一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法与流程
本发明涉及量子计算机技术领域，尤其涉及一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法。
背景技术：
基于量子态叠加与纠缠的量子计算机，在解决密码分析、海量搜索等一些特定问题上具有经典计算机无法比拟的优势，因而在密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等许多领域具有巨大潜力，吸引了各国政府以及许多大型科技公司投入研究并发布研究计划。
目前，可以作为实现量子计算的物理体系有光学系统、离子阱、量子点、超导量子电路等许多体系。其中，基于约瑟夫森(josephson)效应的量子电路，由于其在可操控性和可扩展性等方面的优势，成为国际上公认的有望实现量子计算的几个物理载体之一，并以量子比特作为基本单元来构造量子计算机中央处理器。
量子计算机中央处理器作为量子计算机的核心，能够执行单量子比特、双量子比特通用量子门操作以及多量子比特的并行操作，从而能够完成通用量子计算的任务。然而，要有效地完成这些任务，高保真度的操作是不可缺少的根本保障之一。对于超导电荷量子比特系统来说，能够真正实现量子比特之间高保真度操作的最有效耦合，是量子比特之间直接通过电容器耦合的这种方式。实验上首次实现两超导电荷量子比特耦合的方案以及到目前为止保真度最高的多个超导电荷量子比特耦合的方案，都是以电容器直接耦合量子比特的方式来实现的。
但是，目前为止直接通过电容耦合的这类方案都只能将最近邻的量子比特耦合起来，都没法实现非最近邻量子比特之间以及任意量子比特之间的耦合，因而无法实现通用量子计算。然而，目前能够实现非近邻量子比特之间耦合的方案，都是以量子总线为公共媒介来实现的，常见的有传输线腔和lc谐振腔等形式的量子总线。而这些通过量子总线耦合的方式，其保真度与电容直接耦合相比要低很多，特别是三个以上的多量子比特耦合时，量子比特间的交互作用形成的干扰很大，多量子比特系统经多次耦合操作后得到的量子态保真度较低。
因此，寻找既有高保真度的最佳耦合方式，又能实现任意两量子比特之间的耦合操作以及多量子比特之间的并行耦合操作的量子计算机中央处理器方案，就成了制造通用量子计算机的关键与核心问题。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种通用量子计算机中央处理器操纵方法，能解决任意两量子比特之间的耦合操作以及多量子比特之间的并行耦合操作，多对两量子比特之间耦合的并行操作以及多组多量子比特之间耦合的并行操作，且耦合得到的量子态保真度较高。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其在由一量子比特及其对应相连的耦合电容器为基本单位形成中央处理器的量子计算机上实现，且所有的基本单位均通过其对应的耦合电容器连接于同一点，所述方法包括以下步骤：
步骤s1、通过调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量及各量子比特的门电压将各量子比特均制备到初始状态，实现各量子比特间耦合都初始为0；
步骤s2、选择当前量子比特耦合模式；其中，所述量子比特耦合模式包括任意一对两量子比特间耦合模式、任意一组多量子比特间并行耦合模式、多对两量子比特间并行耦合模式以及多组多量子比特间并行耦合模式；
步骤s3、根据所选的当前量子比特耦合模式，确定待耦合连通的量子比特，并对所述待耦合连通的量子比特分别进行相应的外磁通量调节；
步骤s4、选择下一步操作，并根据所选的当前操作，确定对各量子比特的具体操纵；其中，所述下一步操作包括：继续下一步耦合操作、进行单量子比特操作、联合测量一系列操作后所得量子态的结果。
其中，所述步骤s1具体包括：
调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量使得任意两量子比特的有效约瑟夫森能与二者的耦合能均满足能满足|eji±ejj|＞＞eij，从而断开各量子比特间的耦合；其中，eji为第i个量子比特的有效约瑟夫森能；ejj为第j个量子比特的有效约瑟夫森能；eij为第i、j两量子比特间形成的耦合能；
待各量子比特制备到初始状态后，调节各量子比特的门电压，使得各量子比特的门电压均满足
其中，所述步骤s3具体包括：
当所选的当前量子比特耦合模式为任意一对两量子比特间耦合模式时，确定待耦合连通的两量子比特；
保持所述待耦合连通的两量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述待耦合连通的两量子比特之中其另一的外磁通量，使二者都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续量子门操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
其中，所述步骤s3还具体进一步包括：
当所选的当前量子比特耦合模式为任意一组多量子比特间并行耦合模式时，确定待耦合连通的多量子比特；
保持所述待耦合连通的多量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述待耦合连通的多量子比特之中除保持外磁通量不变之外的量子比特的外磁通量，使所述待耦合连通的多量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
其中，所述步骤s3还具体进一步包括：
当所选的当前量子比特耦合模式为多对两量子比特间并行耦合模式时，确定多对中各自分别对应的待耦合连通的两量子比特；
分别保持所述每一对中待耦合连通的两量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述每一对中待耦合连通的两量子比特之中其另一的外磁通量，使得同一对中待耦合连通的两量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
其中，所述步骤s3还具体进一步包括：
当所选的当前量子比特耦合模式为多组多量子比特间并行耦合模式时，确定多组中各自分别对应的待耦合连通的多量子比特；
分别保持所述每一组中待耦合连通的多量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述每一组中待耦合连通的多量子比特之中除保持外磁通量不变之外的量子比特的外磁通量，使得同一组中待耦合连通的多量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
其中，所述步骤s4具体包括：
当所选的当前量子比特操作模式为继续下一步耦合操作时，返回步骤s2继续操作。
其中，所述步骤s4还具体进一步包括：
当所选的当前量子比特操作模式为进行单量子比特操作时，选定所需要操作的量子比特，调节其外磁通和门电压来实现所需要的单量子比特操作；完成单量子比特操作后，调节其门电压满足
其中，所述步骤s4还具体进一步包括：
当所选的当前量子比特操作模式为联合测量一系列操作后所得量子态的结果时，直接对各量子比特进行联合测量。
其中，所述量子比特为超导电荷量子比特、transmon量子比特、xmon量子比特之中其一。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明实现了任意量子比特之间直接以电容器相耦合的通用纠缠量子门操作，且量子比特之间的耦合强度只需要改变耦合电容器的电容就可按需任意设计和调节，使得量子比特中央处理器具备高效的通用量子计算功能；
2、本发明避免了通过量子总线作为媒介来实现耦合的这一中间环节，使得量子比特间的耦合更高效且可以具有更高的保真度，不仅可以实现最近邻量子比特间以及任意非近邻量子比特之间的耦合，还可以实现多对量子比特并行耦合操作以及多组量子比特(每一组量子比特数在3个以上)的并行耦合操作，这些耦合操作保证了通用量子计算的实现；
3、本发明通过在保持量子比特门电压不变的情况下，仅仅利用调节量子比特的外磁通量，就可以在旋波近似下实现了任意量子比特之间耦合的接通和断开，使得量子计算的操纵简单方便，同时由于操作次数的减少而使得操作带来的错误或消息干减少，从而保证了通用量子计算有较高的保真度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种量子计算机中央处理器的连接结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种量子计算机中央处理器的操纵方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了寻找既有高保真度的最佳耦合方式，又能实现任意两量子比特之间的耦合操作以及多量子比特之间的并行耦合操作的通用量子计算机中央处理器方案，发明人将中央处理器设计为以一量子比特及其对应相连的耦合电容器为基本单位，并将所有的基本单位均通过其对应的耦合电容器直接连接于同一点的连接结构，即如图1所示的将一系列电容器的一端直接连接于同一点，每个电容器的另一端分别与一个量子比特直接连接，使得任意量子比特两两之间以及多量子比特之间，都可以经电容器来直接耦合。图1中由于公共电感很小，从而由lc谐振子引起的量子比特之间的耦合很小，近似可以忽略不计，因此基于以上电路结构，发明人设计出一种联合控制各个量子比特的门电压和外磁通量的方法来实现任意量子比特之间耦合的断开与开通。该方法能够将需要进行耦合操作的量子比特之间的耦合开通，能够将需要并行进行耦合操作的多组量子比特的每一组之中的量子比特之间的耦合开通而将不同组的量子比特之间的耦合断开，与此同时能够将不需要进行耦合操作的量子比特与自身以外的所有其它量子比特之间的耦合都断开，使得其处于闲置状态而对所有其它量子比特不产生影响。
从图1中可以看出，具有n个量子比特q1，q2，...，qn，每个量子比特的约瑟夫森结电容分别为c1，c2，...，cn，每个量子比特的有效约瑟夫森能分别为ej1，ej2，...，ejn，每个量子比特分别与耦合电容cm1，cm2，...,cmn相连接，驱动电源分别通过门电容cg1，cg2，...，cgn驱动每个量子比特并提供门电压vg1，vg2，...，vgn，每个量子比特约瑟夫森结上的电压分别记为v1，v2，...,vn，穿过每个量子比特的外磁通量分别为φe1，φe2，...,φen。则图1的n量子比特系统的哈密顿量为：
其中，
应当说明的是，量子比特可以为超导电荷量子比特，也可以为transmon量子比特或xmon量子比特。若量子比特是transmon量子比特或xmon量子比时，则每个量子比特还要各自并联一个大电容ct1，ct2，...,ctn。
将(1)式以两个cooper对数态0i和1i为基(cooper对数态满足本征方程
其中，eji是第i个量子比特的有效约瑟夫森能，eij为量子比特i、j之间的耦合能，σxi，σzi为第i个量子比特的泡利算符。如果没有相互作用，则式(2)的哈密顿量变为
将式(2)哈密顿量转换到关于h0的相互作用绘景中。当满足条件(a)|eji±ejj|＞＞eij时，在旋波近似下量子比特i、j之间的相互作用哈密顿量为零，即它们之间的耦合被断开；当满足条件(b)ejk+ejl＞＞ekl,且ejk-ejl＝0时，在旋波近似下量子比特k、l之间的相互作用哈密顿量为
所以，当调节每个量子比特的外磁通量时，使得任意两量子比特之间要么满足上述条件(a)，要么满足上述条件(b)，这时相互作用绘景中系统的哈密顿量为：
对于量子比特k、l的量子态
其中，θkl＝eklt/4h，t为量子门操作时间。
因此，量子比特之间满足上述条件(a)时，它们之间的耦合就断开，满足上述条件(b)时，它们之间的耦合就被开通。
要注意式(1)中的有效约瑟夫森能eji满足如式(4)的关系，即通过式(4)可以得到每个量子比特的有效约瑟夫森能eji：
其中，
因此，如图2所示，发明人基于图1中量子电路(该量子电路以一量子比特及其对应相连的耦合电容器为基本单位，且所有的基本单位均通过其对应的耦合电容器直接连接于同一点)形成中央处理器的量子计算机的基础上，提出了一种量子计算机中央处理器量子电路的操纵方法，所述方法包括以下步骤：
步骤s1、通过调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量及各量子比特的门电压将各量子比特均制备到初始状态，实现各量子比特间耦合都初始为0；
步骤s2、选择当前量子比特耦合模式；其中，所述量子比特耦合模式包括任意一对两量子比特间耦合模式、任意一组多量子比特间并行耦合模式、多对两量子比特间并行耦合模式以及多组多量子比特间并行耦合模式；
步骤s3、根据所选的当前量子比特耦合模式，确定待耦合连通的量子比特，并对所述待耦合连通的量子比特分别进行相应的外磁通量调节；
步骤s4、选择下一步操作，并根据所选的当前操作，确定对各量子比特的具体操纵；其中，所述下一步操作包括：继续下一步耦合操作、进行单量子比特操作、联合测量一系列操作后所得量子态的结果。
具体过程为，在步骤s1中，调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量使得任意两量子比特的有效约瑟夫森能与二者的耦合能均满足能满足|eji±ejj|＞＞eij，从而断开各量子比特间的耦合；其中，eji为第i个量子比特的有效约瑟夫森能；ejj为第j个量子比特的有效约瑟夫森能；eij为第i、j两量子比特间形成的耦合能；
待各量子比特制备到初始状态后，调节各量子比特的门电压，使得各量子比特的门电压均满足
在步骤s2中，可以选择量子比特耦合模式来实现最近邻量子比特间以及任意非近邻量子比特之间的耦合，还可以实现多对量子比特并行耦合操作以及多组量子比特(每一组量子比特数在3个以上)的并行耦合操作。
在步骤s3中，根据步骤s2所选的当前量子比特耦合模式，通过式(2)的原理调节外磁通量来实现，具体耦合模式的实现步骤具体如下：
(1)当所选的当前量子比特耦合模式为任意一对两量子比特间耦合模式时，确定待耦合连通的两量子比特；保持所述待耦合连通的两量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述待耦合连通的两量子比特之中其另一的外磁通量，使二者都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续量子门操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
(2)当所选的当前量子比特耦合模式为任意一组多量子比特间并行耦合模式时，确定待耦合连通的多量子比特；保持所述待耦合连通的多量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述待耦合连通的多量子比特之中除保持外磁通量不变之外的量子比特的外磁通量，使所述待耦合连通的多量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
(3)当所选的当前量子比特耦合模式为多对两量子比特间并行耦合模式时，确定多对中各自分别对应的待耦合连通的两量子比特；分别保持所述每一对中待耦合连通的两量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述每一对中待耦合连通的两量子比特之中其另一的外磁通量，使得同一对中待耦合连通的两量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
(4)当所选的当前量子比特耦合模式为多组多量子比特间并行耦合模式时，确定多组中各自分别对应的待耦合连通的多量子比特；
分别保持所述每一组中待耦合连通的多量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述每一组中待耦合连通的多量子比特之中除保持外磁通量不变之外的量子比特的外磁通量，使得同一组中待耦合连通的多量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；
持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。
在步骤s4中，根据所选的当前操作模式，通过式(1)至式(3)的原理分别调节外磁通量和门电压来实现，具体操作模式的实现步骤如下：
(1)当所选的当前操作为继续下一步耦合操作时，返回步骤s2继续操作。
(2)当所选的当前量子比特操作模式为进行单量子比特操作时，选定所需要操作的量子比特，调节其外磁通和门电压来实现所需要的单量子比特操作；完成单量子比特操作后，调节其门电压满足
(3)当所选的当前量子比特操作模式为联合测量一系列操作后所得量子态的结果时，直接对各量子比特进行联合测量。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明实现了任意量子比特之间直接以电容器相耦合的通用纠缠量子门操作，且量子比特之间的耦合强度只需要改变耦合电容器的电容就可按需任意设计和调节，使得量子比特中央处理器具备高效的通用量子计算功能；
2、本发明避免了通过量子总线作为媒介来实现耦合的这一中间环节，使得量子比特间的耦合更高效且可以具有更高的保真度，不仅可以实现最近邻量子比特间以及任意非近邻量子比特之间的耦合，还可以实现多对量子比特并行耦合操作以及多组量子比特(每一组量子比特数在3个以上)的并行耦合操作，这些耦合操作保证了通用量子计算的实现；
3、本发明通过在保持量子比特门电压不变的情况下，仅仅利用调节量子比特的外磁通量，就可以在旋波近似下实现了任意量子比特之间耦合的接通和断开，使得量子计算的操纵简单方便，同时由于操作次数的减少而使得操作带来的错误或消息干减少，从而保证了通用量子计算有较高的保真度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！