一种量子态探测的方法及装置与流程

本申请涉及但不限于量子计算技术，其中涉及一种量子态探测的方法及装置。

背景技术：

1、量子态探测是量子计算和量子信息处理中至关重要的一环；量子态探测通常基于荧光光子数目的统计以及光子分布信息；通过量子态探测可以有效地提取量子比特的信息。然而，随着量子计算规模的扩大，对量子态探测的要求也越来越高，特别是在快速和高保真度的探测方面，这对于量子计算的有效实现至关重要。

2、在单量子比特的量子态探测中，光电倍增管(pmt)探测是常用的探测方法；pmt探测器具备高灵敏度和快速响应的优势，能够在短时间内检测到微弱的光信号。然而，pmt探测缺乏空间分辨能力，只能提供整体的光子计数信息；这种局限性在面对大规模量子比特探测时变得尤为明显，无法高效应对复杂的量子比特阵列。

3、为了实现大规模量子比特的量子态探测，相关技术有几种不同的方法：1、阵列pmt探测：利用多个固定间距的pmt探测单元，排列成阵列形式进行探测；虽然可以同时探测多个量子比特，但其电学串扰较大，且pmt探测单元间距固定，要求量子比特之间的距离必须严格控制；这种刚性限制使其在实际应用中不够灵活且难以扩展。2、光纤阵列探测：利用光纤阵列收集荧光光子，每根光纤对应一个pmt探测器；光纤阵列能够有效减少电学串扰；但这种方法仍受到光纤间距的限制，需要量子比特按照特定的间距排列；对于非等间距、非规则排布的二维量子比特阵列而言，依然存在不便。3、二维阵列相机探测：电子倍增电荷耦合器件(emccd)和互补金属氧化物导体器件(cmos)等相机利用二维阵列结构，可以获得量子比特阵列的详细空间分布信息，图1为相关技术量子比特所发荧光的二维分布示意图，如图1所示，一维92量子比特链所发荧光在emccd上的二维分布；这种探测方法灵活性高，能够应对任意排布的二维量子比特阵列，无论是等间距还是非规则排布，这使得二维阵列相机成为大规模量子比特探测的理想选择。

4、量子态探测通常通过累加光子数目来实现，其中暗态|0>理论上不发出荧光，即发出光子数目为0，不过由于探测过程激光照射会产生散射光被收集，因此光子数目实际上是接近0的一个数目，而亮态|1>发出荧光较多，能够通过量子态探测器收集光子。量子比特的光子分布遵循泊松分布，当亮态和暗态光子平均计数差足够大时，可以通过统计学方法区分开这两种状态，从而实现亮暗态的探测；图2为相关技术量子比特光子分布示意图，如图2所示，虚线包络为暗态光子分布，实线包络为亮态光子分布，而黑色竖线为区分亮态和暗态的阈值nth，当单次采集中光子数目大于nth即为亮态，反之，当单次采集中光子数目小于或等于nth则为暗态，这种方法在理论上具有高效性和准确性。尽管上述探测方法在理想条件下表现优异，但在实际应用中，光学成像的不完美会引入大量串扰光子；串扰光子、探测器噪声与信号光子无法有效区分，导致探测信号的信噪比下降，限制了高保真度的量子态探测。

5、综上，如何减少在实际的量子态探测过程中的串扰，提高量子态探测的保真度仍然是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、以下是对本申请详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

2、本公开实施例提供一种量子态探测的方法及装置，能够减少串扰在实际的量子态探测过程中的影响，提高量子态探测的保真度。

3、本公开实施例提供了一种量子态探测的方法，包括：

4、对量子比特阵列执行第一操作，使得任意量子比特的光子分布相互独立；

5、对经过第一操作的量子比特，校准量子比特阵列中每一个量子比特的亮态光子分布和暗态光子分布；

6、用探测激光照射需要进行量子态探测的量子比特阵列，基于每一个量子比特的亮态光子分布和暗态光子分布，根据量子比特阵列光子分布的似然函数，确定每一个量子比特的亮暗态；

7、根据确定的每一个量子比特的亮暗态，获得量子比特阵列的状态。

8、还一方面，本公开实施例还提供一种量子态探测的装置，包括：操作单元、校准单元、判定单元及确定单元；其中，

9、操作单元设置为：对量子比特阵列执行第一操作，使得任意量子比特的光子分布相互独立；

10、校准单元设置为：对经过第一操作的量子比特，校准量子比特阵列中每一个量子比特的亮态光子分布和暗态光子分布；

11、判定单元设置为：用探测激光照射需要进行量子态探测的量子比特阵列，基于每一个量子比特的亮态光子分布和暗态光子分布，根据量子比特阵列光子分布的似然函数，确定每一个量子比特的亮暗态；

12、确定单元设置为：根据确定的每一个量子比特的亮暗态，获得量子比特阵列的状态。

13、本公开实施例执行量子比特亮态和暗态光子分布校准时，每个量子比特光子分布相互独立，降低了时序复杂度；通过似然函数进行亮暗态判断，降低了串扰对量子态探测结果的影响，提高了量子态探测的保真度。

14、本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

技术特征：

1.一种量子态探测的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述任意量子比特的光子分布相互独立，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子比特阵列中每一个量子比特的亮态光子分布通过以下处理校准：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一操作包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一操作包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述量子比特阵列中每一个量子比特的暗态光子分布通过以下处理校准：

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述根据量子比特阵列光子分布的似然函数，确定每一个量子比特的亮暗态，包括：

8.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述根据量子比特阵列光子分布的似然函数，确定每一个量子比特的亮暗态，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

10.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述根据量子比特阵列光子分布的似然函数，确定每一个量子比特的亮暗态，包括：

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述获得量子比特阵列的状态之后，所述方法还包括：

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述获得量子比特阵列的状态之后，所述方法还包括：

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述获得量子比特阵列的状态之后，所述方法还包括：

14.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

15.一种量子态探测的装置，包括：操作单元、校准单元、判定单元及确定单元；其中，

技术总结
本申请公开一种量子态探测的方法及装置，包括：对量子比特阵列执行第一操作，使得任意量子比特的光子分布相互独立；对经过第一操作的量子比特，校准量子比特阵列中每一个量子比特的亮态光子分布和暗态光子分布；用探测激光照射需要进行量子态探测的量子比特阵列，基于每一个量子比特的亮态光子分布和暗态光子分布，根据量子比特阵列光子分布的似然函数，确定每一个量子比特的亮暗态；根据确定的每一个量子比特的亮暗态，获得量子比特阵列的状态。本公开实施例通过似然函数进行亮暗态判断，降低了串扰对量子态探测结果的影响，提高了量子态探测的保真度。

技术研发人员：梅全鑫,杨蒿翔,姚睿,马剑宇,曹明明
受保护的技术使用者：华翊博奥（北京）量子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/21