一种量子芯片反馈控制方法与流程

本发明属于量子芯片控制领域，特别是一种量子芯片反馈控制方法。

背景技术：

量子芯片是实现量子计算的核心结构，量子芯片是由大量量子比特构成的，每个量子比特由设置在量子芯片上的特定硬件电路构成，每个量子比特具备至少两个可区分的逻辑状态，基于量子程序，量子比特的逻辑状态可以发生可控变化，进而实现量子计算。

由于当前阶段量子芯片上量子比特的集成度还不够高，导致很多量子程序无法被完整实现。为了在当前有限的量子芯片上实现并验证更多的量子程序，可以通过对量子比特进行循环利用实现。

为实现量子比特的循环利用，需要能够实时读取量子比特的逻辑状态，并实施反馈控制。本申请提供一种量子芯片反馈控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种量子芯片反馈控制方法，以解决现有技术中的不足，它能够辅助提高了量子比特的循环利用效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种量子芯片反馈控制方法，其中，包括以下步骤：

主控模块控制信号生成模块输出量子比特控制信号；其中：所述量子比特控制信号用于作用在量子芯片的量子比特上改变量子比特的逻辑状态；

所述量子比特响应所述量子比特控制信号，所述量子比特的逻辑状态改变；

所述主控模块控制量子比特读取检测模块输出量子比特读取检测信号；其中：所述量子比特读取检测信号用于作用在量子芯片的量子比特上读取量子比特的逻辑状态；

所述量子比特响应所述量子比特读取检测信号并输出携带量子比特的逻辑状态信息的量子比特读取回传信号；

所述主控模块控制量子比特读取检测模块采集所述量子比特读取回传信号，并同时发送所述量子比特读取回传信号至所述主控模块，所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态；

所述主控模块根据所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态的一致性决定是否调整所述量子比特控制信号；当所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态一致性时，则所述主控模块维持控制所述信号生成模块输出的所述量子比特控制信号不变。

如上所述的量子芯片反馈控制方法，其中，优选的是，所述主控模块控制信号生成模块输出量子比特控制信号，具体包括：所述主控模块接收上位机发送的指令，所述指令与上位机内加载的量子程序一一对应；所述主控模块根据所述指令生成并输出所述信号控制指令给信号生成模块；所述信号生成模块依据接收的所述信号控制指令输出所述量子比特控制信号。

如上所述的量子芯片反馈控制方法，其中，优选的是，所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态，具体包括：将所述量子比特读取回传信号借助第一解调基准信号转化为正交平面坐标系的一待分析坐标点；其中，第一解调基准信号为正弦解调基准信号和/或余弦解调基准信号；根据所述待分析坐标点与正交平面坐内的预设直线的位置关系获得量子比特逻辑状态；其中：所述预设直线的一侧代表第一已知量子比特逻辑状态，所述预设直线的另一侧代表第二已知量子比特逻辑状态，所述第一已知量子比特逻辑状态为|0>或|1>，则所述第二已知量子比特逻辑状态为|1>或|0>。

如上所述的量子芯片反馈控制方法，其中，优选的是，所述预设直线的获得方法如下：获取量子比特处于处于量子比特逻辑状态|0>时的量子比特读取回传信号为第一信号，获取量子比特处于处于量子比特逻辑状态|1>时的量子比特读取回传信号为第二信号；将所述第一信号和所述第二信号分别借助所述第一解调基准信号转化为正交平面坐标系的第一已知坐标点和第二已知坐标点；确定所述第一已知坐标点和所述第二已知坐标点的连线的中垂线为所述预设直线。

如上所述的量子芯片反馈控制方法，其中，优选的是，当所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态不一致性时，且所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态之间的偏差在预设偏差范围之内，则根据所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态之间的偏差，所述主控模块控制信号生成模块调整所述量子比特控制信号。

如上所述的量子芯片反馈控制方法，其中，优选的是，当所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态不一致性时，且所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态之间的偏差不在预设偏差范围之内，则所述主控模块控制信号生成模块不再继续输出量子比特控制信号。

如上所述的量子芯片反馈控制方法，其中，优选的是，所述主控模块控制信号生成模块调整所述量子比特控制信号，或者所述主控模块控制信号生成模块不再继续输出量子比特控制信号的同时，还包括：所述主控模块按需发送所述量子比特读取回传信号至上位机。

如上所述的量子芯片反馈控制方法，其中，优选的是，所述量子比特读取检测模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态的同时，还包括：存储所述量子比特读取回传信号，并按需发送所述量子比特读取回传信号至主控模块。

与现有技术相比，本发明通过主控模块控制信号生成模块输出量子比特控制信号，量子比特控制信号作用在量子芯片的量子比特上改变量子比特的逻辑状态，然后所述主控模块控制量子比特读取检测模块输出量子比特读取检测信号，所述量子比特读取检测信号作用在量子芯片的量子比特上读取量子比特的逻辑状态；所述量子比特接收并响应所述量子比特控制信号至输出携带量子比特的逻辑状态信息的量子比特读取回传信号；所述主控模块控制量子比特读取检测模块采集所述量子比特读取回传信号，并且同时发送所述量子比特读取回传信号至所述主控模块；在主控模块的控制下，量子比特读取回传信号边采集边发送，确保信号的快速传输，而所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态；之后所述主控模块根据所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态的一致性决定是否调整所述量子比特控制信号；当所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态一致性时，则所述主控模块维持输出所述量子比特控制信号不变，确保了量子比特的循环利用。

同时，该过程中，一方面量子比特读取回传信号边采集边发送，确保信号的快速传输，而所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态，共同缩短了反馈时间。另一方面，该过程中将量子比特读取回传信号转化为量子比特逻辑状态信息，然后和量子比特预设逻辑状态进行比对，由于量子比特逻辑状态和量子比特预设逻辑状态均是基态或组合态，基态，例如|0>、|1>，对两量子比特组合态，例如|01>、|00>、|10>等，量子基态和量子组合态均是在信号表示中均是简单的表示，一方面，比对起来更高效，可以辅助缩短反馈时间；另一方面，比对起来准确度高。整个过程缩短反馈时间的思想指导下，通过每个量子比特控制信号导致的量子比特逻辑状态变化的结构检测，确保了量子比特控制信号的检测，进而有效提高了量子比特的循环利用效率。

附图说明

图1是本发明提供的量子芯片反馈控制方法流程示意图；

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种量子芯片反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤s1：主控模块控制信号生成模块输出量子比特控制信号。

具体的，主控模块为基于fpga的可编程控制芯片，内部可以配置用户逻辑模块、数据存储模块、数据处理模块内等，通过用户逻辑模块编辑用于控制信号生成模块的控制指令和控制参数，例如：控制指令为待生成量子比特控制信号的生成时间等，控制参数为待生成量子比特控制信号的波形形状参数(例如幅度、频率、初相位等)和波形长度参数(例如波形播放时间等)。通过数据存储模块，例如大容量ddr存储器，可以实现数据的缓存；通过数据处理模块可以实现数据的在主控模块内的实时处理，fpga可编程控制芯片内置的数据处理模块在实时处理数据时，一方面可以借助fpga的并行高速处理能力，另一方面可以借助数据处理模块中加载的用户逻辑子模块实现数据的按需处理。

特别的，所述量子比特控制信号用于作用在量子芯片的量子比特上改变量子比特的逻辑状态。

具体的，本实施例所述的量子比特为设置在量子芯片上的有超导量子干涉仪及与该超导量子干涉仪连接的电容组成的超导量子比特，根据量子芯片的超导量子比特的运行原理可知，作用在量子芯片的量子比特上改变量子比特的逻辑状态子比特控制信号可以为直流信号、射频信号之一或者其组合。详细的，直流信号用于设置超导量子比特的初始状态，用于生成直流信号的信号生成模块为直流信号模块；射频信号为对应量子逻辑门操作的模拟信号，用于生成射频信号的信号生成模块为任意波形发生器模块。

特别的，主控制模块可与上位机之间通过lan线进行双向通讯，一方面，可以接收上位机发送的信息，另一方面，可按需向上位机发送信息。通过上位机的配合，可以实现基于fpga的可编程控制芯片和上位机两者资源的合理分配，进而实现信息的有效处理和存储。

具体的，上位机内可以加载与量子程序一一对应的指令，并把该指令通过lan线发送给上位机，所述主控模块接收上位机发送的指令，并根据所述指令生成并输出所述信号控制指令给信号生成模块；所述信号生成模块依据接收的所述信号控制指令输出所述量子比特控制信号。

步骤s2：所述量子比特响应所述量子比特控制信号，所述量子比特的逻辑状态改变。

具体的，由于本实施例所述的量子比特为设置在量子芯片上的有超导量子干涉仪及与该超导量子干涉仪并联的电容组成的超导量子比特，当量子比特控制信号作用在超导量子比特上时，即作用在超导量子干涉仪及与该超导量子干涉仪连接的电容组成的硬件电路上，该硬件电路上流经超导量子干涉仪以及电容的超导电流发生变化，进而超导量子比特的逻辑状态发生变化。

步骤s3：所述主控模块控制量子比特读取检测模块输出量子比特读取检测信号，其中：所述量子比特读取检测信号用于作用在量子芯片的量子比特上读取量子比特的逻辑状态。

具体的，量子比特读取检测模块有两部分组成：一部分为量子比特读取检测信号的提供模块，该模块在主控模块的控制下输出量子比特读取检测信号，主控模块的控制包括但不限于主控模块对量子比特读取检测信号的提供模块提供触发指令、信号参数信息等；另一部分为所述量子比特读取回传信号的采集模块，两者为集成模块，均连接主控模块。

2骤s4：所述量子比特响应所述量子比特读取检测信号并输出携带量子比特的逻辑状态信息的量子比特读取回传信号。

步骤s5：所述主控模块控制量子比特读取检测模块采集所述量子比特读取回传信号，且同时发送所述量子比特读取回传信号至所述主控模块，所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态。

具体的，为实现所述量子比特读取回传信号的采集及实时上传，可以通过在fpga内部或者外围集成高性能的模数转化器实现量子比特读取回传信号的及时采集。同时，可以通过在fpga内置的用户逻辑模块进行量子比特读取回传信号的处理。

步骤s6：所述主控模块根据所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态的一致性决定是否调整所述量子比特控制信号；当所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态一致性时，则所述主控模块维持控制所述信号生成模块输出的所述量子比特控制信号不变。

以上过程中，为实现受限于量子比特退相干性特性限制的量子比特的循环利用控制，一方面量子比特读取回传信号边采集边发送，确保信号的快速传输，而所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态，共同缩短了反馈时间。另一方面，该过程中将量子比特读取回传信号转化为量子比特逻辑状态信息，然后和量子比特预设逻辑状态进行比对，由于量子比特逻辑状态和量子比特预设逻辑状态均是基态或组合态，基态，例如|0>、|1>，两量子比特的组合态，例如|01>、|00>等，量子基态和量子组合态均是在信号表示中均是简单的表示，一方面，比对起来更高效，可以辅助缩短反馈时间；另一方面，比对起来准确度高。整个过程缩短反馈时间的思想指导下，通过每个量子比特控制信号导致的量子比特逻辑状态变化的结构检测，确保了量子比特控制信号的检测，进而有效提高了量子比特的循环利用效率。

作为本实施例的优选技术方案，步骤s5中所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态，具体包括：

步骤s51：将所述量子比特读取回传信号借助第一解调基准信号转化为正交平面坐标系的一待分析坐标点；其中，第一解调基准信号为正弦解调基准信号和/或余弦解调基准信号。

步骤s52：根据所述待分析坐标点与正交平面坐内的预设直线的位置关系获得量子比特逻辑状态；其中：所述预设直线的一侧代表第一已知量子比特逻辑状态，所述预设直线的另一侧代表第二已知量子比特逻辑状态；其中:所述第一已知量子比特逻辑状态为|0>或|1>，则所述第二已知量子比特逻辑状态为|1>或|0>。

具体的，所述预设直线的一侧代表第一已知量子比特逻辑状态|0>，所述预设直线的另一侧代表第二已知量子比特逻辑状态|1>，或所述预设直线的一侧代表第一已知量子比特逻辑状态|1>，所述预设直线的另一侧代表第二已知量子比特逻辑状态|0>，是和预设直线的自身特性相关的。

具体的，所述预设直线的获得方法包括：

步骤s521：获取量子比特处于处于量子比特逻辑状态|0>时的量子比特读取信号为第一信号，获取量子比特处于处于量子比特逻辑状态|1>时的量子比特读取信号为第二信号.

步骤s522：将所述第一信号和所述第二信号分别借助所述第一解调基准信号转化为正交平面坐标系的第一已知坐标点和第二已知坐标点。

步骤s523：确定所述第一已知坐标点和所述第二已知坐标点的连线的中垂线为所述预设直线。

此时，第一已知坐标点所在的预设直线一侧代表量子比特逻辑状态|0>，第二已知坐标点所在的预设直线一侧代表量子比特逻辑状态|1>。

另外，在所述主控模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态的整个过程中，可以通过选择第一解调基准信号的初始相位使得第一已知坐标点和第二已知坐标点两者的纵坐标值相等或两者的横坐标值相等。当第一已知坐标点和第二已知坐标点两者的纵坐标值相等时，所述第一已知坐标点和所述第二已知坐标点的连线的中垂线为平行平面直角坐标系的y轴的直线。当第一已知坐标点和第二已知坐标点两者横纵坐标值相等时，所述第一已知坐标点和所述第二已知坐标点的连线的中垂线为平行平面直角坐标系的x轴的直线。

需要说明的是，当预设直线为平行平面直角坐标系的x轴或y轴的直线时对应的第一解调基准信号的初始相位是经过校准的。此时，借助初相位经过校准的第一解调基准信号对量子比特读取回传信号进行解调获得解调结果时，可以针对性的获得待分析坐标点的x坐标值或坐标点的y坐标值即可。

前者，即只获得待分析坐标点的x坐标值，需要借助正弦解调基准信号即可实现，因此，此时第一解调基准信号为正弦解调基准信号。另外，只获得待分析坐标点的x坐标值适合预设直线为平行平面直角坐标系的y轴的直线的情况，即x＝a的直线方程，此时，只需直接比较待分析坐标点的x坐标值与a的大小关系即可。其中，a为表示预设直线位置的常数。

而后者，即只获得待分析坐标点的y坐标值，需要借助余弦解调基准信号即可实现，因此，此时第一解调基准信号为余弦解调基准信号。另外，只获得待分析坐标点的x坐标值适合预设直线为平行平面直角坐标系的x轴的直线的情况，即y＝b的直线方程，此时，只需直接比较待分析坐标点的y坐标值与b的大小关系即可。其中，b为表示预设直线位置的常数。

作为本实施例的优选技术方案，当所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态不一致性时，且所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态之间的偏差在预设偏差范围之内，则根据所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态之间的偏差，所述主控模块控制信号生成模块调整所述量子比特控制信号。通过根据所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态之间的偏差调整所述量子比特控制信号可以实现量子比特的实时纠错处理，为量子比特的循环利用提供了保证。

作为本实施例的优选技术方案，当所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态不一致性时，且所述量子比特逻辑状态与量子比特预设逻辑状态之间的偏差不在预设偏差范围之内，则所述主控模块控制信号生成模块不再继续输出量子比特控制信号，且所述主控模块发送所述量子比特读取回传信号至上位机。

作为本实施例的优选技术方案，所述主控模块控制信号生成模块调整所述量子比特控制信号，或者所述主控模块控制信号生成模块不再继续输出量子比特控制信号的同时，还包括：所述主控模块按需发送所述量子比特读取回传信号至上位机。

作为本实施例的优选技术方案，所述量子比特读取检测模块实时处理所述量子比特读取回传信号获得量子比特逻辑状态的同时，还包括：存储所述量子比特读取回传信号，并按需发送所述量子比特读取回传信号至主控模块。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，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。