CN111275196A - 一种超导量子计算单比特门序列的优化方法及设备、介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超导量子计算单比特门序列的优化方法及设备、介质，用以解决输入的微波脉冲序列时间跨度过长，会导致量子比特退化，导致超导量子计算结果的不确定性的问题。该方法根据预设规则，确定单比特门序列对应的旋转操作；根据单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；根据量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；根据等效旋转轴和等效旋转角度，确定单比特门序列对应的优化脉冲序列。本方法可缩短单比特门序列对应的微波脉冲输入的时间跨度，从而能够在引起量子比特的退相干程度最小的前提下得到相同的量子比特末态，提高计算的准确性。

Description

一种超导量子计算单比特门序列的优化方法及设备、介质

技术领域

本申请涉及超导量子计算技术领域，尤其涉及一种超导量子计算单比特门序列的优化方法及设备、介质。

背景技术

随着科技的发展，超导量子计算的应用越来越广泛。

在超导量子计算中，单比特门通常会与具有特定参数的微波脉冲相对应。于是，在采用单比特门组合序列，对单个量子比特进行操作时，通常会确定出单比特门组合序列对应的微波脉冲序列，以进行相应的操作。

但是，受到现有的微结构加工技术不成熟、噪声屏蔽不彻底等问题的限制，单个量子比特的退相干时间和能量弛豫时间是有限的。

因此，在采用单比特门组合序列，对单个量子比特进行操作时，若输入的微波脉冲序列时间跨度过长，就会导致量子比特退相干和能量弛豫，从而影响超导量子计算的结果，并导致了超导量子计算结果的不确定性。

发明内容

本申请实施例提供一种超导量子计算单比特门序列的优化方法及设备、介质，用以解决输入的微波脉冲序列时间跨度过长，会导致量子比特退相干和能量弛豫，从而影响超导量子计算的结果，并导致了超导量子计算结果的不确定性的问题。

本申请实施例提供的一种超导量子计算单比特门序列的优化方法，包括：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

在一个示例中，根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作，包括：确定量子比特初态对应的Bloch球中的单位矢量；根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的对所述单位矢量进行的旋转操作。

在一个示例中，所述旋转轴为三维坐标轴的x轴、y轴、z轴中的至少一个。

在一个示例中，所述预设规则至少包括以下任意一种：确定泡利-X门对应的旋转操作为以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π；确定哈达玛门对应的旋转操作为先以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π，再以y轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π/2。

在一个示例中，根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度，包括：确定所述量子比特初态的位置；确定所述量子比特末态的位置；确定所述量子比特从初态的位置到末态的位置所对应的等效旋转轴和等效旋转角度，作为所述单比特门序列对应的优化操作。

在一个示例中，所述等效旋转角度不大于π。

在一个示例中，根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列，包括：根据所述预设规则，确定所述等效旋转轴和等效旋转角度对应的优化脉冲序列。

在一个示例中，所述方法还包括：采用所述优化脉冲序列，对所述量子比特进行操作。

一种超导量子计算单比特门序列的优化的设备，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

一种超导量子计算单比特门序列的优化的非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

本申请实施例提供的方案，至少包括以下有益效果：

可对单比特门序列的操作组合进行整合，从而将单比特门序列对应的多个脉冲序列等效为一个或几个微波脉冲，减少了进行操作的微波脉冲的数量，获得优化脉冲序列。

通过对脉冲序列进行优化，能够最大限度的缩短单比特门序列对应的微波脉冲输入的时间跨度，从而可以保证在较短的时间内，就能完成针对量子比特初态的一系列单比特门操作。

于是，通过缩短微波脉冲输入的时间跨度，能够在引起量子比特的退相干程度最小的前提下得到相同的量子比特末态，提高计算的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种超导量子计算单比特门序列的优化方法流程图；

图2为本申请实施例提供的超导量子计算单比特门序列操作原理示意图；

图3为本申请实施例提供的超导量子计算单比特门序列对应在Bloch球上的旋转操作示意图；

图4为本申请实施例提供的超导量子计算单比特门序列对应在Bloch球上的优化操作示意图；

图5为本申请实施例提供的超导量子计算单比特门序列的优化的设备结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种超导量子计算单比特门序列的优化方法流程图，具体包括以下步骤：

S101：根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作。

在本申请实施例中，服务器可根据针对单个量子比特所采用的单比特门序列，确定单比特门序列中包括的各个单比特门，并确定各单比特门对应的旋转操作。

具体的，服务器可确定量子比特初态在布洛赫Bloch球中对应的单位矢量。之后，服务器可根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作，并根据确定出的旋转操作，对单位矢量进行相应的操作。其中，量子比特初态表示量子比特还未经单比特门操作的初始态。

单比特门对量子比特进行的旋转操作包括旋转轴以及旋转角度。旋转轴表示量子比特对应的单位矢量进行旋转时依据的直线，旋转角度表示量子比特对应的单位矢量待旋转的角度的大小。

在一个实施例中，Bloch球中量子比特对应的单位矢量的旋转轴可以是三维坐标轴中的x轴、y轴、z轴中的至少一个。

在一个实施例中，预设规则可至少包括以下任意一项：确定泡利-X门(以下称X门)对应的旋转操作为以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π；确定哈达玛Hadamard门(以下称H门)对应的旋转操作为先以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π，再以y轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π/2。

并且，预设规则还可包括表1中的相应规则。

表1

在表1中，第一列“旋转角度”与第二列“旋转轴”分别为相应的门操作对量子比特所做的旋转操作，第三列“对应的微波脉冲”表示相应的门操作对应的微波脉冲。

S102：根据单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态。

在本申请实施例中，根据单比特门序列对应的各旋转操作，可对量子比特初态进行相应的旋转，并得到量子比特末态。其中，量子比特末态表示量子比特在经过相应的门操作后的最终态。

在一个实施例中，为进一步地解释清楚，以图2为例进行说明。如图2所示，单比特门序列包括X门与H门，量子比特经过X门与H门的处理后，可经过状态测量，获得量子比特末态。

根据上文可知，X门对量子比特的旋转操作为以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π。H门对量子比特的旋转操作为先以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π，再以y轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π/2。

如图3所示，图中的加粗箭头表示量子比特对应的单位矢量，图中的球形表示Bloch球。则图3中左上角的图形表示量子比特的初态，此时量子比特为初态为|0>态，沿-z方向的单位矢量。

经过X门的处理，量子比特以x轴为旋转轴，旋转了π角度，得到图中右上角的|1>态，沿+z方向的单位矢量。

经过H门的处理，量子比特以x轴为旋转轴，旋转了π角度，又以y轴为旋转轴，旋转了π/2角度，得到沿-x方向的单位矢量，由此得到图中左下角的量子比特的末态。

S103：根据量子比特初态以及量子比特末态，确定单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度。

在本申请实施例中，服务器可根据量子比特的初态以及末态，确定由量子比特初态得到量子比特末态所需进行的等效旋转操作，包括等效旋转轴与等效旋转角度。于是，该等效旋转操作可作为单比特门序列对应的优化操作。

具体的，服务器可首先确定量子比特初态的位置，以及量子比特末态的位置。根据量子比特初态以及量子比特末态，可得到由初态的位置到末态的位置时，对应的等效旋转轴与等效旋转角度。根据等效旋转轴与等效旋转角度对量子比特进行操作，可期望得到与单比特门序列操作后相同的量子比特末态。

其中，等效旋转角度应不大于π角度。于是，服务器可根据该条件，确定对量子比特进行旋转时对应的旋转方向。

沿用上例，如图4所示，图中左半部表示量子比特的初态，右半部表示经过本例中的单比特门序列操作后的量子比特的末态。根据图中所示的量子比特的初态与量子比特的末态，可确定将量子比特初态以y轴为等效旋转轴，旋转π/2的等效旋转角度，即可得到图中所示的量子比特的末态。于是，本例中包括X门与H门的单比特门序列，可简化为该等效旋转操作，该等效旋转操作能起到与该单比特门序列操作相同的效果。

S104：根据等效旋转轴和等效旋转角度，确定单比特门序列对应的优化脉冲序列。

在本申请实施例中，服务器可根据单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度，确定相应的优化脉冲序列。该优化脉冲序列为对原先的微波脉冲序列的简化与优化，通过该优化脉冲序列，可代替单比特门序列对应的原先的微波脉冲序列，完成量子比特从初态到末态过程的实现。

具体的，服务器可根据预设规则，以及等效旋转轴和等效旋转角度，确定相应的微波脉冲，以获得优化脉冲序列。

其中，预设规则可包括上述表1中的规则，则第三列表示根据等效旋转角度、等效旋转轴分解所得的脉冲序列。

沿用上例，根据包括X门与H门的单比特门序列对应的等效旋转轴y轴，以及等效旋转角度π/2角度，可确定对应的脉冲序列为Y/2，即为优化脉冲序列。

根据单比特门序列包括的X门、H门对应的旋转操作，确定原先的脉冲序列包括X，X，Y/2三个微波脉冲，而经过等效后，确定的优化脉冲序列仅包括Y/2一个微波脉冲，可见，经过等效实现了对微波脉冲的优化。

于是，服务器在对量子比特进行旋转操作时，可直接根据优化脉冲序列，对量子比特进行操作，预期可以得到与原单比特门操作组合输入所对应的相同末态。

在本申请实施例中，通过将单比特门序列操作与Bloch球中量子比特的一系列旋转操作相对应，可确定量子比特的初态与末态。根据量子比特的初态与末态的对比，可获得实现量子比特的初态到末态操作的等效旋转操作，从而获得相应的优化脉冲序列。

这种方法可对单比特门序列的操作组合进行整合，从而将单比特门序列对应的多个脉冲序列等效为一个或几个微波脉冲，减少了进行操作的微波脉冲的数量，获得优化脉冲序列。

通过对脉冲序列进行优化，能够最大限度的缩短单比特门序列对应的微波脉冲输入的时间跨度，从而可以保证在较短的时间内，就能完成针对量子比特初态的一系列单比特门操作。

于是，通过缩短微波脉冲输入的时间跨度，能够在引起量子比特的退相干程度最小的前提下得到相同的量子比特末态，提高计算的准确性。

基于同样的思路，本申请的一些实施例还提供了上述方法对应的设备和非易失性计算机存储介质。

图5为本申请实施例提供的对应于图1的超导量子计算单比特门序列的优化的设备的一种结构示意图，所述设备包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

本申请的一些实施例提供的对应于图1的一种超导量子计算单比特门序列的优化的非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

本申请实施例提供的设备和介质与方法是一一对应的，因此，设备和介质也具有与其对应的方法类似的有益技术效果，由于上面已经对方法的有益技术效果进行了详细说明，因此，这里不再赘述设备和介质的有益技术效果。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种超导量子计算单比特门序列的优化方法，其特征在于，包括：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作，包括：

确定量子比特初态对应的Bloch球中的单位矢量；

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的对所述单位矢量进行的旋转操作。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转轴为三维坐标轴的x轴、y轴、z轴中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设规则至少包括以下任意一种：

确定泡利-X门对应的旋转操作为以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π；

确定哈达玛门对应的旋转操作为先以x轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π，再以y轴为旋转轴进行旋转，旋转角度为π/2。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度，包括：

确定所述量子比特初态的位置；

确定所述量子比特末态的位置；

确定所述量子比特从初态的位置到末态的位置所对应的等效旋转轴和等效旋转角度，作为所述单比特门序列对应的优化操作。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述等效旋转角度不大于π。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列，包括：

根据所述预设规则，确定所述等效旋转轴和等效旋转角度对应的优化脉冲序列。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用所述优化脉冲序列，对所述量子比特进行操作。

9.一种超导量子计算单比特门序列的优化的设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

10.一种超导量子计算单比特门序列的优化的非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于，所述计算机可执行指令设置为：

根据预设规则，确定单比特门序列中各单比特门对应的旋转操作；所述旋转操作包括旋转轴、旋转角度；

根据所述单比特门序列对应的各旋转操作，对量子比特初态进行相应的旋转，得到量子比特末态；

根据所述量子比特初态以及量子比特末态，确定所述单比特门序列对应的等效旋转轴和等效旋转角度；

根据所述等效旋转轴和等效旋转角度，确定所述单比特门序列对应的优化脉冲序列。

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