一种量子操控反馈系统和方法与流程

1.本发明实施例涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种量子操控反馈系统和方法。


背景技术：

2.超导量子计算需要测控系统来对量子比特进行操控，量子操控反馈系统是超导量子计算测控系统中至关重要的组成部分，实现对量子态进行读取，并基于读取结果对量子芯片的操控和反馈。
3.目前，现有技术中通过多个测控子组构成的测控网络对物理量子比特进行测量，得到物理量子比特对应的量子态，并基于量子态发送控制指令对物理量子比特进行控制。但是，现有技术中控制过程并未考虑到各物理量子比特的读取信号之间的串扰，造成量子态确定结果存在误差，降低了控制量子比特的准确性和有效性。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种量子操控反馈系统和方法，以解决微波信号中各量子比特之间的串扰，提高控制量子比特过程的准确性和有效性。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种量子操控反馈系统，包括：信号解析模块、态处理模块和波形生成模块；其中，
6.信号解析模块，用于读取超导量子芯片产生的用于表征量子比特状态的微波信号，解析所述微波信号中包含的各频率点的量子比特值，将各所述量子比特值发送至所述态处理模块；
7.态处理模块，用于接收各所述量子比特值，确定所述微波信号的各所述频率点对应的干扰信号，基于各所述干扰信号，对各所述量子比特值进行去干扰处理，基于去干扰处理后得到的量子比特值确定各所述频率点的量子比特状态，将各所述频率点的量子比特状态发送至所述波形生成模块；
8.波形生成模块，用于接收各所述频率点的所述量子比特状态，输出与所述量子比特状态对应的数字波形以对所述量子芯片进行反馈控制。
9.第二方面，本发明实施例还提供了一种量子操控反馈方法，应用于由信号解析模块、态处理模块和波形生成模块组成的量子操控反馈系统，该方法包括：
10.通过信号解析模块读取超导量子芯片产生的用于表征量子比特状态的微波信号，解析所述微波信号中包含的各频率点的量子比特值，将各所述量子比特值发送至所述态处理模块；
11.通过态处理模块接收各所述量子比特值，确定所述微波信号的各所述频率点对应的干扰信号，基于各所述干扰信号，对各所述量子比特值进行去干扰处理，基于去干扰处理后得到的量子比特值确定各所述频率点的量子比特状态，将各所述频率点的量子比特状态发送至所述波形生成模块；
12.通过波形生成模块接收各所述频率点的所述量子比特状态，输出与所述量子比特
状态对应的数字波形以对所述量子芯片进行反馈控制。
13.本发明实施例所提供的量子操控反馈系统，包括信号解析模块、态处理模块和波形生成模块，通过信号解析模块读取超导量子芯片产生的用于表征量子比特状态的微波信号，解析微波信号中包含的各频率点的量子比特值，将各量子比特值发送至态处理模块；通过态处理模块确定微波信号的各频率点对应的干扰信号，基于各干扰信号，对各量子比特值进行去干扰处理，基于去干扰处理后得到的量子比特值确定各频率点的量子比特状态，将各频率点的量子比特状态发送至波形生成模块；并由波形生成模块输出与量子比特状态对应的数字波形以对量子芯片进行反馈控制。解决了微波信号中各量子比特之间的串扰，提高了控制量子比特过程的准确性和有效性。
14.此外，本发明所提供的一种量子操控反馈方法与上述系统对应，具有同样的有益效果。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的一种量子操控反馈系统的结构图；
17.图2为本发明实施例提供的信号解析模块的结构图；
18.图3为本发明实施例提供的态处理模块的结构图；
19.图4为本发明实施例提供的一种量子操控反馈控制系统的结构图；
20.图5为本发明实施例提供的一种量子操控反馈方法的流程图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
22.另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
24.实施例一
25.图1为本发明实施例提供的一种量子操控反馈系统的结构图。如图1所示，本实施例该系统具体可包括：信号解析模块10、态处理模块11和波形生成模块12；其中，
26.信号解析模块10，用于读取超导量子芯片产生的用于表征量子比特状态的微波信号，解析微波信号中包含的各频率点的量子比特值，将各量子比特值发送至态处理模块。
27.具体的，信号解析模块10可通过模数转换器与超导量子芯片连接，超导量子芯片射出微波信号后，微波信号经过元器件进行信号放大处理后进入室温环境，经过正交解调转换为中频信号后，被模数转换器采集。模数转换器将采集到的中频信号转换为数字信号，并将该数字信号发送至信号解析模块10。需要说明的是，从超导量子芯片出射的微波信号，每个频率点对一个量子比特可通过解调微波信号以得到微波信号中包含的不同频率点对应的量子比特，并确定出各量子比特对应的频率点的时域信息，包括信号的频率、幅度和相位等。
28.态处理模块11，用于接收各量子比特值，确定微波信号的各频率点对应的干扰信号，基于各干扰信号，对各量子比特值进行去干扰处理，基于去干扰处理后得到的量子比特值确定各频率点的量子比特状态，将各频率点的量子比特状态发送至波形生成模块。
29.具体的，各频率点对应的量子比特耦合在同一条读取线路上，所以相互之间会形成串扰，为得到准确、有效的量子比特值，可通过态处理模块11去除各频率点量子比特之间的干扰信号。
30.波形生成模块12，用于接收各频率点的量子比特状态，输出与量子比特状态对应的数字波形以对量子芯片进行反馈控制。
31.可选的，波形生成模块，包括：波形参数获取单元，用于基于接收到的各频率点的量子比特状态，确定预先设定的与各量子比特状态对应的各波形参数，按照各波形参数输出数字波形以对量子芯片进行反馈控制。
32.具体的，可预先设置各频率点的量子比特状态对应的波形参数。基于获取到的各频率点的量子比特状态，相应确定出对应的波形参数。可选的，波形参数包括数字波形的频率、相位和幅度。按照波形参数对量子芯片输出数字波形。
33.本发明实施例所提供的量子操控反馈系统，包括信号解析模块、态处理模块和波形生成模块，通过信号解析模块读取超导量子芯片产生的用于表征量子比特状态的微波信号，解析微波信号中包含的各频率点的量子比特值，将各量子比特值发送至态处理模块；通过态处理模块确定微波信号的各频率点对应的干扰信号，基于各干扰信号，对各量子比特值进行去干扰处理，基于去干扰处理后得到的量子比特值确定各频率点的量子比特状态，将各频率点的量子比特状态发送至波形生成模块；并由波形生成模块输出与量子比特状态对应的数字波形以对量子芯片进行反馈控制。解决了微波信号中各量子比特之间的串扰，提高了控制量子比特过程的准确性和有效性。
34.实施例二
35.图2为本发明实施例提供的信号解析模块的结构图，如图2所示，可选的，本发明实施例提供的信号解析模块，包括：
36.数字滤波单元，用于对微波信号按照预设滤波带宽进行低通滤波，并更新微波信号。本领域技术人员可根据实际应用情况，确定滤波带宽的具体数值。本发明实施例提供的数字滤波单元滤除叠加在微波信号上的谐波信号和杂散信号。
37.示例性的，数字滤波单元包括实部滤波单元和虚部滤波单元；实部滤波单元用于对实部信号进行低通滤波处理，虚部滤波单元用于对虚部信号进行低通滤波处理。需要说明的是，实部信号具体为微波信号经过正交解调后产生的中频信号的实部信号；虚部信号具体为微波信号经过正交解调后产生的中频信号的虚部信号。
38.可选的，信号解析模块，包括：
39.数字解调单元，用于对微波信号对应的实部信号和虚部信号分别进行解调，生成各频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号；积分单元，用于获取各频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号，对频率实部信号和频率虚部信号进行时域积分计算，得到各频率点对应的实部积分结果和虚部积分结果；其中，量子比特值由实部积分结果和虚部积分结果组成，时域积分时长为微波信号的采集时长。
40.具体的，可通过确定微波信号的实部信号和虚部信号对应的信息确定中各频率点对应的量子比特值。量子比特值可理解为量子比特的幅值。
41.进一步的，在信号解析模块读取微波信号之前，可由正交调制器将微波信号正交解调为实部信号和虚部信号。其中，实部信号和虚部信号为中频信号。数字解调单元可读取中频信号的实部信号和虚部信号，并对实部信号和虚部信号分别进行解调，以得到各个频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号。基于频率实部信号和频率虚部信号确定量子比特值。
42.示例性的，微波信号中包含有10个频率点的量子比特的信息，信号解析模块中的数字解调单元接读取微波信号的实部信号v1(t)和虚部信号v2(t),可通过离散傅里叶变换的原理，确定出微波信号中各量子比特的对应的频率点的时域信息，包括幅度和相位等。。
43.具体的，可利用正余弦信号对量子比特对应的不同频点的信号进行数字解调，以得到频率实部信号和频率虚部信号；需要说明的是，频率虚部信号和频率实部信号均为直流信号；运算公式如下：
44.a
re
(t)＝v1(t)cos(ωt)-v2(t)sin(ωt)
45.a
im
(t)＝v1(t)sin(ωt)-v2(t)cos(ωt)
46.其中，a
re
(t)为频率点为ω时，解调得到的频率实部信号；a
im
(t)为频率点为ω时，解调得到的频率虚部信号，t为采集时刻。
47.进一步的，通过积分单元对各频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号进行时域积分计算，得到各频率点对应的实部积分结果和虚部积分结果，时域积分时长为微波信号的采集时长。基于实部积分结果和虚部积分结果，确定各频率点对应的量子比特值。示例性的，计算实部积分结果与虚部积分结果的平方和，对平方和开根号后的到的数值可确定为量子比特值。
48.示例性的，积分单元分别对频率实部信号和频率虚部信号进行时域上的积分运算。积分的时间长度由微波信号的采集时长来决定。积分过程如下：
49.re(a)＝∫[a
re
(t)]dt
[0050]
im(a)＝∫[a
im
(t)]dt
[0051]
其中，re(a)为对频率实部信号进行积分计算后得到的实部积分结果，im(a)为对频率虚部信号进行积分计算后得到的虚部积分结果。
[0052]
本发明实施例通过数字滤波单元对微波信号按照预设滤波带宽进行低通滤波，滤除叠加在微波信号上的谐波信号和杂散信号，提高微波信号的准确性；通过数字解调单元、对微波信号对应的实部信号和虚部信号分别进行解调，生成各频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号；并通过积分单元获取各频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号，对频率实部信号和频率虚部信号进行时域积分计算，得到各频率点对应的实部积分结果和虚
部积分结果；提高了计算过程的便捷性。
[0053]
实施例三
[0054]
图3为本发明实施例提供的态处理模块的结构图，如图3所示，可选的，态处理模块，包括：
[0055]
旋转单元，用于对实部积分结果和虚部积分结果组成的量子比特按照预设角度进行坐标系转换，以使虚部积分结果为0。具体的，量子比特在坐标系中，可将实部积分结果作为坐标系实轴数据，虚部积分结果作为虚轴数据，通过转换坐标系，可使虚部积分结果转换为0，将实部积分结果直接确定为量子比特值。此时实部积分结果可表示该量子比特对应频率点信号的模值的大小，从而避免了通过平方、开根号等复杂计算方式确定量子比特值，简化了计算步骤，能够快速、准确地计算出量子比特值。
[0056]
示例性的，设定预设角度为z，可通过如下公式进行表示：
[0057]
z＝x+iy
[0058]
其中，x为预设角度在复数平面坐标系中的横坐标值，y为预设角度在复数平面坐标系中的纵坐标值，i为虚数单位。
[0059]
对量子比特按照预设角度进行坐标系转换的转换公式如下：
[0060]vi,r
+iv
q,r
＝[re(a)+iim(a)]
×z[0061]
其中，v
i,r
为坐标系转换后得到的实部积分结果，v
q,r
为坐标系转换后得到的虚部积分结果，通过预设角度的坐标系转换后，使得v
q,r
为0。
[0062]
可选的，态处理模块，还包括：
[0063]
串扰消除单元，用于基于各频率点的各干扰信号，计算各频率点的干扰总值，基于干扰总值确定各频率点对应的补偿矩阵，将补偿矩阵与转换坐标系后得到的各频率点的实部积分结果进行相乘，以得到去干扰处理后的量子比特值。需要说明的是，此处的量子比特值，表示的是特定量子比特对应频率的信号在经过前述数据处理后得到的一个表征信号大小的数值。其数值本身并不具备具体的物理含义，只是在当前数据处理流程下产生的能够用来区分量子比特状态的数值。
[0064]
具体的，可确定各频率点对应的量子比特对当前频率点的量子比特产生的干扰信号，基于各干扰信号，计算各频率点对当前频率点的干扰总值。进一步的，可分别求出各频率点对应的干扰总值。并基于干扰总值计算补充矩阵，以解除各量子比特之间的串扰。需要说明的是，当微波信号中仅包括唯一频率点的量子比特时，则可无需进行串扰消除操作。
[0065]
示例性的，干扰信号的信号强度值可表示为σ
m,n
，表示第m个频率点的量子比特对第n个频率点的量子比特产生的干扰信号的信号强度值，m、n均为正整数。例如，当微波信号中同时输入了k个频率点的量子比特时，则k个量子比特在第1个量子比特上形成的干扰信号的干扰总值为：
[0066]
σ1＝σ
2，1
+
…
+σ
k，1
[0067]
其中，σ1表示除去第一个量子比特外，其它k-1个量子比特在第1个量子比特上形成的干扰信号的干扰总值。
[0068]
为消除对量子比特的干扰，可基于各频率点的量子比特的干扰总值确定补偿矩阵c，对由各频率点的量子比特值组成的矩阵进行乘法运算，以消除各频率点的量子比特的干扰。示例性的，频率点的数量为10，补偿矩阵可同时消除10个频率点的量子比特的干扰，其
运算表达式如下：
[0069]
(v1',v2',
…v9
',v1'0)＝c
×
(v1,v2,
…v9
,v
10
)
[0070]
其中，v1',v2',
…v9
',v
10
'分别为10个频率点的量子特征在去除干扰后的量子比特值，v1,v2,
…v9
,v
10
为10个频率点的量子特征在去除干扰前的量子比特值。
[0071]
可选的，态处理模块，还包括：
[0072]
量子态判断模块，用于获取各频率点对应的判断阈值，确定各频率点对应的量子比特值是否大于对应的判断阈值，若是，则确定频率点的量子比特状态为0态。
[0073]
具体的，可通过量子态判断模块基于消除干扰后得到的量子比特值判断各量子比特的量子态比特状态。示例性的，可预先设定判断阈值。可对于不同频率点对应的量子比特，设定不同的判断阈值。分别对量子比特值与对应的判断阈值进行比较，当量子比特值大于判断阈值时，可确定该量子比特状态为0态，相应的，当量子比特值小于判断阈值时，可确定该量子比特状态为1态，从而实现基于量子比特值，确定出量子比特状态。
[0074]
本发明实施例通过旋转单元对实部积分结果和虚部积分结果组成的量子比特按照预设角度进行坐标系转换，提高了计算过程了便捷性，减少了计算量；通过态处理模块确定微波信号的各频率点对应的干扰信号，对各量子比特值进行去干扰处理，解决了微波信号中各量子比特之间的串扰，提高了控制量子比特过程的准确性和有效性。
[0075]
实施例四
[0076]
上文中对于量子操控反馈系统对应的实施例进行了详细描述，为了使本领域技术人员进一步清楚本方法的技术方案，下文结合具体应用场景进行说明。图4为本发明实施例提供的另一种量子操控反馈系统的结构图。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
[0077]
如图4所示，dac(数模转换器)，用于将数字信号转换成模拟信号进行输出。
[0078]
adc(数模转换器)，用于将模拟信号转换成数字信号进行输出。
[0079]
恒温晶振，用于为系统提供稳定的时间基准。
[0080]
网口，为集成的网口控制芯片，用于进行网络通讯的数据通讯。
[0081]
ddr3，用于提供波形存储空间，图4中提供ddr3可提供4gb的大容量波形存储空间。
[0082]
差分放大器，用于对系统产生的任意波形进行信号调理和放大，从而满足接收端对于信号幅度的需求。
[0083]
前置放大器，用于对采集信号进行信号调理和放大，从而满足模数转换器的输入量程范围。
[0084]
数据处理/解析模块：用于根据接收数据的数据格式将其解析为参数和波形数据，将波形数据送入ddr3控制器进行缓存，将参数传输到各个模块对应的位置从而控制整个系统的工作，同时将采集的信号依次通过网口模块返回给上位机。
[0085]
触发模块，用于接收外部触发信号使系统工作，也可以通过内部触发方式触发工作。
[0086]
时钟模块，用于为系统提供工作时钟。
[0087]
ddr3控制器：用于将预设的操控量子比特的波形数据进行缓存，在工作时取出后送入awg波形生成模块，转换为可以输出的数字波形。
[0088]
网口模块：用于基于通信协议对上位机下发的数据进行解析，同时将采集的信号
发送到上位机。通信协议包括用户数据协议。
[0089]
awg波形生成模块，用于将从ddr3中取出的波形数据按照具体的波形数据协议解析成要输出的数字波形后传输给dac。波形数据协议包括波形的频率、相位和幅度等。
[0090]
adc采集模块，用于将经过外部模数转换器转换后的数字波形按照时序读取到fpga(field programmable gate array,现场可编程逻辑门阵列)中，并进行缓存，采集模块包括数模转换采集模块。
[0091]
实时处理算法模块，包括数字滤波单元、数字解调单元和积分单元，用于将采集到的微波信号中各频率点的信号解调出来，得到其相位和幅度的信息。具体的，数字滤波模块为滤波带宽可配置的fir低通滤波器，可以对输入信号进行滤波，滤除叠加在微波信号上的谐波和杂散信号。
[0092]
态处理/判断模块，包括旋转单元、串扰消除单元和态判断单元。旋转模块将积分单元得到的量子比特在复平面上进行旋转，得到量子态为1态和0态时对应的量子比特值。串扰消除单元用于通过矩阵运算消除了同一条量子读取线路上耦合的量子比特之间的串扰。量子态判断单元，用于根据消除串扰后的量子比特值，确定对应的量子比特状态，从而可以将量子比特状态发送到波形生成模块，实现快速的波形反馈。
[0093]
可选的，信号解析模块和态处理模块，集成于同一块现场可编程逻辑门阵列。由于集成在同一片现场可编程逻辑门阵列，可以进行根据量子态的判断结果对于波形输出进行即时的切换和调节，实现快速的反馈控制。
[0094]
本发明实施例所提供的量子操控反馈系统，防止微波信号中各量子比特之间的串扰，提高了控制量子比特过程的准确性和有效性。
[0095]
实施例五
[0096]
图5为本发明实施例提供的量子操控反馈方法的流程图，该方法与上述各实施例的量子操控反馈系统属于同一个发明构思，在量子操控反馈方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述量子操控反馈系统的实施例。该方法应用于由信号解析模块、态处理模块和波形生成模块组成的量子操控反馈系统，包括：
[0097]
s101、通过信号解析模块读取超导量子芯片产生的用于表征量子比特状态的微波信号，解析微波信号中包含的各频率点的量子比特值，将各量子比特值发送至态处理模块。
[0098]
s102、通过态处理模块接收各量子比特值，确定微波信号的各频率点对应的干扰信号，基于各干扰信号，对各量子比特值进行去干扰处理，基于去干扰处理后得到的量子比特值确定各频率点的量子比特状态，将各频率点的量子比特状态发送至波形生成模块。
[0099]
s103、通过波形生成模块接收各频率点的量子比特状态，输出与量子比特状态对应的数字波形以对量子芯片进行反馈控制。
[0100]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，包括：通过数字解调单元对微波信号对应的实部信号和虚部信号分别进行解调，生成各频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号；通过积分单元获取各频率点对应的频率实部信号和频率虚部信号，对频率实部信号和频率虚部信号进行时域积分计算，得到各频率点对应的实部积分结果和虚部积分结果；其中，量子比特值由实部积分结果和虚部积分结果组成，时域积分时长为微波信号的采集时长。
[0101]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，包括：通过数字滤波单元
对微波信号按照预设滤波带宽进行低通滤波，并更新微波信号。
[0102]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，包括：通过旋转单元对实部积分结果和虚部积分结果组成的量子比特按照预设角度进行坐标系转换，以使虚部积分结果为0。
[0103]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，还包括：
[0104]
通过串扰消除单元基于各频率点的各干扰信号，计算各频率点的干扰总值，基于干扰总值确定各频率点对应的补偿矩阵，将补偿矩阵与转换坐标系后得到的各频率点的实部积分结果进行相乘，以得到去干扰处理后的量子比特值。
[0105]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，还包括：
[0106]
通过量子态判断模块获取各频率点对应的判断阈值，确定各频率点对应的量子比特值是否大于对应的判断阈值，若是，则确定频率点的量子比特状态为0态。
[0107]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，包括：
[0108]
通过波形参数获取单元基于接收到的各频率点的量子比特状态，确定预先设定的与各量子比特状态对应的各波形参数，按照各波形参数输出数字波形以对量子芯片进行反馈控制。
[0109]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，波形参数包括数字波形的频率、相位和幅度。
[0110]
在本发明实施例中任一可选技术方案的基础上，可选的，信号解析模块和态处理模块，集成于相同的现场可编程逻辑门阵列。
[0111]
本发明实施例所提供的量子操控反馈方法，通过信号解析模块读取超导量子芯片产生的用于表征量子比特状态的微波信号，解析微波信号中包含的各频率点的量子比特值，将各量子比特值发送至态处理模块；通过态处理模块确定微波信号的各频率点对应的干扰信号，基于各干扰信号，对各量子比特值进行去干扰处理，基于去干扰处理后得到的量子比特值确定各频率点的量子比特状态，将各频率点的量子比特状态发送至波形生成模块；并由波形生成模块输出与量子比特状态对应的数字波形以对量子芯片进行反馈控制。解决了微波信号中各量子比特之间的串扰，提高了控制量子比特过程的准确性和有效性。
[0112]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。