基于两比特门泄露的抑制方法及系统与流程

1.本技术涉及量子计算技术领域，尤其是涉及一种基于两比特门泄露的抑制方法及系统。


背景技术：

2.量子计算与量子信息是一门基于量子力学的原理来实现计算与信息处理任务的交叉学科，与量子物理、计算机科学、信息学等学科有着十分紧密的联系。量子逻辑门是完成量子计算的基本单元。在整个量子线路执行的过程中，不同的时刻需要执行不同的量子逻辑门，需要满足不同的工作条件，特别是量子比特的频率。
3.量子处理器上集成有多个量子位，且相邻量子位的频率不同，因此根据频率的大小将相邻两个比特分为高频量子比特和低频量子比特，相邻量子位之间通过耦合器进行耦合，耦合器包括固定耦合器和可调耦合器；通过对可调耦合器的频率进行调节实现相邻两个量子位之间的耦合作用以执行两比特门操作。
4.常见的两比特门有swap、iswap、controlled-not(cnot)、controlled-z(cz)这几种门。cz门，又称为受控相位门，实现cz门操作，需要获取一脉冲，通过将该脉冲施加到一量子比特上降低其频率，实现态交换且积累相位π。cz门在执行量子态交换的过程中，cz门主要的能量泄露发生频率相对接近的高频比特和可调耦合器之间。当可调耦合器与量子比特之间发生不必要态交换时，就会导致能量泄露的情况出现，影响cz门的保真度。
5.为了减少cz门操作中不必要的态交换，减少cz门能量泄露的情况发生，需要提出一种新的量子比特控制信号的获取方法。
6.需要说明的是，公开于本技术背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.为了减少cz门操作中不必要的态交换，减少cz门能量泄露的情况发生，本技术提供一种基于两比特门泄露的抑制方法及系统。
8.本技术提供的一种基于两比特门泄露的抑制方法采用如下的技术方案：包括：
9.接收ac电压信号，代入预设的ac谱函数，计算拟合参数；
10.接收比特参数，将所述比特参数代入预设的窗函数中，得到可调耦合器的频率随时间响应的频率变化函数；
11.将所述拟合参数以及所述频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数；
12.根据所述脉冲信号函数，输出脉冲信号，执行cz门。
13.可选的，所述接收ac电压信号，根据预设的ac谱函数，计算拟合参数，包括：
14.根据所述ac电压信号获取电压幅值；
15.根据预设的量子比特的频率、量子比特上的磁通以及所述电压幅值，得到所述拟合参数，所述拟合参数包括：f
c，max
、detune、offset和m；
16.其中，f
c，max
表示量子比特频率最大值，detune表示子比特非谐，offset表示量子比特简并点相对于电压零点的偏移，m表示磁通与电压的比例系数。
17.可选的，所述接收比特参数，将所述比特参数代入预设的窗函数中，包括：
18.所述窗函数公式如下：
[0019][0020]
其中，θi表示初始窗函数值，λ表示窗函数阶数对应的系数，t
p
表示swap的持续时间，n表示窗函数的阶数，t表示系统演化时间。
[0021]
可选的，n的取值范围为2至4。
[0022]
可选的，所述比特参数包括：量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度g
1c
和量子比特的频率ωq；
[0023]
所述得到可调耦合器的频率与时间的频率变化函数，包括：
[0024]
根据所述量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度g
1c
和所述量子比特的频率ωq以及所述窗函数公式，计算可调耦合器的频率与时间变化关系，得到所述频率变换函数ωc(t)。
[0025]
可选的，所述将所述拟合参数以及所述频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数，包括：
[0026]
所述脉冲算法公式如下：
[0027][0028]
将所述f
c，max
、detune、offset、m以及所述频率变换函数代入所述脉冲算法中，得到所述脉冲信号函数amp(t)。
[0029]
可选的，所述根据所述脉冲信号函数，输出脉冲信号，执行cz门，包括：
[0030]
将预设的uz脉冲信号输入高频量子比特中，使其满足cz门的swap共振条件；
[0031]
将所述脉冲信号输送至可调耦合器中，抑制量子比特量子态与可调耦合器量子态之间的能量泄露。
[0032]
第二方面，本技术提供一种基于两比特门泄露的抑制装置，采用如下技术方案，包括：
[0033]
拟合模块，用于接收ac电压信号，代入预设的ac谱函数，计算拟合参数；
[0034]
频率模块，用于接收比特参数，将所述比特参数代入预设的窗函数中，得到可调耦合器的频率与时间的频率变化函数；
[0035]
脉冲模块，用于将所述拟合参数以及所述频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数；
[0036]
执行模块，用于根据所述脉冲信号函数，将脉冲信号输送至可调耦合器中，执行cz门操作。
[0037]
第三方面，本技术提供一种控制设备，该设备包括：
[0038]
存储器和处理器，所述存储器上存储有能够被处理器加载并执行供一种基于两比特门泄露的抑制方法的计算机程序。
[0039]
第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行供一种基于两比特门泄露的抑制方法的计算机程序。
[0040]
第五方面，本技术提供一种量子计算机，包括量子芯片，根据所述量子芯片执行供一种基于两比特门泄露的抑制方法的步骤指令。
[0041]
综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：将ac电压信号输入ac谱函数中，可以计算出ac谱的拟合参数，再将比特参数代入预设的窗函数中，计算可调耦合器的频率与时间的变换关系，即频率变换函数，然后将拟合参数以及频率变换函数代入脉冲算法中，计算脉冲幅值与时间变换关系，即脉冲信号函数，最后系统根据脉冲信号函数向可调耦合器输入与脉冲幅值相对应的电压，使得可调耦合器执行上述的脉冲信号，从而抑制高频比特量子态与可调耦合器量子态之间的能量泄露，以便于可完成高保真度的cz门。
附图说明
[0042]
图1是本技术实施例中双量子比特耦合的结构示意图。
[0043]
图2是本技术实施例一种基于两比特门泄露的抑制方法的流程示意图。
[0044]
图3是本技术实施例一种基于两比特门泄露的抑制装置的结构框图。
[0045]
附图标记说明：210、拟合模块；220、频率模块；230、脉冲模块；240、执行模块。
具体实施方式
[0046]
以下结合附图1-2对本技术作进一步详细说明。
[0047]
以下将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
[0048]
在本发明的描述中，除非另有说明，否则使用术语“第一”“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。
[0049]
在本公开中对各种示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
[0050]
在量子计算机中，量子芯片是执行量子计算的处理器，量子芯片上集成有多个一一对应的且相互耦合的量子比特和读取谐振腔，各读取谐振腔远离对应量子比特的一端均连接至集成设置在量子芯片上的读取信号传输线，各量子比特均耦合连接有xy信号传输线和z信号传输线。xy信号传输线用于接收量子态调控信号，z信号传输线用于接收磁通量调控信号，磁通量调控信号包括偏置电压信号和/或脉冲偏置调控信号，偏置电压信号和脉冲偏置调控信号均可以对量子比特的频率进行调控，读取信号传输线用于接收读取探测信号
和发射读取反馈信号。利用z信号传输线上的磁通量调控信号将量子比特的频率调整到工作频率，此时通过xy信号传输线施加量子态调控信号对处于初始态的量子比特进行量子态调控，采用读取谐振腔读取调控后的量子比特的量子态。
[0051]
在量子计算执行过程中，通过读取信号传输线施加载频脉冲信号，通常称之为读取探测信号，读取探测信号通常是频率为4-8ghz的微波信号，通过解析读取信号传输线输出的读取反馈信号确定量子比特所处于的量子态。读取谐振腔能够读取量子比特的量子态的根本原因是量子比特的不同量子态对读取谐振腔产生的色散频移不同，从而使得量子比特的不同量子态对施加在读取谐振腔上的读取探测信号具有不同的响应，该响应信号称为读取反馈信号。当量子比特的读取探测信号的载频与读取谐振腔的固有频率(也叫谐振频率)非常靠近时，读取谐振腔会因量子比特处于不同量子态对读取探测信号的响应的明显差异，即读取反馈信号具有最大化的可区分度。基于此，通过解析一定脉冲长度的读取反馈信号确定量子比特所处于的量子态，例如，将每一次采集的读取反馈信号转换为正交平面坐标系(即i-q平面坐标系)的一个坐标点，根据坐标点的位置确定对应的量子态是|0》态，还是|1》态，可以理解的是，|0》态、|1》态是一个量子比特的两个本征态。同理两个量子比特的本征态是|00》态、|01》态、|10》态和|11》态等，一个量子比特和一个耦合器的本征态是|00》态、|01》态、|10》态和|11》态等，两个量子比特和一个耦合器的本征态是|000》态、|001》态、|010》态和|011》态等。
[0052]
应当理解的是，在cz门中，主要的能量泄露发生频率相对接近的高频量子比特和可调耦合器之间。为了方便理解，可调耦合器可以视为一个只有z线的量子比特。参照图1，图1为双量子比特耦合的结构示意图。
[0053]
发明人发现，在量子计算过程中，尤其是cz门在执行量子态交换的过程中，需要控制部分频率位置处的量子比特和耦合器的量子态进行交换，同时也需要控制另一部分的频率位置处的量子比特和耦合器的量子态不进行交换，当不需要进行态交换的这些频率位置处的量子比特和耦合器的量子态发生态交换，就会导致能量泄露的情况出现，影响cz门的保真度。例如：在cz门操作中，|101》态与|011》态或|200》态之间出现态交换，容易出现能量泄露。
[0054]
基于此，本技术实施例公开一种基于两比特门泄露的抑制方法。
[0055]
参照图2，本技术至少包括步骤s10至步骤s40。
[0056]
s10，接收ac电压信号，代入预设的ac谱函数，计算拟合参数。
[0057]
其中，ac电压信号是指量子比特ac线上的电压，ac谱函数就是量子比特ac线上的电压与比特频率变换关系公式。
[0058]
具体来说，根据ac电压信号获取电压幅值，根据预设的量子比特的频率、量子比特上的磁通以及电压幅值，得到拟合参数，拟合参数包括：f
c，max
、detune、offset和m。
[0059]
实际来说，ac谱函数公式如下：
[0060]
φ＝π*m*(amp-offset)，
[0061]
其中，f
c，max
表示量子比特频率最大值，detune表示子比特非谐，offset表示量子比特简并点相对于电压零点的偏移，m表示磁通与电压的比例系数，φ表示量子比特上的磁通，amp表示电压的幅值。
[0062]
s20，接收比特参数，将比特参数代入预设的窗函数中，得到可调耦合器的频率随时间响应的频率变化函数。
[0063]
其中，比特参数包括：g
1c
和ωq等参数。
[0064]
具体来说，窗函数公式如下：
[0065][0066]
θi表示初始窗函数值，λ表示窗函数阶数对应的系数，不同波形对应的λ不同，本技术实施例中使用slepian波形(一种曲线波形)。t
p
表示swap的持续时间，n表示窗函数的阶数，t表示系统演化时间。
[0067]
窗函数可以反映出theta与时间的响应关系，theta有物理意义如下:tan(theta)＝g/delta,(比特与耦合器的相互作用)/(比特与耦合器的频率之差)。
[0068]
考虑到n过大，会导致窗函数需要优化的系数就越多，容易造成冗余，影响运算速率，因此，本技术实施例中，n的取值范围为2至4。
[0069]
根据量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度g
1c
和量子比特的频率ωq以及窗函数公式，计算可调耦合器的频率与时间变化关系，得到频率变换函数ωc(t)，经过变换可得频率变化函数公式如下：
[0070][0071]
其中，ωc表示可调耦合器的频率，ωq表示高频量子比特的频率，g
1c
表示高频量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度。
[0072]
s30，将拟合参数以及频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数。
[0073]
具体来说，脉冲算法公式如下：
[0074][0075]
将f
c，max
、detune、offset、m以及频率变换函数代入脉冲算法中，得到脉冲信号函数amp(t)，即得到可调耦合器上电压的幅值随时间响应的变换关系。
[0076]
s40，根据脉冲信号函数，输出脉冲信号，执行cz门。
[0077]
具体来说，将预设的uz脉冲信号输入高频量子比特中，使其满足cz门的swap共振条件，将脉冲信号输送至可调耦合器中，即将与amp(t)相对应的电压值输送至可调耦合器中，从而抑制高频比特量子态与可调耦合器量子态之间的能量泄露，以便于可完成高保真度的cz门。
[0078]
其中，uz脉冲是一种方波，swap共振状态是指两个量子比特的量子态频率相等，例如：|11》和|00》。
[0079]
本技术实施例一种基于两比特门泄露的抑制方法的实施原理为：将ac电压信号输入ac谱函数中，可以计算出ac谱的拟合参数，再将比特参数代入预设的窗函数中，计算可调耦合器的频率与时间的变换关系，即频率变换函数，然后将拟合参数以及频率变换函数代入脉冲算法中，计算脉冲幅值与时间变换关系，即脉冲信号函数，最后系统根据脉冲信号函
数向可调耦合器输入与脉冲幅值相对应的电压，使得可调耦合器执行上述的脉冲信号，从而抑制高频比特量子态与可调耦合器量子态之间的能量泄露，以便于完成高保真度的cz门。
[0080]
图2为一个实施例中一种基于两比特门泄露的抑制方法的流程示意图。应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行；除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行；并且图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0081]
基于相同的技术构思，参照图3，本技术实施例还提供了一种基于两比特门泄露的抑制装置，采用如下技术方案，该装置包括：
[0082]
拟合模块210，用于接收ac电压信号，代入预设的ac谱函数，计算拟合参数；
[0083]
频率模块220，用于接收比特参数，将比特参数代入预设的窗函数中，得到可调耦合器的频率与时间的频率变化函数；
[0084]
脉冲模块230，用于将拟合参数以及频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数；
[0085]
执行模块240，用于根据脉冲信号函数，将脉冲信号输送至可调耦合器中，执行cz门操作。
[0086]
在一些实施例中，拟合模块210具体用于根据ac电压信号获取电压幅值；
[0087]
根据预设的量子比特的频率、量子比特上的磁通以及电压幅值，得到拟合参数，拟合参数包括：f
c，max
、detune、offset和m；
[0088]
其中，f
c，max
表示量子比特频率最大值，detune表示子比特非谐，offset表示量子比特简并点相对于电压零点的偏移，m表示磁通与电压的比例系数。
[0089]
在一些实施例中，频率模块220中窗函数公式如下：
[0090][0091]
其中，其中，θi表示初始窗函数值，λ表示窗函数阶数对应的系数，t
p
表示swap的持续时间，n表示窗函数的阶数，t表示系统演化时间。
[0092]
在一些实施例中，频率模块220还包括n的取值范围为2至4。
[0093]
在一些实施例中，比特参数包括：量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度g
1c
和量子比特的频率ωq；
[0094]
频率模块220具体用于根据量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度g
1c
和量子比特的频率ωq以及窗函数公式，计算可调耦合器的频率与时间变化关系，得到频率变换函数ωc(t)。
[0095]
在一些实施例中，脉冲模块230中脉冲算法公式如下：
[0096]
将f
c，max
、detune、offset、m以及
频率变换函数代入脉冲算法中，得到脉冲信号函数amp(t)。
[0097]
在一些实施例中，执行模块240具体包括将预设的uz脉冲信号输入高频量子比特中，使其满足cz门的swap共振条件；
[0098]
将脉冲信号输送至可调耦合器中，抑制量子比特量子态与可调耦合器量子态之间的能量泄露。
[0099]
本技术实施例还公开一种控制设备。
[0100]
具体来说，该控制设备包括存储器和处理器，存储器上存储有能够被处理器加载并执行上述一种基于两比特门泄露的抑制方法的计算机程序。
[0101]
本技术实施例还公开一种计算机可读存储介质。
[0102]
具体来说，该计算机可读存储介质，其存储有能够被处理器加载并执行如上述一种基于两比特门泄露的抑制方法的计算机程序，该计算机可读存储介质例如包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0103]
本技术还公开一种量子计算机，包括量子芯片，根据量子芯片执行上述一种基于两比特门泄露的抑制方法的步骤指令。
[0104]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于两比特门泄露的抑制方法，其特征在于，包括：接收ac电压信号，代入预设的ac谱函数，计算拟合参数；接收比特参数，将所述比特参数代入预设的窗函数中，得到可调耦合器的频率随时间响应的频率变化函数；将所述拟合参数以及所述频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数；根据所述脉冲信号函数，输出脉冲信号，执行cz门。2.根据权利要求1所述的基于两比特门泄露的抑制方法，其特征在于，所述接收ac电压信号，根据预设的ac谱函数，计算拟合参数，包括：根据所述ac电压信号获取电压幅值；根据预设的量子比特的频率、量子比特上的磁通以及所述电压幅值，得到所述拟合参数，所述拟合参数包括：f
c，max
、detune、offset和m；其中，f
c，max
表示量子比特频率最大值，detune表示子比特非谐，offset表示量子比特简并点相对于电压零点的偏移，m表示磁通与电压的比例系数。3.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述接收比特参数，将所述比特参数代入预设的窗函数中，包括：所述窗函数公式如下：其中，θ
i
表示初始窗函数值，λ表示窗函数阶数对应的系数，t
p
表示swap的持续时间，n表示窗函数的阶数，t表示系统演化时间。4.如权利要求3所述的获取方法，其特征在于，n的取值范围为2至4。5.如权利要求3所述的获取方法，其特征在于，所述比特参数包括：量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度g
1c
和量子比特的频率ω
q
；所述得到可调耦合器的频率与时间的频率变化函数，包括：根据所述量子比特和可调耦合器之间等效耦合强度g
1c
和所述量子比特的频率ω
q
以及所述窗函数公式，计算可调耦合器的频率与时间变化关系，得到所述频率变换函数ω
c
(t)。6.如权利要求5所述的获取方法，其特征在于，所述将所述拟合参数以及所述频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数，包括：所述脉冲算法公式如下：将所述f
c，max
、detune、offset、m以及所述频率变换函数代入所述脉冲算法中，得到所述脉冲信号函数amp(t)。7.如权利要求5所述的获取方法，其特征在于，所述根据所述脉冲信号函数，输出脉冲信号，执行cz门，包括：将预设的uz脉冲信号输入高频量子比特中，使其满足cz门的swap共振条件；将所述脉冲信号输送至可调耦合器中，抑制量子比特量子态与可调耦合器量子态之间的能量泄露。
8.一种基于两比特门泄露的抑制装置，其特征在于，所述装置包括：拟合模块，用于接收ac电压信号，代入预设的ac谱函数，计算拟合参数；频率模块，用于接收比特参数，将所述比特参数代入预设的窗函数中，得到可调耦合器的频率与时间的频率变化函数；脉冲模块，用于将所述拟合参数以及所述频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数；执行模块，用于根据所述脉冲信号函数，将脉冲信号输送至可调耦合器中，执行cz门操作。9.一种控制设备，其特征在于，所述设备包括：包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1至7中任一种所述方法的计算机程序。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1至7中任一种所述方法的计算机程序。11.一种量子计算机，其特征在于，包括量子芯片，根据所述量子芯片执行如权利要求1至7中任一种所述方法的步骤指令。

技术总结
本申请涉及一种基于两比特门泄露的抑制方法及系统，应用于量子计算技术领域，其包括接收AC电压信号，代入预设的AC谱函数，计算拟合参数；接收比特参数，将所述比特参数代入预设的窗函数中，得到可调耦合器的频率随时间响应的频率变化函数；将所述拟合参数以及所述频率变化函数代入预设的脉冲算法中，生成脉冲信号函数；根据所述脉冲信号函数，输出脉冲信号，执行CZ门。本申请具有通过脉冲信号函数向可调耦合器输入与脉冲幅值相对应的电压，使得可调耦合器执行上述的脉冲信号，从而抑制高频比特量子态与可调耦合器量子态之间的能量泄露，以便于可完成高保真度的CZ门的效果。便于可完成高保真度的CZ门的效果。便于可完成高保真度的CZ门的效果。


技术研发人员：请求不公布姓名 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：2023.06.19
技术公布日：2023/10/7