CN104050509A - 超导晶格上的表层代码的频率排列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导晶格上的表层代码的频率排列。提供了一种器件晶格排列，包括：多个器件；多个物理连接，其用于所述多个器件，其中所述多个器件中的每个器件均耦合到所述多个物理连接中的至少两个物理连接；多个身份标签，其与所述多个器件中的个体器件关联；以及身份标签排列，使得所述多个器件中由所述多个连接中的某一数量的连接来连接的器件对具有不同的身份标签。

Description

超导晶格上的表层代码的频率排列

技术领域

本发明涉及量子信息处理，更具体地说，涉及用于在超导晶格上实现表层代码的频率排列的系统和方法。

背景技术

量子信息处理具有潜力以便解决难以使用常规机器计算处理的某些类别的数学问题。构建有用的量子计算机需要在包括数百万个物理量子位（qubit）的系统上实现量子错误纠正代码。最近，表层代码作为量子计算机的体系架构出现，因为其对物理量子位上的错误具有高容忍性。表层代码的容错阈值约为1%。在该体系架构中，每个物理量子位耦合到其最近的邻居，从而形成二维网格，其中一半量子位用于存储量子信息，另一半用于错误纠正。

超导量子位最近在实现表层代码量子计算机的要求的实验演示方面取得可观的进展。最近，单个和两个量子位门被显示具有接近容错阈值的门错误，并且高保真度测量变得可行。

发明内容

示例性实施例包括一种器件晶格排列，其包括：多个器件；多个物理连接，其用于所述多个器件，其中所述多个器件中的每个器件均耦合到所述多个物理连接中的至少两个物理连接；多个身份标签，其与所述多个器件中的个体器件关联；以及身份标签排列，使得所述多个器件中由所述多个连接中的某一数量的连接来连接的器件对具有不同的身份标签。

其他示例性实施例包括一种超导量子位表层代码系统，其包括：第一多个超导量子位；第二多个超导量子位；以及多个谐振器（resonator），其耦合所述第一和第二多个超导量子位，其中所述第一多个和第二多个超导量子位中的每个超导量子位均包括身份标签。

通过本发明的技术实现其它特性和优点。在此详细描述了本发明的其它实施例和方面，并且它们被视为要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解本发明以及优点和特性，将参考描述说明书和附图。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求中具体指出并明确要求保护了被视为本发明的主题。从下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其它特性和优点将变得显而易见，这些附图是：

图1示出斜正方形（skew-square）晶格排列的一个实例；

图2示出表示表层代码晶格的扭曲正方形晶格的一个实例；

图3示出扭棱正方形（snub-square）晶格的一个实例；

图4示出完整晶格排列的一个实例；

图5示出图4的晶格的连接方面的等效物的一个实例；

图6示出量子位物理晶格和物理连接的一个实例；以及

图7示出根据示例性实施例的用于排列超导量子位晶格的方法的流程图。

具体实施方式

在各示例性实施例中，在此描述的系统和方法在斜对称晶格上排列超导量子位晶格，以便可以实现具有表层代码的通用量子计算机。通过这种方式，实现减少数量的标识符（即，大约五个标识符）。为了使用超导量子位实现表层代码，可以实现谐振器的“斜正方形”（或毕达哥拉斯）晶格，如图1中所示，该图示出斜正方形晶格排列100。每个量子位105耦合到两个物理连接（例如，谐振器110、115）。在超导量子位技术的情况下，谐振器110、115可以是谐振腔。斜正方形晶格排列100具有优势，因为一个量子位仅耦合到最多两个谐振器。例如，如图1中所示，一个量子位105耦合到两个谐振器110、115。在各示例性实施例中，在此描述的系统和方法实现表层代码映射，其比先前实现的映射具有更少的“辅助”量子位（即，每个数据量子位一个辅助量子位），并且显示使用该排列，实现更少的、不同的独特标签（例如，最多约九个不同的独特标签）。在此描述的系统和方法实现表层代码排列，并且包括相应的频率。

在各示例性实施例中，在此描述的系统和方法使用表层代码在斜对称晶格上排列超导量子位，以便实现通用量子计算机。对于表层代码量子计算机，每个数据量子位可控制地耦合到其四个相邻辅助量子位，以便执行一系列为数四个的受控非（CNOT）门，这些门在错误纠正过程中实现一个步骤。

表层代码是二维网格，其中每个量子位耦合到其四个邻居，以此类推。为了实现表层代码，用于表层代码系统的控制器立即对两个量子位进行定址，并且执行双量子位纠缠门（例如CNOT门）。在此二维网格上，需要至少五个不同的独特标签以便实现CNOT门而没有串音。例如，使用超导量子位，可以实现具有不同频率或可调交互的独特标签。在超导量子位中，量子位之间的交互通常由量子总线（例如，共面谐振器或3D波导腔）执行。通过实现量子总线，可以实现其中每个量子位仅耦合到最多两个量子总线的物理设计。已经表明表层代码可以在斜对称晶格上实现，其中许多量子位仅充当辅助量子位，以便模拟表层代码实现的四倍连接性的效果。

在各示例性实施例中，在此描述的系统和方法实现表层代码，其中可以修改晶格以便减少标识符和标签的数量，同时保持已知表层代码的优点。在此描述的系统和方法能够将表层代码高效映射到“扭棱正方形”晶格。因此，一半量子位被实现为数据量子位，一半量子位被实现为测量“辅助”。一个映射被示出为仅获得1/5的数据量子位。图2示出表层代码晶格映射200，其是变形为平铺梯形的简单正方形数据量子位晶格。图2中的实例是表示表层代码晶格的扭曲正方形晶格。在此实例中，量子位205、210、215、220在晶格点的交叉处展开。表层代码测量可以被视为在生成的梯形的中点230中发生，从而测量四个周围量子位205、210、215、220的X或Z宇称（parity）。

在量子位205、210、215、220限定的每个生成的梯形的内部进行辅助/测量。图3示出“扭棱正方形”晶格排列300的一个实例。为了示例性目的，示出与图2中相同的四个量子位。不再示出生成的梯形。相反，示出辅助量子位335、340。辅助量子位340连接到四个数据量子位205、210、215、220，辅助量子位340测量它们的宇称。同样，辅助量子位335测量右边的下一个梯形的顶点上的量子位的宇称，这些量子位包括量子位205、220以及在此未标记的另外两个量子位。辅助量子位335中的每一个测量X宇称，并且辅助量子位340中的每一个测量Z宇称，或者反之亦然。

图4示出完整晶格排列400的一个实例。为了示例性目的，示出数据量子位205、210、215、220中的每一个以及每个辅助量子位335、340。此外，示出物理连接450、455（例如，谐振器）。每个量子位205、210、215、220、335、340耦合到最近的两个物理连接450、455。通过物理连接450、455的连接性可以实现重叠扭棱正方形晶格的所有需要的测量连接。

因此，图4的实例中的物理连接450、455以及量子位205、210、215、220、335、340的布局包括图3的扭棱正方形晶格300的连接性。所述布局使每个量子位仅连接到两个物理连接。布局400是具有p4g壁纸组对称性的晶格。壁纸组（或者平面对称组或平面晶体组）是二维重复模式的数学分类，该分类基于模式中的对称性。

图5示出图4的布局的连接方面的等效布局500。各个扭棱正方形伸展为正方形，并且谐振器扩展以便填充其正方形，从而表示它们耦合到所有周围量子位的事实。量子位（未示出）处于每个正方形的角落，数据量子位在各交替正方形上展开，并且其余角落是辅助/测量量子位。

布局400可以可选地变形为现有斜正方形布局，而不更改其基本连接性属性。斜正方形布局具有以下附加优点：可以增加直接跨物理连接的量子位之间的物理距离。

在各示例性实施例中，先前的布局图可以具有许多可能的布局组合（取决于下面解释的各种约束），使得每个量子位具有不同于每个其它量子位的“身份标签”，在执行表层代码时每个量子位可能需要通过CNOT连接到每个其它量子位。此外，这些其它量子位也具有不同于彼此的标签，这允许CNOT中涉及的两个量子位具有可定址能力，同时将它们与其它量子位隔离。此标记方案通常足以支持各种门控制方案，以及支持除CNOT之外的门。由于所述布局中的物理连接将连接不需要在表层代码中连接的某些量子位（参见图4），所以在此描述的示例性实施例使得通过物理连接所连接的量子位也具有不同的标签。图5示出可如何将扭棱正方形晶格伸展为传统的正方形晶格。这些正方形是图4中的谐振器的伸展后的版本。数据量子位位于第一组交替正方形的右上角和左下角，辅助量子位位于其余角落（未示出量子位）。晶格也可以以这种方式进行物理排列，但图5中的实例示出与表层代码的简单正方形排列的同构（isomorphism）。然后可以记下标签作为简单的数字表，该表对应于图5中的网格点。

在各示例性实施例中，在此描述的系统和方法可以将表层代码连接排列为如上面在先前实例中描述的那样可定址，从而具有五个标签。通过这种方式，每行重复模式123451234512345，每个连续行按2改变起始数字。在其它示例性实施例中，如果数据量子位205、210、215具有不同于辅助量子位335、340的标签，则可以实现八个标签。第一行具有模式1A2B1A2B1A2B，下一行为C3D4C3D4C3D4，下一行为2B1A2B1A2B1A（按两个位置改变第一行），下一行为D4C3D4C3D4C3（按两个位置改变第二行），然后重复该模式。数字对应于数据量子位，字母对应于辅助量子位。在其他示例性实施例中，如果实现隔离和可定址能力，以便通过两个物理连接来连接的每个量子位具有不同的标签，则可以实现九个标签。在示例性实施例中，在第一行中实现模式123456789123456789，然后在下一行中按三改变，依此类推，这允许每个量子位具有可定址能力，以便具有在它与通过物理连接与它连接的每个量子位之间执行的双量子位门。

在示例性实施例中，在图6中示出具有九个标签的另一种实现。图6示出如图4中的量子位205、210、215、220、335、340的物理晶格以及物理连接450、455，但为清楚起见过度移除了扭棱正方形。在图6的实例中，具有九种不同类型的量子位，从而注意数据量子位205、210、215、220具有不同的形状。红色和绿色量子位是辅助量子位，而蓝色量子位是数据量子位。较大的阴影正方形605示出晶格的单位晶胞的范围（晶格重复之前的区域）。

在该实例中，数据量子位205、210、215、220以及辅助量子位335、340具有不同的标签，并且具有足够的可定址能力，以便每个数据量子位可以具有在它和通过物理连接450、455与它连接的每个数据量子位之间施加的双量子位门，以及表层代码将数据量子位连接到辅助量子位所需的门。

例如，在超导量子位的情况下，某些标签可以为不同的频率。此外，物理连接450、455可能需要彼此隔离，从而例如是具有不同频率的腔。两个腔标签便已足够，并且在此处的所有实例中通过两种类型的物理连接450、455来指示。

在此使用的术语只是为了描述特定的实施例并且并非旨在作为本发明的限制。如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在同样包括复数形式，除非上下文明确地另有所指。还将理解，当在此说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了声明的特性、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但是并不排除另一个其它特性、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的存在或增加。

下面权利要求中的对应结构、材料、操作以及所有功能性限定的装置或步骤的等同替换，旨在包括任何用于与在权利要求中具体指出的其它元件相组合地执行该功能的结构、材料或操作。出于示例和说明目的给出了对本发明的描述，但所述描述并非旨在是穷举的或是将本发明限于所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对于所属技术领域的普通技术人员来说许多修改和变化都将是显而易见的。实施例的选择和描述是为了最佳地解释本发明的原理和实际应用，并且当适合于所构想的特定使用时，使得所属技术领域的其它普通技术人员能够理解本发明的具有各种修改的各种实施例。

在此示出的流程图只是一个实例。在此描述的这些图或步骤（或操作）可以存在许多变型而不偏离本发明的精神。例如，可以按不同的顺序执行步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。所有这些变型都被视为要求保护的本发明的一部分。

尽管描述了本发明的优选实施例，但所属技术领域的技术人员应该理解，可以在现在和将来进行各种属于下面权利要求范围的改进和增强。这些权利要求应该被解释为维护对最初描述的本发明的正确保护。

Claims (25)

1.一种器件晶格排列，包括：

多个器件；

多个物理连接，其用于所述多个器件，其中所述多个器件中的每个器件均耦合到所述多个物理连接中的至少两个物理连接；

多个身份标签，其与所述多个器件中的个体器件关联；以及

身份标签排列，使得所述多个器件中由所述多个连接中的某一数量的连接来连接的器件对具有不同的身份标签。

2.根据权利要求1的排列，其中所述多个器件中的每个器件均沿着所述多个物理连接中的一个物理连接而可控制地耦合到所述多个器件中的其它器件。

3.根据权利要求1的排列，其中所述多个器件中的每个器件均沿着所述多个器件中具有不同身份标签的器件所提供的一个物理连接而可控制地耦合到所述多个器件中的其它器件。

4.根据权利要求1的排列，其中所述多个器件的第一子组是数据器件。

5.根据权利要求4的排列，其中所述多个器件的第二子组是辅助器件。

6.根据权利要求5的排列，其中所述多个数据器件中的每个数据器件均可控制地耦合到一组相邻辅助器件。

7.根据权利要求1的排列，其中每个身份标签不同于其它身份标签。

8.根据权利要求1的排列，其中身份标签的总数是五。

9.根据权利要求1的排列，其中身份标签的总数是八。

10.根据权利要求1的排列，其中身份标签的总数是九。

11.根据权利要求1的排列，其中所述身份标签是超导量子位频率。

12.根据权利要求1的排列，其中所述器件是量子位。

13.根据权利要求1的排列，其中所述器件是超导量子位。

14.根据权利要求6的排列，其中多个数据量子位和多个辅助量子位排列在其中的所述数据器件和辅助器件被排列为斜正方形晶格。

15.根据权利要求6的排列，其中所述多个数据器件和所述多个辅助器件被排列为正方形晶格。

16.根据权利要求6的排列，其中器件之间的耦合是双量子位纠缠操作。

17.根据权利要求6的排列，其中所述双量子位纠缠操作是受控非。

18.一种超导量子位表层代码系统，包括：

第一多个超导量子位；

第二多个超导量子位；以及

多个谐振器，其耦合所述第一和第二多个超导量子位，其中所述第一多个和第二多个超导量子位中的每个超导量子位均包括身份标签。

19.根据权利要求18的系统，其中所述第一和第二多个超导量子位作为表层代码映射到晶格。

20.根据权利要求18的系统，其中所述身份标签是超导量子位频率。

21.根据权利要求20的系统，其中具有五个不同的超导量子位频率。

22.根据权利要求20的系统，其中具有八个不同的超导量子位频率。

23.根据权利要求20的系统，其中具有九个不同的超导量子位频率。

24.根据权利要求20的系统，其中超导量子位之间的耦合是双量子位纠缠操作。

25.根据权利要求24的系统，其中所述双量子位纠缠操作是受控非。