CN111626428A

CN111626428A - 一种超导量子比特的电路结构的显示方法及装置

Info

Publication number: CN111626428A
Application number: CN202010472626.8A
Authority: CN
Inventors: 吴伟
Original assignee: Origin Quantum Computing Technology Co Ltd
Current assignee: Origin Quantum Computing Technology Co Ltd
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2020-09-04

Abstract

本发明公开了一种超导量子比特的电路结构的显示方法及装置，方法包括：在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库，接收用户针对超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；基于第一电路结构和第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；接收用户针对第二电路结构的第二控制操作，根据第二控制操作显示第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构。利用本发明实施例，能够供用户交互体验超导量子计算机内部的超导量子比特的构建过程，展示电路结构逻辑，以加深用户对量子计算的理解，并填补相关技术的空白。

Description

一种超导量子比特的电路结构的显示方法及装置

技术领域

本发明属于量子计算技术领域，特别是一种超导量子比特的电路结构的显示方法及装置。

背景技术

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，例如，能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。

量子计算机的实现需要遵循量子力学规律的量子比特作为基本单元。通常微观世界的电子、原子、或者离子表现出量子特性，而宏观世界的物体的表现是经典的，所以最早量子计算机的演示模型是利用分子中的核自旋作为量子比特，用核磁共振方法控制核自旋来实现量子计算。该方法存在的问题是只能实现为数不多的量子比特，而真正实用的量子计算机必须具备数百到上千个量子比特才能解决实用问题，所以如何实现规模可扩展的量子计算机是一个重要的问题。为了在实践中构造出实用的量子计算机，学者们提出了多种方案，包括超导、核自旋、电子自旋、光学腔、离子阱等。其中超导方案应用了宏观量子效应，并且传承了集成电路工业的先进集成技术，便于规模化集成，近年来得到广泛研究，为实现规模可扩展的量子计算机提供了一条可行的道路。

但是，由于目前公众对超导量子计算机的认识水平十分有限，并且现有技术中也没有相应的终端供用户交互体验，演示超导量子计算机的内部逻辑，以加深对量子计算的理解。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导量子比特的电路结构的显示方法及装置，以解决现有技术中的不足，它能够供用户交互体验超导量子计算机内部的超导量子比特的构建过程，展示电路结构逻辑，以加深用户对量子计算的理解，并填补相关技术的空白。

本申请的一个实施例提供了一种超导量子比特的电路结构的显示方法，包括：

在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库；

接收用户针对所述超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；

基于所述第一电路结构和所述第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；

接收用户针对所述第二电路结构的第二控制操作，根据所述第二控制操作显示所述第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构。

可选的，所述超导量子比特元件库包括以下元件：

电感、约瑟夫森结、超导量子器件干涉仪SQUID。

可选的，所述基于所述第一电路结构和所述第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构，包括：

在所述第一电路结构的特定位置添加所述第一控制操作对应的元件，或将所述特定位置上的当前元件替换为所述第一控制操作对应的元件，得到并以3D建模方式显示超导量子比特的第二电路结构。

可选的，还包括：

接收用户针对所述第二电路结构或所述超导量子比特元件库中的元件的第三控制操作，根据所述第三控制操作显示对该元件的介绍信息。

可选的，根据所述第二控制操作显示所述第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构，包括：

根据第二控制操作，在所述第二电路结构上动态显示所述第二电路结构运行时的电流信号流向，在终端界面的特定区域显示所述第二电路结构运行时的电路能级。

可选的，还包括：接收用户针对所述第二电路结构的放大或还原操作；

响应所述放大或还原操作，对所述第二电路结构进行放大或还原显示。

本申请的又一实施例提供了一种超导量子比特的电路结构的显示装置，包括：

第一显示模块，用于在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库；

第一接收模块，用于接收用户针对所述超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；

第二显示模块，用于基于所述第一电路结构和所述第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；

第三显示模块，用于接收用户针对所述第二电路结构的第二控制操作，根据第二控制操作显示所述第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构。

可选的，所述超导量子比特元件库包括以下元件：

电感、约瑟夫森结、超导量子器件干涉仪SQUID。

可选的，所述第二显示模块，具体用于：

可选的，还包括：第四显示模块，用于接收用户针对所述第二电路结构或所述超导量子比特元件库中的元件的第三控制操作，根据所述第三控制操作显示对该元件的介绍信息。

可选的，所述第三显示模块，具体用于：

可选的，还包括：

第二接收模块，用于接收用户针对所述第二电路结构的放大或还原操作；

第五显示模块，用于响应所述放大或还原操作，对所述第二电路结构进行放大或还原显示。

本申请的又一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项中所述的方法。

本申请的又一实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项中所述的方法。

与现有技术相比，本发明提供一种超导量子比特的电路结构的显示方法，首先，在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库，接收用户针对超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；基于第一电路结构和第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；接收用户针对第二电路结构的第二控制操作，根据第二控制操作显示第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构，从而实现用户交互体验超导量子计算机内部的超导量子比特的构建过程，并展示电路结构逻辑，以加深用户对量子计算的理解，填补相关技术的空白。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种超导量子比特的电路结构的显示方法的计算机终端的硬件结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种超导量子比特的电路结构的显示方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超导量子比特的电路结构的显示装置的结构示意图。

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。

量子计算作为前沿技术领域，社会公众和相关专业初学者对此了解有限，为用户提供在线演示、教育科普及模拟服务等方面的工作任重道远。超导量子系统是当前进展最快、最有希望实现量子计算的系统，对于能够实现量子计算的系统，首先需要构造一个性质优良的量子比特，超导系统中的量子比特由非简谐系统的两个最低能级组成。那么，这个超导系统的量子比特(超导量子比特)是如何构造的呢？为了使用户直观感受量子计算机的结构原理，本发明提供一种超导量子比特的电路结构的显示方法及装置，模拟展示物理量子计算机的内部结构和相关行为，并供用户进行交互体验，提高公众对于量子技术发展带来的深远重大影响的认知，起到科普教育的重要作用。

下面首先详细介绍一种超导量子比特的电路结构的显示方法，该方法可应用于电子设备，如移动终端，具体如手机、平板电脑；如计算机终端，具体如普通电脑、服务器集群等等。

下面以运行在计算机终端上为例对其进行详细说明。图1是本申请实施例的一种超导量子比特的电路结构的显示方法的计算机终端的硬件结构框图。如图1所示，计算机终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储数据的存储器104，可选地，上述计算机终端还可以包括用于通信功能的传输装置106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述计算机终端的结构造成限定。例如，计算机终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。

存储器104可用于存储应用软件的软件程序以及模块，如本申请实施例中的超导量子比特的电路结构的显示方法对应的程序指令/模块，处理器102通过运行存储在存储器104内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

传输装置106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括计算机终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输装置106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输装置106可以为射频(Radio Frequency，RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

参见图2，图2为本发明实施例提供的一种超导量子比特的电路结构的显示方法的流程示意图，可以包括如下步骤：

S201，在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库；

具体的，量子化的LC谐振电路是构造的基础，完整的电路结构通过电容和电感元件串联而成。不过，在终端界面初始化显示的第一电路结构，可以包括电容和元件间的连接导线，但不包括电感。可以通过将电路中预设的特定位置设为断路空缺状态，以供用户后续添加元件，学习体验超导量子比特的构造过程和构造原理。第一电路结构可以3D建模实现，提升用户体验。

超导量子比特元件库可以包括但不限于：电感(电感器)、约瑟夫森结、超导量子器件干涉仪SQUID。

其中，电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组。电感器具有一定的电感，它只阻碍电流的变化。如果电感器在没有电流通过的状态下，电路接通时它将试图阻碍电流流过它；如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将试图维持电流不变。

约瑟夫森结(Josephson junction)是构建超导量子比特的一种非线性元件。在介绍约瑟夫森结前，先介绍约瑟夫森结涉及的一些基本的概念：

超导体：又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。

绝缘体：又称为电介质。它们的电阻率极高。可以简单的将其理解为不容易导电的物体叫做绝缘体。这里需要注意的是：绝缘体和导体，没有绝对的界限。绝缘体在某些条件下可以转化为导体。

约瑟夫森结其实是一种由超导体-绝缘体-超导体构成的类似于三明治形的结构。当中间的绝缘层足够薄时，约瑟夫森结便能体现出不同于一般超导体或是绝缘体更加丰富的行为。

超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，SQUID)是由约瑟夫森结组成的闭环磁通可调装置，是一种能测量微弱磁信号的极其灵敏的仪器，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。在我们的生活中有着广泛的应用。

对于SQUID的原理：当外磁场的磁通量发生变化时，SQUID的等效电流也会发生周期性的变化，即SQUID相对于单个约瑟夫森结具有电流可控的特点，对应的SQUID的能量也是可调的。

S202，接收用户针对所述超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；

具体的，在终端界面显示有超导量子比特元件库中的元件图标，一个图标对应表示一个元件，其本身也可作为功能按钮，供用户点击操作。其中，第一控制操作可以为针对元件图标的点击操作，表示元件被选中，可以通过颜色显示区分选中与未选中状态。

S203，基于所述第一电路结构和所述第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；

具体的，在第一电路结构是上述初始化的不完整的电路结构的情况下，可以在第一电路结构的特定位置添加第一控制操作对应的元件，得到并以3D建模方式显示超导量子比特的第二电路结构。

当然，在第一电路结构也可以是完整的特定位置处设有元件的电路结构。此时，可以将特定位置上的当前元件替换为第一控制操作对应的元件，得到并以3D建模方式显示超导量子比特的第二电路结构。

示例性的，第一电路结构中的特定位置处于断路空缺状态，接收用户对电感的点击操作，响应该点击操作，将电感添加到该位置上，得到一种第二电路结构。

此时，用户可以点击超导量子比特元件库中的约瑟夫森结元件图标，接收并响应该点击操作，将特定位置处的电感替换为约瑟夫森结，得到另一种第二电路结构。

然后，用户可以点击超导量子比特元件库中的SQUID元件图标，接收并响应该点击操作，将特定位置处的约瑟夫森结替换为SQUID，得到再一种第二电路结构。

S204，接收用户针对所述第二电路结构的第二控制操作，根据所述第二控制操作显示所述第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构。

具体的，可以根据第二控制操作，在所述第二电路结构上动态显示第二电路结构运行时的电流信号流向，在终端界面的特定区域显示第二电路结构运行时的电路能级。

其中，可以在终端界面相应区域设置合成功能按钮，第二控制操作可以为针对该合成功能按钮的点击操作，实现第二电路结构的运行，动态显示电流信号沿元件及导线回路的流向，同时显示电路能级结构的图形化展示，电路能级与超导量子比特元件库中的元件一一对应，进一步演示超导量子比特的工作原理。

此时，用户可继续点击超导量子比特元件库中的另一元件，进行特定位置处元件的替换，得到替换后的第二电路结构，然后点击合成功能按钮，继续该替换后的第二电路结构的运行显示步骤。

具体的，在实际应用中，还可以接收用户针对第二电路结构或超导量子比特元件库中的元件的第三控制操作，根据第三控制操作显示对该元件的介绍信息。

其中，第三控制操作可以是触控长按、用户移动光标悬停在元件上面等操作，此时，终端界面会显示针对该元件的介绍文字等信息，便于用户进一步了解超导量子比特的元件结构。

具体的，在实际应用中，还可以接收用户针对第二电路结构的放大或还原操作；响应放大或还原操作，对第二电路结构进行放大或还原显示，从不同角度直观展示量子比特的电路结构细节，加深对量子技术的理解。

实际上，量子化的LC谐振电路是构造的基础，通过电容和电感元件串联而成。为了使得用户了解超导量子比特的构造的原理性(从无到有的追溯过程)，严格意义上，构造出的包括电感的第二电路结构并非超导量子比特的电路结构，但由于其作为构造的原理起源，与真正的超导量子比特关联性极高，故将电感纳入超导量子比特元件库，作为超导量子比特的关联电路结构，从用户学习的角度，具备很强的科普启示。

然而，LC谐振电路作为一个典型的谐振系统，它的所有相邻能级之间的能级差是完全相同的，无法从谐振系统本身选出两个孤立的能级0和1作为量子比特(因为当0跃迁到1时，1总会跃迁到新的能级2，从而造成信息的泄露)。谐振系统能极差的这种简并性可以通过引入非线性元件—约瑟夫森结来消除。

当用约瑟夫森结替换LC谐振电路中的电感后，这个量子系统就不再是简谐系统了。它的能极差简并就被消除了，从而选择能量最低的两个能级作为量子比特的|0>和|1>，该量子比特即为超导量子比特。基于此，接着将单约瑟夫森结纳入超导量子比特元件库，用户可进一步通过利用约瑟夫森结替换电感，构造出超导量子比特的第二电路结构。

但是，该种超导量子比特作为人工结构，不同量子比特的能级差不可避免的存在差异。要实现量子计算，不同量子比特之间的耦合是不可避免的。这就要求每个量子比特的能极差可调，而前面基于单个约瑟夫森结的结构中，能极差并不能调节。为实现这一目标，可以用两个相同的约瑟夫森结并联构成一个环路(超导量子器件干涉仪，SQUID)来代替单个的约瑟夫森结，通过调整SQUID环路内的磁通就可以改变量子比特的能级差。基于此，接着将SQUID纳入超导量子比特元件库，用户可进一步通过利用SQUID替换约瑟夫森结，构造出超导量子比特的第二电路结构，这种电路结构更具实用性。

由此可见，将电感、约瑟夫森结、SQUID依次纳入超导量子比特元件库，是基于用户需求的选择，能够帮助用户和初学者更好了解和体验超导量子比特的构造过程，该过程也是一个循序渐进的探索过程，并且通过3D建模实现展示，浸入性更强，用户体验和认知也更为深入。

可见，在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库，接收用户针对超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；基于第一电路结构和第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；接收用户针对第二电路结构的第二控制操作，根据第二控制操作显示第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构，从而实现用户交互体验超导量子计算机内部的超导量子比特的构建过程，并展示电路结构逻辑，以加深用户对量子计算的理解，填补相关技术的空白。

参见图3，图3为本发明实施例提供的一种超导量子比特的电路结构的显示装置的结构示意图，与图2所示的流程相对应，可以包括：

第一显示模块301，用于在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库；

第一接收模块302，用于接收用户针对所述超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；

第二显示模块303，用于基于所述第一电路结构和所述第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；

第三显示模块304，用于接收用户针对所述第二电路结构的第二控制操作，根据第二控制操作显示所述第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构。

具体的，所述超导量子比特元件库可以包括以下元件：电感、约瑟夫森结、超导量子器件干涉仪SQUID。

具体的，所述第二显示模块，可以具体用于：

具体的，还包括：第四显示模块，用于接收用户针对所述第二电路结构或所述超导量子比特元件库中的元件的第三控制操作，根据所述第三控制操作显示对该元件的介绍信息。

具体的，所述第三显示模块，可以具体用于：

具体的，还可以包括：

本发明实施例还一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体的，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：

S1，在终端界面显示LC谐振电路的第一电路结构、超导量子比特元件库；

S2，接收用户针对所述超导量子比特元件库中任一元件的第一控制操作；

S3，基于所述第一电路结构和所述第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构；

S4，接收用户针对所述第二电路结构的第二控制操作，根据所述第二控制操作显示所述第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构。

具体的，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本发明实施例还提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体的，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

具体的，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

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

1.一种超导量子比特的电路结构的显示方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超导量子比特元件库包括以下元件：

电感、约瑟夫森结、超导量子器件干涉仪SQUID。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一电路结构和所述第一控制操作对应的元件，构建并显示超导量子比特的第二电路结构，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第二控制操作显示所述第二电路结构运行时的信号流向及对应的电路能级结构，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

接收用户针对所述第二电路结构的放大或还原操作；

7.一种超导量子比特的电路结构的显示装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超导量子比特元件库包括以下元件：

电感、约瑟夫森结、超导量子器件干涉仪SQUID。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至6任一项中所述的方法。

10.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至6任一项中所述的方法。