ES2960384T3 - Nodo de red cuántica y protocolos con múltiples especies de qubits - Google Patents

Abstract

La divulgación describe aspectos del uso de múltiples especies en nodos de iones atrapados para redes cuánticas. En un aspecto, se describe un nodo de red cuántica que incluye múltiples qubits de memoria, estando cada qubit de memoria basado en un ion atómico 171Yb+, y uno o más qubits de comunicación, estando cada qubit de comunicación basado en un ion atómico 138Ba+. Los qubits de memoria y comunicación son parte de una red en una trampa de iones atómicos. En otro aspecto, se describe un sistema de computación cuántica que tiene una arquitectura óptica modular que incluye múltiples nodos de red cuántica, incluyendo cada nodo de red cuántica múltiples qubits de memoria (por ejemplo, basados en un ion atómico 171Yb+) y uno o más qubits de comunicación (por ejemplo, basados en en un ion atómico 138Ba+). Los qubits de memoria y comunicación son parte de una red en una trampa de iones atómicos. El sistema incluye además un entrelazador fotónico acoplado a cada uno de los múltiples nodos de la red cuántica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Nodo de red cuántica y protocolos con múltiples especies de qubits

Referencia cruzada a derechos de licencia gubernamentales de solicitudes relacionadas

Esta invención se ha realizado con el apoyo del gobierno bajo W911NF1520067 concedido por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE.UU. (ARL) y FA95501610421 concedido por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR). El gobierno tiene ciertos derechos sobre la invención.

Antecedentes de la divulgación

Los aspectos de la presente divulgación se refieren en general al procesamiento de información cuántica, y más específicamente, a técnicas para utilizar múltiples especies en un nodo de iones atrapados para redes cuánticas.

Los iones atómicos atrapados son uno de los enfoques de procesamiento de información cuántica (QIP) que ha proporcionado máquinas universales y totalmente programables. Los iones atómicos atrapados también son una plataforma de primer orden para las redes de información cuántica (QIN). Son deseables sistemas o redes basados en iones atómicos atrapados que puedan mejorar las comunicaciones generales de dichos sistemas o redes. El artículo Multi-Species Trapped Ion Node for Quantum Networking (Phys. Rev. Lett. 118, 250502 (2017)) describe un nodo de una red cuántica en el que se consigue un aislamiento extremo de las memorias de qubits espectador y qubits asociados con una interfaz fotónica mediante el co-atrapamiento de qubits 171Yb+ y 138Ba+.

Resumen de la divulgación

A continuación, se presenta un resumen simplificado de uno o más aspectos con el fin de proporcionar una comprensión básica de los mismos. Este resumen no es una descripción exhaustiva de todos los aspectos contemplados, y no pretende identificar los elementos clave o críticos de todos los aspectos ni delimitar el alcance de alguno o de todos los aspectos. Su propósito es presentar algunos conceptos de uno o más aspectos de forma simplificada como preludio a la descripción más detallada que se presenta más adelante. Los iones atómicos atrapados son una plataforma de primer orden para las redes QIN, con memorias de qubits idénticos de vida prolongada que pueden entrelazarse localmente a través de su interacción Coulomb y remotamente a través de canales fotónicos. Para realizar operaciones tanto locales como remotas en un único nodo de una red cuántica se requiere un aislamiento extremo entre las memorias de qubits espectador y qubits asociados a la interfaz fotónica. La presente divulgación describe cómo lograr este aislamiento mediante el co atrapamiento de qubits 171Yb+ y 138Ba+ en un mismo nodo. Esta divulgación describe además los requisitos de un nodo de red de trampa de iones escalable basado en los resultados de dos experimentos distintos que consisten en entrelazar el par de qubits de especies mixtas mediante su movimiento colectivo y entrelazar un qubit 138Ba+ con un fotón visible emitido.

La invención se expone en la serie de reivindicaciones adjunta. De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema de computación cuántica que tiene una arquitectura óptica modular, que comprende: múltiples nodos de red cuántica, cada nodo de red cuántica incluye: múltiples qubits de memoria, y uno o más qubits de comunicación, donde los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación forman parte de una red entramada en una trampa de iones atómicos, y donde los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación están hechos de un par de isótopos diferentes de la misma especie, con los múltiples qubits de memoria hechos de uno de los isótopos en el par y el uno o más qubits de comunicación hechos del otro isótopo en el par, el par de isótopos de la misma especie tienen diferentes isótopos Ba de múltiples isótopos Ba que incluyen al menos 138Ba, 137Ba y 133Ba, de modo que el qubit o qubits de comunicación no afectan a la funcionalidad de los qubits de memoria, y un entrelazador fotónico acoplado a cada uno de los múltiples nodos de red cuántica.

En la siguiente divulgación, se describen aspectos por su utilidad para comprender y poner en práctica la presente invención por referencia a un nodo de red cuántica formado por qubit(s) de memoria y qubit(s) de comunicación que pueden ser de diferentes especies atómicas. Sin embargo, estos ejemplos no forman parte de la presente invención, que se limita a que el qubit o qubits de memoria y el qubit o qubits de comunicación estén formados por un par de la misma especie atómica con diferentes isótopos Ba, incluyendo al menos 138Ba, 137Bay133Ba.

En un aspecto no reivindicado de la presente divulgación, se describe un nodo de red cuántica para el uso en una arquitectura óptica modular para computación cuántica que incluye múltiples qubits de memoria, estando cada qubit de memoria basado en un ion atómico 171Yb+, y uno o más qubits de comunicación, estando cada qubit de comunicación basado en un ion atómico 138Ba+. Los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación pueden formar parte de una red entramada en una trampa de iones atómicos.

En un aspecto no reivindicado de la presente divulgación, se describe un sistema de computación cuántica que tiene una arquitectura óptica modular que incluye múltiples nodos de red cuántica y un entrelazador fotónico acoplado a cada uno de los múltiples nodos de red cuántica. Cada nodo de red cuántica incluye múltiples qubits de memoria, cada qubit de memoria está basado en un ion atómico 171Yb+, y uno o más qubits de comunicación, cada qubit de comunicación está basado en un ion atómico 138Ba+. Los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación pueden formar parte de una red entramada en una trampa de iones atómicos. Breve descripción de las ilustraciones

Las ilustraciones adjuntas ilustran solo algunas implementaciones y, por tanto, no deben considerarse limitativas del alcance.

La FIG. 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una red de trampa de iones multiespecie, de acuerdo con aspectos no reivindicados de la presente divulgación.

Las FIG. 2(a) y 2(b) son diagramas que ilustran ejemplos de correlaciones entre el qubit 138Ba+ y polarizaciones de fotones emitidos en bases múltiples, de acuerdo con los aspectos de esta divulgación.

La FIG. 3 es un diagrama que ilustra un ejemplo de acoplamientos fuera de resonancia de haces láser de luz pulsada de 532 y 355 nm a niveles 2P i/2y 2P3/2 tanto en 138Ba+ como en 171Yb+, de acuerdo con aspectos no reivindicados de la presente divulgación.

Las FIG. 4(a) y 4(b) son diagramas que ilustran ejemplos del espectro vibracional de un cristal de 138Ba+ - 171Yb+ co-atrapados para direcciones de movimiento transversal y axial, de acuerdo con aspectos no reivindicados de esta divulgación.

Las FIG. 5(a) y 5(b) son diagramas que ilustran ejemplos de pasos experimentales y resultados del mapeo del estado de 138Ba+ a 171Yb+ utilizando directamente el movimiento colectivo, de acuerdo con aspectos no reivindicados de esta divulgación.

Las FIG. 6(a) y 6(b) son diagramas que ilustran ejemplos de probabilidades de medida de los estados qubit 171Yb+ y 138Ba+ tras una puerta MS de entrelazado y rotación n/2 tras la interacción MS, de acuerdo con aspectos no reivindicados de la presente divulgación.

Las FIG. 7(a)-7(c) son diagramas que ilustran ejemplos de nodos de red, entrelazadores fotónicos y convertidores de longitud de onda, de acuerdo con aspectos de esta divulgación.

La FIG. 8 es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de un sistema QIP basado en iones atrapados, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación.

La FIG. 9 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un dispositivo informático de acuerdo con los diferentes aspectos de esta divulgación.

Descripción detallada

La descripción detallada que se expone a continuación en relación con las ilustraciones adjuntas pretende ser una descripción de diversas configuraciones y no pretende representar las únicas configuraciones en las que se pueden poner en práctica los conceptos aquí descritos. La descripción detallada incluye detalles específicos con el fin de proporcionar una completa comprensión de diversos conceptos. Sin embargo, será evidente para los expertos en la materia que estos conceptos pueden ponerse en práctica sin estos detalles específicos. En algunos casos, algunos componentes bien conocidos se muestran en forma de diagrama de bloques para evitar ensombrecer tales conceptos.

Los iones atómicos atrapados son una de las plataformas más avanzadas para las redes de información cuántica (QIN), ya que albergan memorias de qubits que son intrínsecamente idénticas y poseen propiedades de coherencia inigualables. Un único nodo de la red puede realizarse con una cadena de iones atrapados, donde las operaciones de puerta de entrelazado local utilizan campos de control externos que acoplan los estados de qubit a través de su movimiento colectivo. Los bordes de la red pueden entonces implementarse mediante operaciones de entrelazado fotónico entre qubits de "comunicación" seleccionados en nodos separados. Sin embargo, la interfaz fotónica para los qubits de comunicación no puede perturbar los qubits de memoria espectadores, ya que incluso un solo fotón resonante puede destruir la memoria cuántica. La mejor manera de lograr este aislamiento es utilizar dos especies diferentes de iones atómicos: una para el procesamiento y la memoria locales, y otra para la comunicación con otros nodos, como se muestra en la FIG.

1.

La FIG. 1 muestra un diagrama 100 con una red de trampa de iones multiespecie en la que los qubits de comunicación 138Ba+ 125 están acoplados a fibras ópticas que no forman parte de la presente invención. Utilizando fotones entrelazados con sus átomos de origen, cualquier par de qubits 138Ba+ en diferentes nodos 110a, 110b y 110c, por ejemplo, pueden entrelazarse a través de un entrelazador fotónico reconfigurable 120. Las interacciones de Coulomb locales median la transferencia de este entrelazamiento a qubits de memoria 171Yb+ cercanos 115, así como a puertas lógicas cuánticas dentro del nodo. Las frecuencias de transición electrónicas dispares o diferentes de las dos especies (por ej., los qubits de memoria 171Yb+ 115 y los qubits de comunicación 138Ba+ 125) proporcionan el aislamiento necesario para proteger los qubits de memoria 171Yb+ 115 de los procesos resonantes en la interfaz fotónica de 138Ba+.

Esta divulgación describe diferentes ingredientes o requisitos de un nodo trampa de iones multiespecie para el uso en una red cuántica potencial que no forma parte de la presente invención. Estos requisitos pueden incluir el mapeo coherente de estados cuánticos entre qubits de memoria y de comunicación, y la generación de qubits fotónicos entrelazados con los qubits de comunicación. Por ejemplo, los qubits de memoria se codifican en los niveles hiperfinos de "reloj" del estado básico 2S<i>/2 de los iones atómicos 171Yb+, |F = 0, mF = 0) = | 4} y |F = 1, mF = 0) = |ft}. Para los qubits de comunicación, la presente divulgación propone el uso de los niveles de espín electrónico de estado básico 2Si /2 de los iones atómicos 138Ba+ |J = 1^ , mj = -1^ } = |4} y |J = 1^ , mj = 1^ ) = |T}. El sistema 138Ba+ presenta líneas de emisión de fotones de longitud de onda relativamente larga (por ej., 493 nanómetros (nm) y 650 nm), lo que facilita los requisitos tecnológicos para las interfaces fotónicas y proporciona el aislamiento necesario de la resonancia 171Yb+ a 369 nm. La divulgación describe la verificación del aislamiento entre estas dos especies mediante la observación de que el tiempo de coherencia medido de los qubits 171Yb+ (~1,5 segundos) no se ve afectado por la fluorescencia o la luz láser impulsora asociada a un qubit 138Ba+ refrigerado por Doppler continuo que está posicionado a sólo unas micras de distancia. Con la aplicación de pulsos de desacoplamiento dinámico, se ha notificado un tiempo de coherencia del qubit hiperfino 171Yb+ superior a 10 minutos en una configuración similar en la que se utiliza un ion 138Ba+ cercano para el enfriamiento simpático.

Puede utilizarse una serie estándar de fluorescencia dependiente del espín para la detección casi perfecta de un solo disparo del estado qubit 171Yb+. El qubit iónico 138Ba+ carece de tal transición cíclica aislada, por lo que para detectar el estado qubit 138Ba+ se promedian muchos idénticos. Esta falta de transición cíclica aislada no es un problema en la arquitectura de red multiespecie porque los qubits 138Ba+ se utilizan únicamente como enlace entre los qubits de memoria 171Yb+. Una vez que el qubit 138Ba+ se asigna a las memorias 171Yb+ vecinas mediante puertas basadas en Coulomb, el procesamiento de la información cuántica no necesita depender de la detección del estado de los qubits de comunicación 138Ba+. No obstante, la implementación de una técnica de medición del estado sigue siendo útil para calibrar y diagnosticar el sistema 138Ba+.

Además de su uso como qubits de comunicación fotónica, los iones 138Ba+ pueden emplearse para el enfriamiento simpático de los qubits 171Yb+ con el fin de mantener la ocupación en estados propios de fonones de baja motilidad para operaciones cuánticas de mayor fidelidad. Se puede implementar una técnica de enfriamiento por transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) utilizando haces láser de 493 nm sintonizados a unos 120 MHz de la transición 2S i/2- 2P i/2en banda azul. Los haces láser introducen una estrecha resonancia de estado ordenado átomo-láser en la que las transiciones de banda lateral roja se excitan selectivamente, mientras que las transiciones de banda lateral azul y portadoras se suprimen. Con esta técnica, puede ser posible enfriar el movimiento de un cristal de dos iones 138Ba+ y 171Yb+ a n = 0,06 (modo fuera de fase) y n = 0,1 (modo en fase).

Los qubits de comunicación pueden no requerir largos tiempos de coherencia, ya que la información puede transferirse rápidamente a los qubits de memoria, donde puede almacenarse y utilizarse posteriormente. Sin embargo, el corto tiempo de coherencia de los qubits Zeeman 138Ba+, debido a la alta sensibilidad del campo magnético de unos 2,8 kHz/mG, podría dar lugar a errores durante la operación de transferencia de información. Es posible utilizar un generador de forma de onda arbitraria para aplicar un campo magnético a 60 Hz y armónicos más altos con control total de fase y amplitud para cancelar parcialmente el campo magnético de fondo. Esta técnica puede aumentar el tiempo de coherencia de 138Ba+ de 100 microsegundos (ps) a aproximadamente 4 milisegundos (ps), que es mucho más largo que los tiempos de puerta de cualquier operación de transferencia.

Se puede demostrar una interfaz fotónica entrelazando el qubit 138Ba+ con un fotón emitido mediante un procedimiento de postselección. Por ejemplo, en aproximadamente 1 ps, el qubit puede inicializarse al estado ¡4} y excitarlo débilmente al nivel 2P i/2\ J =1/2, m j = 1/2 con probabilidad Pexc~ 10%. Para lograr una tasa de repetición experimental media de ~500 kHz, pueden aplicarse 50 ps de luz de enfriamiento Doppler tras 50 intentos de entrelazamiento. Tras la excitación, el átomo decae de nuevo al estado |4} emitiendo un fotón polarizado a+-, o al estado |T} emitiendo un fotón polarizado a n-. Se recogen los fotones perpendiculares al eje de cuantización; por tanto, los fotones n se registran como polarizados verticalmente en esta base (|V}), mientras los fotones a+ se registran como polarizados horizontalmente (|H}). Dado que se recoge un fotón, lo ideal es que se produzca un estado entrelazado entre el qubit 138Ba+ y el qubit de polarización del fotón, |4} |V} |T} |H}.

Las FIGS. 2(a) y 2(b) muestran las correlaciones entre el qubit 138Ba+ y la polarización del fotón emitido en bases múltiples. Más particularmente, las FIGS. 2(a) y 2(b) muestran mediciones de correlación entre los estados del qubit del átomo y del fotón en bases múltiples, y a partir de estas mediciones puede ser posible inferir que la fidelidad de entrelazado (postseleccionada) sea F > 0,86. Los errores pueden atribuirse a la mezcla de polarización debida al gran ángulo sólido (10%), a la dispersión múltiple de fotones en el paso de excitación (por ej., Pexc/4 = 2,5%) y a la inicialización o detección imperfecta del estado (por ej., 1%). Estas fuentes de error pueden reducirse significativamente recogiendo fotones a lo largo del eje de cuantización y utilizando láseres pulsados para la excitación rápida del átomo.

Volviendo a la FIG. 2(a), un diagrama 200 muestra la probabilidad medida de encontrar un qubit 138Ba+ en |T} condicionada a la detección de estados de qubit fotónicos |V} (azul claro) o |H} (rojo oscuro) usando un tubo fotomultiplicador (PMT). Una placa de media onda (HWP) rota el qubit fotónico, y los datos muestran dos mediciones correspondientes a ángulos HWP de 0 y n/4.

Volviendo a la FIG. 2(b), un diagrama 250 muestra la polarización del fotón al ser rotado mediante fijación de la HWP en n /8 de forma que |H> ^ |H> - |V> y |V> ^ |H> |V>. La posterior detección de fotones proyecta el átomo a una superposición (|^> ||>)|H> (|^> - ||>)|V>. Después, la siguiente detección de un fotón |V> o un fotón |H>, los estados de superposición atómica se rotan coherentemente a ||> y |^ > con una rotación n/2 que tiene una fase de n/2 o 3n/2, recuperando las correlaciones altas entre el qubit y el fotón.

Además de los aspectos descritos anteriormente, la presente divulgación describe además una puerta cuántica determinista entre las dos especies en un nodo de red cuántica que no forma parte de la presente invención. Pueden impulsarse transiciones Raman coherentes en ambos iones atómicos (por ej., en ambas especies de iones atómicos) utilizando un único láser para el intercambio coherente de información entre los qubits 171Yb+ y 138Ba+. A continuación, se describe un proceso de mapeo Cirac-Zoller (CZ) directo mediante acoplamiento resonante al movimiento colectivo de los iones atrapados y una puerta cuántica Molmer-Sorensen (MS) dispersiva entre los qubits.

Se puede utilizar un láser pulsado de Nd:YVO4 con modo-bloqueo (Spectra-Physics Vanguard) para introducir haces Raman no copropagadores (por ej., haces que se propagan en diferentes direcciones) que pueden impulsar transiciones entre diferentes modos propios vibracionales y estados de qubit. Como se muestra en el diagrama 300 de la FIG. 3, estos haces se acoplan fuera de resonancia a niveles excitados, donde la salida de 355 nm de frecuencia triplicada se utiliza para el sistema 171Yb+, mientras que la salida de 532 nm de frecuencia duplicada del mismo láser se utiliza para el sistema 138Ba+ y no forman parte de la presente invención tal como se reivindica. Las transiciones Raman estimuladas se activan cuando la frecuencia de batimiento entre dos haces está cerca de la división del qubit. Pueden elegirse polarizaciones lineales que sean todas perpendiculares al eje de cuantización, lo que permite impulsar las transiciones Raman deseadas minimizando los desplazamientos ac Stark diferenciales en cada especie. El gran ancho de banda del peine de frecuencias abarca fácilmente la frecuencia del qubit 171Yb+ de 12,642821 GHz para las rotaciones Raman. Para estabilizar la frecuencia de batimiento de dos haces Raman, puede utilizarse una técnica de avance que module uno de los haces de 355 nm para compensar cualquier cambio en la velocidad de repetición del láser. Puesto que la partición del qubit 138Ba+ es sólo de unos pocos megahertzios, puede que no se necesiten múltiples separaciones de dientes de peine para dirigir las transiciones en este qubit y, por lo tanto, puede que no sea necesaria la estabilización del batimiento en haces de 532 nm.

Volviendo a la FIG. 3, se muestran acoplamientos fuera de resonancia de haces láser pulsados de 532 y 355 nm a niveles 2P i/2y 2P3/2 tanto en el sistema atómico 138Ba+ como en el 171Yb+ para impulsar transiciones Raman estimuladas, con polarizaciones indicadas y que no forman parte de la presente invención. Las participaciones se muestran en la FIG. 3 a efectos ilustrativos sin necesidad de mostrarlas a escala.

Aunque la radiación de 355 nm se acopla nominalmente sólo al qubit 171Yb+ y la de 532 nm al qubit 138Ba+, existe una pequeña cantidad de acoplamiento diafónico con el otro sistema atómico. Para intensidades iguales y sin tener en cuenta el espectro de peine o la polarización de la luz, el sistema 171Yb+ puede sentir una frecuencia Rabi efectiva de la radiación de 532 nm que es ~2,6% de la frecuencia Rabi de radiación nominal de 355 nm. Del mismo modo, el sistema 138Ba+ puede sentir una frecuencia Rabi de ~11% de la radiación de 355 nm. Sin embargo, la polarización láser y el espectro de peine de frecuencias requeridos son diferentes para las dos transiciones atómicas de qubit, y estos aspectos pueden utilizarse para reducir la diafonía a mucho menos del 1% entre los dos sistemas. La tasa de dispersión Raman espontánea por ciclo Rabi de qubit puede ser inferior a 10'5 para ambas especies atómicas, lo que da lugar a un error de menos de 10'5 (10‘4) en puertas de uno (dos) qubits. La rara dispersión espontánea en el sistema 138Ba+ de 532 nm parece bombear ópticamente el sistema 138Ba+ a través del nivel 2P3/2 al estado metaestable 2D5/2, que tiene un tiempo de vida de 32 segundos. Estos raros eventos de bombeo pueden superarse, por ejemplo, iluminando los iones con un diodo emisor de luz naranja difusa de 1 vatio (centrado alrededor de 617 nm) que excite la transición 2D5/2 a 2P3/2 a 614 nm con suficiente intensidad para devolver el ion al estado básico en aproximadamente 30 milisegundos.

A pesar de sus masas atómicas similares, el movimiento transversal de un par acoplado de iones 138Ba+ y 171Yb+ presenta un gran desajuste en su amplitud para un modo dado, resultando en un acoplamiento mocional más pequeño entre los iones, como se ilustra en el diagrama 400 de la FIG. 4(a), descrita con más detalle a continuación. Por esta razón, los modos axiales mejor adaptados pueden ser utilizados en su lugar, como se ilustra en el diagrama 450 de la FIG. 4(b), descrita con más detalle a continuación. A medida que aumenta el número de iones en la cadena de cristal, el desajuste del vector propio de movimiento en los modos transversales se hace menos significativo y estos modos pueden utilizarse convenientemente para beneficiarse de frecuencias de modo más altas.

Las FIGS. 4(a) y 4(b) muestran un espectro vibracional de banda lateral Raman de un cristal 138Ba+ - 171Yb+ co atrapado para las direcciones de movimiento transversal (FIG. 4(a)) y axial (FIG. 4(b)) y no forma parte de la presente invención. La probabilidad medida de cambiar el estado del qubit se representa en azul claro para 138Ba+ y en morado oscuro para 171Yb+, en función de la desintonización con respecto a la transición portadora en la que se conserva el estado de fonón de movimiento compartido. Los picos en los valores positivos (negativos) corresponden a una transición de banda lateral azul (roja-) en la que el giro de espín va acompañado de la adición (sustracción) de un fonón. Las bandas laterales correspondientes a la entrada en fase (IP) y a la salida de fase (OP) están etiquetadas para las direcciones de movimiento transversal (x, y) y axial (z), con sus amplitudes teóricas de vectores propios indicadas a la derecha. Los picos no etiquetados corresponden a bandas laterales de orden superior, y a interacciones que implican múltiples modos, como la sustracción de un fonón de un modo y la adición en otro.

Al principio, el estado qubit de 138Ba+ se transfiere a 171Yb+ utilizando directamente el movimiento colectivo en un esquema de mapeo CiracZoller (CZ) y no forma parte de la presente invención. El procedimiento, que se ilustra con más detalle en el diagrama 500 de la FIG. 5(a) más abajo, comienza con el enfriamiento EIT y la preparación del estado de espín 138Ba+ con una transición de portador. Después, una rotación n de banda lateral roja en el sistema 138Ba+ transfiere información a un modo fonónico compartido, que se transfiere entonces al qubit 171Yb+ con otra rotación n de banda lateral roja en el sistema 171Yb+. La eficiencia global de la transferencia de estado de 0,75, como se muestra en el diagrama 550 de la FIG. 5(b) que se describe con más detalle a continuación, estaba limitada principalmente por la pureza del estado mocional inicial. Pero el principal inconveniente del proceso CZ es la necesidad de coherencia de fase entre el qubit de comunicación y las operaciones de mapeo CZ. Dado que el qubit de comunicación puede tener entrelazamiento previo a través del canal fotónico, el proceso de mapeo CZ requiere estabilizar las trayectorias de los haces a una longitud de onda mucho mejor que la óptica.

Volviendo a la FIG. 5 (a), el diagrama 500 muestra detalles de los pasos experimentales descritos antes para mapear el estado de 138Ba+ a 171Yb+ utilizando directamente el movimiento colectivo y no forma parte de la presente invención. Como ya se ha indicado, el procedimiento comienza con el enfriamiento del IET (530), seguido de la inicialización de los estados de qubits (QI) a ||> y |4> (505, 535). Tras la inicialización, una rotación Raman estimulada R(T) (510) del qubit 138Ba+ durante un tiempo T prepara el estado que se va a transferir. Una rotación n de banda lateral roja (RSB n) (515) en el qubit 138Ba+ transfiere esta información a un modo fonónico compartido, que luego se transfiere al qubit 171Yb+ con otra rotación n de banda lateral roja (520). En un paso final, puede medirse el estado del qubit 171Yb+ (525).

Volviendo a la FIG. 5(b), el diagrama 550 muestra datos que representan la probabilidad de encontrar un qubit 171Yb+ en |ft> como una función del tiempo de rotación T del qubit 138Ba+, con una eficiencia de transferencia de estado observada de “ 0,75 y no forma parte de la presente invención.

Además de las características descritas anteriormente, se describe un proceso de transferencia Molmer-Sorensen (MS) que relaja las limitaciones anteriores. En el esquema de transferencia MS, el entrelazado y la fidelidad de la transferencia de estado sólo requieren un confinamiento al límite de Lamb-Dicke, que puede lograrse con 300 ps de enfriamiento Doppler seguido de 500 ps de enfriamiento EIT. En el sistema aquí descrito puede conseguirse una puerta de entrelazado MS dirigiéndose simultáneamente al modo fuera de fase axial con una desintonización simétrica 8 utilizando pares de haces Raman no copropagantes. Dado que los pares de pulsos de 355 y 532 nm siguen trayectorias diferentes, no inciden necesariamente sobre los átomos al mismo tiempo. Es importante destacar que no es necesario un solapamiento temporal entre estos pares para la interacción EM. Las fuerzas dependientes de espín que utilizan los haces Raman pueden aplicarse en distintos momentos a cada átomo. El resultado es sólo una fase estática en el estado entrelazado que puede controlarse ajustando las longitudes de la ruta óptica o la diferencia entre las fases de batimiento de radiofrecuencia (RF o rf) de los campos conductores de 355 y 532 nm. Estas fuerzas dependientes del espín desplazan los paquetes de ondas de movimiento de ciertos estados de dos qubits en el espacio de fases. Se puede incorporar la modulación Walsh para suprimir los errores de frecuencia y temporización y, tras un tiempo de puerta T = 200 ps con una desintonización de 8 = 10 kHz, el movimiento vuelve a su estado original, recogiendo una fase geométrica como en la puerta MS habitual. Las intensidades ópticas de los campos conductores se ajustan para obtener frecuencias Rabi portadoras de O = 8/4r| para dar lugar a una fase geométrica n/2 tras la interacción MS, donde n es el parámetro Lamb-Dicke. Encontramos la fase de fuerza óptica correcta monitorizando las fases geométricas adquiridas. Para mantener una fase de fuerza óptica relativa disparo a disparo, puede utilizarse el mismo generador de forma de onda arbitraria para accionar moduladores acústico-ópticos para los haces láser de 355 y 532 nm. La fidelidad de esta operación es aproximadamente F = 0,60, como se muestra en las FIGS. 6(a) y 6(b), y esta baja fidelidad puede atribuirse, por ejemplo, al calentamiento excesivo (n = 5 ms_1) del modo fuera de fase axial.

La FIG. 6(a) muestra un diagrama 600 que ilustra las probabilidades medidas de los estados qubit 171Yb+ y 138Ba+ después de aplicar una puerta MS de entrelazado al estado inicial m> y no forma parte de la presente invención. Esta interacción crearía idealmente el estado de máximo entrelazamiento

Las fases ópticas de los campos conductores se imprimen en los espines con la fase de puerta, 9S.

La FIG. 6(b) muestra un diagrama 650 tras la interacción MS, en el que se aplican rotaciones n/2 a ambos qubits y no forma parte de la presente invención. La fase del pulso 138Ba+ n/2 se mantiene constante, mientras que la fase de rotación 171Yb+ n/2 se explora. Los datos muestran las probabilidades de estado de los qubits medidas en los puntos de paridad máxima |P(|4 j)) P(|ftf)) - P(4 f u) - P(|ftj))|.

Aunque las fases de los campos ópticos quedan impresas en el estado entrelazado tras esta interacción, pueden utilizarse dos puertas MS consecutivas con una diferencia de fase relativa n para transferir coherentemente la información del qubit de comunicación al qubit de memoria sin imprimir una fase óptica adicional. Así, la coherencia de fase entre las operaciones de entrelazado remotas y locales en la red cuántica puede establecerse sin necesidad de eliminar directamente la dependencia de fase óptica de la puerta MS con operaciones extra de un qubit o geometrías de haz especiales.

En base a las diversas técnicas y aspectos descritos en esta divulgación, es posible ampliar una red cuántica a muchos nodos utilizando analizadores de estado fotónicos de Bell para realizar las conexiones fotónicas. Son posibles mejoras considerables en las fidelidades y tasas de entrelazado átomo-fotón y átomo-átomo para escalar a muchos nodos interconectados. En primer lugar, se espera que la codificación de qubits fotónicos en dos frecuencias diferentes en lugar de en polarización proporcione mejoras significativas en la fidelidad de los qubits de comunicación remota. En segundo lugar, se espera que el uso de trampas de chip fabricadas con elementos ópticos integrados mejore la velocidad de conexión entre nodos. Adicionalmente, la estabilidad posicional de los iones derivada de la uniformidad y repetibilidad de la construcción, así como las velocidades de calentamiento comparables a las de las trampas ensambladas a mano (como la trampa de iones microfabricada de alto acceso óptico de los Laboratorios Nacionales Sandia con (n “ 40 s_1), probablemente permitirían puertas mocionales de mucha mayor fidelidad entre qubits de memoria y comunicación en estas trampas fabricadas.

A continuación, se presentan algunos aspectos adicionales relacionados con la red de trampa de iones multiespecie descrita anteriormente y no forman parte de la presente invención. Por ejemplo, un nodo de red cuántica (por ej., los nodos 110a, 110b y 110c de la FIG. 1) para el uso en una arquitectura óptica modular para computación cuántica puede incluir múltiples qubits de memoria (por ej., qubits de memoria 115), cada qubit de memoria basado en un ion atómico 171Yb+, y uno o más qubits de comunicación (por ej., qubits de comunicación 125), cada qubit de comunicación basado en un ion atómico 138Ba+ y no forma parte de la presente invención. Los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación pueden formar parte de una red entramada en una trampa de iones atómicos (véase por ej., trampa de iones 870 en la FIG. 8). En un ejemplo, la red entramada puede ser una red entramada lineal.

En un aspecto de dicho nodo de red cuántica, se realiza una conexión localizada entre el ion atómico 171Yb+ de uno de los qubits de memoria y el ion atómico 138Ba+ de uno de los qubits de comunicación mediante el acoplamiento del qubit de memoria y el qubit de comunicación controlando al menos parcialmente su movimiento colectivo mediante campos láser externos configurados para aplicar fuerzas al ion atómico 171Yb+ del qubit de memoria, al ion atómico 138Ba+ del qubit de comunicación, o a ambos, y no forma parte de la presente invención. Por ejemplo, la trampa de iones atómicos puede configurarse para recibir un único láser, un segundo armónico del láser único corresponde a un primer campo láser externo que aplica fuerzas al ion atómico 138Ba+ del qubit de comunicación, y un tercer armónico del láser único corresponde a un segundo campo láser externo que aplica fuerzas al ion atómico 171Yb+ del qubit de memoria. Por otra parte, el segundo armónico del láser único está en una línea de emisión de una longitud de onda de aproximadamente 532 nm, y donde el tercer armónico del láser único está en una línea de emisión de una longitud de onda de aproximadamente 355 nm.

En otro aspecto de dicho nodo de red cuántica que no forma parte de la presente invención, el ion atómico 171Yb+ es una primera especie atómica, el ion atómico 138Ba+ es una segunda especie atómica, y una masa atómica de la primera especie atómica y una masa atómica de la segunda especie atómica son sustancialmente similares, con una diferencia de masa atómica entre las dos masas atómicas inferior al 25%.

En otro aspecto de dicho nodo de red cuántica, el uno o más qubits de comunicación incluyen múltiples qubits de comunicación, y el nodo de red cuántica está configurado para multiplexar entre los múltiples qubits de comunicación para permitir ensayos repetidos de emisión de fotones desde los múltiples qubits de comunicación. Asimismo, los uno o más qubits de comunicación incluyen múltiples qubits de comunicación situados en un extremo de la red entramada, en otro extremo de la red entramada o en ambos extremos de la misma. Por ejemplo, la FIG 7(a) muestra los diagramas 700, 710 y 720 que ilustran ejemplos de un nodo 110 que tiene múltiples qubits de comunicación 125. El diagrama 700 muestra un nodo 110 con múltiples qubits de comunicación (por ej., qubits de comunicación 125), donde al menos un qubit de comunicación está situado en cada extremo de una red entramada (que también incluye qubits de memoria 115). El diagrama 710 muestra un nodo 110 con múltiples qubits de comunicación (por ej., qubits de comunicación 125) en un extremo de una red entramada (que también incluye qubits de memoria 115). El diagrama 720 muestra un nodo 110 con múltiples qubits de comunicación (por ej., qubits de comunicación 125) en otro extremo de una red entramada (que también incluye qubits de memoria 115).

En otro aspecto de dicho nodo de red cuántica que no forma parte de la presente invención, el ion atómico 138Ba+ de cualquiera de los uno o más qubits de comunicación está configurado para emitir un fotón mediante fluorescencia, estando el fotón emitido entrelazado con el ion atómico 138Ba+. En un ejemplo, al menos una porción de un espectro del fotón emitido está en el espectro visible. Las líneas de emisión del fotón emitido pueden aislarse de una resonancia de los iones atómicos 171Yb+ de los múltiples qubits de memoria. Las líneas de emisión pueden incluir líneas de emisión a longitudes de onda de aproximadamente 493 nm y 650 nm, y donde la resonancia de los iones atómicos 171Yb+ está a una longitud de onda de aproximadamente 369 nm. Las líneas de emisión a longitudes de onda de aproximadamente 493 nm y 650 nm pueden corresponder a líneas ópticas visibles que conectan estados electrónicos de qubit Zeeman a nivel básico del ion atómico 138Ba+ en estados excitados.

En otro aspecto de dicho nodo de red cuántica que no forma parte de la presente invención, cada qubit de memoria puede configurarse para codificarse en el nivel hiperfino de estado básico 2S1/2 del respectivo ion atómico 171Yb+. El tiempo de coherencia del estado hiperfino del respectivo ion atómico 171Yb+ es de aproximadamente 1,5 segundos o superior. La partición de los estados hiperfinos del qubit del respectivo ion atómico 171Yb+ es altamente insensible a las fluctuaciones del campo magnético (mucho menos que el momento magnético del electrón o " Bohr Magneton" de 1,4 MHz/Gauss). Además, cada qubit de memoria puede configurarse adicionalmente para la inicialización y detección sin tener que cambiar la población de estados atómicos entre niveles hiperfinos.

En otro aspecto de dicho nodo de red cuántica, cada qubit de comunicación puede configurarse para utilizar los niveles de espín de electrones de estado básico 2S1/2 del ion atómico 138Ba+.

Otro ejemplo relacionado con la red de trampa de iones multiespecie descrita anteriormente puede ser un sistema de computación cuántica que tiene una arquitectura óptica modular que puede incluir múltiples nodos de red cuántica (por ej., los nodos 110a, 110b y 110c en la FIG. 1), donde cada nodo de red cuántica incluye múltiples qubits de memoria (por ej., qubits de memoria 115), cada qubit de memoria está basado en un ion atómico 171Yb+, y uno o más qubits de comunicación (por ej., qubits de comunicación 125), cada qubit de comunicación está basado en un ion atómico 138Ba+ y no forma parte de la presente invención. Los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación pueden formar parte de una red entramada en una trampa de iones atómicos (véase por ej., trampa de iones 870 en la FIG. 8). El uno o más qubits de comunicación en cada uno de los múltiples nodos de red cuántica incluyen múltiples qubits de comunicación situados en un extremo de la red entramada, en otro extremo de la red entramada, o en ambos extremos de la red entramada (véase, por ej., la FIG. 7(a)). El sistema puede incluir además un entrelazador fotónico (por ej., el entrelazador fotónico 120 de la FIG. 1) acoplado a cada uno de los múltiples nodos de red cuántica.

En un aspecto de dicho sistema de computación cuántica que no forma parte de la presente invención, cada qubit de memoria en cada uno de los múltiples nodos de red cuántica está configurado para codificarse en el nivel hiperfino de estado básico 2S1/2 del respectivo ion atómico 171Yb+.

En otro aspecto de dicho sistema de computación cuántica, cada qubit de comunicación en cada uno de los múltiples nodos de red cuántica está configurado para utilizar los niveles de espín de electrones de estado básico 2S1/2 del ion atómico 138Ba+.

En otro aspecto de dicho sistema de computación cuántica, un primer qubit de comunicación de los uno o más qubits de comunicación de un primer nodo de red cuántica de los múltiples nodos de red cuántica se entrelaza con uno de los uno o más qubits de comunicación en un segundo nodo de red cuántica de los múltiples nodos de red cuántica. Asimismo, un segundo qubit de comunicación de uno o más qubits de comunicación del primer nodo de red cuántica se entrelaza con uno o más qubits de comunicación de un tercer nodo de red cuántica de los múltiples nodos de red cuántica.

En otro aspecto de dicho sistema de computación cuántica, el ion atómico 138Ba+ de cualquiera de los uno o más qubits de comunicación en uno de los múltiples nodos de red cuántica está configurado para emitir un fotón mediante fluorescencia, estando el fotón emitido entrelazado con el ion atómico 138Ba+. Al menos una porción de un espectro del fotón emitido está en el espectro visible. Asimismo, el entrelazador fotónico está acoplado a cada uno de los múltiples nodos de la red cuántica a través de fibras ópticas configuradas para operar en un espectro de comunicaciones ópticas, comprendiendo además el sistema de computación cuántica un convertidor de longitud de onda para convertir el espectro visible del fotón emitido al espectro de comunicaciones ópticas. En un ejemplo, el espectro de comunicaciones ópticas incluye longitudes de onda de aproximadamente 1300-1550 nm. El entrelazador fotónico puede incluir uno o más componentes ópticos compatibles con el espectro de comunicaciones ópticas. Por ejemplo, el entrelazador fotónico puede incluir uno o más conmutadores ópticos reconfigurables para permitir el entrelazamiento entre dos nodos de red cuántica cualesquiera de los múltiples nodos de red cuántica. Las FIG. 7(b) y 7(c) ilustran respectivamente ejemplos de un entrelazador fotónico y un convertidor de longitud de onda. Por ejemplo, el diagrama 730 de la FIG. 7(b) muestra el entrelazador fotónico 120 que tiene uno o más componentes ópticos 735a, ..., 735n, donde estos componentes pueden incluir, como se ha descrito antes, componentes compatibles con el espectro de comunicaciones ópticas, tales como conmutadores ópticos reconfigurables. El diagrama 750 de la FIG. 7(c) muestra un convertidor de longitud de onda 760 configurado para convertir luz y/o fotones portadores de alguna forma de información del espectro visible al espectro de comunicaciones ópticas.

Aunque los diversos ejemplos de qubits de memoria 115 y qubits de comunicación 125 se han descrito anteriormente en relación con los qubits de memoria 171Yb+ 115 y los qubits de comunicación 138Ba+ 125, respectivamente, debe entenderse que estos ejemplos se aportan con fines ilustrativos y no forman parte de la presente invención. De acuerdo con un ejemplo de la presente invención, los qubits de memoria 115 y los qubits de comunicación 125 pueden seleccionarse para ser suficientemente diferentes de modo que los qubits de comunicación 125 no afecten a la funcionalidad de los qubits de memoria 115. Esto puede lograrse haciendo que los qubits de memoria 115 y los qubits de comunicación 125 estén hechos de isótopos diferentes de la misma especie, siempre que haya suficientes diferencias.

También como se ha descrito antes, se pueden utilizar diferentes isótopos de la misma especie para los qubits de memoria 115 y los qubits de comunicación 125. Dos de 138Ba, 137Ba, 133Ba, etc., pueden usarse para qubits de memoria y de comunicación.

Más aún, se pueden hacer diferentes nodos 110 usando diferentes combinaciones de qubits de memoria 115 y qubits de comunicación 125.

La FIG. 8 es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de un sistema QIP 800 de acuerdo con ciertos aspectos de esta divulgación. El sistema QIP 800 también puede denominarse sistema de computación cuántica, red de computación cuántica, dispositivo informático o similar. En un aspecto que no forma parte de la presente invención, el sistema QIP 800 puede corresponder a porciones de la red de trampas de iones multiespecie de la FIG. 1 o una implementación de ordenador cuántico del dispositivo informático 900 de la FIG 9.

El sistema QIP 800 puede incluir una fuente 860 que proporciona especies atómicas a una cámara 850 que tiene una trampa de iones 870 que atrapa las especies atómicas una vez ionizadas por un controlador óptico 820. Las fuentes ópticas 830 en el controlador óptico 820 pueden incluir una o más fuentes láser que se pueden utilizar para la ionización de las especies atómicas, el control (por ej., control de fase) de los iones atómicos, para la fluorescencia de los iones atómicos que pueden ser monitorizados y rastreados por algoritmos de procesamiento de imágenes que operan en un sistema de imágenes 1040 en el controlador óptico 1020. El sistema de imágenes 840 puede incluir un generador de imágenes de alta resolución (por ej., una cámara CCD) para monitorizar los iones atómicos mientras se suministran a la trampa de iones 870 (por ej., para el recuento) o después de que se hayan suministrado a la trampa de iones 870 (por ej., para monitorizar los estados de los iones atómicos). En un aspecto, el sistema de imágenes 840 puede implementarse separado del controlador óptico 820, sin embargo, el uso de fluorescencia para detectar, identificar y etiquetar iones atómicos utilizando algoritmos de procesamiento de imágenes puede necesitar coordinarse con el controlador óptico 820.

El sistema QIP 800 también puede incluir un componente de algoritmos 810 que puede operar con otras partes del sistema QIP 800 (no mostradas) para realizar algoritmos cuánticos (por ej., QFT, simulaciones cuánticas) que hacen uso de las implementaciones descritas anteriormente. El componente de algoritmos 810 puede proporcionar instrucciones a varios componentes del sistema QIP 800 (por ej., al controlador óptico 1020) para permitir la implementación de circuitos cuánticos, o sus equivalentes. Es decir, el componente de algoritmos 810 puede permitir el mapeo de diferentes primitivas computacionales en representaciones físicas usando, por ejemplo, la trampa de iones 870.

En un ejemplo que no forma parte de la presente invención, el sistema QIP 800 puede implementar uno o más de los componentes o estructuras mostrados en la red de trampa de iones multiespecie en el diagrama 100 de la FIG. 1, así como algunos o todos los componentes mostrados en las FIGS. 7(a), 7(b), y 7(c).

Volviendo a la FIG. 9, se ilustra un ejemplo de dispositivo informático 900 de acuerdo con algunos aspectos de la divulgación. El dispositivo informático 900 puede representar, por ejemplo, un único dispositivo informático, múltiples dispositivos informáticos, un sistema informático distribuido o al menos una porción de una red informática. El dispositivo informático 900 puede configurarse como un ordenador cuántico, un ordenador clásico o una combinación de funciones informáticas cuánticas y clásicas.

En un ejemplo, el dispositivo informático 900 puede incluir un procesador 910 para llevar a cabo funciones de procesamiento asociadas con una o más de las características descritas aquí. El procesador 910 puede incluir un conjunto único o múltiple de procesadores o procesadores multi-núcleo. Además, el procesador 910 puede implementarse como un sistema de procesamiento integrado y/o un sistema de procesamiento distribuido. El procesador 910 puede incluir una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento cuántico (QPU), una unidad de procesamiento gráfico (GPU) o una combinación de estos tipos de procesadores.

En un ejemplo, el dispositivo informático 900 puede incluir una memoria 920 para almacenar instrucciones ejecutables por el procesador 910 para llevar a cabo las funciones descritas aquí. En una implementación, por ejemplo, la memoria 920 puede corresponder a un medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código o instrucciones para realizar una o más de las funciones u operaciones descritas aquí. En un ejemplo, la memoria 920 puede incluir uno o más qubits de memoria.

Además, el dispositivo informático 900 puede incluir un componente de comunicaciones 930 que permite establecer y mantener comunicaciones con una o más partes utilizando hardware, software y servicios según se describen en este documento. El componente de comunicaciones 930 puede realizar comunicaciones entre componentes en el dispositivo informático 900, así como entre el dispositivo informático 900 y dispositivos externos, tales como dispositivos ubicados a través de una red de comunicaciones y/o dispositivos conectados en serie o localmente al dispositivo informático 900. Por ejemplo, el componente de comunicaciones 930 puede incluir uno o más buses, y puede incluir además componentes de cadena de transmisión y componentes de cadena de recepción asociados con un transmisor y un receptor, respectivamente, operables para interconectar con dispositivos externos. Los aspectos del componente de comunicaciones 930 se pueden usar para implementar la red de trampa de iones multiespecie mostrada en la FIG. 1.

Adicionalmente, el dispositivo informático 900 puede incluir un almacén de datos 940, que puede ser cualquier combinación adecuada de hardware y/o software, que proporciona almacenamiento masivo de información, bases de datos y programas empleados en relación con las implementaciones descritas aquí. Por ejemplo, el almacén de datos 940 puede ser un repositorio de datos para el sistema operativo 960 (por ej., un SO clásico o SO cuántico). En una implementación, el almacén de datos 940 puede incluir la memoria 920.

El dispositivo informático 900 también puede incluir un componente de interfaz de usuario 950 operable para recibir entradas de un usuario del dispositivo informático 900 y, además, operable para generar salidas para su presentación al usuario o para proporcionar a un sistema diferente (directa o indirectamente). El componente de interfaz de usuario 950 puede incluir uno o más dispositivos de entrada, incluyendo entre otros, un teclado, un teclado numérico, un ratón, una pantalla táctil, un digitalizador, una tecla de navegación, una tecla de función, un micrófono, un componente de reconocimiento de voz, cualquier otro mecanismo capaz de recibir una entrada de un usuario, o cualquier combinación de los mismos. Además, el componente de interfaz de usuario 950 puede incluir uno o más dispositivos de salida, incluyendo entre otros, una pantalla, un altavoz, un mecanismo de feedback háptico, una impresora, cualquier otro mecanismo capaz de presentar una salida a un usuario, o cualquier combinación de los mismos.

En una implementación, el componente de interfaz de usuario 950 puede transmitir y/o recibir mensajes correspondientes al funcionamiento del sistema operativo 960. Además, el procesador 910 puede ejecutar el sistema operativo 960 y/o aplicaciones o programas, y la memoria 920 o el almacén de datos 940 pueden almacenarlos.

Cuando el dispositivo informático 900 se implementa como parte de una solución de infraestructura basada en la nube, el componente de interfaz de usuario 950 puede utilizarse para permitir a un usuario de la solución de infraestructura basada en la nube interactuar de forma remota con el dispositivo informático 900.

Para un aspecto que no forma parte de la presente invención, el dispositivo informático 900 puede implementar uno o más de los componentes o estructuras mostrados en la red de trampa de iones multiespecie en el diagrama 100 de la FIG. 1, así como algunos o todos los componentes mostrados en las FIGS. 7(a), 7(b), y 7(c). Por ejemplo, el componente de comunicaciones 930 puede implementar uno o más de los nodos 110, el entrelazador fotónico 120, y/o el convertidor de longitud de onda 760.

Aunque la presente divulgación se ha proporcionado de acuerdo con las implementaciones mostradas, un experto en la materia reconocerá fácilmente que podría haber variaciones en las realizaciones y que dichas variaciones estarían dentro del alcance de la presente divulgación. En consecuencia, aquellos con conocimientos ordinarios en la materia pueden hacer muchas modificaciones sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de computación cuántica que tiene una arquitectura óptica modular, que comprende: múltiples nodos de red cuántica, cada nodo de red cuántica incluye: múltiples qubits de memoria, y uno o más qubits de comunicación, donde los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación forman parte de una red en una trampa atómica de iones, caracterizado en que los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación están hechos de un par de isótopos diferentes de la misma especie, con múltiples qubits de memoria hechos de uno de los isótopos del par y el uno o más qubits de comunicación hechos del otro isótopo del par, donde el par de isótopos de la misma especie tienen diferentes isótopos Ba de entre los múltiples isótopos Ba que incluyen al menos 138Ba, 137Ba y 133Ba, de modo que el qubit o qubits de comunicación no afectan a la funcionalidad de los qubits de memoria, y un entrelazador fotónico acoplado a cada uno de los múltiples nodos de red cuántica.

2. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 1, donde: los múltiples nodos de red cuántica incluyen un primer nodo de red cuántica y un segundo nodo de red cuántica, y un primer qubit de comunicación de uno o más qubits de comunicación del primer nodo de red cuántica está entrelazado con un primer qubit de comunicación de uno o más qubits de comunicación en el segundo nodo de red cuántica.

3. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 2, donde: el nodo de red cuántica múltiple incluye además un tercer nodo de red cuántica, y un segundo qubit de comunicación de los uno o más qubits de comunicación del primer nodo de red cuántica está entrelazado con un primer qubit de comunicación de los uno o más qubits de comunicación en el tercer nodo de red cuántica.

4. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 1, donde cualquiera de los uno o más qubits de comunicación en uno de los múltiples nodos de red cuántica está configurado para emitir un fotón mediante fluorescencia, estando el fotón emitido entrelazado con el isótopo Ba utilizado para el qubit de comunicación.

5. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 4, donde al menos una porción de un espectro del fotón emitido está en el espectro visible.

6. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 5, donde el entrelazador fotónico está acoplado a cada uno de los múltiples nodos de la red cuántica a través de fibras ópticas configuradas para operar en un espectro de comunicaciones ópticas, comprendiendo además el sistema de computación cuántica un convertidor de longitud de onda para convertir el espectro visible del fotón emitido al espectro de comunicaciones ópticas.

7. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 6, donde el espectro de comunicaciones ópticas incluye longitudes de onda de aproximadamente 1300-1550 nm, y el entrelazador fotónico incluye un convertidor de longitud de onda que convierte fotones entre el espectro visible y el espectro de comunicaciones ópticas.

8. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 6, donde el entrelazador fotónico incluye uno o más componentes ópticos compatibles con el espectro de comunicaciones ópticas.

9. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 1, donde el entrelazador fotónico incluye uno o más conmutadores ópticos reconfigurables para permitir el entrelazado entre dos nodos de red cuántica cualesquiera de los múltiples nodos de red cuántica.

10. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 1, donde cada uno de los múltiples nodos de red cuántica incluye múltiples qubits de comunicación, todos ellos están posicionados en un extremo de la red entramada, todos ellos están posicionados en el otro extremo de la red entramada, o algunos están posicionados en un extremo de la red entramada y los restantes están posicionados en el otro extremo de la red entramada.

11. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 1, donde: cada uno de los múltiples nodos de red cuántica incluye múltiples qubits de comunicación, y cada nodo de red cuántica está configurado para multiplexar entre los múltiples qubits de comunicación para permitir ensayos repetidos de emisión de fotones desde los múltiples qubits de comunicación.

12. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 1, que comprende además: uno o más nodos de red cuántica adicionales, cada nodo de red cuántica adicional incluye: múltiples qubits de memoria, cada qubit de memoria basado en una primera especie atómica, y uno o más qubits de comunicación, cada qubit de comunicación basado en una segunda especie atómica diferente de la primera especie atómica, donde los múltiples qubits de memoria y el uno o más qubits de comunicación en cada nodo de red cuántica adicional son parte de una red entramada en una trampa de iones atómicos.

13. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 12, donde la primera especie atómica corresponde a un isótopo Yb, y la segunda especie atómica corresponde a un isótopo Ba.

14. El sistema de computación cuántica de la reivindicación 12, donde el entrelazador fotónico se acopla además a cada uno de los uno o más nodos de red cuántica adicionales.