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及其操纵方法。
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。实验上首次实现两量子比特耦合的方案以及到目前为止保真度最高的多个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。上述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，系统耦合得到的量子纠缠态保真度较低。
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及其操纵方法，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，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，其通过电容器将各量子比特耦合在一起的方式构造而成，其中，每一个耦合电容器的一端分别与对应的一量子比特相连接，另一端均直接连接于同一点上。
其中，所述量子比特为超导电荷量子比特(squid)、transmon量子比特、xmon量子比特之中其一。
本发明实施例还提供了一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其在以各个耦合电容器的一端直接连接于同一点而另一端分别与各量子比特相连接，从而将各量子比特直接用电容器耦合起来的方式构造的中央处理器上实现，所述方法包括以下步骤：
步骤s1、将各量子比特均制备到初始状态；
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及其之外的量子比特分别进行相应的外磁通量和门电压调节。
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、将之前操作所得到的结果进行暂时保存、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：
在对第l个量子比特的初始状态制备时，调节各量子比特的门电压使得除第l个量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压均满足
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；
调节所述待耦合连通的两量子比特的外磁通量使二者具有相同的有效约瑟夫森能，并调节除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；
同时，调节所述待耦合连通的两量子比特及除二者之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的两量子比特的门电压满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合操作所需要的一段时间。
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；
调节所述待耦合连通的多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，并调节除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；
同时，调节所述待耦合连通的多量子比特及除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的多量子比特的门电压满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合操作所需要的一段时间。
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t对中各自分别对应的待耦合连通的两量子比特；其中，t为大于1的正整数；
分别调节所述t对中待耦合连通的两量子比特的外磁通量，使得同一对中待耦合连通的两量子比特具有相同的有效约瑟夫森能，以及使得第k对中待耦合连通的两量子比特中任意一个量子比特与除第k对之外的其余(t-1)对中任意一个量子比特的有效约瑟夫森能之差远远大于它们之间的耦合能，同时调节除所述t对中待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述t对中待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；其中，k为1至t中的任意一个；
同时，调节所述t对中待耦合连通的两量子比特及除所述t对中待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述t对量子比特中每个量子比特的门电压均满足
这时，所述t对中任意相同一对的待耦合连通的两量子比特间耦合均对应连通，所述t对中任意一对的待耦合连通的两量子比特都分别与除其自身和同对中耦合连通的量子比特之外的量子比特间耦合均断开，并且除所述待耦合连通的t对量子比特之外的量子比特与除其自身之外的量子比特间的耦合均断开；
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合所需要的一段时间。
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m组中各自分别对应的待耦合连通的多量子比特；其中，m为大于1的正整数；
分别调节所述m组中待耦合连通的多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，以及使得第h组中待耦合连通的多量子比特中任意一个量子比特与除第h组之外的其余(m-1)组中任意一个量子比特的有效约瑟夫森能之差远远大于它们之间的耦合能，同时调节除所述m组中待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述m组中待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；其中，h为1至m中的任意一个；
同时，调节所述m组中待耦合连通的多量子比特及除所述m组中待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述m组量子比特中每个量子比特的门电压均满足
这时，所述m组中任意相同一组的待耦合连通的多量子比特间耦合均对应连通，所述m组中任意一组的待耦合连通的多量子比特都分别与除其自身和同组中耦合连通的量子比特之外的量子比特间耦合均断开，并且除所述待耦合连通的m组量子比特之外的量子比特与除其自身之外的量子比特间的耦合均断开；
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合所需要的一段时间。
其中，所述步骤s4具体包括：
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。
其中，所述步骤s4还具体进一步包括：
当所选的当前操作为进行单量子比特操作时，根据待操作的量子比特所需要进行的操作来调节该量子比特的外磁通和门电压，同时调节待操作的量子比特之外的量子比特的外磁通均为半个磁通量子，同时调节待操作的量子比特之外的量子比特的门电压，使得待操作的量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持单量子比特操作所需要的一段时间。
其中，所述步骤s4还具体进一步包括：
当所选的当前操作为将之前操作所得到的结果进行暂时保存时，调节各量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，同时调节各量子比特的门电压使得每个量子比特的约瑟夫森结电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持暂时保存所需要的一段时间。
其中，所述步骤s4还具体进一步包括：
当所选的当前操作为联合测量一系列操作后所得量子态的结果时，调节各量子比特的外磁通量均为制备得到该量子比特初始态时的外磁通量，同时调节各量子比特的门电压的使得每个量子比特的门电压均满足
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以及并行耦合操作，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、本发明通过调节各量子比特的门电压以及外磁通量，实现了任意量子比特之间耦合的开通和断开，保证了高保真的通用量子计算。
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耦合电容器对应连接一量子比特，并将所有耦合电容器直接连接于同一点的连接结构，即如图1所示，为本发明实施例提供的一种量子计算机中央处理器，其通过电容器将各量子比特耦合在一起的方式构造而成。
该量子计算机中央处理器将每一个电容器的一端直接连接于同一点，并将每一个电容器的另一端分别与对应的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。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。若量子比特是transmon量子比特或xmon量子比特时，则每个量子比特中分别还有一个并联大电容ct1，ct2，...,ctn。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(超导量子干涉仪squid)，也可以为transmon量子比特或xmon量子比特。
特别需要注意的是，式(1)中的
其中，
另外，要注意式(1)中的有效约瑟夫森能eji满足如式(3)的关系，即通过式(3)可以得到每个量子比特的有效约瑟夫森能eji：
其中，
由(1)式可见，任意两量子位i、j之间具有伊辛(ising)式的相互作用，这种耦合可以实现任意两量子位之间的纠缠门操作。当两量子位i、j具有相同的约瑟夫森能eji＝ejj且
由(2)式可见，约瑟夫森结电压vi(i＝1,2,...,n)的取值可以决定
由(3)式可见，通过改变量子比特i的外磁通量φei，就可以调节该量子比特的有效约瑟夫森能eji的值，从而改变量子比特的频率。当
因此，如图2所示，为发明人基于图1的中央处理器的基础上，提出了一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法，所述方法包括以下步骤：
步骤s1、将所有基本单位所含的各量子比特均制备到初始状态；
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及其之外的量子比特分别进行相应的外磁通量和门电压调节。
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、将之前操作所得到的结果进行暂时保存、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，以第l个量子比特的初始状态的制备为例，通过调节第l个量子比特的门电压和外磁通量来实现。
在制备第l个量子比特初始状态的同时，调节各量子比特的门电压使得除第l个量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压均满足
(i≠l,i＝1,2,l,n.)，并调节除第l个量子比特之外的量子比特的外磁通量使其均为半个磁通量子，从而保持中央处理器中各量子比特之间的耦合均处于断开状态；其中，l为1至n中的任意一个。
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(1)至式(3)的原理分别调节外磁通量和门电压来实现，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；
调节所述待耦合连通的两量子比特的外磁通量使二者具有相同的有效约瑟夫森能，并调节除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；
同时，调节所述待耦合连通的两量子比特及除二者之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的两量子比特的门电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合所需要的一段时间。
(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；
调节所述待耦合连通的多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，并调节除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；
同时，调节所述待耦合连通的多量子比特及除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的多量子比特的门电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合所需要的一段时间。
(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t对中各自分别对应的待耦合连通的两量子比特；其中，t为大于1的正整数；
分别调节所述t对中待耦合连通的两量子比特的外磁通量，使得同一对中待耦合连通的两量子比特具有相同的有效约瑟夫森能，以及使得第k对中待耦合连通的两量子比特中任意一个量子比特与除第k对之外的其余(t-1)对中任意一个量子比特的有效约瑟夫森能之差远远大于它们之间的耦合能，且同时调节除所述t对中待耦合连通的量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述t对中待耦合连通的量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；其中，k为1至t中的任意一个；
同时，调节所述t对中待耦合连通的量子比特及除所述t对中待耦合连通的量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述t对中任意相同一对的待耦合连通的两量子比特的门电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合所需要的一段时间。
(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m组中各自分别对应的待耦合连通的多量子比特；其中，m为大于1的正整数；
分别调节所述m组中待耦合连通的多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，以及使得第h组中待耦合连通的多量子比特中任意一个量子比特与除第h组之外的其余(m-1)组中任意一个量子比特的有效约瑟夫森能之差远远大于它们之间的耦合能，同时调节除所述m组中待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述m组中待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；其中，h为1至m中的任意一个；
同时，调节所述m组中待耦合连通的多量子比特及除所述m组中待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述m组中任意相同一组的待耦合连通的多量子比特的门电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合所需要的一段时间。
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)当所选的当前操作为进行单量子比特操作时，根据待操作的量子比特所需要进行的操作来调节该量子比特的外磁通和门电压，同时调节待操作的量子比特之外的量子比特的外磁通均为半个磁通量子，同时调节待操作的量子比特之外的量子比特的门电压，使得待操作的量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持单量子比特操作所需要的一段时间即可。
(3)当所选的当前操作为将之前操作所得到的结果进行暂时保存时，调节各量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，同时调节各量子比特的门电压使得每个量子比特的约瑟夫森结电压均满足
将调节后的外磁通量以及门电压维持暂时保存所需要的一段时间即可。
(4)当所选的当前操作为联合测量一系列操作后所得量子态的结果时，调节各量子比特的外磁通量均为制备得到该量子比特初始态时的外磁通量，同时调节各量子比特的门电压使得每个量子比特的门电压均满足
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、本发明通过调节各量子比特的门电压以及外磁通量，实现了任意量子比特之间耦合的开通和断开，保证了高保真度的通用量子计算。
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。