一种实现CZ门的方法及系统与流程

一种实现cz门的方法及系统
技术领域
[0001]
本发明涉及量子计算机领域，尤其涉及一种实现cz门的方法及系统。


背景技术：

[0002]
量子计算处理器的核心是量子比特。处理器的性能体现在量子比特的数量和量子比特的性能两个方面。量子比特性能的指标是单比特门的保真度和两比特门的保真度。在各种两比特门的操作中，cz门是特别重要的一种。所有量子比特的门操作都可以用单比特门和两比特cz门的组合来实现。在一个实际的量子比特系统中，实现高保真度cz门是最重要的一种测量控制技术。因此，提出一种实现高保真度cz门的方法尤为重要。


技术实现要素：

[0003]
(一)要解决的技术问题
[0004]
针对于上述技术问题，本发明提出一种实现cz门的方法及系统，用于实现保真度高于99％的cz门。
[0005]
(二)技术方案
[0006]
本发明一方面提出一种实现cz门的方法，包括：s1，制备两个量子比特，其中，两个量子比特中至少一个量子比特具备z线；s2，定义波形函数，根据波形函数产生电压信号，其中，电压信号为使两个量子比特中量子态|11>与量子态|20>能级对齐以实现量子态|11>与量子态|20>交换几率的电压信号；s3，将电压信号加载至z线上，使两个量子比特中的量子态|11>累计相位π，实现cz门。
[0007]
可选地，在步骤s2中，定义波形函数包括：根据傅里叶函数的低频项和两倍频项的系数定义波形函数。
[0008]
可选地，选取项数不超过5个的低频项的系数及低频项和两倍频项的总项数不超过10个的低频项和两倍频项的系数定义波形函数。
[0009]
可选地，在步骤s1，在两个量子比特上制备|00>，01>，|10>，|11>四个量子态的单一量子态或者多个量子态的叠加态。
[0010]
可选地，通过低通滤波器对电压信号进行滤波，然后加载至z线上。
[0011]
可选地，在步骤s3之后包括：s4，对cz门的保真度进行测量，根据测量结果调节定义波形函数的系数，从而调节cz门的保真度至预设值以上。
[0012]
本发明另一方面提供一种实现cz门的系统，包括：量子比特系统，包括两个量子比特，其中，两个量子比特中至少一个量子比特具备z线，两个量子比特上制备有|00>，01>，|10>，|11>四个量子态的单一量子态或者多个量子态的叠加态；信号发生器，用于根据波形函数输出电压信号至z线，使两个量子比特中的量子态|11>累计相位π，实现cz门，其中，电压信号为使两个量子比特中量子态|11>与量子态|20>能级对齐以实现量子态|11>与量子态|20>交换几率的电压信号。
[0013]
可选地，信号发生器根据傅里叶函数的低频项和两倍频项的系数定义的波形函数
输出电压信号。
[0014]
可选地，定义波形函数选取项数不超过5个的低频项的系数及低频项和两倍频项的总项数不超过10个的低频项和两倍频项的系数。
[0015]
可选地，实现cz门的系统还包括：低通滤波器，与z线连接，用于对电压信号进行滤波并加载至z线上。
[0016]
(三)有益效果
[0017]
本发明提出一种实现cz门的方法及系统，有益效果为：
[0018]
采用制备有|00>，01>，|10>，|11>四个量子态的单一量子态或者多个量子态的叠加态的至少一个量子比特具备z线的量子两比特系统，并根据傅里叶函数的低频项和两倍频项的系数快速定义波形函数，产生电压信号加载至z线上，使两个量子比特中的量子态|11>累计相位π，可实现保真度在99％以上的cz门。并且该种定义波形函数的方法可提高波形实现cz门的时间效率，即缩短实现cz门的时间，实现规模化量子计算。
附图说明
[0019]
图1示意性示出了本发明实施例实现cz门的方法的流程图。
[0020]
图2示意性示出了本发明实施例两个量子比特的量子化能级随z线的变化关系图。
[0021]
图3示意性示出了本发明实施例两量子比特处于能量本征态的几率随时间变化图。
[0022]
图4示意性示出了本发明实施例两个量子比特的量子态在布洛赫球上演化路径图。
[0023]
图5示意性示出了本发明实施例定义波形函数的波形示意图。
[0024]
图6示意性示出了本发明实施例测量cz门保真度的脉冲序列图
[0025]
图7示意性示出了本发明实施例采用6个系数时，系数微调后的优化过程图。
[0026]
图8示意性示出了本发明实施例系数微调的过程中，cz门优化的过程图。
[0027]
图9示意性示出了本发明实施例系数优化后波形函数的波形图。
[0028]
图10示意性示出了测量的本发明实施例提供的方法实现的cz门的保真度的实际效果图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0030]
本发明实施例提出一种实现cz门的方法，cz门保真度在99％以上，如图1所示，方法包括：
[0031]
s1，制备两个量子比特，其中，该两个量子比特中至少一个量子比特具备z线。
[0032]
为了实现cz门，可采用具有xy线和z线结构的比特。其中xy线是可以提供微波光子。z线可以改变量子比特的能级(即能吸收光子的最佳频率)。对于cz门的操作，要求至少有一个比特具备z线。在上述操作s1中，在两个量子比特上制备|00>，01>，|10>，|11>四个量子态的单一量子态或者多个量子态的叠加态，该两个量子比特中至少一个量子比特具备z线。
[0033]
s2，定义波形函数，根据波形函数产生电压信号，其中，电压信号为使两个量子比特中量子态|11>与量子态|20>能级对齐以实现量子态|11>与量子态|20>交换几率的电压信号。
[0034]
为了实现cz门，需使得步骤s1中制备的两个量子比特进行非绝热的演化，如图2所示，dress state low和dress state high代表参与相互作用的两个量子态形成的高能本征态和低能本征态。非绝热演化是指施加在z线上电压信号对能级的改变足够缓慢时，量子系统始终处于本征态。在本发明一实施例中，为了实现cz门，将对z线施加与图3所示对应的电压信号。此时量子系统会经历一个非绝热的过程，即量子态会从|11>态沿虚线前进。如果能对z线施加恰当的电压信号，则量子态在两个虚线的交叉点附近进行量子演化，并得到一个π的相位，|11>量子态在布洛赫球上演化路径如图4所示。
[0035]
电压信号是信号发生器根据定义的波形函数输出的，在本发明一实施例中，根据傅里叶函数的低频项和两倍频项的系数定义波形函数，选取项数不超过5个的低频项的系数及低频项和两倍频的项总项数不超过10个的低频项和两倍频项的系数定义波形函数，这样信号发生器根据波形函数输出的电压信号即为恰当的电压信号，能使得两个量子比特进行非绝热的演化，两个量子比特中量子态|11>与量子态|20>的能级对齐，量子态|11>与量子态|20>的能级多次经过对齐点，使得量子态|11>与量子态|20>交换几率，使|11>量子态累计相位π，实现cz门。定义的波形函数的波形如图5所示，两量子比特处于能量本征态的几率随时间变化如图3所示。其中，系数可以是任意的数，不失一般性的，可以是10以内的复数。该种定义波形函数的方法可提高波形实现cz门的时间效率，实现规模化量子计算。
[0036]
s3，将电压信号加载至z线上，使两个量子比特中的量子态|11>累计相位π，实现cz门。
[0037]
在上述操作s3中，当信号发生器根据定义的波形函数输出的电压信号后，通过低通滤波器对电压信号进行滤波，然后加载至z线上，此时，两个量子比特中的量子态|11>累计相位π，而其它的量子态则不受影响，从而将比特调回原来的工作点，实现cz门，其中，原来的工作点是指比特频率等于idle和单比特门时刻频率对应的电压值。
[0038]
s4，对cz门的保真度进行测量，根据测量结果调节定义波形函数的系数，从而调节cz门的保真度至预设值以上。
[0039]
采用如图6所示的脉冲序列对cz门的保真度进行测量，根据测量结果，利用图7及图8所示的预期效果对定义波形函数的系数进行微调，优化波形函数，直至cz保真度达到所预期的值，可对1个或几个参数的值进行微调，优化波形函数最终结果如图9所示，图9中波形函数的长度为40ns。在实际的物理器件中，电压脉冲往往有上升沿和下降沿，图9中2ns的上升沿和下降沿不影响cz门的效果。
[0040]
图10为准确测量的本发明实施例提供的方法实现的cz门的保真度的实际效果图，从图中可以看出，cz门的保真度达到99.5％以上。
[0041]
本发明实施例提出一种实现cz门的系统，包括：
[0042]
量子比特系统，包括两个量子比特，其中，两个量子比特中至少一个量子比特具备z线，两个量子比特上制备有|00>，01>，|10>，|11>四个量子态的单一量子态或者多个量子态的叠加态。
[0043]
信号发生器，用于根据波形函数输出电压信号至z线，使两个量子比特中的量子态
|11>累计相位π，实现cz门，其中，电压信号为使两个量子比特中量子态|11>与量子态|20>能级对齐以实现量子态|11>与量子态|20>交换几率的电压信号。在本发明一实施例中，信号发生器根据傅里叶函数的低频项和两倍频项的系数定义的波形函数输出电压信号。定义波形函数选取项数不超过5个的所述低频项的系数及低频项和两倍频项的总项数不超过10个的低频项和两倍频项的系数。信号发生器为任意波形发生器，在本发明一实施例中波形发生器为可数字调频调幅的数字信号发生器。
[0044]
低通滤波器，与z线连接，用于对电压信号进行滤波并加载至z线上。
[0045]
通过该系统实现cz门，其保真度测量的实际效果如图10所示，从图中可以看出，实现的cz门的保真度在99.5％以上。
[0046]
综上所述，本发明提出一种实现cz门的方法及系统，采用制备有|00>，01>，|10>，|11>四个量子态的单一量子态或者多个量子态的叠加态的至少一个量子比特具备z线的量子两比特系统，并根据傅里叶函数的低频项和两倍频项的系数快速定义波形函数，产生电压信号加载至z线上，使两个量子比特中的量子态|11>累计相位π，实现保真度在99.5％以上的cz门。并且该种定义波形函数的方法可提高波形实现cz门的时间效率，实现规模化量子计算。
[0047]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。