一种单量子逻辑门操作的校准方法与流程

本发明属于量子计算领域，特别是一种单量子逻辑门操作的校准方法。

背景技术：

量子计算在解决特定问题上具有远超经典计算机性能的发展潜力。为了实现量子计算机，需要获得一块包含有足够数量与足够质量量子比特的量子芯片，并且能够对量子比特进行极高保真度的量子逻辑门操作与读取，精准的量子逻辑门操作的调制脉冲信号是用来实现高保真度量子逻辑门操作的关键。

量子逻辑门操作分为单量子逻辑门操作、两量子逻辑门及多量子逻辑门操作。由于所有的两量子逻辑门操作都能拆分为一组标准的单量子逻辑门操作的组合，同时所有的多量子逻辑门操作都能够拆分为单量子逻辑门操作以及两量子逻辑门操作的组合，因此对于每个量子比特而言，只需要对作用在该量子逻辑门操作上的少量的单量子逻辑门操作进行校准，即能够实现对所有量子逻辑门操作的校准。

目前，并没有对单量子逻辑门操作进行校准的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种单量子逻辑门操作的校准方法，以解决现有技术中的不足，它能够实现对单量子逻辑门操作的校准。

本发明采用的技术方案如下：

一种单量子逻辑门操作的校准方法，所述单量子逻辑门操作通过施加在量子比特上的脉冲调制信号实现，所述脉冲调制信号的调制幅度信号决定对应的单量子逻辑门操作的旋转角度；其中，所述校准方法包括：

确定所述调制幅度信号为可调比例常数和第一数字信号的乘积；

通过改变所述可调比例常数确定多个具有不同调制幅度信号的脉冲调制信号；

分别读取具有不同调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上时导致的量子比特处于处于量子态|1>的分布几率，获得与具有不同调制幅度信号的各所述脉冲调制信号一一对应的分布几率值；

以所述可调比例常数为自变量，以所述分布几率值为因变量，进行波震荡指数衰减拟合，并根据拟合结果获得波震荡周期，记为标准周期；

确定待校准的目标量子逻辑门操作，根据目标量子逻辑门操作的旋转角度和标准周期确定目标量子逻辑门操作对应的脉冲调制信号的可调比例常数的值；其中：目标量子逻辑门操作对应的脉冲调制信号的可调比例常数的值＝(目标量子逻辑门操作的旋转角度/2π)*标准周期。

如上所述的校准方法，其中，所述进行波震荡指数衰减拟合，具体包括：

将所述分布几率值p1(k)和所述可调比例常数k进行如下式函数拟合

其中：a和b为常数；k0为波震荡周期，根据拟合结果确定；t0为指数衰减常数，根据拟合结果确定；为设定的初始相位值。

如上所述的校准方法，其中，在所述分别读取具有不同调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上导致量子比特处于处于量子态|1>的分布几率的过程中，量子比特的真实频率不变。

如上所述的校准方法，其中，所述分别读取具有不同调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上导致量子比特处于处于量子态|1>的分布几率，具体包括：

将具有第一调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上以实现对量子比特进行第一量子逻辑门操作，在所述第一量子逻辑门操作结束后，获得第一量子比特读取信号，并对第一量子比特读取信号进行解调分析，获得量子比特处于量子态|1>的分布几率p1(k1)，其中：k1为第一调制幅度信号的可调比例常数；

将具有第二调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上以实现对量子比特进行第二量子逻辑门操作，在所述第二量子逻辑门操作结束后，获得第二量子比特读取信号，并对第二量子比特读取信号进行解调分析，获得量子比特处于量子态|1>的分布几率p1(k2)，其中：k2为第二调制幅度信号的可调比例常数；

依次类推，直至将具有第n调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上以实现对量子比特进行第n量子逻辑门操作，在所述第n量子逻辑门操作结束后，获得第n量子比特读取信号，并对第n量子比特读取信号进行解调分析，获得量子比特处于量子态|1>的分布几率p1(kn)，其中：kn为第n调制幅度信号的可调比例常数；

其中：k1、k2......kn为不同的数，n为大于等于5的正整数

与现有技术相比，本发明采用调制幅度信号为可调比例常数和第一数字信号的乘积的脉冲调制信号，通过改变可调比例常数获得多个具有不同调制幅度信号的脉冲调制信号，分别读取具有不同调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上导致量子比特处于处于量子态|1>的分布几率，获得与具有不同调制幅度信号的各所述脉冲调制信号一一对应的分布几率值；以所述可调比例常数为自变量，以所述分布几率值为因变量，进行波震荡指数衰减拟合，并根据拟合结果获得波震荡周期，记为标准周期；确定待校准的目标量子逻辑门操作，根据目标量子逻辑门操作的旋转角度和标准周期确定目标量子逻辑门操作对应的脉冲调制信号的可调比例常数的值，进而实现了单量子逻辑门操作的校准。

附图说明

图1是本发明提供的单量子逻辑门操作的校准方法的流程示意图。

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。

量子逻辑门操作的作用是实现量子比特在量子态|0>与量子态|1>之间的相互转化，而叠加态的特性使得相互转化的过程变得复杂，但可以通过构建bloch表象空间对量子逻辑门操作进行理解，在量子态的bloch表象空间，将单比特的任意量子态表示为bloch球表面的一点，而量子逻辑门操作即可视为从bloch球表面一点到另一点的转化过程。球面上的相互转化通过旋转即可实现，事实上，转化过程可以归结为量子态以沿x轴、y轴为旋转轴的一系列旋转操作的组合——这就是量子逻辑门操作的本质。

量子逻辑门操作的物理实现方法为通过一个特定的操控通道，对量子比特施加一个调制脉冲信号其中：表示本振信号，本振信号的频率frf也叫调制脉冲信号的载频，载频frf需要精确地与量子比特的频率fq吻合，本振信号的相位也叫调制脉冲信号的相位，相位决定了对应的量子逻辑门操作的旋转轴方向，f(t)代表了调制脉冲信号的幅度，也叫调制幅度信号，f(t)起到决定对应的量子逻辑门操作的旋转角度θ的作用，其中：量子比特逻辑门操作u(θ)与调制脉冲信号的幅度f(t)具有如下的对应关系：

其中：ω表示调制脉冲信号与量子比特的耦合系数，h为普朗克常量。

由以上分析可知，调制脉冲信号的载频frf、调制脉冲信号的相位调制幅度信号f(t)能够唯一地确定一个量子逻辑门操作。

假设调制脉冲信号的载频frf为经校准之后的标准的频率，即载频frf等于量子比特的固有频率，载频frf的校准方法不属于本发明保护范围，在此不做详细描述。而针对调制脉冲信号的相位考虑到调制脉冲信号的相位决定了对应的量子逻辑门操作的旋转轴方向，而在bloch球表象空间中，旋转轴的绝对相位方向没有意义，相反，旋转轴的相对相位才具有逻辑意义。因此，选定初始时刻的为某一个基准旋转轴相位方向，所有的量子逻辑门操作的旋转轴相位方向均只需要利用与的基准方向的差值，在基础上累加即可。

综上，在本实施例中，若要实现当前脉冲信号进行校准，以实现目标单量子比特逻辑门，只需对调制幅度信号f(t)校准即可。

在对调制脉冲信号的幅度的f(t)校准时，理论上，由于对某一量子逻辑门操作量子比特逻辑门操作u(θ)与调制脉冲信号的幅度f(t)具有如下的对应关系：

当该量子量子逻辑门操作u(θ)需要校准时，意味着的值需要校准。假设当前状态下需要校准至目标值为fopt，则有

为了简化校准的过程，我们在校准过程中，维持g(t)不变。换句话说，令

通过对常数系数k的修正，就能够满足要求。因此，可以对脉冲调制幅度信号进行如下修正：

通过校准流程，令脉冲调制幅度信号的常数系数即完成校准效果。

在操作的时候，由于在量子比特的真实频率保持不变的情况，对量子比特连续施加一系列的单量子比特逻辑门操作，可以使得量子比特的当前量子态在bloch球面上旋转2π的周期，在该过程中，对应的每个单量子比特逻辑门作用之后读取量子比特量子态获得量子比特处于量子态|1>的分布几率p1，分布几率p1随单量子比特脉冲调制信号的调制幅度的常数系数k的变化关系p1(k)。理论上，p1(k)满足如下的关系

将得到的各p1(k)利用上述公式进行函数拟合，拟合出各个参数a、b、k0和t0，其中，单量子比特逻辑门操作的旋转角度与的取值是一一对应的，如果单量子逻辑门操作需要校准，则该单量子逻辑门操作对应的脉冲调制幅度的实际可调比例表示参数k0随时间漂移而导致不再等于标准的单量子比特逻辑门操作角度，需要重新拟合出参数k0，并重新计算出单比特π、2π等标准单量子逻辑门操作所对应的参数k。

因此，基于以上描述，本实施例提供了一种单量子逻辑门操作的校准方法，所述单量子逻辑门操作通过施加在量子比特上的脉冲调制信号实现，所述脉冲调制信号的调制幅度信号决定对应的单量子逻辑门操作的旋转角度；如图1所示为本单量子逻辑门操作的校准方法的流程示意图，所述校准方法包括以下步骤s1至步骤s5：

步骤s1：确定所述调制幅度信号为可调比例常数和第一数字信号的乘积。

在具体设置的时候，可以令所述调制幅度信号f(t)＝kg(t)，其中，k为系数，g(t)为第一数字信号，同时，为了避免各量子逻辑门操作所需脉冲持续时间之间的个体化差异，在本实施例中，令

步骤s2：通过改变所述可调比例常数，确定多个具有不同调制幅度信号的脉冲调制信号。

步骤s3：分别读取具有不同调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上时导致的量子比特处于处于量子态|1>的分布几率，获得与具有不同调制幅度信号的各所述脉冲调制信号一一对应的分布几率值。

具体的，在量子比特的真实频率不变的情况下，将具有第一调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上以实现对量子比特进行第一量子逻辑门操作，在所述第一量子逻辑门操作结束后，获得第一量子比特读取信号，并对第一量子比特读取信号进行解调分析，获得量子比特处于量子态|1>的分布几率p1(k1)，其中：k1为第一调制幅度信号的可调比例常数；

将具有第二调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上以实现对量子比特进行第二量子逻辑门操作，在所述第二量子逻辑门操作结束后，获得第二量子比特读取信号，并对第二量子比特读取信号进行解调分析，获得量子比特处于量子态|1>的分布几率p1(k2)，其中：k2为第二调制幅度信号的可调比例常数；

依次类推，直至将具有第n调制幅度信号的所述脉冲调制信号作用在量子比特上以实现对量子比特进行第n量子逻辑门操作，在所述第n量子逻辑门操作结束后，获得第n量子比特读取信号，并对第n量子比特读取信号进行解调分析，获得量子比特处于量子态|1>的分布几率p1(kn)，其中：kn为第n调制幅度信号的可调比例常数；

其中：k1、k2......kn为不同的数，n为大于等于5的正整数，在本实施例中，为尽量提高数据拟合结果的准确性，优选n为数量级为10的数。

步骤s4：以所述可调比例常数为自变量，以所述分布几率值为因变量，进行波震荡指数衰减拟合，并根据拟合结果获得波震荡周期，记为标准周期。

具体的，将所述分布几率值p1(k)和所述可调比例常数k进行如下式函数拟合

其中：a和b为常数；k0为波震荡周期，根据拟合结果确定；t0为指数衰减常数，为设定的初始相位值。

步骤s5：确定待校准的目标量子逻辑门操作，根据目标量子逻辑门操作的旋转角度和标准周期确定目标量子逻辑门操作对应的脉冲调制信号的可调比例常数的值；其中：目标量子逻辑门操作对应的脉冲调制信号的可调比例常数的值＝(目标量子逻辑门操作的旋转角度/2π)*标准周期。

通过步骤s1至步骤s5，本实施例实现了量子逻辑门的校准。

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。