[论文解读] Programming Pulse Driven Quantum Computers

Seth Lloyd|ArXiv.org|Dec 17, 1999

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 5被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于弱耦合量子系统阵列、由精确时序电磁脉冲驱动的可扩展通用量子计算机架构。通过编程具有特定频率和持续时间的脉冲序列，系统可执行相干量子操作，实现叠加态与酉演化，同时仅在纠错时需要耗散——展示了实现容错量子计算的物理可行路径。

ABSTRACT

Arrays of weakly-coupled quantum systems can be made to compute by subjecting them to a sequence of electromagnetic pulses of well-defined frequency and length. Such pulsed arrays are true quantum computers: bits can be placed in superpositions of 0 and 1, logical operations take place coherently, and dissipation is required only for error correction. Programming such computers is accomplished by selecting the proper sequence of pulses.

研究动机与目标

• 展示一种基于弱耦合量子系统实现通用量子计算机的物理可行架构。
• 证明可通过电磁脉冲序列的相干控制实现量子计算。
• 确立耗散仅用于纠错而非计算本身，支持容错操作。
• 为利用光学或磁共振技术实现量子算法提供实用框架。
• 通过脉冲编程将理论量子计算与实验可行性相连接。

提出的方法

• 使用弱耦合量子系统阵列作为量子比特，每个量子比特通过外部电磁场实现可寻址。
• 通过施加具有特定频率和持续时间的电磁脉冲序列，实现受控的酉演化，从而实现量子逻辑门。
• 利用量子相干性在门操作期间制备计算态（|0⟩ 和 |1⟩）的叠加态。
• 确保所有逻辑操作均为酉且可逆，从而在整个计算过程中保持量子相干性。
• 设计脉冲序列以实现通用门集（例如，单量子比特旋转和受控-NOT 门），实现通用量子计算。
• 通过仅在必要时引入受控耗散来集成纠错机制，最大限度减少计算过程中的退相干。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用由电磁脉冲驱动的弱耦合量子系统构建可扩展的量子计算机？
• RQ2 是否可能通过相干脉冲序列实现通用量子计算，而无需持续控制？
• RQ3 如何在计算过程中维持量子相干性，同时实现容错操作？
• RQ4 实现任意单量子比特与双量子比特门所需的脉冲参数（频率、持续时间、幅度）是什么？
• RQ5 所提出的架构能否利用现有的光学或磁共振技术实现？

主要发现

• 脉冲驱动的量子计算机模型可通过可编程电磁脉冲序列实现通用量子计算。
• 只要脉冲精确控制，量子叠加态与纠缠态在计算过程中可被保持。
• 系统以相干方式运行，耗散仅用于纠错，而非逻辑操作。
• 该架构在原则上具有可扩展性，依赖于弱耦合量子系统的模块化阵列。
• 该方法与现有实验平台（如囚禁离子、量子点或NMR系统）兼容。
• 理论框架由1993年《科学》期刊论文支持，为构建功能性量子计算机提供了实用蓝图。