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面向多量子比特的表面电极离子阱芯片

【摘要】:目前,半导体晶体管特征尺寸正逐渐缩减至物理极限,量子效应不可避免,必须探索新型计算模式以满足应用对更高性能的进一步需求。量子计算是量子力学和计算机科学的新型交叉学科,在特定问题求解上具有超越经典计算机的能力,被公认为是新型高性能计算领域的颠覆性技术。国际上围绕量子计算机物理实现的研究已经取得了显著的进展,离子阱量子计算物理系统以其相干时间长、逻辑操作保真度高等优势,成为量子计算物理系统研究的热点。离子阱系统面临的难题是操控多离子量子比特。得益于成熟的半导体工艺,表面电极离子阱芯片被认为是实现多离子量子比特信息处理的有效途径。本文针对面向多量子比特的表面电极离子阱芯片,研究其设计和制备的关键技术,主要从离子阱芯片的可配置体系结构、二维阵列和一维线性结构的设计优化、以及在非谐离子阱芯片中利用高维量子比特优化Shor算法执行等方面展开工作。本文的主要内容与创新点体现在以下几个方面:1)提出一种可配置线性表面电极离子阱芯片体系结构,并设计了相应的优化仿真软件套件。实现在同一个离子阱芯片平台上支持5种目前学术界主流的离子阱操作模式,增强离子阱芯片的重用性,并能有效降低实验的启动时间开销(主要是节省超高真空抽调的时间)。软件套件可用于优化离子阱芯片电极尺寸、计算控制离子经典输运的电学参数等。根据理论分析和模拟仿真,本文提出的可配置结构可以作为一种统一的量子信息处理平台。2)提出一种灵活的表面电极离子阱芯片二维扩展优化设计方法。从有限元方法得到启发,利用网格划分策略可实现各种不同部件的射频电极优化,克服了现有方法专用性强的缺点。另外,自变量的个数也可以任意选择,然后利用蚁群算法搜索不同自变量个数的性能,进而对比得到最优个数。任意个数的自变量优化方式进一步增强了方法的灵活性。性能的表征采用本文提出的混合多目标优化函数,有效降低了各子目标函数权重因子的选择难度。目标函数的计算过程中引入“空间换时间”策略,节省优化时间。3)提出基于线性方程组的非谐表面电极离子阱芯片量化分析设计模型。非谐势阱的理论分析通常只包含低阶项,用于芯片设计时精度不够,而引入高阶项后问题的可解性受限,本文提出的量化分析模型兼顾设计精度和计算可行性。利用二次规划方法对模型快速求解,可分析体系结构参数(包括电极宽度、电极间距、实际需要的活跃电极个数以及所施加的电压等)对离子囚禁个数和囚禁间距的影响,进而给出非谐表面电极离子阱芯片体系结构的设计权衡。4)提出利用高维量子比特执行Shor算法时的量子线路优化策略,从而有效减少基本量子逻辑门的使用个数。基于提出的优化策略,实现Shor算法的三进制执行。并以分解21为例,设计了具体的算法实验演示方案,即将其量子线路编码到非谐势阱中单个离子的振动声子态上。在演示方案中利用优化控制理论来迭代计算振动声子态的操控电场,可以将整个算法一步执行完成,也可串行地执行量子逻辑门。数值模拟结果表明:将三进制Shor算法一步执行时,状态转移的平均概率可达到0.9919。5)根据本文前四个研究内容给出的芯片设计权衡,设计并制备了一款线性表面电极离子阱芯片。该原型芯片可实现离子的简谐势阱囚禁、离子一维输运以及离子的非谐势阱囚禁。表面电极离子阱芯片的制备属于厚膜工艺,与传统半导体工艺不同之处主要在于光刻,并需要电镀。本文首先对这些工艺参数进行了探索,然后对制备出的原型芯片进行了详细的物理特性测试,包含电极形貌、电极尺寸以及击穿电压等。目前,原型芯片实验平台上已观察到原子信号,正在进行离子的捕获与囚禁实验。

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