通过网格设计减少量子位频率冲突的制作方法

本发明总体上涉及量子计算，并且更具体地涉及用于量子计算的量子位的网格(lattice)布置。
背景技术：
：量子信息处理(量子计算)具有解决用常规机器计算难以处理的的某些种类的数学问题的潜力。量子计算采用量子物理对信息进行编码；例如，量子计算机可以采用作为量子信息的基本单元的量子比特(量子位)，并且因此量子计算机可以采用量子位来编码信息。构建高度有用的量子计算机将需要具有可能在数百万量级的物理量子位。许多常规的量子计算机架构被布置有垂直地和水平地耦合到最近的相邻量子位的物理量子位，从而形成二维格子(grid)。然而，在实现量子位的一些物理系统中，量子位的频率不是很好控制的，并且实际上，量子位由于制造后的缺陷而具有频率上的展宽。一些频率范围使得包括两个相邻量子位的门即使有也没有很好地工作，这被称为频率冲突，其禁止了那些量子位之间的逻辑操作。在极端情况下，频率范围足够差，使得产生无用的量子位，基本上导致网格中的洞。技术实现要素：以下给出了概述以提供对本发明的一个或多个实施例的基本理解。本概述不旨在标识关键或重要元素，或描绘特定实施例的任何范围或权利要求的任何范围。其唯一目的是以简化形式呈现概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。根据本发明的实施例，一种设备包括以网格布置进行布置的量子位，其中网格布置包括具有由边连接的顶点的相邻结构。量子位被定位在顶点上，并且网格布置中的量子位直接连接到不超过三个其它量子位，或者经由在顶点上的两个量子位之间的边上的耦合量子位连接到另一个量子位。因此，该设备减少了量子位之间的连接的数量，这进而减少了频率冲突的机会。相邻结构可以包括六边形、十二边形或八边形。相邻结构可以包括在六边形的顶点之间的边上具有量子位的六边形、在十二边形的顶点之间的边上具有量子位的十二边形、在八边形的顶点之间的边上具有量子位的八边形、或者在矩形的顶点之间的边上具有量子位的矩形。在顶点上的两个量子位之间的边上的耦合量子位可以包括控制量子位，并且在顶点上的两个量子位可以包括目标量子位。因此，该结构减少了量子位之间的连接的数量，这进而减少了频率冲突的机会。根据本发明的另一个实施例，一种超导量子位网格包括超导目标量子位和超导控制量子位，其中该超导量子位网格包括具有由边连接的顶点的相邻结构。超导目标量子位被定位在顶点上，并且超导控制量子位被定位在边上。第一超导目标量子位经由在第一超导目标量子位与第二超导目标量子位之间的边上的超导控制量子位连接到第二超导目标量子位。相邻结构包括在六边形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的六边形、在十二边形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的十二边形、在八边形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的八边形、或在矩形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的矩形。因此，超导量子位网格和结构减少了量子位之间的连接的数量，这进而减少了频率冲突的机会。根据又一个实施例，一种超导量子位网格包括超导量子位，其中该超导量子位网格包括具有由边连接的顶点的相邻结构。超导量子位被定位在顶点上。超导量子位连接到不超过三个其它超导量子位。相邻结构包括六边形、十二边形或八边形。该超导量子位经由耦合超导量子位间接地连接到该不超过三个其它超导量子位。第一超导量子位经由耦合超导量子位连接到第二超导量子位，该耦合超导量子位在第一顶点上的第一超导量子位与第二顶点上的第二超导量子位之间的边上。因此，超导量子位网格和结构减少了量子位之间的连接的数量，这进而减少了频率冲突的机会。根据本发明的又一个实施例，一种超导量子位网格包括超导目标量子位以及超导控制量子位。超导量子位网格可以包括具有由边连接的顶点的相邻结构。超导目标量子位被定位在顶点上，并且超导控制量子位被定位在边上。第一超导目标量子位经由在第一超导目标量子位与第二超导目标量子位之间的边上的超导控制量子位连接到第二超导目标量子位。相邻的超导目标量子位和超导控制量子位之间的逻辑操作可以通过在超导目标量子位的频率处或其附近驱动超导控制量子位来实现。因此，超导量子位网格减少了量子位之间的连接的数量，这进而减少了频率冲突的机会。相邻结构可以包括六边形、十二边形或八边形。相邻结构可以包括在六边形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的六边形、在十二边形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的十二边形、在八边形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的八边形、或者在矩形的顶点之间的边上具有超导控制量子位的矩形。该结构减少了量子位之间的连接的数量，这进而减少了频率冲突的机会。附图说明图1是其中可以根据本发明的实施例实现例如参考图2-图11所描述的量子位网格布置的框图。图2是根据本发明的实施例的其中六边形结构提供减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图3是根据本发明的实施例的其中六边形结构提供包括用于双量子位门的减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图4是根据本发明的实施例的其中在顶点上具有量子位并且在边上具有耦合量子位的六边形结构提供减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图5是根据本发明的实施例的其中六边形结构通过使顶点上的量子位仅直接耦合到耦合量子位来提供减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图6是根据本发明的实施例的网格布置的大致六边形结构中的二十个量子位的表示，其中控制量子位被定位在位于顶点上的目标量子位之间的边上。图7是根据本发明的实施例的其中十二边形结构提供减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图8是根据本发明的实施例的其中在顶点上具有量子位并且在边上具有耦合量子位的十二边形结构提供减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图9是根据本发明的实施例的其中八边形结构提供减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图10是根据本发明的实施例的其中在顶点上具有量子位并且在边上具有耦合量子位的八边形结构提供减少的量子位连接的量子位网格布置的表示。图11是根据本发明的实施例的其中在顶点上具有量子位并且在边上具有耦合量子位的矩形(例如，正方形)结构提供减少的量子位连接的示例量子位网格布置的表示。具体实施方式以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制本发明的实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到在前述部分中或在本部分中呈现的任何明示或暗示的信息的限制。现在参考附图描述本发明的实施例，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻理解。然而，在各种情况下，显然可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。此外，应当理解，将根据给定的说明性架构来描述本发明；然而，在本发明的范围内，可以改变其它架构、结构和/或操作。还将理解，当诸如量子位之类的元件被称为耦合到或连接到另一元件时，它可以直接地或通过一个或多个中间元件间接地耦合到或连接到另一元件。相反，当且仅当元件被称为“直接”耦合或连接时，不存在(一个或多个)中间元件，即，当且仅当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在(一个或多个)中间元件。说明书中对本发明的“一个实施例”或“实施例”以及它们的其它变型的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性等被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其它变型的出现不一定都指本发明的同一实施例。常规量子位布置的问题是，二维水平和垂直格子意味着任何量子位具有四个潜在的频率冲突，考虑到其四个直接连接的邻居；(自然地，在格子的周边上的给定量子位具有较少的邻居，但是在大的格子结构中，这些量子位与非周边量子位相比在数量上是相对少的，并且在本文中不单独地描述)。注意，具有水平、垂直和对角连接也是可行的，从而对应于八个潜在的频率冲突，这可能甚至更成问题。本文描述的一种解决方案是通过用不同的网格几何结构布置量子位来减少个体量子位与其它相邻量子位的连接性，因此降低相邻量子位之间的频率冲突的可能性。本文描述的另一个解决方案是通过用不同的网格几何结构布置量子位并且为量子位分配不同的角色来减少个体量子位与其它相邻量子位的连接性；例如，一种几何结构将目标量子位布置在构成网格的几何(多边形)结构的顶点上，并且将控制量子位布置在顶点之间的边上。图1示出了其中可以实现本发明的一般系统100。在图1中，诸如常规或专用计算机器之类的控制设备102接收诸如来自程序、进程、用户或其它合适实体之类的输入104。基于输入104，控制设备102产生量子信号108，量子信号108操作量子位网格布置110中的量子位中的所选定的量子位。来自网格布置110的输出可以包括量子位状态的测量，该量子位状态的测量被反馈到控制设备102，诸如用于提供表示实验结果等的对应输出114。转到可以用于形成量子位网格布置110的示例结构，图2示出了包括量子位(在图2中被表示为圆圈)的网格布置210，这些量子位被布置为六边形结构，例如，如通过在虚线框中突出显示的六边形结构222所表示的。六边形结构彼此相邻，并且与相邻六边形结构共享两个顶点和一个边。同样，这是内部六边形结构的一般规则，并且不涉及在网格布置210的周边上的六边形结构。图2中的量子位在六边形结构的顶点上，并且一般而言量子位在网格布置210中通常对称分布。注意，图2中表示的六边形结构未被描绘为正六边形，然而它们可以是正六边形。除了与其它六边形结构相邻之外，量子位还通常均匀地分布在网格布置210中。与其中内部量子位具有四个直接连接的水平和垂直格子不同，可以容易地理解的是，图2中的量子位至多直接连接到三个其它量子位。因此，例如量子位224(在图2中用黑色圆圈突出显示)仅直接连接到量子位227-229(通过交叉圆圈突出显示)。由于连接的数量减少(相对于两个水平和垂直格子)，图2的一个六边形结构中的量子位在统计上不太可能与其相邻量子位之一发生频率冲突。图3图示了在六边形网格布置210中，由总线333连接的两个相邻量子位330、332(这些量子位被表示为黑色圆圈，例如，形成双量子位门)如何仅具有四个其它量子位频率，这些量子位频率可能引起与邻近由这两个量子位330、332形成的门的四个量子位336-339的串扰。如可以容易地理解的，水平和垂直格子布置中的类似的双量子位门具有六个相邻的量子位，从而增加了频率冲突的可能性。图4中表示的本发明的另一个实施例是针对为量子位分配角色，并且将这些量子位定位在网格布置上以便进一步减小频率冲突的可能性。在图4中，小的黑色圆圈代表耦合量子位，而较大的白色圆圈代表其它量子位。在一个或多个实现方式中，耦合量子位是控制量子位，而其它量子位是目标量子位；(控制量子位和目标量子位的概念和功能在量子计算中是公知的，因此本文不作详细描述)。注意，圆圈的尺寸不是为了表达实际的相对尺寸，而是为了帮助在视觉上区分量子位的两个角色。在图4中，六边形结构(例如，其中之一由虚线框442表示)通常类似于图2和图3的那些六边形结构，因为一些量子位被定位在六边形结构的顶点上，六边形结构彼此相邻，量子位通常均匀地间隔，等等。然而，与图2和图3相反的是，顶点之间的边具有定位在其上的耦合(例如，控制)量子位。可以看出，量子位444(例如，目标量子位)是通过耦合量子位445连接的，并且由此间接地连接到量子位446。因此，每个总线有两个量子位，即边定位的耦合(例如，控制)量子位以及顶点定位的(例如，目标)量子位。因此，如图5中所表示的，对于每个双量子位门(分别是小的黑色圆圈552和大的黑色圆圈554)，在目标处驱动控制的情况下，仅一个其它量子位(由“交叉”量子位556表示)被直接耦合到控制量子位552，因此减少了频率冲突的数量。图6示出了在六边形结构的网格中的二十个量子位；控制量子位(数量为十二个，用c标记)仅最近邻地耦合到两个目标量子位(四个用t1标记，四个用t2标记)，并且仅需要三个不同的频率。冲突的类型(冲突窗口上的10mhz半宽)是类型1：和类型2：(其中j和k是最近的邻居)，其中ω表示量子位的频率。其它冲突是类型3：△jk＝ωj-ωk∈(-ε,-δj)和类型4：(其中j表示控制量子位并且k表示目标量子位)，其中△是控制量子位和目标量子位之间的频率差，ε是允许目标频率高于控制频率的量，并且δ是量子位的非谐性。还有其它的冲突是类型5：类型6：和类型7：(其中i表示旁观者量子位，j表示控制量子位，并且k表示目标量子位)。图7示出了具有包括十二边形的二维结构的另一网格布置710；一种这样的结构在虚线框772中表示。如从图7中可以看到的，包括通过量子位774(由黑色圆圈表示)及其相邻量子位776-778(由交叉圆圈表示)，网格布置710中的任何个体量子位直接连接到最多三个其它量子位。尽管没有单独示出，但是应当理解，图7的网格布置710中的任何双量子位门直接连接到最多四个其它量子位。图8示出了具有包括十二边形的二维结构的另一网格布置810，其中耦合(例如，控制)量子位被定位在位于顶点上的其它(例如，目标)量子位之间的边上。从图8可以看出，包括通过量子位884和886，网格布置中的任何个体量子位仅直接连接到耦合量子位，例如，耦合量子位888。因此，以上参考图4和图5描述的相同的减少频率冲突统计适用于图8的网格布置810。图9示出了具有包括八边形的二维结构的另一网格布置910；一种这样的结构在虚线框992中表示。从图9可以看出，包括通过量子位994(由黑色圆圈表示)及其相邻量子位996-998(由交叉圆圈表示)，网格布置910中的任何个体量子位直接连接到最多三个其它量子位。尽管没有单独示出，但是应当理解，图9的网格布置910中的任何双量子位门直接连接到最多四个其它量子位。图10示出了具有包括八边形的二维结构的另一个网格布置1010，其中耦合(例如控制)量子位被定位在位于顶点上的其它(例如目标)量子位之间的边上。从图10中可以看出，包括通过量子位1014和1016，网格布置中的任何个体量子位仅直接连接到耦合量子位，例如，耦合量子位1018。因此，以上参考图4和图5描述的相同的减少频率冲突统计适用于图10的网格布置1010。图11示出了关于被定位在正方形(或更一般地，矩形)的顶点上的量子位的格子状网格布置1110。然而，与其它格子状布置相反，在其它量子位之间的边上存在耦合量子位；顶点上的量子位可以是目标量子位，并且边上的量子位可以是控制量子位。因此，例如，量子位1116直接连接到耦合量子位1117(并且仅连接到其它耦合量子位)，并且耦合量子位1117直接连接到量子位1118。因此，以上参考图4和图5描述的相同的减少频率冲突统计适用于图11的网格布置1110。统计建模示出了频率冲突的明确减少。模型的经验输入可以包括‘冲突窗口’(从量子建模或从测量中已知)的定义和量子位频率的测量的统计分布。统计模型的设计输入可以包括电路中的量子位的数量、电路中的量子位的几何布置、电路中的各种量子位的功能(例如，它们在量子纠错算法中作为“数据”或“辅助”的使用)，量子位类型(例如，传输子(transmon)、相位量子位、通量量子位或其它类型的超导量子位)、量子位非谐性(以ghz或mhz为单位的值)、每个总线的量子位的数量、预期的量子位频率(以ghz为单位的值)以及交叉谐振(cr)门的期望的保真度。经由蒙特卡罗模拟获得的以下数据表(其中σ表示标准偏差，ε表示允许目标频率高于控制频率的量，δ_c表示控制量子位的非谐性，并且δ_t表示目标量子位的非谐性)总结了具有(控制量子位频率)ωc＝5.2ghz的六边形网格(顶点和边)：σ(mhz)ε(mhz)δ_c(mhz)δ_t(mhz)#样本最小概率(冲突)00-340-3401000400-340-340100～0.90-0.911000-340-340100～0.99-1.04050-340-340100～0.88-0.894050-390-340100～0.87-0.882050-340-340100～0.652050-390-340100～0.52050-390-390100～0.46下表总结了具有ωc＝5.2ghz的六边形和正方形网格(顶点和边)的比较：可以看出，描述了一种通过网格设计中的几何结构来减少个体量子位和其它量子位之间的连接性并由此降低频率冲突的可能性的技术。网格设计包括这样的结构，其提供个体量子位以具有最多三个直接连接的其它量子位，或者以具有通过耦合量子位连接的量子位。本发明的一个或多个方面涉及一种设备，该设备包括以网格布置进行布置的量子位，其中该网格布置包括具有由边连接的顶点的相邻结构。量子位被定位在顶点上，并且在网格布置中的量子位直接连接到不超过三个其它量子位，或者经由在顶点上的两个量子位之间的边上的耦合量子位连接到另一个量子位。相邻结构可以包括六边形、十二边形、八边形或矩形，各自在顶点之间的边上具有量子位。在顶点上的两个量子位之间的边上的耦合量子位可以包括控制量子位，并且顶点上的两个量子位可以包括目标量子位。本发明的一个或多个方面涉及一种超导量子位网格，该超导量子位网格包括超导目标量子位以及超导控制量子位，其中该网格包括具有由边连接的顶点的相邻结构。目标量子位可以被定位在顶点上并且控制量子位可以被定位在边上。第一目标量子位可以经由在第一目标量子位与第二目标量子位之间的边上的控制量子位连接到第二目标量子位。相邻结构可以包括六边形、十二边形、八边形或矩形，各自在矩形的顶点之间的边上具有超导控制量子位。本发明的一个或多个方面涉及一种包括超导量子位的超导量子位网格，其中该量子位网格包括具有由边连接的顶点的相邻结构。量子位可以被定位在顶点上。量子位连接到不超过三个其它量子位。相邻结构可以包括六边形、十二边形或八边形。该量子位可以经由耦合量子位间接地连接到该不超过三个其它量子位。第一量子位可以经由耦合量子位连接到第二量子位，该耦合量子位在第一顶点上的第一超导量子位与第二顶点上的第二量子位之间的边上。一个或多个方面涉及一种超导量子位网格，该超导量子位网格包括超导目标量子位以及超导控制量子位。量子位网格可以包括具有由边连接的顶点的相邻结构。目标量子位可以被定位在顶点上并且控制量子位可以被定位在边上。第一目标量子位可以经由在第一目标量子位与第二目标量子位之间的边上的控制量子位连接到第二目标量子位。可以通过在目标量子位的频率处或其附近驱动控制量子位来实现相邻的超导目标量子位与超导控制量子位之间的逻辑操作。相邻结构可以包括六边形、十二边形、八边形或矩形，各自在顶点之间的边上具有控制量子位。上面已经描述的内容包括的仅仅是示例。当然，不可能为了描述本发明的目的而描述网格布置、组件、材料等的每个可想到的组合，但是本领域的普通技术人员可以认识到，本发明的许多进一步的组合和排列是可能的。此外，就术语“包含”、“具有”、“拥有”等在详细描述、权利要求、附录和附图中被使用的程度而言，这样的术语旨在如同“包括”在权利要求中被用作过渡词时所解释的那样以与术语“包括”类似的方式是包含性的。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制于所公开的本发明的实施例。在不背离本发明的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是清楚的。选择本文使用的术语是为了最好地解释本发明的原理、实际应用或对市场上存在的技术的技术改进，或者使本领域的其它普通技术人员能够理解本发明。当前第1页12