 상기 평면내의 nn 거리 d 1 은 서로 다르다. 특정한 구현 예들에서, 평면 영역들(120a, b) 사이 및 평면 영역들(120b, c) 사이의 상기 평면간의 거리 d 2 는 실질적으로 서로 동일하지만, 다른 특정한 구현 예들에서, 평면 영역들(120a, b) 사이 및 평면 영역들(120b, c) 사이의 상기 평면간의 거리 d 2 는 서로 다르다.Each of the planar regions 120a, b, c in FIG. 2A includes 12 logical qubits 110 arranged in a substantially hexagonal 2D pattern, and each of the planar regions 120a in FIG. 2B , b, c) comprises 20 logical qubits 110 arranged in a substantially hexagonal 2D pattern. The logical qubits 110 of FIGS. 2A and 2B are intraplanar between each logical qubit 110 and its nearest neighbor logical qubits 110 within each planar region 120a, b, and c. ) has a nearest neighbor (nn) distance d 1 , and in FIGS. 2A and 2B , the plane between each logical qubit 110 and its nearest neighbor logical qubits 110 in different planar regions 120 My nearest neighbor (nn) distance is equal to the interplanar distance d 2 . In certain implementations, the in-plane distance d 1 of each of the planar regions 120a, b, c is substantially equal to each other, but in other specific implementations, the planar regions 120a, b, c At least two of the nn distances d 1 within the plane are different from each other. In certain implementations, the interplanar distance d 2 between planar regions 120a, b and between planar regions 120b, c is substantially equal to each other, but in other specific implementations, planar regions 120a, The inter-planar distance d 2 between b) and between the planar areas 120b, c are different.
특정한 구현 예들에서, 상기 평면내의 nn 거리 d 1 및 상기 평면간의 거리 d 2 는 실질적으로 서로 동일하지만(예를 들어, 15미크론(micron) 보다 작거나; 3미크론 내지 15미크론의 범위 이내; 8미크론 내지 11미크론의 범위 이내), 다른 특정한 구현 예들에서, 상기 평면내의 nn 거리 d 1 및 상기 평면간의 거리 d 2 는 서로 다르며(예를 들어, 1미크론 내지 3미크론의 범위 이내의 차이로), d 1 >d 2 또는 d 1 <d 2 이다. 예를 들면, 도 2a 및 도 2b의 시스템들(100)의 평면 영역들(120) 내의 큐비트들(110)의 2D 육각형 패턴들은 상기 평면간의 거리 d 2 와 동일한 상기 평면내의 nn 거리 d 1 을 가질 수 있고, 상기 평면간의 다음의 최근접 이웃(nnn) 거리는 d1√2와 동일하며, 상기 평면내의 nnn 거리는 d1√3과 동일하고, 상기 평면내의 다음다음의 최근접 이웃(nnnn) 거리는 2d1과 동일하며, 상기 평면간의 nnnn 거리는 2d1과 동일하고, 상기 평면간의 다음다음다음의 최근접 이웃(nnnnn) 거리는 d1√5와 동일하며, 상기 평면내의 nnnnn 거리는 d1√7과 동일하다.In certain embodiments, the nn distance d 1 within the plane and the distance d 2 between the planes are substantially equal to each other (e.g., less than 15 microns; within the range of 3 microns to 15 microns; 8 microns). in the range of 1 micron to 11 microns), and in other specific embodiments, the nn distance within the plane d 1 and the distance d 2 between the planes are different (e.g., within the range of 1 micron to 3 microns), and d 1 > d 2 or d 1 < d 2 . For example, the 2D hexagonal patterns of qubits 110 in planar regions 120 of the systems 100 of FIGS. 2A and 2B have a distance d 1 within the plane equal to the distance d 2 between the planes. can have, the next nearest neighbor (nnnn) distance between the planes is equal to d 1 √2, the nnn distance within the plane is equal to d 1 √3, and the next nearest neighbor (nnnn) distance within the plane is is equal to 2d 1 , the nnnn distance between the planes is equal to 2d 1 , the next nearest neighbor (nnnnn) distance between the planes is equal to d 1 √5, and the nnnnn distance within the plane is equal to d 1 √7. do.
상기 평면 영역들(120) 내의 상기 큐비트들(110)의 2D 육각형의 패턴들의 다른 구성들은 상기 평면 영역들(120) 사이에 다른 측방 오프셋(offset)들을 가질 수 있다(예를 들어, 하나의 평면 영역(120) 내의 상기 큐비트들(110)이 인접하는 평면 영역(120)의 큐비트들(110)의 상부에 직접적으로 있지 않도록 상기 평면 영역들(120)에 평행한 오프셋들; 예를 들어, 도 5a-도 5c, 도 6a-도 6f 참조). 여기에 설명되는 바와 같이, 이러한 구성들은 상기 평면내의 nn 거리 d 1 , 상기 평면간의 거리 d 2 , 그리고 다양한 평면내의 및 평면간의 nnn, nnnn 및 nnnnn 거리들의 다른 값들을 가질 수 있다.Different configurations of the 2D hexagonal patterns of the qubits 110 within the planar regions 120 may have different lateral offsets between the planar regions 120 (e.g., one Offsets parallel to the planar regions 120 such that the qubits 110 within the planar region 120 are not directly on top of the qubits 110 of the adjacent planar region 120; e.g. For example, see Figures 5A-5C and Figures 6A-6F). As described herein, these configurations can have different values of the intra-plane nn distance d 1 , the inter-plane distance d 2 , and various intra- and inter-plane nnn, nnnn and nnnnn distances.
특정한 구현 예들에서, 도 2a에 도시한 바와 같이, 21의 상기 논리 큐비트들(110)은 제1 다중 큐비트 3D 게이트 셀(130a)(예를 들어, C20NOT 게이트 셀 또는 C20φ 게이트 셀)을 형성하며, 21의 상기 논리 큐비트들(110)은 제2 다중 큐비트 3D 게이트 셀(130b)(예를 들어, C20NOT 게이트 셀 또는 C20φ 게이트 셀)을 형성한다. 예를 들면, 상기 평면 영역(120b) 내의 논리 큐비트(110)(도 2a에 흑색으로 도시됨)는 상기 제1 게이트 셀(130a)의 타겟 큐비트가 될 수 있고, 그 20의 컨트롤 큐비트들(도 2a에 짙은 회색으로 도시됨), 즉 그 여섯의 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 둘의 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)(예를 들어, 각각의 평면 영역들(120a, c) 내의 하나) 및 그 열둘의 평면간의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)(예를 들어, 각각의 상기 평면 영역들(120a, c) 내에 여섯)과 동시에 양자 역학적으로 얽힐 수 있다. 유사하게, 상기 평면 영역(120b)(도 2a에 백색으로 도시됨) 내의 또 다른 논리 큐비트(110)는 상기 제2 게이트 셀(130b)의 타겟 큐비트가 될 수 있으며, 그 20의 컨트롤 큐비트들(110)(예를 들어, 이들도 상기 제1 게이트 셀(130a)의 컨트롤 큐비트들이기 때문에 도 2a에 옅은 회색으로 도시한 14 및 짙은 회색으로 도시한 여섯)과 동시에 양자 역학적으로 얽힐 수 있다. 특정한 구현 예들에서, 도 2b에 도시한 바와 같이, 21의 상기 논리 큐비트들(110)이 제3 다중 큐비트 3D 게이트 셀(130c)을 형성할 수 있고, 21의 상기 논리 큐비트들(110)이 제4 다중 큐비트 3D 게이트 셀(130d)을 형성할 수 있다.In certain implementations, as shown in Figure 2A, 21 of the logical qubits 110 are connected to a first multi-qubit 3D gate cell 130a (e.g., a C 20 NOT gate cell or a C 20 ϕ gate). cell), and 21 of the logical qubits 110 form a second multi-qubit 3D gate cell 130b (eg, a C 20 NOT gate cell or a C 20 ϕ gate cell). For example, logical qubit 110 (shown in black in FIG. 2A) in the planar region 120b can be the target qubit of the first gate cell 130a, and its 20 control qubits. (shown in dark gray in FIG. 2A), i.e., the nearest-neighbor logical qubits 110 within the six planes, and the nearest-neighbor logical qubits 110 between the two planes (e.g., (one in each of the planar regions 120a, c) and the next nearest neighbor logical qubits 110 between the twelve planes (e.g., six in each of the planar regions 120a, c) and At the same time, they can be quantum mechanically entangled. Similarly, another logical qubit 110 within the planar region 120b (shown in white in FIG. 2A) may be the target qubit of the second gate cell 130b, and the control queue of the 20 Bits 110 (e.g., 14 shown in light gray and 6 shown in dark gray in FIG. 2A since these are also control qubits of the first gate cell 130a) can be simultaneously quantum mechanically entangled. there is. In certain implementations, as shown in FIG. 2B, 21 of the logical qubits 110 may form a third multi-qubit 3D gate cell 130c, and 21 of the logical qubits 110 ) may form the fourth multi-qubit 3D gate cell 130d.
도 2a 및 도 2b의 각 C20NOT/C20φ 게이트 셀(130)은 파이로클로르 결정 구조들의 경우와 그 배열의 유사성으로 인해 "파이로클로르 셀(Pyrochlore cell)"로 지칭될 수 있다. 여기에 설명되는 바와 같이, 특정한 구현 예들에서, 보다 많은 논리 큐비트들(110)이 보다 큰 다중 큐비트 게이트 셀들(130)(예를 들어, C34NOT 게이트 셀들; C34φ 게이트 셀들; C94NOT 게이트 셀들; C94φ 게이트 셀들 등)을 형성하도록 서로 동시에 양자 역학적으로 얽힐 수 있다. 이들 보다 큰 게이트 셀들(130)은 각기 "슈퍼 파이로클로르 셀"로 지칭될 수 있다.Each C 20 NOT/C 20 ϕ gate cell 130 in FIGS. 2A and 2B may be referred to as a “Pyrochlore cell” due to the similarity of its arrangement to that of pyrochlore crystal structures. As described herein, in certain implementations, more logical qubits 110 are connected to larger multi-qubit gate cells 130 (e.g., C 34 NOT gate cells; C 34 ϕ gate cells; C 94 NOT gate cells; C 94 ϕ gate cells, etc.) can be simultaneously quantum mechanically entangled with each other. Each of these larger gate cells 130 may be referred to as a “super pyrochlore cell.”
도 2a 및 도 2b에 다양한 논리 큐비트들(110) 사이의 얽힘들 중의 일부가 다양한 무게들의 파선들 및 실선들로 나타나지만, 게이트 셀(130)(예를 들어, 제1 게이트 셀(130a))의 모든 논리 큐비트들(110)은 서로 직접적으로 상호 작용할 수 있고(예를 들어, 동시에 양자 역학적으로 얽힐 수 있거나; 전체적으로 얽힐 수 있거나; 완전히 얽힐 수 있고), 다른 게이트 셀(130)(예를 들어, 제2 게이트 셀(130b))의 모든 논리 큐비트들(110)은 서로 직접적으로 상호 작용할 수 있다(예를 들어, 동시에 양자 역학적으로 얽힐 수 있다). 특정한 구현 예들에서, 각 논리 큐비트(110)는 평면내의 최근접 이웃(nn) 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃(nn) 논리 큐비트들(110) 및 그 평면간의 다음의 최근접 이웃(nnn) 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성된다. 다른 특정한 구현 예들에서, 각 논리 큐비트(110)는 그 평면내의 다음의 최근접 이웃(nnn) 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 다음다음의 최근접 이웃(nnnn) 논리 큐비트들(110), 그 평면내의 다음다음의 최근접 이웃(nnnn) 논리 큐비트들(110) 및/또는 그 평면간의 다음다음다음의 최근접 이웃(nnnnn) 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 더 구성된다. 다른 특정한 구현 예들에서, 각 논리 큐비트(110)는 그 평면내의 다음다음다음의 최근접 이웃(nnnnn) 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 더 구성된다. 도 2a에는 흑색으로 도시된 상기 단일 논리 큐비트(110)에 대한 이들의 관련성으로 일부 예시적인 논리 큐비트들(110)이 표시된다. 추가적인 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하는 상기 논리 큐비트들(110)을 가짐에 의해, 게이트 셀(130) 내부의 논리 큐비트들(110)의 숫자가 증가될 수 있으며, 이에 따라 상기 게이트 셀(130)의 연산 능력을 증가시킬 수 있다.Although some of the entanglements between the various logic qubits 110 in FIGS. 2A and 2B are shown as dashed and solid lines of various weights, the gate cell 130 (e.g., the first gate cell 130a) All logical qubits 110 of can interact directly with each other (e.g., simultaneously quantum mechanically entangled; globally entangled; fully entangled) and with other gate cells 130 (e.g. For example, all logical qubits 110 of the second gate cell 130b may interact directly with each other (e.g., may be quantum mechanically entangled simultaneously). In certain implementations, each logical qubit 110 is divided into its nearest neighbor (nn) logical qubits 110 within a plane, its nearest neighbor (nn) logical qubits 110 between those planes, and the next logical qubits 110 between those planes. It is configured to interact directly with the nearest neighbor (nnn) logical qubits 110 of . In other specific implementations, each logical qubit 110 is divided into the next-nearest-neighbor (nnnn) logical qubits 110 within its plane, the next-nearest-neighbor (nnnn) logical qubits 110 between the planes ( 110), directly interacting with the next-nearest-neighbor (nnnn) logical qubits 110 within the plane and/or with the next-next-nearest-neighbor (nnnnn) logical qubits 110 between the planes. It is further configured to do so. In other specific implementations, each logical qubit 110 is further configured to interact directly with the next-next-next-nearest-neighbor qubits 110 within that plane. Figure 2A shows some example logical qubits 110 with their relationship to the single logical qubit 110 shown in black. By having the logic qubits 110 directly interacting with additional logic qubits 110, the number of logic qubits 110 within the gate cell 130 can be increased, thereby Accordingly, the computing power of the gate cell 130 can be increased.
특정한 구현 예들에서, 각 다중 큐비트 게이트 셀(130)은 "네이티브(native)" C20NOT 게이트(예를 들어, 20-제어 NOT 게이트)로서 및/또는 "네이티브" C20φ 게이트(예를 들어, 20-제어 위상 게이트)로서 동작될 수 있는 21의 얽힌 큐비트들(110)(예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같은)로 형성된다. 이러한 네이티브 C20NOT/C20φ 게이트들은 단독에 의해 이용될 수 있었던 경우보다 훨씬 적은 게이트 동작들로 구현될 수 있다. 특정한 구현 예들에서, 상기 21-큐비트 게이트 셀(130)이 그 결과를 구현하기 위해 많은 성공적인 동작들의 오류들을 집합시키지 않기 때문에, 예시적인 21-큐비트 게이트 셀(130)에 의해 제공되는 네이티브 C20NOT/C20φ 게이트의 순 충실도는 훨씬 높은 개별적인 게이트 충실도들을 가질 수 있는 많은 2-큐비트 게이트들을 포함하는 C20NOT/C20φ 게이트보다 현저하게 크다. 이러한 특정한 구현 예들에서, 상기 예시적인 21-큐비트 게이트 셀(130)에 의해 제공되는 C20NOT/C20φ 게이트는 많은 2-큐비트 게이트들을 포함하는 C20NOT/C20φ 게이트의 단계들 중의 매우 작은 부분을 이용하므로, 구조 및 충실도 모두의 평가들을 이용하여 성공적인 게이트 동작의 가능성들의 비교에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 예시적인 21-큐비트 게이트 셀(130)에 의해 제공되는 상기 C20NOT/C20φ 게이트는 보다 빠르고, 오류 발생이 적다(예를 들어, 이에 따라 착수에서 상당히 적은 오류 보정을 활용한다).In certain implementations, each multi-qubit gate cell 130 may be configured as a “native” C 20 NOT gate (e.g., a 20-controlled NOT gate) and/or as a “native” C 20 ϕ gate (e.g., It is formed of 21 entangled qubits 110 (e.g., as shown in FIGS. 2A and 2B) that can be operated as a 20-controlled phase gate. These native C 20 NOT/C 20 ϕ gates can be implemented with significantly fewer gate operations than could be used by them alone. In certain implementations, the native C provided by the example 21-qubit gate cell 130 does not aggregate the errors of many successful operations to implement the result. The net fidelity of a 20 NOT/C 20 ϕ gate is significantly greater than a C 20 NOT/C 20 ϕ gate containing many 2-qubit gates, which can have much higher individual gate fidelities. In these specific implementations, the C 20 NOT/C 20 ϕ gate provided by the example 21-qubit gate cell 130 is a stage of a C 20 NOT/C 20 ϕ gate comprising many 2-qubit gates. The C 20 provided by the exemplary 21-qubit gate cell 130, as can be seen in a comparison of the probabilities of successful gate operation using estimates of both structure and fidelity, using a very small portion of the C 20 NOT/C 20 ϕ gates are faster and less error-prone (i.e., they utilize significantly less error correction in startup).
특정한 구현 예들에서, 게이트 셀(130) 당 상기 논리 큐비트들(110)의 숫자는 실질적인 평면 영역들(120)의 숫자를 증가시키거나 및/또는 상기 논리 큐비트들(110)이 서로 상호 작용할 수 있는 거리를 연장시킴에 의해 증가될 수 있다. 예를 들면, 도 3a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 서로 실질적으로 평행한 셋의 실질적인 평면 영역들(120) 내에 배열되는 복수의 논리 큐비트들(110)(예를 들어, 도 2a 및 도 2b의 예시적인 시스템(100)과 호환될 수 있는)의 사시도를 개략적으로 예시한다. 도 3a의 사시도는 모든 논리 큐비트들(110)이 보일 수 있는(예를 들어, 상기 논리 큐비트들(110)이 다른 논리 큐비트(110)에 의해 모호해지지 않는) 방향을 따른다. 도 3a는 상기 논리 큐비트들(110) 중의 일부 사이의 라인들을 포함하며, 라인들은 게이트 셀(130)의 논리 큐비트들(110) 사이의 직접적인 교차들 중의 일부를 나타낸다. 각 논리 큐비트(110)는 그 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110) 및 그 평면간의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성되며, 도 3a의 게이트 셀(130)은 C20NOT 게이트 셀 또는 C20φ 게이트 셀(예를 들어, 흑색으로 도시된 예시적인 타겟 큐비트 및 짙은 회색으로 도시된 그 컨트롤 큐비트들을 구비함)이다.In certain implementations, the number of logical qubits 110 per gate cell 130 increases the number of substantially planar areas 120 and/or allows the logical qubits 110 to interact with each other. It can be increased by extending the distance that can be reached. For example, Figure 3A shows a plurality of logical qubits 110 arranged within a set of substantially planar regions 120 that are substantially parallel to each other in accordance with certain implementations described herein (e.g., Figures 2A and schematically illustrates a perspective view of a system (compatible with the example system 100 of FIG. 2B). The perspective view of FIG. 3A follows an orientation in which all logical qubits 110 are visible (e.g., where the logical qubits 110 are not obscured by other logical qubits 110). 3A includes lines between some of the logical qubits 110, which lines represent some of the direct intersections between the logical qubits 110 of the gated cell 130. Each logical qubit 110 is divided into the nearest neighbor logical qubits 110 within that plane, the nearest neighbor logical qubits 110 between those planes, and the next nearest neighbor logical qubits 110 between those planes. ), and the gate cell 130 of FIG. 3A is a C 20 NOT gate cell or a C 20 ϕ gate cell (e.g., an exemplary target qubit shown in black and a C 20 ϕ gate cell shown in dark gray). Equipped with the control qubits).
다른 예들로서, 각각의 도 3b 및 도 3c는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 서로 실질적으로 평행한 다섯의 실질적인 평면 영역들(120) 내에 배열되는 복수의 논리 큐비트들(110)의 사시도를 개략적으로 예시한다. 도 3b 및 도 3c의 사시도들은 모든 논리 큐비트들(110)이 보일 수 있는(예를 들어, 상기 논리 큐비트들(110)이 다른 논리 큐비트(110)에 의해 모호해지지 않는) 방향을 따르고, 상기 논리 큐비트들(110)의 일부 사이에 라인들을 포함하며, 상기 라인들은 게이트 셀(130)의 논리 큐비트들(110) 사이의 직접적인 상호 작용들의 일부를 나타낸다. 도 3b에서, 각 논리 큐비트(110)는 그 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110) 및 그 평면간의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성되며, 도 3b의 게이트 셀(130)은 C34NOT 게이트 셀 또는 C34φ 게이트 셀(예를 들어, 흑색으로 도시한 예시적인 타겟 큐비트 및 짙은 회색으로 도시한 그 컨트롤 큐비트들을 구비하는)이다. 도 3c에서, 각 논리 큐비트들(110)은 그 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면내의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110) 및 그 평면내의 다음다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성된다. 도 3c의 게이트 셀(130)은 C94NOT 게이트 셀 또는 C94φ 게이트 셀(예를 들어, 흑색으로 도시한 예시적인 타겟 큐비트 및 짙은 회색으로 도시한 그 컨트롤 큐비트들을 구비하는)이다. 도 3a-도 3c의 예시적인 배치들은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 "슈퍼 파이로클로르" 셀들(예를 들어, 3층의 규칙적인 육각형 원자 격자 내의 21-큐비트 C20NOT/C20φ 게이트(130); 5층의 규칙적인 육각형 원자 격자 내의 35-큐비트 C34NOT/C34φ 게이트(130); 5층의 규칙적인 육각형 원자 격자 내의 95-큐비트 C94NOT/C94φ 게이트(130))을 형성하기 위해 육각형 셀인 N-층 광학 격자들에 의해 형성되는 중성(예를 들어, 리드베르크) 원자 트랩들을 이용하여 가능한 동시 연결(예를 들어, 얽힘)의 유리하게 증가된 정도를 예시한다.As other examples, each of FIGS. 3B and 3C shows a perspective view of a plurality of logical qubits 110 arranged within five substantially planar regions 120 that are substantially parallel to each other in accordance with certain implementations described herein. Illustrate schematically. The perspective views of FIGS. 3B and 3C follow an orientation in which all logical qubits 110 are visible (e.g., where the logical qubits 110 are not obscured by other logical qubits 110). , comprising lines between some of the logical qubits 110, which lines represent some of the direct interactions between the logical qubits 110 of the gate cell 130. 3B, each logical qubit 110 has its nearest neighbor logical qubits 110 within its plane, its nearest neighbor logical qubits 110 between its planes, and its next nearest neighbor logical queue between its planes. Configured to interact directly with bits 110, gate cell 130 in FIG. 3B is a C 34 NOT gate cell or a C 34 ϕ gate cell (e.g., an example target qubit shown in black and dark (equipped with the control qubits shown in grey). In Figure 3C, each logical qubit 110 has its nearest neighbor logical qubits 110 within its plane, its nearest neighbor logical qubits 110 between its planes, and its next nearest neighbor within its plane. It is configured to interact directly with the qubits 110 and the next-nearest neighboring logical qubits 110 within that plane. Gate cell 130 in FIG. 3C is a C 94 NOT gate cell or a C 94 ϕ gate cell (e.g., with an example target qubit shown in black and its control qubits shown in dark gray). The exemplary arrangements of FIGS. 3A-3C include “super pyrochlore” cells (e.g., a 21-qubit C 20 NOT/C 20 cell in a three-layer regular hexagonal atomic lattice) according to certain implementations described herein. ϕ gate 130; 35-qubits in a 5-layer regular hexagonal atomic lattice C 34 NOT/C 34 ϕ gate 130; 95-qubits in a 5-layer regular hexagonal atomic lattice C 94 NOT/C 94 Advantageously increasing the possible simultaneous connections (e.g., entanglement) by using neutral (e.g., Rydberg) atomic traps formed by N-layer optical lattices that are hexagonal cells to form ϕ gates (130). Illustrate the extent to which
도 4a-도 4b, 도 5a-도 5c 및 도 6a-도 6d는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 다중의 실질적인 평면 영역들(120)의 논리 큐비트들(110) 사이의 다른 상대적인 변위들을 구비하는 예시적인 시스템(110)의 일부들을 개략적으로 예시한다. 도 4a 및 도 4b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 각기 대응되는 복수의 논리 큐비트들(110a, b, c)을 포함하는 셋의 평면 영역들(120a, b, c)을 구비하는 예시적인 시스템(100)의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 각기 개략적으로 예시한다. 각각의 상기 평면 영역들(120) 내의 상기 논리 큐비트들(110)은 실질적으로 육각형의 2D 패턴으로 배열되며, 상기 평면 영역들(120)은 서로 실질적으로 평행하다. 도 4a 및 도 4b의 육각형의 규칙적인 격자 어레이에서, 상기 3D 구성들은 인접하는 평면 영역들(120) 내의 큐비트들 사이에 직교하는 연결들을 포함한다. 도 4a 및 도 4b에서, 상기 논리 큐비트들(110)(실질적인 평면 영역(120)의)은 이웃하는 실질적인 평면 영역(120)의 상기 논리 큐비트들(110)로부터 상기 평면 영역(120)에 실질적으로 평행한 방향을 따라 실질적으로 배치되지는 않는다. 예를 들면, 도 4a에 도시한 바와 같이, 가장 상부의 평면 영역(120a)의 논리 큐비트들(110a)은 상기 논리 큐비트들(110b, c)이 상기 논리 큐비트들(110a)에 의해 모호해지면서 상기 논리 큐비트들(110a)이 상부로부터 보일 수 있도록(예를 들어, 상기 z-축을 따라) 다른 둘의 평면 영역들(120b, c) 내의 대응되는 논리 큐비트들(110b, c)과 정렬된다. 도 4a 및 도 4b의 이러한 예시적인 시스템(100)은 도 2a 도 2b의 경우(예를 들어, 예시적인 21-큐비트 C20NOT/C20φ 게이트들(130)이 실질적으로 서로 동일한 상기 평면내의 nn 거리 d 1 및 상기 평면간의 거리 d 2 를 가지며, 각 논리 큐비트(110)가 그 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110) 및 그 평면간의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성되는)에 대응된다.4A-4B, 5A-5C, and 6A-6D illustrate different relative displacements between logical qubits 110 in multiple substantially planar regions 120 according to specific implementation examples described herein. Schematically illustrates portions of an example system 110 comprising: 4A and 4B are examples having a set of planar regions 120a, b, and c, each containing a corresponding plurality of logical qubits 110a, b, and c, according to specific implementation examples described herein. A top view (eg, along the z-axis) and a perspective view, respectively, of a portion of the system 100 are schematically illustrated. The logical qubits 110 in each of the planar regions 120 are arranged in a substantially hexagonal 2D pattern, and the planar regions 120 are substantially parallel to each other. In the hexagonal regular grid array of FIGS. 4A and 4B, the 3D configurations include orthogonal connections between qubits in adjacent planar regions 120. 4A and 4B, the logical qubits 110 (of a substantially planar region 120) are connected to the planar region 120 from the logical qubits 110 of a neighboring substantially planar region 120. It is not substantially disposed along a substantially parallel direction. For example, as shown in FIG. 4A, the logical qubits 110a of the uppermost planar area 120a are formed by the logical qubits 110b and c by the logical qubits 110a. The corresponding logical qubits 110b, c within the other two planar regions 120b, c are obscured so that the logical qubits 110a are visible from above (e.g., along the z-axis). is aligned with This exemplary system 100 of FIGS. 4A and 4B is similar to that of FIG. 2A 2B (e.g., the exemplary 21-qubit C 20 NOT/C 20 ϕ gates 130 are substantially the same as each other in the same plane). It has a distance d 1 and a distance d 2 between the planes, and each logical qubit 110 has nearest neighbor logical qubits 110 within the plane and nearest neighbor logical qubits 110 between the planes. and configured to interact directly with the next-nearest neighboring logical qubits 110 between the planes.
도 5a 및 도 5b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 각기 대응되는 복수의 논리 큐비트들(110a, b, c)을 포함하는 셋의 평면 영역들(120a, b, c)을 구비하는 다른 예시적인 시스템(110)의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 각기 개략적으로 예시한다. 각각의 상기 평면 영역들(120) 내의 상기 논리 큐비트들(110)은 실질적으로 육각형의 2D 패턴으로 배열되며, 상기 평면 영역들(120)은 서로 실질적으로 평행하다. 도 5a-도 5c의 선택적인 육각형 격자 어레이에서, 상기 3D 구성들은 인접하는 평면 영역들(120) 내의 큐비트들 사이에 직교하지 않는 연결들을 포함하며, 이와 같은 선택적인 구성은 상기 광학 격자를 위한 최적의 접근 각도 선택들의 공학적 교환 영역을 확장시킨다. 도 5a 및 도 5b에서, 실질적인 평면 영역(120)의 큐비트들(110)은 인접하는 실질적인 평면 영역들(120)의 논리 큐비트들(110)로부터 상기 평면 영역들(120)에 실질적으로 평행한 방향을 따라 배치(예를 들어, 오프셋)된다.5A and 5B show another diagram having a set of planar regions 120a, b, and c, each containing a corresponding plurality of logical qubits 110a, b, and c, according to specific implementation examples described herein. A top view (e.g., along the z-axis) and a perspective view, respectively, of a portion of the example system 110 are schematically illustrated. The logical qubits 110 in each of the planar regions 120 are arranged in a substantially hexagonal 2D pattern, and the planar regions 120 are substantially parallel to each other. In the optional hexagonal grating array of FIGS. 5A-5C, the 3D configurations include non-orthogonal connections between qubits in adjacent planar regions 120, and this optional configuration provides for the optical grating. Expands the engineering trade-off of optimal approach angle choices. 5A and 5B, qubits 110 of substantially planar regions 120 are substantially parallel to the planar regions 120 from logical qubits 110 of adjacent substantially planar regions 120. They are positioned (e.g. offset) along one direction.
예를 들면, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 논리 큐비트들(110a)은 δ1=d1√3/2의 변위 크기로 상기 y-축을 따른 방향(예를 들어, 상기 x-축 및 z-축에 직교하는; 도 5a에서 파선의 양쪽 화살표로 도시한)으로 상기 논리 큐비트들(110b)에 대해 변위되지만, 상기 논리 큐비트들(110c)은 상기 논리 큐비트들(110a)에 의해 모호해지면서 상기 평면 영역들(120a, b)의 상기 논리 큐비트들(110)(110a, b)이 상부로부터 보일 수 있도록(예를 들어, 상기 z-축을 따라) 상기 논리 큐비트들(110c)과 정렬된다. 도 5c는 도 5b의 경우와 유사한 사시도를 개략적으로 예시하며, 여기서 상기 평면간의 거리 d 2 가 d1√3/2와 실질적으로 동일하도록 상기 평면내의 nn 거리 d 1 및 상기 평면간의 최근접 이웃 큐비트들 사이의 거리는 사로 실질적으로 동일하고, 각 논리 큐비트(110)는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 그 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면내의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그리고 그 평면간의 다음다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성된다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 예시적인 23-큐비트 C22NOT/C22φ 게이트들(130)은 타겟 큐비트(흑색) 및 22의 컨트롤 큐비트들(짙은 회색)을 가진다.For example, as shown in FIGS. 5A and 5B, the logical qubits 110a move in a direction along the y - axis (e.g., the x The logical qubits 110c are displaced relative to the logical qubits 110b (orthogonal to the -axis and the z-axis; shown by the dashed double arrows in Figure 5a), but the logical qubits 110c are The logical qubits 110 (110a, b) of the planar regions 120a, b are visible from above (e.g., along the z-axis) while being obscured by 110a). It is aligned with field 110c. Figure 5c schematically illustrates a perspective view similar to the case of Figure 5b, where nn distance d 1 within the plane and a nearest neighbor cue between the planes such that the distance d 2 between the planes is substantially equal to d 1 √3/2. The distances between the bits are substantially equal to each other, and each logical qubit 110 is one of its nearest-neighbor logical qubits 110 within its plane, and a nearest-neighbor logical queue between its planes, according to specific implementation examples described herein. Bits 110, next-nearest-neighbor logical qubits 110 within the plane, next-nearest-neighbor logical qubits 110 between the planes, and next-nearest-neighbor logical qubits between the planes. It is configured to interact directly with bits 110. As shown in Figure 5C, the exemplary 23-qubit C 22 NOT/C 22 ϕ gates 130 have a target qubit (black) and 22 control qubits (dark gray).
도 6a 및 도 6b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 각기 대응되는 복수의 논리 큐비트들(110a, b, c)을 포함하는 셋의 평면 영역들(120a, b, c)을 구비하는 또 다른 예시적인 시스템(110)의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 개략적으로 예시한다. 각각의 상기 평면 영역들(120) 내의 상기 논리 큐비트들(110)은 실질적으로 육각형의 2D 패턴으로 배열되며, 상기 평면 영역들(120)은 서로 실질적으로 평행하다. 도 6a 및 도 6b에서, 실질적인 평면 영역(120)의 논리 큐비트들(110)은 인접하는 실질적인 평면 영역(120)의 논리 큐비트들(110)로부터 상기 평면 영역들(120)에 실질적으로 평행한 방향을 따라 변위된다. 예를 들면, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 논리 큐비트들(110a)은 δ2=d12의 변위 크기로 x-축을 따른 방향(예를 들어, 상기 y-축 및 z-축에 직교하는; 도 6a에서 파선의 양쪽 화살표로 도시된)으로 상기 논리 큐비트들(110b)에 대해 변위되지만, 상기 논리 큐비트들(110c)이 상기 논리 큐비트들(110a)에 의해 모호해지면서, 상기 평면 영역들(120a, b)의 상기 논리 큐비트들(110a, b)이 상부로부터 보일 수 있도록(예를 들어, 상기 z-축을 따라) 상기 논리 큐비트들(110c)과 정렬된다. 도 6c는 도 6b의 경우와 유사한 사시도를 개략적으로 예시하며, 여기서 상기 평면간의 거리 d 2 가 d 1 √3/2와 실질적으로 동일하도록 상기 평면내의 nn 거리 d 1 및 상기 평면간의 최근접 이웃 큐비트들 사이의 거리는 실질적으로 서로 동일하고, 각 논리 큐비트(110)는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 그 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면내의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110) 및 그 평면간의 다음다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용한다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 예시적인 25-큐비트 C24NOT/C24φ 게이트(130)는 타겟 큐비트(흑색) 및 24의 컨트롤 큐비트들(짙은 회색)을 가진다.FIGS. 6A and 6B are further illustrated with a set of planar regions 120a, b, and c, each containing a corresponding plurality of logical qubits 110a, b, and c, according to specific implementation examples described herein. Schematically illustrate a top view (e.g., along the z-axis) and a perspective view of a portion of another example system 110. The logical qubits 110 in each of the planar regions 120 are arranged in a substantially hexagonal 2D pattern, and the planar regions 120 are substantially parallel to each other. 6A and 6B, logical qubits 110 of a substantially planar region 120 are substantially parallel to the planar regions 120 from logical qubits 110 of an adjacent substantially planar region 120. Displaced along one direction. For example, as shown in FIGS. 6A and 6B, the logical qubits 110a are oriented along the x-axis (e.g., the y-axis and z) with a displacement magnitude of δ 2 = d 1 2 - orthogonal to the axis (shown by dashed double arrows in Figure 6a) with respect to the logical qubits 110b, but the logical qubits 110c are shifted by the logical qubits 110a. By blurring, the logical qubits 110a, b of the planar regions 120a, b are aligned with the logical qubits 110c such that they are visible from above (e.g., along the z-axis). do. Figure 6c schematically illustrates a perspective view similar to the case of Figure 6b, where nn distance d 1 within the plane and a nearest neighbor cue between the planes such that the distance d 2 between the planes is substantially equal to d 1 √3/2. The distances between the bits are substantially equal to each other, and each logical qubit 110 is one of its nearest-neighbor logical qubits 110 within its plane, and a nearest-neighbor logical queue between its planes, according to specific implementation examples described herein. Bits 110, next-nearest-neighbor logical qubits 110 within the plane, next-nearest-neighbor logical qubits 110 between the planes, and next-nearest-neighbor logical qubits 110 between the planes. interacts directly with fields 110. As shown in Figure 6C, the exemplary 25-qubit C 24 NOT/C 24 ϕ gate 130 has a target qubit (black) and 24 control qubits (dark gray).
도 6d 및 도 6e는 각기 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 각기 대응되는 복수의 논리 큐비트들(110a, b, c)을 포함하는 셋의 평면 영역들(120a, b, c)을 구비하는 또 다른 예시적인 시스템(110)의 일부의 상면도(예를 들어, z-축을 따름) 및 사시도를 개략적으로 예시한다. 각각의 상기 평면 영역들(120) 내의 상기 논리 큐비트들(110)은 실질적으로 육각형의 2D 패턴으로 정렬되며, 상기 평면 영역들(120)은 서로 실질적으로 평행하다. 도 6d 및 도 6e에서, 상기 실질적인 평면 영역(120)의 논리 큐비트들(110)은 상기 인접하는 실질적인 평면 영역(120)의 논리 큐비트들(110)로부터 상기 평면 영역들(120)에 실질적으로 평행한 방향을 따라 이동된다. 예를 들면, 도 6d 및 도 6e에 도시된 바와 같이, 상기 논리 큐비트들(110a)은 d 1과 실질적으로 동일한 변위 크기 δ3으로 상기 논리 큐비트들(110b)에 대해 이동되며, 크기 δ1=d1√3/2를 가지는 이들의 축을 따른 제1 성분 및 크기 δ2=d1/2를 가지는 상기 x-축을 따른 제2 성분을 가진다. 상기 논리 큐비트들(110a)은 상기 논리 큐비트들(110b, c)이 도 6d에서 상기 논리 큐비트들(110a)에 의해 모호해지도록 상기 논리 큐비트들(110b, c)과 정렬된다.6D and 6E each have a set of planar regions 120a, b, and c, each containing a corresponding plurality of logical qubits 110a, b, and c, according to specific implementation examples described herein. Schematically illustrates a top view (e.g., along the z-axis) and a perspective view of a portion of another example system 110. The logical qubits 110 within each of the planar regions 120 are aligned in a substantially hexagonal 2D pattern, with the planar regions 120 being substantially parallel to each other. 6D and 6E, logical qubits 110 of the substantially planar region 120 are substantially planar regions 120 from logical qubits 110 of the adjacent substantially planar region 120. is moved along a parallel direction. For example, as shown in FIGS. 6D and 6E, the logical qubits 110a are moved relative to the logical qubits 110b with a displacement magnitude δ 3 substantially equal to d 1 , and the magnitude δ It has a first component along these axes with 1 = d 1 √3/2 and a second component along the x-axis with magnitude δ 2 = d 1/2 . The logical qubits 110a are aligned with the logical qubits 110b, c such that the logical qubits 110b, c are obscured by the logical qubits 110a in FIG. 6D.
도 6f는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 도 6e의 경우와 유사한 사시도를 개략적으로 예시하며, 여기서 상기 평면내의 nn 거리 d 1 및 상기 평면간의 최근접 이웃 큐비트들 사이의 거리는 상기 평면들 사이의 평면간의 거리(예를 들어, 분리) d 2 =d1√3/2가 되도록 서로 실질적으로 동일하고, 각 논리 큐비트(110)는 그 평면내의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면간의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그 평면내의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들, 그 평면간의 다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110), 그리고 및 그 평면간의 다음다음의 최근접 이웃 논리 큐비트들(110)과 직접적으로 상호 작용하도록 구성된다. 도 6f에 도시된 바와 같이, 예시적인 21-큐비트 C20NOT/C20φ 게이트(130)는 타겟 큐비트(흑색으로 도시됨) 및 20의 컨트롤 큐비트들을 가진다. 이러한 예들 및 앞서의 모든 예들에서, 모든 논리 큐비트들(110a, b, c)이 보일 수 있고, 개별적으로 어드레싱 가능하며, 개별적으로 검출 가능한 각도들이 존재한다.FIG. 6F schematically illustrates a perspective view similar to the case of FIG. 6E according to certain implementations described herein, where nn distance within the plane d 1 and the distance between the nearest neighboring qubits between the planes are The distance (e.g., separation) between the planes is substantially equal to each other such that d 2 = d 1 √ 3/2, and each logical qubit 110 is connected to the nearest neighboring logical qubits 110 in that plane, the next-nearest neighbor logical qubits 110 between the planes, the next-nearest neighbor logical qubits within the plane, the next-nearest neighbor logical qubits 110 between the planes, and the next-next between the planes. It is configured to interact directly with the nearest neighboring logical qubits 110. As shown in FIG. 6F, the exemplary 21-qubit C 20 NOT/C 20 ϕ gate 130 has a target qubit (shown in black) and 20 control qubits. In these and all previous examples, all logical qubits 110a, b, c are visible, individually addressable, and there are individually detectable angles.
도 5a-도 5c 및 도 6a-도 6f는 상기 평면 영역들(120)의 논리 큐비트들(110) 사이의 예시적인 방향들과 크기들을 가지는 예시적인 변위들을 개략적으로 도시한다. 다른 특정한 구현 예들은 다른 방향들로 변위들을 가지거나(예를 들어, 상기 x-축 및 y-축 모두를 따르는 크기를 가짐) 및/또는 다른 크기들(예를 들어, 1/2 셀 폭; 1/3 셀 폭)을 가진다. 다른 특정한 구현 예들은 상이한 평면간의 거리들 d 2 를 가진다. 예를 들면, 평면 영역들(120) 사이의 분리는 상기 이웃하는 평면 영역들(120)에 걸쳐 최근접 논리 큐비트들(110) 사이의 수직으로부터의 각도에 따라 감소될 수 있다(예를 들어, d 1 /2; 2ㆍd 1 /3; 3ㆍd 1 /4; 0.85ㆍd 1 과 동일한 d 2 ). 또한, 도 5a-도 5c 및 도 6a-도 6f는 2D의 실질적으로 육각형의 패턴들을 가지는 예시적인 시스템들(100)을 개략적으로 도시하지만, 다른 2D 패턴들도 여기에 설명되는 특정한 구현 예들과 호환될 수 있다.5A-5C and 6A-6F schematically show example displacements with example directions and magnitudes between logical qubits 110 of the planar regions 120. Other specific implementations may have displacements in different directions (e.g., having a magnitude along both the x- and y-axes) and/or of different magnitudes (e.g., 1/2 cell width; 1/3 cell width). Other specific implementations have different inter-plane distances d 2 . For example, the separation between planar regions 120 may be reduced depending on the angle from vertical between the nearest logical qubits 110 across the neighboring planar regions 120 (e.g. , d 1 /2; 2· d 1 /3; 3· d 1 /4; 0.85· d 2 equal to d 1 ). 5A-5C and 6A-6F schematically illustrate example systems 100 with 2D, substantially hexagonal patterns, although other 2D patterns are compatible with the specific implementations described herein. It can be.
특정한 구현 예들에서, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들(110a)은 개별적으로 어드레싱 가능하고 실질적으로 평면의 제1 광학 격자 내에 배열되며, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들(110b)은 개별적으로 어드레싱 가능하고 상기 제1 광학 격자와 실질적으로 평행한 실질적인 평면의 제2 광학 격자 내에 배열되며, 상기 제3의 복수의 논리 큐비트들(110c)은 개별적으로 어드레싱 가능하고 상기 제2 광학 격자와 실질적으로 평행한 실질적인 평면의 제3 광학 격자 영역 내에 배열된다. 특정한 구현 예들에서, 상기 시스템(100)은 상기 제3의 실질적인 평면 영역(120c)과 실질적으로 평행한 적어도 하나의 추가적인 실질적인 평면 영역(120) 내에 적어도 하나의 추가적인 복수의 논리 큐비트들(110)을 포함하며, 상기 적어도 하나의 추가적인 복수의 논리 큐비트들(110)은 서로 상호 작용하거나 및/또는 상기 제3의 복수의 논리 큐비트들(110c) 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록 구성되고, 여기서 상기 적어도 하나의 추가적인 복수의 논리 큐비트들(110)은 개별적으로 접근 가능하다. 예를 들면, 복수들의 큐비트들의 실질적으로 평행한 광학 격자들의 숫자는 제4 광학 격자, 제5 광학 격자, 제6 광학 격자, 제7 광학 격자 등을 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 구속 영역들은 상기 제3 광학 격자와 실질적으로 평행한 적어도 하나의 추가적인 광학 격자 내에 배열되는 적어도 하나의 추가적인 구속 영역을 더 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 추가적인 광학 격자는 상기 적어도 하나의 추가적인 복수의 논리 큐비트들을 포함한다.In certain implementations, the first plurality of logical qubits 110a are individually addressable and arranged in a substantially planar first optical grating, and the second plurality of logical qubits 110b are: arranged in a substantially planar second optical grating that is individually addressable and substantially parallel to the first optical grating, wherein the third plurality of logical qubits (110c) are individually addressable and arranged in a second optical grating that is substantially parallel to the first optical grating. and is arranged in a substantially planar third optical grating region substantially parallel to . In certain implementations, the system 100 includes at least one additional plurality of logical qubits 110 within at least one additional substantially planar region 120 substantially parallel to the third substantially planar region 120c. wherein the at least one additional plurality of logical qubits 110 is configured to interact with each other and/or with at least a portion of the third plurality of logical qubits 110c, where The at least one additional plurality of logical qubits 110 are individually accessible. For example, the number of substantially parallel optical gratings of the plurality of qubits may further include a fourth optical grating, a fifth optical grating, a sixth optical grating, a seventh optical grating, etc. The plurality of confinement regions may further include at least one additional confinement region arranged in at least one additional optical grating substantially parallel to the third optical grating, wherein the at least one additional optical grating is in the at least one additional optical grating. Contains an additional plurality of logical qubits.
예를 들면, 도 7a-도 7e는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 다중의 2D 평면 광학 트랩 영역들 사이에 형성되고, 복수의 어드레싱 레이저 광속들(210)을 가지는 예시적인 다중 큐비트 게이트 셀(130)(예를 들어, 중심 내의 타겟 큐비트 및 다른 곳의 컨트롤 큐비트들을 구비하는 파이로클로르 구성 내에 21의 큐비트들(110)을 가지는 C20NOT 게이트 셀 또는 C20φ게이트 셀)의 다양한 도면들을 개략적으로 예시한다. 도 7a는 상기 다중 큐비트 게이트 셀(130)의 다층 격자 구조의 원자 큐비트들을 도시한다. 도 7a에서 상기 큐비트들(110) 사이의 라인들은 상기 큐비트들(110) 사이의 얽힘의 일부만을 나타내며, 상기 큐비트들(110) 사이의 다른 얽힘을 나타내는 라인들은 명확성을 위해 생략된다. 도 7b는 원자들을 개별적으로 조명하도록 구성되는 상기 어드레싱 레이저 광속들(210)(예를 들어, 광학 포트들(212)로부터 방출되는) 중의 일부만으로 이러한 다중 큐비트 게이트 셀(130)을 도시하며, 원자들을 포함하는 광학 전위 우물들을 생성하는 트래핑 레이저 광속들(220)의 어레이들은 명확성을 위해 생략된다. 도 7c 및 도 7d에 도시한 바와 같이, 각각의 상기 어드레싱 레이저 광속들(210)은 상기 다중 큐비트 게이트 셀(130)의 단일의 원자를 조명한다. 2D 도면들의 제한은 그 자체의 하나의 예시가 단일의 레이저 광속이 하나 이상의 원자와 교차하는 것으로 나타나게 할 수 있는 점이다. 그러나, 상기 레이저 광속들(210)은 교번되는 로우들로 배열되며, 투명한 것으로 예시된다. 그 결과, 다중의 레이저 광속들(210) 사이 또는 후방에 있는 원자는 사실상 각 원자가 많아야 하나의 어드레싱 레이저 광속에 의해 교차될 때에 하나의 원자를 다중의 레이저 광속들 내에 나타나게 만들 수 있거나, 하나의 레이저 광속이 다중의 원자들과 교차되게 나타나도록 만들 수 있는 방식으로 처리되지 않은 빔들을 "통해" 보일 수 있다. 여기에 설명되는 특정한 구현 예들은 보다 많은 큐비트들(110)이 단일의 네이티브 게이트 동작에 참가할 수 있도록 최근접의 이웃하는 것들, 다음 최근접의 이웃하는 것들, 다음다음의 최근접의 이웃하는 것들 등과 최대 숫자의 큐비트들을 동시에 얽히게 하도록 구성된다. 각 게이트 셀의 잠재적인 처리 능력이 각 게이트 동작에 동시에 참가하는 큐비트들(110)의 숫자로 기하급수적으로 증가하기 때문에, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들의 처리 능력도 전체적으로 증가한다. 상기 게이트 구조들 및 특정한 구현 예들의 배치의 동적인 재구현성 역시 크게 향상된다.For example, Figures 7A-7E illustrate certain implementation examples described herein. An exemplary multi-qubit gate cell 130 formed between multiple 2D planar optical trap regions and having a plurality of addressing laser beams 210 (e.g., a target qubit in the center and a control cue elsewhere). Schematically illustrates various diagrams of a C 20 NOT gate cell or C 20 ϕ gate cell) with 21 qubits 110 in a pyrochlore configuration with bits. FIG. 7A shows atomic qubits in a multilayer lattice structure of the multi-qubit gate cell 130. The lines between the qubits 110 in Figure 7A represent only a portion of the entanglement between the qubits 110, and lines representing other entanglements between the qubits 110 are omitted for clarity. FIG. 7B shows such a multi-qubit gate cell 130 with only a portion of the addressing laser beams 210 (e.g., emitted from optical ports 212) configured to individually illuminate atoms, Arrays of trapping laser beams 220 that create optical potential wells containing atoms are omitted for clarity. As shown in FIGS. 7C and 7D, each of the addressing laser beams 210 illuminates a single atom of the multi-qubit gate cell 130. A limitation of 2D drawings is that one instance of them can show a single laser beam intersecting more than one atom. However, the laser beams 210 are arranged in alternating rows and are illustrated as transparent. As a result, atoms between or behind multiple laser beams 210 can in fact make one atom appear within multiple laser beams when each atom is crossed by at most one addressing laser beam, or by one laser beam. The unprocessed beams can be seen "through" in such a way that the light beam can be made to appear intersected by multiple atoms. Specific implementation examples described herein allow more qubits 110 to participate in a single native gate operation. It is configured to entangle a maximum number of qubits simultaneously. Because the potential processing power of each gate cell increases exponentially with the number of qubits 110 simultaneously participating in each gate operation, the processing power of the specific implementation examples described herein also increases overall. Dynamic reconfigurability of the placement of the gate structures and specific implementations is also greatly improved.
도 8a-도 8e는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 트래핑 레이저 광속들(220)의 다양한 도면들을 개략적으로 예시한다. 도 8a-도 8d의 이들 예시적인 구현 예들은 교차하는 트래핑 광학 빔들(220)(예를 들어, 광학 포트들(222)로부터 방출되는 트래핑 레이저 광속들) 내에 또는 사이에 형성되는 전위 우물들의 3D 광학 격자들(예를 들어, I. Bloch의 "Nature Physics 1"(23(2005) 참조) 내에 포획되는 중성(예를 들어, 대전되지 않은) 리드베르크 원자들을 활용한다. 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에서, 원자들은 공동 정렬되고 교차되는 광학 빔들(예를 들어, 도 8a 및 도 8b 참조) 사이의 격자 공간들 내에 형성되는 최소의 전위 에너지(예를 들어, 영(null)) 영역들 내에 포획되지만, 특정한 다른 실시예들에서 원자들은 교차하는 광학 빔들(예를 들어, 도 8c 및 도 8d 참조) 내에 포획될 수 있다. 교차하는 트래핑 광학 빔들(220) 내의 이러한 트래핑은 S.E. Anderson 등의 "Phys. Rev. Lett. 107"(263001(2011)); 및 T.M. Graham 등의 "Phys. Rev. Lett. 123"(230501(2019))에 기재되어 있다.8A-8E schematically illustrate various views of trapping laser beams 220 according to specific implementations described herein. These example implementations of FIGS. 8A-8D illustrate the 3D optics of potential wells formed within or between intersecting trapping optical beams 220 (e.g., trapping laser beams emitted from optical ports 222). Utilizes neutral (e.g., uncharged) Rydberg atoms trapped within lattices (see, e.g., I. Bloch, “Nature Physics 1”, 23 (2005)). Specific implementation examples described herein , the atoms are co-aligned and trapped within regions of minimal potential energy (e.g., null) formed within the lattice spaces between intersecting optical beams (e.g., see FIGS. 8A and 8B). , in certain other embodiments, atoms may be trapped within intersecting optical beams (e.g., see Figures 8C and 8D). Such trapping within intersecting trapping optical beams 220 is described in S.E. Anderson et al., “Phys. Rev. Lett. 107" (263001 (2011)); and T.M. Graham et al., "Phys. Rev. Lett. 123" (230501 (2019)).
도 8a-도 8e는 최근접 이웃 큐비트들(110) 사이의 8미크론 내지 11미크론의 범위 내의(예를 들어, 12미크론 보다 작은) 격자 간격들을 채용한다. |101S>; |109S>세슘(Cs)의 리드베르크 전이들(예를 들어, 77K, 300K, 또는 일부 다른 온도까지 냉각되는)이 활용되는 예들에서, 통상적인 8미크론의 격자 셀 크기는 기준 데이터 곡선들에 기초하여 특정한 다중 제어 양자 게이트 동작들을 위한 최적의 값들의 범위 이내에 있다. 이러한 특정한 구현 예들은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 설계 가능성과 설계 이점들 모두를 제공할 수 있다. 8A-8E employ grid spacings in the range of 8 microns to 11 microns (eg, less than 12 microns) between nearest neighbor qubits 110. |101S>; In instances where the Rydberg transitions of |109S>cesium (Cs) are utilized (e.g., cooled to 77K, 300K, or some other temperature), a typical grid cell size of 8 microns is based on reference data curves. Thus, it is within the range of optimal values for specific multi-controlled quantum gate operations. These specific implementation examples may provide both the design possibilities and design advantages of the specific implementation examples described herein.
특정한 구현 예들에서, 교대되는 칼럼들 내에 배열되는 원자 큐비트들은 인접하는 평면들 사이의 시차 오프셋들(예를 들어, x 또는 y를 따른 1/2 셀 오프셋 간격, x 또는 y를 따른 1/3 셀 오프셋 간격, x 및 y를 따른 1/4 x 1/4 셀 오프셋 간격)로 교대되는 평면들 내에 있을 수 있으며, 이는 전체적으로 연결되고 얽힌 원자 큐비트들의 규칙적인 육각형 프리즘 구성들의 형성을 가능하게 할 수 있고, 특정한 도면들로부터 볼 수 있는 기울어진 육각형 프리즘 구성들을 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, 상기 교차하는 트래핑 레이저 광속들(220)은 상기 교차하는 트래핑 레이저 광속들(220)의 3D 교차들이 직교에 가까울 수 있도록 기준 평면(예를 들어, 수평한; x-y 평면)에 대하여 상기 예시적인 양자 컴퓨팅 시스템(예를 들어, z-축, y=0을 향해 +18.5도 x-축을 따라 배열되는 트래핑 레이저 광속들(220)의 제1 어레이, y-축, z=0을 향해 +60도 x-축을 따라 배열되는 트래핑 레이저 광속들(220)의 y=0 교차하는 제2 어레이)의 높이 z(예를 들어, 수직 차원)와 함께 평면 기준의 길이 x 및 폭 y(예를 들어, 수평 차원들)로서 정의될 수 있는 좌표계에 대하여 복합 각도들을 형성할 수 있다. 상기 트래핑 레이저 광속들(220) 사이에 형성되는 전위 우물들은 특정 각도들로 관찰될 때에 평면 내에서 실질적으로 대칭이 될 수 있으며(예를 들어, 정사각형이나 다이아몬드 형상인 단면들을 가짐), 이는 실질적으로 균일한 전위 우물들(예를 들어, 안장 형상의 우물들; 안장점(saddle point)들)을 생성할 수 있다. 예를 들면, 도 8b 및 도 8d에서, 상기 트래핑 레이저 광속들(220)의 제1 및 제2 어레이들은 특정한 관점들에서 직사각형 또는 사다리꼴로 나타날 수 있다. 그러나, 도 8b 및 도 8d에 수평하게 도시된 트래핑 레이저 광속들의 제1 및 제2 어레이들의 교차점들이 특정한 접근 각도들로부터 비스듬하게 관찰될 경우에 거의 직교하게 나타나도록 도 8b 및 도 8d에서 왼쪽 하부로부터 오른쪽 상부까지 경사지게 나타나는 트래핑 레이저 광속들(220)도 상기 3D 구조 내에서 아래로 경사질 수 있다. 특정한 구현 예들에서, 상기 원자 구속 구조는 평면들에 걸친 규칙적인 육각형의 프리즘들(예를 들어, 도 1a, 도 1b, 도 1d에 도시된 바와 같은)을 형성할 수 있고, 다른 특정한 구현 예들에서, 원자 대 원자의 기하학적 구조는 비스듬한 육각형 프리즘 구성들을 형성하도록 기울어지거나 경사지게 나타날 수 있다. 특정한 구현 예들에서, 상기 광학 빔 교차점들은 다양한 관점들과 각도들에서 직교하지 않는 것으로 나타날 수 있지만, 특정한 구현 예들의 각진 3D 격자 구조는 큐비트들의 최적의 어드레싱 및 판독(예를 들어, 검출)을 위해 이들 각도로부터 관찰될 때에 원자들 사이에 최대의 공간 분리가 가능하도록 설계된다.In certain implementations, atomic qubits arranged in alternating columns have parallax offsets between adjacent planes (e.g., 1/2 cell offset spacing along x or y, 1/3 along x or y). cell offset spacing, 1/4 x 1/4 cell offset spacing along and may enable tilted hexagonal prism configurations visible from certain drawings. For example, the intersecting trapping laser beams 220 may be positioned relative to a reference plane (e.g., horizontal; x-y plane) such that 3D intersections of the intersecting trapping laser beams 220 may be close to orthogonal. An exemplary quantum computing system (e.g., a first array of trapping laser beams 220 arranged along the x-axis at +18.5 degrees toward the z-axis, y=0, toward the y-axis, z=0) The length , horizontal dimensions) can form complex angles with respect to a coordinate system that can be defined as The potential wells formed between the trapping laser beams 220 can be substantially symmetrical in plane (e.g., have cross-sections that are square or diamond shaped) when viewed at certain angles, which can be substantially Uniform potential wells (e.g., saddle-shaped wells; saddle points) can be created. For example, in FIGS. 8B and 8D, the first and second arrays of trapping laser beams 220 may appear rectangular or trapezoidal from certain perspectives. However, the intersections of the first and second arrays of trapping laser beams, shown horizontally in FIGS. 8B and 8D, appear approximately orthogonal when viewed obliquely from certain angles of approach from the lower left in FIGS. 8B and 8D. The trapping laser beams 220 that appear inclined to the upper right may also be inclined downward within the 3D structure. In certain embodiments, the atomic confinement structure may form regular hexagonal prisms across planes (e.g., as shown in FIGS. 1A, 1B, and 1D), and in other specific embodiments, , the atom-to-atom geometry can appear tilted or tilted to form oblique hexagonal prismatic configurations. In certain implementations, the optical beam intersections may appear non-orthogonal at various perspectives and angles, but the angled 3D lattice structure of certain implementations allows for optimal addressing and readout (e.g., detection) of qubits. They are designed to allow for maximum spatial separation between atoms when observed from these angles.
도 9a-도 9b는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 트래핑 레이저 광속들(220)의 교차하는 어레이들에 의해 생성되는 3층의 10 x 10 원자 트랩 격자의 사시도를 개략적으로 예시한다. 도 9c는 도 9a-도 9b의 구조의 상면도를 개략적으로 예시한다. 또한, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따른 어드레싱 레이저 광속들(210)의 셋의 얽힌 어레이들이 도시된다.9A-9B schematically illustrate a perspective view of a three-layer 10 x 10 atomic trap grid created by alternating arrays of trapping laser beams 220 in accordance with certain implementations described herein. Figure 9C schematically illustrates a top view of the structure of Figures 9A-9B. Also shown are three intertwined arrays of addressing laser beams 210 in accordance with specific implementations described herein.
도 10a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 세 세트들의 어드레싱 레이저 광속들(210a, b, c) 및 트래핑 레이저 광속들(220a, b)의 둘의 교차하는 어레이들을 구비하는 3층의 10 x 10 원자 격자를 포함하는 부분적으로 조립된 QC 시스템(100)의 사시도를 개략적으로 도시한다. 또한, 도 10a에는 상기 어드레싱 레이저 광속들(210a, b, c)이 이들을 통해 연장되는 광학 포트들(214a, b, c), 상기 트래핑 레이저 광속들(220a, b)을 방출하는 광섬유 포트들(222a, b), 광학적 트랩 구성(상기 광학적 트랩 구성의 일부로서 전기장을 발생시키도록 구성되는 전극들(234)이 도 10a에 도시됨)의 일부로서 자기장을 발생시키도록 구성되는 자기장 소스(230), 그리고 대응되는 광 검출기 포트들(242a, b)을 통해 상기 큐비트들로부터 형광을 수신하고 검출하도록 구성되는 제1 및 제2 광 검출기들(240a, b)(예를 들어, CCD 검출기 어레이)이 도시된다. 도 10b-도 10d는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 도 10a의 세 세트들의 어드레싱 레이저 광속들(210a, b, c) 및 트래핑 레이저 광속들(220a, b)의 둘의 교차하는 어레이들의 다른 방향들로부터의 다른 도면들을 도시한다.FIG. 10A shows a three-layer 10 A perspective view of a partially assembled QC system 100 comprising a 10-atom lattice is schematically shown. In addition, Figure 10a shows optical ports 214a, b, c through which the addressing laser beams 210a, b, c extend, and optical fiber ports emitting the trapping laser beams 220a, b. 222a, b), a magnetic field source 230 configured to generate a magnetic field as part of an optical trap configuration (electrodes 234 configured to generate an electric field as part of the optical trap configuration are shown in FIG. 10A) , and first and second photodetectors 240a, b (e.g., a CCD detector array) configured to receive and detect fluorescence from the qubits via corresponding photodetector ports 242a, b. This is shown. 10B-10D illustrate different sets of two intersecting arrays of the three sets of addressing laser beams 210a, b, c and trapping laser beams 220a, b of FIG. 10A according to certain implementations described herein. Shows different views from directions.
도 10a-도 10d에는 세 세트들의 어드레싱 레이저 광속들(210a, b, c)을 가지는 예시적인 QC 시스템(100)이 개략적으로 도시되지만, 다른 특정한 구현 예들에서는 상기 QC 시스템(100)은 넷 또는 보다 많은 세트들의 어드레싱 레이저 광속들(210)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 10e는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 네 세트들의 어드레싱 레이저 광속들(210a, b, c, d) 및 트래핑 레이저 광속들(220a, b)의 둘의 교차하는 어레이들을 구비하는 3층의 10 x 10 원자 격자를 포함하는 다른 부분적으로 조립된 QC 시스템(100)을 개략적으로 예시한다. 도 10f-도 10h는 여기에 설명되는 다른 특정한 구현 예들에 따라 도 10e의 네 세트들의 어드레싱 레이저 광속들(210a, b, c, d) 및 트래핑 레이저 광속들(220a, b)의 둘의 교차하는 어레이들의 다른 방향들로부터의 다른 도면들을 도시한다.10A-10D schematically illustrate an exemplary QC system 100 with three sets of addressing laser beams 210a, b, c; however, in certain other implementations the QC system 100 may have four or more sets of addressing laser beams 210a, b, c. It may include many sets of addressing laser beams 210. For example, Figure 10E has four sets of addressing laser beams 210a, b, c, d and two alternating arrays of trapping laser beams 220a, b according to certain implementations described herein. schematically illustrates another partially assembled QC system 100 comprising a three-layer 10 x 10 atomic lattice. 10F-10H illustrate two intersecting sets of addressing laser beams 210a, b, c, d and trapping laser beams 220a, b of FIG. 10E according to other specific implementations described herein. Different views are shown from different orientations of the arrays.
여기에 설명되는 바에 있어서, 상기 x-y 평면 내에 놓이는 모든 방향들은 0도의 고도로(예를 들어, 수평한) 정의되며, x 및 y에 직교하는(예를 들어, 수직한) 방향은 z로 정의된다. 또한, 상기 y를 따른 방향은 0도의 방위각(예를 들어, z에 대한 회전)으로 정의되며, 0도 방위각, 0도 고도의 방향은 (0°, 0°)로 나타난다. 예를 들면, 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에서, 레이저 어레이들은 도 10a-도 10c에서 교차되게 배향될 수 있고(예를 들어, (0°, 0°)에서의 트래핑 레이저 광속들(220a), (90°, +20°)에서의 트래핑 레이저 광속들(220b)), 레이저들(220a)의 로우들은 트래핑 레이저 빔들(220a, 220b)의 교차점들이 상기 x-y 평면으로부터 +20로 경사지게 평면 내에 놓이는 2D 격자를 형성하도록 +20도의 단면 기울기(예를 들어, 고도)로 배열될 수 있다. 이러한 특정한 구현 예들에서, 상기 실질적으로 직교하게 교차하는 레이저들에 의해 형성되는 트래핑 셀들은 실질적으로 정사각형의 형상이 될 수 있다((293.5°, +53.5°)에서의 어드레싱 레이저 광속들(210a), (246.5°, +53.5°)에서의 어드레싱 레이저 광속들(210b) 및 (71.5°, +58°)에서의 어드레싱 레이저 광속들(210c)). 여기에 설명되는 특정한 다른 구현 예들에서, 상기 트래핑 레이저 빔들의 교차점들은 다중 어드레싱 레이저 각도들이 상기 3D 격자 내의 각 큐비트 내에 각 큐비트에 대해 개별적으로 어드레싱 가능하게 하는 것을 유지하면서, 보다 많은 평면의 큐비트 격자 어레이들의 추가가 가능하도록 다이아몬드 형상 또는 마름모 형상인 트래핑 셀들을 형성하기 위해 다른 각도들로 유리하게 배열될 수 있다. 예를 들면, 설명되기에 간단한 다른 구현 예에서, 트래핑 레이저 빔들(220a)은 (30°, 0°)로 배열될 수 있고, 트래핑 레이저 빔들(220b)은 (0°, 60°), (120°, 60°), (240°, 60°)에서의 어드레싱 레이저들로 (90°, +20°)로 배열될 수 있다. 도 10b에 도시한 바와 같은 이러한 각도들의 특정한 결합이 시각적 명료성; 수직에 가깝게 나타나는 각도들로 나타나는 어드레싱 레이저 광속들(210)의 셋의 간결한 어레이들에 대한 측방으로 배향되는 것으로 나타나는 트래핑 레이저 광속들(220)의 둘의 간결한 어레이들(예를 들어, 클러스터들; 뱅크(bank)들)의 용이한 구별을 위해 선택되는 점에 유의한다. 여기에 설명되는 다른 특정한 구현 예들에 따라 유사하게 어드레싱을 위한 시정들에 대한 가능성들을 최적화하고, 개개의 큐비트들을 검출하면서, 다른 예들은 3D 구조 내에 격자 레이저들의 실질적으로 직교하는 교차점들을 형성하는 복합 각도들의 선택적인 결합들을 활용할 수 있다.As described herein, all directions lying within the x-y plane are defined at an altitude of 0 degrees (eg, horizontal), and the direction orthogonal (eg, perpendicular) to x and y is defined as z. Additionally, the direction along y is defined as an azimuth of 0 degrees (eg, rotation about z), and the direction of 0 degrees azimuth and 0 degrees altitude is expressed as (0°, 0°). For example, in certain implementations described herein, the laser arrays may be oriented to intersect in FIGS. 10A-10C (e.g., trapping laser beams 220a at (0°, 0°), Trapping laser beams 220b at (90°, +20°)), the rows of lasers 220a form a 2D grid in which the intersection points of the trapping laser beams 220a, 220b lie in a plane inclined at +20 from the x-y plane. It may be arranged at a cross-sectional inclination (e.g., elevation) of +20 degrees to form In these specific implementations, the trapping cells formed by the substantially orthogonally intersecting lasers may be substantially square in shape (addressing laser beams 210a at (293.5°, +53.5°) , addressing laser beams 210b at (246.5°, +53.5°) and addressing laser beams 210c at (71.5°, +58°)). In certain other implementations described herein, the intersections of the trapping laser beams allow multiple addressing laser angles to allow for individually addressing each qubit within each qubit in the 3D lattice, while maintaining a more planar cue. Bit grid arrays can be advantageously arranged at different angles to form trapping cells that are diamond-shaped or rhombus-shaped to enable addition. For example, in another implementation that is simple to explain, trapping laser beams 220a may be aligned at (30°, 0°) and trapping laser beams 220b may be aligned at (0°, 60°), (120°). Addressing lasers at (°, 60°), (240°, 60°) can be arranged at (90°, +20°). Certain combinations of these angles, as shown in Figure 10b, provide visual clarity; Two compact arrays of trapping laser beams 220 (e.g., clusters; Note that this is chosen for easy differentiation of banks. Other examples include complex lattice lasers forming substantially orthogonal intersections of grating lasers within a 3D structure, while similarly optimizing the possibilities for visibility for addressing and detecting individual qubits according to other specific implementations described herein. Optional combinations of angles can be utilized.
도 11a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 상기 제1 광 검출기 포트(242a)를 통해 관찰되는 도 9a-도 9c 및 도 10a-도 10d의 3층의 10 x 10 3D 원자 격자의 도면을 개략적으로 예시한다. 이러한 관점으로부터, 다차원의 다중 큐비트 격자 어레이들 중의 각 원자는 하나의 전용 광학 어드레싱 빔에 의해 처리될 때에 각 원자의 상태가 개별적으로 검출될 수 있고, 구별될 수 있도록 상기 제1 광 검출기(240a)에 별도로 보일 수 있다. 도 11b는 도 11a의 구조의 측부 단면도를 개략적으로 예시한다. 도 11a에는 3층의 10 x 10 3D 원자 격자들이 도시되지만, 다른 원자 격자들도 상기 격자 구조 위 및 아래의 최적의 접근 각도들로부터 상기 격자 내의 각 원자가 별도로 개별적으로 다루어지고 보이게(예를 들어, 상기 제1 광 검출기(242a)에 의해 검출되게) 구성될 수 있다. 예를 들면, 컴퓨터 이용 설계(computed aided design: CAD) 및 분석이 다른 원자 격자들을 위한 다른 이러한 구성들을 확인하는 데 이용될 수 있다. 이러한 특정한 구현 예들은 보다 많은 큐비트들이 단일의 네이티브 게이트 동작에 참가할 수 있도록 최근접의 이웃하는 것들, 다음의 최근접의 이웃하는 것들, 다음다음의 최근접의 이웃하는 것들 등의 사이에 동시에 얽힌 최대 숫자의 큐비트들을 가능하게 한다. 또한, 도 11a는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 게이트 동작들에 영향을 미치는 큐비트들의 어드레싱 및 조작과 판독을 위한 전극 영역들(234), 자기장(예를 들어, B-자계) 소스(230), 검출기 어레이(240)(예를 들어, CCD 카메라 등) 및 광학 빔 포트들(242a, 214a, b, c)을 상대적인 위치를 개략적으로 예시한다.11A is a schematic illustration of the three-layer 10 x 10 3D atomic lattice of FIGS. 9A-9C and 10A-10D viewed through the first photodetector port 242a in accordance with certain implementations described herein. Example: From this perspective, each atom in the multi-dimensional multi-qubit lattice arrays can be processed by a single dedicated optical addressing beam such that the state of each atom can be individually detected and distinguished by the first photodetector 240a. ) can be viewed separately. Figure 11b schematically illustrates a side cross-sectional view of the structure of Figure 11a. 11A shows three layers of 10 x 10 3D atomic lattices, but other atomic lattices are also shown so that each atom in the lattice can be treated and viewed separately and individually from optimal approach angles above and below the lattice structure (e.g. may be configured to be detected by the first photo detector 242a. For example, computer aided design (CAD) and analysis can be used to identify other such configurations for different atomic lattices. These specific implementations allow more qubits to participate in the operation of a single native gate simultaneously among their nearest neighbors, next-nearest neighbors, next-nearest neighbors, etc. Enables the maximum number of qubits. 11A also shows electrode regions 234, a magnetic field (e.g., B-field) source (e.g., B-field) for reading and addressing and manipulating qubits that affect gate operations in accordance with certain implementations described herein. 230), the relative positions of the detector array 240 (e.g., CCD camera, etc.) and optical beam ports 242a, 214a, b, and c are schematically illustrated.
도 12는 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 세 세트들의 어드레싱 레이저 광속들(210a, b, c) 및 트래핑 레이저 광속들(220a, b)의 둘의 교차하는 어레이들을 구비하는 3층의 10 x 10 원자 격자를 포함하는 도 10a의 예시적인 조립된 QC 시스템의 사시도를 개략적으로 예시한다. 또한, 도 12는 상기 제1 광 검출기 포트(242a)(예를 들어, 도 11a에 도시한 바와 같은)를 통한 도면 및 둘의 트래핑 레이저 광속들(210a, b, c)의 교차하는 어레이들의 두 도면들(예를 들어, 도 8e 및 도 9a에 도시한 바와 같은)을 개략적으로 예시한다.FIG. 12 shows a three-layer 10 Schematically illustrates a perspective view of an exemplary assembled QC system of FIG. 10A comprising a 10-atom lattice. 12 also shows a view through the first photodetector port 242a (e.g., as shown in FIG. 11A) and two intersecting arrays of trapping laser beams 210a, b, c. The drawings (e.g., as shown in FIGS. 8E and 9A) schematically illustrate.
도 13은 여기에 설명되는 특정한 구현 예들에 따라 다양한 다중 큐비트 격자 층들을 위해 정해진 게이트에 따라 다양한 다중 큐비트 격자 층들을 위해 정해진 게이트 충실도들로 동시에 얽힐 수 있는 큐비트들의 전체적인 숫자를 비교하는 셋의 표들을 도시한다.13 is a set comparing the overall number of qubits that can be simultaneously entangled at specified gate fidelities for various multi-qubit lattice layers according to specified gate fidelity for various multi-qubit lattice layers according to specific implementation examples described herein. The tables are shown.
본 발명을 제한적이지 않은 여러 구현 예들로 설명하였다. 상술한 구현 예들이 서로 배타적이지 않으며, 하나의 구현 예와 관련되어 설명되는 요소들이 원하는 설계 목적들을 구현하도록 적절한 방식으로 다른 구현 예들과 결합될 수 있거나, 재배열될 수 있거나, 제거될 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 단일의 특징이나 특징들의 그룹이 각각의 구현 예들에 대해 필수적이거나 요구되는 것은 아니다.The present invention has been described with several non-limiting implementation examples. It is understood that the above-described implementation examples are not mutually exclusive, and that elements described in connection with one implementation example may be combined with other implementation examples, rearranged, or eliminated in any appropriate manner to implement the desired design objectives. It must be understood. No single feature or group of features is essential or required for each implementation.
본 발명을 요약하기 위한 목적으로 본 발명의 특정 측면들, 이점들 및 새로운 특징들이 여기에 설명된다. 그러나 반드시 모든 이러한 이점들이 임의의 특정한 구현 예에 따라 구현되지 않을 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 이점들이 여기에 교시되거나 제시될 수 있는 바와 같은 다른 이점들이 반드시 구현되지는 않는 방식으로 구현되거나 실시될 수 있다.For the purpose of summarizing the invention, certain aspects, advantages and novel features of the invention are described herein. However, it should be understood that not all of these advantages may be implemented in any particular implementation. Accordingly, the invention may be implemented or practiced in such a way that one or more advantages thereof are not necessarily achieved as other advantages may be taught or suggested herein.
여기에 사용되는 바에 있어서, "일 구현 예", "일부 구현 예들" 또는 "구현 예"에 대한 언급은 상기 구현 예와 관련하여 설명되는 특정한 요소, 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 구현 예에 포함되는 것을 의미한다. 본 명세서에의 다양한 단락들에서 "일 구현 예에서"와 같은 표현들의 사용은 이들 모두가 반드시 동일한 구현 예를 지칭하는 것은 아니다. 다른 표현들 중에서 "할 수 있는", "할 수 있었던", "될 수 있었던", "될 수 있는", "예를 들어" 및 이들과 유사한 표현들과 같은 여기에 사용되는 조건부의 표현들은 본문에서 용법이 특히 다르게 기재되거나, 특히 다르게 설명되지 않은 한은 대체로 비록 다른 구현 예들은 포함하지 않을 수 있지만 특정한 구현 예들이 특정한 특징들, 요소들 및/또는 단계들을 포함하여 실시되도록 의도된다. 또한, 본 명세서와 첨부된 특허 청구 범위에서 사용되는 "일" 또는 "한"이나 "하나"와 같은 표현들은 본문에서 다르게 설시되지 않는 한은 "하나 또는 그 이상"이나 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석되어야 할 것이다.As used herein, reference to “one implementation,” “some implementations,” or “an implementation” means that a particular element, feature, structure or characteristic described in connection with the implementation is included in at least one implementation. means included. The use of phrases such as “in one implementation” in various paragraphs of this specification do not necessarily all refer to the same implementation. Conditional expressions used here, such as “may,” “could,” “could,” “could,” “for example,” and similar expressions, among other expressions, Unless usage is specifically stated otherwise, or is specifically explained differently, it is generally intended that particular implementation examples be practiced including certain features, elements and/or steps, although other implementation examples may not be included. Additionally, expressions such as “one”, “one”, or “one” used in this specification and the appended patent claims mean “one or more” or “at least one,” unless otherwise stated in the text. It will have to be interpreted.
"대략", "약", "대체로" 및 "실질적으로"와 같은 표현들과 같이 여기에 사용되는 정도를 나타내는 표현들은 여전히 원하는 기능을 수행하거나 원하는 결과를 이루기 위해 기재된 값, 양, 또는 특성에 가까운 값, 양, 또는 특성을 나타낸다. 예를 들면, "대략", "약", "대체로" 및 "실질적으로"라는 표현들은 기재된 양의 ±10% 이내, ±5% 이내, ±2% 이내, ±1% 이내, 또는 ±0.1% 이내인 양을 지칭할 수 있다. 다른 예로서, "대체로 평행한" 및 "실질적으로 평행한"이라는 표현들은 정확한 평행으로부터 ±10도로, ±5도로, ±2도로, ±1도로, 또는 ±0.1도로 벗어나는 값, 양, 또는 특성을 지칭하며, "대체로 직교하는" 및 "실질적으로 직교하는"이라는 표현들은 정확한 수직으로부터 ±10도로, ±5도로, ±2도로, ±1도로, 또는 ±0.1도로 벗어나는 값, 양, 또는 특성을 지칭한다. 또한, 여기에 개시되는 범위들은 임의의 및 모든 중첩, 하위 범위들 및 이들의 결합들을 포괄한다. "까지", "적어도", "보다 큰", "보다 작은", "사이" 및 이들과 유사한 것들과 같은 표현들은 기재되는 숫자도 포함한다. 여기에 사용되는 바에 있어서, "일", "한" 및 "하나"라는 표현들은 본문에 명확하게 다르게 기재되지 않는 한은 복수의 표현들을 포함한다. 또한, 여기의 설명에서 사용되는 바와 같이, "내에"라는 표현은 본문에 명확하게 다르게 기재되지 않는 한은 "내로" 및 "상에"를 포함한다.Expressions of degree, such as "approximately," "about," "substantially," and "substantially," are used herein to still perform the desired function or achieve the desired result. Indicates a nearby value, quantity, or characteristic. For example, the expressions “approximately,” “about,” “substantially,” and “substantially” mean within ±10%, within ±5%, within ±2%, within ±1%, or within ±0.1% of the stated amount. It can refer to the amount within. As another example, the expressions “generally parallel” and “substantially parallel” refer to a value, quantity, or characteristic that deviates from exact parallel by ±10 degrees, ±5 degrees, ±2 degrees, ±1 degree, or ±0.1 degrees. The terms "generally orthogonal" and "substantially orthogonal" refer to a value, quantity, or characteristic that deviates by ±10 degrees, ±5 degrees, ±2 degrees, ±1 degree, or ±0.1 degrees from exact vertical. do. Additionally, ranges disclosed herein encompass any and all overlapping, subranges, and combinations thereof. Expressions such as “up to,” “at least,” “greater than,” “less than,” “between,” and similar words also include the numerals they appear in. As used herein, the expressions “one,” “one,” and “one” include plural expressions unless clearly stated otherwise in the text. Additionally, as used in the description herein, the expression “within” includes “within” and “on” unless clearly stated otherwise in the text.
여기에 사용되는 바에 있어서, "포함하다", "포함하는", "구비하다", "구비하는", "가지다", "가지는" 또는 이들의 임의의 다른 변형들과 같은 표현들은 제한되지 않는 표현들이며, 배타적이지 않은 포함을 포괄하도록 의도된다. 예를 들면, 열거되는 요소들을 포함하는 프로세스, 방법, 항목, 또는 장치는 반드시 이들 요소들에만 한정되는 것은 아니며, 명확하게 열거되거나, 이러한 프로세스, 방법, 항목, 또는 장치에 고유한 다른 요소들도 포함할 수 있다. 또한, 본문에 특히 상반되게 기재되지 않는 한은 "또는"이라는 표현은 포괄적인 "또는" 및 배타적이지 않은 "또는"을 의미한다. 예를 들면, 조건 A 또는 B는 A가 참이고(또는 존재하고) B가 거짓인(또는 존재하지 않는), A가 거짓이고(또는 존재하지 않고) B가 참인(또는 존재하는), 혹은 A 및 B 모두가 참인(또는 존재하는) 것들 중에서 임의의 하나에 의해 충족된다. 여기에 사용되는 바에 있어서, 항목들의 열거에서 "적어도 하나의"에 대한 언급은 단일의 부재들을 포함하여 이들 항목들의 임의의 결합을 지칭한다. 예로서, "A, B, 또는 C 중의 적어도 하나"는 A, B, C, A와 B, A와 C, B와 C, 그리고 A, B 및 C를 포괄하도록 의도된다. "X, Y 및 Z 중의 적어도 하나"와 같은 결합적인 표현은 본문에 특히 다르게 기재되지 않는 한은 대체로 본문에서 항목, 표현 등이 X, Y, 또는 Z 중의 적어도 하나가 될 수 있는 점을 포괄하도록 사용되는 것으로 이해되어야 한다. 이에 따라, 이러한 결합적인 표현은 대체로 특정한 구현 예들에서 X의 적어도 하나, Y의 적어도 하나 및 Z의 적어도 하나가 각기 존재하는 점을 요구하는 것을 포함하도록 의도되지는 않는다.As used herein, expressions such as “comprise,” “including,” “comprise,” “comprising,” “have,” “having,” or any other variations thereof are non-limiting expressions. It is intended to be inclusive and not exclusive. For example, a process, method, item, or apparatus that includes listed elements is not necessarily limited to only those elements, but may also include other elements explicitly listed or unique to such process, method, item, or apparatus. It can be included. Additionally, unless specifically stated to the contrary in the text, the expression “or” means an inclusive “or” and a non-exclusive “or.” For example, a condition A or B is that A is true (or exists) and B is false (or does not exist), A is false (or does not exist) and B is true (or exists), or A and B are both true (or exist). As used herein, reference to “at least one” in a listing of items refers to any combination of those items, including single members. By way of example, “at least one of A, B, or C” is intended to encompass A, B, C, A and B, A and C, B and C, and A, B, and C. Conjunctive expressions such as "at least one of It must be understood as being Accordingly, this conjunctive expression is generally not intended to include requiring that at least one of X, at least one of Y, and at least one of Z are each present in particular implementations.
이에 따라, 특정한 구현 예들만이 여기에 구체적으로 설시되지만, 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어나지 않고 수많은 변경들이 상술한 구현 예들에 대해 이루어질 수 있는 점이 명확하게 이해될 것이다. 또한, 약어들은 단지 본 명세서와 특허 청구 범위의 가독성을 개선하기 위해 사용된다. 이들 약어들이 사용되는 용어들의 일반성을 축소시키도록 의도되는 것은 아니며, 여기에 설시되는 구현 예들에 관련도하여 특허 청구 범위의 범주를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.Accordingly, although only certain implementation examples are specifically described herein, it will be clearly understood that numerous changes may be made to the above-described implementation examples without departing from the spirit and scope of the invention. Additionally, abbreviations are used solely to improve the readability of the specification and claims. These abbreviations are not intended to reduce the generality of the terms used, and should be understood as not limiting the scope of the patent claims, even with respect to the implementation examples described herein.
Claims (24)
제1의 실질적인 평면 영역 내에 제1의 복수의 논리 큐비트(logical qubit)들을 포함하며, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하도록 구성되고;
상기 제1의 실질적인 평면 영역과 실질적으로 평행한 제2의 실질적인 평면 영역 내에 제2의 복수의 논리 큐비트들을 포함하며, 상기 제2의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부는 서로 상호 작용하고, 상기 제1의 복수의 논리 큐비트들 중의 적어도 일부와 상호 작용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.In a quantum computing (QC) system,
comprising a first plurality of logical qubits in a first substantially planar area, wherein at least some of the first plurality of logical qubits are configured to interact with each other;
comprising a second plurality of logical qubits in a second substantially planar region substantially parallel to the first substantially planar region, wherein at least some of the second plurality of logical qubits interact with each other; A system configured to interact with at least some of the first plurality of logical qubits.
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