CN109800882A - 多位超导量子比特的扩展反馈测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，包括：测量信号产生模块产生多路输入信号和多路本振信号，一一对应混频后合并产生微波读取信号输入量子芯片；信号解调模块将量子芯片的输出信号分成对应数量的分路信号后分别通过滤波解调成独立的微波射频信号，微波射频信号与本振信号一一对应混频解调成基带信号；反馈模块将基带信号分别被转换成数字信号，对数字信号做变换积分运算并输出反馈信号，根据反馈信号对量子比特控制信号进行修正。本发明基于多本振频分复用和量子反馈控制和测量，有效地解决了读取扩展性难，成本高的缺点，同时利用反馈模块实现对控制信号源的修正，提升了量子计算结果正确率，进而实现容错量子计算。
Description
技术领域
本发明涉及超导量子计算机芯片位态读取技术领域，具体地，涉及多位超导量子比特的扩展反馈测量装置。
背景技术
超导量子计算机是利用量子力学的叠加和纠缠特性完成的计算过程。理论上，具有50量子比特的量子计算机的运算速度与目前超级计算机的运算速度相当。因此，目前科学家们正致力于实现50位超导量子计算机的宏伟目标。国外IBM公司于2017年推出49位超导量子计算原型机，Google公司也于2018年推出72位超导量子芯片“Bristlecone”。超导量子芯片具有以微波能量尺度为间隔的分立能级结构，计算运行过程涉及到的输入，算法执行和结果输出都是以微波所携带的相位，幅度信息来执行的。实现50位超导量子计算机的关键核心技术之一是如何能同步读取50位超导量子芯片的每个量子比特的状态。
量子芯片的片上的构造决定了外围读取电路的设计方案。目前比较通用的芯片读取线路是采用一根双端口输入、输出的传输线来读取量子芯片上各量子比特的位态。量子比特的控制和读取线路是独立分开的，控制线路是传输量子比特跃迁频率的微波信号，读取线路是读取谐振腔状态的微波信号。为避免任意两个量子比特位态信息的串扰，在设计上需要控制每两个量子比特对应的谐振腔共振频率差大于100MHz。根据该设计理念，50位超导量子芯片单根读取谐振腔的微波信号要覆盖5GHz的带宽。采用传统的任意波形发生器与固定本振源的方案需要超高采样率的任意波形发生器产生覆盖5GHz带宽的微波信号，这对任意波形发生器的技术指标提出非常高的要求，也很难进一步扩展量子比特读取数目。
物理量子比特不等同于逻辑量子比特。目前国际上存在两种不同方案实现容错量子计算，第一种是表面码纠错，即用多个物理量子比特纠缠来实现一个逻辑量子比特，50个逻辑量子比特可能需要上千个物理量子比特，甚至数百万个量子比特集成来构建。另一种方式是实现非常高精度的量子门操作，在高精度的量子门操作情况下，50个物理量子比特的操作也可以实现超越超级计算机的算力。这种方式的前提条件是需要我们将量子门操作精度提升到单量子门99.99％，双量子门大于99.95％的精度。因此如何去实现超高精度的门操作是容错量子计算实现的必要突破技术。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多位超导量子比特的扩展反馈测量装置。
根据本发明提供的一种多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，包括：测量信号产生模块、信号解调模块和反馈模块，所述测量信号产生模块和所述信号解调模块分别连接量子芯片，所述反馈模块连接所述信号解调模块；
所述测量信号产生模块产生多路输入信号和多路本振信号，一一对应混频后合并产生微波读取信号输入所述量子芯片；
所述信号解调模块将所述量子芯片的输出信号分成对应数量的分路信号后分别通过滤波解调成独立的微波射频信号，所述微波射频信号与所述本振信号一一对应混频解调成基带信号；
所述反馈模块将所述基带信号分别被转换成数字信号，对所述数字信号做变换积分运算并输出反馈信号，根据所述反馈信号对量子比特控制信号进行修正。
较佳的，测量信号产生模块包括：
信号发生器单元：包括A个双通道任意波形发生器，产生A路所述输入信号；
多本振单元：包括A个频段不同的微波源，产生A路所述本振信号；
第一混频器单元：包括A个IQ混频器，将A路所述输入信号和A路所述本振信号一一对应混频；
合路器：将A个IQ混频器的输出合并成所述微波读取信号，输入至所述量子芯片；
其中，A为非0的自然数。
较佳的，所述信号解调模块包括：
射频放大器：将所述量子芯片的输出信号进行放大；
分路器：将放大后的输出信号分成A路所述分路信号；
滤波器单元：包括A个导通频率不同的带通滤波器，分别将A路分路信号解调成独立的所述微波射频信号；
射频放大器单元：包括A个射频放大器，分别将A路所述微波射频信号进行放大；
第二混频器单元：包括A个IQ混频器，将放大后的A路所述微波射频信号与所述测量信号产生模块的A路所述本振信号一一对应混频解调成A路所述基带信号。
较佳的，所述反馈模块包括：
数据采集卡单元：包括A个数据采集卡，对应采集A路所述基带信号并转换成A路数字信号；
FPGA单元：包括A个FPGA，对应将A路所述数字信号进行变换积分运算，输出A路反馈信号；
控制信号源：根据A路反馈信号对量子比特控制信号进行修正。
较佳的，所述多位超导量子比特的扩展反馈测量装置为50位超导量子比特的扩展反馈测量装置，A＝5。
较佳的，所述控制信号源的控制方式包括：不产生量子比特控制信号和产生π脉冲量子比特控制信号。
较佳的，当不产生量子比特控制信号时，FPGA执行变换积分运算后，在IQ云二维图中测量的点数全部为0态；当产生π脉冲量子比特控制信号时，FPGA执行变换积分运算后，在IQ云二维图中测量的点数全部为1态。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明基于多本振频分复用和量子反馈控制和测量的技术方案，有效地解决了读取扩展性难，成本高的缺点，同时利用反馈模块实现对控制信号源的修正，提升了量子计算结果正确率，进而实现容错量子计算。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明扩展反馈测量装置的读取部分电路图；
图2为本发明扩展反馈测量装置的反馈部分电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供的一种多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，包括：测量信号产生模块1、信号解调模块19和反馈模块，测量信号产生模块和信号解调模块分别连接量子芯片，反馈模块连接信号解调模块。
测量信号产生模块产生多路输入信号和多路本振信号，一一对应混频后合并产生微波读取信号输入量子芯片；
信号解调模块将量子芯片的输出信号分成对应数量的分路信号后分别通过滤波解调成独立的微波射频信号，微波射频信号与本振信号一一对应混频解调成基带信号；
反馈模块将基带信号分别被转换成数字信号，对数字信号做变换积分运算并输出反馈信号，根据反馈信号对量子比特控制信号进行修正。
图1为本发明的读取部分，即测量信号产生模块1、信号解调模块19部分。
测量信号产生模块1包括：
信号发生器单元：包括5个双通道任意波形发生器(2、3、4、5、6)，产生5路输入信号，每路输入信号包括cos(wit)和sin(wit)[i＝1,2,3...10]的两路信号；
多本振单元：包括5个频段不同的微波源(7、8、9、10、11)，产生5路本振信号，频率分别为w0,w0+1,w0+2,wo+3,w0+4，单位为GHz；
第一混频器单元：包括5个IQ混频器(12、13、14、15、16)，将5路输入信号和5路本振信号一一对应混频，频率分别为(w0+wi),(w0+wi+1),(w0+wi+2),(w0+wi+3),(w0+wi+4)；
合路器17：将5个IQ混频器的输出合并成微波读取信号，输入至量子芯片18。从传输线出来的经过散射的信号的频谱依然是(w0+wi),(w0+wi+1),(w0+wi+2),(w0+wi+3),(w0+wi+4)的5路信号，根据量子比特状态变化而改变的是每个频率信号对应的幅值和相位。
单本振，双通道任意波形发生器和单个IQ混频器可以合成10个量子比特的读取信号。所以以上由各单元组成的测量信号产生模块可合成测量50个量子比特微波读取信号。
信号解调模块19包括：
射频放大器20：将量子芯片18的输出信号进行放大；
分路器21：将放大后的输出信号分成5路分路信号；
滤波器单元：包括5个导通频率在(w0+wi),(w0+wi+1),(w0+wi+2),(w0+wi+3),(w0+wi+4)的带通滤波器(22、23、24、25、26)，分别将5路分路信号解调成(w0+wi),(w0+wi+1),(w0+wi+2),(w0+wi+3),(w0+wi+4)的独立的微波射频信号；
射频放大器单元：包括5个射频放大器(27、28、29、30、31)，分别将5路微波射频信号进行放大；
第二混频器单元：包括5个IQ混频器(32、33、34、35、36)，将放大后的5路微波射频信号与测量信号产生模块1的5路本振信号一一对应混频解调成5路基带信号。
图2为本发明的反馈部分，即反馈模块。
反馈模块包括：
数据采集卡单元：包括5个数据采集卡(37、38、39、40、41)，对应采集5路基带信号并转换成5路数字信号，转换后的数字信号值分别是：
In＝cos(wtn+φ)
Qn＝sin(wtn+φ)
采集后的In，Qn信号利用FPGA算法计算出I和Q值分别为：
n是采样过程中的总采样点数。通过IQ二维图的判定来得到量子比特的状态是0还是1。
FPGA单元：包括5个FPGA(42、43、44、45、46)，对应将5路数字信号进行变换积分运算，输出5路反馈信号；
控制信号源47：根据5路反馈信号对量子比特控制信号进行修正。
控制信号源47的控制方式包括：不产生量子比特控制信号和产生π脉冲量子比特控制信号。当不产生量子比特控制信号时，FPGA执行变换积分运算后，在IQ云二维图中测量的点数全部为0态；当产生π脉冲量子比特控制信号时，FPGA执行变换积分运算后，在IQ云二维图中测量的点数全部为1态。
假设总测量点数为N次，不产生控制信号时，有α个点数处于1态；当产生π脉冲控制信号时，有β个点数处于0态。量子反馈流程是将数据采集卡的α和β作为输入结果，通过数据采集卡的I/O接口输入到量子比特控制信号源对控制信号做修正。其中α/N代表测量误差校准系数，β/N是π脉冲控制信号校准系数。反馈后的量子比特控制信号源的脉宽
Tn＝T0(1+βn/N)(1+βn-1/N)....(1+β1/N)
其中Tn是n次校准后的脉宽，T0是第一次的脉宽，βn为第n次测量落在0态的点数，n为校准次数。待测量后的βn几乎为0时可认定反馈过程结束。量子反馈完成后，对应的门操作都可以用系数(1+βn/N)(1+βn-1/N)....(1+β1/N)校准门操作的脉宽。测量后的概率幅值也用量子反馈的系数去校准。1态校准后的概率等于p(1-α/N)。
0态校准后的概率等于1-p(1-α/N)。校准后的控制信号和测量结果都能进一步提升量子算法执行精度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，其特征在于，包括：测量信号产生模块、信号解调模块和反馈模块，所述测量信号产生模块和所述信号解调模块分别连接量子芯片，所述反馈模块连接所述信号解调模块；
所述测量信号产生模块产生多路输入信号和多路本振信号，一一对应混频后合并产生微波读取信号输入所述量子芯片；
所述信号解调模块将所述量子芯片的输出信号分成对应数量的分路信号后分别通过滤波解调成独立的微波射频信号，所述微波射频信号与所述本振信号一一对应混频解调成基带信号；
所述反馈模块将所述基带信号分别被转换成数字信号，对所述数字信号做变换积分运算并输出反馈信号，根据所述反馈信号对量子比特控制信号进行修正。
2.根据权利要求1所述的多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，其特征在于，测量信号产生模块包括：
信号发生器单元：包括A个双通道任意波形发生器，产生A路所述输入信号；
多本振单元：包括A个频段不同的微波源，产生A路所述本振信号；
第一混频器单元：包括A个IQ混频器，将A路所述输入信号和A路所述本振信号一一对应混频；
合路器：将A个IQ混频器的输出合并成所述微波读取信号，输入至所述量子芯片；
其中，A为非0的自然数。
3.根据权利要求2所述的多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，其特征在于，所述信号解调模块包括：
射频放大器：将所述量子芯片的输出信号进行放大；
分路器：将放大后的输出信号分成A路所述分路信号；
滤波器单元：包括A个导通频率不同的带通滤波器，分别将A路分路信号解调成独立的所述微波射频信号；
射频放大器单元：包括A个射频放大器，分别将A路所述微波射频信号进行放大；
第二混频器单元：包括A个IQ混频器，将放大后的A路所述微波射频信号与所述测量信号产生模块的A路所述本振信号一一对应混频解调成A路所述基带信号。
4.根据权利要求3所述的多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，其特征在于，所述反馈模块包括：
数据采集卡单元：包括A个数据采集卡，对应采集A路所述基带信号并转换成A路数字信号；
FPGA单元：包括A个FPGA，对应将A路所述数字信号进行变换积分运算，输出A路反馈信号；
控制信号源：根据A路反馈信号对量子比特控制信号进行修正。
5.根据权利要求2至4任意一项所述的多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，其特征在于，所述多位超导量子比特的扩展反馈测量装置为50位超导量子比特的扩展反馈测量装置，A＝5。
6.根据权利要求4所述的多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，其特征在于，所述控制信号源的控制方式包括：不产生量子比特控制信号和产生π脉冲量子比特控制信号。
7.根据权利要求6所述的多位超导量子比特的扩展反馈测量装置，其特征在于，当不产生量子比特控制信号时，FPGA执行变换积分运算后，在IQ云二维图中测量的点数全部为0态；当产生π脉冲量子比特控制信号时，FPGA执行变换积分运算后，在IQ云二维图中测量的点数全部为1态。
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