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QCCD 离子阱量子计算机架构演示
我们报告了离子阱 QCCD（量子电荷耦合器件）架构的所有必要组件集成到坚固、完全连接且可编程的离子阱量子计算机中的情况。该系统采用 171 个 Yb + 离子作为量子比特，138 个 Ba + 离子用于协同冷却，并围绕 Honeywell 低温表面阱构建，能够进行任意离子重排和跨多个区域的并行门操作。作为最小演示，我们并行使用两个空间分离的交互区域来执行任意四量子比特量子电路。通过各种方式在组件级别和整体级别对该架构进行了基准测试。包括状态准备和测量、单量子比特门和双量子比特门在内的各个组件都具有随机基准测试的特征。整体测试包括并行随机基准测试，显示不同门区域之间的串扰可以忽略不计，利用中间电路测量的传送 CNOT 门，以及 2 4 的量子体积测量。
集成光子QCCD设备中的Multizone捕获 - 离子量子控制
多路复用操作和对多个陷阱站点的扩展相干控制是大规模体系结构中陷阱离子处理器的基本要求。在这里，我们使用具有积分光子组件的表面电极陷阱来证明这些构建块，这些陷阱可扩展到大量区域。我们在两个区域中使用集成光实施了一个拉姆西序列，分别为375μm，在脉冲之间在200μs中从一个区域转移到另一个区域。为了在运输过程中实现低运动激励，我们开发了用于测量和减轻用于将集成光传递到离子的裸露介电表面的影响的技术。我们还证明了在具有低光学串扰的单独区域中对两个离子的同时控制，并使用它执行同时光谱，以将两个位点之间的场噪声相关联。我们的工作展示了集成光子离子陷阱系统中的第一个运输和连贯的多ZONE操作，这为在被困的离子量子量耦合器件架构中进一步扩展构成了基础。
用于囚禁离子光寻址的光栅耦合器的设计与制作
量子计算利用量子比特的量子现象（叠加和纠缠）执行复杂的计算任务 [4]。在过去的几十年中，各种各样的量子比特已经被实现，包括超导量子比特 [2]，[5]，半导体量子点 [6]，[7] 和捕获离子量子比特 [8]。在上述量子比特中，捕获离子量子比特因其在量子纠缠中的高保真度而备受关注，因为捕获离子本质上是相同的 [9]。为了将捕获离子量子比特应用于量子计算设备，霍尼韦尔将 QCCD（量子电荷耦合器件）架构实现到可编程捕获离子量子计算机中。在 QCCD 中，捕获离子量子计算机可以通过将离子阱与用于量子比特光学寻址的光电元件集成到一个紧凑的独立设备中来实现。据报道，QCCD 实现了 2 4 的量子体积测量，并且几乎不存在串扰 [10]。
用于光学的光栅耦合器的设计和制造...
量子计算利用量子比特的量子现象（叠加和纠缠）执行复杂的计算任务 [4]。在过去的几十年中，各种各样的量子比特已经被实现，包括超导量子比特 [2]，[5]，半导体量子点 [6]，[7] 和捕获离子量子比特 [8]。在上述量子比特中，捕获离子量子比特因其在量子纠缠中的高保真度而备受关注，因为捕获离子本质上是相同的 [9]。为了将捕获离子量子比特应用于量子计算设备，霍尼韦尔将 QCCD（量子电荷耦合器件）架构实现到可编程捕获离子量子计算机中。在 QCCD 中，捕获离子量子计算机可以通过将离子阱与用于量子比特光学寻址的光电元件集成到一个紧凑的独立设备中来实现。据报道，QCCD 实现了 2 4 的量子体积测量，并且几乎不存在串扰 [10]。
构建嘈杂的中型离子阱量子计算机
摘要 — 捕获离子 (TI) 是构建嘈杂中型量子 (NISQ) 硬件的主要候选者。TI 量子比特与超导量子比特等其他技术相比具有根本优势，包括高量子比特质量、相干性和连通性。然而，当前的 TI 系统规模较小，只有 5-20 个量子比特，并且通常使用单个陷阱架构，这在可扩展性方面存在根本限制。为了向下一个重要里程碑 50-100 量子比特 TI 设备迈进，提出了一种称为量子电荷耦合器件 (QCCD) 的模块化架构。在基于 QCCD 的 TI 设备中，小陷阱通过离子穿梭连接。虽然已经展示了此类设备的基本硬件组件，但构建 50-100 量子比特系统具有挑战性，因为陷阱尺寸、通信拓扑和门实现的设计可能性范围很广，并且需要满足不同的应用资源要求。为了实现具有 50-100 个量子位的基于 QCCD 的 TI 系统，我们进行了广泛的应用驱动架构研究，评估了陷阱大小、通信拓扑和操作实现方法等关键设计选择。为了开展研究，我们构建了一个设计工具流，该工具流以 QCCD 架构的参数作为输入，以及一组应用程序和真实的硬件性能模型。我们的工具流将应用程序映射到目标设备上并模拟其执行以计算应用程序运行时间、可靠性和设备噪声率等指标。使用六个应用程序和几个硬件设计点，我们表明陷阱大小和通信拓扑选择可以将应用程序可靠性影响多达三个数量级。微架构门实现选择将可靠性影响另一个数量级。通过这些研究，我们提供了具体的建议来调整这些选择，以实现高度可靠和高性能的应用程序执行。随着业界和学术界努力构建具有 50-100 个量子比特的 TI 设备，我们的见解有可能在不久的将来影响 QC 硬件并加速实用 QC 系统的进程。
TILT：在囚禁离子线性系统上实现更高的保真度......
摘要 — 离子阱量子比特是实用量子计算的领先技术。在这项工作中，我们对离子阱的线性磁带架构进行了架构分析。为了实现我们的研究，我们开发并评估了该架构的映射和调度算法。特别是，我们引入了 TILT，这是一种线性“图灵机式”架构，具有多激光控制“头”，其中线性离子链在激光头下来回移动。我们发现，与同等大小的量子电荷耦合器件 (QCCD) 架构相比，TILT 可以大大减少通信。我们还为 TILT 开发了两种重要的调度启发式方法。第一个启发式方法通过将沿相反方向传输的数据匹配为“反向交换”来减少交换操作的数量，并且还避免了跨头部宽度的最大交换距离，因为最大交换距离使得在一个头部位置调度多次交换变得困难。第二种启发式方法通过将磁带调度到每次移动时可执行操作最多的位置来最小化离子链运动。我们从模拟中提供了应用程序性能结果，这表明 TILT 在一系列 NISQ 应用程序中的成功率可以胜过 QCCD（平均高达 4.35 倍和 1.95 倍）。我们还讨论了使用 TILT 作为构建块来扩展现有的可扩展离子阱量子计算方案。索引术语 — 量子计算、离子阱架构、电路优化
镱离子阱 量子计算
经典计算机的历史是从使用真空管的初始概念验证，到最终完善的现代硅基架构而发展起来的。现在，量子计算机正从概念验证转向实用设计，并且正处于扩展到越来越多相干、连接良好的量子比特的阶段。自从 Cirac 和 Zoller 证明了一种将任意幺正运算应用于离子线性阵列的可行方法 [1] 以来，离子量子计算机一直是量子计算发展的有力竞争者。最近，霍尼韦尔 [2] 和 IonQ [3] 推出了两台使用镱的工业量子计算机。这些计算机采用镱同位素离子 171 Yb + 最外层 S 壳层的价电子来编码量子比特的状态。有两种相互竞争的架构：MUSIQC 和 QCCD [4,5]。为什么要使用稀土元素呢？ [Xe] 4f 14 6s 1 电子构型之所以具有吸引力，是因为它通过使用 P 轨道实现了超精细到光学的耦合。此外，它相当容易实现。有几种元素和同位素可能适合这种构型。为什么特别选择 171 Yb +？选择这种同位素的动机是需要核自旋 1/2、观测稳定性和一阶塞曼不敏感时钟状态。可以考虑放射性同位素，但同位素必须足够稳定和普遍，以便与典型的金属源隔离。此外，我们要求电离能合理，电离原子带正电。171 Yb + 是唯一满足这些限制的同位素。