本文涉及但不限于離子冷卻，離子協(xié)同冷卻，離子量子計算，涉及但不限于一種多離子晶體的冷卻方法，尤其涉及但不限于一種基于離子集體運(yùn)動模式的優(yōu)化方法以選取最佳的離子組合進(jìn)行協(xié)同冷卻。

背景技術(shù)：

1、隨著離子量子計算的發(fā)展，量子電路的深度越來越深，量子計算序列的演化時間越來越長，用于量子計算的離子晶體在計算過程中會受到背景氣體、雜散電磁場或背景輻射等因素導(dǎo)致的加熱率影響，原本冷卻到接近基態(tài)或多普勒冷卻極限的離子晶體會逐漸熱化，從而導(dǎo)致量子比特退相干、量子計算門操作的保真度大幅下降，最終使得離子量子計算的規(guī)模受到嚴(yán)重限制。

2、為了解決這一問題，在離子晶體內(nèi)進(jìn)行協(xié)同冷卻是一個有效的方法。由于直接冷卻會破壞處于計算狀態(tài)的量子比特的量子態(tài)，因此無法在量子計算運(yùn)行時對這些比特進(jìn)行直接冷卻。通過在特定的輔助冷卻離子上進(jìn)行直接冷卻，借助離子之間的相互作用，可以在量子計算運(yùn)行過程中對整個離子晶體實現(xiàn)加熱抑制與冷卻。因此協(xié)同冷卻技術(shù)對于大規(guī)模離子阱量子計算具有極為重要的價值。

3、在公開的技術(shù)中，人們已經(jīng)在小規(guī)模(2至4個離子)的一維離子鏈中，利用不同種類的元素、對其中的一個離子進(jìn)行協(xié)同冷卻，并驗證了有效性。這種技術(shù)僅冷卻1個離子，不具有大規(guī)模離子晶體冷卻中的普遍意義。

4、在更大規(guī)模的一維離子鏈中，人們從理論計算上提出了“邊緣冷卻法”與“周期節(jié)點冷卻法”這兩種選取被輔助冷卻離子的方式，并在理論上在121個離子的離子鏈中進(jìn)行了模擬，見文獻(xiàn)1：lin?g?d,duan?l?m.sympathetic?cooling?in?a?large?ion?crystal[j].quantum?information?processing,2016,15(12):5299-5313.。然而，“邊緣冷卻法”需要利用大量的離子作為協(xié)同冷卻的輔助離子(約一半離子)、“周期節(jié)點冷卻法”則需要多束聚焦到單離子上的激光(對121個離子的一維離子鏈，需要13束激光)才能實現(xiàn)接近照射所有離子的全局冷卻的冷卻效果。這在離子量子比特使用率與光學(xué)復(fù)雜性上不具有優(yōu)勢且實施困難。

5、針對軸向二次勢阱下形成的長一維離子鏈的協(xié)同冷卻方案，文獻(xiàn)2：mao?z?c,xu?yz,mei?q?x,et?al.experimental?realization?of?multi-ion?sympathetic?cooling?ona?trapped?ion?crystal[j].physical?review?letters,2021,127(14):143201.在理論和實驗上進(jìn)行了驗證。但對于離子更均勻、軸向勢阱更復(fù)雜的情況，以及二維和三維離子晶體情形，該方案沒有更多討論。該方案首次提出了集體振動模式與協(xié)同冷卻最優(yōu)離子之間存在聯(lián)系。但在基于集體運(yùn)動模式的選取中，該方案僅考慮了冷卻極限與被輔助冷卻離子在集體模式上的覆蓋關(guān)系，沒有考慮弛豫時間與集體模式的關(guān)聯(lián)。在實際操作中，該方案存在缺陷，即根據(jù)集體振動模式覆蓋情況選取的離子對并非具有佳冷卻極限。

6、綜上，在大規(guī)模的離子晶體中找到通用優(yōu)化方式、選取少量離子、并利用簡潔光路實現(xiàn)接近全局冷卻速度與冷卻極限的協(xié)同冷卻方案是一個有待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、以下是對本文詳細(xì)描述的主題的概述。本概述并非是為了限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

2、為了在一維至三維的同種或異種離子組成的大規(guī)模離子晶體中實施高效的協(xié)同冷卻，本文提供一種基于離子集體運(yùn)動模式的選取輔助冷卻離子方案。針對包含n個離子的離子晶體，可以計算在三維空間內(nèi)x、y、z坐標(biāo)方向上的集體運(yùn)動模式，通過檢查離子晶體中n個輔助冷卻離子在需要被冷卻的方向上、對所有集體模式的覆蓋情況，以及檢查n個輔助冷卻離子對整個離子晶體的冷卻極限。并選取其中最優(yōu)的組合。從而獲得冷卻速度與冷卻極限兼優(yōu)的輔助冷卻離子組合。

3、一種多離子晶體的冷卻方法，所述多離子晶體的冷卻方法包括：

4、在多離子晶體中選取預(yù)設(shè)數(shù)量和預(yù)設(shè)位置的離子作為輔助冷卻離子；僅對選取的輔助冷卻離子組合使用冷卻激光照射進(jìn)行冷卻，實現(xiàn)冷卻全部離子晶體的效果；

5、選取預(yù)設(shè)數(shù)量和預(yù)設(shè)位置的離子作為輔助冷卻離子包括：基于多離子晶體中的離子在集體運(yùn)動模式上的占據(jù)數(shù)，選取冷卻速度和冷卻極限達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的離子組合；集體運(yùn)動模式的計算基于多離子晶體所處的勢場，其勢場可以是理論模擬的結(jié)果也可以是根據(jù)每個離子位置擬合得到的結(jié)果。

6、所述冷卻極限的選取標(biāo)準(zhǔn)為：所述輔助冷卻離子組合的冷卻極限與全局冷卻極限比值為(1至10):1；在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述輔助冷卻離子組合的冷卻極限與全局冷卻極限比值為(1至2):1；所述冷卻極限比值為冷卻極限下的振幅或溫度，溫度越低冷卻效果越好，振幅越接近全局冷卻下的振幅越好。

7、所述冷卻速度的選取標(biāo)準(zhǔn)為：所述輔助冷卻離子組合的占據(jù)數(shù)進(jìn)行歸一化處理，選取特征指標(biāo)不小于50％的輔助冷卻離子組合的集合，所述特征指標(biāo)選自最小值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差中的任意一種。

8、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述多離子晶體的冷卻方法包括：

9、先選取符合所述冷卻極限的選取標(biāo)準(zhǔn)的輔助冷卻離子組合，再在符合所述冷卻極限的選取標(biāo)準(zhǔn)的輔助冷卻離子組合中選取符合所述冷卻速度的選取標(biāo)準(zhǔn)的輔助冷卻離子組合；

10、或者先選取符合所述冷卻速度的選取標(biāo)準(zhǔn)的輔助冷卻離子組合，再在符合所述冷卻速度的選取標(biāo)準(zhǔn)的輔助冷卻離子組合中選取符合所述冷卻極限的選取標(biāo)準(zhǔn)的輔助冷卻離子組合。

11、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述多離子晶體的冷卻方法包括：

12、在多離子晶體中選取預(yù)設(shè)數(shù)量和預(yù)設(shè)位置的離子作為輔助冷卻離子；

13、設(shè)定包括n個離子的輔助冷卻離子組合的集合{si,n}，其中i表示第i種選取的輔助冷卻離子組合。

14、對輔助冷卻離子組合的集合中的某一種選取組合si,n，計算獲得文獻(xiàn)2：mao?z?c,xu?y?z,mei?q?x,et?al.experimental?realization?of?multi-ion?sympatheticcooling?on?a?trapped?ion?crystal[j].physical?review?letters,2021,127(14):143201.中定義的占據(jù)數(shù)集合其中m表示第m個集體振動模式；選取每一個占據(jù)數(shù)集合中的最小值標(biāo)準(zhǔn)差值或方差值中的任意一種為特征指標(biāo)遍歷輔助冷卻離子組合的集合{si,n}，獲得特征指標(biāo)集合將特征指標(biāo)集合進(jìn)行線性歸一化處理，得到取值在0至1的參數(shù)的集合。

15、選取的輔助冷卻離子組合的集合；可選地，選取的輔助冷卻離子組合的集合；在本技術(shù)提供的一種實施方式中，選取的輔助冷卻離子組合的集合；

16、計算全局冷卻(global?cooling)下每個離子冷卻極限的振幅{δzi,gc}，依次選取輔助冷卻離子組合的集合{si,n}中每一組輔助冷卻離子組合進(jìn)行計算，所述計算為對協(xié)同冷卻時離子晶體中每個離子的冷卻極限{δzi,sc}的計算，繼而利用兩者比值{δzi，sc/δzi，gc}的平均值得到平均振幅比值的計算方法為文獻(xiàn)2：mao?z?c,xu?y?z,mei?q?x,etal.experimental?realization?of?multi-ion?sympathetic?cooling?on?a?trapped?ioncrystal[j].physical?review?letters,2021,127(14):143201.中的方法；

17、選取平均振幅比值最接近1或小于一定閾值的輔助冷卻離子組合，僅對選取的輔助冷卻離子組合使用冷卻激光照射進(jìn)行冷卻，完成對全部離子晶體的冷卻；可選地，選取的輔助冷卻離子組合的集合；優(yōu)選地，選取的輔助冷卻離子組合的集合；更優(yōu)地，選取的輔助冷卻離子組合的集合

18、所述的冷卻極限包括：自每個離子的溫度，或每個離子在平衡位置附近的振幅，或每個離子的平均聲子數(shù)。

19、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，選取平均比值小于一定閾值的輔助冷卻離子組合為：

20、選取的輔助冷卻離子組合的集合；

21、優(yōu)選地，選取的輔助冷卻離子組合的集合；

22、更優(yōu)地，選取的輔助冷卻離子組合的集合。

23、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述冷卻激光用于執(zhí)行多普勒冷卻、電磁感應(yīng)透明冷卻、邊帶冷卻和偏振梯度冷卻中的任意一種或其組合的冷卻激光。

24、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述輔助冷卻離子組合中的離子的數(shù)量n不大于離子晶體中的離子總數(shù)量的30％。

25、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述多離子晶體包括一維、二維或三維離子晶體中的任意一種；所述離子晶體所處的勢場可以是理論模擬的結(jié)果也可以是根據(jù)每個離子位置擬合得到。

26、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述多離子晶體包括二維或三維離子晶體中的任意一種。

27、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述多離子晶體由同一種類離子組成。

28、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述多離子晶體由不同種類的離子組成。

29、在本技術(shù)提供的一種實施方式中，所述多離子晶體的離子種類包括不同元素種類的離子、同種元素的不同同位素離子、同種類的分子離子或不同種類的分子離子中的任意一種或其組合。

30、又一方面，本技術(shù)提供了一種離子阱量子計算設(shè)備，所述離子阱量子計算設(shè)備包括離子冷卻設(shè)備，所述離子冷卻設(shè)備被配置成使用上述的離子晶體的冷卻方法進(jìn)行冷卻。

31、利用冷卻激光對這些離子組合進(jìn)行協(xié)同冷卻，可以達(dá)到冷卻整個離子晶體或抑制背景加熱的目的。通過進(jìn)一步優(yōu)化輔助冷卻離子組合n的數(shù)量和拓?fù)涮匦?，可以僅用一束或少量幾束冷卻光，通過冷卻少于整個離子晶體30％的輔助冷卻離子組合，即可獲得冷卻速度快且接近全局冷卻極限的冷卻效果。

32、對于二維或三維晶體，現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)使用計算方法或模擬動力學(xué)極為復(fù)雜的，用本文提供的方法可以快速篩選可獲得冷卻速度快且接近全局冷卻極限的冷卻效果的離子晶體組合。

33、本技術(shù)的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本技術(shù)而了解。本技術(shù)的其他優(yōu)點可通過在說明書中所描述的方案來發(fā)明實現(xiàn)和獲得。