Kvantdatorer kan lösa vissa problem mer effektivt än någon möjlig konventionell dator. Små kvantalgoritmer har demonstrerats på flera kvantdatorplattformar, många särskilt anpassade i hårdvara för att genomföra en viss algoritm eller utföra ett begränsat antal beräkningsvägar [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]. Här demonstrerar vi en femkvadratdator som kan programmeras i programvara för att implementera godtyckliga kvantalgoritmer genom att utföra alla sekvenser av universella kvantlogiska grindar. Vi sammanställer algoritmer till en fullt ansluten uppsättning av grindoperationer som är inbyggda i hårdvaran och har en genomsnittlig trohet på 98 %. Omkonfigurera dessa grindsekvenser ger flexibilitet att genomföra en mängd olika algoritmer utan att ändra hårdvaran. Som exempel tillämpar vi algoritmerna Deutsch-Jozsa (DJ) [11] och Bernstein-Vazirani (BV) [12] med en genomsnittlig framgångsgrad på 95 % respektive 90 %. Vi utför också ett sammanhängande kvantum Fouriertransform (QFT) [13, 14] på fem infångade qubits för fasuppskattning och periodfynd med genomsnittliga fidelities på 62 % respektive 84 %. Denna lilla kvantdator kan skalas till större antal qubits inom ett enda register, och kan ytterligare utökas genom att ansluta flera sådana moduler genom jonavstängning [15] eller fotoniska kvantkanaler [16]. Genomföra en skalbar programmerbar kvantdatorarkitektur kräver hög trohet initiering och detektion på individuell qubit nivå och orörd kontroll av interaktioner mellan qubits. Medan de flesta fysiska plattformar har närmaste granne interaktioner endast, en multi-qubit instängd-ion system har en inneboende långdistans interaktion som är optiskt gated och ansluter alla par av qubits [17, 18]. Till skillnad från solid-state implementationer [19, 20], Kvantkretsen bestäms av externa fält, och därmed kan programmeras och konfigureras om utan att ändra strukturen av qubits själva. Genom att optiskt lösa enskilda joner, genomför vi enkel-qubit rotationer och godtyckliga två-qubit grindar genom att direkt adressera par av joner utan extra overhead såsom flytta information genom lokala kopplingar [19, 21] eller dölja qubit populationer i ytterligare hjälpstater [10]. Sådana inhemska portar kan sedan användas för att konstruera modulära logiska grindar som kan kallas i omkonfigurerbara algoritmsekvenser. Vi observerar En linjär kedja av instängda joner längs Z-axeln visas i mitten av figuren. Ett avbildningsmål samlar jonfluorescens längs Y-axeln och kartlägger varje jon på ett flerkanaligt fotomultiplikatorrör (PMT) för mätning av individuella qubits. Motpropagerande Ramanstrålar längs X-axeln utför qubit-operationer. En diffraktiv strålsplitter skapar en rad statiska Raman strålar som individuellt är växlade med hjälp av en multi-channel acousto-optiska modulator (AOM) för att utföra qubit-selektiv grindar. Genom att modulera lämpliga adresseringsstrålar kan varje enkel-qubit rotation eller twoqubit Ising (XX) grind realiseras. För de två qubit grindarna mellan qubits i och j kan vi kontinuerligt ställa in den ickelinjära grindvinkeln χij. Detta representerar ett system av qubits med fullt anslutna och omkonfigurerbara spin-spin Ising interaktioner (inset). en genomsnittlig trohet på 98% i dessa inhemska operationer utan användning av spin eko eller dynamisk frikoppling teknik [10, 22, 23]. Denna bottom-up metod kan anpassas för arXiv:1603.04512v3 [quant-ph] 3 aug 2016 2 storskalig beräkning med hjälp av mikro-fabricerade jonfällor med integrerad optik [25] och hög optisk åtkomst, och vi förväntar oss grind fidelities kan överstiga 99,9 % med enkla förbättringar på den klassiska kontrollen [23, 24]. Den programmerbara och omkonfigurerbara karaktären hos jonfällans kvantdator illustreras av en hierarki av operationer från programvara till hårdvara, som visas i figur 1a. På toppen är en hög nivå användargränssnitt som anger den önskade algoritmen, representeras av en standard familj av modulära universella logik grindar som Hadamard (H), kontrollerad-NOT (CNOT) och kontrollerad fas (CP) grindar [14]. Därefter översätter en kvantkompilator de universella portarna till grindar infödda till hårdvaran, som i vårt fall är två-kvadrat Ising (XX) grindar [18] och singel-kvadrat rotation (R) grindar [14]. Slutligen är dessa infödda portar sönderdelade i laserpulser som förutberäknas för att åstadkomma den önskade qubit-operationen genom Coulomb-kopplade rörelse samtidigt disentangling rörelse i slutet av portarna [26]. På hårdvarunivå består processorn av instängda 171 Yb + atomiska jonkvbitar med information lagrad i hyperfina "klocka" tillstånd  och 0; m F = 0 och  på 0; m F = 1; m F = 0 av 2 S 1/2 elektronisk marknivå med en qubit frekvensdelning av v 0 = 12.642821 GHz [27]. Här, F och m F betecknar de kvanttal som är förknippade med den totala atomiska vinkeln momentum och dess projektion längs kvantiseringsaxeln definieras av ett tillämpat magnetiskt fält på 5.2 G. Vi mäter en qubit koherenstid på mer än 0,5 s, och med magnetisk avskärmning förväntar vi oss att detta ska förbättras till att vara längre än 1000 s [28]. Vi begränsar jonerna i en linjär radiofrekvens (rf) Paul fälla, med radial och axial fälla frekvenser mot x = 3.07 MHz och mot z = 0.27 MHz, respektive. Jonerna är laserkylda till nära sitt rörelseella marktillstånd och bildar en linjär kristall med ett avstånd av 5μm för n = 5 joner. En beräkning utförs genom att man först initierar alla qubits till tillstånd  på 0 genom optisk pumpning [27]. Detta följs av kvantportar, som genomförs av en serie sammanhängande rotationer med hjälp av stimulerade Raman övergångar drivs av en 355nm läge låst laser, där beat-noten mellan två motpropagerande Raman strålar driver qubit och rörelseövergångar [29]. För att uppnå individuell adressering delar vi upp en av Ramanstrålarna i ett statiskt spektrum av strålar, som var och en riktas genom en individuell kanal av en multikanalig acoustooptikmodulator (AOM) och fokuserar på sin respektive jon, som visas i figur 1b. Slutligen mäts qubit-registret med hög trohet (se metoder) genom att köra 2 S 1/2 → 2 P 1/2 cykelövergång nära 369 nm och samtidigt samla den resulterande tillståndsberoende fluorescens från varje jon med hjälp av högupplöst optik och ett flerkanals fotomultiplikatorrör (PMT). Den lägsta nivån av qubit kontroll består av inhemska en- och två-qubit operationer. Vi utför singlequbit rotationer R  och genom att justera Raman beat-noten till qubit resonans v 0. Här bestäms rotationsvinkeln och axlarna  och bestäms av beat-notens varaktighet och fasutjämning, som programmeras genom rf-signaler på lämpliga AOM-kanaler. Two-qubit XXgates utförs genom att åberopa en effektiv spin-spin Ising interaktion mellan qubits medierade av de kollektiva rörelsesätten i kedjan [18]. Här tillämpar vi Raman beat-notes avstämda nära till v 0 ± v x som konsekvent parar spinnen till alla rörelsesätt. En pulsformningsteknik [26] lösgör rörelsen vid slutet av grinden, vilket resulterar i en två-kvadrat insnärjning rotation av någon mängd XX(χ i,j ). Här, den geometriska fasen χ i, j härrör från den integrerade Ising interaktionen [18, 26], tecknet α i,j = ±1 som uppstår från Coulomb interaktionen mellan qubits i och j (Fig. 1b infällt). Vi pre-kalkylerar och optimerar XX-gate puls former off-line för alla {i, j} för att uppnå hög trohet samtidigt som grindarna relativt snabbt (se metoder). Vi använder dessa infödda R- och XX-portar för att konstruera vanliga logiska grindar, som kan kallas av en kvantalgoritm. Till exempel genomför vi en-qubit Hadamard-porten som H = R x (−π)R y (π/2) och Zrotationen som R z ( ska) = R y (−π/2)R x ( ska)R y (π/2). Två-qubit logik grindar som CP och CNOT är sammanställda för att redogöra för tecknen på CP rotationsvinkel β och Ising interaktion α i,j, vilket gör dem oberoende av {i, j} och därför modulära (Fig. 2).................................................................. På högsta nivå programmerar vi godtyckliga sekvenser av sådana logiska grindar som krävs för att implementera någon kvantalgoritm. Vi genomför först Deutsch-Jozsa algoritm [11], som avgör om en given funktion ("oran") är konstant eller balanserad. En funktion som har en n-bit ingång och en 1-bit utgång (f : {0, 1, 2,..., 2 n − 1} → {0, 1}) balanseras när exakt hälften av ingångarna resulterar i utdata 0 och den andra halvan i utdata 1, medan en konstant funktion antar ett enda värde oavsett indata. I vår installation programmerar vi 7 av de 70 möjliga orakel av tre-qubit balanserade funktioner genom att använda sju olika sekvenser av CNOT grindar mellan var och en av de tre qubits i kontrollregistret x = {X 1 X 2 X 3 } och funktionsregistret X 4 (Fig. 3a)................................................................. Vi programmerar de två konstanta funktionerna genom att ställa in X 4 till antingen 0 eller 1. Utföra algoritmen börjar med att förbereda kontrollregistret i superpositionstillståndet  på x = 1 8 7 k=0 k, följt av funktionsutvärderingen oracle. En CNOT utförs sedan mellan funktionsregistret X 4 och ancilla qubit X 5 (initialt inställd till 1 ε 2 ( och 0 − till 1 )). Alla qubits sedan roteras och mäts (utom för ancilla) som visas i figur 3a. Slutligen avgör en mätning av x (konditionerad på X 4 = 1, som sker med 50% sannolikhet) om funktionen är konstant eller balanserad. Mätning av utgång x = {111} anger en konstant funktion, medan något annat värde indikerar en balanserad funktion (se tilläggsmaterial). Den genomsnittliga framgångsannolikheten är 0.967.2 för konstant och 0.932.3 för balanserade funktioner (Fig. 3b).................................................................. Den Bernstein-Vazirani algoritmen är en variant av DJ algoritmen där orakelfunktionen är en inre produkt av två n-bitars strängar: f c (x) = c · x. Här är syftet att bestämma vektorn c = {c 1 c 2...c n } i en enda försök [12]. Vi programmerar alla 16 instanser av fyra-bitars orakel som utvärderar funktionen f c (x)]X 5. Detta uppnås genom att tillämpa ett särskilt mönster av CNOT-grindar, som bestäms av c, mellan x = {X 1 X 2 X 3 X 4 } och X 5 = 1 ε 2 ( till 0 −  till 1 ) (Fig 3 c). Till exempel, om c = {0101} då CNOT grindar tillämpas mellan X 2, X 5 och X 4, X 5. Vi börjar med en superposition tillstånd  och x = 1 16 15 k = 0 k, följt av orakel. Slutligen, tillämpa en global R y (π/2) rotation producerar utdata statec, vilket är inversen av c. I experimentet, en enda-shot mätning av rätt utfallc erhålls med en sannolikhet på 0,903(2) (Fig 3d), medelvärde över alla möjliga oracle stater. Exponentiell hastighet-upp av många kvantalgoritmer uppstår från det faktum att parallell funktionsutvärdering är C k K K. Den skuggade grå regionen innehåller en sekvens av modulära grindar för att genomföra QFT, som sedan följs av en mätning av registret. b) Undersökningsperiod för kvantifiering. Inmatningstillstånden är förberedda med enkvadratrotation för att modulera de 32 tillståndsamplituderna med perioderna 1, 3, 4, 8, 16 och 32 (se metoder). Den fyrkantiga statistiska överlappningen (SSO) [5] betecknar protokollets trohet där felet är en statistisk uppskattning över 8 000 experimentella upprepningar. c) Kvantfasuppskattning med hjälp av fem mätvärden. Tomten visar populationer i utdatatillståndet som uppskattar den givna fasmoduleringen av indatatillståndsamplituderna {C k }. Vi observerar det korrekta värdet av fasen i varje fall med en sannolikhet > 0,6. Experimentet upprepas 8.000 gånger för varje värde av  och utförs på en superposition av alla klassiska indatatillstånd av en n-bit sträng. Dessa avdunstning vägar störs sedan med hjälp av en kvant Fourier transform (QFT) för att producera den önskade lösningen [14]. Ett sådant exempel är det ordningsfinnande protokollet i Shors kvantfaktoriseringsalgoritm [13]. En annan tillämpning är att lösa eigen value-problemet A på ett sätt som innebär att man kan räkna med n-bitars precision med hjälp av en n-bit QFT [14]. Dessa algoritmer har genomförts i experiment med hjälp av en semi-klassisk version av QFT som består av singel-qubit rotationer baserade på klassiska feed-forward och qubit återvinning som minskar den erforderliga registret storlek [5, 10, 30]. Den sammanhängande QFT, å andra sidan, är reversibel och kan konkateneras inom en algoritmsekvens. Här bygger vi en sammanhängande QFT på fem qubits med hjälp av alla 10 modulära CP grindar och omfattar totalt 80 singel och två-qubit inhemska grindar. Denna krets utnyttjar fullt ut den höga konnektiviteten hos ett instängt jonsystem och illustrerar hur det kan skalas till större moduler (Fig. 4a)................................................................ Vi tillämpar QFT i ett periodfinnande protokoll där vi först förbereder ett indatasuperpositionstillstånd 31 k=0 C k  på ett sådant sätt att koefficienterna {C k } uppvisar en periodisk amplitud eller fasmodulering (se metoder), som följs av QFT-operationen. Moduleringen periodicitet visas sedan i utdatastatus populationer (Fig.4.b). Vi undersöker vidare QFT:s prestanda i ett fasuppskattningsprotokoll där eigen value (eigen value) uppskattas till 5 bitars precision. I detta fall förbereds inmatningstillståndet i den form som uppvisar en beroende fasmodulering C k = 1 ε 32 e −ik∂. Vi tillämpar QFT på detta tillstånd för att uppskatta den genom att kartlägga dess värde på populationer av utdatatillståndet, som visas i figur 4c. Detta upprepas i flera fall där en ökning sker i steg om 2π/64 inom intervallet 0–2π. Värden för  och som är heltal multiplar av 2π/32 resultera i utdatatillståndet. Detta uppnås med en genomsnittlig trohet på 0,619(5). För non-5 heltal värden, är befolkningen fördelas mellan de närmaste 5-bitars ungefärliga tillstånd [14]. I våra experiment begränsas varje algoritms trohet huvudsakligen av de infödda grindfelen (< 2%), som förökar sig till standardlogiska grindfel (< 5%) (se tilläggsmaterial). Dessa fel domineras av Raman-strålens defekter och kan därför minskas genom att minska Raman-strålens intensitetsbuller [23] och individuell hantering av korstalk (se metoder). Systematiska förskjutningar i yxorna på gate-rotationerna ackumuleras på grund av ojämlika Stark förskjutningar över qubits, vilket resulterar i algoritmiska fel som beror på kretsstrukturen. Denna typ av fel kan enkelt elimineras genom att mata framåt kända skiftningar till rf för individuella qubit kontrollstrålar. De algoritmer som presenteras här illustrerar den beräkningsflexibilitet som ges av jonfällans kvantarkitektur. Inom en enda modul kan detta system skalas till dussintals qubits genom att linjärt öka antalet rf-kontroller, AOM- och PMT-kanaler på hårdvarunivå. I programvara, antalet XX-och R-gate kalibreringar som krävs för att sammanställa någon logisk grindskala som O(n 2 ). När fler joner läggs till kedjan, måste den axiella inneslutningen försvagas för att upprätthålla en linjär kristall. Detta kommer att sakta ner XX-gate varaktighet ungefär som n 1.7, men korstalken förväntas inte bli värre (se metoder). Slutligen kommer genomförandet av denna arkitektur på flerzonsjonfällor, t.ex. ytfällor, att ge ytterligare kontroll över qubits konnektivitet genom shuttling [15] för skalbar beräkning. Detta kommer också att möjliggöra selektiv mätning av qubits som kan matas framåt klassiskt för att utföra villkorliga operationer i modulen [5] som krävs i feltoleranta datorer.
REF En nätlista består av en förteckning över anslutningar i en krets och en lista över de portar de är anslutna till.
Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits
{'venue': 'Nature 536, 63-66 (2016)', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Medicine', 'Computer Science', 'Physics']}