CN112149832B - 量子比特的频率控制信号处理方法、超导量子芯片 - Google Patents

量子比特的频率控制信号处理方法、超导量子芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种量子比特的频率控制信号处理方法、装置、超导量子芯片以及存储介质，方法包括：为目标量子比特配置第一方波脉冲；当第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；当第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对目标量子比特进行量子层析测量，以确定目标量子比特的状态；基于目标量子比特进行量子层析测量结果，确定目标量子比特的频率控制信号的畸变量；基于目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对频率控制信号进行调整；由此，不但可以实现对超导量子比特频率控制信号的畸变进行测量，而且可以利用测量出的传递函数的性质对控制线路进行修正，从而达到对比特实现快速的频率偏置。

Description

量子比特的频率控制信号处理方法、超导量子芯片
技术领域
本发明涉及信号处理技术，尤其涉及一种量子比特的频率控制信号处理方法、装置、超导量子芯片及存储介质。
背景技术
超导芯片上的量子比特(Qubit quantum bit)是量子态的载体，携带有量子信息。超导量子计算具有运行速度快的优点，得到人们广泛应用，量子计算分为单比特逻辑门计算和两比特逻辑门计算，两比特逻辑门包括量子态交换操作、受控非门操作(CNOTcontrollednon-gate operation)以及受控相位门操作(controlled phase gateoperation，CZ)等。超导量子芯片的调控和读取是量子计算物理实现的重要环节，高精度量子调控和读取技术可提高量子计算结果的准确性。由于量子比特芯片通常处于极低温(约10mK的温度)，室温的控制设备产生的信号需要经过一系列线路到达超导量子芯片上，在此过程中，由于线路本身会引入额外的电容电感，以及线路对高频信号的趋肤效应会导致实际比特感受的磁场变化与所期望的不同，波形的形状会出现一定的畸变，这个畸变会对多比特门的精度以及速度产生非常大的影响。同时由于这部分畸变主要来自于低温部分的器件、线材、芯片及封装，因而会随着温度而发生变化。因此无法直接在室温下对畸变进行校准。因而必须在低温下利用比特本身对畸变进行测量。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种量子比特的频率控制信号处理方法、装置、超导量子芯片及存储介质，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种量子比特的频率控制信号处理方法，所述方法包括：
确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；
为所述目标量子比特配置第一方波脉冲；
当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；
当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量；
基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数；
调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量；
基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整。
本发明实施例还提供了一种量子比特的频率控制信号处理装置，所述装置包括：
信号传输模块，用于确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；
信号处理模块，用于为所述目标量子比特配置第一方波脉冲；
所述信号处理模块，用于当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；
所述信号处理模块，用于当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量；
所述信号处理模块，用于基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数；
所述信号处理模块，用于调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量；
所述信号处理模块，用于基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整。
本发明实施例还提供了一种超导量子芯片，所述超导量子芯片包括：
存储器，用于存储可执行指令；
处理器，用于运行所述存储器存储的可执行指令时，实现前述的量子比特的频率控制信号处理方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时实现前序的量子比特的频率控制信号处理方法。
本发明实施例具有以下有益效果：
本发明通过确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；为所述目标量子比特配置第一方波脉冲；当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量；基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数；调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量；基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整，由此，通过发明所提供的量子比特的频率控制信号处理方法，不但可以实现对超导量子比特频率控制信号的畸变进行测量，从中分析出传递函数的性质；而且可以利用测量出的传递函数的性质对控制线路进行修正，从而达到对比特实现快速的频率偏置，同时在比特相干性较差的情况下本申请所提供的量子比特的频率控制信号处理方法仍然能够对畸变进行有效测量，减少测量误差。
附图说明
图1为本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理方法的使用场景示意图；
图2为本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置的组成结构示意图；
图3为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理一个可选的过程示意图；
图4为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理一个可选的过程示意图；
图5为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理效果示意图；
图6为量子比特的频率控制信号处理方法一个可选的过程示意图；
图7为量子比特的频率控制信号处理方法一个可选的过程示意图；
图8为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理一个可选的过程示意图；
图9为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
1)响应于，用于表示所执行的操作所依赖的条件或者状态，当满足所依赖的条件或状态时，所执行的一个或多个操作可以是实时的，也可以具有设定的延迟；在没有特别说明的情况下，所执行的多个操作不存在执行先后顺序的限制。
2)基于，用于表示所执行的操作所依赖的条件或者状态，当满足所依赖的条件或状态时，所执行的一个或多个操作可以是实时的，也可以具有设定的延迟；在没有特别说明的情况下，所执行的多个操作不存在执行先后顺序的限制。
3)超导量子比特，利用约瑟夫森结形成的超导量子电路。
4)频率控制信号，控制量子比特的直流偏置信号。
5)量子层析测量(Quantum State Tomograpy,QST)，量子层析测量，利用量子层析测量可以测量出完整的量子态。
6)传递函数，用于描述系统输入输出关系的函数
下面对本发明实施例所提供的量子比特的频率控制信号处理方法进行说明，其中，图1为本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理方法的使用场景示意图，参见图1，其中，超导量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。相比传统计算机，超导量子计算机在解决一些特定问题时运算效率可大幅提高，因而受到广泛关注。超导量子芯片可以利用相关的半导体工艺技术实现大规模的集成，同时，超导量子比特在相互作用控制、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，是最有希望实现超导量子计算机的平台之一。具体来说，超导量子计算机主要包括超导量子芯片和用于芯片控制和测量的硬件系统，硬件系统主要包括各种微波频段的信号发生器和和各种微波频段的器件，包括不限于滤波器、放大器、隔离器等，以及配备微波传输线的稀释制冷机。超导量子计算机的关键技术是对超导量子芯片上量子比特状态的精密操控和准确测量，超导量子比特的本征能量处于吉赫兹(GHz)的微波波段，实现量子门操作和量子态的读取需要对超导量子比特施加特定相位、幅度和持续时间的脉冲微波信号，故而超导量子计算机需要大量GHz微波频段的信号源和GHz采样率的任意波形信号调制。另外，超导量子比特需要保持在毫开尔文的温度下降低热噪声以长时间的维持超导量子比特的相干状态，一般选择使用稀释制冷机为超导量子芯片提供低温环境。稀释制冷机需要配备微波传输线，将室温制备的微波信号传递给处于低温状态的超导量子比特。如图1所示，其中，控制子系统用于控制量子比特Qubit状态进行量子计算，例如单比特逻辑门计算和两比特逻辑门计算；超导量子芯片用于承载量子计算信息；测量子系统用于读取Qubit最终状态并获得量子计算的计算结果。将超导量子芯片置于低温环境中，控制子系统按照量子计算操作的需求产生脉冲调制信号，将一系列微波脉冲序列输入到超导量子芯片，对Qubit的量子态进行操作，所有操作完成后，测量系统输出测量脉冲信号到超导量子芯片，通过返回的信号变化得到Qubit的状态信息，最终得到计算结果。
下面对本发明实施例的量子比特的频率控制信号处理装置的结构做详细说明，量子比特的频率控制信号处理装置可以各种形式来实施，如带有量子比特的频率控制信号处理装置处理功能的超导量子芯片，也可以为设置有量子比特的频率控制信号处理装置处理功能的集成芯片，例如前序图1中的超导量子芯片200。图2为本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置的组成结构示意图，可以理解，图2仅仅示出了量子比特的频率控制信号处理装置的示例性结构而非全部结构，根据需要可以实施图2示出的部分结构或全部结构。
本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置包括：至少一个处理器201、存储器202、用户接口203和至少一个网络接口204。量子比特的频率控制信号处理装置中的各个组件通过总线系统205耦合在一起。可以理解，总线系统205用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统205除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图2中将各种总线都标为总线系统205。
其中，用户接口203可以包括显示器、键盘、鼠标、轨迹球、点击轮、按键、按钮、触感板或者触摸屏等。
可以理解，存储器202可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。本发明实施例中的存储器202能够存储数据以支持终端中的超导量子芯片中的操作。这些数据的示例包括：用于在终端的超导量子芯片上操作的任何计算机程序，如操作系统和应用程序。其中，操作系统包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序可以包含各种应用程序。
在一些实施例中，本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置可以采用软硬件结合的方式实现，作为示例，本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置可以是采用硬件译码处理器形式的处理器，其被编程以执行本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理方法。例如，硬件译码处理器形式的处理器可以采用一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，ComplexProgrammable Logic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable GateArray)或其他电子元件。
作为本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置采用软硬件结合实施的示例，本发明实施例所提供的量子比特的频率控制信号处理装置可以直接体现为由处理器201执行的软件模块组合，软件模块可以位于存储介质中，存储介质位于存储器202，处理器201读取存储器202中软件模块包括的可执行指令，结合必要的硬件(例如，包括处理器201以及连接到总线205的其他组件)完成本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理方法。
作为示例，处理器201可以是一种超导电子芯片，具有信号的处理能力，例如通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其中，通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。
作为本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置采用硬件实施的示例，本发明实施例所提供的装置可以直接采用硬件译码处理器形式的处理器201来执行完成，例如，被一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)或其他电子元件执行实现本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理方法。
本发明实施例中的存储器202用于存储各种类型的数据以支持量子比特的频率控制信号处理装置的操作。这些数据的示例包括：用于在量子比特的频率控制信号处理装置上操作的任何可执行指令，如可执行指令，实现本发明实施例的从量子比特的频率控制信号处理方法的程序可以包含在可执行指令中。
在另一些实施例中，本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理装置可以采用软件方式实现，图2示出了存储在存储器202中的量子比特的频率控制信号处理装置，其可以是程序和插件等形式的软件，并包括一系列的模块，作为存储器202中存储的程序的示例，可以包括量子比特的频率控制信号处理装置，量子比特的频率控制信号处理装置中包括以下的软件模块信号传输模块2081和信号处理模块2082。当量子比特的频率控制信号处理装置中的软件模块被处理器201读取到RAM中并执行时，将实现本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理方法，其中，量子比特的频率控制信号处理装置中各个软件模块的功能，包括：
信号传输模块2081，用于确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；
信号处理模块2082，用于为所述目标量子比特配置第一方波脉冲；
所述信号处理模块2082，用于当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；
所述信号处理模块2082，用于当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量；
所述信号处理模块2082，用于基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数；
所述信号处理模块2082，用于调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量；
所述信号处理模块2082，用于基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整。
在介绍本申请所提出的量子比特的频率控制信号处理方法之前，首先对相关技术的频率控制信号处理方式进行介绍，具体来说，在多超导量子比特系统中，比特频率的调节通常可以用于多比特量子门操作的生成，对形成多比特纠缠，进行通用量子计算有着至关重要的作用。通常量子比特频率可以利用穿过回路中的磁通进行调节，即可以使用电流产生的磁通对量子比特频率进行控制。由于量子比特芯片通常处于极低温(约10mK的温度)，室温的控制设备产生的信号需要经过一系列线路到达超导量子芯片上，在此过程中，由于线路本身会引入额外的电容电感，以及线路对高频信号的趋肤效应会导致实际比特感受的磁场变化与所期望的不同，波形的形状会出现一定的畸变，这个畸变会对多比特门的精度以及速度产生非常大的影响。同时由于这部分畸变主要来自于低温部分的器件、线材、芯片及封装，因而会随着温度而发生变化。因此无法直接在室温下对畸变进行校准。因而必须在低温下利用比特本身对畸变进行测量。
这一过程中，假设通过测量，得到了线路的传递函数为H(f)，其对应的时域为h(t)，其中H(f)与h(t)为傅里叶变换的关系，即：
Figure BDA0002716040700000091
因此任意的信号Zin(t)经过线路之后，会变成Zout(t)＝h(t)*Zin(t)，其中*表示卷积过程，具体参考公式1：
Figure BDA0002716040700000092
进一步地，则需要对信号进行标准的去卷积处理，使得、到达超导量子比特的信号是符合期望的信号。假设所期望的信号为Z0(t)其频域为Z0(f)＝F[Z0(t)]。线路部分的传递函数形式为H(f)，对应的时域为h(t)，则令室温控制设备输出Z(t)的信号，Z(t)的频域函数Z(f)满足公式2：Zin(t)
Figure BDA0002716040700000093
其中，F[Z(t)]表示傅里叶变换，具体参考公式3，
Figure BDA0002716040700000094
而信号Z(t)经过了线路，到达超导量子比特后，Zout(t)＝h(t)*Z(t)＝Z0(t)则为所期望的Z0(t)。
参考图3，图3为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理一个可选的过程示意图，其中，畸变的测量主要是利用量子比特对于方波的响应来进行，可以主要利用量子层析测量(QST Quantum State Tomography)，测量在量子比特在施加了方波之后的响应，具体来说主要分成Experiment和Reference两部分。Experiment部分主要用来测量响应，而Reference部分则是用来作为参考。具体来说，Experiment部分步骤为：1)控制在目标量子比特上施加绕X轴转动角度
Figure BDA0002716040700000101
2)在目标量子比特上施加长度为L、幅值为A的方波；3)等待时间τ之后，进行QST测量；4)重构出比特的密度矩阵ρ，记录此时比特的相位φexpt＝argρ01；5)改变时间τ，重复前序步骤1)-4)的过程。
Reference部分步骤为：1)在目标量子比特上施加绕X轴转动的
Figure BDA0002716040700000102
2)在目标量子比特上施加长度为L、幅值为0的方波，即等待时间L；3)等待时间τ之后，进行QST测量；4)重构出比特的密度矩阵ρ，记录此时比特的相位φref＝argρ01；5)改变时间τ，重复步骤1)-步骤4)的过程。最终的数据为Δφ＝φexpt-φref。这样就测得了比特对于方波的响应。
参考图4，图4为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理一个可选的过程示意图，在数据处理部分，主要有以下几个步骤：
步骤401：对传递函数进行建模处理。
其中，传递函数表示参考公式4：
Figure BDA0002716040700000103
其中{Ak，γk}为建模参数，分别表示幅值(Ak)以及对应的衰减常数(γk)，N表示传递函数中衰减常数的数目。
步骤402：根据传递函数对输入的方波函数Rect(t，A，L)进行计算，得出经过传递函数之后的波形v(t)。
步骤403：根据比特频率与信号大小的关系fq(z)，得出比特频率随时间的变化函数fq(v(t))。
步骤404：对比特频率进行积分，得出相位的变化关系φq(t)。
步骤405：确定实际比特的响应。
具体可以利用步骤404所获得的函数关系φq(t)对处理数据Δφ(τ)以τ作为自变量，Δφ(τ)作为因变量，拟合函数φq(t)，得出最佳的建模参数{γk，Ak}，作为实际比特的响应。
在获得实际的传递函数之后，继续执行相应的标准的去卷积过程。
参考图5，图5为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理效果示意图，其中，相关的测量方案存在如下问题：
第一，由于方波是在
Figure BDA0002716040700000111
之后施加至量子比特上，方波自身也会使量子比特进行相位积累。因此单纯从处理结果上无法判断在某一个时间τ时，量子比特是否已经处于无偏置状态(即频率调制信号为0)，即从处理结果上无法判断当τ是什么数值的时候，由于方波畸变带来的量子比特频率的偏移已经几乎消除。同时由于拟合函数中主要是e指数函数的拟合，因此常数项会对整体函数的拟合参数产生较大影响，从而导致对传递函数中系数的分析产生明显偏差。
第二，由于在方波作用至比特之前，比特处于|0>-i|1>态，因此方波的时间L与后续等待的时间τ不能太长，否则超过了量子比特的相干性，得到的相位信息便是无效的。对于这种情况，则要求比特的相干性要足够好，要超过最小的衰减常数γk的倒数的三倍左右，即T2-3/min{γk}，这样才能保证拟合的过程相对可靠(即步骤405所示)。
第三，与第二点类似，由于相关方案受比特相干性的影响，无法在衰减常数γk较小(即对应的衰减时间1/γk较大)的情况下进行有效的测量。而对于目前通用的量子芯片封装PCB，通常而言，其衰减常数均比较小，γk大约在1/(50us)至1/(10us)左右，即对应的衰减时间大约会在10us-50us左右。这样就要求T2要接近30us-150us左右。而目前频率可调的超导量子比特，其T2通常处于10us附近。因此，相关方案几乎无法在当前量子比特上进行有效的测量。
第四，相关方案中，由于比特相干性的影响，方波的长度L以及等待的时间τ，均需要在比特的相干性T2之内。对于方波长度L，当L小于实际的衰减时间1/γk时，会发生方波的上升沿与下降沿形成相互影响的问题。这个会导致实际测量得到的结果与真实情况出现较大的偏差，如图5所给出的偏差示意。当方波的时间没有小于衰减时间1/γk的3倍时，实际输出的波形(如图5中的signal out)中，与在方波结束之后形成的响应与长时间的方波相比会有一定的差别(如图5中的signal out 2，其方波的长度L＝1500)。这说明当方波长度不够时，会使得方波的下降沿与上升沿之间形成相互影响。
图5示出了信号的输入与信号的输出。衰减常数γk＝0.002＝1/500，对应幅值为：Ak＝-0.1。signal in为输入方波，其开始时间为-500，结束时间为0，对应的畸变输出为signal out这条线。signal out 2是开始时间为-1500，结束时间为0的输入方波对应的输出信号。
第五，相关方案需要进行对比处理，如图5中所示的Experiment和Reference。只有进行了对比处理，才能进行比较准确的拟合。否则，量子比特频率在处理过程中的略微偏移会造成最终的相位φexpt中再额外叠加一个随时间τ线性增加的相位，造成最终拟合的不准确。
为了克服上述缺陷，本申请提供了一种量子比特的频率控制信号处理方法，由超导量子芯片实现，参考图6，图6为量子比特的频率控制信号处理方法一个可选的过程示意图，具体包括以下步骤：
步骤601：量子比特的频率控制信号处理装置确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特。
其中，超导量子芯片是实现量子计算的核心结构，超导量子芯片是由大量量子比特构成的，每个量子比特由设置在量子芯片上的特定硬件电路构成，每个量子比特具备至少两个可区分的逻辑状态，基于量子程序，量子比特的逻辑状态可以发生可控变化，进而实现量子计算。所述量子比特的频率控制信号用于作用在量子芯片的量子比特上改变量子比特的逻辑状态。
步骤602：量子比特的频率控制信号处理装置为所述目标量子比特配置第一方波脉冲。
在本发明的一些实施例中，所述为所述目标量子比特配置第一方波脉冲，可以通过以下方式实现：
确定所述目标量子比特对应的第一方波脉冲的冲脉冲长度与脉冲幅值；确定所述第一方波脉冲的脉冲结束时间作为所述量子比特进行迭代测量的起始时间。其中，在目标量子比特上施加长度为L幅值为A的方波，以方波的结束时刻作为时间零点t＝0。
量子比特初始处于|0>态，在施加第一个操作，即施加一个长度为L，幅值为A的方波之后(步骤601之后)，仍然处于|0>。这一步利用一个方波形成一个下降沿(上升沿)。这个下降沿(上升沿)可以近似为一个阶跃函数，而所形成的畸变，则可以认为是系统的阶跃响应，从阶跃响应的结果可以直接导出系统的传输性质。另一方面，由于量子比特一直处于|0>态，不存在退相干过程或是能量弛豫的过程，因此方波的长度L可以远比量子比特的相干性长，从而消除量子比特相干性对方波长度的限制，由此，解决了现有技术中无法在当前量子比特上进行有效的测量的缺陷。通常而言，考虑实际情况下，畸变大约在方波结束后50us左右就会接近为0，因此通常L会选择50us附近。如果实际情况下，畸变在比较短的时间内就趋于0的话，方波的长度也可以选择比较短的。例如，当畸变在方波结束后1us左右的时间便趋于0，则方波的长度可以选择为1us。需要注意的是，这里方波长度L的选择不需要非常精确，只需满足方波的上升沿和下降沿之间没有明显的相互影响即可。为了便于后续说明，在一个实施例中，将方波结束的时刻记为t＝0。
步骤603：量子比特的频率控制信号处理装置当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离。
其中，在等待了时间τ之后，即在t＝τ时刻在量子比特上施加Y/2操作，使得比特处于|0>+|1>态，其中在量子比特上施加Y/2操作可以使得目标量子比特绕Y轴转动π/2角度，进一步地，当不能确定目标量子比特的转动角度时，还可以控制目标量子比特绕Y轴转动相应的位移量达到绕Y轴转动π/2角度的相同效果。随后等待时间t0，在这段过程中，由于方波产生了畸变，在方波结束后，仍然会存在有一部分的频率调节信号，因此量子比特会在t＝τ至t＝τ+t0这段时间内积累相位。然后在t＝τ+t0时刻进行QST的测量。需要注意的是，这里t0一般不能太短，否则这段时间内相位积累则会太小，不利于测量，而同时t0也不宜过大，否则超过了量子比特的相干性T2会导致后续的QST测量无意义。处理过程中发现t0的选择通常只需要在200ns以上就可保证测量的准确性。当前的量子比特的相干性通常在us量级，因此t0选择在200ns-1us这个范围内是一个相对合适的数值，在处理上是完全可行的。
步骤604：量子比特的频率控制信号处理装置当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量。
由此，可以根据量子层析测量的结果，确定相应的量子比特的状态，例如某一时间点的量子比特状态(量子态)处于|0>态；或者，某一时间点的量子比特状态(量子态)处于|1>态，其中，|>表示狄拉克符号。
步骤605：量子比特的频率控制信号处理装置基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数。
在本发明的一些实施例中，当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量，可以通过以下方式实现：
基于所述第一时间阈值和所述第二时间阈值，确定所述相位累积时间区域；基于所述相位累积时间区域，对所述目标量子比特进行量子层析测量。
在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：
根据所述量子比特进行迭代测量的起始时间和所述第一时间阈值，确定所述量子比特对应的第一相位参数；基于所述第一时间阈值和所述第二时间阈值，确定所述量子比特的第二相位参数；基于所述第一相位参数和所述第二相位参数，确定不同测量时刻中所述目标量子比特的相位参数与所述第一时间阈值的对应关系。其中，由于QST测量的结果中，可以重构出量子比特的密度矩阵ρ(τ+t0)，并记录此时量子比特的相位信息φ(τ+t0)＝argρ01(τ+t0)。
其中，ρ01(τ+t0)＝<0|ρτ+t0|1>。后面再对时间τ进行改变，重复之前的过程(第1)-4)过程)，得出φ与τ的对应关系。由于τ的数值选择与量子比特的相干性T2没有联系，可以远远大于T2，因此，可以在实际的处理中测量非常大的数值，使得此时能够观察到比特的相位接近稳定。这样就能保证在拟合过程中获取比较准确的参数估计，由此解决了现有技术中常数项会对整体函数的拟合参数产生较大影响，从而导致对传递函数中系数的分析产生明显偏差的缺陷。
另一方面，在整个测量方案中t0保持不变。因此即使在处理过程中，量子比特的频率标定的与真实的结果有轻微的误差，其在时间t∈[τ,τ+t0]这段时间内造成的相位偏移是固定的，即由于比特频率标定不准确造成的相位偏移为2πδft0这个相位偏移与变化的时间τ是无关的，因此不会影响到最终的拟合，也无需进行对比处理解决了现有技术中只有进行了对比处理，才能进行准确拟合的缺陷，节省了使用成本。
步骤606：量子比特的频率控制信号处理装置调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量。
继续参考图7，图7为量子比特的频率控制信号处理方法一个可选的过程示意图，可以由超导量子芯片实现，具体包括以下步骤：
步骤701：基于所述迭代测量的结果，确定与所述目标量子比特的频率控制信号相匹配的传递函数。
步骤702：根据所述传递函数，确定所述第一方波脉冲经过所述传递函数后的波形特征。
步骤703：基于所述目标量子比特的频率与所述频率控制信号的关系，确定所述目标量子比特的频率与测量时间的关系。
步骤704：对所述目标量子比特的频率进行积分处理，确定第三相位参数。
步骤705：基于所述第三相位参数，确定所述目标量子比特的相位参数与所述第一时间阈值的拟合表达式，以实现通过所述拟合表达式确定所述传递函数中的不同参数进行优化，并通过经过优化的传递函数确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量。
当确定目标量子比特的频率控制信号的畸变量之后还可以继续执行步骤607。
步骤607：量子比特的频率控制信号处理装置基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整。
在本发明的一些实施例中，基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整，可以通过以下方式实现：
基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，确定相对应的期望频率控制信号、频域参数、所述目标量子比特传输线路中的传递函数，以及所述传递函数对应的时间域参数；确定所述目标量子比特的实时频率控制信号，以及所述实时频率控制信号对应的频域函数；对所述实时频率控制信号进行去卷积处理，以实现实时频率控制信号对应的频域函数满足所述期望频率控制信号、频域参数、所述目标量子比特传输线路中的传递函数以及实时频率控制信号所构成的去卷积表达式。
其中，其中，参考图8，图8为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理一个可选的过程示意图，其中，数据的处理主要分成下面步骤：
对传递函数进行建模，用一组参数{pk}进行描述，即传递函数写为H(f,{pk})，其时域为h(t,{pk})。这里可以任意选择H(f,{pk})的形式，同样也可以选择公式5所示出的形式：
Figure BDA0002716040700000161
其中{pk}为{Ak，γk}；
根据传递函数对输入的幅值为A，长度为L的方波Rect(t，A，L)进行计算，得出方波在经过传递函数之后的波形，记为v(t)，v(t)＝h(t,{pk})*Rect(t，A，L)，这里*表示卷积运算。需要注意的是时间零点的选择可以是任意的，在一个实施例中，以方波的结束时刻作为时间零点t＝0。
根据比特频率与直流控制信号大小的关系fq(z)，得出在施加了方波之后，比特频率随时间变化的关系fq(v(t))，这里主要考察t≥0的情况。对于t＜0的情况，由于t＜0时，方波还未结束，即阶跃信号尚未产生，因此可以不需要考虑。
对量子比特的频率fq(v(t))进行积分，得到相位。由于处理上测到的相位φ，为t∈[τ,τ+t0]这段时间内，由于方波畸变造成的比特频率偏移的相位累积。因此其理论上可以通过公式6进行计算：
Figure BDA0002716040700000171
其中fq(0)则表示当频率调制信号为0时比特的频率。由于fq(v(t)),fq(0),τ,t0均已知，因而公式(6)可以完全确定。
将处理数据(τ,φ)利用公式(6)进行拟合，拟合过程中，以处理数据点τ作为公式(6)中的自变量τ，处理数据φφ作为函数的值，同时传入处理的参数t0，以传递函数的建模参数{pk}作为优化变量，进行数值优化，得出最佳的建模参数
Figure BDA0002716040700000172
这里数值优化的方式可以有多种选择。通常可以选择无梯度的优化算法，比如Nelder–Mead算法、Powell算法，CMA-ES算法等等。
由上一步得出的最佳建模参数
Figure BDA0002716040700000173
代入前述模型，得到传递函数
Figure BDA0002716040700000174
利用前文所述的标准的去卷积方法，对波形进行修正(公式(3))，使得最终到达比特上的信号是所期望的信号。
通过以上方式，就可以对控制信号的波形畸变进行测量以及修正。考虑到公式(4)这种形式的传递函数可以比较好的描述实际体系的行为，这里进行详细的说明。对于形如公式(4)的传递函数，假设方波长度为L，幅值为A，结束时间为t＝0，即方波函数Rect(t，A，L)满足公式7：
Rect(t，A，L)＝A[Heav(t+L-Heav(t))]公式7
其中Heav(t)为单位阶跃函数，其定义为公式8：
Figure BDA0002716040700000181
则经过传递函数之后，v(t)可以参考公式9：
Figure BDA0002716040700000182
将公式(9)的形式代入比特fq与其控制信号大小z的关系fq(z)中即可得到比特频率随时间变化的关系fq(v(t))。再代入公式(6)中，进行数值积分便可得到φ与τ，t0的关系。
由此，参考图9，图9为本发明实施例中量子比特的频率控制信号处理效果示意图，其中，图9示出了对于一个频率可调型的Transmon型的超导量子比特的频率控制信号的畸变的测量数据。该量子比特的相干性数据为能量弛豫时间T1≈15us，相位相干时间T2≈8us。处理测量方法可以根据前序实施例中所提供的信号处理方法，其中选取的参数为方波的长度为40us，幅值为A＝0.5(0.5代表任意波形发生器的幅值，与实际电压呈线性关系)，公式(6)中的t0选择为500ns，τ由10ns变化至40us。处理的测量结果如图9中空心圆点所示。从图9上可以看出，处理的结果随着时间τ的增大，总体呈现相位趋向于0的结果。从处理结果上看，当τ为40us附近，相位已经接近稳定。从这个结果上，能够估计出实际控制信号畸变所对应的最大的时间衰减常数大约在10-20us左右。因而，选择τ最长为40us这个数值是相对合理的。同时选择方波的长度L＝40us也能够将其上升沿和下降沿之间的相互影响减到比较小的程度。
图5中的实线部分是根据前序实施例中的拟合方法进行的拟合。其中，传递函数的模型选择参考公式5，并且选定数量N＝3。从拟合结果上看，拟合的效果比较好，处理的数据点基本处于拟合线上。最终拟合的参数参考表1：
表1
Figure BDA0002716040700000191
从拟合数据上看，三个衰减常数对应的时间分别是
Figure BDA0002716040700000192
Figure BDA0002716040700000193
其中最长的时间常数为11.454us，这与前面的对衰减时间的预估是符合的。
进一步地，在本发明的一些实施例中还可以进行数据校准进程，在数据校准过程中拟合得到的参数，进行对传递函数的建模。得到的处理结果为图8中的空心五角星所示的数据。由此可以确定，量子比特的相位随时间τ没有明显的变化，因此，本申请所提供的量子比特的频率控制信号处理方法对传递函数的测量准确性较高。从而利用测量出的传递函数的性质对控制线路进行修正，达到对比特实现快速的频率偏置。
有益技术效果：
本发明实施例通过确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；为所述目标量子比特配置第一方波脉冲；当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量；基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数；调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量；基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整，由此，通过发明所提供的量子比特的频率控制信号处理方法，不但可以实现对超导量子比特频率控制信号的畸变进行测量，从中分析出传递函数的性质；而且可以利用测量出的传递函数的性质对控制线路进行修正，从而达到对比特实现快速的频率偏置，同时在比特相干性较差的情况下本申请所提供的量子比特的频率控制信号处理方法仍然能够对畸变进行有效测量，减少测量误差。
以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种量子比特的频率控制信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：
确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；
为所述目标量子比特配置第一方波脉冲；
当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；
当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量；
基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数；
调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量；
基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为所述目标量子比特配置第一方波脉冲，包括：
确定所述目标量子比特对应的第一方波脉冲的冲脉冲长度与脉冲幅值；
确定所述第一方波脉冲的脉冲结束时间作为所述量子比特进行迭代测量的起始时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量，包括：
基于所述第一时间阈值和所述第二时间阈值，确定所述相位累积时间区域；
基于所述相位累积时间区域，对所述目标量子比特进行量子层析测量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述量子比特进行迭代测量的起始时间和所述第一时间阈值，确定所述量子比特对应的第一相位参数；
基于所述第一时间阈值和所述第二时间阈值，确定所述量子比特的第二相位参数；
基于所述第一相位参数和所述第二相位参数，确定不同测量时刻中所述目标量子比特的相位参数与所述第一时间阈值的对应关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，包括：
基于所述迭代测量的结果，确定与所述目标量子比特的频率控制信号相匹配的传递函数；
根据所述传递函数，确定所述第一方波脉冲经过所述传递函数后的波形特征；
基于所述目标量子比特的频率与所述频率控制信号的关系，确定所述目标量子比特的频率与测量时间的关系；
对所述目标量子比特的频率进行积分处理，确定第三相位参数；
基于所述第三相位参数，确定所述目标量子比特的相位参数与所述第一时间阈值的拟合表达式，以实现通过所述拟合表达式确定所述传递函数中的不同参数进行优化，并通过经过优化的传递函数确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整，包括：
基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，确定相对应的期望频率控制信号、频域参数、所述目标量子比特传输线路中的传递函数，以及所述传递函数对应的时间域参数；
确定所述目标量子比特的实时频率控制信号，以及所述实时频率控制信号对应的频域函数；
对所述实时频率控制信号进行去卷积处理，以实现实时频率控制信号对应的频域函数满足所述期望频率控制信号、频域参数、所述目标量子比特传输线路中的传递函数以及实时频率控制信号所构成的去卷积表达式。
7.一种量子比特的频率控制信号处理装置，其特征在于，所述装置包括：
信号传输模块，用于确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；
信号处理模块，用于为所述目标量子比特配置第一方波脉冲；
所述信号处理模块，用于当所述第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，控制所述目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离；
所述信号处理模块，用于当所述第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，对所述目标量子比特进行量子层析测量；
所述信号处理模块，用于基于所述目标量子比特进行量子层析测量结果，重构所述目标量子比特的密度矩阵，以及所述目标量子比特的相位参数；
所述信号处理模块，用于调整所述第一时间阈值，对所述标量子比特进行迭代测量，以实现通过所述迭代测量的结果，确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量；
所述信号处理模块，用于基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，对所述频率控制信号进行调整。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述信号处理模块，用于确定所述目标量子比特对应的第一方波脉冲的冲脉冲长度与脉冲幅值；
所述信号处理模块，用于确定所述第一方波脉冲的脉冲结束时间作为所述量子比特进行迭代测量的起始时间。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述信号处理模块，用于基于所述第一时间阈值和所述第二时间阈值，确定所述相位累积时间区域；
所述信号处理模块，用于基于所述相位累积时间区域，对所述目标量子比特进行量子层析测量。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述信号处理模块，用于根据所述量子比特进行迭代测量的起始时间和所述第一时间阈值，确定所述量子比特对应的第一相位参数；
所述信号处理模块，用于基于所述第一时间阈值和所述第二时间阈值，确定所述量子比特的第二相位参数；
所述信号处理模块，用于基于所述第一相位参数和所述第二相位参数，确定不同测量时刻中所述目标量子比特的相位参数与所述第一时间阈值的对应关系。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述信号处理模块，用于基于所述迭代测量的结果，确定与所述目标量子比特的频率控制信号相匹配的传递函数；
所述信号处理模块，用于根据所述传递函数，确定所述第一方波脉冲经过所述传递函数后的波形特征；
所述信号处理模块，用于基于所述目标量子比特的频率与所述频率控制信号的关系，确定所述目标量子比特的频率与测量时间的关系；
所述信号处理模块，用于对所述目标量子比特的频率进行积分处理，确定第三相位参数；
所述信号处理模块，用于基于所述第三相位参数，确定所述目标量子比特的相位参数与所述第一时间阈值的拟合表达式，以实现通过所述拟合表达式确定所述传递函数中的不同参数进行优化，并通过经过优化的传递函数确定所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量。
12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述信号处理模块，用于基于所述目标量子比特的频率控制信号的畸变量，确定相对应的期望频率控制信号、频域参数、所述目标量子比特传输线路中的传递函数，以及所述传递函数对应的时间域参数；
所述信号处理模块，用于确定所述目标量子比特的实时频率控制信号，以及所述实时频率控制信号对应的频域函数；
所述信号处理模块，用于对所述实时频率控制信号进行去卷积处理，以实现实时频率控制信号对应的频域函数满足所述期望频率控制信号、频域参数、所述目标量子比特传输线路中的传递函数以及实时频率控制信号所构成的去卷积表达式。
13.一种超导量子芯片，其特征在于，所述超导量子芯片包括：
存储器，用于存储可执行指令；
处理器，用于运行所述存储器存储的可执行指令时，实现权利要求1至6任一项所述量子比特的频率控制信号处理方法。
14.一种计算机可读存储介质，存储有可执行指令，其特征在于，所述可执行指令被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述量子比特的频率控制信号处理方法。
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