CN102037475B - 用于校准、控制并且运行量子处理器的系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

量子退火可以包括对一个量子处理器的多个量子位(例如一个超导量子处理器的多个超导通量量子位)施加并且逐步去除多个无序项。通过对这些量子位施加多个控制信号可以建立一个问题哈密尔顿算子，通过施加多个无序项、并且通过逐步去除这些无序项来进行退火可以建立一个演算哈密尔顿算子。可以对这些量子位中稳恒电流的变化进行补偿。多个乘法器(例如)可以通过施加对应的比例因子来调节不同的量子位与一个全局信号线之间的连接。两个全局信号线可以被安排在一种相互交错的模式之中以便连接到一对通信连接的量子位中对应的量子位上。多对量子位可以在通信上被隔离开、并且可以被用于测量彼此对所定义信号的一个响应。

Description

用于校准、控制并且运行量子处理器的系统、方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.119(e)要求以下申请的权益，即：2008年5月20日提交的名称为“用于向目标哈密尔顿算子受控量子退火的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/054,740；2008年8月28日提交的名称为“在量子计算中避免局部最小值的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/092,665；2008年9月3日提交的名称为“用于量子处理器元件的有效补偿的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/094,002；以及2008年9月26日提交的名称为“用于校准量子处理器元件的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/100,582，所有这些申请均通过引用以其全文结合在此。

背景技术

技术领域

本系统、方法和装置总体上涉及量子计算，并且确切地涉及超导量子计算以及量子退火的实现方式。

超导量子位

人们在考虑将多种不同的硬件和软件途径用于量子计算机中。一种硬件途径采用了超导材料(如铝和/或铌)形成的集成电路来定义超导量子位。根据用于对信息进行编码的物理特性，超导量子位可以被分为几个类别。例如，它们可以被分为电荷、通量与相位装置。电荷装置以该装置的电荷状态来存储和处理信息；通量装置以与通过该装置的某个部分的磁通量相关的一个变量来存储和处理信息；而相位装置以与该相位装置的两个区域之间的超导相位差相关的一个变量来存储和处理信息。

在现有技术中已经实现了多种不同形式的超导通量量子位，但是所有成功的实现方式通常包括被至少一个约瑟夫逊结所中断的一个超导回路(即，一个“量子位回路”)。一些实施方案实现了或者串联或者并联连接的多个约瑟夫逊结(即，复合约瑟夫逊结)，而一些实施方案实现了多个超导回路。

稳恒电流

如此前讨论的，一个超导通量量子位可以包括被至少一个约瑟夫逊结、或至少一个复合约瑟夫逊结所中断的一个量子位回路。由于量子位回路是超导的，所以它实际上没有电阻。因此，在量子位回路中流动的电流可以不经历损耗。如果在量子位回路中通过(例如)一个磁通量信号诱导出一个电流，那么这个电流可以无限期地维持。该电流可以无限期地持续直到它被以某种方式所干扰或者直到该量子位回路不再是超导的(例如，由于将该量子位回路加热到了它的临界温度之上)。为了本说明书的目的，术语“稳恒电流”被用于说明在一个超导量子位的量子位回路中循环流动的电流。稳恒电流的符号和幅值可以受多种因素影响，这些因素包括但不限于直接连接到该量子位回路上的通量信号Ф_X以及连接到中断该量子位回路的一个复合约瑟夫逊结上的通量信号Φ_CJJ。

量子处理器

一个计算机处理器可以采取一种模拟处理器的形式，例如一种量子处理器(如一种超导量子处理器)。一个超导量子处理器可以包括多个量子位以及多个相关联的局部偏置器件，例如两个或更多个超导量子位。在美国专利公开号2006-0225165、美国专利公开2008-0176750、美国专利申请序列号12/266,378、以及PCT专利申请序列号PCT/US09/37984中说明了可以与本发明的系统、方法和装置结合使用的示例性量子处理器的进一步的细节和实施方案。

绝热量子计算

绝热量子计算典型地涉及通过逐渐改变哈密尔顿算子来将一个系统从一个已知的初始哈密尔顿算子(该哈密尔顿算子是一个运算符，它的本征值是该系统所允许的能量)演算到一个最终的哈密尔顿算子。一个绝热演算的简单实例是：

H_e＝(1-s)H_i+sH_f

其中H_i是初始哈密尔顿算子，H_f是最终哈密尔顿算子，H_e是演算或瞬态哈密尔顿算子，并且s是控制演算速率的一个演算系数。随着系统的演算，系数s从0到1，这样使得在开始时(即，s＝0)演算哈密尔顿算子H_e等于初始哈密尔顿算子H_i，并且在结束时(即，s＝1)演算哈密尔顿算子H_e等于最终的哈密尔顿算子H_f。在演算开始之前，典型地将系统初始化为处于初始哈密尔顿算子H_i的一个基态中，并且目标是使系统进行演算的方式为使得在演算结束时该系统结束在最终的哈密尔顿算子H_f的一个基态中。如果该演算太快，则该系统能够被激发到一个更高的能态，例如第一激发态。在本发明的这些系统、方法及装置中，“绝热”演算被认为是满足以下绝热条件的一种演算：

$\stackrel{\&CenterDot;}{s}|<1|d{H}_e/\mathrm{ds}|0>|={\mathrm{\&delta;g}}^2\left(s\right)$

其中是s的时间导数，g(s)是作为s的一个函数的系统的基态与第一激发态之间的能量差值(在此还被称为“间隙大小”)，并且δ是远远小于1的一个系数。

绝热量子计算中的演算过程有时可被称为退火。s变化的速率(有时被称为演算或退火进度)通常是足够慢的以便使该系统在演算过程中总是处于演算哈密尔顿算子的瞬时基态中，并且避免了在反交叉处(即，当该间隙大小是最小的时候)的转变。在美国专利号7,135,701中描述了关于绝热量子计算系统、方法及装置的进一步细节。

量子退火

量子退火是一种计算方法，该方法可以被用于找出一个系统的低能态，典型地优选是基态。与经典的退火概念相类似，该方法所依赖的本质性原理在于自然系统趋向于低能态，因为低能态是更加稳定的。然而，尽管经典退火使用经典的热波动将一个系统引导到它的全局能量最小值，但量子退火可以使用量子效应(如量子隧道效应)来更精确和/或更快速地达到一个全局能量最小值。人们已知对于一个难题(例如组合优化问题)的解可被编码到一个系统哈米尔顿算子的基态中并且因此量子退火可被用于寻找此类难题的解。绝热量子计算是量子退火的一种特殊情况，对于量子退火该系统在理想情况下对于整个绝热演算开始于并保持在它的基态中。因此，本领域的普通技术人员应当理解量子退火系统和方法总体上可在一台绝热量子计算机上实现，反之亦然。贯穿本说明书以及所附的权利要求，任何提及对量子退火之处均旨在包含绝热量子计算，除非上下文中另有要求。

量子退火是在退火过程中使用量子力学来作为一个无序化源的一种算法。最优化问题被编码在一个哈密尔顿算子H_P中，并且该算法通过增加一个与H_P不进行交换的无序化哈密尔顿算子H_D来引入强的量子波动。一个实例的情形为：

H_E＝H_P+ГH_D，

其中Г在演算过程中从一个大的值变化到实质上为0，并且H_E可以被认为是与以上在绝热量子计算的背景下说明的H_e相类似的一个演算哈密尔顿算子。通过去除H_D(即，减小Г)来缓慢地去除这种无序化。因此，由于该系统以一个初始哈密尔顿算子开始，并且通过一个演算哈密尔顿算子演算到一个最终的“问题”哈密尔顿算子H_P(它的基态对于该问题的一个解进行编码)，所以量子退火与绝热量子计算是相类似的。如果该演算是足够慢的，那么该系统将典型地进入一个接近该精确解的局部最小值；该演算越慢，将得到的解就会越好。这种计算的性能可以通过与演算时间相对比的残余能量(与使用目标函数的精确解之间的距离)来进行评估。该计算的时间是生成在某个可接受的阈值以下的一个残余能量所需要的时间。在量子退火中，H_P可以编码一个最优化问题，并且因此H_P在编码该解的这些量子位的子空间中可以是对角的，但是该系统不一定始终都保持在这种基态中。H_P的能量形态可以是精心设计的，这样使得它的全局最小值是有待被解决的问题的答案，并且处于低位的多个局部最小值是多个良好的近似。

在量子退火中Г的逐步减小可以遵循被称为是退火进度的一个限定的进度。与绝热量子计算的传统形式(其中系统开始于并且在整个演算过程中保持在它的基态中)不同，在量子退火中，系统在整个退火进度过程中也许不保持在它的基态中。这样，量子退火可以实现为一种启发式的技术，其中具有的能量靠近基态能量的低能态可以提供对该问题的近似解。

利用超导量子处理器的固定量子退火

对利用超导通量量子位的量子退火的一种直截了当的途径使用了施加到量子位回路(Ф_X)和量子位耦联器(Ф_J)上的固定的通量偏置。这个方案的动机是通过这些固定的通量偏置来定义问题哈密尔顿算子H_P，这些固定的通量偏置在整个退火过程中通常是保持不变的。无序项ГH_D可以通过(例如)将一个对应的通量信号Φ_CJJ连接到每个第i个量子位的复合约瑟夫逊结上来实现，由此实现单一量子位的隧道分裂Δ_i。在该退火程序中，初始地施加了信号Φ_CJJ以便在每个量子位中引入最大的无序化，并且然后逐步地改变，这样使得(如由这些静态通量偏置所定义的)在演算结束时仅保留H_P。这种途径(由于施加到量子位回路的这些信号实质上是保持固定的，所以在此被称作“固定的量子退火”)是有吸引力的，这是由于它的简单性：将仅有的时变信号施加到这些量子位复合约瑟夫逊结上以便调制该隧道分裂Δ。然而，这种途径没有考虑一种重要的效应：量子位稳恒电流同样是施加到每个量子位的复合约瑟夫逊结上的通量信号Φ_CJJ的一个函数。这意味着旨在由施加到量子位回路(Ф_X)和量子位耦联器(Ф_J)上的静态通量偏置定义的问题哈密尔顿算子H_P的这些被仔细设计的项在退火过程中实际上是受Φ_CJJ的逐步减小的影响的。简单地施加固定的通量偏置(Ф_X和Ф_J)没有解决这一问题。量子位稳恒电流在退火过程中演变的事实可以影响该系统的整体演算路径。

量子退火的最终目标是找到系统哈密尔顿算子的一个低能态，典型地优选是基态。为其寻找低能态的特定的系统哈密尔顿算子是问题哈密尔顿算子H_P，它至少部分地被在每个对应的量子位中循环流动的稳恒电流所表征。在量子退火中，该问题哈密尔顿算子H_P典型地正是从一开始就进行配置。然后，该退火程序涉及施加一个有效地使该系统状态含混的无序项ГH_D(它实现了隧道分裂Δ)，并且然后逐步地去除该无序项，这样使得该系统最终稳定在该问题哈密尔顿算子H_P的一个低能态(例如，基态)上。在该固定的量子退火途径中，H_P的这些项在整个退火过程中是静态施加的，并且这些仅有的时变信号是实现了该无序项ГH_D的Φ_CJJ信号。然而，因为这些量子位稳恒电流最终是受这些Φ_CJJ信号的施加和逐步去除的影响，所以问题哈密尔顿算子H_P的能量形态在整个退火程序中发生变化。这意味着尽管该退火程序找求H_P的一个低能态，但是问题哈密尔顿算子H_P本身发生演变，并且因此所希望的低能态(例如，基态)的位置也是如此。此外，该无序项ГH_D的“逐步去除”是通过一系列向下的阶梯而不是连续的斜度而典型地物理性地实现的。因为这些量子位中的稳恒电流响应于每个向下的阶梯而改变，所以该系统在每个阶梯中可以有效地退火到一个不同的状态。因此，对于超导通量量子位的固定的量子退火可以是有问题的，因为它依赖于向一个移动的目标的一种不连续的演化。这样，在本领域中对于一种利用超导通量量子位的量子退火的更可靠并且更准确的方案存在一种需要。

简要说明

在此说明了能够校准、控制并且运行一个量子处理器的多种系统、方法和装置。

至少一个实施方案可以被归纳为一种量子退火的方法，该方法使用了一种包括多个超导通量量子位的超导量子处理器，该方法包括：对每个量子位施加一个通量偏置，由此至少部分地定义一个问题哈密尔顿算子；对每个量子位施加一个无序项，由此至少部分地定义一个演算哈密尔顿算子；逐步地去除施加到每个量子位上的该无序项，由此诱导出每个量子位中的一个稳恒电流的变化；通过动态地改变施加到每个量子位上的该通量偏置来对在每个量子位中的稳恒电流的变化进行补偿；并且测量在该量子处理器中的至少一个量子位的状态。逐步地去除施加到每个量子位上的该无序项可以包括根据一个时变的退火波形逐步地去除该无序项。对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿可以包括根据一个时变的补偿波形来调整施加到每个量子位上的通量偏置。该退火波形和该补偿波形可以是实质上同步的。在一些实施方案中，对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿可以包括在该演算哈密尔顿算子中维持一个实质上恒定的比值。对每个量子位施加一个通量偏置可以至少部分地定义了一个问题哈密尔顿算子，该问题哈密尔顿算子包括一个2局部伊辛哈密尔顿算子，该2局部伊辛哈密尔顿算子被实质上表述为：

$H_P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i{\mathrm{\&sigma;}}_i^z+\underset{i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&sigma;}}_i^z{\mathrm{\&sigma;}}_j^z$

并且对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿可以包括在该问题哈密尔顿算子中维持h_i∶J_ij的一个实质上恒定的比值。

至少一个实施方案可以被归纳为一种量子退火的方法，该方法使用了包括一组量子位的一种量子处理器，该方法包括：通过对每个量子位施加至少一个控制信号来建立一个问题哈密尔顿算子；通过对每个量子位施加至少一个无序化信号来建立一个演算哈密尔顿算子；通过从每个量子位中逐步地去除这些无序化信号来向一个目标哈密尔顿算子进行退火；并且通过在退火过程中调整施加到每个量子位上的该至少一个控制信号来维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子。向一个目标哈密尔顿算子进行退火可以包括向实质上类似于该问题哈密尔顿算子的目标哈密尔顿算子进行退火。在一些实施方案中，该方法可以包括从该问题哈密尔顿算子中提取一个标量前因子，并且维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子可以包括对施加到每个量子位上的该至少一个控制信号进行调整，这样使得在退火过程中施加到每个量子位上的该至少一个控制信号与该标量前因子之间的一个比值是实质上恒定的。在一些实施方案中，对每个量子位施加一个控制信号可以包括将该控制信号施加在一个超导量子处理器中的多个量子位中的每一个上。

至少一个实施方案可以被归纳为一种量子位控制系统，该系统包括：一个第一量子位；一个第二量子位；一个第一乘法器，其中该第一乘法器被配置为可联通地耦联到该第一量子位上；一个第二乘法器，其中该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二量子位上；以及一个全局信号线，其中该全局信号线被配置为可联通地耦联到该第一乘法器和该第二乘法器二者上，这样使得该第一乘法器调节在该全局信号线与该第一量子位之间的连接，并且该第二乘法器调节在该全局信号线与该第二量子位之间的连接。该第一乘法器可以是可调谐的以便向由该全局信号线携带的一个动态信号提供一个第一比例因子，并且其中该第二乘法器可以是可调谐的以便向由该全局信号线携带的该动态信号提供一个第二比例因子。在一些实施方案中，该量子位控制系统可以包括一个第一编程接口，该第一编程接口被配置为可联通地耦联到该第一乘法器上，其中来自该第一编程接口的一个可控信号所起的作用是调谐该第一乘法器的该第一比例因子；以及一个第二编程接口，该第二编程接口被配置为可联通地耦联到该第二乘法器上，其中来自该第二编程接口的一个可控信号所起的作用是调谐该第二乘法器的该第二比例因子。该第一编程接口可以包括一个第一数模转换器并且该第二编程接口可以包括一个第二数模转换器。该第一量子位可以是包括一个量子位回路和一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位，并且其中该第二量子位可以是包括一个量子位回路和一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位。该第一乘法器可以是一个超导耦联器，该超导耦联器包括被一个复合约瑟夫逊所中断的一个超导材料的回路，并且该第一编程接口被配置为可联通地耦联到该第一乘法器的复合约瑟夫逊结上；并且该第二乘法器可以是一个超导耦联器，该超导耦联器包括被一个复合约瑟夫逊所中断的一个超导材料的回路，并且该第二编程接口被配置为可联通地耦联到该第二乘法器的复合约瑟夫逊结上。在一些实施方案中，该第一乘法器可以被配置为可联通地耦联到该第一量子位的该量子位回路上，并且该第二乘法器可以被配置为可联通地耦联到该第二量子位的量子位回路上。在其他实施方案中，该第一乘法器被配置为可联通地耦联到该第一量子位的该复合约瑟夫逊结上，并且该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二量子位的复合约瑟夫逊结上。该第一编程接口可以包括一个第一超导数模转换器并且该第二编程接口可以包括一个第二超导数模转换器。

至少一个实施方案可以被归纳为一种将动态信号施加到量子处理器的至少两个器件上的方法，该方法包括：对一个第一乘法器进行编程以便将一个第一比例因子施加到一个动态信号上，以此调解在该量子处理器中的一个第一器件的行为；对一个第二乘法器进行编程以便将一个第二比例因子施加到该动态信号上，以此调解在该量子处理器中的一个第二器件的行为；通过一个全局信号线对该动态信号进行传输；配置该第一乘法器以便将该全局信号线可联通地耦联到该量子处理器的该第一器件上，这样使得该第一乘法器将一个第一信号连接到该量子处理器的该第一器件上，其中该第一信号是被该第一比例因子按比例调整的该动态信号；并且同时配置该第二乘法器以便将该全局信号线可联通地耦联到该量子处理器的该第二器件上，这样使得该第二乘法器将一个第二信号连接到该量子处理器的该第二器件上，其中该第二信号是被该第二比例因子按比例调整的该动态信号。该第一器件可以是一个第一超导通量量子位并且该第二器件可以是一个第二超导通量量子位。

至少一个实施方案可以被归纳为一种量子处理器，该量子处理器包括：多个量子位，这些量子位被安排在一个互联的网络中，这样使得每个量子位被配置为可联通地耦联到在该互联的网络中的至少一个其他的量子位上；至少两个全局信号线，其中每个量子位被配置为可联通地耦联到这些全局信号线之一上，并且其中该至少两个全局信号线被安排处于一种相互交错的模式之中，这样使得被配置为可联通地耦联在一起的任何两个量子位各自被配置为可联通地耦联到这些全局信号线中不同的一个上。该至少两个全局信号线可以都是退火信号线，这些退火信号线被配置为在一个绝热量子计算和一个量子退火计算之一的过程中携带退火信号以使该量子处理器进行演算。在一些实施方案中，该多个量子位中的每个量子位可以是包括一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位，并且其中每个量子位的该复合约瑟夫逊结可以被配置为可联通地耦联到这些退火信号线之一上。在其他实施方案中，该多个量子位中的每个量子位可以是包括一个量子位回路的一个超导量子位，其中每个量子位回路是由一个超导材料的对应回路形成的，并且其中每个量子位的量子位回路被配置为可联通地耦联到这些全局信号线之一上。在任何两个量子位之间被配置为可联通地耦联在一起的这种可联通的连接可以通过一个对应的连接器件来实现，并且可以包括至少两个额外的全局信号线，这样使得被配置为可联通地耦联到同一个量子位上的任何两个连接器件各自被该至少两个额外的全局信号线中的对应一个分别进行控制。

至少一个实施方案可以被归纳为一种量子处理器，该量子处理器包括：多个量子位；多个耦联器，这些耦联器被安排为选择性地将一个互联的网络中对应的量子位对可联通地进行连接，这样使得每个量子位被配置为可联通地耦联到该互联的网络中的至少一个其他的量子位上；以及至少两个全局信号线，这些全局信号线包括多个接口，这些接口选择性地可运行以便将多个信号连接到这些量子位的多个对应的对上，其中被配置为由一个对应的耦联器可联通地耦联在一起的任何两个量子位是各自配置为可联通地耦联到这些全局信号线中不同的一个上。这些接口可以是电感性耦联结构。一些实施方案还可以包括一组全局耦联器控制线，其中被配置为可联通地耦联到同一个量子位上的任何两个耦联器各自被配置为可联通地耦联到这些全局耦联器控制线中不同的一个上。

至少一个实施方案可以被归纳为一种在量子处理器中校准量子位的方法，该量子处理器包括安排在一个互联的网络中的多个量子位，该方法包括：通过使该量子处理器中的一对量子位与其他量子位之间的任意连接解除启动来使得该量子处理器中的该对耦联的量子位与其他量子位在通信上进行隔离，其中该对量子位包括一个第一量子位和一个第二量子位；对该对耦联的量子位中的第一量子位施加一个第一信号；并且利用该对耦联的量子位中的第二量子位测量第一量子位响应于该第一信号的一个行为。该第一量子位可以是作为一个源量子位来运行而该第二量子位可以是作为一个传感器量子位来运行。在一些实施方案中，该方法还可以包括：对该对耦联的量子位中的第二量子位施加一个第二信号；并且利用该对耦联的量子位中的第一量子位测量第二量子位响应于该第二信号的一个行为。

至少一个实施方案可以被归纳为一种超导量子处理器，该超导量子处理器包括：多个量子位；多个耦联器，这些耦联器被配置为在至少一些对应对的量子位之间提供可联通耦联；一个第一组的编程接口，这些编程接口是可运行的以便对每个量子位施加一个通量偏置；一个第二组的编程接口，这些编程接口是可运行的以便对每个量子位施加一个动态退火信号；以及一个第三组的编程接口，这些编程接口是可运行的以便对每个量子位施加一个动态补偿信号；其中该第三组编程接口中的每个编程接口包括一个对应的乘法器，并且其中每个对应的乘法器被配置为调节一个全局信号线与一个对应的量子位之间的一个可联通的连接。

至少一个实施方案可以被归纳为一种超导量子处理器，该超导量子处理器包括：多个量子位；多个耦联器，这些耦联器被配置为在至少一些对应对的量子位之间提供可联通的连接；以及一组编程接口，该组编程接口被配置为：通过对每个量子位施加至少一个控制信号来建立一个问题哈密尔顿算子；通过对每个量子位施加至少一个无序化信号来建立一个演算哈密尔顿算子；通过将这些无序化信号从每个量子位中逐步去除来向一个目标哈密尔顿算子进行退火；并且通过在该退火过程中调整施加到每个量子位上的该至少一个控制信号来维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子。

至少一个实施方案可以被归纳为一种量子处理器，该量子处理器包括：一个第一量子位；一个第一编程接口，该第一编程接口被配置为对该第一量子位施加一个第一信号；以及一个第二量子位，该第二量子位被配置为测量该第一量子位响应于该第一信号的一个行为。

附图的多个视图的简要说明

在这些附图中，相同的参考号标识出相似的元件或者动作。附图中元件的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，不同元件的形状以及角度不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些被任意地放大和定位以便提高附图的易读性。另外，所绘出的这些元件的特定形状并非旨在传递与这些特定元件的实际形状有关的任何信息，并且选取它们只是为了便于在图中识别。

图1是设计为用于量子退火(和/或绝热量子计算)的一种常规超导量子处理器的一部分的示意图。

图2是根据一个所展示的实施方案的用于通过超导通量量子位来执行受控量子退火的一种方法的实施方案的流程图。

图3是一种超导量子处理器的实施方案的一部分的示意图，该超导量子处理器被适配为包含了对器件专用的具体动态控制信号的局部管理。

图4是根据一个所展示的实施方案的一种量子位控制系统的示意图。

图5是一种超导量子处理器的一部分的实施方案的示意图，该超导量子处理器实施了对连接到每个量子位的复合约瑟夫逊结上的一个全局信号线的局部编程。

图6是一种超导量子处理器的一部分的实施方案的示意图，该超导量子处理器被适配为协助任意二量子位的操作。

图7是利用相互交错的全局信号线的最邻近耦联的多个量子位的一个简单线性链的实施方案的说明性简图。

图8是一个示例性量子处理器的实施方案的说明性简图，该示例性量子处理器包括有十六个最邻近耦联的量子位和两个相互交错的全局信号线的一个正方形网格。

图9是一个示例性量子处理器的实施方案的说明性简图，该示例性量子处理器包括有十六个最邻近和次邻近耦联的量子位以及四个相互交错的全局信号线的一个正方形网格。

图10是一种用于校准量子处理器中的第一量子位的方法的实施方案的流程图。

详细说明

在以下说明中，包括了一些特定的细节以便提供对本发明的不同的公开实施方案的全面理解。但是，相关领域的技术人员将会意识到，多个实施方案可以无需这些具体细节中的一个或多个来实现，或者可以使用其他方法、组件、材料等来实现。在其他实例中，并未详细示出或者说明与量子处理器(如量子器件)、耦联器件、以及包括微处理器和驱动电路的控制系统有关的一些熟知的结构，以便避免对本系统、方法和装置的这些实施方案的不必要的晦涩说明。贯穿本说明书以及所附的权利要求，术语“元件”和“多个元件”是用于包含但不限于与量子处理器相关联的所有此类结构、系统和器件，以及它们的相关的可编程参数。

除非上下文另有要求，在整个说明书和随后的权利要求中，“包含”一词及其多种变体(例如，“包括了”和“包括着”)将以一种开放式的和包含性的意义来进行解释，即作为“包括，但不限于”。

贯穿本说明书提及的“一个实施方案”、或“一种实施方案”、或“另一个实施方案”是指与该实施方案相关联地描述的一个特别的指示特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。由此，在贯穿本说明书各处出现的短语“在一个实施方案中”、或“在一种实施方案中”、或“另一个实施方案”并不必全部是指同一个实施方案。此外，这些具体的特征、结构或特性能够以任何适当的方式结合在一个或者多个实施方案中。

应当注意，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，单数形式的“一个/一种”、和“该”包括复数对象，除非内容中另外明确指明。因此，例如，提及包括“一个量子处理器”的一个问题解决系统包括了一个单一的量子处理器、或两个或更多的量子处理器。还应当指出，术语“或者”总体上所使用的意义包括“和/或”，除非内容中另外明确指明。

在此提供的小标题只是为了方便起见，而并非解释这些实施方案的范围或含义。

根据本系统、方法和装置，在此说明了一种用于量子退火的新的方案或过程。在此将这种形式的量子退火称作“受控的量子退火”，并且它尤其适合于使用一个包括超导通量量子位的量子处理器来实现。然而，本领域的普通技术人员将会意识到，在受控的量子退火中体现出来的这些概念可以被应用于实施了其他形式量子位的其他形式的量子处理器中。

量子退火可以被实施为多种不同的方式，但是它的最终目标总体上是相同的，即：找到一个系统哈密尔顿算子的一种低能态(例如一个基态)，其中该系统哈密尔顿算子编码了一个计算问题并且该低能态表示了该计算问题的一个解。因此，该系统哈密尔顿算子可以被称作一个“问题哈密尔顿算子”。该问题哈密尔顿算子的精确形式可以取决于它被实施其上的硬件而变化。作为一个实例，一个包括超导通量量子位的量子处理器可以被用于将一个问题哈密尔顿算子具体实现为实质上在等式1中给出的一个2-局部伊辛哈密尔顿算子的形式：

$H_P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i{\mathrm{\&sigma;}}_i^z+\underset{i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&sigma;}}_i^z{\mathrm{\&sigma;}}_j^z---\left(1\right)$

此处，n代表量子位的数目，是第i个量子位的泡利Z-矩阵，并且h_i和J_ij是连接到每个量子位上的无量纲的局部场。等式1中的h_i项可以通过将通量信号Φ_X对应地连接到每个第i个量子位的量子位回路上来物理地实现。等式1中的J_ij项可以通过将多个量子位对(对应地，量子位i和j)的量子位回路以至少部分地被一个所施加的耦联器通量偏置Φ_J所支配的一个连接强度对应地连接在一起来物理地实现。人们知道确定等式1中的这种2-局部伊辛哈密尔顿算子的一个低能态(例如一个基态)在计算上是困难的。其他多个问题可以被映射到2-局部伊辛哈密尔顿算子上；因此，该哈密尔顿算子可以被当作实施量子退火的一个量子处理器中的通用问题哈密尔顿算子。为了对等式1中所说明的哈密尔顿算子进行退火，如前所述，可以添加一个无序项，由此实现了由等式2给出的一个演算哈密尔顿算子：

$H_E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i{\mathrm{\&sigma;}}_i^z+\underset{i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&sigma;}}_i^z{\mathrm{\&sigma;}}_j^z+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_i{\mathrm{\&sigma;}}_i^x,---\left(2\right)$

其中是第i个量子位的泡利X-矩阵，并且Δ_i是在第i个量子位中诱导出的单一量子位隧道分裂。在退火过程中，该隧道分裂Δ_i被逐步地去除直到仅保留了等式1中给出的该问题哈密尔顿算子。现在提供对使用包括超导通量量子位的一个量子处理器可以如何实现该2-局部伊辛哈密尔顿算子的固定量子退火的一个简要说明。

图1是设计为用于固定量子退火(和/或绝热量子计算)的一种常规超导量子处理器100的一部分的示意图。在图1中所示的超导量子处理器100的部分包括两个超导通量量子位101、102以及在其间对信息进行耦联的一个可调谐的ZZ-耦联器111。虽然图1中所示的量子处理器100的部分仅包括两个量子位101、102以及一个耦联器111，但本领域的技术人员将会理解完整的量子处理器100可以包括任何数目的量子位以及在其间对信息进行耦联的任何数目的耦联器件。

图1中所示的量子处理器100的部分可被实施用于物理地实现由等式1和等式2所描述的这些哈密尔顿算子。为了提供这些哈密尔顿算子中的σ^z和σ^x项，量子处理器100包括了用于对量子处理器100的状态进行配置和控制的编程接口121-125。贯穿本说明书和所附的权利要求，术语“编程接口”被用于指一种结构，这种结构是可运行的以便将编程和/或控制信号耦联到一个量子处理器的特定器件或部件上。在所说明的实施方案中，每一个编程接口121-125是通过一种对应的受一个编程系统(未示出)控制的电感耦联结构来实现的。这样使得的一个编程系统可以与量子处理器100分离开，或者它可以被局部地包括在其中(即，在带有量子处理器100的一个芯片上)，如美国专利公开2008-0215850中所说明的。

在量子处理器100的运算中，编程接口121和124可各自用于将一个对应的通量信号Φ_CJJ耦联到量子位101和102的一个对应的复合约瑟夫逊节131、132上，由此实现在系统哈密尔顿算子中的Δ_i项。这一耦联提供了等式2中的这些σ^x项。类似地，编程接口122和123可各自用于将一个对应的通量信号Φ_X耦联到量子位101和102的一个对应的量子位回路上，由此实现在系统哈密尔顿算子中的这些h_i项。这一耦联提供了等式1和2中的这些σ^z项。编程接口125可被用于通过耦联器111来控制量子位101和102之间的耦联，由此实现系统哈密尔顿算子中的这些J_ij项。这一耦联提供了等式1和2中的这些σ^zσ^z项。在图1中，对应地在框121a-125a中表明了每一个编程接口121-125对系统哈密尔顿算子的示例性贡献。

使用图1所示的量子处理器100的部分，可以执行一个小规模的、两个量子位的量子退火计算。等式1所述的问题哈密尔顿算子可以通过使用编程接口122和123建立这些h_iσ^z项以及耦联器111(被编程接口125所控制的)建立这个J₁₂σ^zσ^z项来实现。在退火过程中，无序项ГH_D可以通过使用编程接口121和124建立这些Δ_iσ^x项来实现。这诱导出了量子位101和102中的隧道分裂。在该系统演算过程中，由编程接口121和124建立的这些Δ_iσ^x项可以被逐步去除，这样使得在退火过程结束时仅保留了定义等式1的这些项。

如前所述，利用超导通量量子位的量子退火的一个直截了当的途径是使用通过编程接口122和123施加到量子位回路(Φ_X)以及通过编程接口125施加到耦联器(Φ_J)111上的固定的通量偏置(即，固定的量子退火方案)。然而，这个途径没有说明对施加到给定量子位101的复合约瑟夫逊结131上的控制信号的调制(例如，通过编程接口121)影响了该量子位的隧道分裂以及该量子位的稳恒电流二者。因此，对CJJ偏置进行调整用以减小驱动该退火演算的Δ_i项还可能令人不希望地改变问题哈密尔顿算子中h_i和J_ij的幅值。

根据本系统、方法和装置，在此说明了利用超导通量量子位的受控量子退火的一种方案。受控量子退火可以优于固定的量子退火，因为它在系统哈密尔顿算子的演算过程中提供了适当条件用于向一个目标低能态(例如一个基态)连续收敛。

在受控的量子退火中，施加到多个量子位(例如，量子位101和102)和/或多个耦联器(例如，耦联器111)的通量偏置(Φ_X和Φ_J)不是静态地、而是动态地受到控制的。在这种方式下，可以改变这些通量偏置用以补偿在将无序项ГH_D从系统哈密尔顿算子中逐步去除时每个量子位中稳恒电流的增长。在一些实施方案中，当减小耦联到每个量子位中的无序项Δ_iσ^x时，改变这些动态通量偏置以便在系统哈密尔顿算子中维持一个实质上恒定的比值。

在一些实施方案中，受控的量子退火可以通过维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子来调解退火进度中的演算Φ_CJJ项。该“目标”哈密尔顿算子就是问题哈密尔顿算子(例如，等式1)，并且该问题哈密尔顿算子的基态独立于总体的绝对能量规模。为此原因，可以从该问题哈密尔顿算子中提取出一个标量前因子E_p以便提供多个无量纲的系数，如以下的等式1.1：

$H_P=E_p[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{h_i}{E_p}{\mathrm{\&sigma;}}_i^z+\underset{i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{J_{\mathrm{ij}}}{E_p}{\mathrm{\&sigma;}}_i^z{\mathrm{\&sigma;}}_j^z]---\left(1.1\right)$

其中，h_i/E_p和J_ij/E_p是最终定义了能态配置(包括多个低能态，例如基态)的无量纲比值。根据本系统、方法和装置，受控量子退火的一些实施方案涉及在退火过程中动态地改变这些通量配置，这样使得h_i/J_ij的比值在整个演算中保持实质上恒定用以提供向系统的一个目标低能态(例如，基态)的连续收敛。在一些实施方案中，该标量前因子可以是一个共同的耦联因子J_ij，例如反铁磁性耦联的一个单位J_AFM，这样使得E_p＝J_AFM。

等式1中说明的该问题哈密尔顿算子具有两类变量：h_i和J_ij。这些变量都受到量子位回路中循环流动的稳恒电流的影响。该稳恒电流的这种影响由以下等式3A和3B说明：

$h_i=2{\mathrm{\&Phi;}}_x^i{I}_p^i---\left(3A\right)$

$J_{\mathrm{ij}}=M_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{eff}}{I}_p^i{I}_p^j---\left(3B\right)$

这里，I_p ⁱ表示第i个量子位的量子位回路中的稳恒电流的幅值，δФ_x ⁱ表示通过一个编程接口(例如，耦联到量子位101的编程接口122)耦联到第i个量子位的量子位回路上的通量偏置Ф_X的至少一部分，并且M_ij ^eff表示通过一个耦联器(例如量子位101和102之间的耦联器111)来实现的在第i个量子位和第j个量子位之间的有效互感。为简洁起见，可以假设在所有量子位之间的稳恒电流是一致的，这样使得因此，从等式3A和3B中，清楚的是，h_i与I_p直接成比例，而J_ij与I_p ²直接成比例。对于其中δФ_x ⁱ和M_ij ^eff典型地为常数的固定退火，等式1所述的问题哈密尔顿算子中的两个变量项的比值与I_p成反比，如等式4中所示：

$\frac{h_i}{J_{\mathrm{ij}}}\&Proportional;\frac{1}{I_p}---\left(4\right)$

在本系统、方法和装置的一些实施方案中，令人希望的是在减小耦联到每个量子位的无序项Δ_iσ^x时，维持一个实质上恒定的比值。被保持为实质上恒定的一个尤为有益的比值的实例是h_i与J_ij的比值(对于J_ij的一个给定值，例如J_ij＝J_AFM为反铁磁性耦联的一个单位，尽管本领域的普通技术人员将会理解也可以类似地使用J_ij的多个其他值)，在等式4中示出了它取决于每个量子位中的稳恒电流I_p。因此，通过保证在将这些Δ_iσ^x项去除时维持每个量子位中的稳恒电流I_p实质上恒定可以保持h_i与J_AFM的比值实质上恒定。保证h_i与J_AFM的比值维持为实质上恒定协助了在退火过程中向一个目标低能态(例如一个基态)的连续收敛。

等式3A和3B提供了可以将h_i与J_AFM(等式4)的比值保持恒定的两种方法：由耦联器实现的互感M_ij ^eff可以通过与1/I_P成正比的一个因子来进行补偿，或者耦联到每个量子位的量子位回路的通量偏置δΦ_x ⁱ可以通过与I_P成正比的一个因子来进行补偿。在一些实施方案中，可以对互感M_ij ^eff和通量偏置Ф_x二者都进行补偿以便提供h_i与J_AFM的一个恒定的比值。

尽管对由耦联器实现的互感M_ij ^eff的控制在理论上可以被用于补偿退火过程中I_P的增长，但是在一些实现方式中，这种形式的控制可能是特别难于实现的。因此，在一些实施方案中，可能优选的是通过相应地调整耦联到每个量子位的量子位回路的通量偏置Ф_x来对由Φ_CJJ的改变诱导出的量子位稳恒电流I_P的增长进行补偿。从等式3A和3B中，推出：

$\frac{h_i}{J_{\mathrm{AFM}}}=\frac{2{\mathrm{\&delta;\&Phi;}}_x^i}{M_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{AFM}}{I}_p}---\left(5\right)$

因此，I_P增长时，可以通过使得耦联到每个量子位的量子位回路的通量偏置Ф_x与M_ij ^AFMI_P的增长成比例地增长来保持h_i与J_AFM的比值实质上恒定。因此，可以通过将耦联到每个量子位的量子位回路的总的有效通量偏置Ф_x与M_ij ^AFMI_P的增长成比例地改变来实现受控的量子退火，如等式6中所述：

${\mathrm{\&delta;\&Phi;}}_x^i=\frac{h_i}{J_{\mathrm{AFM}}}\&CenterDot;\frac{1}{2}{M}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{AFM}}{I}_p---\left(6\right)$

在一些实施方案中，对每个量子位的M_ij ^AFMI_P的一个单一测量足以建立一个受控的退火方案。从这个单一的测量中，可以根据h_i/J_AFM的目标值对该结果按比例调整以便在系统哈密尔顿算子的演算过程中，维持向一个目标低能态(例如一个基态)的连续收敛。如前所述，本领域的普通技术人员将会理解，此处反铁磁性耦联状态(“AFM”)被用作一个实例，并且在实际中，任何特定的耦联状态(例如铁磁性耦联、或在完全的铁磁性和完全的反铁磁性耦联之间的任何非0耦联)都可以被用作建立h_i与J_ij比值的基础。

此处说明的不同实施方案提供了对被称作受控量子退火的一种量子退火的改进途径的多个系统、方法和装置。图2是利用超导通量量子位来执行受控量子退火的一种方法200的一个实施方案的流程图。方法200包括三个动作201-203并且包含了在退火过程中动态变化的通量偏置。在动作201，通过施加适当的通量偏置和无序项来建立演算哈密尔顿算子。在一些实施方案中，可以通过对一个超导量子处理器(如图1所示的超导量子处理器)进行配置以便实质上实现等式2所述的演算哈密尔顿算子来建立该演算哈密尔顿算子。在一些实施方案中，可以首先通过将多个通量偏置相应地施加到这些量子位的量子位回路和这些耦联器上来建立问题哈密尔顿算子(如等式1所述的问题哈密尔顿算子)，并且然后可以通过将多个通量信号施加到这些量子位的复合约瑟夫逊结上来加入无序项。在动作202，该量子处理器通过逐步去除这些无序项同时改变这些通量偏置以便对量子位稳恒电流中的变化进行补偿来可控地进行退火。如前所述，去除这些无序项的退火过程也能够诱导量子位稳恒电流的多个改变，这些改变引起了一个不连续的演算路径。根据本系统、方法和装置，通过在该退火过程中改变定义了该问题哈密尔顿算子的这些通量偏置以便对该退火诱导的量子位稳恒电流的改变进行补偿来避免这个不利作用。在一些实施方案中，这个补偿被控制为使得在整个退火过程中对一个给定形式耦联(即，铁磁性的、反铁磁性的、或某个中间形式的耦联)的h_i与J_ij的比值维持为实质上恒定。在动作203，测量该系统的状态。在一些实施方案中，这可以涉及通过(例如)使用一个DC-SQUID测量每个量子位的稳恒电流的状态来读出该量子处理器中全部或者部分量子位的状态。在美国专利公开2006-0248618和美国专利公开2009-0078931中说明了对用于量子位读出的多个系统、方法和装置的进一步说明。

如前所述，可以通过如等式6所述的与M_ij ^AFMI_P的增长成比例地改变局部通量偏置Ф_x来实现受控的量子退火。因此，理解M_ij ^AFMI_P在退火过程中的演算以及理解这个特征如何受Ф_x和Φ_CJJ变化的影响是有用的。一旦已经为每个量子位测量了M_ij ^AFMI_P(并且假定M_ij ^AFM对所有的耦联器在名义上都是相同的)，然后这些耦联器可以被设置为任意的耦联强度并且可以将任意的h_i/J施加到每个量子位上。在一些实施方案中，该量子处理器中的每个量子位可以被分析用以建立一个说明M_ij ^AFMI_P、Ф_x与Φ_CJJ之间所测得的关系数据的查找表。在这些实施方案中，当该系统进行退火时，可以通过使用该查找表将适当的值指定给通量偏置Ф_x来保持h_i与J_ij的比值实质上恒定。在其他实施方案中，一个光滑的现象函数可以被用于符合该查找表中的数据，并且当为退火程序生成波形时，可以调用该函数。

在受控量子退火的一些实施方案中，可以由施加到每个量子位的复合约瑟夫逊结的一个退火波形来定义退火进度。由这个波形诱导的Φ_CJJ的变化引起每个量子位中稳恒电流的变化，并且可以通过向施加到每个量子位的量子位回路上的通量偏置Ф_x添加一个补偿波形来对其进行补偿。在一些实施方案中，有利的是向包括与h_i/J_AFM目标值相乘的模式化M_ij ^AFMI_P演算的量子位通量Ф_x施加一个补偿波形。这个补偿波形可以与施加到每个量子位的复合约瑟夫逊结上的退火波形是同步的。因此，在一些实施方案中，可能有利的是建立这种退火波形，并且然后使用模式化的M_ij ^AFMI_P演算来生成补偿波形。

在此说明的受控量子退火方案是包含了对量子计算过程中量子处理器元件中不想要的波动进行主动补偿的方法的一个实例。在一些实施方案中，可以通过向系统提供对所希望的补偿信号进行编程和管理来有利地实现这种主动补偿。本系统、方法和装置说明了用于管理在(例如)受控的量子退火方案中有用的动态补偿信号的可拓展的硬件体系结构。

如果同一个信号可以被用于在每个量子位中实现相同的作用，则将会大大简化向(例如)量子处理器中的每个量子位施加一个动态补偿信号。在该方案中，一个单一的全局信号线可以被简单地直接耦联到每个量子位上并且可以通过使用该单一的全局信号线将相同的补偿信号耦联到每个量子位上来实现补偿。然而，在实际中，量子处理器的多个量子位之间是存在差异的(例如，由于制造变更和/或编程/配置差别)，这些差异可能影响每个特定的量子位对一个所施加的补偿信号如何作出响应。这些差异能够必须要求施加器件专用的动态补偿信号以便调解器件特有的行为。即，因为制造变更和/或编程/配置的差别可能导致在一个退火演算的过程中，每个量子位以它自己的方式对CJJ偏置中的变化作出响应，所以由受控的量子退火方案规定的希望的补偿可能无法通过将相同的全局补偿信号耦联到每个量子位上来实现。本系统、方法和装置提供了对利用器件专用的动态信号的量子处理器的不同元件进行局部编程的多种可拓展的技术。这些可拓展的技术特别适合于实现使用包含超导通量量子位的量子处理器的受控量子退火。然而，本领域的普通技术人员将会理解，本系统、方法和装置中具体实现的多个概念可以进行适配而用于向任何类型的量子处理器的元件施加其他形式的控制信号。

本领域的普通技术人员将会理解，可以通过引入多个补偿信号线来施加实现受控量子退火所需要的补偿的器件专用的动态信号的集合，这样使得至少有一个唯一的补偿信号线与对每个器件进行通信。然而，随着该超导量子处理器的尺寸增加了，这一途径能够快速地要求一个不切实际并且难以处理的信号线的数目。在此说明的不同的实施方案通过提供对多个器件局部地施加动态信号而不是每个器件需要一个唯一信号线的系统、方法和装置来应对这一问题。

控制一个超导量子处理器的不同元件所需的信号线的数目可以通过实施如美国专利申请序列号11/950,276所说明的对量子处理器的多个元件的局部编程来进行控制。对一个超导量子处理器的多个元件的局部编程可以涉及使用多个超导数模转换器(“DAC”)，例如在美国专利公开2009-0082209中所说明的那些。在一些实施方案中，至少一个DAC可以被配置为可联通地耦联到至少一个多路分解器电路上，例如，在2008年6月3日提交的名称为“用于超导多路分解器电路的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/058,494中所说明的那些。在一些实施方案中，至少一个DAC可以被配置为可联通地耦联到至少一个超导移位寄存器上，例如一个单一的通量量子移位寄存器或者包括如美国专利申请序列号12/109,847中所说明的多个锁存量子位的一个移位寄存器。例如，在一个采用了局部编程的超导量子处理器的实施方案中，图1中的每个编程接口121-125可以包括或者连接到一个相应的DAC上。

在固定量子退火的典型应用中，唯一的时变信号是施加到每个量子位的CJJ(例如，图1中的CJJ 131和132)上的无序项。然而，在受控的量子退火中，可以将至少一个时变的补偿信号施加到每个量子位的量子位回路上以便对由改变无序项而产生的稳恒电流的变化进行补偿。如前所述，一个适当的动态补偿信号的准确形式和幅值可能取决于它所施加的具体量子位的特性，并且由于制作过程中的变化或者由系统配置应用的参数的差异，这些特性从一个量子位到下一个也许是不一致的。

在此说明的不同实施方案提供了对于利用器件专用的动态信号的超导量子处理器的元件进行局部编程同时限制了所需的信号线数目的系统、方法和装置。在一些实施方案中，这是通过引入至少一个全局信号线而实现的，这种全局信号线通过一个对应的乘法器耦联到每个量子位(或多个量子位的一个子集)上，该乘法器提供了对全局信号线携带的一个动态信号的独立可调谐的标量乘法。在一些实施方案中，一个乘法器可以类似于一个耦联器(例如，图1中的耦联器111)并且可以控制由每个乘法器提供的标量乘法以便适应与该乘法器相耦联的特定量子位(或其他器件)的特性。在一些实施方案中，该乘法器可以优选地包括如在美国专利申请2008-0238531中所述的耦联器的实施方案中的CJJ。

贯穿本说明书和所附的权利要求，术语“乘法器”被用于指一种结构，这种结构被配置为调节一个第一器件和一个第二器件之间的可联通耦联，并且它是可运行的以便对从该第一器件耦联至该第二器件的一个信号施加一个增益。此外，术语“全局信号线”被用于指被配置为可联通地耦联到量子处理器中的多个元件上(例如，多个量子位和/或耦联器)的一个信号线。

在一些实施方案中，一个乘法器可以被用于将一个全局信号线中的信号耦联到一个超导通量量子位的量子位回路上。例如，一个乘法器可以被耦联到一个超导通量量子位的量子位回路上以便提供由受控的量子退火方案规定的补偿信号。

图3是一种超导量子处理器300的实施方案的一部分的示意图，该超导量子处理器被适配为包含了对器件专用的动态控制信号的局部管理。这种动态控制信号可以被用作(例如)实现受控量子退火的补偿信号。图3中所示的超导量子处理器300的部分包括子部分350，这个子部分在一些方面与图1中所示的超导量子处理器100的部分相类似，除了在图3中明确地示出了每个编程接口321-325被连接到一个对应的局部DAC上之外。图3中所示的超导量子位300的部分的子部分350包括两个量子位301、302和一个可调谐的耦联器311，尽管本领域的普通技术人员将会理解，在一个完整的超导量子处理器中可以包括任何数目的量子位和量子位耦联装置。

与超导量子处理器100相比，超导量子处理器300被适配为结合了对器件专用的动态信号的局部管理。在子部分350之外，超导量子处理器300包括一个全局信号线360，该全局信号线可以被配置为携带任何希望的信号。在一些实施方案中，根据受控的量子退火方案，全局信号线360可以携带一个动态补偿信号用以补偿量子位稳恒电流的变化，该变化是由该单一的量子位隧道分裂的变化所诱导的。全局信号线360通过对应的乘法器被连接到每个量子位301和302上。乘法器371将全局信号线360连接到量子位301上并且乘法器372将全局信号线360连接到量子位302上。乘法器371和372可以各自采用各种不同的耦联器件的形式，包括但不限于在美国专利公开2006-0147154、美国专利公开2008-0238531、以及美国专利公开2008-0274898中说明的那些，尽管可能有利的是保证每个乘法器371和372包括一个对应的CJJ。在一些实施方案中，乘法器371和372对应地被编程接口326和327所控制，每个编程接口可以包括或连接到一个对应的DAC上。在所展示的实施方案中，编程接口326被配置为可联通地耦联到乘法器371的CJJ上，并且编程接口327被配置为可联通地耦联到乘法器372的CJJ上。由编程接口326所管理的控制信号可以被用于调谐乘法器371的敏感度，并且由编程接口327所管理的控制信号可以被用于调谐乘法器372的敏感度。调谐一个耦联器的敏感度有效地影响了该耦联器施加给一个输入信号的增益。用这种方法，每个乘法器371和372可以被用于对应地向从全局信号线360耦联到量子位301和302上的动态信号提供一个对应的比例因子。

根据本系统、方法和装置，一个耦联器件可以被用作乘法器371、372以便按比例调整全局信号线360携带的信号，并且将该被按比例调整的信号给予超导量子处理器的一个特定元件。在一些实施方案中，由于制作上的变异或配置的差别，量子处理器中的量子位可以全部展示出在形状上实质上相似但比例不同的一个响应曲线。由于这个原因，用于每个量子位的动态补偿信号的总体形状可以实质上相似，仅需要对其按比例调整以便适应每个单独量子位的响应。因此，在一些实施方案中，一个单一的全局信号线360可以携带一个具体实现了为补偿量子位稳恒电流的变化而所必需的总体的时变形状的动态补偿信号，并且这个信号可以通过一个对应的乘法器(例如，对应地，乘法器371和372)连接到每个量子位(例如，量子位301和302)上以便提供所希望的调整比例。这个途径是容易地可拓展的，以便用于包括任何数目量子位的量子处理器中。例如，任何数目的量子位可以被连接到全局信号线360上，每个量子位通过一个对应的乘法器。用这种方法，可以将器件专用的动态补偿信号局部地施加到量子处理器的每个元件上，而不必要地实现控制信号线的一个不切实际或者难以管理的数目。

在一些实施方案中，可能需要对施加到每个量子位上的动态信号的一个更大程度的可定制性。例如，在一些应用中，对一个单一的全局信号波形进行简单的比例调整可能不足以适应每个量子位的唯一性。为了对施加到每个量子位上的动态信号提供一个更大程度的可定制性，而不必有大量额外的信号线，每个量子位本身可以被用作一个加法器来对多个乘法器的贡献求和。即，至少两个不同的动态信号可以被耦联到一个量子位的量子位回路中，每个动态信号通过一个对应的乘法器并且利用每个乘法器施加一个对应的比例因子。

图4是一个量子位控制系统400的示意图，该系统包括一个单一的超导量子位401和两个量子位间的耦联器411和412，在一些实施方案中，这两个耦联器可以各自将量子位401耦联到量子处理器的一个对应的其他量子位(未示出)上。量子位间的耦联器411和412各自包括一个对应的CJJ并且被一个对应的编程接口所控制，该编程接口包含耦联到该CJJ上的一个对应的DAC 421、422。本领域的普通技术人员将会理解，取决于该量子处理器的量子位耦联结构体系，可以类似地采用任何数目的量子位间的耦联器。量子位控制系统400还包括两个乘法器471和472，每个乘法器都连接到量子位401和一个对应的全局信号线461和462上。乘法器471被配置为将全局信号线461可联通地耦联到量子位401上，并且乘法器471被配置为将全局信号线462可联通地耦联到量子位401上。乘法器471和472各自还包括一个对应的CJJ，该CJJ被连接到一个对应的控制DAC 481和482上。DAC 481影响了乘法器471在将全局信号线461携带的动态信号耦联至量子位401之前施加到该信号的调整比例。类似地，DAC482影响了乘法器472在将全局信号线462携带的动态信号耦联至量子位401之前施加到该信号的调整比例。由乘法器471和472耦联的对应信号可以在量子位401中进行组合(即，有效相加)。全局信号线461和462可以各自贡献任何形状的时变波形，这种时变波形在量子位401中进行组合之前可以被乘法器471和472对应地进行比例调整。取决于乘法器471和472的相对比例因子以及由全局信号线461和462所携带的信号的相对波形，多种多样的有效波形可以被耦联到量子位401中。此外，本领域的普通技术人员将会理解，任何数目的全局信号线可以被类似地连接到量子位401上，每个信号线通过一个对应的乘法器。

在一些实施方案中，多个控制信号的求和可以在一个量子位之外实现，这样使得仅仅是该求和的信号被耦联到该量子位上。例如，在多个替代实施方案中，量子位控制系统400可以包括中断了乘法器471、472和量子位401之间的耦联的一个加法器，这样使得由乘法器471和472贡献的这些信号在它们被耦联到量子位401之前在该加法器中进行组合。本领域的普通技术人员将会理解，一个加法器可以包括(例如)一个超导材料的回路，在一些实施方案中，该回路具有诱导元件来协助与乘法器471、472和量子位401的连接。

在包括多个量子位的一个量子处理器的体系结构中，任何数目的量子位可以被类似地连接到任何数目的全局信号线上，每个量子位通过一个对应的乘法器。因此，该系统、方法和装置提供了使用有限数目的信号线向量子处理器的不同元件局部地施加动态信号波形的一种机制，同时仍然提供了一定程度的可定制性来适应(例如)制作上的变异所造成的每个量子位的单独特性。在一些实施方案中，动态补偿信号可以被用于修正由一些量子位参数的相互关联而引起的多个量子位参数中的不想要的波动。例如，在一些实施方案中，动态补偿信号可以被用于补偿在一个量子处理器的整个演算过程中量子位稳恒电流的不想要的波动。在一些实施方案中，动态和/或静态补偿信号可以被用于调解由制作上的变异而引起的量子位特性的不想要的差异。例如，在一些实施方案中，动态和/或静态补偿信号可以被用于补偿包括一个CJJ(例如，CJJ 131和132)的多个约瑟夫逊结的不对称性。

图3和图4提供了根据本系统、方法和装置的实现多个乘法器的说明性实施方案，其中每个乘法器被用于将一个全局信号线中的信号耦联至一个对应量子位的量子位回路中。然而，在其他实施方案中，一个乘法器可以被用于将一个全局信号线中的信号耦联至该CJJ或量子位的任何其他部分上。

图5是一种超导量子处理器500的一部分的另一个实施方案的示意图，该超导量子处理器实施了对连接到每个量子位的CJJ上的一个全局信号的局部编程。图5所示的超导量子处理器500的部分与图3所示的超导量子处理器300的部分相类似，它包括两个量子位501、502，这两个量子位对应地被编程接口522和523所控制并且被通过耦联器件511耦联在一起，该耦联器件受编程接口525的控制。然而，在图5所示的超导处理器500的部分中，一个全局信号线550被配置为通过一个对应的乘法器541、542可联通地耦联到每个量子位的CJJ上。例如，全局信号线550被配置为通过乘法器541可联通地耦联到量子位501的CJJ上，并且通过乘法器542可联通地耦联到量子位502的CJJ上。乘法器541和542对应地受编程接口521和524的控制，每个编程接口可以包括一个对应的局部DAC。乘法器541和542各自可以对应地向从全局信号线550耦联至量子位501和502的动态信号提供一个独立的比例因子。基于它们对应的DAC的配置，编程接口521和524可以各自控制由乘法器541和542对应地向由全局信号线550携带的全局信号提供的有效比例因子。通过使用乘法器541、542来调节全局信号线550和每个量子位501、502的CJJ之间的耦联，使得对该全局信号的与量子位相关的比例调整是可能的，这在量子退火和/或绝热量子计算的许多不同的实现方式中可以是有利的。例如，对耦联到每个量子位的CJJ上的全局信号的与量子位相关的比例调整是以于2008年8月28日提交的名称为“避免量子计算中的局部最小值的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/092,665中的算法来实现的。

贯穿本说明书，经常提及术语“全局信号线”，它在前面被定义为一个被配置为可联通地耦联到量子处理器的多个元件上(例如，多个量子位和/或耦联器)的信号线。尽管可以根据美国专利公开2008-0215850实现局部控制电路以便用于(例如)对量子处理器的多个元件的静态参数进行编程，但是一个全局信号线典型地有利于向量子处理器的多个元件提供动态信号。在一些实施方案中，局部控制电路可以被实现为用于对数据信号进行编程而全局信号线可以被实现为用于对模拟信号进行编程。在一些实施方案中，可以优选的是通过为每个所需的动态信号实现一个专用的全局信号线来使这些全局信号线的数目最小化。耦联到每个量子位的CJJ上的退火信号是一个动态信号的实例，因此在一些实施方案中，可以优选使用一个单一的全局信号线，它被配置为将同一个动态退火信号可联通地耦联到每个对应的量子位的CJJ上。根据本系统、方法和装置，可以通过一个对应的乘法器来调节这个退火信号线和每个对应的CJJ之间的连接以便向每个量子位接收的动态退火信号提供一个与量子位相关的比例因子。耦联到量子位回路以便实现受控量子退火方案的补偿信号是另一个动态信号的实例，对于该动态信号一个专用的全局信号是优选的。

尽管为每个动态信号实施一个单一的专用全局信号线能够有利于增强系统的可拓展性，但是这样一种体制可以使得难以对量子处理器的多个元件的不同子集进行隔离和控制。对一个量子处理器的多个元件的不同子集进行隔离和控制可能是令人希望的，例如，在系统校准的过程中。

本系统、方法和装置说明了对一个量子处理器的元件进行校准的多种技术。一个量子处理器的不同元件在该量子处理器被运行用于解决计算问题之前典型地需要进行校准。尽管这些元件可以在理论上被设计为以特定的方式运作，但是典型地一个校准程序是必要的以便确认它们在一个物理系统中的实际作为。确切地讲，在使用一个量子处理器通过绝热量子计算或量子退火来解决一个计算问题时，可能有利的是将问题哈密尔顿算子参数校准到一个高精度以便保证对退火进度以及参数定义的控制。例如，这有助于保证正在被该量子处理器解决的问题精确地代表了希望有一个解的问题。

高精度的器件校准通常使得对器件参数的高精度测量成为必要。在基于通量的超导量子处理器(如图1中所示的)中，典型地使用磁力计(如DC-SQUID)来进行测量。然而，因为一个DC-SQUID读出器件在一个量子位上的反作用对在所施加通量的临界范围(量子退火在其中发生)内进行通量量子位校准一般来说是太大的，所以DC-SQUID可能不适合于用作传感器来校准器件参数。此外，利用DC-SQUID进行的测量可能不直接得到用于器件校准的感兴趣的量值，而是在进行了额外的测量之后，这些测量可以使得能够对感兴趣的量进行计算。

根据本系统、方法和装置，通过使用一个第二量子位作为一个传感器量子位可以实现对一个第一量子位的多个参数的高精度的直接测量。在美国专利公开2006-0147154、美国专利公开2006-0248618、以及美国专利公开2009-0078931中说明了使用一个第一量子位来检测一个第二量子位的多个参数的概念。将这个概念应用到对量子处理器的元件的校准中可以使得能够进行高精度的测量，并且因此与另外通过常规的基于DC-SQUID的测量技术可得到的情况相比能够进行更高精度的校准。

贯穿本说明书和所附的权利要求，术语“传感器量子位”被用于指作为一种测量器件运行的一个量子位，并且术语“源量子位”被用于指其参数正在被测量的一个量子位。

在一些实施方案中，一种有效的校准技术使得在耦联的量子位对之间能够进行任意的交互作用，其中一个量子位充当一个源量子位而另一个充当一个传感器量子位。即，通过隔离对应的耦联量子位对并且对于每个对应的量子位对使用一个量子位来检测另一个量子位的参数和行为可以在包括多个互联量子位的网络的一个量子处理器中实现高精度的校准。为了在一个给定的耦联量子位对之间实现任意的双量子位操作，有利的是将这对量子位从其他量子位中隔离出来。这可以通过实施能够在量子位之间提供零耦联的可调谐的耦联器件来实现。这种可调谐的耦联器件的实例展示在图1和图3至图6中，并且在以下文件中进行了说明：Harris，R等人发表在arXiv.org：condmat/0608253(2006)的第1-5页的“用于超导通量量子位的符号和幅值可调谐耦联器”、Massen van denBrink，A等人发表在《新物理学期刊7》(2005)的第230篇的“通量量子位的间接可调谐耦联”以及Harris，R等人发表在arXiv.org：0904.3784(2009)的1-4页的“用于具有最小串扰的通量量子位的复合约瑟夫逊结耦联器”。此外，通过使得对一个给定量子位对中的每个量子位的参数能够进行独立的或者分别的控制可以协助实现任意的双量子位操作。即，可能有利的是使得对一个给定的量子位对中的一个第一量子位(例如，该源量子位)和一个第二量子位(例如，该传感器量子位)的参数能够进行分别调谐。

在为绝热量子计算和/或量子退火设计的超导量子处理器的常规设计中，量子处理器中的所有量子位被典型地连接到同一个全局退火信号线上。例如，在图5所示的常规超导量子处理器500的部分中，量子位501和502被连接到同一个全局退火信号线550上。这具有的优点是限制了运行该系统所需的信号线的数目并且保证了所有量子位上的退火信号实质上的同步。然而，这一途径具有的缺点的是不能同时将不同的动态信号耦联到组成该量子处理器的多个量子位的CJJ上。

根据本系统、方法和装置，通过实现一个小数目的相互交错的全局信号线可以实现任意的双量子位操作，这样组成任何耦联量子位对的两个量子位被各自对应地连接到一个不同的全局信号线上。使得能够进行任意的双量子位操作对于大量不同的量子处理器的运算(包括但不限于高精度的器件校准)可以是有利的。本领域的普通技术人员将会理解，与图3至图5中所示的多个实施方案相类似，本系统、方法和装置可以应用在包括片上DAC和标量乘法器的多种实现方式的系统中。

图6是一种超导量子处理器600的一部分的示意图，该超导量子处理器被适配为协助任意双量子位的操作。除了量子处理器600包括了两个退火信号线651和652之外，量子处理器600在一些方面与图1中的量子处理器100相类似，这样使得量子位601和602各自对应地被连接到一个不同的退火信号线上。使用退火信号线651和652，分别的CJJ配置信号可以被对应地施加到每个量子位601和602上。尽管向每个单独的量子位施加一个唯一的CJJ偏置的能力提供了高度的量子位控制，但是目前实现对每个量子位都连接有一个唯一的退火信号线的大规模的量子处理器(例如，包括成百、上千、或者数百万个量子位)是不现实的。然而，根据本系统、方法和装置，使用一个小数目的相互交错的全局退火信号线可以实现使得能够进行任何给定的耦联量子位对之间的任意双量子位操作的足够的量子位控制。

贯穿本说明书和所附的权利要求，术语“相互交错的”被用于指全局信号线相互编织的一种安排，这样使得被连接在一起的任何两个量子位各自被连接至一个不同的全局信号线上。图7是具有两个相互交错的全局信号线751和752的多个最邻近耦联的量子位的一个简单线性链700的说明性简图。量子位的线性链700包括6个量子位701-706，其中通过耦联器件711-715(为清晰起见，用虚线绘出)将每个量子位直接耦联到至少一个其他的依次邻近的量子位上。例如，量子位701通过耦联器件711直接耦联至量子位702，量子位702通过耦联器件711直接耦联至量子位701，并且通过耦联器件712直接耦联至量子位703，量子位703通过耦联器件712直接耦联至量子位702，并且通过耦联器件713直接耦联至量子位704，如此等等。在量子位的线性链700中，可以通过使得该量子位对与其他量子位之间的任何耦联解除启动来隔离两个直接耦联的量子位(例如，依次相邻的量子位)形成的任何对。例如，可以通过使得耦联器711和713解除启动来将量子位702和703作为一个被隔离的量子位对来处理。然后，可以通过使用全局信号线751控制(例如)量子位702的CJJ偏置并且使用全局信号线752控制(例如)量子位703的CJJ偏置来实现对包括量子位702和703的量子位对的任意双量子位操作。为了校准该对量子位，量子位702可以首先被用作一个源量子位而量子位703可以首先被用作一个传感器量子位来测量量子位702的参数。因此，可以使用量子位703来监控量子位702对不同控制信号的响应行为。然后，量子位702和703可以互换角色，其中量子位703用作源量子位而量子位702被用作监控量子位703行为的传感器量子位。一个特定的量子位被用作一个源量子位或是一个传感器量子位至少部分地取决于施加到该量子位上的CJJ偏置。因此，实施多个全局退火信号线使得量子处理器中组成任何耦联的量子位对的两个量子位能够同时以不同的方式来使用。本系统、方法和装置为不同的量子位耦联体系结构提供了多个全局退火信号线的相互交错的安排，以便限制为使得能够进行耦联的量子位对之间的任意双量子位操作所需的额外的全局退火信号线的数目。

图8是一个示例性的量子处理器800的一个说明性简图，该量子处理器包括16个最邻近耦联的量子位801-816的一个正方形网格。量子处理器800的最邻近耦联的体系结构实施了24个耦联器件820(仅在该图中标出了一个，为清晰起见，被表示为虚线)，但是本领域的普通技术人员将会理解，任何数目的量子位和耦联器件可以被安排为一个类似的模式。根据本系统、方法和装置，仅需两个全局(例如，退火)信号线851和852以便使得能够进行量子处理器800中任何耦联量子位对之间的任意双量子位操作。即，对于量子处理器800中耦联在一起的任何两个量子位(即，任何两个最邻近的量子位)，一个量子位被耦联到全局信号线851上，而另一个量子位被耦联到全局信号线852上。仅需两个全局信号线以便使得能够进行在实现了任何数目的量子位和耦联器件的一个类似的最邻近量子位耦联体系结构中的任意双量子位操作。使用两个相互交错的全局信号线，可以在实施了最邻近量子位耦联的一个量子处理器中实现对器件参数的高精度校准。一些实施方案可以采用一个更大数目N的相互交错的全局信号线，但是为实现上述技术的优点，该数目N将会小于量子位的数目，并且它将典型地远小于N，例如参照以下在图9中所述的。

图9是一个示例性量子处理器900的说明性简图，该量子处理器包括16个最邻近和次邻近耦联的量子位901-916的一个正方形网格。量子处理器900的该最邻近和次邻近耦联的体系结构实施了42个耦联器件920(仅在该图中标出了一个，为清晰起见，被表示为虚线)，但是本领域的普通技术人员将会理解，任何数目的量子位和耦联器件可以被安排在一个类似的模式中。根据本系统、方法和装置，仅需四个全局(例如，退火)信号线951-954以便使得能够进行量子处理器900中任何耦联量子位对之间的任意双量子位操作。即，通过将4个全局信号线实施为一种相互交错的模式，在量子处理器900中形成任何耦联量子位对的两个量子位可以各自被耦联到一个不同的全局信号线上。仅需四个全局信号线以便使得能够进行在实现了任何数目的量子位和耦联器件的一个类似的最邻近和次邻近量子位耦联体系结构中的任意双量子位操作。使用四个相互交错的全局信号线，可以在实施了最邻近和次邻近量子位耦联的一个量子处理器中实现对器件参数的高精度校准。

图8和图9中的示例性量子处理器800和900对应地旨在展示本系统、方法和装置所述的多种技术如何在替代的量子位耦联体系结构中实施。然而，本系统、方法和装置不以任何方式被限制在此处所展示的这些量子位耦联体系结构中。一个小数目的相互交错的全局信号线的实现方式可以被适配为用于任何量子位耦联体系结构中并且用于任何动态信号上。这种实现方式具有的优点是使得能够进行耦联量子位对之间的任意双量子位操作，该处理可以被用于(例如)实现高精度的器件校准。

根据本系统、方法和装置，将一个单一的全局信号线替换为一个小数目的相互交错的全局信号线的概念可以被应用到任何信号线上，并且不被限于涉及退火信号线的应用中。例如，在此处所述的受控量子退火方案中，一个动态通量偏置从一个全局信号线中耦联至每个量子位的量子位回路上(与退火信号线情形中每个量子位的CJJ相对照)以便对系统退火时稳恒电流中的波动进行补偿。

在一些实施方案中，替换了一个单一的全局信号线的该至少两个全局信号线可以都被配置为携带了实质上相同的信号。在此类实施方案中，该至少两个的全局信号线的对应长度的至少一部分可以在一个共同的纵轴附近扭曲以便减轻从它们共享的环境中可能耦联至该至少两个全局信号线的噪声和/或串扰。

如以上所讨论的，多个相互交错的信号线的实现方式可以协助高精度的器件校准。现在说明实现这种校准的一种方法。

图10是用于校准一个量子处理器中的一个第一量子位的方法1000的流程图。方法1000包括三个动作1001-1003，但是本领域的普通技术人员将会理解，可以包括其他的多个动作以便容纳替代的实现方式。在1001，将一对耦联的量子对从该量子处理器的其他量子位中通信地隔离出来。在1002，将一个第一信号施加到该对耦联的量子位中的一个第一量子位上。在1003，将该对耦联的量子位中的第二量子位用于测量该第一量子位以怎样的行为响应所施加的该第一信号。在一些实施方案中，然后可以重复方法1000，其中使得该第一和第二量子位的对应角色互换。

在1001，可以通过(例如)使得该对耦联的量子位与该量子处理器中的其他量子位之间的任何耦联解除启动来实现将一对耦联的量子位从一个量子处理器的其他量子位中通信地隔离。因此，可以减小该量子处理器中的其他量子位在该对耦联的量子位上的影响。在1002，该对耦联的量子位中的一个第一量子位可以被用作一个源量子位。可以使用一个第一全局信号线将一个已知形式的第一信号施加到该第一量子位上，该第一全局信号线被连接到该第一量子位上但是不实质地(直接地)连接到该对耦联的量子位中的第二量子位上。在1003，该对耦联的量子位中的第二量子位可以被用作一个传感器量子位来测量该第一量子位响应于该第一施加信号的行为。可以使用一个第二全局信号线将一个已知形式的第二信号施加到该第二量子位上，该第二全局信号线被连接到该第二量子位上但是不实质地(直接地)连接到该第一量子位上。该第二信号可以被用于控制该第二量子位的灵敏度。用这种方法，该第二量子位可以被用于监控该第一量子位如何响应于该已知形式的第一信号。该传感器量子位可以被用于对多个已知的所施加的第一信号测量该源量子位以便绘制该源量子位的一个响应曲线。一旦已经由此绘制出该第一量子位的参数，该第一量子位已经被有效地校准。在一些实施方案中，然后可以重复方法1000，其中使得该第一和第二量子位的对应角色互换。即，然后该第二量子位可以被用作源量子位，并且然后该第一量子位可以被用作传感器量子位。此外，因为该传感器量子位通过一个耦联器件与该源量子位进行交互，所以方法1000的一些实施方案可以被适配为集中在该耦联器件本身的校准上。在这些实施方案中，该传感器量子位可以被用于测量对于该源量子位的一个特定配置将不同的控制信号施加到该耦联器件上的作用。

在一些实施方案中，包括一个量子处理器的所有的量子位可以通过实施方法1000而成对地进行校准。在一些实施方案中，可以通过在数字计算机上运行的一个校准算法而自动操作并控制这一过程。

在此处说明的不同实施方案中，通过使一对耦联的量子位与量子处理器中的其他量子位之间的任何耦联解除启动而将该对耦联的量子位描述为从量子处理器的其他量子位中“通信地隔离”。例如，可以通过激活耦联器712并且使得耦联器711和713解除启动来将图7中的量子位702和703作为一对被通信隔离的量子位。然而，在量子处理器的一些实施方案中，一些或者全部的耦联器件可以通过同一个全局耦联器控制线来进行控制。在这些实施方案中，在使其他多个特定的耦联器解除启动时，对一个特定的耦联器进行独立或者分别的控制也许是不可能的。因此，此处说明的将一个小数目的全局信号线安排为任何两个耦联量子位各自对应地被一个不同的全局信号线控制的技术可以类似地应用到控制这些耦联器件的全局耦联器控制线上。即，在一些实施方案中，能够有利的是保证对在组成量子处理器的任何特定量子位对的两个量子位之间建立耦联的耦联器件进行控制的耦联器控制线不控制耦联至该特定的量子位对中的两个量子位中任意一个上的任何其他的耦联器件。这类似于一种安排，其中将一个特定的量子位耦联至另一个量子位的每个耦联器件是受一个对应的全局信号线的控制。这样一种安排可以协助耦联量子位对的通信隔离。例如，图7中的耦联器件712在包括量子位702和703的量子位对之间建立耦联。如果对耦联器712进行控制的耦联器控制线也对耦联器711和/或耦联器713进行控制，那么在激活耦联器712的同时对包括量子位702和703的量子位对进行通信的隔离是不实际的。因此，能够有利的是实施一个小数目的(即，在本实例中为2个)的全局信号线，这样使得对耦联器712的控制独立于耦联器711和713的控制或者与其分开。同样的原则可以被应用到量子处理器的任何量子位间耦联的体系结构中，包括图8中所示的最邻近耦联安排以及图9中所示的最邻近和次邻近的耦联安排。总体上讲，量子处理器中任何特定的量子位可以被耦联到一组其他的量子位上(其中一组其他的量子位包括至少一个其他的量子位)，其中通过一个对应的耦联器件来实现每个耦联。根据本系统、方法和装置，通过实施一个小数目的全局信号线可以协助在这样一个量子处理器中特定对的耦联量子位的通信隔离，这样使得将该特定的量子位耦联到该组量子位中的另一个量子位上的每个对应的耦联器件是独立地或者分别地受这些全局信号线中的对应的一个的信号线的控制。

对所展示的实施方案的以上说明(包括在摘要中所描述的)并非旨在是穷尽的或者旨在把这些实施方案限定到所披露的确切的形式。尽管为了说明的目的在此描述了多个具体的实施方案和实例，但是相关领域的普通技术人员将会认识到，可以做出不同的等价更改而不脱离本披露的精神与范围。在此所提供的不同实施方案的传授内容可以应用于量子计算的其他系统、方法和装置，而不必一定是以上总体性说明的用于量子计算的示例性系统、方法和装置。

可将上述不同的实施方案进行组合以提供多个进一步的实施方案。在本说明书中引用和/或在申请数据单中列出的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利公开都通过引用以其全文结合在此，这些文件包括但不限于：2008年5月20日提交的名称为“向一个目标哈密尔顿算子受控量子退火的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/054,740；2008年8月28日提交的名称为“用以避免量子计算中局部最小的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/092,665；2008年9月3日提交的名称为“用于量子处理器元件的有效补偿的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/094,002；2008年9月26日提交的名称为“用于校准量子处理器元件的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/100,582；美国专利公开号2006-0225165；美国专利公开2008-0176750；美国专利申请序列号12/266,378；PCT专利申请序列号PCT/US09/37984；美国专利号7,135,701；美国专利公开2008-0215850；美国专利公开2006-0248618；美国专利公开2009-0078931；美国专利公开2009-0082209；2008年6月3日提交的名称为“用于超导多路分解器电路的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/058,494；美国专利申请序列号12/109,847；美国专利公开2008-0238531；美国专利公开2006-0147154；以及美国专利公开2008-0274898。如有必要，可以对这些实施方案的多个方面进行修改，以便利用不同的专利、申请和公开文件中的系统、电路及概念来提供更进一步的实施方案。

鉴于以上的详细说明，对这些实施方案可做出这些及其他的改变。总之，在以下权利要求中，所使用的术语不应当解释为将权利要求限制为本说明书和这些权利要求所披露的特定实施方案，而是应当解释为包括所有可能的实施方案，连同这些权利要求有权获得的等效物的全部范围。因此，这些权利要求并不限于本披露。

Claims (28)

1.一种量子退火的方法，该方法使用了一种包括多个超导通量量子位的超导量子处理器，该方法包括：

对每个量子位施加一个通量偏置，由此至少部分地定义一个问题哈密尔顿算子；

对每个量子位施加一个无序项，由此至少部分地定义一个演算哈密尔顿算子；

逐步地去除施加到每个量子位上的该无序项，由此诱导出每个量子位中的一个稳恒电流的变化；

通过动态地改变施加到每个量子位上的该通量偏置来对在每个量子位中的稳恒电流的变化进行补偿；并且

测量在该量子处理器中的至少一个量子位的状态。

2.如权利要求1所述的方法，其中逐步地去除施加到每个量子位上的该无序项包括根据一个时变的退火波形逐步地去除该无序项。

3.如权利要求2所述的方法，其中对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿包括根据一个时变的补偿波形来调整施加到每个量子位上的该通量偏置。

4.如权利要求3所述的方法，其中该退火波形以及该补偿波形是实质上同步的。

5.如权利要求1所述的方法，其中对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿包括在该演算哈密尔顿算子中维持一个实质上恒定的比值。

6.如权利要求1所述的方法，其中对每个量子位施加一个通量偏置至少部分地定义了一个问题哈密尔顿算子，该问题哈密尔顿算子包括一个2局部伊辛哈密尔顿算子，该2局部伊辛哈密尔顿算子被实质上表述为：

$H_P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_i{\mathrm{\&sigma;}}_i^z+\underset{i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&sigma;}}_i^z{\mathrm{\&sigma;}}_j^z$

其中，n代表量子位的数目，是第i个量子位的泡利Z-矩阵，并且h_i和J_ij是连接到每个量子位上的无量纲的局部场。

7.如权利要求6所述的方法，其中对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿包括在该问题哈密尔顿算子中维持h_i:J_ij的一个实质上恒定的比值。

8.一种量子退火的方法，该方法使用了包括一组量子位的一种量子处理器，该方法包括：

通过对每个量子位施加至少一个控制信号来建立一个问题哈密尔顿算子；

通过对每个量子位施加至少一个无序化信号来建立一个演算哈密尔顿算子；

通过从每个量子位中逐步地去除这些无序化信号向一个目标哈密尔顿算子进行退火；并且

通过在退火过程中调整施加到每个量子位上的该至少一个控制信号来维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子。

9.如权利要求8所述的方法，其中向一个目标哈密尔顿算子进行退火包括向该问题哈密尔顿算子进行退火。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

从该问题哈密尔顿算子中提取一个标量前因子。

11.如权利要求10所述的方法，其中维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子包括对施加到每个量子位上的该至少一个控制信号进行调整，这样使得在退火过程中施加到每个量子位上的该至少一个控制信号与该标量前因子之间的一个比值是实质上恒定的。

12.如权利要求8所述的方法，其中对每个量子位施加一个控制信号包括将该控制信号施加在一个超导量子处理器中的多个量子位中的每一个上。

13.一种量子位控制系统，该系统包括：

一个第一量子位；

一个第二量子位；

一个第一乘法器，其中该第一乘法器被配置为可联通地耦联到该第一量子位上；

一个第二乘法器，其中该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二量子位上；以及

一个全局信号线，其中该全局信号线被配置为可联通地耦联到该第一乘法器和该第二乘法器二者上，这样使得该第一乘法器调节在该全局信号线与该第一量子位之间的连接，并且该第二乘法器调节在该全局信号线与该第二量子位之间的连接，其中该第一乘法器是可调谐的以便向由该全局信号线携带的一个动态信号提供一个第一比例因子，并且其中该第二乘法器是可调谐的以便向由该全局信号线携带的该动态信号提供一个第二比例因子。

14.如权利要求13所述的量子位控制系统，进一步包括：

一个第一编程接口，该第一编程接口被配置为可联通地耦联到该第一乘法器上，其中来自该第一编程接口的一个可控信号所起的作用是调谐该第一乘法器的该第一比例因子，以及

一个第二编程接口，该第二编程接口被配置为可联通地耦联到该第二乘法器上，其中来自该第二编程接口的一个可控信号所起的作用是调谐该第二乘法器的该第二比例因子。

15.如权利要求14所述的量子位控制系统，其中该第一编程接口包括一个第一数模转换器并且该第二编程接口包括一个第二数模转换器。

16.如权利要求14所述的量子位控制系统，其中该第一量子位是包括一个量子位回路和一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位，并且其中该第二量子位是包括一个量子位回路和一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位。

17.如权利要求16所述的量子位控制系统，其中该第一乘法器是一个超导耦联器，该超导耦联器包括被一个复合约瑟夫逊所中断的一个超导材料的回路，并且该第一编程接口被配置为可联通地耦联到该第一乘法器的复合约瑟夫逊结上；并且其中该第二乘法器是一个超导耦联器，该超导耦联器包括被一个复合约瑟夫逊所中断的一个超导材料的回路，并且该第二编程接口被配置为可联通地耦联到该第二乘法器的复合约瑟夫逊结上。

18.如权利要求17所述的量子位控制系统，其中该第一乘法器被配置为可联通地耦联到该第一量子位的量子位回路上，并且该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二量子位的量子位回路上。

19.如权利要求17所述的量子位控制系统，其中该第一乘法器被配置为可联通地耦联到该第一量子位的复合约瑟夫逊结上，并且该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二量子位的复合约瑟夫逊结上。

20.如权利要求17所述的量子位控制系统，其中该第一编程接口包括一个第一超导数模转换器并且该第二编程接口包括一个第二超导数模转换器。

21.一种将动态信号施加到量子处理器的至少两个器件上的方法，该方法包括：

对一个第一乘法器进行编程以便将一个第一比例因子施加到一个动态信号上，动态地改变施加到该量子处理器中的一个第一器件的通量偏置，以此调解在该量子处理器中的一个第一器件的行为；

对一个第二乘法器进行编程以便将一个第二比例因子施加到该动态信号上，动态地改变施加到该量子处理器中的一个第二器件的通量偏置，以此调解在该量子处理器中的一个第二器件的行为；

通过一个全局信号线对该动态信号进行传输；

配置该第一乘法器以便将该全局信号线可联通地耦联到该量子处理器的该第一器件上，这样使得该第一乘法器将一个第一信号连接到该量子处理器的该第一器件上，其中该第一信号是被该第一比例因子按比例调整的该动态信号；并且

同时配置该第二乘法器以便将该全局信号线可联通地耦联到该量子处理器的该第二器件上，这样使得该第二乘法器将一个第二信号连接到该量子处理器的该第二器件上，其中该第二信号是被该第二比例因子按比例调整的该动态信号。

22.如权利要求21所述的方法，其中该第一器件是一个第一超导通量量子位并且该第二器件是一个第二超导通量量子位。

23.一种量子处理器，包括：

多个量子位，这些量子位被安排在一个互联的网络中，这样使得每个量子位被配置为可联通地耦联到该互联的网络中的至少一个其他的量子位上；以及

至少两个全局信号线，其中每个量子位被配置为可联通地耦联到这些全局信号线之一上，并且其中该至少两个全局信号线被安排处于一种相互交错的模式之中，这样使得被配置为可联通地耦联在一起的任何两个量子位各自被配置为可联通地耦联到这些全局信号线中不同的一个上其中，该至少两个全局信号线都是退火信号线，这些退火信号线被配置为在一个绝热量子计算和一个量子退火计算之一的过程中携带退火信号以便使得该量子处理器进行演算。

24.如权利要求23所述的量子处理器，其中该多个量子位中的每个量子位是包括一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位，并且其中每个量子位的该复合约瑟夫逊结被配置为可联通地耦联到这些退火信号线之一上。

25.如权利要求23所述的量子处理器，其中该多个量子位中的每个量子位是包括一个量子位回路的一个超导量子位，其中每个量子位回路是由一个超导材料的对应回路形成的，并且其中每个量子位的量子位回路被配置为可联通地耦联到这些全局信号线之一上。

26.如权利要求23所述的量子处理器，其中在任何两个量子位之间被配置为可联通地耦联在一起的这种可联通的连接是通过一个对应的连接器件来实现的，并且其进一步包括至少两个额外的全局信号线，这样使得被配置为可联通地耦联到同一个量子位上的任何两个连接器件各自被该至少两个额外的全局信号线中的对应一个分别进行控制。

27.一种超导量子处理器，包括：

多个量子位；

多个耦联器，这些耦联器被配置为在至少一些对应对的量子位之间提供可联通耦联；

一个第一组的编程接口，这些编程接口是可运行的以便对每个量子位施加一个通量偏置；

一个第二组的编程接口，这些编程接口是可运行的以便对每个量子位施加一个动态退火信号；以及

一个第三组的编程接口，这些编程接口是可运行的以便对每个量子位施加一个动态补偿信号；其中在该第三组编程接口中的每个编程接口包括一个对应的乘法器，并且其中每个对应的乘法器被配置为调节一个全局信号线与一个对应的量子位之间的一个可联通的连接。

28.一种超导量子处理器，包括：

多个量子位；

多个耦联器，这些耦联器被配置为在至少一些对应对的量子位之间提供可联通的连接；以及

一组编程接口，该组编程接口被配置为：通过对每个量子位施加至少一个控制信号来建立一个问题哈密尔顿算子；通过对每个量子位施加至少一个无序化信号来建立一个演算哈密尔顿算子；通过将这些无序化信号从每个量子位中逐步去除来向一个目标哈密尔顿算子进行退火；并且通过在该退火过程中调整施加到每个量子位上的该至少一个控制信号来维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子。