CN111260066A - 一种实现双量子比特门操作的电路 - Google Patents

Abstract

一种实现双量子比特门操作的电路，包括：多个超导量子比特；和各超导量子比特一一对应的量子比特耦合电路；各量子比特耦合电路包括：读取用共平面超导微波谐振腔，和所对应的超导量子比特处于失谐状态，其本征频率根据超导量子比特的状态发生移动；金属电极用于连接外部电路；第一、第二、第三耦合端口分别用于将对应的超导量子比特：耦合于读取用共平面超导微波谐振腔，耦合于共平面微波传输线，耦合到共平面超导微波谐振腔传递桥；微波传输线，用于传输施加在对应的超导量子比特上的微波脉冲信号；微波脉冲信号能够调节以对对应的超导量子比特进行单比特量子逻辑门操作。本发明实施例实现了可调节的受控相位量子逻辑门操作。

Description

一种实现双量子比特门操作的电路

技术领域

本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种实现双量子比特门操作的电路。

背景技术

量子计算机是一种基于量子逻辑电路完成通用计算的设备。相比相关技术中的计算机，量子计算机在解决一些特定问题时所需的运算时间可能大幅度减少，因而受到广泛关注。基于超导材料的量子芯片可以利用半导体技术实现大规模的集成，超导量子比特在量子态制备、选择性操作以及纠错等进行量子计算所需要的关键性指标方面展现出较其他物理体系更为优越的性能，是最有希望实现量子计算机的平台之一。

基于相关理论可知，量子计算的过程是依照量子算法对量子比特进行各种量子逻辑门操作，并从量子比特最终状态获得计算结果的过程，因此完备并且精确的量子逻辑门操作是实现量子计算的基础之一。而量子逻辑门操作的保真度直接影响了量子计算机的设计规模和复杂度。量子逻辑门操作的保真度满足一定阈值时，计算过程中产生的错误才能根据纠错算法被纠正。量子逻辑门操作的保真度越高，实现同样计算能力所需的物理资源也越少。

通过论证，哈达马门(Hadamard Gate)、受控相位门(Controlled Z)和相位偏移门(Phase shift gate，R(π/4))的组合可以实现任意的两比特量子逻辑门操作，因而他们也被称作通用量子门集合。哈达马门和相位偏移门均属单比特量子逻辑门操作，在实验上较易实现，且具有较高保真度；两比特的受控相位门是通用逻辑门几何中的唯一纠缠逻辑门，其实现和保真度的提高都比较困难，是通用量子门操作保真度的主要限制因素和物理实现中的主要难点。目前超导量子计算系统中的受控相位门或其他等价两比特门操作一般需要两个超导量子比特近邻耦合。图1为相关技术中超导量子比特芯片单元的组成框图，如图1所示，包括：超导量子比特1-1、耦合端口1-2、共平面微波传输线1-3、激发量子比特用共平面微波传输线1-4及调节超导量子比特频率的磁通线路1-5；其中，近邻超导量子比特间需要通过电容耦合，需要引入磁通线路调节量子比特频率，以使超导量子比特的共振频率能够动态移动。上述限制使得超导量子芯片的结构变得复杂且保真度受到影响，相互能耦合的超导量子比特的位置与构型完全由硬件微加工固定，无法调节。因而实现可调节的受控相位量子逻辑门操作是急需解决的一个问题。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种实现双量子比特门操作的电路，能够实现可调节的受控相位量子逻辑门操作。

本发明实施例提供了一种实现双量子比特门操作的电路，包括：

多个超导量子比特；

至少一个共平面微波传输线；

至少一个共平面超导微波谐振腔传递桥；

多个量子比特耦合电路，各所述量子比特耦合电路和所述超导量子比特一一对应；各所述量子比特耦合电路分别包括：

读取用共平面超导微波谐振腔，和所对应的超导量子比特处于失谐状态，其本征频率根据超导量子比特的状态发生移动；

金属电极，用于连接外部电路；

第一耦合端口，用于将对应的超导量子比特耦合于所述读取用共平面超导微波谐振腔；

第二耦合端口，用于将超导量子比特对应的所述读取用共平面超导微波谐振腔耦合于所述共平面微波传输线；

第三耦合端口，用于将所对应的超导量子比特耦合到所述共平面超导微波谐振腔传递桥；

微波传输线，用于传输施加在对应的超导量子比特上的微波脉冲信号；所述微波脉冲信号能够调节以对所述对应的超导量子比特进行单比特量子逻辑门操作。

在一种示例性实施中，所述金属电极通过点焊连接至所述外部电路；

其中，所述外部电路用于：产生所述微波脉冲信号，以及读取所述超导量子比特的状态。

在一种示例性实施例中，施加在对应的超导量子比特上的微波脉冲信号包括根据以下一项或任意组合的参数确定的微波脉冲信号：强度、长度和相位。

在一种示例性实施中，所述超导量子比特包括：基于金属薄膜的电容和非线性电感元件构成的量子比特。

在一种示例性实施中，所述单比特量子逻辑门操作和所述双比特量子逻辑门操作之间保真度小于1。

在一种示例性实施中：

所述共平面超导微波谐振腔包括：由金属薄膜结构组成的共平面结构；

所述微波传输线包括：由金属薄膜结构组成的共平面结构。

在一种示例性实施中，所述微波脉冲信号的表达式包括：

Ω₁cos(ω_dt+φ)和Ω₂cos(ω_dt+φ)；

其中，Ω₁、Ω₂和ω_d为微波脉冲信号的振幅和频率，φ为脉冲相位。

在一种示例性实施中：

两个所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量为：

其中，ω₁和ω₂分别为各所述超导量子比特的频率，ω_c为所述共平面超导微波谐振腔传递桥的共振频率，g₁和g₂为各所述超导量子比特与所述共平面超导微波谐振腔传递桥的耦合强度，ω_d＝ω_c+δ＝ω₁+Δ₁＝ω₂+Δ₂，δ、Δ₁、Δ₂分别为激发的微波脉冲信号相对于共平面超导微波谐振腔传递桥和超导量子比特的失谐频率；a⁺(a)为共平面超导微波谐振腔传递桥的光子产生或湮灭算符，

和

分别为各超导量子比特的升降算符。

在一种示例性实施中，所述通过第三耦合端口与同一共平面超导微波谐振腔传递桥实现双超导量子比特的相互耦合，包括：

在微波脉冲信号为第一状态时，打开两个超导量子比特之间的相互作用；

在微波脉冲信号为第二状态时，关闭两个超导量子比特之间的相互作用；

通过微波脉冲信号，控制所述共平面超导微波谐振腔传递桥的相干态在位移和动量坐标系中沿演化轨迹形成封闭路经转换回谐振腔初始态，并在转换回谐振腔初始态时积累一个预设的几何相位；

将积累的所述几何相位结合单个所述超导量子比特的旋转操作，实现受控几何相位的所述双比特量子逻辑门操作；

其中，所述几何相位基于体系的有效哈密顿量确定，所述体系的有效哈密顿量通过所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量确定；所述位移和动量坐标系的位移轴为(a+a⁺)/2，动量轴为 (a-a⁺)/2i。

在一种示例性实施中，所述体系的有效哈密顿量通过以下方式确定：

根据两个所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量，确定所述哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式；

将所述哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式进行第一次幺正变换，获得体系的哈密顿量；

将获得的所述体系的哈密顿量进行第二次幺正变换及参数配置处理后，获得体系的有效哈密顿量；

其中，哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式为：

在Ω₁＜＜Δ₁，Ω₂＜＜Δ₂，g_1，2＜＜Ω_1，2，Δ_1，2，δ＜＜Δ_1，2，|Δ₁-Δ₂|的情况下，体系哈密顿量经过两次幺正变换后为：

I为单位矩阵；所述参数配置处理包括：配置相应的参数，以使

因

在有限传递桥谐振腔光子数的情况下，所述体系的有效哈密顿量为：

所述扩展传播算符为

所述谐振腔相干态为α(t)，所述预设的几何相位

在一种示例性实施中，所述g₁/2π的取值为20±1兆赫兹MHz，所述 g₂/2π的取值为20±1MHz，所述Δ₁/2π的取值为1000±1兆赫兹MHz，所述Δ₂/2π的取值为1000±1兆赫兹MHz，所述Ω₁/2π的取值为200±1MHz，所述Ω₂/2π的取值为200±1MHz，所述g_eff/2π的取值为2±0.7MHz，所述δ/2π的取值为8±1MHz，所述t_gate的取值为125±65纳秒ns。

与相关技术相比，本申请技术方案包括：多个超导量子比特；至少一个共平面微波传输线；至少一个共平面超导微波谐振腔传递桥；多个量子比特耦合电路，各量子比特耦合电路和超导量子比特一一对应；各量子比特耦合电路分别包括：读取用共平面超导微波谐振腔，和所对应的超导量子比特处于失谐状态，其本征频率根据超导量子比特的状态发生移动；金属电极，用于连接外部电路；第一耦合端口，用于将对应的超导量子比特耦合于读取用共平面超导微波谐振腔；第二耦合端口，用于将对应的超导量子比特耦合于共平面微波传输线；第三耦合端口，用于将所对应的超导量子比特耦合到共平面超导微波谐振腔传递桥；微波传输线，用于传输施加在对应的超导量子比特上的微波脉冲信号；微波脉冲信号能够调节以对对应的超导量子比特进行单比特量子逻辑门操作。本发明实施例实现了可调节的受控相位量子逻辑门操作。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为相关技术超导量子比特芯片单元的组成框图；

图2为本发明实施例实现双量子比特门操作的电路的组成框图；

图3为本发明实施例谐振腔相干态在预设坐标系中的运动轨迹示意图；

图4为本发明实施例四个量子比特和传递桥谐振腔耦合的量子芯片电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明实施例提出一种实现双量子比特门操作的电路，包括：

多个超导量子比特；

至少一个共平面微波传输线；

至少一个共平面超导微波谐振腔传递桥；

多个量子比特耦合电路，各所述量子比特耦合电路和所述超导量子比特一一对应；各所述量子比特耦合电路分别包括：

读取用共平面超导微波谐振腔，和所对应的超导量子比特处于失谐状态，其本征频率根据超导量子比特的状态发生移动；

金属电极，用于连接外部电路；

第一耦合端口，用于将对应的超导量子比特耦合于所述读取用共平面超导微波谐振腔；

第二耦合端口，用于将超导量子比特对应的所述读取用共平面超导微波谐振腔耦合于所述共平面微波传输线；

第三耦合端口，用于将所对应的超导量子比特耦合到所述共平面超导微波谐振腔传递桥；

微波传输线，用于传输施加在对应的超导量子比特上的微波脉冲信号；所述微波脉冲信号能够调节以对所述对应的超导量子比特进行单比特量子逻辑门操作。

图2为本发明实施例实现双量子比特门操作的电路的组成框图，如图2 所示，图2仅示意包含两个超导量子比特的实现双量子比特门操作的电路，包括：两个超导量子比特101(制备于101所示区域的超导量子比特)，每一个超导量子比特101分别连接一个第一耦合端口102、一个第二耦合端口103 和一个第三耦合端口104，两个读取用共平面超导微波谐振腔105，一条共平面微波传输线106，两个金属电极107，两条独立的微波传输线108，一个共平面超导微波谐振腔传递桥109及两个调节超导量子比特频率的磁通线路110；其中，每一个超导量子比特101分别：通过第一耦合端口102与其中一个读取用共平面超导微波谐振腔105耦合；通过第二耦合端口103与同一共平面微波传输线106耦合；通过金属电极107连接至外部电路；通过第三耦合端口104与同一共平面超导微波谐振腔传递桥109实现双超导量子比特的相互耦合，以执行双比特量子逻辑门操作；

每一条微波传输线108分别耦合于其中一个超导量子比特101，用于：进行超导量子比特101微波脉冲信号的激发；控制施加于超导量子比特101上的微波脉冲信号，对各超导量子比特101进行单比特量子逻辑门操作；

其中，所述外部电路用于：激发所述超导量子比特101，及读取所述超导量子比特101的状态；所述超导量子比特101和与所述共平面超导微波谐振腔105处于失谐状态；所述共平面超导微波谐振腔105本征频率根据超导量子比特的状态发生移动。

在一种示例性实施例中，共平面超导微波谐振腔本征频率根据超导量子比特的状态发生移动，可以进行超导量子比特量子态的非破坏性测量。

在一种示例性实施例中，所述金属电极通过点焊连接至所述外部电路；

其中，所述外部电路用于：激发超导量子比特，及读取所述超导量子比特的状态。

在一种示例性实施例中，施加在对应的超导量子比特上的微波脉冲信号包括根据以下一项或任意组合的参数确定的微波脉冲信号：强度、长度和相位。

在一种示例性实施例中，本发明实施例微波传输线用于控制施加于所述超导量子比特上的微波脉冲信号，具体包括：

控制施加于所述超导量子比特上的微波脉冲信号的以下一项或任意组合的参数：强度、长度和相位。

在一种示例性实施例中，本发明实施例超导量子比特包括：基于金属薄膜的电容和非线性电感元件构成的量子比特。

在一种示例性实施例中，本发明实施例单比特量子逻辑门操作和所述双比特量子逻辑门操作的保真度小于1。

在一种示例性实施例中：本发明实施例共平面超导微波谐振腔包括：由金属薄膜结构组成的共平面结构；

微波传输线包括：由金属薄膜结构组成的共平面结构。

在一种示例性实施例中，本发明实施例：

独立的微波传输线对两个超导量子比特101分别施加的微波脉冲信号为Ω₁cos(ω_dt+φ)和Ω₂cos(ω_dt+φ)；

其中，Ω₁、Ω₂和ω_d为微波脉冲信号的振幅和频率，φ为脉冲相位。

两个超导量子比特101和共平面超导微波谐振腔传递桥109相互作用的哈密顿量为：

其中，ω₁和ω₂分别为各超导量子比特的频率，ω_c为共平面超导微波谐振腔传递桥的共振频率，g₁和g₂为各超导量子比特与共平面超导微波谐振腔传递桥的耦合强度，ω_d＝ω_c+δ＝ω₁+Δ₁＝ω₂+Δ₂，δ、Δ₁、Δ₂分别为激发的微波脉冲信号相对于共平面超导微波谐振腔传递桥109和超导量子比特的失谐频率；a⁺(a)为共平面超导微波谐振腔传递桥109的光子产生或湮灭算符，

分别为各超导量子比特101的升降算符；

在一种示例性实施例中，本发明实施例共平面超导微波谐振腔传递桥的品质因子为Q；

在一种示例性实施例中，本发明实施例通过第三耦合端口与同一共平面超导微波谐振腔传递桥实现双超导量子比特的相互耦合，包括：

在微波脉冲信号为第一状态时，打开两个超导量子比特之间的相互作用；

在微波脉冲信号为第二状态时，关闭两个超导量子比特之间的相互作用；

通过微波脉冲信号，控制所述共平面超导微波谐振腔传递桥的相干态在位移和动量坐标系中沿演化轨迹形成封闭路经转换回谐振腔初始态，并在转换回谐振腔初始态时积累一个预设的几何相位；

将积累的所述几何相位结合单个所述超导量子比特的旋转操作，实现受控几何相位的所述双比特量子逻辑门操作；

其中，所述几何相位基于体系的有效哈密顿量确定，所述体系的有效哈密顿量通过所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量确定；所述位移和动量坐标系的位移轴(x轴)为(a+a⁺)/2，动量轴(p轴)为(a-a⁺)/2i。

在一种示例性实施例中，执行双比特量子逻辑门操作，包括：

根据所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量，确定体系的有效哈密顿量；

根据确定的所述体系的有效哈密顿量，计算扩展传播算符；

根据计算获得的所述扩展传播算符，确定的所述共平面超导微波谐振腔传递桥的光子相干态在预设坐标系中沿演化轨迹形成封闭路经，转换回谐振腔初始态，并在转换回谐振腔初始态时积累一个预设的几何相位；

将积累的所述几何相位结合单个所述超导量子比特的旋转操作，实现受控几何相位的所述双比特量子逻辑门操作。

在一种示例性实施例中，所述体系的有效哈密顿量通过以下方式确定：

根据两个所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量，确定所述哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式；

将所述哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式进行第一次幺正变换，获得体系的哈密顿量；

将获得的所述体系的哈密顿量进行第二次幺正变换及参数配置处理后，获得体系的有效哈密顿量；

其中，哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式为：

在Ω₁＜＜Δ₁，Ω₂＜＜Δ₂，g_1，2＜＜Ω_1，2，Δ_1，2，δ＜＜Δ_1，2，|Δ₁-Δ₂|的情况下，体系哈密顿量经过两次幺正变换后为：

I为单位矩阵；所述参数配置处理包括：配置相应的参数，以使

在有限传递桥谐振腔光子数的情况下，所述体系的有效哈密顿量为：

所述扩展传播算符为

所述谐振腔相干态为α(t)，所述预设的几何相位

以下就确定体系的有效哈密顿量的相关过程进行简要说明：

哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下为：

当泵浦脉冲强度Ω₁＜＜Δ₁、Ω₂＜＜Δ₂时，经幺正

变换，可得体系的哈密顿量：

其中，

在失谐情况下(g_1，2＜＜Ω_1，2，Δ_1，2，δ＜＜Δ_1，2，|Δ₁-Δ₂|)，经幺正

变换，体系的哈密顿量变换为：

I 单位矩阵；

经参数配置处理得

因为

在有限传递桥谐振腔光子数的情况下，体系的有效哈密顿量可近似保留上式中的后三项，即，

对计算获得的体系的有效哈密顿量，利用贝克-坎贝尔-豪斯多夫 (Baker-Campbell-Hausdorff)关系，计算扩展传播(propagator)算符

其中，

图3为本发明实施例谐振腔相干态在预设坐标系中的运动轨迹示意图，如图3所示，共平面超导微波谐振腔传递桥109的谐振腔相干态α(t)在 (a+a⁺)/2(x轴)和(a-a⁺)/2i(p轴)坐标系中沿一定的轨迹运动，在x轴和p 轴上的投影分别为Re(α(t))和Im(α(t))。当微波脉冲信号的持续时间为

相干态沿x轴和p轴演化轨迹形成一封闭路径，相干态回到初始态完成一个演化周期，积累一个

的几何相位。选取泵浦失谐频率

当微波脉冲信号的持续时间

相干态α(t_gate)＝0，积累一个预设的几何相位

再配合单个超导量子比特的旋转操作，由此完成一个双比特受控几何相位量子逻辑门操作。在此过程中，单个超导量子比特由于受到微波脉冲信号的失谐性驱动，积累一个动力学相位

使用单比特量子操作可以将这个动力学相位消去。此过程积累的几何相位β(t_gate)只依赖于封闭路径的面积，而与演化路径无关，因此具有良好的抗干扰性。

本发明实施例超导量子比特芯片单元是一种基于几何相位的双量子比特受控相位门操作(conditional-phase gate)电路，包括二维共平面微波谐振腔，与二维共平面微波谐振腔失谐耦合的超导量子比特；对任意受泵超导量子比特施加的微波脉冲信号以预设失谐频率(Δ₁、Δ₂)失谐于超导量子比特的各自频率；调节泵浦微波脉冲信号的强度和失谐频率参数，使得各超导量子比特和共平面微波谐振腔传递桥的有效相互作用强度相等；当微波脉冲信号持续特定周期时间

共平面微波谐振腔传递桥中的相干光子态回到初始态，在相空间中完成一个封闭演化路经，对应的体系量子态获得一个几何相位因子。通过恰当地选择泵浦微波脉冲信号的强度、失谐频率和持续时间可以使得体系量子态获得预设的几何相位，再配合单比特量子逻辑门操作，可以实现一个受控相位门操作。

在一种示例性实施例中，g₁/2π的取值为20±1兆赫兹MHz，所述g₂/2π的取值为20±1MHz，所述Δ₁/2π的取值为1000±1兆赫兹MHz，所述Δ₂/2π的取值为1000±1兆赫兹MHz，所述Ω₁/2π的取值为200±1MHz，所述Ω₂/2π的取值为200±1MHz，所述g_eff/2π的取值为2±0.7MHz，所述δ/2π的取值为8±1MHz，所述t_gate的取值为125±65纳秒ns。

上述参数可根据芯片器件参数及电路工作原理进行调节。

在一种示例性实施例中，本发明实施例双超导量子比特与共平面超导微波谐振腔传递桥109构成的受控几何相位逻辑门操作电路可以扩展，在多量子比特-谐振腔耦合体系中实现；图4为本发明实施例四个量子比特和传递桥谐振腔耦合的量子芯片电路图，如图4所示，四个超导量子比特与共平面超导微波谐振腔传递桥耦合体系进行受控几何相位量子逻辑门操作的原理同双量子比特-谐振腔耦合体系类似，可以实现多量子比特间的任意双比特受控相位门操作，具有可重构性。具体包括：对任意受泵浦量子比特施加的微波脉冲信号以失谐频率Δ失谐于超导量子比特的各自频率；调节泵浦微波脉冲信号的强度Ω和失谐频率Δ参数，使得各超导量子比特同共平面微波谐振腔传递桥的有效相互作用常数g_eff相等；选取泵浦失谐频率

当微波脉冲信号持续时间

时

相干态回到初始态，完成一个演化周期，使得α(t_gate)＝0，

积累一个预设的几何相位，再配合单量子比特旋转操作消去动力学相位，实现可重构的任意比特受控几何相位量子逻辑门操作。

本发明实施例可以应用于超导量子计算系统中，相比于依靠动力学相位实现的受控相位门操作，该方案具有明显的抗干扰优势；该方案可以通过控制微波信号实现任意“打开”或者“关闭”两个量子比特之间的有效相互作用，具有可重构性；该方案可对固定频率的量子比特进行受控几何相位调制，不需要调节量子比特的共振频率，因而可以有效的增加量子芯片的设计灵活性，降低量子比特操控微波线路布局的复杂度。

与相关技术相比，本申请技术方案包括：两个超导量子比特，每一个超导量子比特分别连接一个第一耦合端口、一个第二耦合端口和一个第三耦合端口，两个读取用共平面超导微波谐振腔，一条读取用共平面微波传输线，两条独立的激发用微波传输线及一个共平面超导微波谐振腔传递桥；其中，每一个超导量子比特分别：通过第一耦合端口与其中一个读取用共平面超导微波谐振腔耦合；通过第二耦合端口与同一读取用共平面微波传输线耦合；通过金属电极连接至外部电路；通过第三耦合端口与同一共平面超导微波谐振腔传递桥实现双超导量子比特的相互耦合，以执行双比特量子逻辑门操作；每一条激发用微波传输线分别耦合于其中一个超导量子比特，用于：进行超导量子比特微波脉冲信号的激发；控制施加于超导量子比特上的微波脉冲信号，对各超导量子比特进行单比特量子逻辑门操作；其中，所述外部电路用于：激发超导量子比特，及读取所述超导量子比特的状态；所述超导量子比特和与所述读取用共平面超导微波谐振腔处于失谐状态；所述读取用共平面超导微波谐振腔本征频率随所述超导量子比特的状态改变而移动。本发明实施例实现了可调节的受控相位量子逻辑门操作。

“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种实现双量子比特门操作的电路，包括：

多个超导量子比特；

至少一个共平面微波传输线；

至少一个共平面超导微波谐振腔传递桥；

多个量子比特耦合电路，各所述量子比特耦合电路和所述超导量子比特一一对应；各所述量子比特耦合电路分别包括：

读取用共平面超导微波谐振腔，和所对应的超导量子比特处于失谐状态，其本征频率根据超导量子比特的状态发生移动；

金属电极，用于连接外部电路；

第一耦合端口，用于将对应的超导量子比特耦合于所述读取用共平面超导微波谐振腔；

第二耦合端口，用于将超导量子比特对应的所述读取用共平面超导微波谐振腔耦合于所述共平面微波传输线；

第三耦合端口，用于将所对应的超导量子比特耦合到所述共平面超导微波谐振腔传递桥；

微波传输线，用于传输施加在对应的超导量子比特上的微波脉冲信号；所述微波脉冲信号能够调节以对所述对应的超导量子比特进行单比特量子逻辑门操作。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述金属电极通过点焊连接至所述外部电路；

其中，所述外部电路用于：产生所述微波脉冲信号，以及读取所述超导量子比特的状态。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述超导量子比特包括：基于金属薄膜的电容和非线性电感元件构成的量子比特。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述单比特量子逻辑门操作和所述双比特量子逻辑门操作的保真度小于1。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，

所述共平面超导微波谐振腔包括：由金属薄膜结构组成的共平面结构；

所述微波传输线包括：由金属薄膜结构组成的共平面结构。

6.根据权利要求1～5任一项所述的电路，其特征在于，所述微波脉冲信号的表达式包括：

Ω₁cos(ω_dt+φ)和Ω₂cos(ω_dt+φ)；

其中，Ω₁、Ω₂和ω_d为微波脉冲信号的振幅和频率，φ为脉冲相位。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，两个所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量为：

其中，ω₁和ω₂分别为各所述超导量子比特的频率，ω_c为所述共平面超导微波谐振腔传递桥的共振频率，g₁和g₂为各所述超导量子比特与所述共平面超导微波谐振腔传递桥的耦合强度，ω_d＝ω_c+δ＝ω₁+Δ₁＝ω₂+Δ₂，δ、Δ₁、Δ₂分别为激发的微波脉冲信号相对于共平面超导微波谐振腔传递桥和超导量子比特的失谐频率；a⁺(a)为共平面超导微波谐振腔传递桥的光子产生或湮灭算符，

和

分别为各超导量子比特的升降算符。

8.根据权利要求1～5任一项所述的电路，其特征在于，所述通过第三耦合端口与同一共平面超导微波谐振腔传递桥实现双超导量子比特的相互耦合，包括：

在微波脉冲信号为第一状态时，打开两个超导量子比特之间的相互作用；

在微波脉冲信号为第二状态时，关闭两个超导量子比特之间的相互作用；

通过微波脉冲信号，控制所述共平面超导微波谐振腔传递桥的相干态在位移和动量坐标系中沿演化轨迹形成封闭路经转换回谐振腔初始态，并在转换回谐振腔初始态时积累一个预设的几何相位；

将积累的所述几何相位结合单个所述超导量子比特的旋转操作，实现受控几何相位的所述双比特量子逻辑门操作；

其中，所述几何相位基于体系的有效哈密顿量确定，所述体系的有效哈密顿量通过所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量确定；所述位移和动量坐标系的位移轴为(a+a⁺)/2，动量轴为(a-a⁺)/2i。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述体系的有效哈密顿量通过以下方式确定：

根据两个所述超导量子比特和所述共平面超导微波谐振腔传递桥相互作用的哈密顿量，确定所述哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式；

将所述哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式进行第一次幺正变换，获得体系的哈密顿量；

将获得的所述体系的哈密顿量进行第二次幺正变换及参数配置处理后，获得体系的有效哈密顿量；

其中，哈密顿量在ω_d的旋转坐标系下的表达式为：

在Ω₁＜＜Δ₁，Ω₂＜＜Δ₂，g_1，2＜＜Ω_1，2，Δ_1，2，δ＜＜Δ_1，2，|Δ₁-Δ₂|的情况下，体系哈密顿量经过两次幺正变换后为：

I为单位矩阵；所述参数配置处理包括：配置相应的参数，以使

因

在有限传递桥谐振腔光子数的情况下，所述体系的有效哈密顿量为：

所述扩展传播算符为

所述谐振腔相干态为α(t)，所述预设的几何相位

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述g₁/2π的取值为20±1兆赫兹MHz，所述g₂/2π的取值为20±1MHz，所述Δ₁/2π的取值为1000±1兆赫兹MHz，所述Δ₂/2π的取值为1000±1兆赫兹MHz，所述Ω₁/2π的取值为200±1MHz，所述Ω₂/2π的取值为200±1MHz，所述g_eff/2π的取值为2±0.7MHz，所述δ/2π的取值为8±1MHz，所述t_gate的取值为125±65纳秒ns。

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