CN113011592B - 量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质 Download PDF

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CN113011592B CN202110061593.2A CN202110061593A CN113011592B CN 113011592 B CN113011592 B CN 113011592B CN 202110061593 A CN202110061593 A CN 202110061593A CN 113011592 B CN113011592 B CN 113011592B
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Abstract

本申请涉及一种量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质。所述方法包括：确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；依次对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到第一量子比特和第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；基于第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱，确定第一量子比特和第二量子比特之间的串扰强度。采用本方法能够分析出具体类型的量子比特间串扰以给量子产品的制作和优化进行详细指导。

Description

量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质
技术领域
本申请涉及量子计算技术领域，特别是涉及一种量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
由于量子计算具有迅速高效地处理海量数据的优势，使得量子计算越来越受广大用户的欢迎。量子比特对应的量子态为0和1的线性叠加态，量子比特被操作之后，量子比特对应的量子态发生改变，在量子产品(如量子芯片)上，则体现为量子产品被执行后，量子比特所述的量子态即量子产品的执行结果。
然而，量子产品容易受量子噪声的干扰，严重影响量子产品的性能，因此对量子比特间的噪声串扰进行分析至关重要。传统的量子比特串扰分析方案中，通过对量子比特施加带有噪声过程的各种克里夫德(Clifford)门以分析出两个子系统之间的错误率，该错误率刻画了量子比特的串扰。由于随机化基准测试体现的是所有类型门噪声和各种环境噪声的平均结果，因此分析的串扰无法应用在量子产品的制作和优化。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质，能够分析出具体类型的量子比特间串扰以给量子产品的制作和优化进行详细指导。
一种量子比特的串扰分析方法，所述方法包括：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；
对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；
基于所述第一本征谱、所述第二本征谱和所述第三本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度。
一种量子比特的串扰分析装置，所述装置包括：
确定模块，用于确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
第一层析模块，用于依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；
第二层析模块，用于对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；
计算模块，用于基于所述第一本征谱、所述第二本征谱和所述第三本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；
对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；
基于所述第一本征谱、所述第二本征谱和所述第三本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；
对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；
基于所述第一本征谱、所述第二本征谱和所述第三本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度。
上述量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质，首先依次对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，然后对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到该组合对应的信号函数的第三本征谱，由于第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱之间的不可拆分程度与量子比特间的串扰强度密切相关，因此根据第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱可以得到量子比特间的串扰强度，而且该串扰强度并不是所有类型门噪声和各种环境噪声的平均结果，可应用于量子产品的制作和优化过程中，能够为量子产品的制作和优化进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
一种量子比特的串扰分析方法，所述方法包括：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于基于目标门控的处理状态；
根据所述第一本征谱和所述第二本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的传输线串扰强度。
一种量子比特的串扰分析装置，所述装置包括：
确定模块，用于确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
第一层析模块，用于对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
第二层析模块，用于对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于基于目标门控的处理状态；
计算模块，用于根据所述第一本征谱和所述第二本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的传输线串扰强度。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于基于目标门控的处理状态；
根据所述第一本征谱和所述第二本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的传输线串扰强度。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于基于目标门控的处理状态；
根据所述第一本征谱和所述第二本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的传输线串扰强度。
上述量子比特的串扰分析方法、装置、计算机设备和存储介质，对第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在层析过程中，第二量子比特处于等待状态，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱；对第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在进行层析过程中，第一量子比特处于基于目标门控的处理状态，从而得到第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，该第二本征谱携带目标门控所产生的传输线路串扰，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的传输线串扰强度更具有针对性，有利于在量子产品的制作和优化过程中进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该传输串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
附图说明
图1为一个实施例中量子比特的串扰分析方法的流程示意图；
图2为一个实施例中基于identity门的谱量子过程层析的示意图；
图3为一个实施例中耦合串扰强度随时间变化的曲线示意图；
图4为一个实施例中关联串扰强度随时间变化的曲线示意图；
图5为一个实施例中计算传输线串扰强度步骤的流程示意图；
图6为另一个实施例中基于identity门的谱量子过程层析的示意图；
图7为一个实施例中传输线串扰强度随时间变化的曲线示意图；
图8为另一个实施例中量子比特的串扰分析方法的流程示意图；
图9为另一个实施例中基于identity门的谱量子过程层析以得到耦合串扰强度的示意图；
图10为一个实施例中实验测试耦合串扰强度随时间变化的曲线示意图；
图11为一个实施例中超导量子芯片中五个量子比特的示意图；
图12为一个实施例中对五个量子比特进行量子过程层析所得耦合串扰强度随时间变化的示意图；
图13为一个实施例中对五个量子比特进行量子过程层析所得传输线串扰强度随时间变化的示意图；
图14为一个实施例中量子比特的串扰分析装置的结构框图；
图15为另一个实施例中量子比特的串扰分析装置的结构框图；
图16为另一个实施例中量子比特的串扰分析装置的结构框图；
图17为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
在对本申请进行详细阐述之前，先对缩略语和关键术语进行说明：
量子计算：基于量子逻辑进行计算的计算方式。
量子比特：用来记录量子信息的单元，是量子计算的基本单元。量子计算可以同时计算0和1，系统可以处于0和1的线性叠加态：|ψ>＝α|0>+β|1>，这边α,β代表系统在0和1上的概率幅，是一个复数，其模的平方代表处于0和1的概率。
量子噪声过程：由于量子产品与环境相互作用，或者控制本身的不完美导致量子信息的污染过程。
量子比特的串扰噪声：量子产品上的比特信息相互干扰，不完全独立所形成的干扰噪声。例如，微波控制线之间的串扰、量子比特由于处在同一个环境所产生的关联噪声以及量子比特间的直接耦合。量子比特串扰噪声很大程度上限制了量子产品(如量子芯片)的规模。
TPCP动力学映射：是指保迹和全正的动力学映射，具体来说保迹是指动力学演化的过程中量子态密度算符的迹不变；全正是指如果密度算符是非负的，动力学映射作用于密度算符的任意部分将会保持非负。
动力学解耦：是抑制退相干的一种有效手段，主要是通过在特定时间点(如按一定的频率)施加不断翻转的脉冲来有效抑制量子比特与环境的相互耦合，从而抑制退相干。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种量子比特的串扰分析方法，以该方法应用于终端为例进行说明，包括以下步骤：
S102，确定待分析的第一量子比特和第二量子比特。
其中，终端可以是集成了量子电路或量子芯片的电子设备，如量子计算机，或者该终端可以是独立的量子芯片，如超导量子芯片。第一量子比特和第二量子比特可以是待分析的、包含不同量子信息的两个量子比特。
对于量子芯片，量子比特的数量可以是n，其中n大于2，如72量子比特，量子比特数越多，其计算能力越强。在一个实施例中，终端可以在多个量子比特中确定待分析的第一量子比特和第二量子比特。
S104，依次对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱。
其中，本征谱可以指量子在演化过程中所形成的动力学映射本征谱。谱量子过程层析可以是利用多种不同量子比特的量子态输入某一未知量子过程，如量子通道或量子门，与之相互作用后测量输出的量子态再由输入和输出之间的关系来估计出该量子过程。
上述的量子态可以指量子所处的状态，例如可以是0、1以及0和1的线性叠加态，|ψ>＝α|0>+β|1>，其中，α,β代表量子比特为0和1时的概率幅，α,β分别为复数，其模的平方|α|2、|β|2代表处于0和1的概率。
在一个实施例中，第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态均基于identity门进行谱量子过程层析；该identity门是对第一量子比特和第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门。
对于S104，具体地：终端可以基于identity门，在同时刻对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，也可以在不同时刻依次对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析。其中，在不同时刻进行谱量子过程层析的过程中，当对第一量子比特对应的量子态进行谱量子过程层析时，则第二量子比特保持等待；当对第二量子比特对应的量子态进行谱量子过程层析时，则第一量子比特保持等待。
在一个实施例中，第一量子比特的谱量子过程层析步骤具体可以包括：终端基于identity门，对第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第二量子比特处于等待状态。
举例来说，针对第一量子比特q0在进行基于identity门谱量子过程层析中，考虑量子态制备时经历一个制备错误NprepTPCP动力学映射。经过identity门作用k次。量子态测量的时候经历一个测量误差NmeasTPCP动力学映射。首先，构造一系列信号函数{g0(0),…g0(k)}：
Figure GDA0003417778340000091
其中，Pμ表示泡利矩阵，Nmeas表示测量误差，Nprep表示制备误差，Λ表示动力学映射的本征谱，是identity门作用k次所形成；◇表示超算符运算。
首先，以泡利矩阵的某一本征基制备量子比特的初始态；然后，经历k次量子门演化，即identity门自由演化，接着在选择的泡利算符下做测量，对于不用的泡利矩阵和本征基，重复前面的步骤；最后，针对上述信号函数的特殊形式，可以引入矩阵束法解析这组信号函数，从而得到没有制备误差和测量误差的动力学映射本征谱Λ＝{1,λ0,x,λ0,y,λ0,z}。
在一个实施例中，第二量子比特的谱量子过程层析步骤具体可以包括：终端对第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于等待状态。其中，对于第二量子比特对应的谱量子过程层析的具体步骤，可参考上述第一量子比特对应的谱量子过程层析。
例如，如图2所示，图2中的(a)图为基于identity门对第一量子比特q0的量子态进行谱量子过程层析，在对第一量子比特q0的量子态进行谱量子过程层析的过程中，第二量子比特q1保持等待。图2中的(b)图为基于identity门对第二量子比特q1的量子态进行谱量子过程层析，在对第二量子比特q1的量子态进行谱量子过程层析的过程中，第一量子比特q0保持等待。其中，X表示制备的过程；I表示自由演化过程，即通过identity门进行自由演化过程；而H和M表示各不同方向上的测量，c表示测量线。
S106，对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到第一量子比特和第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱。
在一个实施例中，第一量子比特和第二量子比特之间组合的量子态均基于identity门进行谱量子过程层析；identity门是对第一量子比特和第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门。
具体地，终端对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到第一量子比特和第二量子比特共同的信号函数；其中，共同的信号函数中包括表示量子制备误差和量子测量误差的参数；对共同的信号函数进行解析，得到第三本征谱。
在对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析的过程中，获取第一量子比特和第二量子比特各自的制备误差和测量误差，基于获取的制备误差和测量误差、以及量子门演化和泡利矩阵构造第一量子比特和第二量子比特共同的信号函数，然后对共同的信号函数进行解析，得到第三本征谱。
例如，如图2中的(c)图所示，图2中的(c)图为基于identity门对第一量子比特q0和量子比特q1的量子态进行谱量子过程层析。终端基于identity门对第一量子比特q0和第二量子比特q1分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，从而可以得到第一量子比特q0和第二量子比特q1共同的信号函数g01(0),…,g01(K)，
Figure GDA0003417778340000101
其中，N′meas和N′prep分别表示测量误差和制备误差，Λ′表示第一量子比特q0和第二量子比特q1在施加identity门时所形成的本征谱。
首先，以泡利矩阵的某一本征基制备量子比特的初始态；然后，经历k次量子门演化，即identity门自由演化，接着在选择的泡利算符下做测量，对于不用的泡利矩阵和本征基，重复前面的步骤；最后，针对上述信号函数的特殊形式，可以引入矩阵束法解析这组信号函数，从而得到没有制备误差和测量误差的动力学映射本征谱Λ＝{1,λix,λiy,λiz,…,λzx,λzy,λzz}。
S108，基于第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱，确定第一量子比特和第二量子比特之间的串扰强度。
其中，串扰可以指耦合串扰和关联串扰等，对应的串扰强度可以指耦合串扰的强度和/或关联串扰的强度。
假设第一量子比特q0和第二量子比特q1没有直接耦合或关联噪声类型的串扰时，则第一量子比特q0和第二量子比特q1的动力学映射εAB与各自的单比特动力学映射εA,εB满足
Figure GDA0003417778340000111
其中，
Figure GDA0003417778340000112
表示张量积运算。因此，第一量子比特q0和第二量子比特q1的本征谱ΛAB与各自的本征谱ΛA,ΛB之间满足如下关系：
Figure GDA0003417778340000113
由于第一量子比特q0和第二量子比特q1存在直接耦合和关联噪声类型的串扰，因此可以计算出第一量子比特q0和第二量子比特q1的本征谱的不可拆分程度为
Figure GDA0003417778340000114
而该不可拆分程度ΔΛ与第一量子比特q0和第二量子比特q1之间串扰的强度密切相关。
因此，终端可以计算第一本征谱和第二本征谱之间的张量积；基于第三本征谱和张量积之间的差值，确定本征谱的不可拆分度；将不可拆分度确定为第一量子比特和第二量子比特之间的串扰强度，从而串扰强度为
Figure GDA0003417778340000115
例如，若第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱是n×n的矩阵时，则串扰强度
Figure GDA0003417778340000116
其中，n为大于2的正整数，ii用于表示矩阵的对角元。
上述实施例中，首先依次对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，然后对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到该组合对应的信号函数的第三本征谱，由于第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱之间的不可拆分程度与量子比特间的串扰强度密切相关，因此根据第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱可以得到量子比特间的串扰强度，而且该串扰强度并不是所有类型门噪声和各种环境噪声的平均结果，可应用于量子产品的制作和优化过程中，能够为量子产品的制作和优化进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
在一个实施例中，对于量子比特间的直接耦合串扰分析，其步骤具体可以包括：当第一量子比特和第二量子比特均处于纯退相位的噪声环境时，终端确定第一量子比特和第二量子比特的第一环境噪声模型；获取量子比特耦合方式，根据量子比特耦合方式、第一环境噪声模型和串扰强度，确定第一量子比特和第二量子比特之间的耦合串扰强度；耦合串扰强度随时间变化而震荡衰减，且不含制备误差和测量误差。
对于独立的第一量子比特和第二量子比特
Figure GDA0003417778340000121
假设第一量子比特和第二量子比特均处于独立的纯退相位的噪声环境，因此可以得出第一量子比特和第二量子比特的第一环境噪声模型
Figure GDA0003417778340000122
其中，f1(t)和f2(t)分别表示第一量子比特和第二量子比特各自所处噪声环境所对应的噪声函数，
Figure GDA0003417778340000123
和
Figure GDA0003417778340000124
分别表示与第一量子比特和第二量子比特对应的泡利矩阵。考虑超导量子芯片上量子比特的耦合具有一定的形式，因此可以确定出第一量子比特和第二量子比特之间的量子比特耦合方式
Figure GDA0003417778340000125
其中，ωZZ为耦合强度。
对于上述的环境噪声模型，可以通过解析获得耦合串扰强度随着时间的变化，其变化有如下关系：
Figure GDA0003417778340000126
其中，上述的ΔΛ(t)为耦合串扰强度，假设马科夫的纯退相位量子通道
Figure GDA0003417778340000127
Figure GDA0003417778340000128
p＝<f(t)f(t)>，图3展示ω1＝ω2＝0,ω＝0.1,p＝0.02时的结果，可以看出耦合串扰强度随着时间振荡衰减，其中，2ωt1＝2π。
上述实施例中，通过刻画出特定串扰类型的串扰强度即耦合串扰强度，由于该耦合串扰强度是不含制备误差和测量误差的，从而可以利用该耦合串扰强度来指导量子产品的制作和优化，以避免制作或优化出的量子产品受到耦合串扰的影响，提高量子产品的性能。
在一个实施例中，对于量子比特间的关联串扰分析，其步骤具体可以包括：当第一量子比特和第二量子比特均处于纯退相位的噪声环境时，终端确定第一量子比特和第二量子比特的第一环境噪声模型，获取量子比特间的噪声关联方式，根据噪声关联方式、第一环境噪声模型和串扰强度，确定第一量子比特和第二量子比特之间的关联串扰强度；关联串扰强度随时间变化而衰减，且不含制备误差和测量误差。
对于独立的第一量子比特和第二量子比特
Figure GDA0003417778340000131
假设第一量子比特和第二量子比特均处于独立的纯退相位的噪声环境，因此可以得出第一量子比特和第二量子比特的第一环境噪声模型
Figure GDA0003417778340000132
其中，f1(t)和f2(t)分别表示第一量子比特和第二量子比特各自所处噪声环境所对应的噪声函数，
Figure GDA0003417778340000133
和
Figure GDA0003417778340000134
分别表示与第一量子比特和第二量子比特对应的泡利矩阵。考虑超导量子芯片上量子比特之间存在噪声关联，从而可以得到量子比特间的噪声关联方式，即C12(t)＝<f1(t)f2(t)>。
对于以上的环境噪声模型，可以通过解析获得关联串扰强度随着时间的变化，其变化有如下关系：
Figure GDA0003417778340000135
其中，上述的ΔΛ(t)为关联串扰强度，假设马科夫的纯退相干量子通道
Figure GDA0003417778340000136
Figure GDA0003417778340000137
p1＝<f1(t)f1(t)>,pc＝<f1(t)f2(t)>关联噪声。如图4所示，图4展示ω1＝0.3,ω2＝0.1,p1＝p2＝p＝0.01,pc＝0.01时的结果，可以看出关联串扰强度随着时间衰减。
上述实施例中，通过刻画出特定串扰类型的串扰强度即关联串扰强度，由于该关联串扰强度是不含制备误差和测量误差的，从而可以利用该关联串扰强度来指导量子产品的制作和优化，以避免制作或优化出的量子产品受到关联串扰的影响，提高量子产品的性能。
在一个实施例中，如图5所示，S104具体可以包括：
S502，对第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱。
其中，第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第二量子比特处于等待状态。
具体地，终端对第一量子比特的量子态进行基于identity门的谱量子过程层析，其中，该identity门是对第一量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门，而且，第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第二量子比特处于等待状态，从而得到第一量子比特对应的信号函数，解析该第一量子比特对应的信号函数，得到第一本征谱。对于第一量子比特对应量子态的谱量子过程层析步骤，可以参考上述实施例中的S104。
S504，对第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱。
其中，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于目标门控的处理状态。
具体地，终端对第二量子比特的量子态进行基于identity门的谱量子过程层析，其中，该identity门是对第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门，而且，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于目标门控的处理状态，从而得到第二量子比特对应的信号函数，解析该第二量子比特对应的信号函数，得到第二本征谱。该第二本征谱携带目标门控所产生的传输线路串扰，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的传输线串扰强度更具有针对性，有利于在量子产品的制作和优化过程中进行详细指导。对于第二量子比特对应量子态的谱量子过程层析步骤，可以参考上述实施例中的S104。
其中，上述的目标门控可以是阿达马门(Hadamard gate)、泡利-X门(Pauli-Xgate)、泡利-Y门(Pauli-Y gate)、泡利-Z门(Pauli-Z gate)、相位偏移门(Phase shiftgates)、互换门(Swap gate)、受控门(Controlled gates)、万能量子门和Toffoli门(Toffoli gate)中的任一种。
S506，根据第一本征谱和第二本征谱，确定第一量子比特和第二量子比特之间的传输线串扰强度。
当目标门控的施加相对于量子比特间耦合频率足够快时，量子比特间耦合所引起的量子比特q0的改变可以忽略不计，故而可以较为清楚的反映出传输线的直接串扰强度。
例如，如图6所示，图6中的(a)图为针对第一量子比特q0做基于identity门的谱量子过程层析，得到系列的信号函数g0(0),…,g0(K)，计算其动力学映射本征谱为{1,λx,λy,λz}。图6中的(b)图为针对第二量子比特q1做基于identity的门的谱量子过程层析，得到系列的信号函数g1(0),…,g1(K)，计算其动力学映射本征谱为{1,λx‘,λy’,λz‘}。
当第一量子比特q0与第二量子比特q1没有传输线的串扰，则所获得的两组单比特动力学映射εA,εB满足εA＝εB，因此，动力学映射本征谱所构成的映射满足ΛA＝ΛB，由此，若第一本征谱和第二本征谱均为n×n的矩阵时，可以定义传输线串扰强度为：
Figure GDA0003417778340000151
其中，n为大于2的正整数，ii用于表示矩阵的对角元。
在一个实施例中，若第一量子比特处于纯退相位的噪声环境，终端则确定第一量子比特的第二环境噪声模型；根据第二环境噪声模型和串扰强度，确定第一量子比特和第二量子比特之间传输线串扰强度在噪声环境中的变化量。
考虑第一量子比特q0处于纯退相干的噪声环境：
Figure GDA0003417778340000152
当对第二量子比特q1同步施加目标门控(令该目标门控为X门)的时候，由于传输线串扰，第一量子比特q0感受到X方向较小的转动，随着转动角度的增加θ:
Figure GDA0003417778340000161
传输线串扰强度如图7所示。
上述实施例中，对第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在层析过程中，第二量子比特处于等待状态，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱；对第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在进行层析过程中，第一量子比特处于基于目标门控的处理状态，从而得到第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的传输线串扰强度更具有针对性，有利于在量子产品的制作和优化过程中进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该传输串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
在一个实施例中，如图8所示，提供了另一种量子比特的串扰分析方法，以该方法应用于终端为例进行说明，包括以下步骤：
S802，确定待分析的第一量子比特和第二量子比特。
其中，终端可以是集成了量子电路或量子芯片的电子设备，如量子计算机，或者该终端可以是独立的量子芯片，如超导量子芯片。第一量子比特和第二量子比特可以是待分析的、包含不同量子信息的两个量子比特。
对于量子芯片，量子比特的数量可以是n，其中n大于2，如72量子比特，量子比特数越多，其计算能力越强。在一个实施例中，终端可以在多个量子比特中确定待分析的第一量子比特和第二量子比特。
S804，对第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱。
其中，第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第二量子比特处于等待状态。本征谱可以指量子在演化过程中所形成的动力学映射本征谱。谱量子过程层析可以是利用多种不同量子比特的量子态输入某一未知量子过程，如量子通道或量子门，与之相互作用后测量输出的量子态再由输入和输出之间的关系来估计出该量子过程。
上述的量子态可以指量子所处的状态，例如可以是0、1以及0和1的线性叠加态，|ψ>＝α|0>+β|1>，其中，α,β代表量子比特为0和1时的概率幅，α,β分别为复数，其模的平方|α|2、|β|2代表处于0和1的概率。
上述第一量子比特的量子态是基于identity门进行谱量子过程层析。该identity门是对第一量子比特和第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门。
举例来说，针对第一量子比特q0在进行基于identity门谱量子过程层析中，考虑量子态制备时经历一个制备错误NprepTPCP动力学映射。经过identity门作用k次。量子态测量的时候经历一个测量误差NmeasTPCP动力学映射。首先，构造一系列信号函数{g0(0),…g0(k)}：
Figure GDA0003417778340000171
其中，Pμ表示泡利矩阵，Nmeas表示测量误差，Nprep表示制备误差，Λ表示动力学映射的本征谱，是identity门作用k次所形成；◇表示超算符运算。
首先，以泡利矩阵的某一本征基制备量子比特的初始态；然后，经历k次量子门演化，即identity门自由演化，接着在选择的泡利算符下做测量，对于不用的泡利矩阵和本征基，重复前面的步骤；最后，针对上述信号函数的特殊形式，可以引入矩阵束法解析这组信号函数，从而得到没有制备误差和测量误差的动力学映射本征谱Λ＝{1,λ0,x,λ0,y,λ0,z}。
S806，对第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱。
其中，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于基于目标门控的处理状态。第二量子比特的量子态是基于identity门进行谱量子过程层析。
具体地，终端对第二量子比特的量子态进行基于identity门的谱量子过程层析，其中，该identity门是对第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门，而且，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于目标门控的处理状态，从而得到第二量子比特对应的信号函数，解析该第二量子比特对应的信号函数，得到第二本征谱。对于第二量子比特对应量子态的谱量子过程层析步骤，可以参考上述实施例中的S104。其中，上述的目标门控可以是阿达马门(Hadamard gate)、泡利-X门(Pauli-Xgate)、泡利-Y门(Pauli-Y gate)、泡利-Z门(Pauli-Z gate)、相位偏移门(Phase shiftgates)、互换门(Swap gate)、受控门(Controlled gates)、万能量子门和Toffoli门(Toffoli gate)中的任一种。
S808，根据第一本征谱和第二本征谱，确定第一量子比特和第二量子比特之间的传输线串扰强度。
当目标门控的施加相对于量子比特间耦合频率足够快时，量子比特间耦合所引起的量子比特q0的改变可以忽略不计，故而可以较为清楚的反映出传输线的直接串扰强度。对于传输线串扰强度的具体计算过程可参考上述实施例中的S506。
在一个实施例中，若第一量子比特处于纯退相位的噪声环境，终端则确定第一量子比特的第二环境噪声模型；根据第二环境噪声模型和串扰强度，确定第一量子比特和第二量子比特之间传输线串扰强度在噪声环境中的变化量。
例如，如图6所示，图6中的(a)图为基于identity门对第一量子比特q0的量子态进行谱量子过程层析，得到系列的信号函数g0(0),…,g0(K)，计算其动力学映射本征谱为{1,λx,λy,λz}，其中，在对第一量子比特q0的量子态进行谱量子过程层析的过程中，第二量子比特q1保持等待。图6中的(b)图为基于identity门对第二量子比特q1的量子态进行谱量子过程层析，得到系列的信号函数g1(0),…,g1(K)，计算其动力学映射本征谱为{1,λx‘,λy’,λz‘}，其中，在对第二量子比特q1的量子态进行谱量子过程层析的过程中，第一量子比特q0处于目标门控的处理状态保持等待。图中的X表示制备的过程；I表示自由演化过程，即通过identity门进行自由演化过程；而H和M表示各不同方向上的测量，c表示测量线。
上述实施例中，对第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在层析过程中，第二量子比特处于等待状态，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱；对第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在进行层析过程中，第一量子比特处于基于目标门控的处理状态，从而得到第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，该第二本征谱携带目标门控所产生的传输线路串扰，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的传输线串扰强度更具有针对性，有利于在量子产品的制作和优化过程中进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该传输串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
作为一个示例，上述量子比特的串扰分析方法可以应用于对量子产品和技术的发展起到促进作用，例如量子计算机、量子保密通信、量子互联网he量子计量器等技术/产品容易受到量子噪声的干扰，对产品性能的影响非常严重，是阻碍其实用化的最大障碍。通过了解量子噪声的性质对这些技术/产品的发展至关重要，而且随着量子芯片技术不断发展，除了单个比特的噪声分析，量子比特间的噪声串扰分析至关重要。接下来，对量子比特间的噪声串扰分析进行阐述，具体如下：
(一)同步谱量子过程层析
(1)实验方案
在本实施例中提出了同步谱量子过程层析来研究量子比特的直接耦合串扰和关联噪声串扰，使用基于identity门的谱量子过程层析：
1)identity门在量子线路上相当于“等待”而非任何真实门操作，从而相对于传统随机基准测试所使用的Clifford门，大大的简化了量子线路的操控复杂度；
2)由于不引入多余的门操作，此时刻画芯片中的串扰噪声单是环境噪声和量子比特间的固有耦合，排除了门操作引起的误差，使得串扰噪声的来源分析更加明晰；
3)基于谱量子过程层析，一方面相对于量子过程层析需要的量子态制备和测量复杂度下降，另一方面可以自动的去除量子态制备误差和测量误差，使得结果更准确。
其中，对于同步谱量子过程层析的实验方案，具体如下所述：
第一，确定要研究的两个量子比特(即量子比特q0和量子比特q1)；
第二，针对量子比特q0做基于identity门的谱量子过程层析，同时量子比特q1保持等待，如图2中的(a)图所示；
第三，针对量子比特q1做基于identity门的谱量子过程层析，同时量子比特q0保持等待，如图2中的(b)图所示；
第四，针对量子比特q0和量子比特q1做基于identity门的谱量子过程层析，如图2中的(c)图所示。
(2)数据处理
对于如图2中的(a)图针对量子比特q0做基于identity门的谱量子过程层析，得到系列信号函数g0(0),…,g0(K)，计算其动力学映射本征谱{1,λ0,x,λ0,y,λ0,z}。对于图2中的(b)图针对量子比特q1做基于identity门的谱量子过程层析，得到系列信号函数g1(0),…,g1(K)，计算其动力学映射本征谱{1,λ1,x,λ1,y,λ1,z}。对于图2中的(c)图针对量子比特q0和量子比特q1做基于identity门的谱量子过程层析，得到系列信号函数g01(0),…,g01(K)，计算其动力学映射本征谱{1,λix,λiy,λiz,…,λzx,λzy,λzz}。
若量子比特q0和量子比特q1之间没有直接耦合或者关联噪声类型的串扰，该两个量子比特的动力学映射εAB与各自的单比特动力学映射εA,εB满足：
Figure GDA0003417778340000201
同时，其动力学映射本征谱所构成的映射满足：
Figure GDA0003417778340000202
由此可见，动力学映射本征谱的不可拆分程度
Figure GDA0003417778340000203
与两量子比特之间串扰的强度密切相关。需要指出的是，虽然动力学映射本征谱仅对于泡利通道是完整的描述，对于普遍的量子噪声通道有信息的损失，但是相对于随机基准测试仅针对退极化通道(泡利通道的一种)使用范围更广。因此，定义串扰强度如下所示：
Figure GDA0003417778340000204
其中，n为动力学映射本征谱ΛAB这个矩阵的维数，ii表示该矩阵的对角元，其中，i为小于或等于n的正整数。
(3)基于同步谱量子过程层析的耦合串扰分析
对于两个独立的量子比特
Figure GDA0003417778340000211
假设量子比特处于独立的纯退相位的噪声环境，该量子比特q0和量子比特q1的环境噪声模型为：
Figure GDA0003417778340000212
根据以往的研究，考虑超导量子芯片上量子比特的耦合具有如下形式：
Figure GDA0003417778340000213
其中，ωZZ是耦合强度。对于以上的环境噪声模型，可以解析获得其串扰强度随着时间的变化，该变化具有如下关系：
Figure GDA0003417778340000214
其中，上述的ΔΛ(t)为耦合串扰强度，假设马科夫的纯退相位量子通道
Figure GDA0003417778340000215
Figure GDA0003417778340000216
p＝<f(t)f(t)>，图3展示ω1＝ω2＝0,ω＝0.1,p＝0.02时的结果，可以看出耦合串扰强度随着时间振荡衰减，其中，2ωt1＝2π。
(4)基于同步谱量子过程层析的量子比特之间关联噪声分析
对于两个独立的量子比特
Figure GDA0003417778340000217
假设量子比特处于纯退相位的噪声环境，该量子比特q0和量子比特q1的环境噪声模型为：
Figure GDA0003417778340000218
考虑超导量子芯片上量子比特间的存在噪声关联：
C12(t)＝<f1(t)f2(t)>
对于以上的噪声模型，可以解析获得其串扰强度随着时间满足：
Figure GDA0003417778340000221
其中，上述的ΔΛ(t)为关联串扰强度，假设马科夫的纯退相位量子通道
Figure GDA0003417778340000222
Figure GDA0003417778340000223
p1＝<f1(t)f1(t)>,pc＝<f1(t)f2(t)>关联噪声。如图4所示，图4展示ω1＝0.3,ω2＝0.1,p1＝p2＝p＝0.01,pc＝0.01时的结果，可以看出关联串扰强度随着时间衰减。
需要指出的是，在目前的超导量子芯片中，由于量子比特相距较远，处于同一噪声源(有噪声关联)的可能性较小，预计动力学映射本征谱的不可拆分程度可以反映量子比特间的直接耦合。而对于广泛的量子芯片，当量子比特间传输线的串扰可以忽略不计时，可以采用动力学解耦合，进一步去掉噪声关联的信息，使得动力学映射本征谱的不可拆分程度集中体现量子比特间的直接耦合。
(二)基于谱量子过程层析刻画量子比特间传输线串扰
(1)实验方案
本实施例中提出了用谱量子过程层析来研究量子比特间传输线的串扰，以基于identity门的谱量子过程层析所获得的动力学映射本征谱为参照，分析特定的门所产生的传输线串扰：
1)对于特定门的串扰分析使得结果更有针对性；
2)使用谱量子过程层析，一方面相对于量子过程层析需要的量子态制备和测量复杂度下降，另一方面可以自动的去除量子态制备误差和测量误差，使得结果更准确。
其中，对于谱量子过程层析分析传输线串扰的实验方案，具体如下所述：
首先，确定要研究的两个量子比特q0和量子比特q1，其中，量子比特q0为目标比特，量子比特q1为操作比特；
其次，针对量子比特q0做基于identity门的谱量子过程层析，同时量子比特q1保持等待(identity门)，如图6中的(a)图所示；
最后，针对量子比特q1做基于identity门的谱量子过程层析，同时量子比特q0同步施加所研究的门控(如X门)，如图6中的(b)图所示。
(2)数据处理
对于如图6中的(a)图针对量子比特q0做基于identity门的谱量子过程层析，得到系列信号函数g0(0),…,g0(K)，计算其动力学映射本征谱{1,λx,λy,λz}。对于如图6中的(b)图针对量子比特q1做基于identity门的谱量子过程层析，得到系列信号函数g1(0),…,g1(K)，计算其动力学映射本征谱{1,λx‘,λy’,λz‘}。
若量子比特q0和量子比特q1没有传输线串扰，则所获得的两组单比特动力学映射εA,εB满足：
εa＝εB
同时，其动力学映射本征谱所构成的映射满足：
ΛA＝ΛB
由此可以定义传输线串扰强度：
Figure GDA0003417778340000231
(3)基于谱量子过程层析刻画量子比特间的传输线串扰分析
考虑量子比特q0处于纯退相干的噪声环境：
Figure GDA0003417778340000232
当对量子比特q1同步施加X门的时候，由于传输线串扰，量子比特q0感受到X方向较小的转动。随着转动角度的增加θ:
Figure GDA0003417778340000233
串扰强度如图7所示。
进一步指出，当门的施加相对于量子比特间耦合频率足够快时，量子比特间耦合所引起的量子比特q0的改变可以忽略不计，故而可以较为清楚的反映出传输线的直接串扰强度。
(三)结果分析
(1)理论模拟同步谱量子过程层析分析量子比特直接耦合
通过qiskit模拟器模拟分析量子比特之间的直接耦合，采用如图9所示的量子电路。ZZ门对应量子比特间直接耦合；I门代表自由演化，包含纯退相位噪声。先针对量子比特q0做基于identity门的谱量子过程层析，同时量子比特q1保持等待；再针对量子比特q1做基于identity门的谱量子过程层析，同时量子比特q0保持等待；最后针对量子比特q0和量子比特q1做基于identity门的同步谱量子过程层析。
通过上述方式获得各自去除量子态制备误差和测量误差的动力学映射本征谱以后，根据
Figure GDA0003417778340000241
求得的串扰强度随时间变化与之前理论预期一致，可参考图3和图10，其中，图3为理论预期的耦合串扰强度，图10为实际的串扰强度。
(2)对于量子芯片的同步谱量子过程层析分析
对于超导量子芯片“ibmq_vigo”，如图11所示，该超导量子芯片包含5(0-4)个量子比特。分别对0-1、0-2、0-3、0-4、1-2、1-3、1-4、2-3、2-4和3-4两两量子比特间进行同步谱量子过程层析，以0-1、1-2、1-3和3-4为例，发现存在不同程度的量子比特直接耦合，而1-4间没有明显的量子比特耦合。
(3)对于量子芯片的基于动力学映射本征谱的传输线串扰分析
针对IBM超导量子芯片“ibmq_vigo”，假设
研究对量子比特q0连续施加X门对量子比特q1的影响。
如图13所示，该图展示了量子比特q0连续施加X门前后，量子比特q1的动力学本征谱变化。圆圈是q1自由演化，黑色块是q0连续施加X门后的演化结果。例如“0-4”表示施加量子比特4上的门对量子比特0的影响。从图13可以看出，量子比特间传输线的串扰较大。
通过上述实施例中基于谱量子过程层析的量子比特间串扰噪声的刻画，能够分析出以下串扰噪声：不含量子态的制备误差和测量误差的微波控制线之间的串扰、不含量子态的制备误差和测量误差的量子比特由于处在同一个环境所产生的关联噪声，以及不含量子态的制备误差和测量误差的量子比特间的直接耦合。因此，可以具有以下技术效果：
(1)分析清楚量子比特串扰的具体模式很大程度上有助于人们在量子硬件的制作中进一步有针对性的提升芯片性能；
(2)可衔接到已有的基于同步随机基准测试和关联随机基准测试的量子比特串扰噪声标定方法；
(3)在同步谱量子过程层析的方法中仅使用自由演化门，不额外施加复杂的操作，使得实验简单易行。
应该理解的是，虽然图1、5、8的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1、5、8中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图14所示，提供了一种量子比特的串扰分析装置，该装置可以采用软件模块或硬件模块，或者是二者的结合成为计算机设备的一部分，该装置具体包括：确定模块1402、第一层析模块1404、第二层析模块1406和计算模块1408，其中：
确定模块1402，用于确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
第一层析模块1404，用于依次对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；
第二层析模块1406，用于对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到第一量子比特和第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；
计算模块1408，用于基于第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱，确定第一量子比特和第二量子比特之间的串扰强度。
在其中的一个实施例中，第一层析模块1404，还用于：
对第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第二量子比特处于等待状态；
对第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于等待状态。
在其中的一个实施例中，第二层析模块1406，还用于：
对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到第一量子比特和第二量子比特共同的信号函数；共同的信号函数中包括表示量子制备误差和量子测量误差的参数；
对共同的信号函数进行解析，得到第三本征谱。
在其中的一个实施例中，计算模块1408，还用于：
计算第一本征谱和第二本征谱之间的张量积；
基于第三本征谱和张量积之间的差值，确定本征谱的不可拆分度；
将不可拆分度确定为第一量子比特和第二量子比特之间的串扰强度。
在其中的一个实施例中，第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态，以及第一量子比特和第二量子比特之间组合的量子态均基于identity门进行谱量子过程层析；identity门是对第一量子比特和第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门。
上述实施例中，首先依次对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，然后对第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到该组合对应的信号函数的第三本征谱，由于第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱之间的不可拆分程度与量子比特间的串扰强度密切相关，因此根据第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱可以得到量子比特间的串扰强度，而且该串扰强度并不是所有类型门噪声和各种环境噪声的平均结果，可应用于量子产品的制作和优化过程中，能够为量子产品的制作和优化进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱、第二本征谱和第三本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
在其中的一个实施例中，如图15所示，装置还包括：
确定模块1402，还用于当第一量子比特和第二量子比特均处于纯退相位的噪声环境时，确定第一量子比特和第二量子比特的第一环境噪声模型；
第一获取模块1410，用于获取量子比特耦合方式；
确定模块1402，还用于根据量子比特耦合方式、第一环境噪声模型和串扰强度，确定第一量子比特和第二量子比特之间的耦合串扰强度；耦合串扰强度随时间变化而震荡衰减，且不含制备误差和测量误差。
上述实施例中，通过刻画出特定串扰类型的串扰强度即耦合串扰强度，由于该耦合串扰强度是不含制备误差和测量误差的，从而可以利用该耦合串扰强度来指导量子产品的制作和优化，以避免制作或优化出的量子产品受到耦合串扰的影响，提高量子产品的性能。
在其中的一个实施例中，如图15所示，装置还包括：
确定模块1402，还用于当第一量子比特和第二量子比特均处于纯退相位的噪声环境时，确定第一量子比特和第二量子比特的第一环境噪声模型；
第二获取模块1412，用于获取量子比特间的噪声关联方式；
确定模块1402，还用于根据噪声关联方式、第一环境噪声模型和串扰强度，确定第一量子比特和第二量子比特之间的关联串扰强度；关联串扰强度随时间变化而衰减，且不含制备误差和测量误差。
上述实施例中，通过刻画出特定串扰类型的串扰强度即关联串扰强度，由于该关联串扰强度是不含制备误差和测量误差的，从而可以利用该关联串扰强度来指导量子产品的制作和优化，以避免制作或优化出的量子产品受到关联串扰的影响，提高量子产品的性能。
在其中的一个实施例中，第一层析模块1404，还用于对第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第二量子比特处于等待状态；对第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于目标门控的处理状态；
计算模块1408，还用于根据第一本征谱和第二本征谱，确定第一量子比特和第二量子比特之间的传输线串扰强度。
上述实施例中，对第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在层析过程中，第二量子比特处于等待状态，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱；对第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在进行层析过程中，第一量子比特处于基于目标门控的处理状态，从而得到第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的传输线串扰强度更具有针对性，有利于在量子产品的制作和优化过程中进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该传输串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
在一个实施例中，如图16所示，提供了一种量子比特的串扰分析装置，该装置可以采用软件模块或硬件模块，或者是二者的结合成为计算机设备的一部分，该装置具体包括：确定模块1402、第一层析模块1404、第二层析模块1406和计算模块1408，其中：
确定模块1402，用于确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
第一层析模块1404，用于对第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第二量子比特处于等待状态；
第二层析模块1406，用于对第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，第一量子比特处于基于目标门控的处理状态；
计算模块1408，用于根据第一本征谱和第二本征谱，确定第一量子比特和第二量子比特之间的传输线串扰强度。
在其中的一个实施例中，确定模块1402，还用于若第一量子比特处于纯退相位的噪声环境，则确定第一量子比特的第二环境噪声模型；
计算模块1408，还用于根据第二环境噪声模型和串扰强度，确定第一量子比特和第二量子比特之间传输线串扰强度在噪声环境中的变化量。
在其中的一个实施例中，第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态均基于identity门进行谱量子过程层析；identity门是对第一量子比特和第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门。
上述实施例中，对第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在层析过程中，第二量子比特处于等待状态，得到第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱；对第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析，并在进行层析过程中，第一量子比特处于基于目标门控的处理状态，从而得到第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱，该第二本征谱携带目标门控所产生的传输线路串扰，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的传输线串扰强度更具有针对性，有利于在量子产品的制作和优化过程中进行详细指导。此外，本征谱对于普遍的量子噪声通道有信息损失，相对于随机基准测试仅针对退极化通道有信息损失，因此根据第一本征谱和第二本征谱所得的串扰强度，更具普适性，更有利于基于该传输串扰强度对量子产品的制作和优化进行详细指导。
关于量子比特的串扰分析装置的具体限定可以参见上文中对于量子比特的串扰分析方法的限定，在此不再赘述。上述量子比特的串扰分析装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端或服务器，以计算机设备是终端为例进行说明，该终端内部结构图可以如图17所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种量子比特的串扰分析方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图17中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种量子比特的串扰分析方法，其特征在于，所述方法包括：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；
对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；
基于所述第一本征谱、所述第二本征谱和所述第三本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱包括：
对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于等待状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱包括：
对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数；所述共同的信号函数中包括表示量子制备误差和量子测量误差的参数；
对所述共同的信号函数进行解析，得到第三本征谱。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一本征谱、所述第二本征谱和所述第三本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度包括：
计算所述第一本征谱和所述第二本征谱之间的张量积；
基于所述第三本征谱和所述张量积之间的差值，确定本征谱的不可拆分度；
将所述不可拆分度确定为所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述第一量子比特和所述第二量子比特均处于纯退相位的噪声环境时，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特的第一环境噪声模型；
获取量子比特耦合方式；
根据所述量子比特耦合方式、所述第一环境噪声模型和所述串扰强度，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的耦合串扰强度；所述耦合串扰强度随时间变化而震荡衰减，且不含制备误差和测量误差。
6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述第一量子比特和所述第二量子比特均处于纯退相位的噪声环境时，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特的第一环境噪声模型；
获取量子比特间的噪声关联方式；
根据所述噪声关联方式、所述第一环境噪声模型和所述串扰强度，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的关联串扰强度；所述关联串扰强度随时间变化而衰减，且不含制备误差和测量误差。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱包括：
对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于目标门控的处理状态；
所述方法还包括：根据所述第一本征谱和所述第二本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的传输线串扰强度。
8.根据权利要求1至4、7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态，以及所述第一量子比特和第二量子比特之间组合的量子态均基于identity门进行谱量子过程层析；所述identity门是对所述第一量子比特和所述第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门。
9.一种量子比特的串扰分析方法，其特征在于，所述方法包括：
确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于基于目标门控的处理状态；
根据所述第一本征谱和所述第二本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的传输线串扰强度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述第一量子比特处于纯退相位的噪声环境，则确定所述第一量子比特的第二环境噪声模型；
根据所述第二环境噪声模型和所述串扰强度，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间传输线串扰强度在所述噪声环境中的变化量。
11.根据权利要求9至10任一项所述的方法，其特征在于，所述第一量子比特和第二量子比特分别对应的量子态均基于identity门进行谱量子过程层析；所述identity门是对所述第一量子比特和所述第二量子比特所处的量子线路上不做真实操作的自由演化门。
12.一种量子比特的串扰分析装置，其特征在于，所述装置包括：
确定模块，用于确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
第一层析模块，用于依次对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特对应的信号函数的第一本征谱，以及所述第二量子比特对应的信号函数的第二本征谱；
第二层析模块，用于对所述第一量子比特和所述第二量子比特分别对应的量子态同步进行谱量子过程层析，得到所述第一量子比特和所述第二量子比特共同的信号函数的第三本征谱；
计算模块，用于基于所述第一本征谱、所述第二本征谱和所述第三本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的串扰强度。
13.一种量子比特的串扰分析装置，其特征在于，所述装置包括：
确定模块，用于确定待分析的第一量子比特和第二量子比特；
第一层析模块，用于对所述第一量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第一量子比特对应的信号函数进行解析，得到第一本征谱；其中，所述第一量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第二量子比特处于等待状态；
第二层析模块，用于对所述第二量子比特的量子态进行谱量子过程层析，并对层析所得的所述第二量子比特对应的信号函数进行解析，得到第二本征谱；其中，所述第二量子比特的量子态在进行谱量子过程层析时，所述第一量子比特处于基于目标门控的处理状态；
计算模块，用于根据所述第一本征谱和所述第二本征谱，确定所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的传输线串扰强度。
14.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至11中任一项所述的方法的步骤。
15.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至11中任一项所述的方法的步骤。
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