CN110097014A - 一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明量子测控领域，特别是一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，该方法包括：获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号的测量数据；对所述测量数据进行复数变换处理获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据；根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹；根据所述测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子；根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据本发明助于提高用于解析量子态的量子比特读取信号的准确度。

Description

一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法

技术领域

本发明属于量子测控领域，特别是一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法。

背景技术

量子比特信息是指量子比特所具有的量子态，基本的量子态是|0>态和|1>态，量子比特被操作之后，量子比特的量子态发生改变，在量子芯片上，则体现为量子芯片被执行后，量子比特所具备的量子态发生变化即量子芯片的执行结果，该执行结果由量子比特读取信号携带并传出的。

通过量子比特读取信号解析量子比特量子态是了解量子芯片执行性能的关键工作，通常，在量子测控系统中，量子比特读取信号借助高采样率的信号采集设备通过多次重复测量被采集，采集到的量子比特读取信号存在由采集设备的噪声、量子比特自身和量子比特读取腔的热激发等造成的误差，获得低噪声的用于解析量子态的待处理数据对量子比特的量子态的准确解析至关重要。

现有技术在实施量子比特测量操作后，采集一段量子比特测量原始数据，逐点进行复变换处理，然后直接求平均值，作为该次测量的结果，整个处理过程等效于计算轨迹上所有点的中心点，其实质是对这些不同信息采取无权重的平均处理，该过程不能有效消除噪声，进而不能保证用于解析量子态的量子比特读取信号的准确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，以解决现有技术中的不足，它有助于提高用于解析量子态的量子比特读取信号的准确度。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，包括以下步骤：获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号的测量数据；对所述测量数据进行复数变换处理获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据；根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹；根据所述测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子；根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述确定量子态为第一量子态和第二量子态，所述第一量子态和所述第二量子态为希尔伯特空间的非平行矢量；所述获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量数据，具体包括：

分别获得量子比特处于所述第一量子态时的第一量子比特读取信号测量数据S0和量子比特处于所述第二量子态时的第二量子比特读取信号测量数据S1；其中，第一量子比特读取信号测量数据S0和第二量子比特读取信号测量数据S1均包含M*N个采样数据，其中M为重复采样次数，N为每次采样点数。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述对所述测量数据进行复数变换获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据，具体包括：

对所述第一量子比特读取信号测量数据S0和所述第二量子比特读取信号测量数据S1中的各所述采样数据均进行复数变换处理分别获得第一量子比特读取信号原始数据S0’和第二量子比特读取信号原始数据S1’。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述对各所述采样数据均进行复数变换处理，具体包括：

第j个采样数据乘以exp(-2πf*j),其中：f为原始信号频率/采样率。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹，具体包括：

对所述第一量子比特读取信号原始数据S0’和所述第二量子比特读取信号原始数据S1’均进行实部和虚部的分离变化处理，得到第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)；对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)均进行IQ空间轨迹路径转化处理，分别得到第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)；其中，j是轨迹路径上的一个轨迹点。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)均进行IQ空间轨迹路径转化处理，具体包括：

对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)中的每一行均进行分段处理；其中：分段长度N1，其中N1<N，滑动步长m，其中：m需要满足n1＝(N-N1)/m为整数；对于k1＝1，2，…，n1，将第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)、第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)、第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)中的每一行的第(k1-1)*m+1到(k1-1)*m+N1个元素均取出来，分别构成新的数组Real(SS0)，Imag(SS0)，Real(SS1)，Imag(SS1)，每个数组的容量为M×N1×n；对数组Real(SS0)，Imag(SS0)，Real(SS1)，Imag(SS1)的第二维均做平均，分别得到数组II0，QQ0，II1，QQ1，每个数组的容量为M×n1；对数组II0，QQ0，II1，QQ1的第一维均做平均，分别得到第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)；其中，j是轨迹路径上的一个轨迹点。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述根据所述测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子，具体包括：

根据第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)获得权重角度

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述权重角度为所有或部分轨迹角度的平均值；

其中：轨迹角度的表达式如下：

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据，具体包括：

对量子比特处于所述第一量子态的第一量子比特读取信号测量数据S0和量子比特处于所述第二量子态的第二量子比特读取信号测量数据S1中的每一行的第j个元素均乘以进行修正处理得到修正数据S0”，S1”。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据之后，所述方法还包括：根据所述修正数据获得修正轨迹，基于所述修正轨迹进行数据处理。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述根据所述修正数据获得修正轨迹具体包括：

对修正数据S0”，S1”中的每一行均进行分段处理；其中：分段长度N2，其中N2<N，n2＝N/N2为整数；

对于k2＝1，2，…，n2，将修正数据S0”，S1”中的每一行的第(k2-1)*N2+1到k2*N2个元素取出来，构成新的数组SS0”和SS1”，每个数组的容量为M×N2×n2；

对数组SS0”和SS1”的第二维均做平均，得到数组II0”，II1”；

对数组II0”，II1”的第一维做平均，得到数组修正轨迹Itrace0”，Itrace1”。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述基于所述修正轨迹进行数据处理，具体包括：

根据所述修正轨迹获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的分布中心坐标点。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，根据所述修正轨迹获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的分布中心坐标点，具体包括：

根据所述修正轨迹对数组II0”，II1”均进行第二维加权平均得到数组SI0”，SI1”；

对数组SI0”，SI1”均进行第一维平均，得到量子比特处于所述第一量子态的第一量子比特读取信号对应的分布中心坐标点和量子比特处于所述第二量子态的第二量子比特读取信号对应的分布中心坐标点。

如上所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其中，优选的是，所述根据所述修正轨迹对数组II0”，II1”均进行第二维加权平均得到数组SI0”，SI1”，具体包括：

对数组II0”，II1”每一行中的第k2个数值I(k2)按照下式获得其加权平均值II(k2)；

累加数组II0”，II1”每一行中的所有II(k2)得到数组SI0”，SI1”。

与现有技术相比，本发明对所述测量数据进行复数变换处理获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据，经过复数变换处理得到的原始数据包含实部和虚部，符合量子态的振幅率，然后基于原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹，测量轨迹反映了量子比特读取信号的整体及其信噪比随时间的变化规律，该规律背后隐藏的是采集设备导致的信号噪声以及量子比特本身硬件以及量子比特读取腔存在的热激发噪声随时间的变化规律，借助测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子，根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据，在该过程中，根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹，轨迹上的每一点都不同程度地包含了量子态的信息，充分利用轨迹上每一个点所包含的信息量，并利用该信息量计算出权重因子，然后根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据，从而获得低噪声修正数据，大大减少了从采集设备直接获得的测量数据中的误差，有助于提高对量子态识别的准确率。

附图说明

图1是本发明提供的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法一实施例的流程示意图；

图2是本发明提供的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法另一实施例的流程示意图。

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。

传统的量子比特读取信号处理方法是在实施量子比特测量操作后，采集一段量子比特测量数据，逐点进行复变换处理，然后直接求平均值，作为该次测量的结果。本发明在进行复变换处理后，进一步处理获得了基于IQ坐标系平面的测量轨迹，轨迹上的每一点都不同程度地包含了量子态的信息。传统方法等效于直接计算轨迹上所有点的中心点，其实质是对这些不同程度的信息采取无权重的平均处理。相比于传统方法，本申请充分利用轨迹上每一个点所包含的信息量，并利用该信息量计算出权重，最终采取权重平均处理。通过权重放大有效量子态信息，抑制测量数据中的误差，从而达到抑制噪声对量子比特测量信号的影响，提高对量子态识别的准确率的效果。

如图1所示，本发明的实施例提供的一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，包括以下步骤：

步骤S1：获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号的测量数据。

具体的，所述确定量子态为第一量子态和第二量子态，所述第一量子态和所述第二量子态为希尔伯特空间的非平行矢量。所述非平行矢量可以理解为两个可以相互区分的不同的矢量，即两个可以相互区分的不同的量子态。优选的，两个可以相互区分的不同的矢量为两个正交矢量，对应的是量子态|0>态和量子态|1>态。

进一步的，获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号的测量数据，具体可以描述为采用信号采集装置采集处于确定量子态量子比特被特定量子逻辑门操作之后的反映量子比特量子态的量子比特读取信号，然后将该数据发送给数据处理设备，数据处理设备可以为基于FPGA的可编程处理芯片，也可以为计算机等。

当确定量子态特指第一量子态和第二量子态时，“采用信号采集装置采集处于确定量子态量子比特被特定量子逻辑门操作之后的反映量子比特量子态的量子比特读取信号，然后将该数据发送给数据处理设备”的过程重复操作两次，每次施加的特定量子逻辑门相同，每次操作之前把确定量子态分别制备到第一量子态或第二量子态，顺序不分前后。而数据处理设备最终获得的数据有两份，分别为量子比特处于所述第一量子态时的第一量子比特读取信号测量数据S0和量子比特处于所述第二量子态时的第二量子比特读取信号测量数据S1；其中，第一量子比特读取信号测量数据S0和第二量子比特读取信号测量数据S1均包含M*N个采样数据，其中M为重复采样次数，由人为设置，N为每次采样点数，由数据采集卡的性质决定，通常，M设置为5000，而N为2048。

步骤S2：对所述测量数据进行复数变换处理获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据。

具体的，对所述第一量子比特读取信号测量数据S0和所述第二量子比特读取信号测量数据S1中的各所述采样数据均进行复数变换处理分别获得第一量子比特读取信号原始数据S0’和第二量子比特读取信号原始数据S1’。

在实际操作时，可以理解的是，对各所述采样数据均进行复数变换处理的具体操作为：第j个采样数据乘以exp(-2πf*j),其中：f为原始信号频率/采样率。经过复数变换处理得到的原始数据包含实部和虚部，符合量子态的振幅率。

步骤S3：根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹。

具体的，对所述第一量子比特读取信号原始数据S0’和所述第二量子比特读取信号原始数据S1’进行处理获得其对应的测量轨迹的过程如下：

步骤S31：对所述第一量子比特读取信号原始数据S0’和所述第二量子比特读取信号原始数据S1’均进行实部和虚部的分离变化处理，得到第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)；

步骤S32：对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)均进行IQ空间轨迹路径转化处理，分别得到第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)；其中，j是轨迹路径上的一个轨迹点。

需要说明的是，量子态数据的本质是复数，对应的，量子比特读取信号的测量数据经过复数变化处理得到复数数据，两者本质相应。然后，在映射到IQ坐标时，约定俗成的，复数的实部映射对应IQ坐标系的I轴，复数的虚部映射对应IQ坐标系的Q轴。

其中，步骤S32中所述的“轨迹路径转化处理”可以理解为将待处理数据的每一行均进行分段处理；其中：分段长度N1，其中N1<N，滑动步长m，其中：m需要满足n1＝(N-N1)/m为整数；然后对于k1＝1，2，…，n1，将待处理数据中每一行的第(k1-1)*m+1到(k1-1)*m+N1个元素均取出来，分别构成新待处理数据；然后，对新待处理数据的第一维进行平均，即完成待处理数据的轨迹路径转化处理。

需要说明的，新待处理数据为数组，对新待处理数据的第一维进行平均即对数组的第一维进行平均。可以理解的是，在以“行数*列数”表示的二维数组中，对二维数组的第一维进行平均的描述，等价于对二维数组的行进行平均；对二维数组的第二维进行平均的描述，等价于对二维数组的列进行平均；基于此，为例如M1*M2*M3*M4*··X··Mn表示Mn维数组的X列进行平均时，可以直接表述为对数组的第X维进行平均，其中：则M1表示第一维，M2表示第二维，M3表示第三维，M4表示第四维，依次类推。

具体到本实施例中，步骤S32中所述的对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)均进行IQ空间轨迹路径转化处理，具体包括：

步骤S321：对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)中的每一行均进行分段处理；其中：分段长度N1，其中N1<N，滑动步长m，其中：m需要满足n1＝(N-N1)/m为整数。

需要说明的是，待处理的数据的每一行代表每次测量中由数据采集卡的采样率中所决定的数据，对该数据进行分段处理，相当于把一次测量数据进行细分化处理，利用细分化处理结果寻找在一次测量的时间段内的数据变化规律，以提高数据处理精度。

步骤S322：对于k1＝1，2，…，n1，将第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)、第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)、第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)中的每一行的第(k1-1)*m+1到(k1-1)*m+N1个元素均取出来，分别构成新的数组Real(SS0)，Imag(SS0)，Real(SS1)，Imag(SS1)，每个数组的容量为M×N1×n1。

步骤S323：对数组Real(SS0)，Imag(SS0)，Real(SS1)，Imag(SS1)的第二维均做平均，分别得到数组II0，QQ0，II1，QQ1，每个数组的容量为M×n1。

步骤S324：对数组II0，QQ0，II1，QQ1的第一维均做平均，分别得到第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)；其中，j是轨迹路径上的一个轨迹点。j的值大于等于1，小于等于n1。

具体的，对数组II0，QQ0，II1，QQ1的第一维对应测量次数M，对测量次数M做平均，对应得到每次测量的轨迹。

步骤S4：根据所述测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子。

具体的，理想情况下，量子比特的测量结果在IQ坐标系的投影坐标取决量子态，|0>态(即第一量子态)或|1>态(即第二量子态)。但是，实际上是随着时间推移，量子比特的测量结果在IQ坐标系的投影坐标从IQ坐标系的原点逐渐移动到第一坐标点(I0，Q0)或第二坐标点(I1，Q1)，并继续移动，直到最终再次回到IQ坐标系的原点，称以上投影坐标的移动路径为理想轨迹。量子比特制备到|0>态对应的轨迹记为第一理想轨迹Trace0，量子比特制备到|1>态对应的轨迹记为第二理想轨迹Trace1，第一理想轨迹Trace0和第二理想轨迹Trace1在IQ坐标系是天然地分开的。其中：第一坐标点(I0，Q0)是量子比特处于|0>态时量子比特读取信号对应的投影坐标的分布的中心点坐标，第二坐标点(I1，Q1)是量子比特处于|1>态时量子比特读取信号对应的投影坐标的分布的中心点坐标，

而问题的关键就在于，第一坐标点(I0，Q0)以及第二坐标点(I1，Q1)的信号比SNR，并不一定是第一理想轨迹Trace0和和第二理想轨迹Trace1上最大的SNR。因此需要使用轨迹的信息对原始测量数据进行权重化处理，提高SNR，并缩短测量以及数据处理所需要的总时间。一个天然可行的权重化因子，就是轨迹l0和l1的距离(或SNR)。得出“权重化因子可以用第一理想轨迹Trace0和和第二理想轨迹Trace1之间的的距离(或SNR)替代”这一结论的过程可以认为是机器学习，当然，实际上并不需要实施学习，原因如下。

由已完成的测试可知，在合适的旋转变换下，可以将第一理想轨迹Trace0和第二理想轨迹Trace1的距离(或SNR)的主要贡献集中到IQ坐标系的其中一个分量上，此时在任意时刻，另一个分量对于轨迹距离(或SNR)的贡献都几乎可以忽略，第一理想轨迹Trace0和第二理想轨迹Trace1也从二维轨迹简化为一维轨迹，从而大幅降低计算量。因此本实施例直接确定旋转角度成权重因子，代替通过机器学习来确定权重化因子。

在具体实施的时候，根据第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)这些数据先确定量子态|0>态和量子态|1>态对应的轨迹上相同的第j个轨迹点之间的轨迹角度然后根据轨迹角度确定权重角度

其中：轨迹角度的表达式如下：

根据轨迹角度确定权重角度具体可以描述为：确定权重角度为所有或者部分轨迹角度的平均值。

进一步的，确定权重角度为部分轨迹角度的平均值，即只采用部分轨迹的轨迹角度进行平均得到权重角度在具体实施例的时候，部分轨迹的选择根据轨迹路径的特点进行，选择轨迹路径中对应的轨迹角度几乎不变或者随时间缓慢波动的一段作为部分轨迹。该选择的依据为实验测试发现，轨迹路径中对应的轨迹角度几乎不变或者随时间缓慢波动的轨迹路径，相比较轨迹角度变化幅度大的轨迹路径对应更大的量子态权重。

步骤S5：根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据。

具体的，对量子比特处于所述第一量子态的第一量子比特读取信号测量数据S0和量子比特处于所述第二量子态的第二量子比特读取信号测量数据S1中的每一行的第j个元素均乘以进行修正处理得到修正数据S0”，S1”。

通过步骤S1至S5所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，对所述测量数据进行复数变换处理获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据，经过复数变换处理得到的原始数据包含实部和虚部，符合量子态的振幅率分布特点，然后基于原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹，测量轨迹反映了量子比特读取信号的整体及其信噪比随时间的变化规律，该规律背后隐藏的是采集设备导致的信号噪声以及量子比特本身硬件以及量子比特读取腔存在的热激发噪声随时间的变化规律，借助测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子，根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据，在该过程中，根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹，轨迹上的每一点都不同程度地包含了量子态的信息，充分利用轨迹上每一个点所包含的信息量，并利用该信息量计算出权重因子，然后根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据，从而获得低噪声修正数据，大大减少了从采集设备直接获得的测量数据中的误差，有助于提高对量子态识别的准确率。

进一步的，如图2所示，在获得所述修正数据之后，所述基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法还包括：

步骤S6:根据所述修正数据获得修正轨迹。

步骤S7:基于所述修正轨迹进行数据处理。

其中：步骤S6所述的根据所述修正数据获得修正轨迹的原理同上，再此简单描述如下：

步骤S61：对修正数据S0”，S1”中的每一行均进行分段处理；其中：分段长度N2，其中N2<N，n2＝N/N2为整数；

步骤S62：对于k2＝1，2，…，n2，将修正数据S0”，S1”中的每一行的第(k2-1)*N2+1到k2*N2个元素取出来，构成新的数组SS0”和SS1”，每个数组的容量为M×N2×n2；

步骤S63：对数组SS0”和SS1”的第二维均做平均，得到数组II0”，II1”；

步骤S64：对数组II0”，II1”的第一维做平均，得到数组修正轨迹Itrace0”，Itrace1”。

而步骤S7中基于所述修正轨迹进行数据处理的具体过程可以按需设置，本实施例将修正轨迹用于获得量子比特处于确定量子态的时量子比特读取信号在IQ坐标系的投影坐标分布的中心点坐标，该中心点坐标可以用于建立判断量子态的阈值直线，这一点不属于本申请待保护内容，在此不做过多描述。

考虑到获得的中心点坐标的准确度直接决定着获得的阈值直线的准确度，因此以提高中心点坐标的准确度为目标，本实施例根据所述修正轨迹获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的分布中心坐标点，具体包括：

步骤S71：根据所述修正轨迹对数组II0”，II1”均进行第二维加权平均得到数组SI0”，SI1”。

具体的，加权平均可以借助选择借助matlab中的激活函数和函数实现，具体的，选择一个核函数(例如三角核函数)作为轨迹差别处理函数，将数组II0”和数组II1”输入该核函数，通过该核函数的输出获得轨迹差别，选择一个激活函数(例如softmax函数)作为权重处理函数，将轨迹差别输入激活函数，将激活函数的输出记为原始权重系数，然后累加所有的原始权重系数，将其结果作为归一化系数，然后所有的原始权重系数均除以归一化系数，得到权重系数。

以上过程在具体实施的时候，可以对数组II0”，II1”每一行中的第k2个数值I(k2)按照下式进行加权平均获得其加权平均值II(k2)；

然后累加数组II0”，II1”每一行中的所有II(k2)数组SI0”，SI1”，其中：数组SI0”，SI1”均为M*1的数组。本领域技术人员可以理解的是，对数组II0”，II1”每一行中的第k2个数值I(k2)进行加权平均并不仅限于使用以上公式。

步骤S72：对数组SI0”，SI1”均进行第一维平均，得到量子比特处于所述第一量子态的第一量子比特读取信号对应的分布中心坐标点和量子比特处于所述第二量子态的第二量子比特读取信号对应的分布中心坐标点。

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 (14)

1.一种基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号的测量数据；

对所述测量数据进行复数变换处理获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据；

根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹；

根据所述测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子；

根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据。

2.根据权利要求1所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述确定量子态为第一量子态和第二量子态，所述第一量子态和所述第二量子态为希尔伯特空间的非平行矢量；

所述获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量数据，具体包括：

分别获得量子比特处于所述第一量子态时的第一量子比特读取信号测量数据S0和量子比特处于所述第二量子态时的第二量子比特读取信号测量数据S1；其中，第一量子比特读取信号测量数据S0和第二量子比特读取信号测量数据S1均包含M*N个采样数据，其中M为重复采样次数，N为每次采样点数。

3.根据权利要求2所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述对所述测量数据进行复数变换获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的原始数据，具体包括：

对所述第一量子比特读取信号测量数据S0和所述第二量子比特读取信号测量数据S1中的各所述采样数据均进行复数变换处理分别获得第一量子比特读取信号原始数据S0’和第二量子比特读取信号原始数据S1’。

4.根据权利要求3所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述对各所述采样数据均进行复数变换处理，具体包括：

第j个采样数据乘以exp(-2πf*j),其中：f为原始信号频率/采样率。

5.根据权利要求3所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述根据所述原始数据获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的测量轨迹，具体包括：

对所述第一量子比特读取信号原始数据S0’和所述第二量子比特读取信号原始数据S1’均进行实部和虚部的分离变化处理，得到第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)；

对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)均进行IQ空间轨迹路径转化处理，分别得到第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)；其中，j是轨迹路径上的一个轨迹点。

6.根据权利要求5所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)均进行IQ空间轨迹路径转化处理，具体包括：

对第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)和第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)和第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)中的每一行均进行分段处理；其中：分段长度N1，其中N1<N，滑动步长m，其中：m需要满足n1＝(N-N1)/m为整数；

对于k1＝1，2，…，n1，将第一量子比特读取原始信号实部数据Real(S0)、第一量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S0)、第二量子比特读取原始信号实部数据Real(S1)、第二量子比特读取原始信号虚部数据Imag(S1)中的每一行的第(k1-1)*m+1到(k1-1)*m+N1个元素均取出来，分别构成新的数组Real(SS0)，Imag(SS0)，Real(SS1)，Imag(SS1)，每个数组的容量为M×N1×n；

对数组Real(SS0)，Imag(SS0)，Real(SS1)，Imag(SS1)的第二维均做平均，分别得到数组II0，QQ0，II1，QQ1，每个数组的容量为M×n1；

对数组II0，QQ0，II1，QQ1的第一维均做平均，分别得到第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)；其中，j是轨迹路径上的一个轨迹点。

7.根据权利要求5所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述根据所述测量轨迹获得确定量子态时的量子比特读取信号分布的权重因子，具体包括：

根据第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI0(1，j)、第一量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ0(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径I轴坐标数据TI1(1，j)、第二量子比特读取原始信号对应的轨迹路径Q轴坐标数据TQ1(1，j)获得权重角度

8.根据权利要求7所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述权重角度为所有或部分轨迹角度的平均值；

其中：轨迹角度的表达式如下：

9.根据权利要求7所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据，具体包括：

对量子比特处于所述第一量子态的第一量子比特读取信号测量数据S0和量子比特处于所述第二量子态的第二量子比特读取信号测量数据S1中的每一行的第j个元素均乘以进行修正处理得到修正数据S0”，S1”。

10.根据权利要求9所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述根据所述权重因子修正所述测量数据获得修正数据之后，所述方法还包括：

根据所述修正数据获得修正轨迹。

基于所述修正轨迹进行数据处理。

11.根据权利要求10所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述根据所述修正数据获得修正轨迹具体包括：

对修正数据S0”，S1”中的每一行均进行分段处理；其中：分段长度N2，其中N2<N，n2＝N/N2为整数；

对于k2＝1，2，…，n2，将修正数据S0”，S1”中的每一行的第(k2-1)*N2+1到k2*N2个元素取出来，构成新的数组SS0”和SS1”，每个数组的容量为M×N2×n2；

对数组SS0”和SS1”的第二维均做平均，得到数组II0”，II1”；

对数组II0”，II1”的第一维做平均，得到数组修正轨迹Itrace0”，Itrace1”。

12.根据权利要求11所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于，所述基于所述修正轨迹进行数据处理，具体包括：

根据所述修正轨迹获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的分布中心坐标点。

13.根据权利要求12所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于，根据所述修正轨迹获得量子比特处于确定量子态时的量子比特读取信号对应的分布中心坐标点，具体包括：

根据所述修正轨迹对数组II0”，II1”均进行第二维加权平均得到数组SI0”，SI1”；

对数组SI0”，SI1”均进行第一维平均，得到量子比特处于所述第一量子态的第一量子比特读取信号对应的分布中心坐标点和量子比特处于所述第二量子态的第二量子比特读取信号对应的分布中心坐标点。

14.根据权利要求13所述的基于测量轨迹的量子比特读取信号处理方法，其特征在于：所述根据所述修正轨迹对数组II0”，II1”均进行第二维加权平均得到数组SI0”，SI1”，具体包括：

对数组II0”，II1”每一行中的第k2个数值I(k2)按照下式获得其加权平均值II(k2)；

累加数组II0”，II1”每一行中的所有II(k2)得到数组SI0”，SI1”。