包括量子裝置的模擬處理器的制作方法

專利名稱：包括量子裝置的模擬處理器的制作方法
技術領域：
本方法、物品和系統涉及模擬處理和量子計算裝置。
背景技術：
2.1模擬計算模擬計算利用物理現象(機械的、電氣的、等等)通過使用物理量(壓力、電壓、位置、等等)代表該問題中的變量來模擬所關注的問題，這里該問題是某些抽象的數學問題或者是涉及其他物理量的某些物理問題。以其最簡單的方式來說，一個模擬系統(例如模擬計算機)通過取入一個問題的一個或者多個輸入變量來求解該問題，把它們代表為物理量，并且然后根據物理定律推演出其狀態。對該問題的答案產生為一個物理變量，該變量然后可以讀出。
模擬系統有兩個優點。第一個優點是以真正并行的方式進行運算。因為運算一般地受物理定律的制約，絕大多數模擬系統的物理規則中不存在任何東西會在該模擬系統的一個部分中禁止一個運算，而同時在該模擬系統的另一個部分卻進行另一個運算。第二個優點是模擬系統不涉及時域運算，并且從而不要求使用時鐘。多個模擬系統進行實時演算，對于多數物理應用，這比在一個數字計算機上進行同樣的計算要更快。
傳統上，模擬系統使用一些物理量(例如電壓、壓力、溫度等等)來代表一個連續的變量。這導致精確度的問題，因為問題答案的精確性受到能夠量化的連續變量的精確性的限制。這是因為模擬系統一般地使用物理量代表一個問題中的變量，而自然界中所發現的物理量內在性地是連續的。另一方面，數字計算機涉及可能的字位值“0”和“1”之間的區分，對于該區分存在著易于識別的準確狀態。模擬系統也往往在它們所能夠解決的問題類型上受限制。例如，一個日晷和一個羅盤都是原始的模擬計算機。然而，這兩者都只能夠進行一個運算，分別是根據太陽的位置計算時間和計算地球磁場的方向。一個數字計算機可以通過重新編程用同類屬的計算機解決這兩個問題。模擬系統往往比數字計算機復雜。而且一個模擬系統可以進行的運算數量往往受電路/裝置可以被復制的程度的限制。
盡管數字計算機對于解決多個一般問題是有用的，然而還是有一些問題的答案不能夠在一個常規的數字計算機上有效地計算。換言之，找出問題的答案的時間不在多項式次數上與問題的大小成比例。在某些情況下可以使問題并行化。然而從成本的角度上這種并行化往往不實際。數字計算機使用一種有限狀態機的途徑。盡管對于眾多種類的計算問題有限狀態機途徑工作良好，但是它對于可以求解的問題的復雜性存在一個底線。這是因為有限狀態機途徑使用一種時鐘或者說計時器來進行運算。用現有技術水平中的CMOS技術實施的時鐘具有一個約為5GHz的最高時鐘速率(頻率)。相反，多種模擬系統不要求時鐘。從而在模擬系統中可以用一種自然的方式得出問題的答案，往往比數字計算的對應系統以遠快得多的速度、可能甚至按指數級快得多的速度得出答案。
數字計算機所顯示出的實用性在于它們的低功耗、易于區分狀態的離散的二進制性質、以及它們能夠解決廣泛的通用性計算問題的能力。然而，在量子模擬、優化、NP難題(NP-hard)和其他NP完全(NP-complete)問題中的多個特定問題在數字計算機上還是棘手的。如果能夠克服模擬系統的諸如其有限精確性的限制之類的缺點，在求解重要的計算問題上一個模擬系統就可以容易地超過經典的數字計算機。
2.2復雜性類別關注復雜性的計算機科學家們例行地使用不同的復雜性類別定義。復雜性類別的數目總是在改變，因為在計算機科學進展中新的復雜性類別被定義而現有的復雜性類別在合并。公知為多項式時間(polynomial-time)(P)、非定義性多項式時間(non-deterministicpolynomial-time)(NP)、NP-完全(NPC)和NP-難題(NPH)的復雜性類別都是判定問題的類別。判定問題具有二元的結果。
NP中的問題是對之存在著多項式時間的驗證的計算問題。就是說為了驗證一個潛在的解不會超過該問題大小的多項式時間(類別P)。產生一個潛在的解可能會超過多項式時間。對于NP-難題可能要花費更長的時間來驗證一個潛在的解。
NPC中的問題可以定義為是NP中的問題，這些問題已經表明比起NPC中的一個已知的問題是同等的或者更難以答案。等效地說，NPC中的問題在NP之中也是NPH的問題。這可以表達為NPC＝NP∩NPH。
如果對一個問題存在著從NPC中的已知問題的一種多項式時間的還原，則該問題就是與NPC中的一個已知問題等價或者較之更難以答案。還原可以看作映射的一種泛化。該映射可以是一對一的函數、多對一的函數、或者利用預言等等。復雜性類別的概念和復雜性類別如何定義某些計算問題的棘手性請參閱，例如，1979年Garey和Johnson所著的Computer and IntractabilityA Guideto the Theory of NP-Completeness，Freeman，SanFrancisco，ISBN0716710455(下文中簡稱為“Garey和Johnson”)。還可以參閱Cormen，Leiserson，和Rivest，1990年的Introduction to Alrorithms，MIT Press，Cambridge、ISBN0262530910。
判定問題往往具有一種相關的優化問題，求解該相關的優化問題以定義正確的判斷。求解一個基于判定的NP-完全問題的效率會導致求解對應的基于優化的問題的效率。這對NP中的任何問題一般地是成立的。往往為之求解的問題是基于優化的問題。
2.3量子裝置量子計算是一種相對新的計算方法，該計算方法使用量子裝置以便利用量子效應，譬如基態的疊加和量子裝置的牽連，以此進行某些快于經典的數字計算機的計算。在數字計算機中，信息是存儲在字位中，該字位既可以是“0”也可以是“1”。例如，一個字位可以用一個低電壓代表邏輯“0”和用一個高電壓代表邏輯“1”。與數字計算機的字位相反，一個量子計算機把信息存儲為量子位(qubit)中，這是一種量子裝置，其中的數據既可以是“0”狀態或者“1”狀態，或者是這些狀態的任何疊加，α|0>+β|1>. (1)
根據式(1)的術語，一個數字計算機的“0”狀態類似于一個量子位的|0>基態。相似地，一個數字計算機的“1”狀態類似于一個量子位的|1>基態。根據式(1)，一個量子位允多個量子位基態的疊加，其中該量子位具有一定的概率要么是處于|0>或處于|1>狀態。項|α|2是處于|0>狀態的概率而項|β|2是處于|1>狀態的概率，其中|α|2+|β|2＝1。顯然連續變量α和β比在一個數字計算機中的一個字位包括大得多的信息，而在一個數字計算機中的字位是簡單的0或者1。一個量子位的狀態可以表示為向量，αβ.---(2)]]>盡管該量子位可以是在多個狀態的一種線性組合(或者疊加)之中，它僅可以作為處于|0>或|1>狀態被讀出或者測量。量子裝置展現了量子性能，譬如量子基態之間的量子隧道效應、基態的疊加、量子位的牽涉、相干性、以及同時表現出波動特性和顆粒特性。在量子計算的一個標準模型(也稱為量子計算的電路模型)中，一個量子計算裝置中量子門的運作是在量子位上于時域中進行。換言之，在一個量子計算裝置中各個單獨的門在一個或者多個量子位上的狀態上運行一個預定的時間周期以進行一種量子計算。多個門表示為矩陣乘以在量子位上運行的狀態向量。最基本的單個量子位門是保利矩陣(Pauli matrices)X≡0110,]]>Y≡0-ii0,]]>Z≡100-1.---(3)]]>其他單個量子位門包括Hadamard門、相位門，和π/8門。例如，參見Nielson and Chuang，2000，Quantum Computation andQuantum Information，Cambridge University Press，Cambridge，pp.174-177。
兩個耦連在一起的量子位還遵循疊加α00|00>+α01|01>+α10|10>+α11|11>.(4)一個雙量子位系統的狀態由一個四元向量代表，而雙量子位門的運算由4×4矩陣代表。因此一個n量子位系統由連續變量的一個2n向量來代表。基本單門運算的一個子集，譬如在(3)中表示的那些子集，和一個或者多個雙量子位門運算形成了據說是對量子運算通用的一個門集合。量子運算的一個通用集合是允許所有可能的量子運算的任何量子運算的集合。
2.4量子運算的要求一般地說，一個量子位是一種充分定義的物理結構，該物理結構(i)具有多個量子狀態，(ii)可以相干地從其環境隔離出并且(iii)允許在與該量子位相關聯的兩個或者多個量子狀態之間的量子隧道作用。例如參見Mooji et al.，1999，Science 285，p.1036(下文中稱為“Mooji”)，該文通過引用全文結合在此。對于從中可以形成量子位的當前的物理系統的一個綜述參閱Braunstein and Lo(eds.)，2001，Scalable Quantum Computers，Wiley-VCH，Berlin(下文稱為“Braunstein and Lo”)。
為了使一個物理的系統表現為一種量子位必須要滿足數個要求。參見DiVincenzo in Braunstein and Lo，Chapter 1，第一章。這些要求包括該物理系統(量子位)需要是可拓展的。換言之，它必須能夠以一種相干的方式結合一個合理數量的量子位。與可拓展性相關聯的是需要消除量子位的脫散性。一個量子位可以用在量子計算中還要求能夠使量子位進行初始化、控制和耦連的運算。一個量子位的控制包括進行單量子位運算以及在兩個或者多個量子位上的運算。為了支持量子計算，該運算的集合需要是一個通用集合。多個門的集合是通用的，例如參閱Barenco et al，1995，PhysicalReview A 52，p.3457，該文通過引用全文結合在此。對量子計算的另一個要求是需要能夠測量該量子位的狀態以便進行計算運作并且提取信息。對于量子計算的電路模型發展了這些要求，并且可以對其他模型放寬要求。
2.5超導量子位已經提出了幾種量子計算硬件建議。在這些硬件建議中，最可拓展的物理系統看來是那些超導結構。超導材料是在臨界電流、磁場和溫度之下沒有電阻的材料。Josephson結是這種結構的實例。
有兩種實現超導量子位的主要手段。一個手段對應于針對充分定義的電荷(電荷量子位)的限制。另一個手段對應于針對充分定義的相位(相位/能量量子位)的限制。相位和電荷是相關的變量，根據基本的量子原理，它們是彼此的規范共軛。這兩類裝置的劃分既述于Makhlin et al.，2001，Reviews of Modern Physics 73，pp.357-400(以下稱為“Makhlin”) 中，該文通過引用全文結合在此。超導量子位包括所屬領域內充分公知的裝置，譬如Josephson結量子位。例如參閱Barone and Paternò，1982，Physics and Applications ofthe Josephson Effect，John Wiley and Sons，New York；Martinis et al.，2002，Physical Review Letters 89，117901，該文通過引用全文結合在此；和Han et al.，2001，Science 293，p.1457，該文通過引用全文結合在此。
2.5.1通量量子位一種類型的通量量子位是穩恒電流量子位。參閱Mooji andOrlando et al.，1999，Physical Review B 60，15398-15413 (下文中稱為“Orlando”)，該文通過引用全文結合在此。超導相位量子位是充分公知的并且已經展示了長的相干時間。例如，參見Orlando andIl’ichev etal.，2003，Physical Review Letters 91，097906 (下文稱為“Il’ichev”)，該文通過引用全文結合在此。某些其他類型的相位量子位包括具有多于或者少于三個Josephson結的超導回路。例如參閱G.Blatter et al.，2001，Physical Review B，63，174511，和Friedmanet al.，2000，Nature 406，43(下文稱為“Friedman 2000”)，每篇文章都通過引用全文結合在此。對于通量量子位的更多細節，請參閱以下美國專利題為“Resonant controlled qubit system”的6,960,780號、題為“Resonant controlled qubit system”的6,897,468號、題為“Multi-junction phase qubit”的6,784,451號、題為“Sub-fluxquantum generator”的6,885,325號、題為“Quantum phase-chargecoupled device”的6,670,630號、題為“Finger squid qubit device”的6,822,255號、題為“Superconducting low inductance qubit”的6,979,836號；以下公開的美國專利申請題為“Extra-substratecontrol system”的2004-0140537號、題為“Methods for single qubitgate teleportation”的2004-0119061號、題為“System and method forcontrolling superconducting qubits的2004-0016918號、題為“Encoding and error suppression for superconducting quantumcomputers”2004-0000666號、題為“Quantum phase-charge coupleddevice”的2003-0173498號、題為“Quantum computing integrateddevelopment environment”的2003-0169041號、題為“Quantumcomputing integrated development environment”的2003-0121028號、題為“Trilayer heterostructure iunctions”的2003-0107033號、和題為“Quantum bit with a multi-terminal junction and loop with a phaseshift”的2002-0121636號，它們每一個都通過引用全文結合在此。
圖1A示出一個超導相位量子位100。相位量子位100包括一個由Josephson結101-1、102-2和103-3間斷的超導材料的回路103。Josephson結典型地使用標準制造工藝形成，一般地涉及材料沉積和光刻階段。例如，參閱Madou，2002，Fundamentals ofMicrofabrication，Second Edition，CRC Press、Van Zant，2000，Microchip Fabrication，Fourth Edition，McGraw-Hill，New York、Levinson，2001，Principles of Lithography，The International Societyfor Optical Engineering，Bellingham Washington，and Choudhury，1997，Handbook of Microlithography，Micromachining and MicrofabricationVolume 1Microlithography，The International Society for OpticalEngineering，Bellingham Washington.。制造Josephson結的方法，例如說明于 Ramos et al.，2001，IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity 11，p.998。普通的基質例如包括硅、氧化硅，或者藍寶石。Josephson結101還可以包括絕緣材料，譬如氧化鋁。可用于形成超導回路103的超導材料的范例是鋁和鈮。Josephson結101具有范圍從10納米(nm)至約10微米(μm)的尺寸。一個或者多個Josephson結101具有與相位量子位100中的其他Josephson結101不同的參數，譬如結的尺寸、結表面積、Josephson能量或者充電通量。在相位量子位100中任何兩個Josephson結101之間的差由一個用α表示的系數表征，該系數典型地范圍在約0.5至約1.3之間，在此α＝1代表具有等效參數的結。在某些范例中，該相位量子位中一對Josephson結的條件α是相應Josephson結的臨界電流之比。一個Josephson結的臨界電流是使該結不再是超導的流經該結的電流。這就是說，在該臨界電流以下該結是的超導的，而在該臨界電流以上，該結不是超導的。從而，例如，結101-10和101-2的條件α定義為結101-1的臨界電流與結101-2的臨界電流之比。
參見圖1A，一個偏置源110感應性地耦連到相位量子位100。偏置源110用于經過相位量子位100穿過一個磁通量φx以提供對該相位量子位的狀態的控制。相位量子位100典型地由一個范圍在約0.2·φ0至約0.8·φ0之間的磁通量偏置φx進行運算，這里φ0是通量量子。
相位量子位100具有一種簡化的相對于跨Josephson結101的相位的二維勢能。典型地用一個磁通量φx使相位量子位φ100偏置，從而該二維勢能的特性曲線包括本地能量最小值的區域，在此，該本地能量最小值是由小的能量壁壘相互分開并且由大的能量壁壘與其他的區域分開。該勢能是一種雙阱勢150(圖1B)，該雙阱勢包括一個左阱160-0和一個右阱160-1，分別代表圖1A的相位量子位中的順時針102-1和逆時針102-1循環的超導電流。當施加一個約0.5φ0的通量偏置時可以形成一個雙阱勢150。
當雙阱160-0和160-1蛻化或者接近銳化時，意味著它們處于相同的能勢 或者接近相同的能勢，如在圖1B中所示，這時相位量子位100的量子狀態變成相位或者基本狀態的一個相干疊加，并且該裝置可以作為一種相位量子位進行運算。處于或者接近銳化的點在此稱為相位量子位100的計算運行點。在相位量子位100的計算運行的過程中，可以使用可控制的量子效應根據量子計算的規則處理用該相位狀態存儲的信息。因為在該相位量子位所存儲和處理的量子信息是以相位位基礎，它對以電荷為基礎的噪音不敏感。Il`ichev等(Illichev)使用了一種耦連到高質量儲能電路(tankcircuit)的三Josephson結通量量子位來進行Rabi振蕩的連續觀察。
標準的量子計算模型有多個問題，這使之成為一種科學技術的挑戰性壯舉。量子計算涉及相干地處理量子信息。這要求在量子位中有充分長的脫散時間，同時要免于噪音和誤差。脫散性使得時域門水平的標準模型量子計算很困難。因此希望駕御量子效應，譬如不相干隧道效應，以此求解有用的問題，從而克服標準模型量子計算的挑戰。

發明內容
(i)本方法、物品和系統的一個方面提供了一種包括一種模擬(量子)處理器的計算系統。該量子處理器包括形成一個點陣的多個節點的多個量子裝置，這些量子裝置具有第一和第二基礎狀態并且包括由Josephson結間斷的超導材料的回路。該量子處理器進一步包括多個耦連裝置，該耦連裝置以一個最近鄰居和/或次最近鄰居的方式把這些量子裝置耦連在一起。
(ii)本方法、物品和系統的另一個方面提供了使用一個量子處理器定義一個計算問題的結果的一種方法，該量子處理器包括多個量子裝置和多個把該量子裝置耦連在一起的耦連裝置。該方法包括通過設定該多個量子裝置中的每個量子裝置的一個狀態和設定該多個耦連裝置中的每個耦連裝置的耦連強度使該量子處理器初始化到一種初始狀態，使得該量子處理器能夠演算出逼近該計算問題的一個自然的基態的一個最終狀態；并且從該多個量子裝置中的一個或者多個量子裝置中讀出一個最終狀態從而定義該計算問題的結果。
(iii)本方法、物品和系統的又一個方面提供了包括一個中央處理器單元和耦連到該中央處理器單元的一個存儲器的一種計算機系統，用于定義一個計算問題的結果。該存儲器包括一個用戶接口模件，其中包括用于定義該計算問題的指令、一個映射器模件，其中包括用于產生該計算問題的一種映射的指令、和一個模擬處理器接口模件。該模擬處理器接口模件包括將該映射傳輸到一個模擬處理器的指令和用于響應該映射從該模擬處理器接收一個結果的指令。該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置并且該映射包括該多個量子裝置中的每個量子裝置的初始化值以及該多個耦連裝置中的每個耦連裝置的初始化值。該耦連裝置把該量子裝置耦連到它們最近鄰居的和/或其次最近鄰居的裝置。
(iv)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種用于同一個數字計算機結合使用的計算機程序產品。該計算機程序產品包括一種計算機可讀存儲媒介和一個在其中植入的計算機程序機理，且該計算機程序機理包括一個用戶接口模件，其中包括用于限定一個計算問題的指令、一個映射器模件，其中包括用于產生該計算問題的一個映射的指令，和一個模擬處理器接口模件，其中包括將該映射傳輸到一個模擬處理器的指令以及響應于該映射用于從該模擬處理器接收一個結果的指令。該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，并且該映射包括該多個量子裝置中的每個量子裝置的初始化值以及該多個耦連裝置中的每個耦連裝置的初始化值，并且該耦連裝置把該量子裝置耦連到它們最近鄰居和/或其次最近鄰居。
(v)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種量子處理器。該量子處理器包括多個安排成一個點陣的量子裝置、第一多個耦連裝置和第二多個耦連裝置。在該第一耦連裝置中的一個耦連裝置將在該點陣中最鄰近的一個第一量子裝置與一個第二量子裝置耦連，而在該第二多個耦連裝置中的一個耦連裝置將在該點陣中次最鄰近的一個第三量子裝置與一個第四量子裝置耦連。
(vi)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種包括多個量子裝置的量子處理器，還有第一多個耦連裝置、第二多個耦連裝置、耦連到至少一個量子裝置的一個讀出裝置，和耦連到至少一個量子裝置的一個本地偏置裝置。該多個量子裝置和該第一多個耦連裝置形成一個平面矩形陣列，該平面矩陣具有一個對角線，而該第一多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置以一個耦連強度把一個第一量子裝置與第二量子裝置耦連，該耦連強度具有具有一個最小的負耦連強度與一個最大的正耦連強度之間范圍內的值。在該第二多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置以具有在一個最小的負耦連強度和一個零耦連強度之間范圍內的一種值的耦連強度把沿該陣列的對角線安排的一個第三量子裝置與一個第四量子裝置耦連。
(vii)本方法、物品和系統的又一個方面提供了包括一種量子處理器的一種計算系統。該量子處理器包括形成一個點陣的多個節點的多個量子位裝置，和多個耦連裝置。在該多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置把一個第一量子位裝置耦連到一個第二量子位裝置，該第一量子位裝置和該第二量子位裝置是處于一種最近鄰居或是在一種次最近鄰居的配置中。
(viii)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種量子處理器，其中包括安排成一種點陣的多個量子位裝置、一種第一多個耦連裝置和一種第二多個耦連裝置。在該第一多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置把一個第一量子位裝置與一個第二量子位裝置耦連，該第一量子位裝置和第二量子位裝置被配置為該點陣中的最近鄰居，并且在該第二多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置把一個第三量子位裝置與一個第四量子位裝置耦連，該第三量子位裝置和第四量子位裝置被配置為該點陣中的次最近鄰居。
(ix)本方法、物品和系統的又一個方面提供了使用一個量子處理器定義一個計算問題的結果的一種方法。該量子處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，每個耦連裝置耦連一對量子裝置。該方法包括通過設定每個量子裝置的一個狀態和設定每個耦連裝置的一個耦連強度使該量子處理器被初始化到一種初始狀態，允許該量子處理器能夠演算到逼近該計算問題的一個自然的基態的一種最終狀態，讀出至少一個量子裝置的一個最終狀態從而定義該計算問題的結果，產生一種載波，其中體現了包括該計算問題的結果的一個數據信號。
(x)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種計算機系統，其中包括用于輸入一個要求解的P、NP、NP-難題和NP-完全問題的計算問題的裝置、用于將該計算問題映射到一個量子處理器上，其中包括量子位裝置和用于耦連最近相鄰和次最近相鄰的量子位裝置的耦連裝置、使用該量子處理器得到該計算問題的解的裝置、用于輸出該計算問題的解的裝置，以及用于將該解作為體現在一個載波中的一個數據信號進行傳輸的裝置。
(xi)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種體現在一個載波上的數字信號，其中包括在多個節點中的每個節點的對應值。該多個節點是在一個量子處理器中的一個節點點陣中的至少兩個節點。該節點點陣中的每個節點是一個量子裝置。在多個節點中的至少一個節點的值個別地或者集體地代表對一個已經通過借助代表該計算問題的一個圖形已經映射在在該點陣的至少一個部分上以后的一個時間通過演算該量子處理器已經解出的一個計算問題的解。。
(xii)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種體現在一個載波上的數字信號，其中包括對多個節點中每個節點的值進行評估而定義的一個計算問題的答案。該多個節點是一個量子處理器中的節點的一個點陣中的至少兩個節點，并且在該節點的點陣中每個節點都是一個量子裝置。在該多個節點中的至少一個節點的值是在代表該計算問題的一個圖形已經映射在在該點陣的至少一個部分上以后的一個時間運算該量子處理器后所定義的。
(xiii)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種體現在一個載波上的數字信號，其中包括要通過該量子處理器求解的一個計算問題的圖形，其中該量子處理器包括一個量子裝置的點陣。要求解的計算問題的圖形包括多個節點，并且對于該多個節點的每個相應的節點，包括相應節點的一個初始值和在該多個節點中的對應節點與另一個節點之間的一個對應的耦連常數。該要求解的計算問題的圖形被配置為可以把它映射到該量子處理器的該點陣上。
(xiv)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種體現在一個載波上的數字信號，其中包括要通過一個量子處理器求解的一個計算問題。該量子處理器包括一個量子裝置的點陣。要求解的該計算問題被轉換成一種圖形，該圖形包括多個節點，并且，對于該多個節點中的每個相應的節點，包括相應節點的一個初始值和在該多個節點中的相應的節點和另一個節點之間的一個對應的耦連常數。該要求解的計算問題的圖形被配置為可以把它映射到該量子處理器的該點陣上。
(xv)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種圖形用戶接口，該圖形用戶接口是用于對一個計算問題得到一個解并且包括一個第一顯示區和一個第二顯示區。該第一顯示區指示何時已經接收到包括多個節點中的每個節點的一個相應的值的一個體現在一個載波上的數字信號。該多個節點是在一個量子處理器中的一個節點的點陣中的至少兩個節點，并且在該節點點陣中的每個節點是一個量子裝置。在該多個節點中的至少一個節點的一個值個別地或者集體地代表通過在代表該計算問題的一個圖形已經被映射到該點陣的至少一個部分上以后的一個時間通過演算該量子處理器已經解出的該計算問題的解。
(xvi)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種圖形用戶接口，該圖形用戶接口用于對一個計算問題得到一個解并且包括一個第一顯示區和一個第二顯示區。該第一顯示區指示何時已經接收到體現在對該計算問題的答案的一個載波上的數字信號。對該計算問題的答案是通過評估多個節點中的至少一個節點的值來定義。該多個節點是在一個量子處理器中的一個節點的點陣中的至少兩個節點，并且在該節點的點陣中的每個節點是一個量子裝置。在代表該計算問題的一個圖形已經映射在在該點陣的至少一個部分上以后的一個時間通過演算該量子處理器以后確定該多個節點中的至少一個節點的值。該第二顯示區域顯示對該計算問題的解。
(xvii)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種圖形用戶接口，該圖形用戶接口是用于對一個計算問題得到一個解并且包括一個第一顯示區和一個第二顯示區。該第一顯示區指示何時已經產生了體現在包括要通過一個量子處理器求解的計算問題的一個載波上的數字信號。該量子處理器包括一個量子裝置的點陣。要求解的該計算問題包括多個節點并且，對于該多個節點中的每個相應的節點，包括用于相應節點的一個初始值和該多個節點中的相應節點與另一個節點之間的對應的一個耦連常數。該要求解的計算問題被配置為可以把它映射到該量子處理器的該點陣上。該第二顯示區域在已經接收到該計算問題后顯示對它的解。
(xviii)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種計算系統。該計算系統包括一個本地計算機、一個遠程計算機、和一個與該遠程計算機通信的遠程量子處理器。該量子處理器包括多個量子裝置，其中該多個量子裝置中的每個量子裝置都是一個點陣的節點，并且其中該多個量子裝置中的一個第一量子裝置具有一個第一基礎狀態和一個第二基礎狀態。該量子處理器進一步包括多個耦連裝置，在該多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置把該多個量子裝置中的第一量子裝置耦連到該多個量子裝置中的一個第二量子裝置，其中在該點陣中的該第一量子裝置和第二量子裝置的配置是選自由一個最近相鄰配置和一個次最近相鄰配置所構成的組。該本地計算機被配置為向該遠程計算機發送一個計算問題。該遠程計算機被配置為向該本地計算機發送對該計算問題的一個答案。
(xix)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種計算機系統，該計算機系統用于定義一個計算問題的一個結果。該計算機系統包括一個本地計算機、一個遠程計算機和一個模擬處理器。該本地計算機包括一個中央處理單元和一個耦連到該中央處理單元的存儲器。該本地計算機的存儲器存儲一個用戶接口模件，其中包括用于定義該計算問題的指令、一個映射器模件，其中包括用于產生該計算問題的一個映射的指令，和一個傳輸模件，其中包括向該遠程計算機發送該映射的指令。該遠程計算機包括一個中央處理單元和一個耦連到該中央處理單元的存儲器。該遠程計算機的存儲器存儲了一個接收模件，其中包括用于從該本地計算機接收該映射的指令，和一個模擬處理器接口模件，其中包括向該模擬處理器發送該映射的指令。該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置。該映射包括用于該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的初始化值和用于該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的初始化值。該多個耦連裝置中的一個耦連裝置把該多個量子裝置中的一個對應的相關量子裝置耦連到該相關量子裝置的一個最近鄰居和次最近鄰居中的至少一個上。
(xx)本方法、物品和系統的又一個方面提供了一種計算機系統，該計算機系統用于定義一個計算問題的一個結果。該計算機系統包括一個本地計算機、一個遠程計算機和一個模擬處理器。該本地計算機包括一個中央處理單元和一個耦連到該中央處理單元的存儲器。該本地計算機的存儲器包括用于限定該計算問題的指令、和一個傳輸模件，其中包括用于向該遠程計算機發送該計算問題的指令。該遠程計算機包括一個中央處理單元和一個耦連到該中央處理單元的存儲器。該遠程計算機的存儲器存儲了一個接收模件，其中包括從該本地計算機接收該計算問題的指令。一個映射器模件，其中包括用于產生該計算問題的一個映射的指令，和一個模擬處理器接口模件，其中包括用于向該模擬處理器發送該映射的指令。該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置。該映射包括用于該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的初始化值和用于該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的初始化值，其中該多個耦連裝置中的一個耦連裝置把該多個量子裝置中的一個對應的相關量子裝置耦連到該相關量子裝置的一個最近鄰居和次最近鄰居中的至少一個上。


圖1A和1B示出根據現有技術的一個通量量子位和一個對應的雙阱勢能曲線。
圖2A示出根據本方法、物品和系統的一個實施方式的點陣，具有節點之間的正交耦連。
圖2B示出根據本方法、物品和系統的一個實施方式的一個點陣，具有節點之間的正交和對角耦連。
圖2C示出根據本方法、物品和系統的另一個實施方式的點陣。
圖2D示出根據本方法、物品和系統的一個實施方式把圖2B的點陣旋轉了45°。
圖3A和3B示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用于將五個節點的一個平面圖映射到對應的基于點陣的模擬體。
圖4A和4B示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用于將六個節點的一個平面圖映射到具有次最近相鄰耦連的對應的基于點陣的模擬體。
圖5示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用于使多重耦連裝置和節點等效于一個單個耦連裝置。
圖6A和6B示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用以向對應的基于點陣的模擬體映射一個平面圖形。
圖7示出根據現有技術的第一組五個完全的圖形K1至K5。
圖8示出根據現有技術的一個K3，3兩部分的圖形。
圖9A和9B示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用以向具有次最近相鄰耦連的對應的基于點陣的模擬體映射一個非平面的圖形。
圖10A和10B示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用于向具有次最近相鄰耦連的對應的基于點陣的模擬體映射一個非平面圖形。
圖11示出一個根據本方法、物品和系統的一個實施方式進行運算的一個系統。
圖12A和12B示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用以向一個集成電路映射一個基于點陣的圖形。
圖13A和13B示出本方法、物品和系統的另一個實施方式，用以向一個集成電路映射一個基于點陣的圖形。
圖14A和14B示出本方法、物品和系統的另一個實施方式，用以向一個集成電路映射一個基于點陣的圖形。
圖15示出根據本方法、物品和系統的一個實施方式的一個相互耦連的四個量子裝置的集合的照片。
圖16示出根據本方法、物品和系統的一個實施方式的一個模擬處理器的一種布局。
圖17A和17B示出本方法、物品和系統的幾個實施方式，用于控制一種雙阱勢能。
圖18示出根據現有技術的一個穩恒電流量子位。
在這些附圖中，相同的標號表示相似的元件或者動作。附圖中的各個元件的尺寸和相對位置沒有必要按比例畫出。例如，各種元件的形狀和角度沒有按比例畫出，并且這些元件中的某一些被任意放大和排位以提高易讀性。另外，所畫出的這些元件的特定形狀并非旨在傳達任何有關特定元件的實際形狀的信息，而只是為了方便在圖中識別而選取。而且，盡管附圖可示出特定的布局，所屬領域技術人員的會理解在設計、布局和制造中可以有改變，從而所示布局絕不構成對本方法、物品和系統的布局的限制。
具體實施例方式
在以下說明中，敘述了某些特定的細節以對本發明的各種實施方式提供全面的理解。然而所屬領域技術人員會理解實施本發明可以沒有這些細節。在其他的情況下，與模擬處理器相關聯的充分公知的結構，譬如量子裝置、耦連裝置和包括微處理器和驅動電路的控制系統沒有詳細示出或者說明以避免不必要地含混本發明的實施方式的說明。除非上下文另有要求，在整個說明書和所附權利要求書中，“包括”一詞及其各種變位應解釋為一種開放的、蘊含性的含義，就是說是“包括，然而不限于”的意思。在本說明書通篇中提及的“一種實施方式”、“一個施方式”或者“一種替代方案”、“一個替代方案”指得是所敘述的一個特定的特征、結構或者特性包括在本發明的至少一個實施方式中。從而在本說明書通篇各處出現這樣的表述不是必須指同一個實施方式。進而，該特定特征、結構或者特性可以以任何適當的方式結合在一個或者多個實施方式中。本文中的小標題只是為了方便而不是解釋要求保護的發明的范疇和意義。
根據本方法、物品和系統說明了模擬處理器。在某些實施方式中，該模擬處理器包括多個以點陣安排的量子裝置和多個把該量子裝置耦連在一起的多個耦連裝置。在某些實施方式中，該耦連裝置把該多個量子裝置中的個別量子裝置耦連到其最近相鄰和/或其次最近相鄰的裝置。在某些實施方式中，該模擬處理器能夠逼近落入NP(非定義性多項式時間)問題類別的一些問題的解。
該NP類問題是那些可以用一個非定義性圖靈機按多項式時間進行驗證的問題。NP類別問題的范例包括，然而不限于伊辛自旋玻璃(Ising Spin Glass)(ISG)問題、最大獨立集合(MaximumIndependent Set)、最大團(Max Clique)、最大切割(Max Cut)、頂點覆蓋(Vertex Cover)、流動銷售人員(Traveling Salesperson)(TSP)問題、k-SAT、整數線性編程，和尋找一個不偏置的、非隧道效應自旋玻璃的基態。這些問題都可以表面在一個圖形上，再其中把它們投射為以頂點和與該頂點相關聯的邊緣構成。總體上說，這些頂點和邊緣中的每個都可以有不同的值或者權重，并且這使得該圖形在不同的頂點之間的關系方面有不同的特性。
可以用一個模擬處理器求解的一個計算問題是最大獨立集合問題。Garey和Johnston把相關的獨立集合問題定義如下范例圖形G＝(V，E)，正整數K≤|V|。
問題G是否包括一個或多個大小為K的獨立集合，即是否存在一個V的子集， 具備 以使V`中不會有兩個頂點由E中的一個邊緣連接在一起？其中應加以強調的是要表明該最大獨立集合與稱為團(Clique)的另一個問題的區別，這在以下說明。擴展該定義時，考慮具有一個頂點的集合和一個邊緣的集合以及小于或者等于該圖形的頂點的數目的一個正整數K的無方向性的邊緣加權的圖形。在下文中表達為一個計算問題的該獨立集合問題問到是否有一個大小為K的頂點的子集使得在該子集中沒有兩個頂點由該圖形的一個邊緣連接。該問題存在多個其他的變形并且包括基于該計算問題的優化問題。一種優化問題的實例是標別出產生的K的最大值的圖形的獨立集合。這被稱為最大獨立集合。
在數學上，解出了獨立集合就能夠解出被稱為團的又一個問題。該問題在一個圖形中查找該團。一個團是所有相互連接的頂點的集合。給定一個圖形和一個正整數K，在該團中所提出的問題為是否存在全部都相互連接的K個頂點(這些頂點還說成是相互是“鄰居”)。與獨立集合問題相似，該團問題可以轉換成一個優化問題。團的計算在經濟和密碼學中起作用。在圖形G1＝(V，E)上求解一個獨立集合等效于在G1’的補G2＝(V，(V×V)-E)上求解團，例如，對于由E中的邊緣所連接的所有頂點，去除該邊緣，在G2中插入使在G1中不連接的頂點連接起來的邊緣。Garey和Johnston把團定義成
范例圖形G＝(V，E)，正整數K≤|V|。
問題G是否包括一個或多個大小為K的團，即是否有一個V的子集， 具備 以使在V`中每兩個頂點都由在E中的一個邊緣連接在一起？在此，應加以強調的是要表明該團與上面闡述的獨立集合的區別。還可以表明團是如何與頂點覆蓋問題相關的。同樣，在NP-完全問題中的所有問題都可以在多項式時間內相互簡約，使得可以有效地求解一個NP完全問題的裝置同樣有可能用于求解其他的NP完全問題。
對于由一個頂點V的集合和連接各對頂點的邊緣E的一個集合所組成的一個圖形G＝(V，E)，G＝(V，E)的最大獨立集合M是V的最大子集，其中的任何一個均不會有由E中的一個邊緣連接。一個最大獨立集合MV可以通過把以下客體最小化來定義E(x1,...,xN)=-Σi∈Vxi+λΣ(i,j)∈Exixj,---(5)]]>在上式中，N是V中的頂點的數量，i標記各個頂點，(i，j)標記在E中的i與j定點之間一個邊緣，而x或是0或是1。如果節點i是在M中，該指示變量xi等于1，否則它等于0。公式(5)中的第一項支持大的集合M，而第二項可以看成是一種補償，它強化了在M中沒有由一個邊緣相互連接的頂點的限制。因數λ起一種拉格郎日乘項的作用并且加權該補償項。對于足夠大的λ，我們可以確信滿足該限制。在一些范例中，拉格郎日乘項λ等于2。
圖形G中的各個頂點可以由值為-l和+1的物理自旋si代表。然而，為了做到這一點，需要一種xi到自旋si的映射。在該圖形G中存在的頂點被定義為具有自旋+1而于最大獨立集合解M中所不存在的G中的節點被定義為具有自旋-1。該映射被定義如下si＝2xi-1(6)把公式(6)代入公式(5)得出以下的能量函數E(s1,...,sN)=-12|N|+λ4|E|-12Σi∈Vsi(1-λ2di)+λ4Σ(i,j)∈Esisj---(7),]]>其中N是在G中頂點的總數，E是在G中邊緣的總數，而di是連接到頂點i的邊緣的總數。該最大獨立集合問題的解可以通過最小化公式(7)得出。
NP類問題的另一個實例是伊辛自旋玻璃(ISG)模型，該模型定義為E(s1,...,sN)=-Σi=1Nhisi+Σi=1NΣj>iNJijsisj,---(8)]]>其中s1至sN是相應節點s的值，Jij代表在si和si節點之間的耦連的值，而hi代表在對應節點ni上的偏置。為了得出最大獨立集合問題的解，公式(8)被限制為如果在節點i與j之間存在一個邊緣則該耦連(Jij)就具有+λ/4的值，并且如果節點i與j之間不存在邊緣則該耦連(Jij)就具有0值，并且節點偏置hi具有+a的值，其中從公式(8)定義a應當是 由一個圖形所代表的一個NP類問題的一個實例是流動銷售人員(TSP)問題。在該TSP問題中，不同城市由頂點代表，而在這些城市之間的道路由邊緣代表。TSP的任何特例的解都是剛好路過所有的這些城市一次的最短路徑。
該TSP問題提供了現有技術水平的數字計算機的局限的一個很好的說明。在該TSP問題中，一名流動銷售人員必須訪問N個城市一次并且是僅一次，在旅行結束時返回起點。必須做出的確定是要采取的最佳路線。在此，“最佳”取決于給定的優先條件，但是簡單地說最佳可以是指旅行的總距離的最小化。更加現實地說，“最佳”可以指飛行時間和成本的某種組合的最小化。用物理術語說，所追尋的是一個復雜的系統的基態解或者“最小值”。就是說，該TSP問題尋求最低能量配置(或者說在該情況中，最低能量的行程)。可能的行程的數目取決于存在的城市的數目。對于N個城市，包括該銷售人員的大本營，有(N-1)！個造訪每個城市僅一次的可能的路徑對第一個城市N-1種選擇，下一個城市N-2種選擇，依此類推。對于N＝10個城市，這還不算太糟糕只有362,880種選擇。讓一臺數字計算機計算這些行程中每一個的成本并且確定哪個行程的成本最低也許不算過于費力。這種技術稱為“強制力”或者說是“窮盡搜尋法”。然而隨著自變量N的增長，該階乘函數增長得非常迅速。事實上階乘性增長要快于指數性增長。對于N＝20，N！≈2×1018。對于以100太拉拍的速率運算的大型并行數字計算機，計算這種大小的問題也要數小時。對于N＝40，N！≈8×1047，使用采取窮盡搜尋法法的現有數字計算機會則不可能解出這個問題。包括多個量子裝置和多個耦連裝置的一臺模擬處理器可以用于使上述問題最小化。
5.1映射本方法、物品和系統的某些實施方式中，一名用戶利用一個圖形說明(例如頂點的一個集合和邊緣的一個集合)來定義一個問題，例如一個NP類問題，并且然后一個接口計算機處理該輸入以定義對一個點陣的映射。在此，一個點陣是由一個量子裝置和耦連的集合組成并且可以是一種柵格。在本文中使用的情況下，一個點陣是量子裝置規則的周期性排列。在該映射的基礎上，模擬處理器被初始化、進行計算，并且讀出結果且返回該接口計算機。該接口計算機可以是一臺數字計算機。數字計算機的實例包括，但是不限于一臺超級計算機、通過一個計算機網絡連接的一個計算機群，和一臺桌面計算機。
定義為上述公式(8)的最小化的該ISG問題是可以在一個圖形上定義并且落入的NP問題類別的范例。例如，參見200年Lidar的論文，New Journal of Physics 6，p.167，該文通過引用全文結合在此。已經證明其他NP類問題可以在多項式步驟中被映射到該ISG問題。例如，參見2003年Wocjan等的“Treating the IndependentSet Problens by 2D Ising Interactions with Adiabatic；量子Computing，”arXiv.orgquant-ph/0302027(下文中稱為“Wocjan”)，該文通過引用全文結合在此。根據本方法、物品和系統，說明了一種具有量子特性的模擬處理器，該模擬處理器被設計為用于逼近ISG問題的解，并且通過延伸逼近其他NP類別問題的可映射的解。
該ISG問題被投射在一個含有頂點(也被稱為節點)的二維點陣上。多條線(也被稱為邊緣)連接這些節點。對于該問題的任何給定的情況都可以規定點陣中每個節點的初始狀態、每個節點的權重、和每個邊緣的權重。這些節點中的每個都具有一種信息狀態。對于大小為N×M的一個點陣上的任何給定的邊緣權重和節點權重的配置，其中N和M代表沿該點陣的側邊上節點的數量，該ISG問題涉及確定該節點系統的基態。在某些情況中，該問題中的任何邊緣都可能具有一個約為0的權重，意味著在相應節點之間沒有連接。邊緣權重可以設定到范圍從JCF至JCAF的值，其中幅度JCF是節點之間可能的鐵磁耦連的最大耦連值，而幅度JCAF是節點之間可能的反鐵磁耦連的最大耦連值。在替代方案中，JCF可以小于零，而JCAF大于零。在另一個替代方案中|JCF|大于|JCAF|。在又一個替代方案中|JCF|等于或者幾乎等于|JCAF|。例如，參閱題為“Coupling Schemes for InformationProcessing”的美國專利申請60/640,420號，和題為“CouplingMethods and Architectures for Information Processing”的美國專利申請11/247,857，它們每一個都通過引用全文結合在此。
圖2A示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用于一個四乘四矩形點陣200，具有節點N1至N16以及耦連J1-2至J15-16，總共24個耦連。耦連Ji-j把節點Ni連接到節點Nj。例如，耦連J3-4把節點N3與N4連接。這些節點可代表一個圖形問題的頂點，并且這些耦連可代表該圖形問題的邊緣。為了清楚并且為了強調編號慣例，在圖2A中只標出了點陣200中全部節點和耦連的一個子集。子集280是點陣200的包括五個節點和四個耦連的一個子集。在子集280中的中心節點具有四個最近相鄰耦連，這是在點陣200中的任何節點的最近相鄰耦連的最高數目。
在點陣200的周邊上的節點只有兩個或者三個最近的鄰居。點陣200具有的連接性為四，因為每個非周邊的節點具有四個最近相鄰耦連。在本方法、物品和系統中使用的某些點陣中，該點陣具有的連接性為三，意味著每一個非周邊的量子裝置具有三個最近相鄰耦連。
圖2B示出根據本方法、物品和系統的一個四乘四矩形點陣202的一種實施方式，具有量子裝置N1至N16，和總共42個耦連的耦連裝置J1-2至J15-16。點陣202中的每個量子裝置對應于點陣202中的一個節點N。為了清楚并且為了強調編號慣例，在圖2B中只標出了點陣202中的全部量子裝置和耦連裝置的一個子集。子集282是點陣202的一個子集，包括九個量子裝置和二十個耦連裝置。在子集282中的中心量子裝置具有四個最近相鄰耦連，譬如J14-15，和四個次最近相鄰耦連，譬如J1-6和J8-11，這是在點陣202中的任何量子裝置的最近相鄰耦連的最高數目。在點陣202的周邊上的量子裝置只有兩個或者三個最近鄰居，和一個或者兩個次最近鄰居，用于總共三個或者五個耦連。點陣202具有的連接性為八，因為非周邊的量子裝置被耦連到八個鄰居。
圖2C示出根據本方法、物品和系統的一個點陣的另一種實施方式。在圖2C中示出帶有連接性為四的兩個矩形點陣，一個黑色點陣204和另一個在白色的205。它們由對角邊緣譬如J2-17連接在一起，該邊緣把點陣205的節點N2連接到點陣204的節點N17。因此，在這樣一種結構中，在每個點陣204、205中的每個節點對角地連接到另一個點陣中的另一個節點上。換言之，該結構類似于具有兩個矩形點陣，一個在另一個之上，并且每個點陣中的每個節點連接到另一個點陣的對應的節點上，然后再對角地推移一個點陣。圖2D示出一個具有子集286的連接性為八的點陣206的另一種實施方式。除了被旋轉45°以外，它在結構上與圖2B所示的相同。在某些情況下，該點陣的取向可以轉動一個任意角而不喪失功能性。圖2C的點陣204、205可以無任何困難地映射到圖2D的點陣206上。
可以使用連接性不是4和8的點陣，譬如使用具有連接性2、3、5、6，或者7的點陣。連接性小于4的點陣可以通過不使用某些耦連而在一個連接性為四的點陣上進行模擬。例如通過不使用圖2A中的任何一個豎直耦連，點陣200變成一個連接性為二的點陣。類似地，連接性小于8的點陣可以通過不使用某些耦連在一個連接性為八的點陣上進行模擬。例如通過不使用圖2B中的有條紋的對角耦連，子點陣282變成一個連接性為六的點陣。在某些情況下，可以通過把相應的耦連裝置調整得使該耦連裝置的耦連強度為零或者接近零來實現不使用某些耦連。
在點陣200和202中的每個量子裝置具有一個二進制值和一個本地有效的偏置，該偏置落在約100×JCF與約+100×JCAF之間。此外，在點陣202中的每個耦連裝置具有一個從JCF至JCAF的范圍的值。JCF和JCAF的絕對值可以在約30毫凱爾文(mK)與約10凱爾文(K)之間，或者，可替代地，JCF和JCAF的絕對值可以在約100mK與約1.5K之間。盡管J的真正的單位是能量，這種單位可以根據公式E＝kBT轉換成例如以凱爾文為單位的溫度的一種等效的測度，其中kB是波爾茲曼常數。可以對點陣200和202中的每個量子裝置同時施加該本地有效的偏置，使得同時偏置一個以上的量子裝置。
圖3A和3B示出本方法、物品和系統的一個實施方式，用于在具有五個節點N1-N5和四個耦連(J1-3、J2-3、J3-4、J3-5)的一個任意的平面圖形300(圖3A)與一個基于點陣的連接性為四的布局301(圖3B)之間的轉換。圖3A的節點對應于具有相同標號的圖3B的量子裝置。圖3B示出一個九量子裝置的實施方式，其中五個量子裝置，即N1至N5，是激活的，而四個量子裝置是不激活的。圖3B中由虛線定義的量子裝置是不激活的量子裝置，其中的一個用N′表示，它們與系統的其余量子裝置隔離。一個不激活的量子裝置是通過把不激活的量子裝置耦連到相鄰量子裝置的耦連的耦連值設為零，從而與激活的量子裝置隔離開。應當指出，為了清楚并且為了保留幾何狀態，從圖3B的左上方起向圖3B的右下方移動，圖3A的標號保留在圖3B中。總體上，從一個任意的平面圖形向一個連接性為四的點陣的映射是公知和有效的。例如參見Wocjan。
圖4A和4B示出本方法、物品和系統的一個方面，用于在一個具有六個節點N1-N6和五個耦連(J1-4、J2-4、J3-4、J4-5、J4-6)的平面圖形400(圖4A)向具有最近相鄰耦連(J2-4、J4-5、J3-4)以及次最近相鄰耦連(J1-4、J4-6)的一個點陣402(圖4B)的轉換。圖4A的節點對應于圖4B的具有相同的標號的量子裝置。一個利用最近相鄰耦連以及次最近相鄰耦連的點陣是一個基于點陣的連接性為八的布局。圖4B示出一個六量子裝置實施方式，其中所有六個量子裝置，即N1至N6，都是激活的。為了把圖4A(連接性為五)中所示的同一圖形嵌入一個只具有最近相鄰耦連的連接性為四的點陣之中將需要在一個九量子裝置的點陣中有七個激活的量子裝置。顯然，具有次最近相鄰耦連以及最近相鄰耦連導致更加有效和簡單的映射。
與一個給定的量子裝置在同一圖形中的每個量子裝置都可以被認為是該給定量子裝置的一個相鄰量子裝置。可替代地，最近的相鄰量子裝置可以被定義為與該所說量子裝置在同一圖形中并與該所說的量子裝置共享一個邊緣的任何量子裝置。在另一個替代方案中，次最近相鄰量子裝置可以被定義為與該所說的量子裝置在同一圖形中并且通過兩個正交的邊緣和另一個量子裝置連接到該所說量子裝置的任何量子裝置。在又一個替代方案中，次最近相鄰量子裝置可以被定義為作為按照曼哈頓距離離開兩個步階的任何量子裝置。一個曼哈頓距離1是一個正交二維圖形的兩個節點之間由一個單個邊緣分離開的距離。例如圖形402的N5和N6在按照曼哈頓距離測量時相互離開一個步階。在另一個實例中，N4和N5相互離開兩個步階，第一步階是從N5至N6而第二步階是從N6至N4。在圖形402中，該最近相鄰耦連被畫成豎直和水平線，例如，耦連J3-4，而次最近相鄰耦連以四十五角畫出，例如，耦連J1-4。這種將最近相鄰耦連賦予為豎直和水平而將次最近相鄰耦連賦予為對角的是任意的。該次最近相鄰耦連可以畫成豎直和水平的邊緣而最近相鄰耦連畫成對角邊緣。例如，在這種情況下圖形402的N1和N4按照曼哈頓距離會是離開一個步階，而節點N1和N3按照曼哈頓距離會是離開兩個步階。相應的一對次最近相鄰耦連可以是交叉，例如，圖形402的耦連J1-4，和J2-3，而最近相鄰耦連不交叉。刻替換地，每個次最近相鄰耦連可以與另一個次最近相鄰耦連交叉。在另一個替換方案中，相應的一對最近相鄰耦連可以是交叉的而次最近相鄰耦連卻不交叉。
兩個量子裝置之間的單個耦連可以被映射到三個或者更多個量子裝置之間的一個或者多個耦連。在不可能把這些量子裝置彼此相鄰地布置的情況下，這樣一種映射在一個基于點陣的布局中是有用的。圖5示出包括在節點Ni與Nj之間的一種簡單的耦連Ji-j的一個第一圖形500。圖形502示出通過耦連中間節點N1至Nn耦連末端節點Ni和Nj的一系列耦連Ji-1至Jn-j。節點N1至Nn稱為便捷器節點，并且是在這些末端節點不能夠在一個點陣中布置在相鄰的位置中時用于方便末端節點Ni和Nj之間的耦連。耦連Ji-1至Jn-j之一可能看來是符號耦連。在任意的平面圖形500中，該符號取與耦連Ji-j相同的符號，而其余的耦連被固定于一個鐵磁的耦連狀態。例如，考慮其中在圖形500中耦連Ji-j的符號是正的或者反鐵磁的，并且圖形502中的耦連Ji-1已經被認為是該符號耦連的情況。于是，如果圖形502要代表圖形500中的耦連Ji-j就把耦連Ji-1設為正的或者反鐵磁的，而圖形502中在節點Ni與Nj之間的其余耦連設定為負的或者是鐵磁性的。同樣，考慮在圖形500中耦連Ji-j的符號是負的或者鐵磁的并且圖形502中的耦連Ji-1仍被認為是該符號耦連的情況。在此情況下，把圖形502中的Ji-1的符號被設為負的或者鐵磁的，而其余耦連也設定為負的或者是鐵磁性的。因此，Ji-1是符號耦連，而J1-1至Jn-j被設為負的或者鐵磁的。為了便于相互作用，節點N1至Nn被設定為具有零作用的本地場偏置，從而使它們變成被動節點并且無干擾地在節點Ni與Nj之間傳輸信息。在所考慮的這兩個范例中，使圖形502中的耦連之一與500中的耦連Ji-j相同，而圖形502中所有其余的耦連被設定為負的或者鐵磁的。
當使圖形502中的耦連之一與500中的耦連Ji-j相同，而圖形502中所有其余的耦連設定為負的或者鐵磁的時，可以通過使用fi-SQUIDs或者dc-SQUIDs(這兩者都在下文說明)達到耦連。可替代地，圖形502中的耦連可以全部是直接的電流連接使得節點Ni電氣連接到節點Nj，在此情況下所有個別的耦連都是鐵磁的，并且因此總耦連Ji-j是鐵磁的，并且節點Ni和Nj具有相同的量子狀態。在另一個替代方案中，圖形502中的耦連可以包括一個電流耦連、rf-SQUID耦連、和dc-SQUID耦連的混合體，在此情況下使fi-SQUID或者dc-SQUID耦連之一等同于500中的耦連Ji-j，而在圖形502中的所有其余耦連是負的或者鐵磁的。
圖6A和6B示出了另一個方面，用以在包括五個節點N1-N5和五個耦連(J1-3、J2-3、J3-4、J4-5)的一個平面圖形600(圖6A)與一個基于點陣的連接性為四的布局602(圖6B)之間轉換的一個實例。圖6A的節點對應于圖6B的具有相同標號的量子裝置。圖6A示出節點N4與N5之間的耦連J4-5。圖6B示出對于一個基于點陣的連接性為四的布局的一種映射的實施方式，并且還示出把一個第六量子裝置N6，作為一個便捷器節點(量子裝置)以實現量子裝置N4與N5之間的之間的耦連J4-5。在圖6B中，N4通過有效耦連J4-5連接到N5。有效耦連J4-5包括量子裝置N6和耦連J4-6以及J5-6。
當圖形600中的耦連J4-5是反鐵磁的時，對點陣602中的耦連J4-6可以賦予一個有正號的幅值，在此該正符號表示反鐵磁的耦連。然后，將向耦連J5-6賦予一個有負值的適當的幅值，在此該負值指示鐵磁的耦連。這將使在N6處的自旋跟隨在N5處的自旋。換言之，把在N5處的自旋復制到N6。可替代地，點陣602的耦連J5-6可以被選擇為符號耦連，從而獲取與圖形600中的耦連J4-5相同的符號(在此例中正號指示反鐵磁的耦連)，并且于是可以把J4-6固定成一種鐵磁的耦連。這將使在N6處的自旋跟隨在N4處的自旋。換言之，把在N4處的自旋被復制到N6。在這兩個實例中，量子裝置N6都是一種便捷器量子裝置并且都施加一個零效的本地偏置場，從而使在N6處的自旋狀態可以跟蹤它與之鐵磁耦連的量子裝置的自旋狀態。
本方法、物品和系統通過在基于柵格的布局中利用最近相鄰和次最近相鄰耦連頂點提供把非平面的圖形嵌入進一個二維基于柵格的的布局中。如所屬技術領域內所公知，一個具有用Kn表示的n個頂點的完全圖形，是一種具有n個頂點的圖形，其中通過每對頂點之間的一個邊緣使每個頂點均與其他定點中的每一個相連接。前五個完全的圖形，即K1至K5，示于圖7中。如在本文中所定義，一個非平面圖形是一種包括該作為子圖形的完全圖形K5或者兩部分圖形K33的圖形。如果其頂點可以分成兩個脫節的子集U和V使得每個邊緣把U中的一個頂點連接到V中的一個頂點，一個圖形就是二部分的。如果在U中的每個頂點均連接到V中的每個頂點，一個兩部分頂點就是一個完全的兩部分圖形。如果U有n個元而V有m個元，就把得出的完全兩部分圖形用Kn，m表示。圖8示出一個K3，3兩部分圖形。任何非平面圖形都是K5或者K3，3之一的擴展。通過添加邊緣和節點擴展圖形。平面陣列可以是矩形的。舉例應用包括求解在嵌入一個具有最近相鄰和次最近相鄰耦連的一個平面陣列中的非平面圖形上定義的一個問題的范例。
圖9A和9B示出根據本發明的系統、裝置和方法在具有五個節點N1-N5和十個耦連的一個非平面圖形901與具有最近相鄰以及次最近相鄰接連的偶(在圖9A和9B中只示出下面專門述及的耦連)的一個基于點陣的布局951(圖9B)之間的轉換。圖9B中的次最近相鄰耦連是在圖9B中呈45度角的那些耦連，例如耦連970。點陣951包括十六個量子裝置，其中的十二個(N1-N12)是激活，即連接到至少一個其他的量子裝置。在圖9A所示的特定圖形稱為K5圖形。它是在五個節點上完全連接的圖形，意味著圖形中的每個節點都連接到該圖形中的每個其他的節點。K5是最小的非平面圖形。任何包括K5作為一個子圖形的圖形也將是非平面的。圖9A中示出的K5圖形901可以嵌入進一個點陣中，譬如嵌入進圖9B中所示的矩形點陣951中。類似地，任何具有K5作為子圖形的圖形都可以嵌入進一個點陣中，像點陣951。圖9B中的不激活的節點，即N′，用虛線示出，并且從該系統的其余部分隔離開。實踐中，通過把相鄰的耦連，例如，耦連971，的耦連值設為零或者更一般地設為一個可忽略的值，一個不激活的量子裝置即與激活的量子裝置隔離開。
便捷器量子裝置被用于進行從一個平面圖形向一個二維點陣布局的轉換。從非平面圖形901向二維點陣951的轉換是量子裝置、反鐵磁的耦連加上使用便捷器量子裝置，和鐵磁的耦連的一種同構。圖形901中的節點N1-N5對應于點陣951中的量子裝置N1-N5。節點之間的符號耦連部分地對應于圖形901中的邊緣。圖形901中的邊緣由點陣951中的有符號的耦連和鐵磁的耦連來代表。符號耦連由點陣951中的一對量子裝置之間的粗體實線表示，例如耦連973。鐵磁的耦連，例如耦連972，由點陣951中的粗體虛線代表。在點陣951中的每個鐵磁耦連穿過一個便捷器量子裝置。點陣951中的便捷器量子裝置包括量子裝置N6至N12，并且因為它們被闡述成有格的，所以可以在點陣951辨別出。每個便捷器量子裝置的本地場偏置可以設為零。便捷器量子裝置與該鐵磁耦連配合以傳播一種符號耦連。例如，便捷器量子裝置N12與鐵磁的耦連980一起傳播符號耦連973。
在一個二維點陣布局(例如，布局951)中的每個符號耦連既可以是一個鐵磁的也可以是一個反鐵磁的耦連。可替代地，一個二維點陣布局中的每個符號耦連都可以是一種反鐵磁的耦連。
圖10A，10B示出根據本方法、物品和系統的一個實例，其中一個具有六個節點N1-N6的非平面的K3，3圖形1001(圖10A) 嵌入在一個基于點陣的布局1051(圖10B)中，該基于點陣的布局具有最近相鄰耦連以及次最近相鄰耦連。點陣1051是一種嵌入在一個三乘四陣列中的K3，3圖形。圖形1001中的節點N1至N6對應于點陣1051的量子裝置N1至N6。點陣1051中的耦連(N1、N2)、(N1、N4)、(N3、N2)、(N3、N4)、(N3、N6)、(N5、N4)，和(N5，N6)是對應于圖形1001的邊緣的反鐵磁的耦連，并且由粗黑體線標記。例如，點陣1051中的反鐵磁耦連1070將點陣1051中的N1和N2與對應于圖形1001中的邊緣1020耦連在一起。
通過由一種方格圖案(分別為N7、和N8、N10、N9和N11)表示的便捷器節點，耦連(N1、N6)和(N5、N2)各自通過由一個用粗黑體線(分別是(N1、N8)和(N5、N7))表示的反鐵磁的耦連和一組由粗虛線(分別是(N7、N2)和(N8、N10)、(N10、N9)、(N9、N11)和(N11、N6))表示鐵磁耦連進行傳播。便捷器量子裝置，例如，N7、N8、N9、N10和N11，是具有零本地場偏置的量子裝置，它們與鐵磁的耦連配合傳播一種反鐵磁的耦連。對于點陣1051，使用十一個量子裝置以嵌入圖形1001，然而，如果用對角的耦連(N8、N9)和(N9、N6)繞過量子裝置N9和N11，就可以使用少至九個量子裝置嵌入圖形1001。不激活的量子裝置N′用虛線輪廓表示。
至于圖7中所示的K5圖形，任何具K3，3作為一個子圖形的非平面圖形都可以被嵌入如1051的一個點陣之中，
圖11示出一個系統1100，該系統根據本方法、物品和系統的一個實施方式運行。系統1100包括一個數字計算機1102，該數字計算機包括●至少一個CPU1110；●一個由控制器1125控制的主非易失存儲單元1120；●一個系統存儲器1126，優選的是高速隨機存取存儲器(RAM)，用于存儲系統控制程序，譬如操作系統1130，從非易失存儲單元1120載入的數據和應用程序；系統存儲器1126還可以包括只讀存儲器(ROM)；●一個用戶接口1114，包括一個或者多個輸入裝置(例如，鍵盤1118、鼠標1116)和顯示器1112，以及其他供選用的外圍裝置；●一個網絡接口卡(NIC)1124或者其他的通信電路；和●一個內部總線1106用于互連系統1100的上述元件。
系統1100進一步包括一個模擬處理器1150。模擬處理器1150包括多個量子裝置節點1172和多個耦連裝置1174。盡管在圖11中沒有示出，量子裝置節點1172和耦連裝置1174可以安排在一個基于點陣的連接性為四布局中，例如，相在圖2A、3B、6B、12A、12B、13A和13B中所示。可替代地，量子裝置節點1172和耦連裝置1174可以安排在一個基于點陣的連接性為八布局中，例如，如在圖2B、4B、9B、10B和14B中所示。如此，節點1172和耦連裝置1174在所有方面等效于圖示和相對于這些

的任何節點或者耦連裝置。
模擬處理器1150進一步包括一個讀出裝置1160。讀出裝置1160可以包括多個dc-SQUID磁強計，其中每個dc-SQUID磁強計都感應性地連接到一個不同的量子裝置節點1172，并且按照由每個dc-SQUID磁強計在讀出裝置1160中的測量，NIC 1124從讀出裝置1160接收一個電壓或者電流。
模擬處理器1150進一步包括一個耦連裝置控制系統1164，該耦連裝置控制系統包括用于每個耦連裝置1174的一個耦連控制器。耦連裝置控制系統1164中的每個相應的耦連控制器能夠在JCF至JCAF的范圍內調整一個對應的耦連裝置1174的耦連強度，其中幅值JCF是節點之間的鐵磁耦連的可能的最大耦連值，而量JCAF是節點之間反鐵磁耦連的可能的最大耦連值。模擬處理器1150進一步包括一種量子裝置控制系統1162，該量子裝置控制系統包括用于每個量子裝置節點1172的一個控制器。
數個模件和數據結構可以由系統1100儲存和處理。典型地，這樣的數據結構的全部或者部分存儲在存儲器1126中并且為了方便表現本方法、物品和系統的各種特征和優點，此類數據結構和程序模件畫成存儲器1126的部件。然而應當理解在任何給定的時間，在系統存儲器1126中所示的該程序和數據結構可以存儲在非易失的存儲單元1120中。此外，這樣的數據結果和程序模件的全部或部分可以存儲在圖11中沒有示出的一臺遠程計算機上，只要該遠程計算機可以通過數字計算機1102尋址。可尋址指得是在該遠程計算機和數字計算機1102之間有某種通信手段，從而可以通過一種數據網絡(例如，互連網、一個串行連接、一個并行連接。以太網等等)使用一種通信協議(例如，FTP，telnet，SSH，IP，等等)在這兩個計算機之間交換數據。把這點考慮在內，下面說明這樣的數據結構和程序模件。
計算機1102可以是一種用于處理各種系統，譬如文件服務，和用于進行基于硬件的任務的操作系統1130。所屬技術領域中已知多個可以作用操作系統1130的操作系統，包括，但是不限于，UNIX、Windows NT、Windows XP、DOS、LINUX和VMX。可替代地，可以沒有操作系統，而指令可以按一種順序鏈的方式來執行。
用戶接口模件1132用于幫助一個用戶定義和執行要在模擬處理器1150上求解的問題。特別地，用戶接口模件1132允許一個用戶通過設定節點之間的耦連Jij的值和這樣的節點的本地偏置hi，并調節運行時間控制參數譬如退火方案來定義一個要解決的問題。用戶接口1132還提供用于調度一個計算以及獲得該問題的解的指令。特別地，把該計算的解作為來自模擬處理器1150的輸出來收集。用戶模件1132可以包括也可以不包括一個圖形的用戶接口(GUI)。在不包括一個GUI時，用戶接口模件1132接收定義了要求解的問題的一個指令系列。該指令系列可以是由用戶接口接口模件1132進行分解的一種宏語言的形式。這些指令可以是XML指令并且該用戶接口模件1132可以是一種XML解釋程序。
映射器模件1136把用戶接口模件1132定義的要求解的計算問題映射成可以通過模擬處理器1150求解的對應問題的說明。映射器模件1136可以把問題從一個輸入圖形的表述映成模擬處理器1150的特定配置所要求的所希望的圖形表述。映射器模件1136可以包括把在非連接性為八的圖形表述所定義的一個問題映射成在一個連接性為八的圖形表述中定義的一個等效的問題。映射器模件1136可以把某些NP問題(例如，最大獨立集合、最大團、最大切割、TSP問題、k-SAT整數線性編程，等等) 映射成ISG模型中的等效代表。
一旦求解一個所希望的問題所需要的一個希望的圖形表述已經由一個映射器模件1136進行映射之后，模擬處理器接口模件1138即被用于建立模擬處理器1150的相應耦連裝置1174和量子裝置節點1172的耦連值和本地偏置值。模擬處理器接口模件1138的功能可以劃分成三個離散的程序模件一個初始化模件1140、一個演算模件1142、和一個輸出模件1144。
初始化模件1140決定耦連裝置1174的適當的耦連值Jij和模擬處理器1150的量子裝置節點1172的本地偏置的值hi。初始化模件1140可以包括把問題定義的各方面轉換成物理值的指令，譬如耦連強度值和節點偏置值，該指令可以編程進模擬處理器1150中。然后初始化模件1140沿內部總線1106把該適當的信號發送進NIC1124中。NIC 1124再向量子裝置控制系統1162和耦連裝置控制系統1164發送這樣的指令。
對于任何給定的問題，在演算過程中的每個時間點，演算模件1142確定用于模擬處理器1150的耦連裝置1174的耦連Jij和量子裝置節點1172的本地偏置hi的適當值，以完成某些預定的演算方案。一旦演算模件1142對一個演算方案已經確定了的適當的耦連裝置值和本地偏置值，這樣的信號就沿總線1106發送并且進入NIC1124。NIC 1124再向量子裝置控制系統1162和耦連裝置控制系統1164發送這樣的命令。
模擬處理器1150的演算可以是一種絕熱的演算或者是一種退火的演算。絕熱演算是在絕熱量子計算中使用的演算，并且演算模件1142可以包括根據在絕熱量子計算中使用的演算來推算處理器1150的狀態的指令。例如，參見美國專利公開號2005-0256007、2005-0250651和2005-0224784，每個都是題為“Adiabatic QuantumComputation with Superconducting Qubits，”它們的每一個都通過引用全文結合在此。退火是另一種可以用于某些模擬處理器1150的演算形式，并且演算模件1142可以包括根據退火演算來推算模擬處理器1150的狀態的指令。
模擬處理器1150是基于由初始化模件1140和演算模件1142所提供的信號來求解一個量子問題。一旦該問題已經求解，就可以通過讀出裝置1160從狀態量子裝置節點1172測量對該問題的解。輸出模件1144與量子處理器1150的讀出裝置1160結合工作以讀取該解。
系統存儲器1126還可以包括用于向模擬處理器1150輸出信號的一個驅動器模件1146。NIC 1124可以包括與模擬處理器1150的量子裝置節點1172和耦連裝置1174進行接口所要求的適當的硬件，不論這是直接地還是通過讀出裝置1160、量子裝置控制系統1162，和/或耦連裝置控制系統1164。可替代地，NIC 1124可以包括從驅動器模件1146把命令轉變成直接施加于量子裝置節點1172和耦連裝置1174的信號(例如，電壓、電流)的軟件和/或硬件。在另一個替代方案中，NIC 1124可以包括隊來自量子裝置節點1172和耦連裝置1174轉換信號(代表一個問題的解或者某些其他形式的反饋)進行轉換以使之可以由輸出模件1144解讀的軟件和/或硬件。因此，在某些情況下，初始化模件1140、演算模件1142和/或輸出模件1144與驅動模件1146通信而不是直接與NIC 1124通信，以便發送信號和從模擬處理器1150接收信號。
NIC 1124的功能可以劃分成兩個功能類別數據采集和控制。可以使用不同類型的芯片處理每個這些離散的功能類別。數據采集用于在模擬處理器1150完成了一個計算以后測量該量子裝置節點1172的物理特性。可以使用任何數量的用戶定制的或者市售數據采集微控制器，包括，但是不限于由Elan Digital Systems(Fareham，UK)公司制造的數據采集卡，包括AD 132、AD 136、MF 232、MF 236、AD 142、AD 218和CF 241卡。可替代地，數據采集和控制可以由單個類型的微處理器來處理，譬如由Elan D403C或者D480C處理。可以有多個NIC 1124以提供對量子裝置節點1172和耦連裝置1174的充分的控制，并且為了測量在模擬處理器1150上的量子計算的結果。
數字計算機1102還可以包括用于向其他系統傳輸由模擬處理器1150處理的一個計算問題的解的裝置。實現這些裝置的器件包括，但是不限于一個電話調制解調器、一個無線電調制解調器、一個局域網連接或者一個廣域網連接。數字計算機1102可以產生體現一個數字信號的載波，其中該數字信號對由模擬處理器1150所處理的該計算問題的答案進行編碼。
模擬處理器1150可以是一臺超導量子計算機，其實例包括量子位寄存器、讀出裝置，和輔助裝置。超導量子計算機一般地在毫凱爾文的溫度下工作，并且通常在一種稀釋冰箱中工作。稀釋冰箱的一個實例是Leiden Cryogenics公司的MNK 126系列的一個型號(荷蘭，Galgewater No.21，2311 VZ Leiden)。模擬處理器1150的部分部件或者全部部件可以裝入該稀釋冰箱之內。例如，量子裝置控制系統1162和耦連裝置控制系統1164可以裝在該稀釋冰箱之外，而模擬處理器1150的其余部件安裝在該稀釋冰箱之內。
用戶接口模件1132、模擬處理器接口模件1138，和驅動器模件1146，或者其任何組合，可以用現有的軟件包來實施。適用的軟件包包括但是不限于MATLAB(麻省MathWorks，Natick，Massachusetts)和LabVIEW(德州National Instruments，Austin).
本方法、物品和系統可以實施成一種計算機程序產品，該計算機程序產品包括嵌入在一個計算機可讀的存儲媒體中的計算機程序機理。例如該計算機程序產品可以含有圖11中所示的程序模件。這些模件可以存儲在一個CD-ROM、DVD、磁盤存儲產品，或者任何其他的計算機可讀的數據和程序存儲產品上。該計算機程序產品中的這些軟件模件還經互連網或者其他方式，通過傳輸體現在一種載波中的計算機數據信號(該軟件模件嵌入該信號中)進行電子分發。
5.2處理器和量子裝置根據本方法、物品和系統的一個實施方式，一種能夠逼近一個基態解的ISG問題的機器模擬可以由一種模擬處理器 (例如，圖11的模擬處理器1150)的形式來提供。這種模擬處理器包括一個硬件結構，該硬件結構包括一組量子裝置(例如，圖11的量子裝置節點1172)。每個此類量子裝置定義為至少兩個基礎狀態并且能夠以這些基態存儲二進制的信息。該模擬處理器進一步包括用于該量子裝置一種讀出裝置(例如，圖11的讀出裝置1160)，能夠檢測存儲在對應的量子裝置中的二進制信息。該模擬處理器進一步包括一組耦連裝置(例如，圖11的耦連裝置1174)，該耦連裝置把每個節點連接到其最近相鄰節點和/或其次最近相鄰節點(s)，如以上參照圖2A、2B、3A、3B、4A、4B、6A、6B、9A、9B、10A和10B所作的說明。該模擬處理器進一步包括用于每個耦連裝置的一個耦連控制器(例如，安裝在圖11的耦連裝置控制系統1164之內)。每個相應的耦連控制器能夠把一個對應的耦連裝置的耦連強度J整到值JCF至JCAF的范圍，其中JCF是該最大鐵磁耦連強度并且是負值而JCAF是最大反鐵磁耦連強度并且是正值。在兩個節點之間的一個給定耦連的一個零的J值意味著這兩個節點相互不耦連。
該模擬處理器進一步包括用于每個量子裝置(例如，安裝在圖11所示的量子裝置控制系統1162內)的節點控制器。每個此類節點控制器能夠控制施加于一個對應的量子裝置上的有效偏置。這樣的有效偏置從約-100×|J|變化到約+100×|J|，在此J是該對應節點的平均最大耦連值。
該量子處理器中的量子裝置可以具有不同的信息基態以方便讀出和初始化。該量子裝置可以利用量子特性，譬如基態之間的不相干的量子隧道效應、基態之間的相干的量子隧道效應，或者不同量子裝置的狀態之間的牽連，并且該量子裝置的量子特性可以加強該模擬處理器的計算能力。
該模擬處理器進行一種計算以逼近被映射系統的基態。該信息狀態橫跨一個能量形態(energy landscape)，它取決于該問題的范例所規定的條件。在該能量形態中，基態能量是最低的能量點，稱為全局最小值。該能量形態含有本地最小值，該本地最小值可以捕捉該系統的狀態(包括在該點陣內部的所有量子裝置和耦連)并且防止它移向較低的能量最小值。引入量子特性使得該模擬處理器的狀態能夠通過隧道效應脫離這種本地最小值，從而該狀態可以較容易地移動到較低的能量最小值，或者說可以比沒有量子隧道效應以較大的概率移動到較低的通量最小。這樣一種模擬處理器能夠以比一個數字處理器實質性地降低了的限制去處理信息。
5.2.1超導裝置在本方法、物品和系統的某些實施方式中，該模擬處理器(例如，圖11的量子裝置節點1172)的量子裝置是多個超導量子位。在這樣的實施方式中，該模擬處理器可以包括任何數目的超導量子位，譬如四個或者更多、十個或更多、二十個或更多、100個或者更多，或者在1,000個與1,000,000之間的超導量子位。
超導量子位具有兩種相對于在其中存儲信息的具備化狀態的運算模式。當該量子位進行初始化或者被測量時，該信息是經典的，即0或者1，并且代表該經典信息的這些狀態也是經典的以便于可靠的狀態準備。這樣，一個量子位的一個第一運算模式是允許狀態準備和經典信息的測量。該第一運算模式對于本方法、物品和系統的各個實施方式是有用的。
一個量子位的第二運算模式發生在量子計算期間。在這樣的量子計算過程中，該裝置的信息狀態由量子效應主導，從而該量子位作為這些狀態的相干迭加可控制進行演算，并且，在某些情況中，變得與該量子計算機中的其他量子位相牽連。然而該第二個運算模式難于以足夠高的質量實現以進行通用的量子計算。
超導量子位可以用作節點。第一模式中的運算使它們對于讀出是理想的，并且顯著降低了第二運算模式中存在限制，譬如讀出該量子位時的困難、相干的時間要求等等。一個超導量子位可以做為該模擬處理器中的一個節點并且停留在該第一運算模式中，從而當不進行讀出時該量子位保留在該第一運算模式中并且還進行計算。以此方式，最小的量子特性是明顯的并且對該量子位的狀態的干擾是最小的。
超導量子位通常具有落入兩個類型的特性相位量子位和電荷量子位。相位量子位是以該裝置的相位狀態存儲和處理信息的量子位。換言之，相位量子位是用相位作為信息承載自由度。電荷量子位是以該裝置的電荷狀態存儲和處理信息。換言之，電荷量子位用電荷作為信息承載自由度。在超導材料中，在超導材料的不同點之間存在相位差，并且基本電荷由一個在該超導材料中流動的稱為庫伯對的電子對來代表。把這種裝置劃分成兩個類別在Makhlin的文中作了概述。相位和電荷是超導體中的相關的值并且，在量子效應占優勢的能量級別上，相位量子位具有用于存儲量子信息的充分定義的相位狀態，并且電荷量子位具有用于存儲量子信息的充分定義的電荷狀態。在本方法、物品和系統中，相位量子位、電荷量子位、或者相位和電荷量子位的混合體的超導量子位可以用在模擬處理器中。
超導裝置作為量子位的實驗性的實現由Nakamura等于1999年Nature 398，p.786中做出，該文通過引用全文結合在此，他們開發了展示出一個量子位的基本運算要求的一種電荷量子位，但是該量子位有差的(短的)脫散時間和嚴格的控制參數。
5.3向超導集成電路映射根據本方法、物品和系統的實施方式，基于ISG點陣的布局直接地映射到一個集成電路，該電路滿足了進行逼近或者準確地定義該系統的基態的計算的所有要求。該模擬處理器可包括(i)一組節點，每個節點包括由一個或者多個Josephson結間斷的一個超導材料環路；(ii)一組耦連裝置，該耦連裝置組中的每個耦連裝置都耦連在該組節點中的兩個節點；(iii)一組讀出裝置，在該組讀出裝置中的每個讀出裝置被配置為可讀出在該節點組中的一個或者多個對應節點的狀態；和(iv)一組本地的偏置裝置，其中在該組本地的偏置裝置中的每個本地的裝置被配置為在該組節點的一個或者多個對應的節點上施加一個本地的偏置場。
該組耦連裝置中的一個或者多個耦連裝置可以各自包括由一個或者多個Josephson結間斷的一個超導材料環路。這種耦連裝置的參數是在環路尺寸和Josephson結特性的基礎上設定。這種耦連裝置典型地是由通過或施加磁的或施加電的偏置的一個對應的控制系統來調整。
圖12A示出一個圖形1200，具有兩個節點N1和N2和一個單個的耦連裝置J1-2，該耦連裝置耦連標記了的節點N1和N2。圖12B示出圖形1200節點N1的N2以及耦連裝置J1-2向一個集成電路1202的轉換。集成電路1202包括超導節點N1和N2，這些超導節點對應于圖形1200的節點N1和N2。集成電路1202還分別地包括偏置裝置110-1和110-2以及讀出裝置120-1和120-2，以及一個單個的耦連裝置J1-2。在圖12B中，節點N1和N2，各為一個rf-SQUIDs，可以包括一個單個的Josephson結130，一個復合的Josephson結131。該復合的Josephson結131還可以表述成間斷一個超導環路的一種dc-SQUID。然后可以向該復合的Josephson結131施加磁通以提供一種額外程度的對該節點參數的調制。特別地，可以通過改變由裝置11施加的電流來調節該量子裝置(超導節點N1)的隧道效應率。等效地，可以調節該系統(在圖17中示出并且在下文說明)的能量壁壘1700的高度。
節點N1和N2可以是三個Josephson結量子位。這樣的結構包括由三個Josephson結間斷的一個超導環路。集成電路1202中的節點N1和N2各有對應于其相應的超導環路中流動的電流或、超電流的兩個可能的方向的兩個狀態。例如，節點N1和N2的一個第一狀態由在其對應的超導環路中順時針環流的電流代表而一個第二狀態由在其對應的超導環路中反時針環流的電流代表。對應于每個該狀態的該環流電流帶表了由這樣的環流電流產生的不同的磁場。
讀出裝置120-1和120-2以及耦連裝置J1-2在圖12B用相同的加陰影的方框示出，因為在某些實施方式中它們是相同類型的裝置，具有相似的結構和部件，然而配置為在集成電路1202中完成不同的功能。例如，耦連裝置J1-2可以是一種dc-SQUID，它配置為可調地耦連節點N1和N2。耦連裝置J1-2可以是單穩態的，這意味著它只有一個勢能最小值。讀出裝置120-1和120-2可以是dc-SQUIDs，它們感應性地耦連到對應的節點并且配置為可控制地檢測這些節點中的電流。可替代地，讀出裝置120-1和120-2可以是任何能夠檢測對應的節點N1和N2的狀態的裝置。
偏置裝置110-1和110-2在圖12B中示出為金屬的環路。可以通過驅動一個流過該偏置裝置的電流從一個偏置裝置110向對應的節點施加一個本地的磁場。偏置裝置110可以用低溫超導的金屬譬如鋁和鈮制造。該偏置裝置可以不是環路，而可以簡單地是在對應節點N附近穿過的電線從而向該環路中耦連磁通。每個偏置裝置110都可以包括一個導線，該電線在對應的節點附近穿過然后在芯片上使用一個通路連接到另一個金屬層上，譬如連接到一個底板上。諸如圖12B的電路1202之類的集成電路可以直接地從該ISG點陣映射并且包括所有所需要的程度的控制以處理信息。
圖13A示出基于點陣的節點1300組的一種實施方式，包括一個圖形，該圖形具有五個節點N1至N5，和四個耦連裝置J1-3、J2-3、J3-4和J3-5。圖13B示出點陣1300向集成電路1302的一種轉換。集成電路1302包括五個量子裝置N1至N5，對應于點陣1000的五個節點，和連接該五個量子裝置的四個耦連裝置J1-3、J2-3、J3-4和J3-5，對應于點陣1000的耦連裝置。集成電路1302進一步包括本地的偏置裝置110-1、110-2、110-4和110-5以及讀出裝置120-1、120-2、120-4和120-5。為了清楚起見，圖13B沒有明顯示出用于節點N3的一個本地的偏置裝置或者讀出裝置。集成電路1302的各個方面可以置于分開的各層上以優化空間限制。在此情況下，用以節點N3的一個本地偏置裝置或者讀出裝置可以安置在制造該N3的層的上方或者下方。集成電路1302的各個部件可以與集成電路1002(錯誤！未找到引用源。10B)的對應部件相同，例外是在中心的節點N3與相鄰的節點N1、N2、N4和N5共享四個耦連裝置。
集成電路1302中在N1、N2、N4和N5旁可以有不使用的量子裝置。然而為了清楚起見，這樣的不使用的量子裝置在圖13B中沒有示出。在集成電路1302中編碼的各個圖形可以利用存在于該集成電路中的任何數量的量子位。
集成電路1302的一個或者多個量子裝置N1至N5可以配置成一種磁梯度計環路，從而只有當磁場不均勻地跨越該環路時該磁場才影響該梯度計環路。梯度計對于協助耦連以及用于降低該系統對外部磁場噪音的敏感性是有用的。可以成垂直的角度或者以接近垂直的角度安排最近相鄰節點以降低鄰近節點之間的寄生耦連(例如串擾)。當該第一節點的一個第一主軸線和該第二節點的一個第二主軸線相互垂直地對齊時，一個第一和第二節點可被認為是以相互垂直的角度安排。
圖14A示出具有九個激活的節點N1至N9以及對應的耦連裝置的一個基于點陣的節點1400組的一種實施方式，而圖14B示出一個點陣1400向一個具有九個節點N1至N9和二十個耦連裝置的集成電路1402的轉換。為了清楚起見，在圖14A和14B中只標出節點N1、N2、N4和N5，以及耦連J1-4、JN1-5、JN2-4和J4-5。本地偏置裝置110-1、110-7、110-8和110-9，以及讀出裝置120-3、120-6和120-9也在集成電路1402中標出。圖14B沒有詳盡地包括所有節點的本地偏置裝置。集成電路1402的各方面可以置于分開的層上以優化空間限制。在此情況下沒有在圖14B中示出一個本地的偏置裝置的節點的一個本地的偏置裝置或者讀出裝置可以安置在其中制造該這些節點的層的上方或者下方。這些偏置裝置可以不是環路，而是在節點N附近穿過的簡單的電線并且把磁通耦連進該環路中。該偏置裝置可以由一根在相同的或者不同的層在該量子位附近穿過的電線，然后連接到一個通路，該通路在該芯片上連接到另一個金屬層，譬如連接到一個底板上。
集成電路1402的每一部件可以與集成電路1202和1302的部件相同。這樣的部件已經在上文參照圖12B和13B說明了。集成電路1402和其他電路的一個區別是在集成電路1402中加入了次最近相鄰耦連裝置JN，例如JN2-4和JN1-5。如圖中所示，次最近相鄰耦連裝置JN2-4跨越次最近相鄰耦連裝置JN1-5。在耦連裝置JN1-5和JN2-4的一個或者兩者全部中的電線可以在多個層上。
次最近相鄰耦連裝置，譬如耦連裝置JN2-4和JN1-5，可以是dc-SQUID，或者可替代地可以是rf-SQUIDs。它們可以等效于圖12B的耦連裝置J，而只在其結構上不同。在圖14B中只示出三個讀出裝置120-3、120-6、120-9，用于分別地讀出對應的節點N3、N6、和N9。所有其他的節點可具有對應的讀出裝置120。可替代地，可以只使用少數讀出裝置，并且可以使用一個經典的狀態復制技術向周邊節點N3、N6、N9復制內部節點的狀態，例如，如在題為“Methods of Ferromagnetic and Adiabatic Classical Qubit StateCopying，”的美國專利申請系列號60/675,139所說明的，該申請通過引用全文結合在此。
盡管在圖14B中沒有示出，集成電路1402中在周邊的量子裝置N1、N2、N3、N4、N6、N7、N8和N9旁可以有沒使用的量子裝置。在集成電路1402中的一個或者多個量子裝置N1至N9可以配置成一種磁梯度計環路，從而只有當磁場不均勻地跨越該環路時該磁場才影響該梯度計環路。梯度計環路對于幫助耦連以及用于降低該系統對外部磁場噪音的敏感性是有用的。可以成垂直的角度或者以接近垂直的角度安排最近節點以降低鄰節點之間的寄生耦連(例如串擾)。
圖15示出如本方法、物品和系統的一個物理布局的一個實例的照片。四個基于通量的量子裝置，1501-1至1501-4已經制造在一個超導集成電路上。每個量子裝置使用最近相鄰和次最近相鄰耦連而連接到照片中的每個其他的量子裝置上。例如，耦連裝置J1-3是一個用于把量子裝置1501-1和1501-3耦連在一起的最近相鄰耦連裝置。最近相鄰耦連還存在于量子裝置1501-1與1501-2之間，1501-2與1501-4之間，以及1501-3與1501-4之間，盡管這些耦連裝置沒有詳盡地標示出。耦連裝置J2-3是次最近相鄰耦連的一個實例，并且把量子裝置1501-2和1501-3耦連在一起。另一個次最近相鄰耦連存在于量子裝置1501-1與1501-4之間，盡管沒有詳盡地標示它。該電路上也存在讀出裝置和本地的偏置裝置，但是它們在圖15中沒有示出。
圖16示出如本方法、物品和系統的另一個替代布局。在圖中有六個量子裝置，它們中的三個標記為1601-1、1601-2，和1601-3。然而，圖中所示的布局可以容易地擴展到任何數量的量子裝置。量子裝置1601-1和1601-2是通過耦連裝置J1-2連接在一起。耦連裝置J1-2可以是一個rf-SQUID，或者可替代地是一個dc-SQUID。量子裝置1601-1和1601-3是通過耦連裝置J1-3耦連在一起，這在圖16中一種直接的電流耦連。從而，量子裝置1601-1和1601-3是鐵磁地耦連的并且具有相同的量子狀態。實施的耦連裝置J1-3可以包括利用多個通路創建使用多個金屬層的耦連裝置的一個路徑。一個實例是圖16中的交叉J1-3-A，在此耦連裝置J1-3的一個部分制造在另一個金屬層上并且使用兩個通路連接到原始層上。這樣的技術是所屬技術領域內所公知的。
5.4模擬處理5.4.1系統層面本方法、物品和系統的一個方面提供了在給定一組初始條件下找出最低能量配置或者逼近最低能量配置的方法。這些方法通常包括把一個要求解的問題映射到一個點陣布局拓撲上。該點陣布局的拓撲被映射到包括一個量子裝置的點陣的一個電路上，在該量子裝置的點陣之間安排耦連。該量子裝置和耦連個別地初始化并且通過在該量子裝置和耦連上使用本地的偏置控制或者通過使用一種全局偏置場誘發運行時間控制。以此方式，代表要求解的問題的點陣布局拓撲被映射到量子裝置的一個物理的點陣上。然后把該量子裝置的點陣的最終狀態作為對該問題的解讀出。該解可以有二進制數的形式。
5.4.2初始化一個具有量子特征的模擬處理器的初始化包括將每個量子裝置處的狀態初始化并且將每個將用于表現求解的問題的各個耦連裝置的狀態初始化。在一個要求解的圖形中代表一個節點的量子裝置的勢能曲線可以是一種雙阱勢能，類似于2000年Friedman等闡述的“Detection of a Schrdinger’s Cat State in an fi-SQUID，”arXiv.orgcond-mat/0004293v2，該文通過引用全文結合在此。圖17A和17B各示出一個雙阱勢能的圖形。能量表示在y-軸上，而一些其他的與該裝置相關聯的從屬變量，譬如該量子裝置的內部通量表示在x-軸上。該系統由一個在該勢曲線內移動的一種粒子說明。如果該粒子在左阱中，它就處于|L>狀態，并且如果該粒子處于右阱中，它就處于|R>狀態。這兩個狀態可以分別地標示為|0>和|1>，或者分別地標示為|1>和|0>。在一個超導通量量子位或者穩恒電流量子位中，這兩個狀態對應于環流電流的兩個不同的方向，左環流和右環流。每個節點處的狀態的初始化可以通過本地調整每個節點處的偏置，或通過使用一種全局偏置場進行。可選擇的是，這樣的調整還可以通過降低狀態之間的壁壘高度來進行。如果該勢能曲線向一側傾斜，如在圖17A中所示，該粒子將有較大的概率移動進入較低的通量阱中。在圖17A的情況下，這會是|R>狀態160-1。如果該勢能阱曲線在另一側傾斜，該粒子將有較大的概率移動進入對置的阱中。在圖17A的情況下，這會是|L>狀態160-0。
初始化其狀態由粒子在一個雙阱勢中的位置說明的一個量子裝置包括通過調整節點處的本地偏置在一側傾斜該勢能，并且等待足夠長的時間使得該粒子以某種高概率移動到較低的勢能。本地的場偏置可以是一種磁場，并且在節點處調整該本地的場偏置可以包括在緊密接近該量子裝置處向一個超導環路或者線圈施加一個電流，從而在該量子裝置中產生一個本地的磁場偏置。經過足夠長的時間以后，該裝置的狀態將會弛豫進入該雙阱勢的較低通量阱中，這就是所希望的初始狀態。該裝置的狀態可以通過熱逸失而落入較低的能量阱中，或者，該裝置的狀態可以通過在該壁壘1700穿過的隧道效應過程達到較低的能量。在某些情況下，熱逸失和隧道效應過程都對初始化起作用。
在每個量子裝置處初始化該本地的場偏置包括設立一個跨該量子裝置的整個點陣的一個全局的場偏置并且等待一定長度的時間。施加一個全局的場偏置引起所有的量子裝置被初始化到同一狀態。該全局偏置可以是一種磁場。代表一個節點的每個量子裝置可以包括由一個或者多個Josephson間斷的超導材料的環路，其中初始化可以跨所有的量子裝置通過施加一個全局的磁場來進行，這將引起每個量子裝置都初始化成相同的穩恒電流狀態。
在可以用于求解一個計算問題的一個集成電路中的量子裝置是由一個或者多個Josephson結間斷的一個超導材料的環路。可以適當地構成這樣一種環路，使之具有類似于圖17A或者17B中所描述的一種雙阱勢所說明的勢能特性曲線。該雙阱勢中的這兩個阱對應于該超導材料環路的穩恒電流(例如，圖1A的電流102-0和102-1)的兩個不同的方向。可以通過傾斜該雙阱勢把該環路初始化成所希望的狀態，如在圖17A中所示。例如，可以通過經該超導環路施加一個外部的通量偏置引起這種傾斜。在某些情況下，一旦確定該量子裝置的狀態已經初始化到了最低的能量狀態，就可以撤掉該外部的通量偏置。通過把一個電線的環路或線圈放置得緊密接近該超導環路并且經該電線的環路或者說線圈施加一個偏置電流，可以把一個外部的通量施加到一個超導環路上。這種偏置電流經過該超導環路引起磁場中的改變，該改變影響量子裝置的勢能。
可以通過改變間斷該超導環路的Josephson結的臨界電流改變壁壘1700的高度。在一個標準的rf-SQUID中，可以在制造過程中進行這種改變，但是一旦構成該裝置，一個結的臨界電流一般是固定的。然而，如果用一個復合的Josephson結取代rf-SQUID中的單個的Josephson結，就有可能即使在制造后也可以調整有效的臨界電流。這是通過對小裂隙結環路施加一個磁場完成的，并且通過調整該磁場改變該rf-SQUID的有效臨界電流。
在一個集成電路中起節點作用的一個或者多個量子裝置可以是rf-SQUIDs。一個rf-SQUID是一個超導材料的環路，用一個或者多個Josephson結間斷該環路。該環路中具有三個Josephson結的裝置被稱為一個3JJ量子位。可以配置這樣的一個rf-SQUID型裝置以使其勢能特性曲線由一種雙阱勢說明。該雙阱勢能中的兩個阱對應于超導材料的環路中的穩恒電流的兩個不同的方向。具有的展現量子性能的rf-SQUIDs的裝置闡述在2000年Friedman的文中。通過向放置得緊密接近該rf-SQUID的超導環路的一個電線的環路或線圈施加一個偏置電流，可以把一個外部的通量施加該rf-SQUID的超導環路上。
用于求解一個量子問題的一個集成電路中的每個量子裝置(例如，量子處理器)可以是以三個Josephson結間斷的一種超導材料環路。這些類型的量子位的初始化的方法可以與以上在rf-SQUID量子裝置的情況說明的那些相同。這些類型的裝置不要求大的環路電感，并且因此不要求大的環路面積以具有雙阱勢能特性曲線。有三個Josephson結的裝置闡述于Orlando中。一個或者多個量子裝置可以是一種穩恒電流量子位，譬如在圖18所示的那種，該圖是從Orlando文中復制的。這樣一種裝置可以用作如本方法、物品和系統中的量子裝置。在圖18中的每個Josephson結由一個X標記，并且由一個理想的Josephson結和一個電容器Ci的并聯組合進行模擬。并聯的阻性通道假定是可以忽略的。理想的Josephson結具有一種電流相位關系Ii＝I0sinj，式中j是結i的規范不變性相位。圖18中的各個結X的Josephson能量的一個特性在于它是兩個相位的函數。對于一個磁抑制f的范圍這兩個相位1和2允許有兩個穩定配置，該兩個兩個穩定配置對應于相反方向流動的DC電流。如在Orlando中所討論，通過考慮該結中的充電能量(電容性能量)和機械上考慮該電路量子，可以把該電路參數調節為使f＝1/2附近的該系統的兩個最低狀態將對于相反的環流電流的兩個經典狀態。
用于求解一個計算問題的一個集成電路中全部或者部分的量子裝置可以是復合的Josephson結rf-SQUID。除了由一個連接到該rf-SQUID環路的dc-SQUID替代單個的Josephson結以外，一個復合Josephson結rf-SQUID類似于一個rf-SQUID，該dc-SQUID也稱為復合Josephson結。一個dc-SQUID由兩個或者多個與兩個形成在該結之間的電接點并聯連接的Josephson結構成。該裝置表現類似于一個rf-SQUID，例外的是在環路中可以通過調整流經該dc-SQUID環路的通量來改變臨界電流的意義上它具有一種額外的控制程度。調整該臨界電流改變了分開該雙阱勢的左阱和右阱狀態|L>和|R>的壁壘高度。穿過大rf-SQUID環路的通量仍然調整該雙阱勢的傾斜，如同在一個標準的rf-SQUID之中。將該量子裝置初始化既可以包括通過向該rf-SQUID施加一個通量偏置使該雙阱勢傾斜，也可以通過向該dc-SQUID環路施加一個偏置降低該壁壘高度，或兩者兼用，并且然后等待該裝置初始化至基態。調整穿過該dc-SQUID環路的通量代表對該量子裝置的狀態的σX控制。
用于求解一個計算問題的集成電路中的各個量子裝置可以是一種磁梯度計量子位。梯度計量子位的初始化是用類似于初始化rf-SQUIDs的方法。將梯度計量子位初始化的方法包括施加一個通量偏置并且等待某段時間長度。通過向緊密靠近該環路放置的電線的線圈或環路施加一個偏置電流向一個環路施加一個外部的通量。梯度量子位由相互電聯通并且有相反的電流方向的兩個超導葉構成。初始化可以涉及向該兩個葉之一或者向二者共同施加一個通量偏置。
將量子裝置初始化的方法已經在上文中討論了。耦連裝置也被初始化。在某些情況下，通過把該耦連裝置設定到一個所希望的初始狀態并且然后等待作為該耦連裝置的特征的某段時間以確保該耦連裝置事實上設定在所希望的初始狀態。作為這樣的初始化的一個結果，把該耦連裝置初始化到一種J＝-1或者J＝1的狀態，其中該耦連強度J被標準化為使對于一個給定的問題，所希望的耦連強度對應于J＝|1|。
一個集成電路中的至少一個耦連裝置可以是一種量子超導裝置。例如，耦連裝置可以是該集成電路中的rf-SQUID。在這樣的情況下，一個用作耦連裝置的rf-SQUID的初始化可以包括向該耦連裝置施加一個本地的通量偏置。這可以通過經一個緊密接近該耦連裝置的一個超導環路或者線圈布置一個偏置電流來完成。用作耦連裝置的Rf-SQUID可以是單穩態的，這指得是其勢能函數只有一個最小值。該集成電路(例如，量子處理器)中的全部或者部分耦連裝置可以是dc-SQUID，并且這樣的耦連裝置的初始化包括向這樣的耦連裝置直接施加一個偏置電流。
該集成電路(例如，量子處理器)中的全部或者部分耦連裝置可以是梯度計耦連。將用作一個集成電路中的耦連裝置的梯度計耦連初始化的方法包括向該梯度計的一個葉或者該梯度計的全部兩個葉施加一個通量偏置。
5.4.3運行時間控制根據本方法、物品和系統的實施方式，進行一個模擬處理器的運行時間控制的方法包括改變該量子裝置有效偏置。這可以通過在該模擬處理器的每個量子裝置處調整各自的本地場偏置、調整該模擬處理器中的量子裝置對之間的耦連的耦連強度進行，或通過調整各個量子裝置的壁壘高度來進行，該壁壘高度的調整等效于改變該系統的有效溫度，其中該系統由一個量子裝置和耦連元件的點陣組成。
相應地降低或者提高該量子裝置的壁壘高度就足以提高或者降低該系統的有效溫度。一個量子裝置的壁壘高度是該能量形態的兩個勢阱之間的勢能壁壘，在圖17A和17B示出為壁壘1700。如果該量子裝置包括一個復合的結，該量子裝置的壁壘高度可通過調整穿過該復合結的環路的外部磁場來改變。
如果用該有效溫度達到一個模擬處理器終末狀態，首先降低所有量子裝置的勢能壁壘，這就通過使該模擬處理器的量子狀態易于從本地最小值進行熱逸失而增加該有效溫度。然后緩慢地提高該量子裝置的勢能壁壘，從而降低有效溫度，使得該模擬處理器的量子狀態能夠找到較低的最小值。
純粹通過熱逸失的退火被稱為經典退火，因為它不利用該系統的量子效應。找到該模擬處理器的終末狀態的方法可以是完全經典的。可替代地，可以附加于經典退火進行量子退火。量子退火的一種形式是量子隧道效應，其中通過穿過該勢壘的隧道效應而不是通過熱逸失，該模擬處理器的量子狀態找到一個比其當前所處的狀態更低的最小值。從而，在統計學上由其現有的最小值熱逸失的概率小的時候，量子退火可以幫助該量子狀態找到更低的最小值。
找到一個模擬處理器的終末狀態可以通過絕熱的量子演算來進行。在絕熱的量子演變中，把該模擬處理器初始化到一種已知的哈密爾敦函數(Hamiltonian)的量子狀態的基態。然后允許該量子狀態能夠絕熱地演變到一種終末的哈密爾敦函數。該絕熱演變通常慢得足以防止該量子狀態從基態移動到一種激勵態。絕熱演變可以通過調整該處理器中的量子裝置之間的耦連強度或者通過調整該量子裝置的各別的偏置，或通過調整影響所有量子裝置的全局偏置來進行。該終末基態代表由該終末哈密爾敦函數編碼的一個計算問題的解。該過程的更多信息例如可以參見前文提及的美國專利申請公開號2005-0256007、2005-0250651，和2005-0224784。
進行一個模擬處理器的運行時間控制的方法包括通過一種熱退火處理提高該模擬處理器的實際溫度的方法。該熱退火過程可以包括把該系統的溫度從基礎溫度提高到一個在30mK至3K之間的溫度，并且然后把該系統的溫度降低到該基礎溫度。
5.4.4讀出讀出一個集成電路中的量子裝置(例如，量子處理器)的狀態的方法可以包括將一個讀出裝置初始化并且測量該讀出裝置的一個物理特性。一個量子裝置有兩個可能的讀出狀態，即|0>狀態和|1>狀態。讀出一個量子裝置把該裝置的量子狀態瓦解到兩個經典狀態之一。其中該量子裝置上的壁壘高度是可調整的，可以在讀出該量子裝置的狀態之前提高該壁壘高度。提高該壁壘，例如圖17的壁壘1700，把該量子裝置凍結在或是|0>狀態或是|1>狀態。
該讀出裝置可以包括一個感應性地連接到該量子裝置的dc-SQUID磁力計，在此情況下確定該量子裝置的狀態可以包括從該dc-SQUID磁力計測量一個電壓或者電流。然后可以把該電壓或者電流轉換成代表在該量子裝置處的磁場的值。
經典的狀態復制可以用于減少所要求的讀出裝置的數目。例如參閱前文參引的美國專利申請60/675,139。
讀出該量子裝置的狀態以后，該測量的結果可以使用體現在一個載波上的數據信號進行傳輸。該數據信號可以是數字信號，并且在某些情況下，可以使用數字計算機1102(示于圖11中)來產生該載波。
5.5引用的參考文獻本說明書中提及的所有美國專利、美國專利申請公開、美國專利申請、外國專利、外國專利申請和非專利的文獻包括但是不限于US6,670,630、US6,784,451、US6,822,255、US6,885,325、US6,897,468、US6,960,780、US6,979,836、US2002-0121636、US2003-0107033、US2003-0121028、US2003-0169041、US2003-0173498、US2004-0000666、US2004-0016918、US2004-0119061、US2004-0140537、US2005-0224784、US2005-0250651、US2005-0256007、美國專利申請系列號60/640,420、60/675,139和11/247,857，均通過引用全文結合在此，并且是對于所有目的。
5.6替代實施方式對于所屬領域技術人員很明顯，可以組合以上闡述的各種實施方式以提供其他的實施方式。如果需要，可以修改本發明的各個方面，以利用各種專利、申請和文獻的系統、電路和概念提供本發明的進一步的實施方式。可以根據前文的闡述對本發明做出這樣的或者那樣的改變。總之，在所附權利要求書中，所使用的術語不應當被解釋為將本發明限制到本說明書和權利要求書中揭示的具體實施方式
，而應當解釋為包括所有可能的實施方式，連同該權利要求書有權要求的所有等效物。因此，本發明不限于所披露的內容，相反其范疇應當完全由所附權利要求來確定。
權利要求
1.一種計算系統，包括一個計算機；和一個與該計算機通信的量子處理器，該量子處理器包括(i)多個量子裝置，其中該多個量子裝置中的每個量子裝置是一個點陣的節點，并且其中該多個量子裝置中的一個量子裝置具有一個第一基礎狀態和一個第二基礎狀態和(ii)多個耦連裝置，其中在該多個該耦連裝置中的一個第一耦連裝置將該多個量子裝置中的一個第一量子裝置耦連到該多個量子裝置中的一個第二量子裝置，其中在該點陣中的該第一量子裝置和該第二量子裝置的配置選自由一種最近相鄰配置和一種次最近相鄰配置構成的組。
2.根據權利要求1所述的系統，其中該多個量子裝置中的一個量子裝置包括一個由至少一個Josephson結間斷的超導材料回路。
3.根據權利要求2所述的系統，其中在該量子裝置中的至少一個Josephson結是一種復合Josephson結。
4.根據權利要求1所述的系統，其中該多個量子裝置以一種二維陣列安排，其中該二維陣列具有由一個第一多個節點n定義的寬度和由一個第二多個節點m定義的長度，并且其中該二維陣列包括一個內部和一個周邊。
5.根據權利要求4所述的系統，其中在該內部中的每個量子裝置被耦連到該點陣中的四個最近相鄰的量子裝置上并且被耦連到該點陣中的四個次最近相鄰的量子裝置上。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，該多個量子裝置中的該量子裝置具有一種梯度計的配置。
7.根據權利要求1所述的系統，其中該第一量子裝置和第二量子裝置是在該點陣中的最近鄰居；并且在該多個耦連裝置中的一個第二耦連裝置將該第一量子裝置耦連到該多個量子裝置中的一個第三量子裝置，其中該第一量子裝置和該第三量子裝置是該點陣中的次最近鄰居。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置包括一個由至少一個Josephson結間斷的超導材料環路。
9.根據權利要求1所述的系統，其中，該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置包括一個由至少一個復合Josephson結間斷的超導材料環路。
10.根據權利要求1所述的系統，其中，該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置選自由一種rf-SQUID和一種dc-SQUID構成的組。
11.根據權利要求1所述的系統，該量子處理器進一步包括一個讀出裝置，該讀出裝置被配置為讀出該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的一種狀態。
12.根據權利要求11所述的系統，其中該讀出裝置是選自由一種dc-SQUID和一種磁力計所構成的組。
13.根據權利要求1所述的系統，其中該第一耦連裝置被配置為調整在該第一量子裝置與該第二量子裝置之間的一個耦連強度以使該第一量子裝置和該第二量子裝置以鐵磁方式耦連。
14.根據權利要求13所述的系統，其中，該第一耦連裝置被配置為該第一量子裝置施加一種零效應的本地場偏置。
15.根據權利要求1所述的系統，其中，該第一耦連裝置被配置為調整該第一量子裝置與該第二量子裝置之間的耦連強度以使該第一量子裝置和該第二量子裝置以反磁方式耦連。
16.根據權利要求1所述的系統，其中，該第一量子裝置和該第二量子裝置是該點陣中最近的鄰居。
17.根據權利要求1所述的系統，其中，該第一量子裝置和該第二量子裝置是該點陣中次最近的鄰居。
18.根據權利要求1所述的系統，其中，該量子處理器用于求解一種計算問題，該計算問題選自由一個具有復雜性P的問題、一個具有復雜性NP的問題、一個具有復雜性NP-難題的問題和一個有復雜性NP-完全的問題所組成的組。
19.根據權利要求18所述的系統，其中，該量子處理器與一個發射機耦連，并且其中該發射機被配置為發送作為體現在一種載波中的數據信號的該計算問題的一個解。
20.根據權利要求1所述的系統，其中該計算機是一種數字計算機。
21.使用一個量子處理器確定一個計算問題的結果的一種方法，該方法包括(i)將該量子處理器初始化至一種初始狀態，其中該量子處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，并且其中在該多個量子裝置中的每個耦連裝置耦連該多個量子裝置中的一對量子裝置，其中該初始化包括設定該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的一種狀態，和設定該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的一種耦連強度；(ii)允許該量子處理器能夠演算到一種終末狀態，其中該終末狀態逼近該計算問題的一種自然的基態；和(iii)讀出該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的一種終末狀態從而確定該計算問題的結果。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，該多個量子裝置中的至少一個量子裝置包括由至少一個Josephson結間斷的一個超導材料的環路。
23.根據權利要求21所述的方法，其中，該多個量子裝置中的至少一個量子裝置是一種rf-SQUID。
24.根據權利要求21所述的方法，其中，該多個量子裝置中的至少一個量子裝置包括由至少一個Josephson結和至少一個復合Josephson結間斷的超導材料的一個環路。
25.根據權利要求21所述的方法，其中，允許該量子處理器能夠演算到一種終末狀態，該狀態包括降低該量子處理器的有效溫度和絕熱地演算該量子處理器中的至少一個。
26.根據權利要求21所述的方法，其中，該計算問題是選自由一個具有復雜性P的問題、一個具有復雜性NP的問題、一個具有復雜性NP-難題的問題和一個具有復雜性NP-完全的問題所組成的組。
27.根據權利要求21所述的方法，其中，將該量子處理器初始化為一種終末狀態，包括將該多個量子裝置中的一個第一量子裝置初始化為具有一個零效應的本地場偏置；并且將該多個耦連裝置中的一個耦連裝置初始為將該多個量子裝置中的第一量子裝置以鐵磁方式進行耦連到該多個量子裝置的一個第二量子裝置。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，該計算問題是一種最大獨立集合問題。
29.一種計算機系統，用于確定一個計算問題的結果，該計算機系統包括一個中央處理單元；和一個耦連到該中央處理單元的存儲器，該存儲器存儲一個包括用于定義該計算問題的指令的用戶接口模件；一個包括用于產生該計算問題的一種映射的映射器模件；一個模擬處理器接口模件，包括(i)用于向一個模擬處理器傳輸該映射的指令，其中該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，該映射包括用于該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的初始化值，和用于該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的初始化值，其中該多個耦連裝置中的一個耦連裝置將該多個量子裝置中的一個對應的相關量子裝置耦連到該相關量子裝置的一個最近的鄰居和該相關應量子裝置的一個次最近的鄰居中的至少一個上；和(ii)響應于該映射從該模擬處理器接收一個結果的指令。
30.根據權利要求29所述的計算機系統，該存儲器進一步存儲一種驅動器模件，該驅動模件包括用于向該模擬處理器傳輸該映射的指令；和用于從該模擬處理器接收該結果的指令；并且其中該模擬處理器接口模件中用于將該映射傳輸到該模擬處理器的指令包括向該驅動器模件傳輸該映射的指令；并且該模擬處理器接口模件中用于接收該結果的指令包括響應于該映射從該驅動器模件接收來自該模擬處理器的該結果的指令。
31.根據權利要求29所述的計算機系統，其中，用于定義該計算問題的指令包括用于分析對該計算問題進行編碼的一個指令組的指令。
32.根據權利要求29所述的計算機系統，其中，該計算問題是選自由一個具有復雜性P的問題、一個具有復雜性NP的問題、一個具有復雜性NP-難題的問題和一個具有復雜性NP-完全的問題所組成的組。
33.根據權利要求29所述的計算機系統，其中，該計算問題是選自由一個伊辛自旋玻璃問題、一個最大獨立集合問題、一個最大團問題、一個最大切割問題、一個流動銷售人員問題、一個k-SAT問題和一個整數線性編程問題所組成的組。
34.一種與一個計算機系統聯合使用的計算機程序產品，該計算機程序產品包括一個計算機可讀的存儲媒體和一個嵌入于其中的計算機程序機理，該計算機程序機理包括(A)一個包括用于定義一個計算問題的指令的用戶接口模件；(B)一個包括用于產生該計算問題的一個映射的指令的映射器模件；和(C)一個模擬處理器接口模件，包括(i)用于向一個模擬處理器傳輸該映射的指令，其中該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，該映射包括用于該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的初始化值，和用于該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的初始化值，其中該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置把該多個量子裝置中的一個對應的相關量子裝置耦連到該相關量子裝置的一個最近的鄰居和該相關量子裝置的一個次最近的鄰居中的至少一個上；和(ii)響應于該映射從該模擬處理器接收一個結果的指令。
35.根據權利要求34所述的計算機程序產品，該計算機程序產品進一步包括(D)一種驅動器模件，包括用于向該模擬處理器傳輸該映射的指令；和用于從該模擬處理器接收該結果的指令；并且其中在該模擬處理器接口模件中用于將該映射傳輸到該模擬處理器的指令包括用于向該驅動器模件傳輸該映射的指令；并且在該模擬處理器接口模件中用于接收該結果的指令包括響應于該映射從該驅動器模件接收來自該模擬處理器的該結果的指令。
36.根據權利要求34所述的計算機程序產品，其中，該用于定義該計算問題的指令包括用于分析對該計算問題進行編碼的一個指令組的指令。
37.根據權利要求34所述的計算機程序產品，其中該計算問題是選自由一個具有復雜性P的問題、一個具有復雜性NP的問題、一個具有復雜性NP-難題的問題和一個具有復雜性NP-完全的問題所組成的組。
38.根據權利要求34所述的計算機程序產品，其中，該計算問題是選自由一個伊辛自旋玻璃問題、一個最大獨立集合問題、一個最大團問題、一個最大切割問題、一個流動銷售人員問題、一個k-SAT問題和一個整數線性編程問題所組成的組。
39.一種量子處理器，包括安排在一個點陣中的多個量子裝置；一個第一多個耦連裝置，其中在該第一多個耦連裝置中的一個耦連裝置將該多個量子裝置中的一個第一量子裝置和一個第二量子裝置進行耦連，其中該第一量子裝置和第二量子裝置是該點陣中最近的鄰居；和一個第二多個耦連裝置，其中在該第二多個耦連裝置中的一個耦連裝置將該多個量子裝置中的一個第三量子裝置和一個第四量子裝置進行耦連，其中該第三量子裝置和第四量子裝置是該點陣中次最近的鄰居。
40.根據權利要求39所述的量子處理器，進一步包括一個讀出裝置，該讀出裝置耦連到該多個量子裝置中的一個量子裝置上從而使該讀出裝置能夠測量該量子裝置的一種狀態。
41.根據權利要求40所述的量子處理器，其中該讀出裝置被安排在該點陣的一個周邊上。
42.根據權利要求39所述的量子處理器，進一步包括一個本地偏置裝置，該本地偏置裝置耦連到該多個量子裝置中的至少一個量子裝置上。
43.根據權利要求39所述的量子處理器，其中該多個量子裝置和該第一多個耦連裝置與該第二多個耦連裝置的至少一個被安排成一種平面圖形。
44.根據權利要求39所述的量子處理器，其中在該點陣中嵌入一個圖形；并且其中該多個量子裝置中的一組量子裝置是該圖形的節點；該第一多個耦連裝置中的一組耦連裝置被賦予非零的值，從而根據該圖形將該組量子裝置中的至少兩個量子裝置相互耦連；并且該第二多個耦連裝置中的一組耦連裝置被賦予非零的值，從而根據該圖形將該組量子裝置中的至少兩個量子裝置相互耦連。
45.根據權利要求44所述的量子處理器，其中該圖形是非平面的。
46.根據權利要求44所述的量子處理器，其中該圖形是選自由K5、K3，3、一個K5的擴展、和一個K3.3的擴展所組成的組。
47.根據權利要求39所述的量子處理器，其中該第一量子裝置和第二量子裝置是由曼哈頓距離所確定的在該點陣中最近的鄰居；并且該第三量子裝置和第四量子裝置是由曼哈頓距離所確定的該點陣中次最近的鄰居。
48.根據權利要求39所述的量子處理器，其中在該第一多個耦連裝置中的至少兩個耦連裝置被安排為使它們不相交；并且在該第二多個耦連裝置中的至少兩個耦連裝置被安排為使它們相交。
49.一種量子處理器，包括多個量子裝置；一個第一多個耦連裝置，其中該多個量子裝置和該第一多個耦連裝置形成一種平面矩形陣列，該平面矩形陣列具有一個對角線，并且其中在該第一多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置以一種耦連強度將該多個量子裝置中的一個第一量子裝置和該多個量子裝置中的一個第二量子裝置進行耦連，該耦連強度具有在一個最小的負耦連強度與一個最大的正耦連強度之間的范圍內的一個值；一個第二多個耦連裝置，其中在該第二多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置以一種耦連強度將該多個量子裝置中的一個第三量子裝置與該多個量子裝置中的一個第四量子裝置進行耦連，該耦連強度具有在一個最小的負耦連強度與一個零耦連強度之間的范圍內的一個值，并且其中該第三量子裝置和該第四量子裝置是沿該平面矩形陣列的對角線進行安排；一個耦連到該多個量子裝置中的至少一個量子裝置上的讀出裝置；和一個耦連到該多個量子裝置中的至少一個量子裝置上的本地偏置裝置。
50.根據權利要求49所述的量子處理器，其中一個圖形嵌入該陣列中；并且其中該多個量子裝置中的一組量子裝置是該圖形的節點；該第一多個耦連裝置中的一組耦連裝置被賦予非零的值從而根據該圖形將該組量子裝置中的至少兩個量子裝置相互耦連；并且該第二多個耦連裝置中的一組耦連裝置被賦予非零的值從而根據該圖形將該組量子裝置中的至少兩個量子裝置相互耦連。
51.根據權利要求50所述的量子處理器，其中該圖形是非平面的。
52.一種量子處理器，包括(i)形成一個點陣的各個節點的多個量子位裝置；和(ii)多個耦連裝置，其中該多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置將該多個量子位裝置中的一個第一量子位裝置耦連到該多個量子位裝置中的一個第二量子位裝置，并且其中該點陣中的該第一量子位裝置和該第二量子位裝置的一種配置是選自由一種最近相鄰配置和一種次最近相鄰配置所構成的組。
53.一種量子處理器，包括安排在一個點陣中的多個量子位裝置；一個第一多個耦連裝置，其中該第一多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置將該多個量子位裝置中的一個第一量子位和該多個量子位裝置中的一個第二量子位裝置進行耦連，其中該第一量子位裝置和該第二量子位裝置被配置成該點陣中最近的鄰居；和一個第二多個耦連裝置，其中在該第二多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置將該多個量子位裝置中的一個第三量子位裝置和該多個量子位裝置中的一個第四量子位裝置進行耦連，并且其中該第三量子位裝置和該第四量子位裝置被配置成該點陣中次最近的鄰居。
54.一種使用一個量子處理器確定一個計算問題的結果的方法，該方法包括(i)將該量子處理器初始化到一個初始狀態，其中該量子處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，并且其中在該多個耦連裝置中的每個耦連裝置都對該多個量子裝置中的一對量子裝置進行耦連，其中對該量子處理器進行初始化包括設定該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的一個狀態并且設定該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的一個耦連強度；(ii)允許該量子處理器演算到一種終末狀態，其中該終末狀態逼近該計算問題的一種自然的基態；(iii)讀出該多個量子裝置中至少一個量子裝置的一個終末狀態從而確定該計算問題的結果；并且(iv)產生一種體現包括該計算問題的結果的一個數據信號的載波。
55.一種計算機系統，包括用于輸入一個要求解的計算問題的裝置，其中該計算問題是選自由一個具有復雜性P的問題、一個具有復雜性NP的問題、一個具有復雜性NP-難題的問題、和一個具有復雜性NP-完全的問題所組成的組；用于將該計算問題映射到一個量子處理器上的裝置，其中該量子處理器包括量子位裝置和用于將最近相鄰和次最近相鄰的量子位裝置進行耦連的裝置；使用該量子處理器用于獲得該計算問題的解的裝置；用于輸出該計算問題的解的裝置；和用于將該解作為體現在一種載波中的一種數據信號進行傳輸的裝置。
56.體現在一種載波上的一個數字信號，包括對于多個節點中每個節點的一個相應的值；其中該多個節點是一個量子處理器中的一種節點的點陣中的至少兩個節點，并且其中該節點的點陣中的每個節點都是一個量子裝置；并且其中該多個節點中至少一個節點的一個值個別地或者集體地代表對一個計算問題的一個解，該計算問題的在代表該計算問題的一個圖形已經被映射到該點陣的至少一個部分上之后的一個時間通過演算該量子處理器而已經求出了解。
57.根據權利要求56所述的數字信號，其中該計算問題是選自由一個具有復雜性P的問題、一個具有復雜性NP的問題、一個具有復雜性NP-難題的問題和一個具有復雜性NP-完全的問題所組成的組。
58.根據權利要求56所述的數字信號，其中該多個節點包括至少16個節點。
59.根據權利要求56所述的數字信號，其中該多個節點中的一個節點的相應值是一種二進制值。
60.根據權利要求56所述的數字信號，其中該圖形是選自由K5、K3，3、K5的一個擴展、和K3，3的一個擴展所構成的組。
61.體現在一個載波上的包括對一個計算問題的答案的一種數字信號，其中對該計算問題的答案是通過評估多個節點中的每個節點的一個值來確定；其中該多個節點是一個量子處理器中的一個節點的點陣中的至少兩個節點；并且其中該多個節點中至少一個節點的一個值是在代表該計算問題的一個圖形已經被映射到該點陣的至少一個部分上之后的一個時間在演算該量子處理器之后所確定。
62.體現在一個載波上、包括對要用一個量子處理器求解的一個計算問題的一個圖形的一種數字信號，其中該量子處理器包括一個量子裝置的點陣；其中該要求解的計算問題的圖形包括多個節點并且，對于該多個節點中的每個相應節點，包括相應節點的一個初始值和該相應節點與該多個節點中的另一個節點之間的一個對應的耦連常數；并且其中該要求解的計算問題的圖形被配置為使之可以被映射到該量子處理器的該點陣上。
63.體現在一個載波上、包括對要用一個量子處理器求解的一個計算問題的一種數字信號，其中該量子處理器包括一種量子裝置的點陣；其中該要求解的計算問題被轉換到一個圖形上，該圖形包括多個節點并且，對于該多個節點中的每個相應節點，包括該相應節點的一個初始值和該相應節點與該多個節點中的另一個節點之間的一個對應的耦連常數；并且其中該要求解的計算問題的圖形被配置為使之可以被映射到該量子處理器的該點陣上。
64.一種圖形用戶接口，用于獲得對一個計算問題的解，該圖形用戶接口包括(A)一個第一顯示區，用于指示何時接收到了包括多個節點中的每個節點的一個相應的值的體現在一個載波上的一個數字信號；其中該多個節點是一個量子處理器中的一個節點點陣中的至少兩個節點，并且其中該節點點陣中的每個節點都是一個量子裝置；并且其中該多個節點中的至少一個節點的一個值個別地或者集體地代表對該計算問題的解，該計算問題的已經在代表該計算問題的一個圖形已經被映射到該點陣的至少一個部分上之后的一個時間通過演算該量子處理器以經求出了解；和(B)一個第二顯示區，用于顯示對該計算問題的解。
65.根據權利要求64所述的圖形用戶接口，其中該計算問題是選自由一個具有復雜性P的問題、一個具有復雜性NP的問題、一個具有復雜性NP-難題的問題和一個具有復雜性NP-完全的問題所組成的組。
66.根據權利要求64所述的圖形用戶接口，其中該多個節點包括至少16個節點。
67.根據權利要求64所述的圖形用戶接口，其中該多個節點中的一個節點的相應值是一種二進制值。
68.根據權利要求64所述的圖形用戶接口，其中該圖形是選自由K5、K3，3、K5的一個擴展、和K3，3的一個擴展所構成的組。
69.一種圖形用戶接口，用于獲得對一個計算問題的解，該圖形用戶接口包括(A)一個第一顯示區，用于指示何時已經接收到了體現在一個載波上、包括了該計算問題的一個答案的一個數字信號；其中對該計算問題的答案是通過評估多個節點中的至少一個節點的一個值來確定；其中該多個節點是一個量子處理器中的一個節點點陣中的至少兩個節點，并且其中該節點點陣中的每個節點都是一個量子裝置；并且其中該多個節點中的至少一個節點的該值是在代表該計算問題的一個圖形已經被映射到該點陣的至少一個部分上之后的一個時間在演算該量子處理器值之后被確定；和(B)一個第二顯示區，用于顯示對該計算問題的解。
70.根據權利要求69所述的圖形用戶接口，其中該載波是從一個遠程計算機接收。
71.一種圖形用戶接口，用于獲得對一個計算問題的解，該圖形用戶接口包括(A)一個第一顯示區，用于指示何時已經產生了包括要由一個量子處理器求解的該計算問題的體現在一個載波上的一個數字信號；其中該量子處理器包括一個量子裝置的點陣；其中該要求解的計算問題包括多個節點并且，對于該多個節點中每個相應的節點，包括用于該相應的節點的一個初始值和該相應節點與該多個節點中的另一個節點之間的一個對應的耦連常數；并且其中該要求解的計算問題被配置為使它可以被映射到該量子處理器的點陣上；和(B)一個第二顯示區，用于在接收到對該計算問題的解之后顯示對該計算問題的解。
72.根據權利要求71所述的圖形用戶接口，其中該數字信號被發送到與該量子處理器通信的一個遠程計算機。
73.根據權利要求71所述的圖形用戶接口，其中該數字信號被直接發送到該量子處理器。
74.根據權利要求71所述的圖形用戶接口，其中對該計算問題的解是從與該量子處理器通信的一個遠程計算機接收。
75.根據權利要求71所述的圖形用戶接口，其中對該計算問題的解是直接從該量子處理器接收。
76.根據權利要求87所述的圖形用戶接口，其中該要求解的計算問題是在該數字信號中表示為一種圖形。
77.一個計算系統，包括一個本地計算機；一個遠程計算機；一個與該遠程計算機通信的遠程量子處理器，該量子處理器包括(i)多個量子裝置，其中該多個量子裝置中的每個量子裝置是一個點陣的一個節點，并且其中該多個量子裝置中的一個第一量子裝置具有一種第一基礎狀態和一個第二基礎狀態；和(ii)多個耦連裝置，其中該多個耦連裝置中的一個第一耦連裝置將該多個量子裝置中的一個第一量子裝置與該多個量子裝置中的一個第二量子裝置進行耦連，其中該點陣中的該第一量子裝置和該第二量子裝置的一種配置是選自由一個最近相鄰配置和一個次最近相鄰配置所構成的組；其中該本地計算機被配置為向該遠程計算機發送一個要求解的計算問題；并且該遠程計算機被配置為向該本地計算機發送對該計算問題的一個答案。
78.一種計算機系統，用于確定一個計算問題的結果，該計算機系統包括一個本地計算機；一個遠程計算機；和一個模擬處理器；其中該本地計算機包括一個中央處理單元和耦連該中央處理單元的一個存儲器，該存儲器存儲一個用戶接口模件，包括用于定義該計算問題的指令；一個映射器模件，包括用于產生該計算問題的一種映射的指令；和一個傳輸模件，包括用于向該遠程計算機發送該映射的指令；該遠程計算機包括一個中央算單元和耦連到該中央處理器的一個存儲器，該存儲器存儲一個接收模件，包括用于從該本地計算機接收該映射的指令；一個模擬處理器接口模件，包括用于向該模擬處理器傳輸該映射的指令；并且該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，并且其中該映射包括該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的多個初始化值和該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的多個初始化值，其中該多個耦連裝置中的一個耦連裝置將該多個量子裝置中的一個對應的相關量子裝置連接到該相關量子裝置的一個最近的鄰居和該相關量子裝置的一個次最近的鄰居中的至少一個上。
79.一種計算機系統，用于確定一個計算問題的結果，該計算機系統包括一個本地計算機；一個遠程計算機；和一個模擬處理器；其中該本地計算機包括一個中央處理單元和耦連該中央處理單元的一個存儲器，該存儲器存儲一個用戶接口模件，包括用于定義該計算問題的指令；一個傳輸模件，包括用于向該遠程計算機發送該計算問題的指令；該遠程計算機包括一個中央處理單元和耦連到該中央處理器的一個存儲器，該存儲器存儲一個接收模件，包括用于從該本地計算機接收該計算問題的指令；一個映射器模件，包括用于產生該計算問題的一種映射的指令；和一個模擬處理器接口模件，包括用于向該模擬處理器傳輸該映射的指令；并且該模擬處理器包括多個量子裝置和多個耦連裝置，并且其中該映射包括該多個量子裝置中的至少一個量子裝置的多個初始化值和該多個耦連裝置中的至少一個耦連裝置的多個初始化值，其中該多個耦連裝置中的一個耦連裝置將該多個量子裝置中的一個對應的相關量子裝置耦連到該相應量子裝置的一個最近的鄰居和該相應量子裝置的一個次最近的鄰居中的至少一個上。
全文摘要
提供了用于求解各種計算問題的模擬處理器。此類模擬處理器包括與多個耦連裝置一起安排在一個點陣中的多個量子裝置。該模擬處理器進一步包括偏置控制系統，它們每一個被配置為向一個對應的量子裝置施加本地有效的偏置。該多個耦連裝置中的一組耦連裝置被配置為對該點陣中的最近相鄰的量子裝置進行耦連。另一組耦連裝置被配置為對次最近相鄰的量子裝置進行耦連。該模擬處理器進一步包括多個耦連控制系統，它們每一個被配置為對該多個耦連裝置中的一個對應的耦連裝置的耦連值進行調整。此類量子處理器進一步包括一組讀出裝置，它們每一個被配置為測量來自該多個量子裝置中的一個對應的量子裝置的信息。
文檔編號H01L39/22GK101088102SQ200580044348
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月23日 優先權日2004年12月23日
發明者亞歷克馬森·范登布林克, 彼得·洛夫, 穆罕默德·H.S.·阿明, 喬迪·羅斯, 戴維·格蘭特, 邁爾斯·F.H.·施泰寧格, 保羅·布伊克 申請人:D-波系統公司