CN109375128B - 一种载频脉冲信号频率校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于量子芯片测控领域，具体公开一种载频脉冲信号频率校准方法，该方法通过获取不同载频频率下的量子比特处于量子态|0>和量子态|1>两种量子态下的量子比对读取信号对应的正交平面坐标系中的坐标点之间的最大距离，确定可以使量子比特处于量子态|0>和量子态|1>时的量子比对读取信号具有最大化区分度的载频频率作为校准载频载频，以实现载频信号的校准该，后续将具有校准载频频率的载波脉冲信号重新作用在微波读取腔上，则可以从源头上保证量子比特读取信号的最大可区分化。

Description

一种载频脉冲信号频率校准方法
技术领域
本发明属于量子芯片测控领域，特别是一种载频脉冲信号频率校准方法。
背景技术
量子芯片的运行结果，也就是量子信息处理过程的计算结果，是包含在量子比特的量子态中的。为了精确得到量子芯片的运行结果，是需要在量子信息处理过程的之后对量子芯片上的量子比特的量子态进行读取。
常采用微波读取腔读取量子比特的量子态，具体的，在量子比特旁边构建一微波读取腔，并在该微波读取腔上施加一个脉冲信号，该信号称为载频脉冲信号，又叫读取脉冲信号，载频信号通常是频率为4-8GHz的微波信号。微波读取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微波读取腔产生的色散频移是不一样的，进而使得量子比特的不同量子态对施加在微波读取腔上的载频脉冲信号具有不同的响应，该响应信号称为量子比特读取信号。量子比特读取信号的有效性和可区分性，对实现量子比特的量子态进行读取至关重要。载频脉冲信号作为获取量子比特读取信号的输入信号，也可以称为信号源头，载频脉冲信号的准确性对保证不同量子态的量子比特读取信号的幅度和相位具有最大程度的区分度至关重要。
目前，并没有有效的载频脉冲信号频率校准方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种载频脉冲信号频率校准方法，以解决现有技术中的不足，它能够实现载频脉冲信号的校准，进而有效保证量子比特读取信号的有效性和可区分性。
本发明采用的技术方案如下：
一种载频脉冲信号频率校准方法，其中，所述载频脉冲信号频率校准方法包括：
设置量子比特处于第一量子态，对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，分别获取各载频信号作用在微波读取腔时的量子比特读取信号，并对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的第一坐标点；
对所述量子比特进行操作使得量子比特处于第二量子态，对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，分别获取各载频信号作用在微波读取腔时的量子比特读取信号，并对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的第二坐标点；
其中：当量子比特处于第一量子态时施加在微波读取腔上的不同载频频率的载频信号和当量子比特处于第二量子态时施加在微波读取腔上的不同载频频率的载频信号两者完全一致；
确定对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值，以得到对应不同载频频率的各距离值；
比较对应不同载频频率的各所述距离值以获取最大距离值，并将所述最大距离值对应的载频频率作为校准载频频率。
如上所述的载频脉冲信号频率校准方法，其中，优选的是，所述对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，具体包括：
根据所述微波读取腔的固有频率值确定所述载频信号的载频频率范围；
根据所述载频频率范围设置不同载频频率的载频信号。
如上所述的载频脉冲信号频率校准方法，其中，优选的是，所述载频频率范围的两端分别为所述微波读取腔的固有频率值减去频率阈值的差和所述微波读取腔的固有频率值加上频率阈值的和，均包括端点值。
如上所述的载频脉冲信号频率校准方法，其中，优选的是，所述根据所述载频频率范围设置不同载频频率的载频信号，具体包括：
设置载频信号频率的初始值等于所述微波读取腔的固有频率值减去频率阈值的差；
从所述初始值开始，以所述频率阈值为步进值改变载频信号的载频频率，直到所述载频信号频率至所述微波读取腔的固有频率值加上频率阈值的和，以获得不同频率的载频信号。
如上所述的载频脉冲信号频率校准方法，其中，优选的是，所述微波读取腔的固有频率值的数量级为GHz；所述频率阈值的数量级为MHz。
如上所述的载频脉冲信号频率校准方法，其中，优选的是，所述微波读取腔的固有频率值的范围为4GHz～8GHz；
所述频率阈值为10MHz。
如上所述的载频脉冲信号频率校准方法，其中，优选的是，所述对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的坐标点，具体包括：
分别获取用于量子比特读取信号正交分解的正弦信号和余弦信号；其中：所述正弦信号的频率和所述余弦信号的频率均等于所述量子比特读取信号的频率；
基于所述正弦信号对所述量子比特读取信号进行数字正交变换得到第一信号，并基于所述余弦信号对所述量子比特读取信号进行数字正交变换得到第二信号；
对所述第一信号进行均值去噪得到第一值，对所述第二信号进行均值去噪得到第二值；
将所述第一值和所述第二值标记为正交平面坐标系中的一坐标点。
如上所述的载频脉冲信号频率校准方法，其中，优选的是，所述设置量子比特处于第一量子态，包括保持量子比特处于量子态|0>；所述对所述量子比特进行操作使得量子比特处于第二量子态，包括采用X量子逻辑门操作量子态|0>使得量子态|0>转换为量子态|1>。
与现有技术相比，本申请将量子比特处于第一量子态时不同载频作用下的量子比特读取信号分别转化为正交平面坐标系内的第一坐标点，将量子比特处于第二量子态时不同载频作用下的量子比特读取信号分别转化为正交平面坐标系内的第二坐标点，通过查找对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值的最大值时，来标识第一量子态对应的量子比特读取信号和第二量子态对应的量子比特读取信号的区分度，当对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值的最大时，则说明具有该载频频率的载频脉冲信号作用时，不同量子态导致的量子比特读取脉冲的幅度和相位的区分度最大化。由于仅当量子比特的载频脉冲信号的载频与微波读取腔的固有频率(也叫谐振频率)非常靠近时，微波读取腔才会因量子比特处于不同量子态对载频脉冲信号的响应的明显差异，即量子比特读取信号具有最大化的区分度，所以，可以将距离值最大对应的载频频率作为校准载频频率，该具有校准载频频率的载波脉冲信号重新作用在微波读取腔上，则可以从源头上保证量子比特读取信号的最大可区分化。
附图说明
图1是本发明提供的载频脉冲信号频率校准方法流程示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本申请中，施加在微波读取腔上的载频载频脉冲信号f(t)满足如下关系：
Figure GDA0002594637090000041
其中：kg(t)为载频脉冲信号的调制幅度，
Figure GDA0002594637090000042
为载频脉冲信号的调制相位，fro为载频脉冲信号的频率，又称为载频。绝大多数量子比特载频脉冲信号调制幅度是常数，也就是说kg(t)≡kg，这样做的原因一方面是量子比特读取脉冲的调制幅度对量子比特量子态的读取区分度贡献不大，另一方面是能够极大地简化量子比特读取脉冲的生成线路。
载频脉冲信号的调制相位自身对提高量子比特读取脉冲对量子比特不同逻辑状态的区分度没有贡献，但是它会在后级接收机内解调量子比特读取脉冲时产生影响。因此，提高因量子比特处于不同量子态导致的量子比特读取信号的幅度和相位的区分度，落在了对载频脉冲信号的频率fro的优化与校准上。
基于以上原因，本发明的实施例提供了一种载频脉冲信号频率校准方法，其中，所述载频脉冲信号频率校准方法包括以下步骤：
步骤S11：设置量子比特处于第一量子态；对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，分别获取各载频信号作用在微波读取腔时的量子比特读取信号，并对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的第一坐标点；
步骤S12：对所述量子比特进行操作使得量子比特处于第二量子态，对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，分别获取各载频信号作用在微波读取腔时的量子比特读取信号，并对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的第二坐标点；
其中：当量子比特处于第一量子态时施加在微波读取腔上的不同载频频率的载频信号和当量子比特处于第二量子态时施加在微波读取腔上的不同载频频率的载频信号两者完全一致；
步骤S13：确定对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值，以得到对应不同载频频率的各距离值；
步骤S14：比较对应不同载频频率的各所述距离值以获取最大距离值，并将所述最大距离值对应的载频频率作为校准载频频率。
通过步骤S11至步骤S14，本实施例将量子比特处于第一量子态时不同载频作用下的量子比特读取信号分别转化为正交平面坐标系内的第一坐标点，将量子比特处于第二量子态时不同载频作用下的量子比特读取信号分别转化为正交平面坐标系内的第二坐标点，通过查找对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值的最大值时，来标识第一量子态对应的量子比特读取信号和第二量子态对应的量子比特读取信号的区分度，当对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值的最大时，则说明具有该载频频率的载频脉冲信号作用时，不同量子态导致的量子比特读取脉冲的幅度和相位的区分度最大化。由于仅当量子比特的载频脉冲信号的载频与微波读取腔的固有频率(也叫谐振频率)非常靠近时，微波读取腔才会因量子比特处于不同量子态对载频脉冲信号的响应的明显差异，即量子比特读取信号具有最大化的区分度，所以，可以将距离值最大对应的载频频率作为校准载频频率，该具有校准载频频率的载波脉冲信号重新作用在微波读取腔上，则可以从源头上保证量子比特读取信号的最大可区分化。
本实施例可以获得因量子比特处于不同量子态导致的量子比特读取脉冲的幅度和相位的区分度最大化。我们通过以上方法即可确定量子比特读取脉冲载频的最优化值，并量子芯片运行前将载频脉冲信号的载频fro设置在该数值上。
作为本实施例的优选技术方案，步骤S11和步骤S12中所述对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号的过程和频率是一致的，均通过以下过程实现：根据所述微波读取腔的固有频率值确定所述载频信号的载频频率范围；
根据所述载频频率范围设置不同载频频率的载频信号。
作为本实施例的优选技术方案，所述载频频率范围的两端分别为所述微波读取腔的固有频率值减去频率阈值的差和所述微波读取腔的固有频率值加上频率阈值的和，均包括端点值。
作为本实施例的优选技术方案，所述根据所述载频频率范围设置不同载频频率的载频信号，具体包括：
设置载频信号频率的初始值等于所述微波读取腔的固有频率值减去频率阈值的差；
从所述初始值开始，以所述固有频率值为步进值改变载频信号的载频频率，直到所述载频信号频率至所述微波读取腔的固有频率值加上频率阈值的和，以获得不同频率的载频信号。
作为本实施例的优选技术方案，所述微波读取腔的固有频率值的数量级为GHz；所述频率阈值的数量级为MHz；所述固有频率值的数量级为KHz。之所以这样设置，是尽量减少载频脉冲信号的频率与微波读取腔的固有频率值两者之间的差异，两者完全一致时，量子比特读取信号的区分度将最大。
作为本实施例的优选技术方案，所述对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的坐标点，具体包括：
分别获取用于量子比特读取信号正交分解的正弦信号和余弦信号；其中：所述正弦信号的频率和所述余弦信号的频率均等于所述量子比特读取信号的频率；
基于所述正弦信号对所述量子比特读取信号进行数字正交变换得到第一信号，并基于所述余弦信号对所述量子比特读取信号进行数字正交变换得到第二信号；
对所述第一信号进行均值去噪得到第一值，对所述第二信号进行均值去噪得到第二值；
将所述第一值和所述第二值标记为正交平面坐标系中的一坐标点。
下面将结合具体实施过程，对本实施例进行进一步介绍，具体如下：
第一步：对量子比特不施加任何操作，使量子比特处于第一量子态0态。在微波读取腔上施加载频脉冲信号，以实现对量子比特的读取获得量子比特读取信号，其中：微波读取腔的固有频率fc通常为4GHz～8GHz，载频脉冲信号的载频fro设置在fro＝fc-10MHz，获取量子比特读取信号并对量子比特读取信号进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的第一坐标点。
第二步：在其他所有条件不变的前提下，在[fc-10MHz，fc+10MHz]范围内改变载频fro，改变的步长为10kHz，并重复上述的获取量子比特读取信号并对量子比特读取信号进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的另一个第一坐标点，进而获得对应不同载频fro的一系列的坐标点，记为I0(fro)、Q0(fro)。
这样就在[fc-10MHz，fc+10MHz]范围内获得了读取结果与载频fro的变化关系。事实上，读取结果就代表了量子比特处于第一量子态|0>时，读取腔对不同载频fro的量载频脉冲信号的响应。因而，将读取结果记为I0(fro)、Q0(fro)。
第三步，利用π单比特量子逻辑门对量子比特进行操作，使得量子比特的量子态|0>转换为量子态|1>，，并重复第一步和第二步的工作，得到量子比特处于第二量子态|1>时，微波读取腔对不同载频fro的载频脉冲信号的响应I1(fro)、Q1(fro)。
第四步：利用
Figure GDA0002594637090000071
确定对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值；
第五步：比较对应不同载频频率的各所述距离值以获取最大距离值，并将所述最大距离值对应的载频频率作为校准载频频率。即使M01(fro)最大的量子比特读取脉冲的载频即为最优值，它使得因量子比特处于不同量子态导致的量子比特读取脉冲的幅度和相位的区分度最大化。通过以上方法即可确定量子比特读取脉冲载频的最优化值，并在实际应用之前将量子比特读取脉冲的载频fro设置在该数值上。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，所述载频脉冲信号频率校准方法包括：
设置量子比特处于第一量子态，对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，分别获取各载频信号作用在微波读取腔时的量子比特读取信号，并对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的第一坐标点；
对所述量子比特进行操作使得量子比特处于第二量子态，对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，分别获取各载频信号作用在微波读取腔时的量子比特读取信号，并对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的第二坐标点；
其中：当量子比特处于第一量子态时施加在微波读取腔上的不同载频频率的载频信号和当量子比特处于第二量子态时施加在微波读取腔上的不同载频频率的载频信号两者完全一致；
确定对应同一载频频率的第一坐标点和第二坐标点之间的距离值，以得到对应不同载频频率的各距离值；
比较对应不同载频频率的各所述距离值以获取最大距离值，并将所述最大距离值对应的载频频率作为校准载频频率。
2.根据权利要求1所述的载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，所述对微波读取腔分别施加不同载频频率的载频信号，具体包括：
根据所述微波读取腔的固有频率值确定所述载频信号的载频频率范围；
根据所述载频频率范围设置不同载频频率的载频信号。
3.根据权利要求2所述的载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，所述载频频率范围的两端分别为所述微波读取腔的固有频率值减去频率阈值的差和所述微波读取腔的固有频率值加上频率阈值的和，均包括端点值。
4.根据权利要求3所述的载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，所述根据所述载频频率范围设置不同载频频率的载频信号，具体包括：
设置载频信号频率的初始值等于所述微波读取腔的固有频率值减去频率阈值的差；
从所述初始值开始，以所述固有频率值为步进值改变载频信号的载频频率，直到所述载频信号频率至所述微波读取腔的固有频率值加上频率阈值的和，以获得不同频率的载频信号。
5.根据权利要求3所述的载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，所述微波读取腔的固有频率值的数量级为GHz；
所述频率阈值的数量级为MHz；
所述固有频率值的数量级为KHz。
6.根据权利要求5所述的载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，所述微波读取腔的固有频率值的范围为4GHz～8GHz；
所述频率阈值为10MHz；
所述固有频率值为10KHz。
7.根据权利要求1所述的载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，所述对各所述量子比特读取信号均进行正交数字分解转换，使其分别转换成正交平面坐标系的对应的坐标点，具体包括：
分别获取用于量子比特读取信号正交分解的正弦信号和余弦信号；其中：所述正弦信号的频率和所述余弦信号的频率均等于所述量子比特读取信号的频率；
基于所述正弦信号对所述量子比特读取信号进行数字正交变换得到第一信号，并基于所述余弦信号对所述量子比特读取信号进行数字正交变换得到第二信号；
对所述第一信号进行均值去噪得到第一值，对所述第二信号进行均值去噪得到第二值；
将所述第一值和所述第二值标记为正交平面坐标系中的一坐标点。
8.根据权利要求1所述的载频脉冲信号频率校准方法，其特征在于，
所述设置量子比特处于第一量子态，包括：
保持量子比特处于量子态|0>；
所述对所述量子比特进行操作使得量子比特处于第二量子态，包括：
采用X量子逻辑门操作量子态|0>使得量子态|0>转换为量子态|1>。
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