Các yêu cầu đầy đủ cho chức năng của một máy tính lượng tử không hoàn toàn được biết đến, nhưng có rất nhiều yêu cầu thường được chấp nhận.

Qubit

Bất kỳ hệ thống lượng tử hai cấp có thể hình thành một qubit, và có hai cách để tạo thành một qubit sử dụng các trạng thái điện tử của một ion:

• Một mức độ ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích (chúng được gọi là các "qubit quang học"- optical qubits) Ví dụ, trạng thái năng lượng nghỉ của ion là trạng thái |0> và một trong các trạng thái kích thích phù hợp được chọn là trạng thái |1>. Loại qubit này còn được gọi là qubit quang học, vì để thực thi các phép tính lượng tử trên qubit, có thể chiếu vào ion ánh sáng có năng lượng photon phù hợp.
• qubit siêu tinh tế(hyperfine qubits)

Khởi tạo

Trạng thái qubit ion có thể được chuẩn bị trong một trạng thái qubit cụ thể bằng quá trình gọi là bơm quang học. Trong quá trình này, một cặp laser ion đạt đến một số trạng thái kích thích mà cuối cùng phân rã thành một trạng thái mà không cùng cặp với laser đó. Một khi các ion đạt đến trạng thái đó, nó không có mức độ kích thích, do đó, nó vẫn còn trong trạng thái đó. Nếu ion phân rã đến một trong những trạng thái khác, tia laser sẽ tiếp tục kích thích các ion cho đến khi nó phân rã đến trạng thái mà không tương tác với các laser. Quá trình khởi tạo này là tiêu chuẩn trong nhiều thí nghiệm vật lý và có thể được thực hiện với độ chính xác rất cao (> 99,9%).

Đo lường

Việc đo lường trạng thái của qubit được lưu trữ trong một ion là khá đơn giản. Thông thường, một laser được áp dụng cho các ion mà cặp chỉ có một trạng thái qubit. Khi các ion sập vào trạng thái này trong quá trình đo lường, tia laser sẽ kích thích nó, dẫn đến một photon được phóng khi các ion phân rã từ trạng thái kích thích. Sau khi phân rã, các ion liên tục bị kích thích bởi laser và liên tục phát ra các photon.

Các photon có thể được thu thập bởi một ống nhân quang (PMT) hoặc một thiết bị camera tích điện kép(CCD). Nếu ion sập vào trạng thái qubit khác, sau đó nó không tương tác với laser và không có photon được phát ra. Bằng cách đếm số lượng photon thu thập được, các trạng thái của các ion có thể được xác định với độ chính xác rất cao (> 99,9%).

Tính toán

Vì các phép tính lượng tử đều có thể thực hiện, đến độ chính xác tùy ý, bằng tổ hợp các phép tính thuộc bộ đầy đủ {H, R ϕ {\displaystyle R_{\phi }} , CNOT} nên chỉ cần có cơ chế thực hiện các phép tính này trên các ion là có thể hoàn tất máy tính lượng tử thực hiện mọi phép tính lượng tử trên các ion. Cổng quay pha và Hadamard có thể thực hiện bằng chuyển đổi tứ cực điện tử trên qubit quang học.

Cụ thể, trong chuyển đổi tứ cực điện tử, nếu chiếu vào ion các photon có:

• năng lượng: h ω 0 {\displaystyle h\omega _{0}} = chênh lệch năng lượng giữa hai mức |0> và |1>
• thời lượng: bằng θ T 2 π {\displaystyle {\frac {\theta T}{2\pi }}} với T là chu kỳ Rabi[2]
• pha (so với pha của ánh sáng khởi tạo qubit quang học): ϕ {\displaystyle \phi }

thì tương đương với việc xoay trạng thái của ion trên mặt cầu Bloch quanh trục X theo góc θ {\displaystyle \theta } rồi xoay tiếp quanh trục Z một góc ϕ {\displaystyle \phi } [3].

Như vậy, cổng Hadamard được thực hiện bằng cách xoay trạng thái của ion trên mặt cầu Bloch quanh trục X theo góc π 2 {\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} , tức chiếu vào ion các photon có:

• năng lượng: h ω 0 {\displaystyle h\omega _{0}} = chênh lệch năng lượng giữa hai mức |0> và |1>
• thời lượng: bằng T/4
• pha: 0

Như vậy, cổng R ϕ {\displaystyle R_{\phi }} được thực hiện bằng cách xoay trạng thái của ion trên mặt cầu Bloch quanh trục X theo góc 2 π {\displaystyle 2\pi } rồi xoay tiếp quanh trục Z một góc ϕ {\displaystyle \phi } , tức chiếu vào ion các photon có:

• năng lượng: h ω 0 {\displaystyle h\omega _{0}} = chênh lệch năng lượng giữa hai mức |0> và |1>
• thời lượng: bằng T
• pha: ϕ {\displaystyle \phi }

Đối với cổng CNOT, thực hiện trên qubit điều khiển là ion thứ m trong chuỗi và qubit bị điều khiển là ion thứ n trong chuỗi, thì lần lượt làm:

• Bước 1: thực hiện cổng Hadamard trên ion n
• Bước 2: thực hiện chiếu vào ion m phpton có:
  • năng lượng: bằng h ( ω 0 − ω phonon ) {\displaystyle h(\omega _{0}-\omega _{\mbox{phonon}})} với ω phonon {\displaystyle \omega _{\mbox{phonon}}} là tần số góc của phonon ứng với một trạng thái dao động của ion
  • thời lượng: bằng T/2
  • pha: 0
• Bước 3: thực hiện chiếu vào ion n phpton có:
  • năng lượng: bằng h ( ω 0 ) {\displaystyle h(\omega _{0})}
  • thời lượng: bằng T
  • pha: 0
• Bước 4: thực hiện chiếu vào ion m phpton có:
  • năng lượng: bằng h ( ω 0 − ω phonon ) {\displaystyle h(\omega _{0}-\omega _{\mbox{phonon}})} với ω phonon {\displaystyle \omega _{\mbox{phonon}}} là tần số góc của phonon ứng với một trạng thái dao động của ion
  • thời lượng: bằng T/2
  • pha: 0
• Bước 5: thực hiện cổng Hadamard trên ion n

Cổng vướng víu 2 qubit

Bên cạnh các cổng C-NOT đề xuất bởi Cirac và Zoller vào năm 1995, nhiều ý tưởng tương đương, nhưng mạnh mẽ hơn đã được đề xuất. Nghiên cứu lý thuyết gần đây của Garcia-Ripoll, Cirac, và Zoller đã chỉ ra rằng không có những hạn chế cơ bản với tốc độ của các cổng vướng víu, nhưng các cổng lượng tử trong chế độ xung nhanh hơn 1 micro giây vẫn chưa được chứng minh bằng thực nghiệm, với độ tin cậy trên 99%.