CN110488091A - 一种基于串扰分析的超导量子比特调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子芯片测控领域，特别是一种基于串扰分析的超导量子比特调控方法，包括在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流的条件下逐一校准所述量子芯片上的所有超导量子比特，获得各所述超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值和外部互感耦合系数的校准值；确定表达超导量子比特磁通量与偏置磁通电流之间的关系的第一方程表达式；确定待调控超导量子比特的目标磁通量，并将所述目标磁通量代入所述第一方程表达式求解所述待调控超导量子比特对应的偏置磁通电流值。本发明提高了超导量子比特调控的确定性。

Description

一种基于串扰分析的超导量子比特调控方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月07日提交中国专利局的申请号为 2018114971610、名称为“一种基于串扰分析的量子比特调控方法”的中国专利 申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明属于量子芯片测控领域，特别是一种基于串扰分析的超导量子比特 调控方法。

背景技术

设置在量子芯片上的每个超导量子比特即设置在量子芯片上一个十字形 电容及与该电容并联的一个可调制超导量子干涉装置(Superconducting quantum interferencedevice，SQUID)，如图1所示，该超导量子干涉装置 的可调制包括两个方面，第一个方面是指对超导量子干涉装置施加一个激励调 制信号(即XY-control)用于激发改变超导量子比特的状态；第二个方面是 指对超导量子干涉装置通过磁通调制线路(即Z-control)施加一个偏置磁通 电流信号以调谐超导量子比特的频率，其中：所述偏置磁通电流信号通常以恒流电压源直接提供，具体的，通过外加的恒定偏置磁通电流或与超导量子干涉 装置的互感耦合作用来改变超导量子干涉装置的磁通量，进而实现对包含该超 导量子干涉装置的超导量子比特的频率的调制。

当量子芯片上存在两个或者两个以上超导量子比特时，各超导量子比特之 间易存在磁通串扰困扰现象(即一个超导量子比特的偏置磁通电流与另一个超 导量子比特的超导量子干涉装置之间的干扰)，进而增大了超导量子比特调控 的不确定性，影响超导量子比特的调控。因此有必要进行技术串扰分析的超导 量子比特调控的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于串扰分析的超导量子比特调控方法，以为超 导量子比特的调控提供可靠依据，降低了超导量子比特调控的不确定性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于串扰分析的超导量子比特调控方法，该方法在包含多个超导量子 比特的量子芯片上实施，所述基于串扰分析的超导量子比特调控方法包括以下 步骤：

在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流的条件下逐一校 准所述量子芯片上的所有超导量子比特，获得各所述超导量子比特的超导量子 比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的 校准值和外部互感耦合系数的校准值；

根据所有所述超导量子比特的所述环境偏置磁通量的校准值、所述内部互 感耦合系数的校准值和所述外部互感耦合系数的校准值确定表达超导量子比 特磁通量与偏置磁通电流之间的关系的第一方程表达式；

根据待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和所述超导量子比 特最大调制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标磁通量，并将所述目 标磁通量代入所述第一方程表达式求解所述待调控超导量子比特对应的偏置 磁通电流值。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，所述 在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流值的条件下校准所述 量子芯片上的任一超导量子比特，具体包括：

确定待校准超导量子比特和参考超导量子比特；其中：所述待校准超导量 子比特为量子芯片上的任一超导量子比特，所述参考超导量子比特为量子芯片 上的不同于所述待校准超导量子比特的任一超导量子比特；

在保证量子芯片上只有所述待校准超导量子比特的偏置磁通电流值大小 可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准 所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率、内部互感耦合系数、 环境偏置磁通量，获得所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率 的校准值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值；

在保证量子芯片上只有所述参考超导量子比特的偏置磁通电流值大小可 调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所 述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数，获得所述待校准超导量子比特的 外部互感耦合系数的校准值。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，所述 在保证量子芯片上只有所述待校准超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调， 其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所述待 校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率、内部互感耦合系数、环境偏 置磁通量，获得所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准 值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值，具体包括：

将量子芯片上所述待校准超导量子比特以外的所有超导量子比特的偏置 磁通电流值均设置为设定值；

多次改变施加在所述待校准超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并 在各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频 率得到超导量子比特频率测量值；

根据超导量子比特频率与偏置磁通电流的关系对所述偏置磁通电流的实 验值和所述超导量子比特频率测量值进行函数拟合；

根据拟合结果获得所述待校准超导量子比特的所述超导量子比特固有频 的校准值率、所述环境偏置磁通量的校准值、所述内部互感耦合系数的校准值。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，所述 多次改变施加在所述待校准超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并在各 不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频率得 到超导量子比特频率测量值之前还包括：

根据量子芯片本身设计性质决定的第一参数确定偏置磁通电流的各实验 值所在的参考范围、和超导量子比特频率测量值的精度要求；其中：所述第一 参数为内部互感耦合系数与磁通量的比值；

根据所述参考范围设置偏置磁通电流的具体实验值；

根据所述精度要求确定拟采用的超导量子比特测量方法。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，当所 述第一参数为1000A^-1时，所述各实验值所在的参考范围的量级为几mA；

各实验值的选择需要保证超导量子比特频率测量值具有至少一个周期分 布。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，在保 证量子芯片上只有所述参考超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超 导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所述待校准超 导量子比特的外部互感耦合系数，获得所述待校准超导量子比特的外部互感耦 合系数的校准值，具体包括：

将量子芯片上所述参考超导量子比特以外的所有超导量子比特的偏置磁 通电流值均设置为设定值；

多次改变施加在所述参考超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并在 各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频率 得到超导量子比特频率测量值；

根据超导量子比特频率与偏置磁通电流的关系对所述偏置磁通电流的实 验值和所述超导量子比特频率测量值进行函数拟合；

根据拟合结果获得所述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数的校准 值。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，所述 多次改变施加在所述参考超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并在各不 同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频率得到 超导量子比特频率测量值之前还包括：

根据量子芯片本身设计性质决定的串扰程度确定偏置磁通电流的各实验 值所在的参考范围、和超导量子比特频率测量值的精度要求；其中：所述串扰 程度为参考超导量子比特的偏置磁通电流对待校准超导量子比特的互感耦合 系数与待校准超导量子比特的偏置磁通电流对待校准超导量子比特的互感耦 合系数的比值；

根据所述参考范围设置具体实验值；

根据所述精度要求确定拟采用的超导量子比特频率测量方法。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，所述 根据待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和待调控超导量子比特 的所述超导量子比特最大调制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标 磁通量，具体包括：

将待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率和待调控超导量子比特 的所述超导量子比特最大调制频率的校准值代入超导量子比特频率与偏置磁 通量的关系中，获得所述目标超导量子比特频率对应的所述目标磁通量。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，所述 所述超导量子比特包括并联的线性的电容与非线性的电感。

如上所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其中，优选的，所述 非线性的电感包括下列之一或者其组合：约瑟夫森结、超导量子干涉装置。

与现有技术相比，本发明针对量子芯片上施加至少两路偏置磁通电流信号 时可能存在的磁通串扰困扰现象，本发明在所述量子芯片上只施加单一大小可 调的偏置磁通电流的条件下逐一校准所述量子芯片上的所有超导量子比特，获 得各所述超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合 系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值和外部互感耦合系数的校准值；由于 在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流的条件下获得各所述 超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数的校 准值、环境偏置磁通量的校准值和外部互感耦合系数的校准值，降低了串扰困 扰对各校准值的影响，然后基于所有所述超导量子比特的所述环境偏置磁通量 的校准值、所述内部互感耦合系数的校准值和所述外部互感耦合系数的校准值 确定表达超导量子比特磁通量与偏置磁通电流之间的关系的方程表达式；根据 待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和所述超导量子比特最大调 制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标磁通量，并将所述目标磁通量 代入所述方程表达式求解所述待调控超导量子比特对应的偏置磁通电流值。即 基于避免磁通串扰影响的各校准值进行待调控超导量子比特的目标超导量子 比特频率值的调控，提高了超导量子比特调控的确定性。

附图说明

图1是超导量子芯片的原理结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于串扰分析的超导量子比特调控方法的流 程图。

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。

理论上，一个超导量子比特的超导量子比特频率w_qi与磁通量Φ_i之间的关 系如下式：

其中：w_{qi max}称为超导量子比特最大调制频率，是由超导量子比特对应的 超导量子干涉装置的物理结构决定，具体的是由超导约瑟夫森结的临界电流等 因素决定的，在本实施例中，该参数不作为研究对象，只将其定义为超导量子 比特最大调制频率；w_{qi max}为比例常数；Φ₀为量子磁通，是一个物理常量，其 表达式为其中h为普朗克常量，e为电荷常数；Φ_i为磁通量，其表达 式为Φ_i＝M_iiI_i，其中M_ii为一个超导量子比特的的偏置磁通电流与超导量子干涉 装置03的互感耦合系数，在本实施例中称为内部互感耦合系数，Ii为该超导 量子比特的磁通调制线路上施加的偏置磁通电流。

实际量子芯片中，一个量子芯片上存在多个超导量子比特，每一个超导量 子比特的偏置磁通电流均会通过空间感应、非理想地平面回流方式影响其它超 导量子比特的磁通量，因而，量子芯片上一个超导量子比特的磁通量Φ与量子 芯片上不同该超导量子比特的其它超导量子比特的偏置磁通电流I_j的关系可 以描述为：

其中，式中：N为量子芯片上超导量子比特的个数，N个超导量子比特依 次编号为1,2,3¨j¨N；Φ_i0表示超导量子比特i的超导量子干涉装置(SQUID) 受环境剩磁影响而具有的环境偏置磁通量，M_ji为超导量子比特j的磁通调制 线上的偏置磁通电流与超导量子比特i对应的的超导量子干涉装置(SQUID) 的互感耦合系数，在本实施中，称为外部互感耦合系数，当j＝i，外部互感耦 合系数即为内部互感耦合系数；I_j为超导量子比特j的磁通调制线上施加的偏 置磁通电流。

对公式(2)进行改写如下：

Φ＝Φ₀₀+MI (3)

其中：

本申请的目的是通过一个可量化的操作流程，精确获得系数Φ₀和M，以 供后续量子芯片测试流程使用。具体的，本申请的目的是希望获得，在已知量 子芯片上存在磁通串扰的前提下，为将超导量子比特i的频率调节至预设频率 ω_qi并且同时不改变量子芯片上的其它任意超导量子比特的频率，该如何调整 超导量子比特i的磁通调制线上的偏置磁通电流。基于此，如图2所示，本申 请提供一种基于串扰分析的超导量子比特调控方法，该方法在包含多个超导量 子比特的量子芯片上实施，其中超导量子比特指由量子芯片上对应设置的一个 超导量子干涉装置以及一个与所述超导量子干涉装置并联的电容构成的超导量子比特,该基于串扰分析的超导量子比特调控方法包括以下步骤：

步骤S1:在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流的条件 下逐一校准所述量子芯片上的所有超导量子比特，获得各所述超导量子比特的 超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置 磁通量的校准值和外部互感耦合系数的校准值；

步骤S2:根据所有所述超导量子比特的所述环境偏置磁通量的校准值、所 述内部互感耦合系数的校准值和所述外部互感耦合系数的校准值确定表达超 导量子比特磁通量与偏置磁通电流之间的关系的第一方程表达式；

步骤S3:根据待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和所述超 导量子比特最大调制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标磁通量，并 将所述目标磁通量代入所述第一方程表达式求解所述待调控超导量子比特对 应的偏置磁通电流值。

本申请针对量子芯片上施加至少两路偏置磁通电流信号时可能存在的串 扰困扰现象，通过步骤S1至步骤S3，本发明在所述量子芯片上只施加单一大 小可调的偏置磁通电流的条件下逐一校准所述量子芯片上的所有超导量子比 特，获得各所述超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互 感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值和外部互感耦合系数的校准值； 由于在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流的条件下获得各 所述超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数 的校准值、环境偏置磁通量的校准值和外部互感耦合系数的校准值，降低了串 扰困扰对各校准值的影响，然后基于所有所述超导量子比特的所述环境偏置磁 通量的校准值、所述内部互感耦合系数的校准值和所述外部互感耦合系数的校 准值确定表达超导量子比特磁通量与偏置磁通电流之间的关系的第一方程表 达式；根据待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和所述超导量子比 特最大调制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标磁通量，并将所述目 标磁通量代入所述第一方程表达式求解所述待调控超导量子比特对应的偏置 磁通电流值。即基于避免磁通串扰影响的各校准值进行待调控超导量子比特的 目标超导量子比特频率值的调控，提高了超导量子比特调控的确定性。

在具体实施的时候，步骤S1所述的在所述量子芯片上只施加单一大小可 调的偏置磁通电流的条件下逐一校准所述量子芯片上的所有超导量子比特，可 以获取量子芯片上所有超导量子比特的校准，下面以其中一个超导量子比特的 校准为例进行详细介绍，即步骤S1所述的在所述量子芯片上只施加单一大小 可调的偏置磁通电流的条件下校准所述量子芯片上的任一超导量子比特的过 程，具体如下：

步骤S11:确定待校准超导量子比特和参考超导量子比特；其中：所述待 校准超导量子比特为量子芯片上的任一超导量子比特，所述参考超导量子比特 为量子芯片上的不同于所述待校准超导量子比特的任一超导量子比特。

具体的，考虑到量子芯片上设置有多个超导量子比特，当量子芯片上两个 的超导量子比特上均施加偏置磁通电流时，则量子芯片上就会存在磁通偏置串 扰(即fluxcrosstalk)，为避免此情况的存在，本实施例采用逐一校准超导 量子比特，所以，在实验开始前，先选定量子芯片上任一超导量子比特作为校 准对象，对应的硬件电路结构为量子芯片上设置的一个超导量子干涉装置以及 一个与该超导量子干涉装置并联的电容，同时，选取量子芯片上另一超导量子 比特为参考对象，即参考超导量子比特。

需要说明的是，参考超导量子比特是量子芯片上不同于待校准超导量子比 特的任一以超导量子比特，而在追一校准量子芯片上的超导量子比特时，在选 定待校准超导量子比特校准完成之后，在进行量子芯片上的另外一个超导量子 比特的校准，此时需要重新确定待校准超导量子比特和参考超导量子比特，直 至量子芯片上的所有超导量子比特全部校准完毕。

步骤S12:在保证量子芯片上只有所述待校准超导量子比特的偏置磁通电 流值大小可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提 下，校准所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率、内部互感耦 合系数、环境偏置磁通量；其中：所述超导量子比特最大调制频率是指由超导 量子比特对应的超导量子干涉装置的物理结构决定的超导量子比特可以被调 制的最大频率，所述内部互感耦合系数是指超导量子比特对应的超导量子干涉 装置与施加在该超导量子比特上的偏置磁通电流之间的互感耦合系数，所述环 境偏置磁通量是指环境剩磁使超导量子比特对应的超导量子干涉装置具有的 磁通量。

步骤S13:在保证量子芯片上只有所述参考超导量子比特的偏置磁通电流 值大小可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下， 校准所述待调控超导量子比特的外部互感耦合系数；其中：所述外部互感耦合 系数是指一超导量子比特对应的超导量子干涉装置与施加在另一超导量子比 特上的偏置磁通电流之间的互感耦合系数。

通过步骤S11至步骤S13，本申请在进行所述校准控超导量子比特的超导 量子比特最大调制频率、内部互感耦合系数、环境偏置磁通量三者校准时，量 子芯片上只有所述待调控超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导 量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值，其它超导量子比特的偏置磁通 电流值固定为设定值，避免了偏置磁通电流信号的串扰作用影响，获得了精确 的校准值。在校准所述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数时，量子芯片 上只有一个超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏 置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，该超导量子比特是除了所述待调控 超导量子比特之外的量子芯片的任意一超导量子比特(即参考超导量子比特)， 该设置保证了偏置磁通电流信号的串扰作用对外部互感耦合系数的影响。整个 校准过程避免了磁通串扰的影响，基于该过程的校准结果，能够作为超导量子 比特调控提供可靠，降低了超导量子比特调控的不确定性。

作为本实施例的详细实施方案，步骤S12所述的在保证量子芯片上只有所 述待校准超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏置 磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所述待校准超导量子比特的超导 量子比特最大调制频率、内部互感耦合系数、环境偏置磁通量，具体包括以下 过程：

步骤S121：将量子芯片上所述待校准超导量子比特以外的所有超导量子 比特的偏置磁通电流值均设置为设定值，例如为1mA或0mA或其它不会因热效 应影响量子芯片正常工作的电流数值。

具体的，将量子芯片上所述待校准超导量子比特以外的所有超导量子比特 的偏置磁通电流值均手动设置为0mA，此时，假设校准控超导量子比特为量子 芯片上的第i个超导量子比特，则当量子芯片上只有第i个超导量子比特的偏置 磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值 时，第i个超导量子比特的超导量子干涉装置(SQUID)上的磁通量Φ与偏置磁 通电流I_i的关系为Φ＝Φ_i0+M_iiI_i，其中：M_ii为超导量子比特i的磁通调制线上 的偏置磁通电流I_i与超导量子比特i对应的的超导量子干涉装置(SQUID)之 间的互感耦合系数，又称为内互感耦合系数。此时，第i个超导量子比特的频率公式简化为：

步骤S122：多次改变施加在所述待调控超导量子比特上的偏置磁通电流 的实验值，并在各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待调控超导量 子比特的频率得到超导量子比特频率测量值。

需要说明的是，在操作的时候，为了合理设置实验，需要在实验开始之前， 根据量子芯片本身设计性质决定的第一参数确定偏置磁通电流的各实验值所 在的参考范围、和超导量子比特频率测量值的精度要求；其中：所述第一参数 为内部互感耦合系数与磁通量常量的比值；根据所述参考范围设置偏置磁通电 流的具体实验值；根据所述精度要求确定拟采用的超导量子比特测量方法。

具体的，在实际量子芯片中，第一参数通常为1000A^-1左右，此时，要实 现公式(4)最后一个表达式中的周期性，偏置磁通电流I_i取值范围超过大约 1mA以上即可，即I_i取值范围超过大约1mA以上时，的变化量就会 超过π，进而导致w_qi的变化范围超过一个周期。此时即各实验值所在的参考范 围的量级为几mA。作为公知，偏置磁通电流越小，量子芯片面临的发热问题 越轻微，越能保证量子芯片的正常工作和超导量子比特频率的高精度读取。所 以此时确认偏置磁通电流的取值参考范围为0到几mA即可，多次改变偏置磁通电流时，改变范围超过1mA左右即可。

另外，需要说明的是，此时，由于量子芯片的工作性能良好，进而能够保 证超导量子比特状态具有较好的读取性，所以超导量子比特测量方法可以选用 具有一般精度的测量方法即可，在此不做过多描述。

步骤S123：根据超导量子比特频率与偏置磁通电流的关系对所述偏置磁 通电流的实验值和所述超导量子比特频率测量值进行函数拟合。

具体的，超导量子比特频率与偏置磁通电流的关系如公式(4)所示，针 对所述偏置磁通电流的实验值和所述超导量子比特频率测量值进行函数拟合 可以选择不同的横坐标或者纵坐标，在满足公式(4)的情况下，进行函数拟 合即可。

步骤S124：根据拟合结果实获得述待调控超导量子比特的所述超导量子 比特最大调制频率的校准值、所述环境偏置磁通量的校准值、所述内部互感耦 合系数的校准值。即得到精确的w_qi，max、Φ_i0和M_ii三个值。

作为本实施例的优选技术方案，步骤S13中所述的在保证量子芯片上只有 所述参考超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏置 磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所述待校准超导量子比特的外部 互感耦合系数，具体包括步骤S131至步骤S134：

步骤S131：将量子芯片上所述参考超导量子比特以外的所有超导量子比 特的偏置磁通电流值全部调整为设定值。

具体实施的，假定参考超导量子比特为量子芯片上的第j个超导量子比 特，即量子芯片上只有第j个超导量子比特的偏置磁通电流值不为零，此时： 以上确定的待校准超导量子比特(即量子芯片上的第i个超导量子比特)的超 导量子干涉装置(SQUID)的磁通量的可以描述为：

Φ_i＝Φ_i0+Φ_ji＝Φ_i0+M_jiI_j (5)

其中：M_ji为第j个超导量子比特的偏置磁通电流值与第i个超导量子比 特的超导量子干涉装置(SQUID)之间的互感耦合系数，又称为外互感耦合系 数；I_j为第j个超导量子比特的偏置磁通电流值。

步骤S132：多次改变施加在所述参考超导量子比特上的偏置磁通电流I_j的 实验值，并在各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待调控超导量子 比特的频率得到超导量子比特频率测量值。

需要说明的是，在操作的时候，为了合理设效实验，在实验开始之前，需 要根据量子芯片本身设计性质决定的串扰程度确定偏置磁通电流的各实验值 所在的参考范围、和超导量子比特频率测量值的精度要求；其中：所述串扰程 度为参考超导量子比特的偏置磁通电流对待校准超导量子比特的互感耦合系 数与待校准超导量子比特的偏置磁通电流对待校准超导量子比特的互感耦合 系数的比值；即串扰程度ηji为外互感耦合系数M_ji与内互感耦合系数M_ii的比 值；根据所述参考范围设置具体实验值；根据所述精度要求确定拟采用的超导 量子比特频率测量方法。

具体的，当ηji＝Mji/Mii≈0.02时，而实际的量子芯片设计中，的典型值为1000A^-1左右，则Mji/Φ₀≈0.02*Mii/Φ₀≈0.02*1000＝20，即Mji/Φ₀的取值约为20A^-1， 则为满足公式(6)最后一个表达式中的周期性，偏置磁通电流I_j取值范围超 过大约50mA才可以。如此大的电流，在实际量子芯片运行时会产生非常严重 的发热，客观条件下无法直接施加这么高的电流进行超导量子比特频率测试。 在这样的客观条件下，w_qi的数值范围大幅受限。为了可靠地获得M_ji的实际取 值，需要采用精度较高的超导量子比特频率测试方法，例如超导量子比特的能 谱测量。超导量子比特的能谱测量属于现有技术，在此不做过多介绍，其测量 得到的超导量子比特频率精度可以达到0.02％。

而当ηji＝Mji/Mii≈0.001时，结合实际的量子芯片设计中的典型值为 1000A-1左右，可以得到Mji/Φ₀的取值约为1A^-1，对应的为满足公式(6)最后 一个表达式中的周期性，偏置磁通电流I_j取值范围超过大约1A才可以。此时， 同样面临着实际量子芯片运行时会产生非常严重的发热，客观条件下无法直接 施加这么高的电流进行超导量子比特频率测试的困难，此时，需要选用精度更 高的超导量子比特频率测试方法。

步骤S133：根据超导量子比特频率与偏置磁通电流的关系对所述偏置磁 通电流的实验值和所述超导量子比特频率测量值进行函数拟合。

具体的，超导量子比特频率w_qi与偏置磁通电流I_j的关系如公式(6)所示， 将多个I_j实验值和得到的多个超导量子比特频率w_qi测量值代入公式(6)，进 行函数拟合。

步骤S134：根据拟合结果实现所述待调控超导量子比特的外部互感耦合 系数的校准，即得到精确的M_ji。

在具体应用的时候，经过步骤S12和步骤S13，实现量子芯片上一个超导 量子比特的校准，然后重新确定另外一个超导量子比特作为待校准超导量子比 特，重复步骤步骤S12和步骤S13。直至完成量子芯片上的所有超导量子比特 的校准。

然后进行步骤S2，根据所有所述超导量子比特的所述环境偏置磁通量的 校准值、所述内部互感耦合系数的校准值和所述外部互感耦合系数的校准值确 定表达超导量子比特磁通量与偏置磁通电流之间的关系的方程表达式；

即根据各超导量子比特的校准值得到模型Φ＝Φ₀₀+MI(即以上公式(3))， 只是该公式中，Φ₀₀和M均为校准之后得到的精确值。

在具体应用时，进行步骤S3所述的根据待调控超导量子比特的目标超导 量子比特频率值和所述超导量子比特最大调制频率的校准值确定待调控超导 量子比特的目标磁通量，并将所述目标磁通量代入所述方程表达式求解所述待 调控超导量子比特对应的偏置磁通电流值。

具体的，当需要将待调控超导量子比特i的频率从w_qi调节至w_qi’并且同 时不改变其余任意超导量子比特的频率时，将w_qi’作为目标超导量子比特频率， 由(即公式(1))可知，将待调控超导量子比特i的 频率从w_qi调节至w_qi’并且同时不改变其余任意超导量子比特的频率，等价于 将待调控超导量子比特i的超导量子干涉装置(SQUID)的磁通量从Φ_i调节至 Φ_i’，其余超导量子比特的磁通量位置不变。所以作为本实施例的优选技术方 案，步骤S3所述根据待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和所述 超导量子比特最大调制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标磁通量， 并将所述目标磁通量代入所述方程表达式求解所述待调控超导量子比特对应 的偏置磁通电流值，具体包括：

步骤S31：将待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率w_qi’和待调 控超导量子比特的所述超导量子比特最大调制频率的校准值代入超导量子比 特频率与偏置磁通量的关系中，获得待调控超导量子比特对应的目标磁通量 Φ_i’。

具体的，将目标超导量子比特频率w_qi’和所述超导量子比特最大调制频 率代入获得Φ_i’。

步骤S32：将所述目标磁通量Φ_i’代入所述方程表达式Φ_i’＝Φ₀+MI'求解待调 控超导量子比特的目标超导量子比特频率值对应的偏置磁通电流值I'。

需要说明的是，以上所述的方法适合所有包含超导量子比特的量子芯片， 其中的超导量子比特可以为并联的线性的电容与非线性的电感组成的超导量 子比特。而其中的非线性的电感可以为约瑟夫森结、超导量子干涉装置之一或 者其组合。可以理解的是，超导量子干涉装置是有至少两个约瑟夫森结形成的 闭环装置，所以约瑟夫森结与超导量子干涉装置的组合形成超导量子比特时， 可以等效为采用通过多个约瑟夫森结的组合形成超导量子比特。

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 (10)

1.一种基于串扰分析的超导量子比特调控方法，该方法在包含多个超导量子比特的量子芯片上实施，其特征在于，所述基于串扰分析的超导量子比特调控方法包括以下步骤：

在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流的条件下逐一校准所述量子芯片上的所有超导量子比特，获得各所述超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值和外部互感耦合系数的校准值；

根据所有所述超导量子比特的所述环境偏置磁通量的校准值、所述内部互感耦合系数的校准值和所述外部互感耦合系数的校准值确定表达超导量子比特磁通量与偏置磁通电流之间的关系的第一方程表达式；

根据待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和所述超导量子比特最大调制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标磁通量，并将所述目标磁通量代入所述第一方程表达式求解所述待调控超导量子比特对应的偏置磁通电流值。

2.根据权利要求1所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：所述在所述量子芯片上只施加单一大小可调的偏置磁通电流值的条件下校准所述量子芯片上的任一超导量子比特，具体包括：

确定待校准超导量子比特和参考超导量子比特；其中：所述待校准超导量子比特为量子芯片上的任一超导量子比特，所述参考超导量子比特为量子芯片上的不同于所述待校准超导量子比特的任一超导量子比特；

在保证量子芯片上只有所述待校准超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率、内部互感耦合系数、环境偏置磁通量，获得所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值校准值；

在保证量子芯片上只有所述参考超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数，获得所述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数的校准值。

3.根据权利要求2所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：所述在保证量子芯片上只有所述待校准超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值前提下，校准所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率、内部互感耦合系数、环境偏置磁通量，获得所述待校准超导量子比特的超导量子比特最大调制频率的校准值、内部互感耦合系数的校准值、环境偏置磁通量的校准值，具体包括：

将量子芯片上所述待校准超导量子比特以外的所有超导量子比特的偏置磁通电流值均设置为设定值；

多次改变施加在所述待校准超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并在各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频率得到超导量子比特频率测量值；

根据超导量子比特频率与偏置磁通电流的关系对所述偏置磁通电流的实验值和所述超导量子比特频率测量值进行函数拟合；

根据拟合结果获得所述待校准超导量子比特的所述超导量子比特固有频的校准值率、所述环境偏置磁通量的校准值、所述内部互感耦合系数的校准值。

4.根据权利要求3所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：所述多次改变施加在所述待校准超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并在各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频率得到超导量子比特频率测量值之前还包括：

根据量子芯片本身设计性质决定的第一参数确定偏置磁通电流的各实验值所在的参考范围、和超导量子比特频率测量值的精度要求；其中：所述第一参数为内部互感耦合系数与磁通量的比值；

根据所述参考范围设置偏置磁通电流的具体实验值；

根据所述精度要求确定拟采用的超导量子比特测量方法。

5.根据权利要求4所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：当所述

第一参数为1000A^-1时，所述各实验值所在的参考范围的量级为几mA；

各实验值的选择需要保证超导量子比特频率测量值具有至少一个周期分布。

6.根据权利要求2所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：在保证量子芯片上只有所述参考超导量子比特的偏置磁通电流值大小可调，其它超导量子比特的偏置磁通电流值大小固定为设定值的前提下，校准所述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数，获得所述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数的校准值，具体包括：

将量子芯片上所述参考超导量子比特以外的所有超导量子比特的偏置磁通电流值均设置为设定值；

多次改变施加在所述参考超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并在各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频率得到超导量子比特频率测量值；

根据超导量子比特频率与偏置磁通电流的关系对所述偏置磁通电流的实验值和所述超导量子比特频率测量值进行函数拟合；

根据拟合结果获得所述待校准超导量子比特的外部互感耦合系数的校准值。

7.根据权利要求6所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：所述多次改变施加在所述参考超导量子比特上的偏置磁通电流的实验值，并在各不同实验值的偏置磁通电流作用时均测量所述待校准超导量子比特的频率得到超导量子比特频率测量值之前还包括：

根据量子芯片本身设计性质决定的串扰程度确定偏置磁通电流的各实验值所在的参考范围、和超导量子比特频率测量值的精度要求；其中：所述串扰程度为参考超导量子比特的偏置磁通电流对待校准超导量子比特的互感耦合系数与待校准超导量子比特的偏置磁通电流对待校准超导量子比特的互感耦合系数的比值；

根据所述参考范围设置具体实验值；

根据所述精度要求确定拟采用的超导量子比特频率测量方法。

8.根据权利要求1所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：所述根据待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率值和待调控超导量子比特的所述超导量子比特最大调制频率的校准值确定待调控超导量子比特的目标磁通量，具体包括：

将待调控超导量子比特的目标超导量子比特频率和待调控超导量子比特的所述超导量子比特最大调制频率的校准值代入超导量子比特频率与偏置磁通量的关系中，获得所述目标超导量子比特频率对应的所述目标磁通量。

9.根据权利要求1-8任一项所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：所述超导量子比特包括并联的线性的电容与非线性的电感。

10.根据权利要求9所述的基于串扰分析的超导量子比特调控方法，其特征在于：所述非线性的电感包括下列之一或者其组合：

约瑟夫森结、超导量子干涉装置。