量子计算机有望在解决一系列计算问题时比传统计算机实现显著的加速。线性 Paul 阱中保持的离子链是构建此类量子计算机的有前途的平台,因为它们具有较长的相干时间和较高的控制质量。本文,我们报告了使用射频 (rf) 阱中的 88 Sr + 离子构建小型五量子比特通用量子计算机的情况。所有基本操作(包括初始化、量子逻辑操作和读出)均以高保真度执行。使用窄线宽激光实现的选择性双量子比特和单量子比特门组成通用门组,允许在量子寄存器上实现任何幺正。我们回顾了主要的实验工具,并详细描述了计算机的独特方面:使用强大的纠缠门和通过电子倍增 CCD 相机采集开发量子相干反馈系统。后者对于在未来的实验中执行量子纠错协议是必要的。
通过 QASM 语言,这是 IBM Q Experience 团队发明的一种用于创建量子电路的语言。另一方面,第二种方法是编写 Python 代码并使用名为 QISKit [32] 的 Python 软件开发工具包 (SDK) 运行它们,它适用于所有类型的算法。因此,我们在本文中展示的工作是使用 QISKit 进行的。可通过云端公开访问的量子设备分别由 IBM Q 5 Yorktown (ibmqx2) 、IBM Q Burlington 、IBM Q 5 London 、IBM Q Essex 、IBM Q Vigo 和 IBM Q Ourense(六个 5 量子比特设备)以及 IBM Q 16 Melbourne 和 IBM Q Armonk(16 量子比特和 1 量子比特设备)表示。用于模拟的经典后端称为 IBMQ QASM 模拟器。所有后端都与一组由单量子比特旋转和相移门组成的量子门一起工作。所有其他单量子比特门(如 X、S、R z 等)一般都是由这三个门的序列构成的,它们与 CNOT 一起构成量子门的通用集。除了量子比特的数量之外,所提到的量子设备在量子比特连接或拓扑方面也有所不同,IBM Q Experience 将其称为设备的耦合图 [33]。在本文中,我们修改并在 IBM 量子计算机上实现了参考文献 [34] 中研究的量子算法,使用相位估计技术找到有限方阱势一维薛定谔方程的基态和第一激发态的能量特征值。我们使用试验波函数作为初始状态,并在位置和动量空间中将其离散化。我们还在希尔伯特空间中构建了时间演化矩阵,其中定义了计算基向量(即量子比特态)。然后,我们将时间演化电路应用于最初准备的寄存器,并使用相位估计方法获得包含能量的相位。我们表明,所提出的算法可以以合理的误差实现预期结果。除了众所周知的量子相位估计方案外,我们还讨论了迭代相位估计方法的实现,以减少电路尺寸和量子比特数,从而有效利用 IBM 量子计算资源。最重要的是,为了充分利用 5 量子比特 IBM 后端,我们通过选择迭代相位估计技术将电路尺寸从文献 [34] 中使用的 8 个量子比特缩短到 5 个。本文组织如下。第 3 节描述了基于相位估计方法的量子算法的步骤。要执行数字量子模拟,我们需要设计时间演化算子来找到系统的能量特征值。此外,坐标应该离散化,初始波函数在网格点上近似。我们还解释了本文使用的两种相位估计算法。在第 4 部分中,我们解释了如何为时间演化算符中的动能和势能项构造量子门。第 5 节给出了结果和讨论,第 6 节讨论了最后的评论。
存储在射频阱中的线性离子库仑晶体已导致量子信息科学领域的最先进实验,对单个粒子及其之间的相互作用具有出色的控制。这使得线性离子晶体成为量子计算、模拟、计量和传感领域实验的主要平台之一。然而,将这些系统扩展到超过 50 个粒子同时保持对它们的精确实验控制已被证明具有挑战性,但对于执行超出传统计算能力的计算或模拟而言是必需的,这是实验量子信息科学的主要目标。本论文报告了一种新的实验装置的设置,该装置通过摆脱传统的线性离子晶体配置并改为捕获平面离子晶体,实现对射频阱中比以前更大的离子库仑晶体的量子控制。利用第二空间维度的方法开辟了缓解线性离子晶体中遇到的一些与缩放相关的技术限制的方法。另一个好处是可以自然地实现二维粒子的相互作用,特别是用于扩展可在量子模拟中直接研究的模型范围。虽然之前在射频阱中对平面离子库仑晶体的量子控制方面的努力仅限于小系统,但我们的工作标志着首次将这种控制扩展到 100 个离子之外。这篇论文提供了证据,表明可以克服平面离子库仑晶体中出现的已知挑战,例如射频加热、微运动和结构相变,从而为量子模拟应用构建一个强大的实验装置。该装置的功能在表征测量和利用量子关联(尤其是纠缠)的实验中得到证明。
实现了在轴上硅(001)面上直接生长的InGaAs/AlGaAs量子阱激光器的室温连续波工作。首先在金属有机化学气相沉积系统中在硅衬底上生长一层厚度为420 nm、完全没有反相畴的GaAs外延层,然后在分子束外延系统中依次生长其他外延层(包括四组五周期应变层超晶格和激光结构层)。激光器采用宽条法布里-珀罗激光器,条带宽度为21.5 μm,腔长为1 mm。典型阈值电流和相应的阈值电流密度分别为186.4 mA和867 A/cm 2 。激射波长约为980 nm,斜率效率为0.097 W/A,在注入电流为400 mA时单面输出功率为22.5 mW。这一进展使得与量子阱激光器相关的硅基单片光电集成更加有前景,可行性增强。
3 硬件平台 11 3.1 概述 . ... 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 11 3.2 绩效指标. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 12 3.2.1基于BSI研究规模对硬件平台发展状况进行分类. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 13 3.3 评估. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 14 3.3.1 离子阱. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 14 3.3.2 超导电路. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 15 3.3.3 中性原子. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 16 3.3.4 半导体. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 16 3.3.5 光子。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 17 3.4 总结. 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 18
* 通讯作者:Michele Ortolani,意大利理工学院生命纳米与神经科学中心,Viale Regina Elena 291,00161 罗马,意大利;以及罗马大学物理系,Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy,电子邮件:michele.ortolani@roma1.infn.it。 https://orcid.org/0000-0002-7203-5355 Elena Campagna、Enrico Talamas Simola、Luciana Di Gaspare 和 Monica De Seta,大学科学系;罗马第三研究学院,Viale G. Marconi 446,罗马 00146,意大利,电子邮件:elena.campagna@uniroma3.it(E. Campagna),enrico.talamassimola@uniroma3.it(E. Talamas Simola)。 https://orcid.org/0000-0001-7121-8806(E. Campagna)。 https://orcid.org/0000-0001-5468-6712 (E. Talamas Simola) Tommaso Venanzi,意大利理工学院生命纳米与神经科学中心,Viale Regina Elena 291, 00161 罗马,意大利,电子邮件:tommaso.venanzi@uniroma1.it Fritz Berkmann 和 Leonetta Baldassarre,罗马大学物理系,Piazzale Aldo Moro 2, 00185 罗马,意大利,电子邮件:fritz.berkmann@uniroma1.it (F. Berkmann) Cedric Corley-Wiciak,IHP-Leibniz 创新微电子研究所,Im Technologiepark 25,法兰克福(奥得河畔)15236,德国,电子邮件:cedric.corley@esrf.fr Giuseppe Nicotra,微电子与微系统研究所(CNR- IMM),VIII Strada 5,卡塔尼亚 95121,意大利 Giovanni Capellini,大学科学系;罗马第三研究学院,Viale G. Marconi 446,罗马 00146,意大利;以及 IHP-Leibniz 创新微电子研究所,Im Technologiepark 25,法兰克福(奥得河畔)15236,德国 Michele Virgilio,物理学系“E.费米”,大学;比萨,Largo Pontecorvo 3,比萨 56127,意大利,电子邮件:michele.virgilio@unipi.it
* 通讯作者:Michele Ortolani,意大利理工学院生命纳米与神经科学中心,Viale Regina Elena 291,00161 罗马,意大利;以及罗马大学物理系,Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy,电子邮件:michele.ortolani@roma1.infn.it。 https://orcid.org/0000-0002-7203-5355 Elena Campagna、Enrico Talamas Simola、Luciana Di Gaspare 和 Monica De Seta,大学科学系;罗马第三研究学院,Viale G. Marconi 446,罗马 00146,意大利,电子邮件:elena.campagna@uniroma3.it(E. Campagna),enrico.talamassimola@uniroma3.it(E. Talamas Simola)。 https://orcid.org/0000-0001-7121-8806(E. Campagna)。 https://orcid.org/0000-0001-5468-6712 (E. Talamas Simola) Tommaso Venanzi,意大利理工学院生命纳米与神经科学中心,Viale Regina Elena 291, 00161 罗马,意大利,电子邮件:tommaso.venanzi@uniroma1.it Fritz Berkmann 和 Leonetta Baldassarre,罗马大学物理系,Piazzale Aldo Moro 2, 00185 罗马,意大利,电子邮件:fritz.berkmann@uniroma1.it (F. Berkmann) Cedric Corley-Wiciak,IHP-Leibniz 创新微电子研究所,Im Technologiepark 25,法兰克福(奥得河畔)15236,德国,电子邮件:cedric.corley@esrf.fr Giuseppe Nicotra,微电子与微系统研究所(CNR- IMM),VIII Strada 5,卡塔尼亚 95121,意大利 Giovanni Capellini,大学科学系;罗马第三研究学院,Viale G. Marconi 446,罗马 00146,意大利;以及 IHP-Leibniz 创新微电子研究所,Im Technologiepark 25,法兰克福(奥得河畔)15236,德国 Michele Virgilio,物理学系“E.费米”,大学;比萨,Largo Pontecorvo 3,比萨 56127,意大利,电子邮件:michele.virgilio@unipi.it
GSPRINT5514BSI 具有 4608 x 3072 像素,每个像素为 5.5 µm 见方 - 4/3 宽高比 4k 传感器,与 APS-C 光学元件兼容。GSPRINT5514BSI 具有 10 位输出,可实现每秒 670 帧。在 12 位模式下,传感器输出 350 fps。使用背面照明技术,对于 UV 应用,传感器在 510 nm 处实现 86% 的量子效率,在 200 nm 处实现 17% 的量子效率。该传感器提供双增益 HDR 读出,最大限度提高 15 ke- 满阱容量,最小 < 2.0 e- 噪声,实现出色的 78.3 dB 动态范围。模拟 1x2 合并将满阱容量增加到 30 ke-。图像数据通过 84 个 sub-LVDS 通道以 1.2 Gbps 的速度输出。对于不需要最大帧速率的应用,可以使用多路复用模式将输出通道数减少 2 的任意倍数。GSPRINT5514BSI 有单色或彩色版本,配有密封或可拆卸盖玻片,并采用 454 针 µPGA 封装。
离子阱系统是量子信息处理的主要平台,但目前仅限于一维和二维阵列,这限制了它们的可扩展性和应用范围。本文,我们提出了一种克服这一限制的方法,通过证明 Penning 阱可用于实现非常干净的双层晶体,其中数百个离子自组织成两个明确定义的层。这些双层晶体是通过加入非谐波捕获势来实现的,这在现有技术下很容易实现。我们研究了该系统的正常模式,发现了与单平面晶体模式相比的显著差异。双层几何形状和正常模式的独特性质开辟了新的机会——特别是在量子传感和量子模拟方面——这在单平面晶体中并不简单。此外,我们说明了可以扩展这里提出的想法来实现具有两层以上的多层晶体。我们的工作通过有效利用所有三个空间维度来增加捕获离子系统的维数,并为利用多层三维捕获离子晶体进行新一代量子信息处理实验奠定了基础。
通过快速热退火改善应变 GeSn/Ge 多量子阱的短波红外响应 Haochen Zhao 1、Guangyang Lin 2、Chaoya Han 3、Ryan Hickey 1、Tuofu Zhama 1、Peng Cui 1、Tienna Deroy 4、Xu Feng 5、Chaoying Ni 2 和 Yuping Zeng 1,* 1 美国特拉华大学电气与计算机工程系,美国特拉华州纽瓦克 19716 2 厦门大学物理系,福建省厦门 361005 3 美国特拉华大学材料科学与工程系,美国特拉华州纽瓦克 19716 4 美国特拉华大学化学与生物化学系,美国特拉华州纽瓦克 19716 5 美国特拉华大学表面分析设施,美国特拉华州纽瓦克 19716电子邮件: yzeng@udel.edu