量子比特读取信号的优化方法、装置、以及量子计算机与流程

1.本技术属于量子计算领域，特别是一种量子比特读取信号的优化方法、装置、以及量子计算机。


背景技术：

2.在现有技术中，在现有技术中，量子芯片作为芯片的一种，是量子计算机的基本构成单元，是以量子态的叠加效应为原理，以量子比特为信息处理的载体的处理器，量子芯片上集成有多个量子比特，为了实现更复杂的量子计算任务需求，量子芯片上的量子比特位数在迅速增加。当量子比特运行完量子计算任务后，需要在量子比特上施加所述量子比特读取信号，读取量子比特的计算结果。读取信号的参数会直接影响读取效果，目前并没有对量子比特的读取信号进行优化的方法。


技术实现要素：

3.本技术的目的是提供一种量子比特读取信号的优化方法、装置、以及量子计算机，以解决现有技术中的不足，它能够提供一种量子比特读取信号的优化方法。
4.本技术技术方案如下：
5.本技术一方面提供一种量子比特读取信号的优化方法，所述量子比特读取信号施加至与量子比特耦合连接的谐振腔，用于通过测量所述谐振腔的频率信息获得量子比特的量子态信息，所述方法包括：
6.施加控制信号至所述量子比特，并所述施加量子比特读取信号至所述谐振腔，获得所述谐振腔输出的读取反馈信号；其中，所述控制信号用于调控所述量子态信息；接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息；基于所述频率信息优化所述量子比特读取信号。
7.如上所述的量子比特读取信号的优化方法，进一步的，所述施加控制信号至所述量子比特，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔，获得所述谐振腔输出的读取反馈信号，包括：施加第一控制信号至所述量子比特，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔，获得所述谐振腔输出的第一子读取反馈信号；施加第二控制信号至所述量子比特，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔，获得所述谐振腔输出的第二子读取反馈信号；其中，所述第一控制信号用于控制所述量子比特处于第一量子态，所述第二控制信号用于控制所述量子比特处于第二量子态。
8.如上所述的量子比特读取信号的优化方法，进一步的，所述接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息包括：基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔的频谱曲线；基于所述频谱曲线获得所述频率信息。
9.如上所述的量子比特读取信号的优化方法，进一步的，所述频谱曲线包括第一子频谱曲线和第二子频谱曲线，所述基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔的频谱曲线，包括：获得所述第一子读取反馈信号的幅度随所述量子比
特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第一子频谱曲线；获得所述第二子读取反馈信号的幅度随所述量子比特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第二子频谱曲线。
10.如上所述的量子比特读取信号的优化方法，进一步的，所述基于所述频谱曲线获得所述频率信息，包括：确定所述第一子频谱曲线和所述第二子频谱曲线的交点对应的频率为所述频率信息。
11.如上所述的量子比特读取信号的优化方法，进一步的，所述接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息，还包括：基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔的相位曲线；基于所述相位曲线获得所述频率信息。
12.如上所述的量子比特读取信号的优化方法，进一步的，所述相位曲线包括第一子相位曲线和第二子相位曲线，所述基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔的相位曲线，包括：获得所述第一子读取反馈信号的相位随所述量子比特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第一子相位曲线；获得所述第二子读取反馈信号的相位随所述量子比特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第二子相位曲线。
13.如上所述的量子比特读取信号的优化方法，进一步的，所述基于所述相位曲线获得所述频率信息，包括：确定所述第一子相位曲线和所述第二子相位曲线中的相位差值最大点对应的频率为所述频率信息。
14.本技术另一方面提供一种量子比特读取信号的优化装置，其特征在于，所述量子比特读取信号施加至与量子比特耦合连接的谐振腔，用于通过测量所述谐振腔的频率信息获得量子比特的量子态信息；所述装置包括：第一测量模块，用于施加控制信号至所述量子比特，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔，获得所述谐振腔输出的读取反馈信号；其中，所述控制信号用于调控所述量子态信息；第一处理模块，用于接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息；第一优化模块，用于基于所述频率信息优化所述量子比特读取信号。
15.本技术再一方面提供一种量子测控系统，使用上述的量子比特读取信号的优化方法对量子比特读取信号进行优化，或者包括上述的量子比特读取信号的优化装置。
16.本技术再一方面提供一种量子计算机，包括上述的量子测控系统以及量子芯片，其中，所述量子芯片包括多个一一对应的且相互耦合连接的量子比特和谐振腔。
17.与现有技术相比，本技术所述的量子比特读取信号施加至与量子比特耦合连接的谐振腔，用于通过测量所述谐振腔的频率信息获得量子比特的量子态信息；所述方法包括：施加控制信号至所述量子比特，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔，获得所述谐振腔输出的读取反馈信号；其中，所述控制信号用于调控所述量子态信息；接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息；基于所述频率信息优化所述量子比特读取信号。本技术通过施加控制信号对量子比特的量子态进行控制，量子比特的量子态信息的变化影响与量子比特耦合连接的谐振腔的频率信息，并通过量子比特读取信号测量谐振腔的频率信息，基于测量的频率信息优化量子比特读取信号，使得基于优化之后的量子比特读取信号获得的量子态信息精度更高。
附图说明
18.图1为本技术实施例提供的量子芯片结构图；
19.图2为本技术实施例提供的量子比特读取信号的优化方法的流程图；
20.图3为本技术实施例提供的获得读取反馈信号的方法流程图；
21.图4为本技术实施例提供的基于频谱曲线获得频率信息的方法流程图；
22.图5为本技术实施例提供的获得第一子频谱曲线和第二子频谱曲线的方法流程图；
23.图6为本技术实施例提供的包括第一子频谱曲线和第二子频谱曲线的频谱图；
24.图7为本技术实施例提供的基于相位曲线优化频率信息的方法流程图；
25.图8为本技术实施例提供的获得第一子相位曲线和第二子相位曲线的方法流程图；
26.图9为本技术实施例提供的包括第一子相位曲线和第二子相位曲线的频谱图；
27.图10为本技术实施例提供的量子比特读取信号的优化装置的结构图；
28.附图标记说明：1-量子芯片，10-第一测量模块，11-量子比特，12-谐振腔，13-控制信号线，20-第一处理模块，30-第一优化模块，601-第一子频谱曲线，602-第二子频谱曲线，901-第一子相位曲线，902-第二子相位曲线。
具体实施方式
29.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。
30.量子计算机领域，量子芯片是量子计算机的核心部件，就像cpu在传统计算机中的地位。随着量子计算相关技术的不断研究推进，量子芯片上的量子比特位数也在逐年增加，可以预见的是，后续会出现更大规模的量子芯片，用于运行复杂的量子计算任务。
31.如图1所示的量子芯片11结构，包括多个一一对应的且相互耦合的量子比特11和谐振腔12；所述量子比特11上连接控制信号线13,控制信号线13的另一端为控制端131，用于接收控制信号，调控量子比特11的量子态信息。量子比特11是由超导约瑟夫森干涉器件(squid)和对地电容形成的具有多个能级的谐振系统，谐振系统的每个能级具有对应的跃迁频率和跃迁能量，其跃迁频率值和跃迁能量均通过与量子比特11连接的控制信号线13上施加控制信号进行调控。同时通过与量子比特11耦合连接的谐振腔12对量子比特11的状态进行读取，实现对量子比特11的间接测量。
32.在量子计算领域，量子比特11的读取是借助谐振腔12和色散频移原理实现的，即量子比特11的量子态信息的改变会使得谐振腔12的频率信息发生变化，通过测量谐振腔12的频率变化量即可以测量出量子比特11的状态变化。
33.具体的，通过与量子比特11连接的控制信号线13施加控制信号调控量子比特11的量子态信息，量子比特11的量子态信息的变化会影响耦合连接的谐振腔12的频率信息。通过施加量子比特读取信号至与量子比特11耦合连接的谐振腔12，谐振腔的频率信息，并对读取到的频率信息进行处理即可获得量子比特11的量子态信息。因此，量子比特读取信号的参数对于量子态信息的读取精度十分重要，本技术发明人提出了一种优化量子比特11读信号参数的方法。
34.如图2所示，作为本技术实施例一种实施方式，，所述量子比特读取信号的优化方法包括以下步骤：
35.步骤s100：施加控制信号至所述量子比特11，并施加量子比特读取信号至所述谐振腔12，获得所述谐振腔12输出的读取反馈信号；其中，所述控制信号用于调控所述量子态信息。
36.具体的，量子比特11的量子态信息通过量子比特11连接的控制信号线13上施加的控制信号进行调控的，量子比特读取信号是施加在与量子比特11耦合连接的谐振腔12上，谐振腔的频率信息，并通过谐振腔12的频率信息获得量子比特11的量子态信息的。当施加量子比特读取信号至谐振腔12之后，可以获得谐振腔12输出的与读取信号对应的读取反馈信号。
37.步骤s200：接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息；
38.具体的，当通过施加至量子比特11的调控信号控制量子比特11的量子态信息后，谐振腔12的频率信息会随着量子比特11的量子态信息的变化而发生偏移，当在谐振腔12上施加量子比特读取信号之后，即可以获得谐振腔12输出的与量子比特读取信号对应的携带频率信息的读取反馈信号。
39.步骤s300：基于所述频率信息优化所述量子比特读取信号。
40.具体的，通过对读取反馈信号进行处理获得量子比特11处于设定量子态时的谐振腔12的频率信息。量子比特读取信号是通过与谐振腔12的共振测量出频率信息的，当获得了谐振腔12的频率信息后，即可借助频率信息对量子比特读取信号进行优化。
41.本技术所述的量子比特读取信号施加至与量子比特11耦合连接的谐振腔12，用于通过测量所述谐振腔12的频率信息获得量子比特11的量子态信息；所述方法包括：施加控制信号至所述量子比特11，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔12，获得所述谐振腔12输出的读取反馈信号；其中，所述控制信号用于调控所述量子态信息；接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息；基于所述频率信息优化所述量子比特读取信号。本技术通过施加控制信号对量子比特11的量子态进行控制，量子比特11的量子态信息的变化影响与量子比特11耦合连接的谐振腔12的频率信息，并通过量子比特读取信号测量谐振腔12的频率信息，基于测量的频率信息优化量子比特读取信号，使得基于优化之后的量子比特读取信号获得的量子态信息精度更高。
42.如图3所示，作为本技术实施例一种实施方式，所述施加控制信号至所述量子比特11，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔12，获得所述谐振腔12输出的读取反馈信号，包括以下步骤：
43.步骤s101：施加第一控制信号至所述量子比特11，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔12，获得所述谐振腔12输出的第一子读取反馈信号。
44.步骤s102：施加第二控制信号至所述量子比特11，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔12，获得所述谐振腔12输出的第二子读取反馈信号；其中，所述第一控制信号用于控制所述量子比特11处于第一量子态，所述第二控制信号用于控制所述量子比特11处于第二量子态。
45.如上面所述，量子比特11处于不同的量子态，谐振腔12的频率信息会对应变化。总所周知，目前的量子比特11系统是多能级系统，在使用时采用最低的两个能级，对应量子比特11的基态和激发态，当量子比特11的量子态在基态和激发态之间变化时，谐振腔12的频率信息的变化量是最大的。示例的，第一量子态为基态、第二量子态为激发态；或者第一量
子态为激发态、第二量子态为基态。
46.本技术发明人在实施时，通过施加第一控制信号至量子比特11，使得量子比特11处于基态，并施加量子比特读取信号至谐振腔12，获得谐振腔12输出的第一子读取反馈信号；此外，还施加第二控制信号至量子比特11，使得量子比特11处于激发态，并施加量子比特读取信号至谐振腔12，获得谐振腔12输出的第二子读取反馈信号。通过施加第一控制信号和第二控制信号分别控制量子比特11处于不同量子态，使得谐振腔12的频率信息对应变化，并在谐振腔12上施加量子比特读取信号获得携带谐振腔12频率信息的第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号。通过后续对第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号进行处理即可获得对应的频率信息。
47.如图4所示，作为本技术实施例一种实施方式，所述接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息，包括以下步骤：
48.步骤s201：基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔12的频谱曲线。
49.步骤s202：基于所述频谱曲线获得所述频率信息。
50.具体的，获得的第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号均携带谐振腔12的频率信息，通过对第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号进行处理，可以获得表征谐振腔12的频率信息的频谱曲线，并从频谱曲线中获取谐振腔12的频率信息。
51.如图5所示，作为本技术实施例一种实施方式，所述频谱曲线包括第一子频谱曲线601和第二子频谱曲线602，所述基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔12的频谱曲线，包括以下步骤：
52.步骤s2011：获得所述第一子读取反馈信号的幅度随所述量子比特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第一子频谱曲线601。
53.步骤s2012：获得所述第二子读取反馈信号的幅度随所述量子比特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第二子频谱曲线602。
54.具体的，第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号的幅度会随着量子比特读取信号的频率变化而变化，每一个量子比特读取信号的频率，都分别对应一个第一子读取反馈信号的幅度值和一个第二子读取反馈信号的幅度值，即频谱曲线包括第一子频谱曲线601和第二子频谱曲线602。
55.具体的，如图6所示的频谱曲线图，横坐标为量子比特读取信号的频率，纵坐标为幅度值。其中，第一子频谱曲线601为量子比特11上分别施加了第一控制信号，并在谐振腔12上施加了量子比特读取信号，后获得了第一子读取反馈信号的幅度随量子比特读取信号的频率变化的曲线。第二子频谱曲线602为量子比特11上分别施加了第二控制信号，并在谐振腔12上施加了量子比特读取信号，后获得了第二子读取反馈信号的幅度随量子比特读取信号的频率变化的曲线。通过对比第一子频谱曲线601和第二子频谱曲线602可以发现，当量子比特11的量子态信息不同时，谐振腔12的频谱曲线也具有明显的区别，即符合色散频移原理。
56.需要补充的是，本技术实施例在具体实施时，量子比特11的量子态信息施加第一控制信号后处于基态，即第一子频谱曲线601为量子比特11位于基态时获得的谐振腔12的频谱曲线。同理，第二频谱曲线602为量子比特11位于激发态时获得的谐振腔12的频谱曲
线。
57.如图6示，作为本技术实施例一种实施方式，所述基于所述频谱曲线获得所述频率信息，包括：确定所述第一子频谱曲线601和所述第二子频谱曲线602的交点对应的频率为所述频率信息。
58.具体的，第一子频谱曲线601和第二子频谱曲线602表征的是谐振腔12的频率信息对量子比特11的量子态信息的响应曲线。在量子比特11运行量子计算任务时，会在基态和激发态之间多次的切换，将第一子频谱曲线601和第二子频谱曲线602的交点对应的频率确定为所述频率信息，交叉点对应的读取反馈信号的幅度值是相等的，可以保证量子比特读取信号的频率确定为频率信息时，对量子比特11的量子态信息的读取更精确。
59.如图7示，作为本技术实施例一种实施方式，所述接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息，还包括以下步骤：
60.步骤s211：基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔12的相位曲线；
61.步骤s212：基于所述相位曲线获得所述频率信息。
62.具体的，获得的第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号均携带谐振腔12的频率信息，通过对第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号进行处理，可以获得表征谐振腔12的频率信息的相位曲线，并从相位曲线中获取谐振腔12的频率信息。
63.如图8示，作为本技术实施例一种实施方式，所述相位曲线包括第一子相位曲线901和第二子相位曲线902，所述基于所述第一子读取反馈信号和所述第二子读取反馈信号获得所述谐振腔12的相位曲线，包括以下步骤：
64.步骤s2111：获得所述第一子读取反馈信号的相位随所述量子比特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第一子相位曲线901。
65.步骤s2112：获得所述第二子读取反馈信号的相位随所述量子比特读取信号的频率变化的曲线，记为所述第二子相位曲线902。
66.具体的，第一子读取反馈信号和第二子读取反馈信号的相位会随着量子比特读取信号的频率变化而变化，每一个量子比特读取信号的频率，都分别对应一个第一子读取反馈信号的相位值和一个第二子读取反馈信号的相位值，即频谱曲线包括第一子相位曲线901和第二子相位曲线902。
67.具体的，如图9所示的相位曲线图，横坐标为量子比特读取信号的频率，纵坐标为相位值。其中，第一子相位曲线901为量子比特11上分别施加了第一控制信号，并在谐振腔12上施加了量子比特读取信号，后获得了第一子读取反馈信号的相位随量子比特读取信号的频率变化的曲线。第二子相位曲线902为量子比特11上分别施加了第二控制信号，并在谐振腔12上施加了量子比特读取信号，后获得了第二子读取反馈信号的相位随量子比特读取信号的频率变化的曲线。通过对比第一子相位曲线901和第二子相位曲线902可以发现，当量子比特11的量子态信息不同时，谐振腔12的相位曲线也具有明显的区别。
68.需要补充的是，本技术实施例在具体实施时，量子比特11的量子态信息施加第一控制信号后处于基态，即第一子相位曲线901为量子比特11位于基态时获得的谐振腔12的相位曲线。同理，第二子相位曲线902为量子比特11位于激发态时获得的谐振腔12的相位曲线。
69.如图9示，作为本技术实施例一种实施方式，所述基于所述相位曲线获得所述频率信息，包括：
70.确定所述第一子相位曲线901和所述第二子相位曲线902中的相位差值最大点对应的频率为所述频率信息。
71.具体的，第一子相位曲线901和第二子相位曲线902表征的是谐振腔12的频率信息对量子比特11的量子态信息的响应曲线。选择第一子相位曲线901和第二子相位曲线902中相位差之最大的点对应的频率作为量子比特读取信号的频率信息，可以保证量子比特读取信号的相位敏感度最高，保证读取的量子态信息经精准。
72.基于同一发明构思，本技术实施例提供一种量子比特读取信号的优化装置，所述量子比特读取信号施加在与量子比特11耦合连接的谐振腔12上，用于通过测量所述谐振腔12的频率信息获得量子比特11的量子态信息；所述装置包括：
73.第一测量模块10，用于施加控制信号至所述量子比特11，并施加量子比特读取信号至所述谐振腔12，获得所述谐振腔12输出的读取反馈信号；其中，所述控制信号用于调控所述量子态信息；
74.第一处理模块20，用于接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息；
75.第一优化模块30，用于基于所述频率信息优化所述量子比特读取信号。
76.基于同一发明构思，本技术实施例提供一种量子测控系统，所述测控系统上述的量子比特读取信号的优化方法对量子比特读取信号进行优化，或者包括上述的量子比特读取信号的优化装置。
77.基于同一发明构思，本技术实施例提供一种量子计算机，包括上述的量子测控系统以及量子芯片，其中，所述量子芯片包括多个一一对应的且相互耦合连接的量子比特11和谐振腔12。
78.与现有技术相比，本技术所述的量子比特读取信号施加至与量子比特耦合连接的谐振腔，用于通过测量所述谐振腔的频率信息获得量子比特的量子态信息；所述方法包括：施加控制信号至所述量子比特，并施加所述量子比特读取信号至所述谐振腔，获得所述谐振腔输出的读取反馈信号；其中，所述控制信号用于调控所述量子态信息；接收并处理所述读取反馈信号以获得所述频率信息；基于所述频率信息优化所述量子比特读取信号。本技术通过施加控制信号对量子比特的量子态进行控制，量子比特的量子态信息的变化影响与量子比特耦合连接的谐振腔的频率信息，并通过量子比特读取信号测量谐振腔的频率信息，基于测量的频率信息优化量子比特读取信号，使得基于优化之后的量子比特读取信号获得的量子态信息精度更高。
79.应理解，说明书通篇中提到的“一些实施例”、“一种实施例”、“一实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一些实施例中”、“在一种实施例中”或“在一实施方式”，未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
80.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有
的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
81.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法、装置和系统，可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块、单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
82.上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
83.另外，在本技术各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
84.本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器13(read only memory，rom)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
85.或者，本技术上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台实现资源变更的设备(可以是计算机、服务器等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、rom、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
86.以上所述，仅为本技术的实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。