CN112331693B - 一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构及操作方法，其特征在于包括：若干可调耦合器以及若干量子比特；所述量子比特与所述可调耦合器交替排布，且所述可调耦合器的静态频率、相邻的所述量子比特以及与同一所述可调耦合器相邻的各所述量子比特的频率均处于不同频带中；各所述量子比特均设置有单独的微波驱动线XY，各所述可调耦合器均设置有单独的磁通偏置线Z，通过在微波驱动线XY上或磁通偏置线Z上施加驱动信号，实现单比特门、两比特门或多比特受控相位门。本发明可以广泛应用于超导量子计算领域。

Description

一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构及操作方法

技术领域

本发明涉及一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构及操作方法，属于超导量子计算领域。

背景技术

相比其他实现量子计算的物理方案，超导量子计算的优势主要在于更强的可拓展性。超导量子计算使用人造原子(量子比特)作为基本的操控单元，虽然制造包含大量量子比特的超导量子芯片不存在原则上的困难，但是在拓展超导量子芯片时会引入更多缺陷，例如控制线路之间的串扰、多比特寄生耦合等问题，影响量子门的保真度。如何在拓展超导量子芯片的同时保证高保真度的量子门，是实现大规模超导量子计算需要解决的重要问题。

通常来说，量子门操作误差主要源自三部分：量子比特的退相干，门操作方案中非理想的相互作用(例如寄生耦合)以及非理想的控制信号，下面分别进行简单介绍。

(1)量子比特的退相干：由于量子比特与外部环境存在耦合，量子比特的退相干是不可避免的，尽管近年来超导量子比特的退相干时间有了大幅提升(接近百微秒量级)，退相干依旧是主要的门操作误差来源。量子比特的退相干是一种随机性误差，一般由量子芯片和系统噪声决定，难以在控制方案上改进。在比特寿命一定的情况下，降低门操作的时间是最直接有效的方法。

(2)非理想的相互作用：以目前广泛使用的传输子型量子比特(Transmon)为例，其非谐性较低(约为量子比特频率的1/30～1/10)，在微波控制中，随着门操作时间的降低，脉冲信号的频谱变宽，态泄露难以避免。对于多比特情形，复杂的寄生耦合使得门操作过程中产生各种非理想的相互作用。如何通过合理的频率排布减弱寄生耦合的影响，即缓解频率拥挤(Frequency Crowding)问题，近年来得到越来越多的关注。

(3)非理想的控制信号：主要包括控制波形的失真和串扰。波形失真直接影响单比特和多比特门的控制精度。实验上需要大量的校准工作来部分修正波形。控制信号的串扰问题是多比特操作中的常见问题，串扰的校准随着比特数目增加变得困难，并且很难彻底消除。

根据上述三点，现有研究中多通过下列方法提升量子门操作的保真度：

(1)使用退相干时间更长的量子比特设计：一般不可调频的量子比特受外部噪声的影响更小，退相干时间更长；

(2)引入额外的结构解决多比特系统中的寄生耦合问题；

(3)使用鲁棒性更强的绝热门方案，降低波形失真等问题的影响。

目前主流的超导量子芯片拓展方案(以及相应的两比特门操作方案)包括以下几种：

1、可调频的量子比特近邻排布。相邻量子比特之间直接耦合。两比特门通过调制量子比特的频率实现。常见的方案包括利用比特的高能级构造受控相位门(Controlled-phase或C-phase)、将相邻量子比特调制共振状态实现量子态的交换门(包括SWAP，iSWAP，bSWAP和他们的部分交换变种)。这种方案的优点是：结构简单、两比特门操作速度快。缺点是：可调频量子比特受磁通噪声影响，退相干时间差、磁通串扰严重、寄生耦合严重。

2、不可调频的量子比特近邻排布。相邻量子比特之间直接耦合。两比特门通过特定的强微波驱动实现，主要包括交叉共振驱动门(Cross-resonance或CR)、高能级辅助的C-phase门。优势：不可调频的量子比特具备更长的退相干时间；芯片结构简单，控制线路简单(和单比特门共用驱动线)。劣势：寄生相互作用严重；门操作速度慢；串扰问题严重。

3、可调频的量子比特与一个公共的微波谐振腔耦合。与近邻耦合不同，量子比特之间利用谐振腔进行虚光子交换，耦合强度与谐振腔的频率相关。量子比特之间不存在直接耦合(或耦合可忽略)。两比特门操作过程与方案1相似。优点：结构相对简单，两比特门速度快。缺点：拓展性受限(每个谐振腔可耦合的量子比特数有限)，量子比特退相干时间较短。

4、不可调频的量子比特通过公共的可调谐振腔耦合。量子比特之间不存在直接耦合(或耦合可忽略)。通过对耦合器的频率进行特定的参数调制，可以实现特定比特之间的量子态交换。优点：布线简单，量子比特退相干时间长，没有串扰问题。缺点：虽然使用耦合器解决部分寄生耦合问题，但哈密顿量中有很多不共振(off-resonant)的高阶耦合项，在强调制下，这些耦合项会显著影响门操作保真度，从而限制了门操作的速度。

5、可调频的量子比特与可调频的耦合器交替排布。量子比特之间存在弱的直接耦合，同时通过可调耦合器间接耦合。两比特门方案：将相邻量子比特调制到共振状态，通过调制耦合器的频率实现量子比特净耦合的开关，构造SWAP门。优点：门操作速度快；可以消除系统中的寄生耦合问题，理论保真度高；保真度受波形失真影响较小。缺点：磁通串扰问题严重，量子比特退相干差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构及操作方法，其具有易拓展和高保真度特点，解决了传统超导量子芯片中，寄生耦合严重、控制信号串扰严重、控制线路复杂、绝热门操作速度慢等问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其包括：若干可调耦合器以及若干量子比特；所述量子比特与所述可调耦合器交替排布，且所述可调耦合器的静态频率、相邻的所述量子比特以及与同一所述可调耦合器相邻的各所述量子比特的频率均处于不同频带中；各所述量子比特均设置有单独的微波驱动线XY，各所述可调耦合器均设置有单独的磁通偏置线Z，通过在微波驱动线XY上或磁通偏置线Z上施加驱动信号，实现单比特门、两比特门或多比特受控相位门。

进一步地，所述量子比特采用不可调频的Transmon结构，所述Transmon结构由一个约瑟夫森结和一个电容并联而成。

进一步地，所述电容的典型范围为70-100fF，所述约瑟夫森结的临界电流典型值为20nA。

进一步地，所述可调耦合器的静态偏置频率典型范围为7-9GHz；所述量子比特的频率典型范围为5-7GHz；所述量子比特与所述可调耦合器之间的直接耦合强度典型范围为80-120MHz，所述量子比特间的耦合强度典型范围为5-10MHz。

进一步地，任意相邻的、与同一所述可调耦合器存在直接耦合的两量子比特之间的耦合强度g_ij满足如下关系：

g_ij≈0.5g_icg_jc(1/(ω_c-idle-ω_i)+1/(ω_c-idle-ωj))

其中，g_ic表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g_jc表示第j个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；ω_i、ω_j、ω_c分别表示第i个量子比特、第j个量子比特和可调耦合器的频率；ω_c-idle表示不加磁通调制信号时，可调耦合器的静态频率。

本发明的第二个方面，是提供一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构的操作方法，其包括以下步骤：

1)对超导量子芯片结构进行分析，得到该超导量子芯片结构中基本操作单元的哈密顿量；

2)基于步骤1)得到的基本操作单元的哈密顿量对应的能级结构，确定该能级结构下对基本操作单元操作的方法，以实现单比特门和多比特受控相位门。

进一步地，所述步骤1)中，所述基本操作单元由N个量子比特和一个可调耦合器构成，而N个量子比特通过一个可调耦合器耦合的哈密顿量表示为：

其中，ω_i、α_i分别表示第i个量子比特的频率和非谐；ω_c、α_c分别表示可调耦合器的频率和非谐；g_ic表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g_ij表示第i个量子比特和第j个量子比特之间的耦合强度；+表示厄密共轭；为约化普朗克常数。

进一步地，所述步骤2)中，单比特门的操作方法为：

在微波驱动线XY上施加一个与对应量子比特共振的微波脉冲，实现量子态的激发，并通过改变微波脉冲的振幅、时间、相位，实现量子态在布洛赫球上的任意翻转，实现任意的单比特门；

多比特门的操作方法为：

在磁通偏置线Z上施加磁通调制脉冲信号，使得所述可调耦合器的频率与所述量子比特的频率差远大于两者之间的耦合强度，即|ω_i-ω_c|>>g_ic时，两所述量子比特之间的ZZ耦合强度χ小于10kHz，关闭受控相位门；

在磁通偏置线Z上施加磁通调制脉冲信号，使得所述可调耦合器的频率被调制到接近或低于其中一个量子比特的频率时，所述量子比特之间的ZZ耦合强度χ大于10MHz，打开受控相位门，实现受控相位的积累，然后通过控制磁通调制脉冲信号的时间和振幅，对受控相位的积累∫χ(t)dt的大小进行调节，实现特定的受控相位门。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、寄生耦合更小。本发明在量子比特之间引入可调耦合器，可以有效消除传统结构(量子比特直接耦合)中的寄生耦合问题。

2、量子比特退相干时间更长。本发明中量子比特的频率是固定的，不可调频的量子比特避免了磁通噪声对量子比特寿命的影响。而且由于量子比特的频率不可调，与传统的使用可调频量子比特的结构相比，特调制信号串扰更小磁通信号的串扰问题得到解决。

3、两比特受控相位门速度更快。本发明提出的结构中，量子比特与可调耦合器之间的耦合强度在百兆赫兹量级，远大于传统结构，利用这种强耦合优势构造的绝热相位门具备更快的门操作速度。因此，本发明可以广泛应用于超导量子芯片制造领域。

附图说明

图1是本发明提出的两种超导量子芯片结构示意图；图中，“Q_A”和“Q_B”分别为不同频带中的两种频率固定的量子比特，“C”表示可调耦合器；且图1(a)表示一个耦合器和两个量子比特直接耦合；图1(b)表示一个耦合器和三个量子比特直接耦合；图1(c)表示一个耦合器和四个量子比特直接耦合；图1(d)表示一个耦合器和N个量子比特直接耦合；

图2是一维的芯片结构与对应的控制线路；

图3是本发明频带设计的示意图；其中，耦合器的频率处于最高频带，量子比特的频率处于较低的频带，比特的频带之间有一定的间隔；

图4是两个量子比特与耦合器耦合的简化系统的能级结构，每个量子比特与耦合器均考虑最低的三个能级。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：

如图1(a)～图1(d)所示，本发明提出的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，该超导量子芯片包括若干可调耦合器(图中标记为“C”)以及频率固定且被设计在不同频带的若干量子比特(图中标记为“Q”)。其中，量子比特与可调耦合器交替排布，且可调耦合器的静态频率、相邻的量子比特以及与同一可调耦合器相邻的各量子比特的频率均处于不同频带中；各量子比特均设置有单独的微波驱动线XY，通过在微波驱动线XY上施加共振的激励信号，可以实现任意的单比特门；各可调耦合器均设置有单独的磁通偏置线Z，通过在磁通偏置线Z上施加调频信号，能够实现两比特门或任意的多比特受控相位门。

作为一个优选的实施例，超导量子芯片中，可调耦合器与量子比特的比例可以为1:2、1:3、1:4或1：N(分别如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)所示)。

作为一个优选的实施例，量子比特采用不可调频的Transmon结构，该Transmon结构由一个约瑟夫森结与一个大电容并联而成，该结构的优点是结构简单，易于制备，同时免疫电荷噪声、磁通噪声，具备更长的退相干时间。

作为一个优选的实施例，可调耦合器本质上是频率可调的传输子量子比特结构，其由一个超导量子干涉器件(SQUID)和电容并联而成。

作为一个优选的实施例，可调耦合器的静态偏置频率典型范围为7-9GHz,量子比特的频率典型值为5-7GHz，量子比特与可调耦合器之间的直接耦合强度典型范围为80-120MHz,量子比特间的耦合强度典型范围为5-10MHz。

作为一个优选的实施例，在设计量子比特频率时，可以将量子比特交替排布在不同频带中，并确保任意两个相互耦合的量子比特的频率差远大于二者之间的直接耦合强度，即满足色散关系，该频带结构可以有效解决传统结构中量子比特频率拥挤的情况。

基于上述一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，本发明还提供一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构的操作方法，具体的，包括以下步骤：

1)对超导量子芯片结构进行分析，得到该超导量子芯片结构中基本操作单元的哈密顿量。

对超导量子芯片结构进行分析可知，其基本操作单元由N个量子比特和一个可调耦合器构成，而N个量子比特通过一个可调耦合器耦合的哈密顿量可以表示为：

其中，ω_i、α_i分别表示第i个量子比特的频率和非谐；ω_c、α_c分别表示可调耦合器的频率和非谐；g_ic表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g_ij表示第i个量子比特和第j个量子比特之间的耦合强度；+表示厄密共轭；为约化普朗克常数。

2)基于步骤1)得到的基本操作单元的哈密顿量对应的能级结构，确定该能级结构下对基本操作单元进行量子门操作的方法，以实现单比特门和多比特受控相位门。

2.1)单比特门

由于每个量子比特都有一个单独的微波驱动线XY，通过在微波驱动线XY上施加激发信号便可以实现量子比特的激发，即单比特门。

2.2)多比特受控相位门

可调耦合器的频率可以通过在磁通偏置线Z上施加调频信号，对可调耦合器的频率进行调制实现量子比特间耦合(XY耦合)的开关。受Transmon高能级的影响，量子比特间还存在ZZ耦合，ZZ耦合的强度也可以通过改变可调耦合器的频率来调制。

根据优选的实施例，相邻量子比特满足色散关系|ω_i-ω_j|>>g_ij；，在调制可调耦合器频率的过程中，量子比特间耦合(即XY耦合)造成的态交换可以忽略。

量子比特与可调耦合器之间的耦合强度g_ic与量子比特之间直接耦合的强度g_ij满足如下关系：

g_ij≈0.5g_icg_jc(1/(ω_c-idle-ω_i)+1/(ω_c-idle-ω_j)) (2)

该设计参数可以实现高开关比的ZZ耦合；在量子芯片的设计过程中，量子比特间的直接耦合强度g_ij比较接近，而量子比特间的频率差相对较小，也即满足|ω_i-ω_j|＜＜|ω_c-idle-ω_j|≈|ω_c-idle-ω_i|，因此，上述公式(2)对所有与同一个耦合器耦合的“量子比特对”均成立。

利用外加磁通偏置调制量子比特间ZZ耦合的强度，可以实现N个量子比特的通用受控相位门；通过调制磁通脉冲的时间、振幅、波形，可以改变受控相位(ConditionalPhase)的大小；该门操作对应的U矩阵为

其中，|s>＝|s₁，s₂，...，s_N-1，s_N>表示基矢量，＜s|＝<s₁，s₂，...，s_N-1，s_N|表示|s>的厄密共轭，s_k∈[0，1]表示第k个量子比特上的激发数；记总激发数φ_s为相应能态|s>上积累的相位，则：

当N_e＝0时，|s>＝|0，0，...，0，0>，对应的φ_s记为φ₀，φ₀为基态的相位，是系统的全局相位；

当N_e＝1时，假设s_i＝1，其余比特均在0态，对应的积累相位φ_s记为φ_i。除去全局相位后，第i个量子比特的单比特相位对应门操作算符为：

当N_e＝2时，假设s_i＝s_j＝1，其余比特均在0态，对应的积累相位φ_s记为φ_ij。除去单比特相位后的非平庸相位对应第i和第j两个量子比特之间的两比特受控相位门(CP门)的受控相位，对应门操作算符为：

当N_e＝m时，假设对应的积累相位φ_s记为/>除去单比特相位后的非平庸相位对应m比特受控相位门C^{m- 1}P的受控相位；例如，m＝3时为CCP门，m＝4时为CCCP门。

所以，本实施例中实现的N个量子比特的通用受控相位门U包含了所有N-1阶以下的受控相位门和单比特相位门，是所有这些操作按任意顺序的叠加。结合单比特翻转门(XY门)，在该结构下可以构造更丰富的N比特门操作。

实施例二

如图2～图4所示，本实施例对本发明的部分内容进行更详细的解释；本实施例属于实施例一中的一种特殊情形。

如图2所示，是一维排布的超导量子芯片以及相应的控制线路示意图，该超导量子芯片中量子比特与可调耦合器按照1∶1比例排布。其中，量子比特与可调耦合器均采用传输子量子比特结构，该传输子量子比特由约瑟夫森结(或超导量子干涉器件)与一个大电容并联而成，并联电容由平板对地构成，并联电容的典型值为70-100fF，约瑟夫森结的临界电流典型值为20nA；可调耦合器中的超导量子干涉器件由两个约瑟夫森结并联而成，通过外加磁通偏置，可以改变总的临界电流；上述设计中，量子比特的频率不可调节，可调耦合器的频率可以通过外加磁通偏置信号改变。

量子比特与可调耦合器的控制线路与稀释制冷机中的微波线、制冷机外部线路联通，外部设备产生的控制信号经过衰减滤波后进入超导量子芯片；控制线路包括两种：驱动线(又称XY线)和磁通偏置线(又称Z线)；驱动线上的激励信号可以实现量子比特的激发，即单比特量子门；磁通偏置线上磁通偏置信号可以改变可调耦合器的频率，用于构造两比特控制相位门。

如图3所示，量子比特的频率被设计在两个不同的频带中，图2中两种“十字形”分别对应两个频带的量子比特Q1和Q2；两种量子比特的频率交替排布在不同的频带，频带之间有一定的间隔，该间隔大小远大于相邻量子比特之间的耦合强度，如此可以抑制两比特控制相位门操作过程中的态交换；同时可调耦合器的静态频率(未施加外部磁通偏置信号)被设计在更高的频带中，该频带与量子比特对应的频带间隔远大于量子比特与可调耦合器之间的耦合强度，如此可以抑制耦合器中的磁通噪声对量子比特性能的影响。

作为一个优选的实施例，量子比特对应的两个频带间隔Δ_qq典型值为0.6-1.2GHz，量子比特间的耦合强度g_qq典型值为5-10MHz；所述可调耦合器静态偏置时所处的频带与量子比特频带的间隔Δ_qc典型值为1-3GHz，量子比特与可调耦合器之间的直接耦合强度g_qc典型值为100-200MHz。

一个可调耦合器和与其相邻的两个量子比特构成量子门操作的基本单元，该单元的哈密顿量为：

其中，ω_i，α_i分别表示第i个量子比特的频率和非谐，ω_c，α_c分别表示可调耦合器的频率和非谐，g_ic表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度，g₁₂表示两个量子比特之间的直接耦合强度。

量子比特与可调耦合器之间的直接耦合强度与量子比特之间的直接耦合强度g₁₂满足如下关系：

g₁₂≈0.5g_1cg_2c(1/(ω_c-idle-ω₁)+1/(ω_c-idle-ω₂)) (7)

该设计参数可以实现高开关比的ZZ耦合。

如图4所示，为上述哈密顿量对应的能级结构，由于Transmon是一种非谐性较小的量子比特，对于量子比特和可调耦合器，均考虑最低的三个能级。图中，|abc>代表的能级表示量子比特Q1上的布居数为a，量子比特Q2上的布居数为c，可调耦合器上的布居数为b。其中，与量子计算相关的逻辑空间由|000>、|001>、|100>、|101>四个能级组成，更高能级如|002>、|020>、|111>等不属于量子计算过程中的逻辑空间，但是会间接影响逻辑空间内能级的频率。

在上述能级结构下的量子门操作方案：

(1)单比特量子门

给驱动线施加一个与对应量子比特共振的微波脉冲，可以实现量子态的激发。改变驱动微波脉冲的振幅、时间、相位，可以实现量子态在布洛赫球上的任意翻转，亦即实现任意的单比特门。

(2)两比特门(受控相位门)

由于量子比特与可调耦合器之间存在强耦合，|000>、|001>、|100>、|101>能级的频率随着可调耦合器频率变化而变化。在这个过程中，ZZ耦合的强度随可调耦合器的频率变化。ZZ耦合χ定义如下：

χ＝E₁₀₁-E₁₀₀-E₀₀₁+E₀₀₀ (8)

式中，E₁₀₁、E₁₀₀、E₀₀₁和E₀₀₀为相应能级的频率。

ZZ耦合χ的强度与受控相位门的关系为：

通过控制ZZ耦合的开关可以实现受控相位门的开关。当可调耦合器的频率与量子比特的频率差远大于两者之间的耦合强度，即|ω_i-ω_c|>>g_ic，此时两个量子比特之间的ZZ耦合强度χ小于10kHz，接近关闭状态，此时受控相位门关闭。施加磁通偏置信号调节耦合器的频率，当耦合器的频率被调制到接近或低于其中一个量子比特的频率时，ZZ耦合强度χ大于10MHz，此时ZZ耦合被打开，实现受控相位的积累。控制磁通调制脉冲的时间和振幅，可以调节受控相位积累∫χ(t)dt的大小，实现特定的受控相位门(例如，∫χ(t)dt＝π时，可以实现CZ门)。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，包括：

若干可调耦合器以及若干量子比特；

所述量子比特与所述可调耦合器交替排布，且所述可调耦合器的静态频率、相邻的所述量子比特以及与同一所述可调耦合器相邻的各所述量子比特的频率均处于不同频带中；

各所述量子比特均设置有单独的微波驱动线XY，各所述可调耦合器均设置有单独的磁通偏置线Z，通过在微波驱动线XY上或磁通偏置线Z上施加驱动信号，实现单比特门、两比特门或多比特受控相位门；

其中，所述可调耦合器与量子比特的比例为1:2、1:3、1:4或1：N，且任意两个相互耦合的所述量子比特的频率差远大于二者之间的直接耦合强度，即满足色散关系。

2.如权利要求1所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，所述量子比特采用不可调频的Transmon结构，所述Transmon结构由一个约瑟夫森结和一个电容并联而成。

3.如权利要求2所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，所述电容的典型范围为70-100fF,所述约瑟夫森结的临界电流典型值为20nA。

4.如权利要求1所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，所述可调耦合器的静态偏置频率典型范围为7-9GHz；所述量子比特的频率典型范围为5-7GHz；所述量子比特与所述可调耦合器之间直接耦合强度典型范围为80-120MHz,所述量子比特间耦合强度典型范围为5-10MHz。

5.如权利要求1所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，任意相邻的、与同一所述可调耦合器存在直接耦合的两量子比特之间的耦合强度g_ij满足如下关系：

g_ij≈0.5g_icg_jc(1/(ω_c-idle-ω_i)+1/(ω_c-idle-ω_j))

其中，g_ic表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g_jc表示第j个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；ω_i、ω_j、ω_c分别表示第i个量子比特、第j个量子比特和可调耦合器的频率；ω_c-idle表示不加磁通调制信号时，可调耦合器的静态频率。

6.一种采用如权利要求1～5任一项所述易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构的操作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对超导量子芯片结构进行分析，得到该超导量子芯片结构中基本操作单元的哈密顿量；

2)基于步骤1)得到的基本操作单元的哈密顿量对应的能级结构，确定该能级结构下对基本操作单元操作的方法，以实现单比特门和多比特受控相位门。

7.如权利要求6所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构的操作方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述基本操作单元由N个量子比特和一个可调耦合器构成，而N个量子比特通过一个可调耦合器耦合的哈密顿量表示为：

其中，ω_i、α_i分别表示第i个量子比特的频率和非谐；ω_c、α_c分别表示可调耦合器的频率和非谐；g_ic表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g_ij表示第i个量子比特和第j个量子比特之间的耦合强度；+表示厄密共轭；为约化普朗克常数。

8.如权利要求6所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构的操作方法，其特征在于，所述步骤2)中，单比特门的操作方法为：

在微波驱动线XY上施加一个与对应量子比特共振的微波脉冲，实现量子态的激发，并通过改变微波脉冲的振幅、时间、相位，实现量子态在布洛赫球上的任意翻转，实现任意的单比特门；

多比特门的操作方法为：

在磁通偏置线Z上施加磁通调制脉冲信号，使得所述可调耦合器的频率与所述量子比特的频率差远大于两者之间的耦合强度，即|ω_i-ω_c|＞＞_ic时，两两所述量子比特之间的ZZ耦合强度χ小于10kHz，关闭受控相位门；

在磁通偏置线Z上施加磁通调制脉冲信号，使得所述可调耦合器的频率被调制到接近或低于其中一个量子比特的频率时，所述量子比特之间的ZZ耦合强度χ大于10MHz，打开受控相位门，实现受控相位的积累，然后通过控制磁通调制脉冲信号的时间和振幅，对受控相位的积累∫χ(t)dt的大小进行调节，实现特定的受控相位门。