用于效率和硬件减少的信号生成系统的制作方法

本发明涉及量子计算，并且更具体地涉及用于关于量子计算机的效率和硬件减少的交叉谐振扇出。

背景技术：

量子计算基于其在例如密码学、分子建模、材料科学凝聚物质物理学和各种其它领域中的应用而出现，这些领域目前扩大了现有高性能计算资源的限制以用于计算加速。量子计算机器的核心是量子位(qubit)(即，量子位(quantumbit))的利用，由此，除了其他事物以外，量子位可以被认为是经典位(即，数字位—‘0’或‘1’)的类似物，经典位具有两个量子力学状态(例如，高状态和低状态)，例如电子的自旋状态(即，‘1’＝↑和‘0’＝↓)、光子的极化状态(即，‘1’＝h和‘0’＝v)、或传输子(transmon)的基态(‘0’)和第一激发态(‘1’)，传输子是由与作为非线性电感器的约瑟夫逊结并联的电容器制成的超导谐振器。虽然量子位能够存储经典的‘1’和‘0’信息，但是它们也呈现了将信息存储为‘1’和‘0’状态的叠加的可能性。

对于量子计算机器，用于量子计算机的控制硬件的可扩展性当前对实现容错通用量子计算机施加了一个重要障碍。减少控制仪器资源对于这些机器的可行性是关键的。

技术实现要素：

根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种信号生成系统。信号生成系统向多个量子位提供微波信号。信号生成系统包括生成器、振荡器、混频器和分离器。振荡器生成包括恒定频率的振荡器信号。生成器生成包括初始频率的生成器信号。混频器电耦合到生成器和振荡器。混频器将生成器信号和振荡器信号组合以产生微波信号。分离器电耦合到混频器。分离器将微波信号扇出到多个物理线路。多个物理线路中的每一个与多个量子位中的对应量子位电连接。

根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种信号生成方法。信号生成方法向多个量子位提供微波信号。信号生成方法包括由振荡器生成包括恒定频率的振荡器信号。信号生成方法包括由生成器生成包括初始频率的生成器信号。信号生成方法包括由电耦合到生成器和振荡器的混频器组合生成器信号和振荡器信号以产生微波信号。信号生成方法包括由电耦合到混频器的分离器将微波信号扇出到多个物理线路。多个物理线路中的每一个与多个量子位中的对应量子位电连接。

根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种量子计算机。量子计算机包括多个量子位；多个物理线路；以及信号生成系统。多个物理线路中的每一个与多个量子位中的对应量子位电连接。信号生成系统向多个量子位提供微波信号。信号生成系统包括生成器、振荡器、混频器和分离器。振荡器生成包括恒定频率的振荡器信号。生成器生成包括初始频率的生成器信号。混频器电耦合到生成器和振荡器。混频器将初始信号和振荡器信号组合以产生微波信号。分离器电耦合到混频器。分离器将微波信号扇出到多个物理线路。

根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种量子计算机。量子计算机包括多个量子位；多个物理线路；振荡器电路；以及多个信号生成节点。多个物理线路中的每一个与多个量子位中的对应量子位电连接。多个信号生成节点各自适时独立地向多个量子位中的至少一个提供相应微波信号。振荡器电路电耦合到多个信号生成节点。振荡器电路生成包括恒定频率的振荡器信号。每个信号生成节点包括生成器、混频器和分离器。生成器生成生成器信号。混频器电耦合到生成器和振荡器电路。混频器将生成器信号和振荡器信号组合以产生相应微波信号。分离器电耦合到混频器。分离器将相应微波信号扇出到多个物理线路的子集。

根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种信号生成方法。信号生成方法向多个量子位提供多个微波信号。信号生成方法包括由振荡器电路生成振荡器信号。振荡器信号包括恒定频率。信号生成方法包括由多个信号生成节点生成多个生成器信号。信号生成方法包括经由振荡器电路的分离器将振荡器信号扇出到多个信号生成节点。信号生成方法包括由多个信号生成节点中的每一个将从振荡器电路接收的振荡器信号和多个生成器信号中的相应生成器信号混合以产生多个微波信号。

通过本发明的技术实现了附加的特征和优点。本发明的其它实施例和方面在这里被详细描述，并且被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，请参考说明书和附图。

附图说明

图1描绘了根据本发明的一个或多个实施例的量子计算机的图；

图2描绘了根据本发明的一个或多个实施例的量子计算机的图；

图3描绘了根据本发明的一个或多个实施例的量子计算机的图；

图4描绘了根据本发明的一个或多个实施例的信号生成系统的图；

图5描绘了根据本发明的一个或多个实施例的信号生成系统的处理流程；

图6描绘了根据本发明的一个或多个实施例的信号生成系统的图；以及

图7描绘了根据本发明的一个或多个实施例的信号生成系统的处理流程。

具体实施方式

图1描绘了根据本发明的一个或多个实施例的处理来自外部系统101的输出的量子计算机100(量子硬件)的图。外部系统101是一组仪器和/或计算机，它们被编程和配置成执行用于量子计算机100的编码以及不在量子计算机100上执行的任何其他(准备)计算。量子计算机100包括量子处理器102。量子处理器102是一种计算设备，该计算设备可以利用对于非量子设备(例如，实施量子力学的实际硬件)不可用的量子物理现象(例如，叠加、纠缠、以及量子隧穿)。量子处理器102可以采取例如超导量子处理器的形式。

通常，超导量子处理器可以包括多个量子位以及相关联的局部偏置设备，例如两个或更多个超导量子位。量子位的示例是通量量子位。超导量子处理器还可以采用提供量子位之间的通信耦合的耦合设备(即，“耦合器”)。

回到图1，量子计算机100可以是直接使用量子力学现象(诸如叠加和纠缠)来对数据执行操作(例如，使用量子位对数据执行量子计算)的任何电子系统。这些要求可以包括但不限于，具有良好表征的量子位的可缩放的物理系统、将量子位的状态初始化为简单的基准状态的能力、长的相关退相干时间、一组“通用”量子门、量子位特定测量能力、使静止的和飞行的量子位相互转换的能力、以及在指定位置之间如实地传输飞行的量子位的能力。

量子处理器102接收控制信号110(来自由外部系统101操作的一个控制程序)。量子处理器102包括量子位115，这些量子位115生成读出信号120作为输出或测量数据，读出信号120可以由外部系统101利用。注意，量子位115通过相互作用130耦合。量子位115的数目、量子位115的相互作用130、以及量子位115的配置是出于举例的目的而不是限制性的。应当理解，量子位115(以及图1中未示出的读出谐振器)可以以各种不同的配置来构造，并且图1并不意味着是限制性的。另外，虽然图1没有示出量子计算机100的每个部件和电连接，并且技术人员将容易理解在量子计算的上下文中的所提到的配置。

在操作中，量子处理器102可以被配置成接收控制信号110作为信息，该信息被按顺序施加到支持测量操作的量子门(未示出)(例如，程序输入门顺序)。不同量子位115之间的量子门通过它们相应的相互作用130来介导(mediate)。测量操作者产生读出信号120(作为测量数据)，其可以由控制量子计算机100和外部系统101的实验者读取。

现在转向图2，根据本发明的一个或多个实施例描绘了量子计算机200的图。如图2中所描绘的并且在此所描述的量子计算机200的结构是用于解释一个或多个实施例，而不是限制在此所描述的技术方案。如所描绘的，量子计算机200包括量子处理器202，其包括传输量子位(transmonqubit)215。在所示结构中，量子计算机200包括六个固定频率传输量子位(215a-215b)和中心通量可调谐不对称传输量子位(215g)。

每个传输量子位215可以具有其自己的单独共面波导(cpw)谐振器216，用于接收控制信号(图1的110)并提供读出信号(图1的120)。传输量子位215通过独立的读出谐振器由色散测量读出，其中每个读出线220还具有一系列低温放大器(未示出；后面是高电子迁移率晶体管的约瑟夫逊参数转换器，用于实现高分配保真度)。单量子位门可以通过在该特定量子位频率(ωi/2π)驱动的微波驱动器来实现，而纠缠双量子位交叉谐振(cr)门(未示出)通过在目标量子位的频率ωt驱动控制量子位来实现。此外，每个传输量子位215的状态可以在其读出谐振器频率ωmi处被测量。反射的读出信号(图1的120)首先由对应的约瑟夫逊参数转换器放大，以频率ωpi泵浦，随后由对应的高电子迁移率晶体管放大器放大，例如以4k。每个传输量子位215具有对应的特性，这些特性是已知的常数和/或对于特定应用的预先配置的值，这些特性包括量子位转变(ω01/2π)、平均弛豫时间(t1)、平均相干时间(t2、t2*)、读出谐振器频率(ωr/2π)、量子位非谐波(δ/2π)、读出分配误差(εr)等等。

此外，量子计算机200包括两个共享的cpw谐振器216a和216b(量子总线)用于量子位-量子位耦合。应当注意，尽管图2描绘了两个共享的cpw谐振器216a和216b实现为一个或多个纠缠器，但是在其他示例中，可以使用更多谐振器来实现纠缠器。注意，两个共享的cpw谐振器216a和216b(量子总线)介导了量子位-量子位相互作用，例如，这些相互作用被纠缠操作所利用。

根据本发明的一个或多个实施例，纠缠器可以包括或不包括单量子位门以及双量子位门。构成纠缠器的门是通过用与目标量子位谐振的微波脉冲驱动控制量子位来实现的。通过添加单量子位旋转，cr门可以用于构造受控not(cnot)。

鉴于以上所述，当使用微波控制cr门作为双量子位纠缠门时，量子处理器(例如，量子处理器102)可以被设计成使得许多受控not门共享相同的目标量子位。这些不同的cnot门以共同的频率施加，因此可以从单个生成器生成。现在转到图3至图5，现在描述量子计算机300、其中的部件、以及由此执行的操作。

图3描绘了根据本发明的一个或多个实施例的量子计算机300的图。量子计算机300包括量子处理器302。量子处理器302包括多个量子位(如图3所示，控制量子位301、控制量子位302、控制量子位303、控制量子位304、以及目标量子位305)。注意，图3的多个量子位可以如图2的传输量子位215所示的那样实现。还要注意，因为量子计算机300正在使用微波控制的cr门作为双量子位纠缠门(未示出)，量子处理器302被设计为使得控制量子位301-304的许多受控非门(未示出)共享相同的目标量子位305。量子计算机300还包括信号生成系统310。信号生成系统310经由多个物理线路(如图3中所示，线路1、线路2、线路3、线路4和线路5)电耦合到多个量子位(例如，量子位301-305)。尽管为了说明而示出，但是信号生成系统310可以不必是量子计算机300的一部分或者可以被结合到量子处理器302中。通常，量子计算机300利用其拓扑结构，通过利用信号生成系统310来节省大量信道，以实现双量子位纠缠门(未示出)，这将参考图4和6进一步描述。

图4描绘了根据本发明的一个或多个实施例的量子计算机(例如，图3的量子计算机300)的信号生成系统400的图。信号生成系统400包括生成器410、振荡器420、混频器430、分离器440和开关450。注意，信号生成系统400可以被认为是量子计算机的一部分，而不是量子处理器(例如，量子处理器102)本身的一部分。

生成器410是波形生成器，并且可以是根据一个或多个实施例的任意波形生成器。任意波形生成器是用于生成电波形的电子设备，例如，任意定义的波形作为输出或包括初始频率(例如，沿着从100mhz到500mhz的范围的频率)的生成器信号(例如，第一微波信号)。任意波形生成器的电波形可以被注入或提供给混频器430。电波形可以被定义为一系列“路点”(在沿着波形的特定时间发生的特定电压目标；即，任意形状的电压对时间)。

振荡器420是生成电波形(例如，正弦电压信号(例如，第二微波信号))的电子组件。在这点上，振荡器420可以以恒定频率(例如，从5ghz到10ghz范围内的频率)向混频器430提供电波形。

混频器430是非线性电路，其从施加到它的两个信号(例如，生成器信号和振荡器信号或第一微波信号和第二微波信号)创建新的频率。在操作中，混频器430可以是微波混频器，其产生在振荡器信号和生成器信号的频率的总和处的最终信号(例如，第三微波信号)，在此称为组合频率，诸如5ghz(例如，混频器430输出作为复指数的信号，当生成器信号和振荡器信号相乘时，这些信号的参数——频率——相加)。

分离器440是分配最终信号的电子组件。例如，分离器440可以是用于分配微波信号的微波分离器。在这点上，分离器440可以扇出最终信号本身。扇出是由分离器进行的动作，其将最终信号分配到电连接到每个控制量子位(301-304)的多个物理线路中的每一个。然而，注意，开关450进一步控制扇出，使得多个物理线路中的仅一个(并且进而控制量子位中的仅一个)接收最终信号。

开关450是包括多个开关的电子组件，以用于沿着一个或多个传输路径路由信号。根据一个或多个实施例，多个开关默认为断开，并且开关450通过接通多个开关中的一个来控制路由。在一个示例操作中，开关450是微波开关，用于将来自分离器440的最终信号分配到多个物理线路(线路1、线路2、线路3和线路4)中的一个，这些物理线路与量子计算机(300)中的不同端口电连接(即，它们还与每个控制量子位(301-304)电连接)，例如，开关450使信号生成系统400能够适时将最终信号路由到单个线路。以此方式，开关450可以在正确的时间为正确的量子位对分配正确的cnot。

图5描绘了根据本发明的一个或多个实施例的信号生成系统的处理流程500。处理流程500开始于框510。也就是说，在框510，振荡器(例如，图4的振荡器420)生成振荡器信号。振荡器信号可以包括恒定频率。在框520，生成器(例如，图4的生成器410)生成生成器信号。生成器信号包括初始频率。注意，图4的生成器410生成生成器信号和图4的振荡器420生成振荡器信号的顺序可以颠倒或同时。

在框530处，混频器(例如，图4的混频器430)将振荡器信号和生成器信号混频以产生微波信号。微波信号可以包括基于混频器内的频率的总和(例如，恒定频率和初始频率的总和)的组合频率。在框540，分离器(例如图4的分离器440)将微波信号扇出到多个物理线路，多个物理线路(例如图4的线路1、线路2、线路3和线路4)中的每一个都电连接到控制量子位(例如图3的控制位301-304)。在框550，开关(例如，图4的开关450)适时将微波信号分配到多个物理线路(例如，图4的线路1、线路2、线路3和线路4)之一。也就是说，微波信号由开关450“适时”或与程序输入门顺序一致地提供。

现在转到图6-7，现在根据本发明的一个或多个实施例描述信号生成系统600、其中的组件以及由其执行的操作。图6描绘了根据本发明的一个或多个实施例的量子计算机(例如，图3的量子计算机300)的信号生成系统600的图。

如图6所示，信号生成系统600包括多个信号生成节点601、602、603和604。信号生成节点601、602、603和604被配置为独立地扇出微波信号并将微波信号分配到多个物理线路(例如，线路1至线路14)的对应子集，如本文进一步描述的。注意，为了图6的解释的方便和简单，信号生成节点602和603仅示出端子b和c，因为信号生成节点602和603通常具有与信号生成节点610和604相同的配置。此外，注意，信号生成节点602可以扇出并将微波信号分配给多个物理线路的子集(例如，未示出的线路5、线路6、线路7和线路8)中的一个线路，并且信号生成节点603可以扇出并将微波信号分配给多个物理线路的子集(例如，未示出的线路9、线路10、线路11和线路12)中的一个线路。

例如，信号生成节点601包括向混频器631提供生成器信号的生成器611，混频器631还从端子a接收振荡器信号，如本文所述。生成器信号和振荡器信号在混频器631处组合，以向分离器641和开关651提供微波信号，分离器641和开关651进一步扇出并将微波信号分配到与量子计算机(例如，图3的量子计算机300)中的不同端口电连接的多个物理线路的子集(例如，线路1、线路2、线路3和线路4)中的一个线路。

类似地，信号生成节点604包括向混频器634提供生成器信号的生成器614，混频器634还从端子d接收振荡器信号，如本文所述。生成器信号和振荡器信号在混频器634处组合，以向分离器644和开关654提供微波信号，其进一步将微波信号扇出并分配到与量子计算机(例如，图3的量子计算机300)中的不同端口电连接的多个物理线路的子集(例如，线路13、线路14、线路15和线路16)中的一个线路。

信号生成系统600还包括振荡器电路670。振荡器电路670可以代表一个或多个振荡器电路。在这方面，一个或多个振荡器电路中的每一个可以在相同或不同的频率处(例如，在一个或多个恒定频率处)操作。振荡器电路670包括振荡器671和分离器673。振荡器671可以经由分离器673分别经由端子a、b、c和d向信号生成节点601、602、603和604中的每一个提供恒定频率的电波形(例如，振荡器信号)。

图7描绘了根据一个或多个实施例的信号生成系统(例如，图6的信号生成系统600)的过程流程700。过程流程700开始于框710。

在框710，振荡器电路(例如，图6的振荡器电路670)生成振荡器信号。振荡器信号包括振荡器频率。注意，在量子计算机的正常操作期间，振荡器信号通常总是接通的。在框720，生成器(例如，信号生成节点601和604的生成器611和614以及图6的信号生成节点602和603的未示出的生成器)生成多个生成器信号。每个生成器信号可以包括与其去往的量子位相关的初始频率，并且可以独立于其他生成器信号。例如，当需要门时，信号生成节点601-604的生成器产生具有足够频率和足够持续时间的信号。

在框730处，振荡器电路(例如，经由图6的振荡器电路670的分离器673)将振荡器信号扇出到多个信号生成节点(例如，图6的信号生成节点601、602、603和604)。在框740，多个单生成节点(例如，图6的信号生成节点601、602、603和604)中的每一个将振荡器信号与多个生成器信号中的相应生成器信号混频，以产生用于多个单生成节点中的每一个的相应微波信号。例如，在空闲时间期间，振荡器信号在混频器641处不与来自生成器611的信号混频，因为振荡器信号通常总是接通的。此外，在正常操作期间，混频器640将振荡器信号与来自生成器611的生成器信号相乘。因此，振荡器电路670可以首先接通并保持接通，而生成器610仅在需要量子位门时接通。

在框750，多个单生成节点(例如，图6的信号生成节点601、602、603和604)中的每一个将相应微波信号扇出到多个物理线路的相应子集。例如，信号生成节点601将相应微波信号扇出到物理线路：线路1、线路2、线路3和线路4，而信号生成节点604将相应微波信号扇出到物理线路：线路13、线路14、线路15和线路16。在框760，相应微波信号由多个单生成节点(例如，图6的信号生成节点601、602、603和604)中的每一个适时分配到多个物理线路的子集内的一个线路。

因此，本文的实施例的技术效果和益处通过利用节省大量信道的拓扑来实现双量子位门而改进了量子计算机，并且因此本文的实施例通过利用本文描述的信号生成系统而提供了对量子计算技术本身的改进。利用信号生成系统的技术效果和益处还包括由于使用分离器而减少任意波形生成器和振荡器的数量，这提供了量子计算机的布线的效率，并且由于分离器比任意波形生成器和振荡器的组合更具成本效益而减少了成本。利用信号生成系统的技术效果和益处还包括由于使用第二分离器而减少振荡器的数量，这提供了量子计算机的布线效率以及由于分离器比振荡器更具成本效益而减少的成本。

已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。

在任何可能的技术细节结合层面，本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如smalltalk、c++等，以及过程式编程语言—诸如“c”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。