CN110942152B - 量子芯片系统、量子计算处理系统及电子设备 - Google Patents

量子芯片系统、量子计算处理系统及电子设备 Download PDF

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Abstract

本说明书实施例提供量子芯片系统、量子计算处理系统及电子设备，其中一个量子芯片系统包括：至少一个第一量子比特，每个第一量子比特包括至少两个控制电极；以及用于控制所述控制电极的第一事件寄存器，其中，每个第一事件寄存器用于存储控制电极的一种控制信号，以及每个第一量子比特对应于至少两个第一事件寄存器。

Description

量子芯片系统、量子计算处理系统及电子设备
技术领域
本说明书涉及量子芯片技术领域，更具体地，涉及一种量子芯片系统、量子计算处理系统及电子设备。
背景技术
量子芯片系统包括但不限于控制器件和量子比特。控制器件可以包括事件寄存器。事件寄存器用于寄存控制器件所要执行的操作并指示控制器件执行相应操作。控制器件控制量子比特执行相应操作。例如，在频率可调的超导量子比特芯片系统中，控制器件可以是任意波形发生器。通过任意波形发生器所产生的波形来控制量子比特执行计算操作。
目前的量子计算机还仅在实验室中使用。技术人员还没有针对量子计算的特性设计适用于广泛使用的量子计算处理系统。
发明内容
本说明书的实施例提供量子比特系统的新技术方案。
根据本说明书的第一方面，提供了一种量子芯片系统，包括：至少一个第一量子比特，每个第一量子比特包括至少两个控制电极；以及用于控制所述控制电极的第一事件寄存器，其中，每个第一事件寄存器用于存储控制电极的一种控制波形每个第一事件寄存器用于存储控制电极的一种控制信号，以及每个第一量子比特对应于至少两个第一事件寄存器。
根据本说明书的第二方面，提供了一种量子计算处理系统，包括：译码转换设备，所述译码转换设备产生量子程序以控制量子芯片系统的操作；以及根据本说明书第一方面所述的量子芯片系统。
根据本说明书的第三方面，提供了一种电子设备，包括根据本说明书的第二方面所述的量子计算处理系统。
在不同实施例中的量子芯片系统可以执行更加灵活的量子比特操作处理。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1示出了可用于实现本说明书实施例的方法的硬件配置示意图。
图2示出了根据一个实施例的量子芯片系统的示意性框图。
图3示出了量子芯片系统的一个例子的示意图。
图4示出了量子芯片系统的另一个例子的示意图。
图5示出了根据一个实施例的量子计算处理系统的示意性框图。
图6示出了根据一个实施例的电子设备的示意性框图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
<硬件配置>
图1是可用于实现本说明书中实施例的硬件配置的示意图，包括译码装置110、波形发生装置120和量子比特130。
译码装置110用于将输入程序译码为量子程序。译码装置110可以是经典计算机、专用处理设备等。输入程序可以是经典的计算机程序，包括现有技术的C语言程序、汇编程序等，也可以是针对量子计算机的较高级的语言程序。译码装置110可以根据需要将相应的程序转换成包括量子指令的量子程序。量子程序是适合用控制量子比特的程序。
波形发生装置120用于在量子程序的控制下生成控制波形。波形发生装置120例如是基于FPGA的任意波形发生器。波形发生装置120是对量子比特进行直接操作的量子比特控制装置中的一种。根据量子计算机中所采用的量子比特，还可以使用其他的量子比特控制装置。量子比特控制装置还可以包括事件寄存器，用于寄存所要执行的操作，例如，寄存所要执行的量子操作的控制信号。
量子比特130用于在控制波形的作用下执行量子计算。量子比特130例如可以是半导体量子比特、超导量子比特等。
这里，可以将量子比特控制装置和量子比特统称为量子芯片系统。
上述硬件配置仅仅是说明性的，决不是为了限制本说明书实施例的技术方案。
<量子芯片系统>
如图2所示，量子芯片系统200包括第一事件寄存器211和至少一个第一量子比特220。每个第一量子比特220包括至少两个控制电极。第一事件寄存器211用于控制所述控制电极的。每个第一事件寄存器211用于存储控制电极的一种控制信号，以及每个第一量子比特220对应于至少两个第一事件寄存器211。其中，该控制信号的类型是数字信号，用于后续对控制电极的控制，并不是直接施加在控制电极上，控制电极最后接收到的信号类型是模拟信号。
通常来说，第一事件寄存器211是被包括在用于控制第一量子比特220的控制器件中的。根据量子比特的实现方式，可以采用不同的控制器件220。例如，对于频率可调的超导量子比特，可以采用任意波形发生器作为控制器件。第一事件寄存器211可以是用于控制任意波形发生装置120产生波形的事件寄存器。
由于控制器件的控制方式可以取决于量子比特实现方式并且不是这里所关注的，因此，在这里省略对于控制器件的控制方式的具体描述。
在目前的量子芯片系统中，主要考虑的是测试的情形。因此，一个量子比特仅需一个事件寄存器来进行控制。这种方式对于测试的应用场景是方便的。但是，这种方式没有考虑量子比特之间的影响，并且没有考虑从输入指令到量子指令的编码效率问题。
这里，考虑实际应用中所遇到的困难，将量子芯片系统设计成每个量子比特对应至少两个事件寄存器。这样，可以同时控制量子比特的不同控制电极。一方面，这可以增加操作量子比特的灵活性；另一方面，通过这种方式，可以在计算时进行补偿。
例如，至少一个第一事件寄存器211用于在第一量子比特220执行计算操作时向至少一个第一量子比特220的至少一个控制电极施加空波形。所述空波形所控制的控制电极不参与所述计算操作的执行。
需要说明的是，控制电极是硬件，连接于量子比特，用于给量子比特施加控制波形(属于模拟信号)，通过某一控制电极施加某控制波形至量子比特，该量子比特从而能够执行该控制波形对应的计算操作，也就可以说成：该波形所控制的控制电极参与了该次计算操作的执行。。
在这里，通过空波形，可以加强对量子比特的不参与计算的控制电极的控制，防止参与计算的控制电极对于这些不参与计算的控制电极的影响。
一方面，由于量子比特本身的复杂性，如果不对未参与计算的量子比特的状态进行控制，会对计算结果的错误率产生一定程度的影响。
另一方面，通过这种方式，可以进行补偿。例如，所述空波形对应于其所控制的控制电极的补偿波形。通过这种补偿操作，可以消除对于执行计算的量子比特的影响。
例如，所述第一量子比特是超导量子比特，优先为频率可调的超导量子比特，该超导量子比特的至少两个控制电极包括微波脉冲控制电极和直流脉冲控制电极。在超导量子体系下，微波脉冲控制电极用于施加控制量子比特绕X或Y轴旋转的单比特逻辑门对应的微波脉冲信号，直流脉冲控制电极用于施加控制量子比特绕Z轴旋转的单比特逻辑门或两比特逻辑门对应的直流脉冲信号。故微波脉冲电极也可称为XY(控制)电极，直流脉冲控制电极也可称为Z(控制)电极，下同。
对于频率可调的超导量子芯片系统，在一个量子比特的Z方向施加直流脉冲，所产生的串扰会改变其他比特的频率。因此，为了提高逻辑门的保真度，在对一个量子比特的Z方向控制电极施加直流脉冲时，可以同时对其他量子比特的Z方向的控制电极施加一个补偿直流脉冲(即补偿波形)以抵消串扰的影响。
本申请提及的补偿机制，优选适用于频率可调的超导量子比特，但也不限于此类量子比特，其他需要考虑补偿的量子比特体系也落入本申请的保护范围之内。
图3和图4示出了第一事件寄存器与量子比特的两种配置方式。图3和图4以频率可调的超导量子比特为例来进行说明。但是，本领域技术人员根据本说明书的公开可以理解，在诸如半导体量子比特和离子阱量子比特的应用中，也可以使用类似的配置方式。
一方面，在量子芯片系统中，可以将每两个或更多个第一事件寄存器配置给一个第一量子比特，这样，第一事件寄存器的数量是第一量子比特的整数倍。
例如，在图3中，显示了4个第一量子比特Q0、Q1、Q2、Q3。每个量子比特具有XY电极和Z电极：Q0XY电极、Q0Z电极、Q1XY电极、Q1Z电极、Q2XY电极、Q2Z电极、Q3XY电极、Q3Z电极。对第一量子比特的XY电极和Z电极施加波形，可以执行相应的计算操作。
在图3中，为4个第一量子比特Q0、Q1、Q2、Q3设置了8第一事件寄存器301a、301b、302a、302b、303a、303b、304a、304b。通过这8个第一事件寄存器可以控制任意波形发生器同时触发8个控制波形，以施加到相应的电极。在图3中，为了描述的清楚，示出了8个波形发生器311a、311b、312a、312b、313a、313b、314a、314b。这8个波形发生器可以是分开的，也可以被集成在一起。其中，任意波形发生器并不直接产生波形，而是存储有预先生成的波形，通过触发操作将所需的波形发送出去。
另一方面，在量子芯片系统中，可以由一个事件寄存器控制多个控制电极。例如，所述第一事件寄存器包括至少一个第二事件寄存器，每个第二事件寄存器用于控制至少两个第一量子比特的控制电极，此处至少两个是指第一量子比特的个数。
图4示出了第二事件寄存器的一个例子。在图4中，第二事件控制器401用于控制至少两个第一量子比特的Z电极。从第一量子比特的角度来说，每个量子比特仍然对应于两个事件寄存器。但是，事件寄存器总数量少于图3所示的例子。
在这里，可以为相互之间会产生影响的至少两个控制电极配置共同的第二事件寄存器，从而中加强控制的同时，减少事件寄存器的数量。
<量子计算处理系统实施例>
本实施例提供一种量子计算处理系统，该系统例如是图5所示的计算机处理系统500，包括译码转换设备510和量子芯片系统520。其中，译码转换设备510产生量子程序以控制量子芯片系统520的操作。量子芯片系统520例如是上面实施例中所描述的量子芯片系统。
所述译码转换设备510可以包括：用于获取输入程序的输入指令的装置；用于将输入指令中的至少一个第一输入指令转换成第一量子指令的装置，其中，每个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制量子芯片系统中量子比特的、至少两个逻辑门的波形；以及用于输出量子程序的装置，其中，所述量子程序与所述输入程序对应并包含第一量子指令。
输入程序表示在转换为量子程序之前的程序。输入程序可以是通过已有的程序语言表示的程序、通过高级量子语言表示的高级量子程序、由高级量子程序转换成的量子中间表示等。
相应地，输入指令表示在转换为量子指令之前的指令。输入指令可以是通过已有的指令语言表示的指令、通过高级量子语言表示的高级量子指令、由高级量子指令转换成的量子中间表示等。
量子指令是用于生成在特定时间段内控制量子芯片系统中量子比特的波形的指令。逻辑门是在数据处理中实现从输入态到输出态演化的单元。
逻辑门是实现计算的基础。量子计算机和经典计算机都是通过各自的逻辑电路来实现计算过程，这种逻辑电路就是由逻辑门组成。由于两种计算机遵循的规律不同，量子逻辑门和经典逻辑门也有着本质区别。
量子逻辑门例如包括RX门(绕X轴旋转任意角度门)、RY门(绕Y轴旋转任意角度门)、RZ门(绕Z轴旋转任意角度门)、CNOT门(CONTROL-NOT，控制非门)等等。
量子逻辑门可分为单比特量子逻辑门、两比特量子逻辑门等。单量子比特逻辑门例如是RX门、RY门、RZ门等，两比特量子逻辑门例如是CNOT门、CR门(控制相位门)等。
本实施例中，每个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制量子芯片系统中量子比特的、至少两个逻辑门的波形。
在一个例子中，一个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制两个量子比特分别执行X门操作和Y门操作的波形。
在另一个例子中，一个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制两个量子比特分别执行X门操作和Y门操作以及控制两个量子比特执行Z门操作的波形。
第一量子指令中涉及的至少两个逻辑门可以是不同类型的，也可以是相同类型的。
量子程序与输入程序对应，是指量子程序指示的计算机(如量子计算机)的系列操作的预期结果与输入程序指示的计算机(如量子计算机)的系列操作的预期结果相对应。
通过译码转换设备510，至少在一定程度上减少了编码的复杂程度，减少了量子程序的指令开销。
此外，由于指令简洁，可以通过较少的指令(比如一条指令)直接调用波形发生装置产生所需波形，减少从量子指令到触发波形所需的处理时间。
另外，通过这种方式，可以减小上层指令对于量子比特实现方式的依赖程度，从而提高量子程序的可移植性。
另外，通过这种方式，有利于对多个量子比特进行整体控制，从而提高量子比特的整体性能。例如，通过这种方式，可以较方便地对部分量子比特进行补偿。
由于在译码转换设备510中，每个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制量子芯片系统中量子比特的、至少两个逻辑门的波形，因此，译码转换设备510适合与量子芯片系统520进行配合，从而提高整体性能。例如，可以译码转换设备510输出的第一量子指令，同时指示操作一个量子比特的两个控制电极。此外，还可以处于整体考虑，对于某些控制电极执行补偿。
译码转换设备510还可以包括：用于将输入指令中的至少一个第二输入指令转换成第二量子指令的装置，其中，每个第二量子指令用于生成控制量子芯片系统中量子比特的、单个逻辑门的波形，其中，所述量子程序还包括所述第二量子指令。通过这种方式，可以兼容现有技术的基于逻辑门的指令编码方式。
在一个例子中，一个第二量子指令用于触发控制量子芯片系统中量子比特的、单个逻辑门的波形。单个逻辑门例如是RX门、RY门、RZ门、CZ门(控制Z门)、CNOT门等中的某一个逻辑门。
目前，量子程序的一种应用场景是测控实验场景。在测控实验场景中，量子程序较简单，量子比特的数目较少，并且执行的逻辑门的数目较少。这种情况下，基于单个逻辑门描述量子线路不会有较大的指令开销，简便易行。
本实施例中，由于量子程序包括第二量子指令，因此能够适用于测控实验的应用场景。
在一个实施例中，第一输入指令是相对于第二输入指令较为复杂的程序指令。译码转换设备510还可以包括：用于将所述输入指令判断为第一输入指令或第二输入指令的装置。
在一个例子中，第一输入指令是量子计算场景中的输入指令，第二输入指令是测控实验场景下的输入指令，两种场景下的计算复杂度不同，第一输入指令相对于第二输入指令较为复杂。
本实施例中，对输入指令的种类进行判断，即判断输入指令为第一输入指令或第二输入指令。
上述判断可以基于输入指令的种类标识(例如在编写指令时预设了种类标识)进行，也可以基于输入指令的复杂度、长度等进行。
在判断输入指令为第一输入指令的情况下，将第一输入指令转换成第一量子指令。
在判断输入指令为第二输入指令的情况下，将第二输入指令转换成第二量子指令。
本实施例中的译码转换设备510可以兼顾输入指令较为简单的场景和输入指令较为复杂的场景。
在一个实施例中，每个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制量子芯片系统中所有相关量子比特的波形。相关量子比特是用于实现同一量子计算的多个量子比特，例如是同一量子芯片系统包括的所有量子比特。
在一个实施例中，由于第一量子指令可以用于触发控制多个量子比特的波形，因此，通过一个第一量子指令可以控制多个量子比特。在这种情况下，可以减少量子指令中与量子比特对应的操作数，或者第一量子指令不包含与量子比特对应的操作数。
操作数是用于编码执行量子操作的比特信息的立即数。例如，操作数00000000000010表示对第1个量子比特执行某个单量子比特逻辑门操作。操作数00000000001010表示对第1个量子比特和第3个量子比特执行某个两量子比特逻辑门操作。
在译码转换设备510中，通过控制所有相关量子比特，无专门记录操作数，可以减少指令的复杂度，增加系统可扩展性。
在一个实施例中，至少两个逻辑门的波形包括与空操作对应的波形。
对量子比特施加与空操作对应的波形，可以产生空操作，即保持量子比特状态不变的效果。
本实施例中，第一量子指令用于生成与空操作对应的波形，能够实现量子比特的空操作。通过空操作，可以有效控制未参与计算处理的电极的状态，还能够统一波形的总长度，更好适配量子芯片系统。此外，这还可以对某些电极执行补偿。因此，译码转换设备510可以有效地与量子芯片系统520进行配合，从而提高整体性能。
<电子设备实施例>
本实施例提供一种电子设备。如图6所示，电子设备600包括本说明书量子计算处理系统实施例描述的量子计算处理系统500。此外，随着技术的发展，可以使用量子芯片系统来代替在传统电子设备中基于硅的处理部分。在这种情况下，例如，电子设备600可以是量子计算机或者其他具有数据处理功能的电子设备，例如，服务器、加密/解密设备等。
除非明确说明，否则，这里的“第一”、“第二”……仅仅用于区分其后面的名词所指代的事物，而不表示所述事物的先后顺序和/或优先级。
上面的实施例可以互相参考。因此，为了简洁起见，在后面实施例的描述中省略了与前面的实施例重复的部分。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

Claims (12)

1.一种量子芯片系统，包括：
至少一个第一量子比特，每个第一量子比特包括至少两个控制电极；以及
用于控制所述控制电极的第一事件寄存器，其中，每个第一事件寄存器用于存储控制电极的一种控制信号，以及每个第一量子比特对应于至少两个第一事件寄存器；
其中，至少一个第一事件寄存器用于在第一量子比特执行计算操作时向至少一个第一量子比特的至少一个控制电极施加空波形，所述空波形所控制的控制电极不参与所述计算操作的执行，所述空波形对应于其所控制的控制电极的补偿波形。
2.根据权利要求1所述的量子芯片系统，其中，所述第一量子比特是超导量子比特，所述至少两个控制电极包括微波脉冲控制电极和直流脉冲控制电极。
3.根据权利要求1或2所述的量子芯片系统，其中，所述第一事件寄存器包括至少一个第二事件寄存器，每个第二事件寄存器用于控制至少两个第一量子比特的控制电极。
4.根据权利要求3所述的量子芯片系统，其中，每个第二事件寄存器用于控制至少两个第一量子比特的直流脉冲控制电极。
5.一种量子计算处理系统，包括：
译码转换设备，所述译码转换设备产生量子程序以控制量子芯片系统的操作；以及
根据权利要求1-4中的任何一项所述的量子芯片系统。
6.根据权利要求5所述的量子计算处理系统，其中，所述译码转换设备包括：
用于获取输入程序的输入指令的装置；
用于将输入指令中的至少一个第一输入指令转换成第一量子指令的装置，其中，每个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制量子芯片系统中量子比特的、至少两个逻辑门的波形；以及
用于输出量子程序的装置，其中，所述量子程序与所述输入程序对应并包含第一量子指令。
7.根据权利要求6所述的量子计算处理系统，其中，所述译码转换设备还包括：
用于将输入指令中的至少一个第二输入指令转换成第二量子指令的装置，其中，每个第二量子指令用于触发控制量子芯片系统中量子比特的、单个逻辑门的波形，
其中，所述量子程序还包括所述第二量子指令。
8.根据权利要求7所述的量子计算处理系统，其中，第一输入指令是相对于第二输入指令较复杂的程序指令，其中，所述译码转换设备还包括：
用于将所述输入指令判断为第一输入指令或第二输入指令的装置。
9.根据权利要求6所述的量子计算处理系统，其中，每个第一量子指令用于触发在特定时间段内控制量子芯片系统中所有相关量子比特的波形。
10.根据权利要求6或9所述的量子计算处理系统，其中，所述第一量子指令不包含与量子比特对应的操作数。
11.根据权利要求6或9所述的量子计算处理系统，其中，所述至少两个逻辑门的波形包括与空操作对应的波形。
12.一种电子设备，包括根据权利要求5所述的量子计算处理系统。
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