量子位驱动信号的优化方法、量子控制系统及量子计算机与流程

本申请属于量子领域，特别是一种量子位驱动信号的优化方法、量子控制系统及量子计算机。

背景技术：

1、量子处理器为运行量子计算的核心部件，量子处理器上集成有多位量子位，每个量子位均连接有磁通调制线和量子态调制线，其中，磁通调制线用于施加调控量子位频率的磁通驱动信号，量子态调制线用于施加调控量子位的量子态的微波驱动信号。此外，相邻两个量子位之间集成有用于耦合作用的耦合器，耦合器上设置也有磁通调制线，通过在耦合器的磁通调制线施加磁通驱动信号调节耦合器的工作频率，实现耦合器的工作状态在打开和关闭之间相互切换。当耦合器的工作状态为打开时，相邻的量子位之间可以进行信息交互，执行两比特门操作，运行多比特运算。

2、无论是量子位，还是耦合器，均为由超导约瑟夫森结制备的频率可调的谐振系统，通过磁通调制线施加磁通驱动信号调节谐振频率。磁通驱动信号包括直流驱动信号和脉冲驱动信号，对于耦合器而言，通过施加直流驱动信号将可调耦合器的工作状态调节为关闭，并通过施加脉冲驱动信号将耦合器的工作状态调节为打开，当终止施加脉冲驱动信号时，耦合器的工作状态切换到关闭状态；对于量子位而言，通过施加直流驱动信号将量子位的频率调节至单比特工作点频率，并通过施加脉冲驱动信号将量子位的频率调节至两比特工作点频率，在此工作点，将耦合器的工作状态调节为打开，相邻两个量子位可以执行两比特门操作。

3、磁通调制线上施加的脉冲驱动信号的波形通常为高斯平顶波，会带来磁通噪声，且磁通噪声会随着施加的时间累积，直接影响耦合器处于打开状态时的耦合效率，进而降低量子处理器上相邻两个量子位之间执行两比特门操作的效果。

4、因此，如何提高量子处理器上相邻两个量子位之间执行两比特门操作的精度成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种量子位驱动信号的优化方法、量子控制系统及量子计算机，弥补了现有技术中因为磁通噪声引起的相邻两个量子位之间执行两比特门操作效果差的缺点，提高相邻两个量子位之间执行两比特门操作的精度。

2、本申请技术方案具体如下：

3、本申请的一方面提供了一种量子位驱动信号的优化方法，所述量子位驱动信号用于将量子处理器上量子位的频率由单比特工作点频率调节至两比特工作点频率，所述优化方法包括：

4、施加耦合驱动信号将相邻两个量子位之间的耦合器的工作状态由关闭状态切换为打开状态；其中，所述耦合驱动信号包括拼接的第一脉冲信号和第二脉冲信号，所述第一脉冲信号的波形和所述第二脉冲信号的波形在时域积分之和为零；

5、对相邻两个量子位执行swap实验，其中，所述swap实验为测量相邻的两个所述量子位之间的量子态信息交互的实验；

6、基于所述swap实验的结果优化所述量子位驱动信号。

7、如上所述的量子位驱动信号的优化方法，优选的，所述施加耦合驱动信号将相邻两个量子位之间的耦合器的工作状态由关闭状态切换为打开状态，具体包括：

8、施加所述第一脉冲信号将所述耦合器的工作状态由关闭状态与第一打开状态之间切换两次；

9、施加所述第二脉冲信号将所述耦合器的工作状态由关闭状态与第二打开状态之间切换两次。

10、如上所述的量子位驱动信号的优化方法，优选的，所述第一脉冲信号的波形幅值和所述第二脉冲信号的波形幅值均由所述耦合器的磁通调制谱确定；其中，所述磁通调制谱为所述耦合器的工作频率随直流驱动信号或脉冲驱动信号变化的曲线。

11、如上所述的量子位驱动信号的优化方法，优选的，所述第一脉冲信号的波形具有第一脉冲宽度，所述第二脉冲信号的波形具有第二脉冲宽度，所述第一脉冲宽度与所述第二脉冲宽度的和不大于所述量子位驱动信号的脉冲宽度。

12、如上所述的量子位驱动信号的优化方法，优选的，所述耦合驱动信号包括多个拼接的第一脉冲信号和第二脉冲信号，所有所述第一脉冲宽度与所述第二脉冲宽度的和不大于所述量子位驱动信号的脉冲宽度。

13、如上所述的量子位驱动信号的优化方法，优选的，相邻两个所述量子位的频率不同，所述对相邻两个量子位执行swap实验，包括：

14、将相邻的两个所述量子位的工作频率调控至单比特工作点，并将两个所述量子位的量子态调控至第一量子态；

15、遍历频率高的所述量子位上施加的所述量子位驱动信号的幅值；

16、测量两个所述量子位的量子态信息为所述第一量子态的概率随所述幅值变化的曲线。

17、如上所述的量子位驱动信号的优化方法，优选的，所述基于所述swap实验的结果优化所述量子位驱动信号，具体包括：

18、确定所述曲线的波谷对应的幅值为目标幅值；

19、基于所述目标幅值优化所述量子位驱动信号。

20、如上所述的量子位驱动信号的优化方法，优选的，所述第一量子态包括|11>态或|10>态。

21、本申请另一方面提供一种量子控制系统，所述量子控制系统输出上述的优化后的量子位驱动信号，所述量子位驱动信号驱动量子处理器上相邻两个量子位之间的耦合器由关闭状态切换为工作状态。

22、本申请再一方面提供一种量子计算机，包括上述的量子控制系统以及量子处理器，所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的量子位驱动信号运行量子计算。

23、与现有技术相比，本申请通过将耦合驱动信号设置为拼接的第一脉冲信号和第二脉冲信号，且第一脉冲信号的波形和所述第二脉冲信号的波形在时域积分之和为零，通过傅里叶逆变换可以确定第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的等效磁通噪声为零，即通过拼接的耦合驱动信号施加至耦合器带来的磁通噪声为零。进而通过耦合驱动信号将耦合器的状态调节至打开状态，并通过量子位驱动信号将相邻两个量子位的频率由单比特工作点频率调节至两比特工作点频率，使得两个量子位之间实现共振以进行量子态信息交互，再通过swap实验测量相邻两个量子位之间量子态信息交互的效果，根据实验结果确定交互效果最优的量子位驱动信号，使得优化后的耦合驱动信号作用于耦合器时，提高相邻两个量子位执行两比特门操作的精度。

技术特征：

1.一种量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，所述量子位驱动信号用于将量子处理器上量子位的频率由单比特工作点频率调节至两比特工作点频率，所述优化方法包括：

2.根据权利要求1所述的量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，所述施加耦合驱动信号将相邻两个量子位之间的耦合器的工作状态由关闭状态切换为打开状态，具体包括：

3.根据权利要求2所述的量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，所述第一脉冲信号的波形幅值和所述第二脉冲信号的波形幅值均由所述耦合器的磁通调制谱确定；其中，所述磁通调制谱为所述耦合器的工作频率随直流驱动信号或脉冲驱动信号变化的曲线。

4.根据权利要求2所述的量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，所述第一脉冲信号的波形具有第一脉冲宽度，所述第二脉冲信号的波形具有第二脉冲宽度，所述第一脉冲宽度与所述第二脉冲宽度的和不大于所述量子位驱动信号的脉冲宽度。

5.根据权利要求2所述的量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，所述耦合驱动信号包括多个拼接的第一脉冲信号和第二脉冲信号，所有所述第一脉冲宽度与所述第二脉冲宽度的和不大于所述量子位驱动信号的脉冲宽度。

6.根据权利要求1所述的量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，相邻两个所述量子位的频率不同，所述对相邻两个量子位执行swap实验，包括：

7.根据权利要求6所述的量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，所述第一量子态包括|11>态或|10>态。

8.根据权利要求6所述的量子位驱动信号的优化方法，其特征在于，所述基于所述swap实验的结果优化所述量子位驱动信号，具体包括：

9.一种量子控制系统，其特征在于，所述量子控制系统输出如权利要求1－8任一项所述的优化后的量子位驱动信号，所述量子位驱动信号驱动量子处理器上相邻两个量子位之间的耦合器由关闭状态切换为工作状态。

10.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求9所述的量子控制系统以及量子处理器，所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的量子位驱动信号运行量子计算。

技术总结
本申请公开了一种量子位驱动信号的优化方法，所述量子位驱动信号用于将量子处理器上量子位的频率由单比特工作点频率调节至两比特工作点频率，所述优化方法包括：施加耦合驱动信号将相邻两个量子位之间的耦合器的工作状态由关闭状态切换为打开状态；其中，所述耦合驱动信号包括拼接的第一脉冲信号和第二脉冲信号，所述第一脉冲信号的波形和所述第二脉冲信号的波形在时域积分之和为零；对相邻两个量子位执行SWAP实验，其中，所述SWAP实验为测量相邻的两个所述量子位之间的量子态信息交互的实验；基于所述SWAP实验的结果优化所述量子位驱动信号。本申请能提高相邻两个量子位之间执行两比特门操作的精度。

技术研发人员：程万青,陈俊哲,赵杨超,孔伟成
受保护的技术使用者：本源量子计算科技（合肥）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8