虽然拥有几个比特的量子计算机,在物理系统上可以被实现,但是想要制造出能有效工作的的量子计算机对当前的科学研究来说仍然是一个不小的挑战。2000年DiVincenzo 提出了5条标准(即DiVincenzo criteria),只有满足这5条标准的物理体系才有望构建出可行的量子计算机。
在Divincezo比较有影响力的论文[1]中,DiVincenzo 提出了“要构建可行量子计算机的5个必要条件”具体如下详述:
在可扩展的物理体系中,要能很好的表征(定义)量子比特。首先,我们需要一个由多比特组成的,用来存储信息的量子寄存器。在经典计算机中同样也需要这样一个存储器。在量子体系中,一种能够物理上实现量子比特的最简单的方式,莫过于利用二能级物理体系。例如:电子自旋、自旋为1/2的原子核,或者光子系统中的两个相互正交的极化态(水平方向和垂直方向)都是可以作为量子比特。我们也可以采用二维子空间体系,如基态和第一激发态。及多维度的希尔伯特空间,如原子的能级。

在离子系统中电子基态的精细/Zeem曼子能级;
基态和激发态的弱光学跃迁;
离子震荡(Ribi)的模式;
研究人员在在约瑟夫森结量子比特中,同样提出相似的方案,在这个方案中两个磁通量子比特通过量子化的LC震荡电路被耦合起来。同时使用几种类型的量子比特可能是实现可行的量子计算机的最有前景的方式。
假设你无法重置你的电脑(经典计算机),即使电脑处理过程都是非常正确,你也绝不会相信电脑的某些计算结果。因此初始化对于经典计算机和量子计算机来说都是一个重要的部分。
在许多已实现的量子系统中,系统的初始化都可能采用冷却这种最简单的方式,把系统制于基态。让第一激发态与基态之间的能级差,与未初始化之前产生较大的差异。在低温要满足$k_{B} T \ll \Delta E$时候,这个系统处于基态才有很大的保证。还有其他可选择方式,我们可以用投影测量的方式,把系统投影到我们想要的态上。然而大多数情况,经过测量后我们观测后的系统并非处于我们想要的态上。所以我们需要通过合适的门操作等,把系统变换(制备)到我们想要的初态上。
对于一些已经实现了物理体系,例如核磁共振体系,并不能够把系统冷却至极低温度。在这些情况情况下,我们不得不采用热平衡态作为初态。这似乎是一个比较困难的问题,我们可以计算资源为代价的来改善这些困难。这时我们就需要获得“有效纯态”也即“赝纯态”,它可以做为我们理想的初态。
在特定的态下,一些连续新增的量子比特,例如$|0\rangle$,也是成功实现量子纠错的基本要求。


<1>.液态/固态 核磁共振/电-核 双谐振体系 <2>.离子阱 <3>.基于原子的腔量子电动力学 <4>.光晶格中的中性原子系统 <5>.线性光学 <6>.量子点系统(自旋比特,电荷比特) <7>.约瑟夫森结系统(电荷比特,磁通比特,相位比特) <8>液氦表面的电子体系
参考文献
1. D. P. DiVincenzo, Fortschr. Phys. 48, 771 (2000).
2. J. J. Vartiainen et al., Phys. Rev. A 70, 012319 (2004).
3. E. Knill, R. Laflamme and L. Viola, Phys. Rev. Lett. 84, 2525 (2000);P. Zanardi, Phys. Rev. A 63, 012301 (2001); W. G. Ritter, Phys. Rev.A 72, 012305 (2005).
4. G. M. Palma, K. A. Suominen and A. K. Ekert, Proc. R. Soc. London A 452, 567 (1996); L. M. Duan and G. C. Guo, Phys. Rev. Lett. 79, 1953 (1997); P. Zanardi and M. Rasetti, Phys. Rev. Lett. 79, 3306 (1997); D. A. Lidar, I. L. Chuang and K. B. Whaley, Phys. Rev. Lett. 81, 2594 (1998); P. Zanardi, Phys. Rev. A 60, R729 (1999); D. Bacon, D. A. Lidar and K. B. Whaley, Phys. Rev. A 60, 1944 (1999).
5. A. Barenco et. al., Phys. Rev. A 52, 3457 (1995) .
6. D. P. DiVincenzo, Phys. Rev. A 51, 1015 (1995).
7. E. Knill, R. Laflamme and G. J. Milburn, Nature 409, 46 (2001) .
8. R. Raussendorf and H. J. Briegel, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001).
感谢,Sakura的编辑排版。
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