CN113537501A - 电磁串扰的标定和缓释方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了电磁串扰的标定和缓释方法、装置及电子设备，涉及量子计算领域，尤其涉及量子计算噪声研究领域。具体方案为：在量子系统中确定待测的量子比特对，待测的量子比特对包括第一量子比特和与第一量子比特相邻的第二量子比特；对第一量子比特以第二量子比特的本征频率施加M组设定的控制脉冲，以获取第二量子比特的测量结果；根据测量结果对第一量子比特和第二量子比特之间的电磁串扰参数进行标定。本公开能够实现量子比特间电磁串扰的标定，进而实现电磁串扰的缓释。

Description

电磁串扰的标定和缓释方法、装置及电子设备

技术领域

本公开涉及量子计算领域，尤其涉及量子计算噪声研究领域。

背景技术

量子计算被认为是下一代计算技术的心脏，同时也是引领新一轮量子 革命的代表性技术。在超导量子比特系统中，随着量子比特数的扩展，串 扰噪声(crosstalk)在近年来逐渐被研究重视。在量子计算领域中，串扰 噪声被定义为子系统对其相邻系统的干扰。由于该定义本身没有规定产生 串扰的具体原因，业界通过上述定义将具有这类性质的噪声归纳在串扰噪 声中，使得具有串扰噪声特征的噪声源十分丰富，比如Transmon量子比特之间的寄生耦合、Z通道的磁通泄露、驱动脉冲的电磁泄露、读取谐振 器的耦合等。

超导量子系统是由外部的经典电磁信号驱动的，通过对量子芯片输入 对应量子比特频率的电磁脉冲实现对单个量子比特的寻址、操控与读取， 该电磁脉冲在芯片上对该量子比特近邻的量子比特也会产生影响，这相当 于电磁信号的泄露，将产生电磁串扰噪声。而且对于本征频率接近的相邻 量子比特，电磁信号泄露产生的影响更大。这种影响会显著降低两比特量 子门或者多比特上同时刻的单量子比特门的精度，进而使得量子任务无法 精确执行。由此可知，对于电磁串扰噪声的标定研究十分重要，而目前已 知的串扰噪声的标定方案主要在逻辑电路层面或者物理系统哈密顿量的 耦合项上进行研究，并不涉及电磁串扰噪声的标定和缓释。

发明内容

本公开提供了一种电磁串扰的标定和处理方法、装置及电子设备。

根据本公开的一方面，提供了一种电磁串扰的标定方法，包括：在 量子系统中确定待测的量子比特对，待测的量子比特对包括第一量子比 特和与第一量子比特相邻的第二量子比特；对第一量子比特以第二量子 比特的本征频率施加M组设定的控制脉冲，以获取第二量子比特的测量 结果，M为正整数；以及根据测量结果对第一量子比特和第二量子比特 之间的电磁串扰参数进行标定，电磁串扰参数用于描述第一量子比特泄 露到第二量子比特的电磁串扰噪声。

根据本公开的另一方面，提供了一种电磁串扰的缓释方法，包括： 获取系统哈密顿量，系统哈密顿量是基于量子系统的基本参数而构造出 的；获取将初始控制脉冲施加到量子系统后得到的噪声哈密顿量，噪声 哈密顿量是基于量子系统的噪声参数矩阵而构造出的，噪声参数矩阵由 N维电磁串扰参数组成，N为量子系统中包括的量子比特的数量，电磁 串扰参数用于描述相邻的量子比特间的电磁串扰噪声；将噪声哈密顿量 施加到系统哈密顿量对量子系统进行模拟计算，以对施加到量子系统的 初始控制脉冲进行调整。

根据本公开的另一方面，提供了一种电磁串扰的标定装置，包括： 确定模块，用于在量子系统中确定待测的量子比特对，待测的量子比特 对包括第一量子比特和与第一量子比特相邻的第二量子比特；测量模块， 用于对第一量子比特以第二量子比特的本征频率施加M组设定的控制 脉冲，以获取第二量子比特的测量结果，M为正整数；以及标定模块，用于根据测量结果对第一量子比特和第二量子比特之间的电磁串扰参数 进行标定，电磁串扰参数用于描述第一量子比特泄露到第二量子比特的 电磁串扰噪声。

根据本公开的另一方面，提供了一种电磁串扰的缓释装置，包括： 系统哈密顿量获取模块，用于获取系统哈密顿量，系统哈密顿量是基于 量子系统的基本参数而构造出的；噪声哈密顿量获取模块，用于获取将 初始控制脉冲施加到量子系统后得到的噪声哈密顿量，噪声哈密顿量是 基于量子系统的噪声参数矩阵而构造出的，噪声参数矩阵由N维电磁串 扰参数组成，N为量子系统中包括的量子比特的数量，电磁串扰参数用 于描述相邻的量子比特间的电磁串扰噪声；控制脉冲调整模块，用于将 噪声哈密顿量施加到系统哈密顿量对量子系统进行模拟计算，以对施加 到量子系统的初始控制脉冲进行调整。

包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器； 其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处 理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述资源调度方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算 机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行上述电磁串扰的标 定的方法或电磁串扰的缓释的方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程 序，计算机程序在被处理器执行时实现上述电磁串扰的标定的方法或电磁 串扰的缓释的方法。

本公开实施例中的电磁串扰的标定和处理方法、装置及电子设备，能 够实现量子比特间电磁串扰的标定，进而实现电磁串扰的缓释。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键 或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下 的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：

图1是根据本公开实施例的电磁串扰的标定方法流程图；

图2是根据本公开实施例的电磁串扰参数的标定实验示意图；

图3是根据本公开实施例的电磁串扰的缓释方法流程图；

图4是根据本公开实施例的用于缓释电磁串扰的应用场景示意图；

图5是根据本公开实施例的电磁串扰的标定和处理的应用场景示意图；

图6是根据本公开实施例的对量子比特施加设定的低频脉冲的示意图；

图7是根据本公开实施例的模拟测量量子比特的期望值分布示意图；

图8是根据本公开实施例的电磁串扰下优化CR门脉冲的效果对比示 意图；

图9是根据本公开实施例的电磁串扰的标定装置框图；

图10是根据本公开实施例的电磁串扰的缓释装置框图；

图11是用来实现本公开实施例的电磁串扰的标定或处理的方法的电 子设备的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实 施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本 领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和 修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的 描述中省略了对公知功能和结构的描述。

相关技术中，为了标定串扰噪声，目前的实现方案包括以下三种：

方案一，量子过程层析技术(Quantum Process Tomography,QPT)， QPT通过对相邻的量子比特设计一系列单比特量子门操作并进行量子态 测量，得到过程层析矩阵，进而对两比特的哈密顿量进行复原，研究其中 表示关联的分量。

方案一中，提供完整的两比特的哈密顿量噪声信息，用于描述两比特 间确切的相互作用，但是电磁串扰噪声并非两比特间的相互作用引起，故 该方案无法完整描述电磁串扰噪声。并且在实际的量子计算机中进行过程 层析需要大量的资源，对两比特进行过程层析需要258000次制备测量， 实验成本消耗较大。

方案二，门集合层析技术(Gate Set Tomography,GST)，GST来源 于量子过程层析技术，通过对相邻的量子比特设计一系列单比特量子门操 作并进行量子态测量，然后对测量数据进行分析，利用假设检验(hypothesis testing)等方法计算与理想无串扰模型或预设的参数化模型的偏差值。

方案二中，可以得到部分的噪声哈密顿量，但其实验设计较为复杂， 需要预先提出多个参数化模型，产生大量的理论计算数据，并与大量的实 验数据分析对比进行假设检验，得到对参数化模型的偏差值来标定噪声串 扰。该方案需要对大量的经典数据进行处理与计算，并且其偏差值无法很 好地描述电磁串扰噪声。

方案三，同时随机基准测试(Simultaneous Randomized Benchmark, SRB)，随机基准测试(RB)通过对目标量子比特设计一系列量子门操作， 利用克里夫德(Clifford)门的数学性质得到保真度衰减曲线而计算受到噪 声影响的平均保真度(averagefidelity)，利用平均保真度来研究噪声的影 响；而SRB则施加一系列的同时的随机基准测试于各量子比特上得到各 量子比特对应的保真度衰减曲线，该保真度衰减曲线与独立的各量子比特 对应的保真度衰减曲线进行对比、计算得到用于描述串扰噪声的平均保真度。

方案三中，虽然可以得到平均保真度，但是得到的平均保真度缺乏物 理含义，这是因为串扰噪声的来源丰富，从平均保真度中无法很好地理解 电磁串扰噪声及其影响。平均保真度仅能提供部分信息，更像是一种结果 而不是模型，实验者亦无法凭借平均保真度的值优化超导量子芯片的结构。 而且同时随机基准测试较为耗时，若要精确描述两量子比特间的串扰噪声， 需要运行上千次Clifford门操作。

因此，现有的量子比特间的串扰噪声的标定方案，均无法对电磁串扰 噪声进行标定，更无法对电磁串扰噪声进行缓释。

为了对电磁串扰噪声进行标定和缓释，本公开提出电磁串扰的物理模 型。

在超导量子芯片中，可以利用电磁串扰的物理原理进行串扰噪声的哈 密顿量建模：电磁串扰来源于作用在目标量子比特j的驱动脉冲通过超导 电路泄露到邻近的量子比特k上，该串扰脉冲等价表现为作用在量子比特 k上的附加驱动，且该驱动脉冲与量子比特k的频率不匹配，其特性由表示 串扰强度的β_jk与相位延迟的θ_jk两个噪声参数决定。利用这组噪声参数， 可以产生两个矩阵β,θ，这两个矩阵的维度与量子芯片中量子比特的数目 一致，称为噪声参数矩阵。通过噪声参数矩阵，可以确定一个给定的二维 Transmon超导量子比特芯片结构中的串扰哈密顿量。

在具体的实验系统中，考虑到超导量子系统通常具有三个供外部信号 输入的通道(X，Y，Z通道)，若施加在量子比特j上的脉冲驱动频率等 于该量子比特k的本征频率，可以得到在量子比特j的X，Y通道脉冲驱动 下的量子比特k的串扰噪声哈密顿量(以量子比特k的本征频率进行旋转 波近似)：

其中

分别表示作用在量子比特j的X，Y通道上的电磁 脉冲(即电信号的幅度随时间变化的函数，超导量子系统由外部的电或磁 通信号驱动，完成对量子比特的操控)，Δ_kj表示量子比特k的本征频率 与量子比特j的本征频率的差值，

分别为湮灭与产生算符iiii，其 在二能级的矩阵为|0><1|与|1><0|，表示吸收或释放一个光子。

根据上述电磁串扰的物理模型，通过设计一组作用在X，Y通道的电 磁脉冲，标定出β_jk与θ_jk，即噪声参数矩阵；同时在这组噪声参数下进行 脉冲优化实现噪声缓释，进而实现高质量的量子门。

请参阅图1所示，本公开实施例提供一种电磁串扰的标定方法，具体 流程如下所示：

步骤S101：在量子系统中确定待测的量子比特对，该待测的量子比 特对包括第一量子比特和与第一量子比特相邻的第二量子比特。

步骤S102：对第一量子比特以第二量子比特的本征频率施加M组设 定的控制脉冲，以获取第二量子比特的测量结果，M为正整数。

步骤S103：根据测量结果对第一量子比特和第二量子比特之间的电 磁串扰参数进行标定，电磁串扰参数用于描述第一量子比特泄露到第二量 子比特的电磁串扰噪声。

通过上述过程，能够对量子比特之间的电磁串扰噪声进行精确标定， 该标定流程减少了诸如同时随机基准测试与量子过程层析技术所需要的 时间与资源，实用性更强。

在一种可能的实施方式中，步骤S102中对第一量子比特以第二量子 比特的本征频率施加M组设定的控制脉冲，并获取第二量子比特的测量 结果，可以通过以下过程实现：对第一量子比特以第二量子比特的本征频 率在第一控制通道和第二控制通道分别施加M组设定的控制脉冲；测量 第二量子比特在布洛赫球z方向上的第一期望值和在布洛赫球y方向上的 第二期望值，得到第二量子比特的测量结果。

本公开中，第一控制通道和第二控制通道为相互正交的两个通道，由 于量子系统通常具有三个供外部信号输入的通道分别是X，Y，Z通道， 可选的，第一控制通道为X通道，第二控制通道为Y通道；或，第一控 制通道为Y通道，第二控制通道为X通道，本公开对此不作限定。

需要说明的是，本公开实施例中的控制脉冲均为低频脉冲。

上述实施方式中，作用在第一量子比特的控制脉冲通过超导电路泄露 到第二量子比特上，分别测量第二量子比特在z，y方向的期望值，从而 能够根据测量的期望值分析得到电磁噪声参数的标定值。

进一步的，根据测量得到的期望值对电磁串扰参数进行标定，具体包 括以下过程：根据第一期望值得到第二量子比特的第一期望值分布，对 第一期望值分布进行曲线拟合得到表示串扰强度的第一参数；根据第二 期望值得到第二量子比特的第二期望值分布，对第二期望值分布进行曲线 拟合得到拟合后的结果，根据拟合后的结果和第一参数确定表示相位延迟 的第二参数，电磁串扰参数包括第一参数和第二参数。

这样，利用测量得到的z，y方向的期望值，得到期望值随相位的期 望值分布，对得到的期望值的分布进行参数估计或曲线拟合，得到电磁串 扰参数，利用该电磁串扰参数和电磁串扰的物理模型能够准确建模出受电 磁串扰噪声影响的两比特量子系统。

一种可能的实施方式中，量子芯片包括N个量子比特，该标定方法还 包括：遍历量子系统中量子比特相邻的所有量子比特对，对每个量子比 特对之间的电磁串扰参数进行标定，得到噪声参数矩阵，噪声参数矩阵由 N维电磁串扰参数组成。

通过上述过程，可以实现针对给定的二维Transmon超导量子芯片结 构的有关电磁泄露的电磁串扰参数标定，从而能够利用噪声参数矩阵和电 磁串扰的物理模型能够准确建模出量子芯片受电磁串扰噪声影响的量子 系统。

请参阅图2，图2是本公开实施例中电磁串扰参数的标定实验示意图。 在标定的实验过程，第一量子比特和第二量子比特分别以量子比特j与k 来具体说明。

在标定的实验过程中，取一对待测的量子比特j与k，对量子比特j以 量子比特k的本征频率在X，Y通道上分别施加多组设定的低频脉冲：

在这个过程中， 量子比特k不做任何操作，则量子比特k的哈密顿量：

其中a为失谐系数，每一组实验对应不同的相位

若进行 M次实验则

海森堡绘景下，对于不含时的哈密顿量

演化算符随时间的变化 遵循薛定谔方程：

因此施加在量子比特j上的低频脉冲对量子比特k的串扰影响使得量 子比特k上的初始状态随时间演化，该演化算符在二能级空间中为：

上式中上面的

为量子比特k空间中的泡利算符。泡利算符是 可观测量，对应的观测方向分别沿布洛赫球(Bloch sphere)的x，y，z轴。 下面的Rz(γ)与Rx(α)分别表示量子比特在布洛赫球上绕z轴旋转γ角度与 绕x轴旋转α角度的操作。经过计算，可以得到初态为|0>态的量子态经 过该演化后在t时刻分别在z轴与y轴方向的期望值：

通过施加M对低频脉冲于量子比特j的X，Y通道上，并每次设定同 样的脉冲持续时间tg，在tg时刻停止信号输入并对量子比特k进行测量， 在对量子比特k进行测量时，需要生成一个读取信号来探测与量子比特k耦 合的谐振器(resonator)的本征频率，分别测量量子比特k在z，y方向上 的期望值。在实验中，直接测量只能表征出布洛赫球z方向上的期望值， 而对于y方向的期望值，则需要在量子比特施加额外脉冲，将其转动至z 方向再进行测量。测量得到期望值随

的分布。对该分布进行参数估计 或曲线拟合后，可以得到对于串扰参数β_jk与θ_jk的标定值β_jk ^es与θ_jk ^es。

遍历量子芯片中量子比特相邻的所有量子比特对，针对遍历的每个量 子比特对继续执行上述标定过程，进而得到矩阵β^es,θ^es，即得到噪声参 数矩阵，即得到了整个量子芯片的噪声参数矩阵的估计值。

综上，上述过程通过设计一组作用在比特j上的操控信号(即施加 的低频脉冲)，与比特k上的读取信号，对读取的测量结果进行分析， 得到量子芯片的噪声参数矩阵的估计值，使得能够准确建模出受电磁串扰 噪声影响的量子系统。

针对量子系统能够标定受电磁串扰噪声影响的量子系统，进而可以对 该量子系统进行电磁噪声缓释，以实现高质量的量子门。

请参阅图3所示，本公开实施例提供一种电磁串扰的缓释方法，具体 流程如下所示：

步骤S301：获取系统哈密顿量，该系统哈密顿量是基于量子系统的 基本参数而构造出的。

步骤S302：获取将初始控制脉冲施加到量子系统后得到的噪声哈密 顿量，噪声哈密顿量是基于量子系统的噪声参数矩阵而构造出的。

其中，噪声参数矩阵由N维电磁串扰参数组成，N为量子系统中包括 的量子比特的数量，电磁串扰参数用于描述相邻的量子比特间的电磁串扰 噪声。

步骤S303：将噪声哈密顿量施加到系统哈密顿量对量子系统进行模 拟计算，以对施加到量子系统的初始控制脉冲进行调整。

在电磁串扰的缓释过程中，利用量子系统的基本参数和噪声参数矩阵， 构造出受电磁影响的量子系统，在量子系统的模拟计算中对施加到量子系 统的初始控制脉冲进行优化，在存在电磁串扰噪声的情况下实现高质量的 量子门。

步骤S301中在获取系统哈密顿量时，基于量子系统的基本参数例如 量子系统的比特数量、比特本征频率和失谐性利用相关技术来构造，本公 开对此不做具体限定。

在步骤S302中，获取将初始控制脉冲施加到量子系统后得到的噪声 哈密顿量可以通过以下过程实现：利用量子系统的噪声参数矩阵和构建的 电磁串扰的物理模型，确定量子系统的噪声哈密顿量。

可选的，将初始控制脉冲、噪声参数矩阵输入到构建的电磁串扰的物 理模型中，可以计算得到量子系统的噪声哈密顿量。

上述过程中，利用量子系统的噪声参数矩阵和构建的电磁串扰的物理 模型，确定量子系统的噪声哈密顿量，从而能够将噪声哈密顿量施加到系 统哈密顿量，从而将电磁串扰的影响反馈到量子系统中，为脉冲优化提供 前提。

在步骤S303中，对施加到量子系统的初始控制脉冲进行调整，可以 通过以下过程实现：将噪声哈密顿量施加到系统哈密顿量；根据初始控制 脉冲对系统哈密顿量进行动力学演化得到模拟量子门；根据模拟量子门、 量子系统对应的目标量子门，对初始控制脉冲进行调整。

通过上述过程，在量子系统模拟计算中对初始控制脉冲进行反馈优化， 能够缓释量子门的电磁串扰影响。

具体的，根据模拟量子门、量子系统对应的目标量子门，对初始控制 脉冲进行优化，可以通过以下两种算法实现：

算法一，以模拟量子门和目标量子门之间的失真度构建第一目标函数； 对第一目标函数进行优化，得到优化后的目标控制脉冲，以对初始控制脉 冲进行更新。

算法一中，以X，Y通道上的高斯波脉冲的幅值为优化变量，利用 COBYLA(Constrained Optimization BY Linear Approximation)最优化算 法对第一目标函数进行最优化，得到优化后的目标控制脉冲，利用目标控 制脉冲对初始控制脉冲进行更新，用于缓释并行单比特门即平行门间的电 磁串扰。

算法二，以模拟量子门和目标量子门之间的保真度的平方构建第二目 标函数；对第二目标函数进行优化，得到优化后的目标控制脉冲，以对初 始控制脉冲进行更新。

算法二中，对X，Y通道或X，Y，Z通道的脉冲进行切片，以每片 切片的高斯波脉冲的幅幅值为优化变量，利用GRAPE(Gradient Ascent Pulse Engineering)最优化算法对第二目标函数进行最优化，得到优化后 的目标控制脉冲，利用目标控制脉冲对初始控制脉冲进行更新，用于缓释 两比特交叉共振(cross-resonance，CR)门的电磁串扰。

请参阅图4所示，图4是本公开实施例的用于缓释电磁串扰的应用场 景示意图，图4中，对量子系统施加脉冲信号后，通过无噪声模型获取系 统哈密顿量，通过噪声模型获取噪声哈密顿量，将噪声哈密顿量反馈到系 统哈密顿量，得到哈密顿量演化的酉矩阵，以演化的酉矩阵与目标量子门 的酉矩阵构造目标函数，对目标函数进行优化得到优化后的脉冲信号，从 而反馈优化后的脉冲信号，并对脉冲信号进行更新。

请参阅图5所示，图5是本公开实施例的电磁串扰的标定和处理的应 用场景示意图，图5中包括两个应用场景分别是电磁串扰的标定场景和电 磁串扰的缓释场景。

电磁串扰的标定场景包括：

步骤S511：确定一对待标定的相邻量子比特分别是量子比特j与k。

步骤S512：在量子比特j上以量子比特k的本征频率为载波在X，Y 通道施加一系列持续时间固定的低频脉冲。

步骤S513：测量量子比特k在z方向的期望值，拟合得到表示串扰强 度的β_jk参数的估计值。

步骤S514：测量量子比特k在y方向的期望值，拟合得到表示相位延 迟的θ_jk参数的估计值。

返回步骤S511：继续标定，直到所有的量子比特相邻的量子比特对 都标定完毕。

在完成量子系统的电磁串扰参数的标定后，可进入电磁串扰的缓释场 景，电磁串扰的缓释场景具体包括两个处理场景：

处理场景一：

步骤S521：构建电磁串扰的物理模型，获取量子芯片的电磁串扰参 数。

步骤S522：进行电磁串扰的定量分析。

步骤S523：为量子芯片提供硬件参数的设计指导。

处理场景二：

步骤S521：构建电磁串扰的物理模型，获取量子芯片的电磁串扰参 数。

步骤S524：进行脉冲优化与噪声缓释，实现高保真度的量子门。

针对处理场景一，对给定结构的超导量子芯片的电磁串扰进行定量研 究与分析，通过标定量子芯片的电磁串扰参数来分析电磁串扰噪声的影响。

具体的，将处理场景一应用到一个包含两个量子比特的量子芯片上， 来验证其有效性和优势。当然，本公开方案也同样适用于包括多个量子比 特的量子芯片。

构建一个含有两个相邻量子比特(编号q0，q1)的量子系统的噪声哈 密顿量，并随机设定了β₀₁与θ₀₁，分别为0.1256与0.31415926(π/10)， 随后在量子比特q0的X，Y通道上施加多组持续时间相同的脉冲，具体 参阅图6所示。通过对量子比特q1的测量，可以得到其期望值分布，具 体参阅图7所示，图7中是模拟测量量子比特q1的期望值分布，以30组 脉冲为例。最后通过曲线拟合或参数估计得到对β₀₁与θ₀₁的标定值： 0.12560000000000424，0.3141850246057998；可以看出标定的值精度非常 接近预设的值，可以预计在实验中也具有较高的精度。

若量子芯片包括多个量子比特，对量子芯片的所有相邻的比特对进行 标定后，可以通过比较电磁噪声参数的相对大小找到电磁串扰较严重的相 邻量子比特对，进而以优化超导线路硬件或调大相邻量子比特的本征频率 差的方式减少电磁串扰噪声；也可以在计算中利用标定好的电磁噪声参数 进行数值分析，研究如何分配各量子比特的本征频率以达到抵抗电磁串扰 噪声的最优硬件设计。

针对处理场景二，选取两比特CR门作为噪声缓释的目标，在电磁串 扰下优化CR门脉冲，与相同任务下的业界其他方案作对比得到图8。失 真度越高说明量子门的精度越低，受噪声的影响越大。从图8可以看出， 在电磁串扰的影响下，本公开的串扰噪声的处理方案能够得到更好的噪声 缓释效果。

综上，本公开方案具有如下优点：

第一，实用性强。本公开能够实现脉冲层面的串扰噪声的标定与缓释， 具有较好的物理意义与实现方案，由于能够提供噪声模拟的功能从而可以 通过该功能了解电磁泄露的原因，进而优化超导线路或超导量子比特的频 率分布。

第二，噪声标定过程所用的资源少，且操作简单，精度高。在模拟实 验中，通常只需要几十次实验便能得到精度很高的标定值。每对量子比特 的电磁串扰参数的标定只需要需要约100次制备与测量操作，其他的方案 如同时随机基准测试对串扰进行度量，需要上千次单个脉冲实验。

第三，噪声缓释方案具有很好的优化效果。本公开对两种受电磁串扰 影响较大的量子门提供不同的脉冲优化方式，与业界类似产品的对比表明 本专利的方案可以在电磁串扰噪声下实现更高保真度的CR门。

第四，可扩展性强。本公开不但可以扩展到包含多量子比特不同噪声 类型(比如flux串扰噪声等)的芯片结构，还可以拓展至其它量子硬件 平台中，比如离子阱平台，其同样存在着原理类似的电磁串扰噪声。同时， 本公开中的电磁串扰的标定方案不仅可以用于相邻量子比特间的直接电 磁串扰标定，也可以用于不相邻量子比特间的间接电磁串扰标定。

请参阅图9所示，本公开实施例提供一种电磁串扰的标定装置，该装 置900包括：

确定模块901，用于在量子系统中确定待测的量子比特对，待测的量 子比特对包括第一量子比特和与第一量子比特相邻的第二量子比特；

测量模块902，用于对第一量子比特以第二量子比特的本征频率施加 M组设定的控制脉冲，以获取第二量子比特的测量结果，M为正整数；以 及

标定模块903，用于根据测量结果对第一量子比特和第二量子比特之 间的电磁串扰参数进行标定，电磁串扰参数用于描述第一量子比特泄露到 第二量子比特的电磁串扰噪声。

在一种可能的实施方式中，其中，测量模块902包括：

控制脉冲施加子模块，用于对第一量子比特以第二量子比特的本征频 率在第一控制通道和第二控制通道分别施加M组设定的控制脉冲；

期望值测量子模块，用于测量第二量子比特在布洛赫球z方向上的第 一期望值和在布洛赫球y方向上的第二期望值，得到第二量子比特的测量 结果。

在一种可能的实施方式中，其中，标定模块903包括：

第一参数确定子模块，用于根据第一期望值得到第二量子比特的第一 期望值分布，对第一期望值分布进行曲线拟合得到表示串扰强度的第一 参数；

第二参数确定子模块，用于根据第二期望值得到第二量子比特的第二 期望值分布，对第二期望值分布进行曲线拟合得到拟合后的结果，根据拟 合后的结果和第一参数确定表示相位延迟的第二参数；

电磁串扰参数包括第一参数和第二参数。

在一种可能的实施方式中，量子系统包括N个量子比特，标定模块 903还用于：

遍历量子系统中量子比特相邻的所有量子比特对，对每个量子比特 对之间的电磁串扰参数进行标定，得到噪声参数矩阵，噪声参数矩阵由M 维电磁串扰参数组成。

请参阅图10所示，本公开实施例提供一种电磁串扰的缓释装置1000， 包括：

系统哈密顿量获取模块1001，用于获取系统哈密顿量，系统哈密顿量 是基于量子系统的基本参数而构造出的；

噪声哈密顿量获取模块1002，用于获取将初始控制脉冲施加到量子系 统后得到的噪声哈密顿量，噪声哈密顿量是基于量子系统的噪声参数矩阵 而构造出的，噪声参数矩阵由N维电磁串扰参数组成，N为量子系统中包 括的量子比特的数量，电磁串扰参数用于描述相邻的量子比特间的电磁串 扰噪声；

控制脉冲调整模块1003，用于将噪声哈密顿量施加到系统哈密顿量对 量子系统进行模拟计算，以对施加到量子系统的初始控制脉冲进行调整。

在一种可能的实施方式中，噪声哈密顿量获取模块1002包括：

噪声哈密顿量确定子模块，用于利用量子系统的噪声参数矩阵和构建 的电磁串扰的物理模型，确定量子系统的噪声哈密顿量。

在一种可能的实施方式中，控制脉冲调整模块1003包括：

哈密顿量增加子模块，用于将噪声哈密顿量施加到系统哈密顿量；

哈密顿量演化子模块，用于根据初始控制脉冲对系统哈密顿量进行动 力学演化得到模拟量子门；

控制脉冲调整子模块，用于根据模拟量子门、量子系统对应的目标量 子门，对初始控制脉冲进行调整。

在一种可能的实施方式中，控制脉冲调整子模块包括：

第一目标函数构建单元，用于以模拟量子门和目标量子门之间的失真 度构建第一目标函数；

第一目标函数优化单元，用于对第一目标函数进行优化，得到优化后 的目标控制脉冲，以对初始控制脉冲进行更新。

在一种可能的实施方式中，控制脉冲调整子模块包括：

第二目标函数构建单元，用于以模拟量子门和目标量子门之间的保真 度的平方构建第二目标函数；

第二目标函数优化单元，用于对第二目标函数进行优化，得到优化后 的目标控制脉冲，以对初始控制脉冲进行更新。

在一种可能的实施方式中，噪声参数矩阵中包括的电磁串扰参数是由 电磁串扰的标定装置900确定。

本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的获取，存储和应用等， 均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。

根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储 介质和一种计算机程序产品。

图11示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备1100的示 意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算 机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型 计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置， 诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计 算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为 示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。

如图11所示，设备1100包括计算单元1101，其可以根据存储在只读 存储器(ROM)1102中的计算机程序或者从存储单元1108加载到随机访 问存储器(RAM)1103中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。 在RAM 1103中，还可存储设备1100操作所需的各种程序和数据。计算 单元1101、ROM 1102以及RAM 1103通过总线1104彼此相连。输入/输 出(I/O)接口1105也连接至总线1104。

设备1100中的多个部件连接至I/O接口1105，包括：输入单元1106， 例如键盘、鼠标等；输出单元1107，例如各种类型的显示器、扬声器等； 存储单元1108，例如磁盘、光盘等；以及通信单元1109，例如网卡、调 制解调器、无线通信收发机等。通信单元1109允许设备1100通过诸如因 特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

计算单元1101可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理 组件。计算单元1101的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、 图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行 机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当 的处理器、控制器、微控制器等。计算单元1101执行上文所描述的各个 方法和处理，例如电磁串扰的标定和/或电磁串扰的缓释方法。例如，在一 些实施例中，电磁串扰的标定和/或电磁串扰的缓释方法可被实现为计算机 软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元1108。在一些 实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM1102和/或通信单元 1109而被载入和/或安装到设备1100上。当计算机程序加载到RAM1103 并由计算单元1101执行时，可以执行上文描述的方法的一个或多个步骤。 备选地，在其他实施例中，计算单元1101可以通过其他任何适当的方式 (例如，借助于固件)而被配置为执行电磁串扰的标定和/或电磁串扰的缓 释方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路 系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、 专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设 备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些 各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者 多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/ 或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储 系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将 数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出 装置。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的 任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其 他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控 制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可 以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机 器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含 或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设 备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读 储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电 磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组 合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、 可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑 盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的 任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术， 该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线 管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠 标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算 机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的 反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉 反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入) 来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如， 作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、 或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器 的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处 描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部 件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络 的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网。

计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此 并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具 有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器 可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的 服务器。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或 删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地 执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望 的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术 人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、 子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和 改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (23)

1.一种电磁串扰的标定方法，包括：

在量子系统中确定待测的量子比特对，所述待测的量子比特对包括第一量子比特和与所述第一量子比特相邻的第二量子比特；

对所述第一量子比特以所述第二量子比特的本征频率施加M组设定的控制脉冲，以获取所述第二量子比特的测量结果，所述M为正整数；以及

根据所述测量结果对所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的电磁串扰参数进行标定，所述电磁串扰参数用于描述所述第一量子比特泄露到所述第二量子比特的电磁串扰噪声。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对所述第一量子比特以所述第二量子比特的本征频率施加M组设定的控制脉冲，并获取所述第二量子比特的测量结果，包括：

对所述第一量子比特以所述第二量子比特的本征频率在第一控制通道和第二控制通道分别施加M组设定的控制脉冲；

测量所述第二量子比特在布洛赫球z方向上的第一期望值和在布洛赫球y方向上的第二期望值，得到所述第二量子比特的测量结果。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述根据所述测量结果对所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的电磁串扰参数进行标定，包括：

根据所述第一期望值得到所述第二量子比特的第一期望值分布，对所述第一期望值分布进行曲线拟合得到表示串扰强度的第一参数；

根据所述第二期望值得到所述第二量子比特的第二期望值分布，对所述第二期望值分布进行曲线拟合得到拟合后的结果，根据所述拟合后的结果和所述第一参数确定表示相位延迟的第二参数；

所述电磁串扰参数包括所述第一参数和所述第二参数。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，所述量子系统包括N个量子比特，所述方法还包括：

遍历所述量子系统中量子比特相邻的所有量子比特对，对每个量子比特对之间的电磁串扰参数进行标定，得到噪声参数矩阵，所述噪声参数矩阵由N维电磁串扰参数组成。

5.一种电磁串扰的缓释方法，包括：

获取系统哈密顿量，所述系统哈密顿量是基于量子系统的基本参数而构造出的；

获取将初始控制脉冲施加到所述量子系统后得到的噪声哈密顿量，所述噪声哈密顿量是基于所述量子系统的噪声参数矩阵而构造出的，所述噪声参数矩阵由N维电磁串扰参数组成，N为所述量子系统中包括的量子比特的数量，所述电磁串扰参数用于描述相邻的量子比特间的电磁串扰噪声；

将所述噪声哈密顿量施加到所述系统哈密顿量对所述量子系统进行模拟计算，以对施加到所述量子系统的初始控制脉冲进行调整。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述获取将初始控制脉冲施加到所述量子系统后得到的噪声哈密顿量，包括：

利用所述量子系统的噪声参数矩阵和构建的电磁串扰的物理模型，确定所述量子系统的噪声哈密顿量。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述将所述噪声哈密顿量施加到所述系统哈密顿量对所述量子系统进行模拟计算，以对施加到所述量子系统的初始控制脉冲进行调整，包括：

将所述噪声哈密顿量施加到所述系统哈密顿量；

根据所述初始控制脉冲对所述系统哈密顿量进行动力学演化，得到模拟量子门；

根据所述模拟量子门、所述量子系统对应的目标量子门，对所述初始控制脉冲进行调整。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述根据所述模拟量子门、所述量子系统对应的目标量子门，对所述初始控制脉冲进行调整，包括：

以所述模拟量子门和所述目标量子门之间的失真度构建第一目标函数；

对所述第一目标函数进行优化，得到优化后的目标控制脉冲，以对所述初始控制脉冲进行更新。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述根据所述模拟量子门、所述量子系统对应的目标量子门，对所述初始控制脉冲进行调整，包括：

以所述模拟量子门和所述目标量子门之间的保真度的平方构建第二目标函数；

对所述第二目标函数进行优化，得到优化后的目标控制脉冲，以对所述初始控制脉冲进行更新。

10.根据权利要求5-9任一项所述的方法，其中，所述噪声参数矩阵中包括的电磁串扰参数是由权利要1-4任一项所述的方法确定。

11.一种电磁串扰的标定装置，包括：

确定模块，用于在量子系统中确定待测的量子比特对，所述待测的量子比特对包括第一量子比特和与所述第一量子比特相邻的第二量子比特；

测量模块，用于对所述第一量子比特以所述第二量子比特的本征频率施加M组设定的控制脉冲，以获取所述第二量子比特的测量结果，所述M为正整数；以及

标定模块，用于根据所述测量结果对所述第一量子比特和所述第二量子比特之间的电磁串扰参数进行标定，所述电磁串扰参数用于描述所述第一量子比特泄露到所述第二量子比特的电磁串扰噪声。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述测量模块包括：

控制脉冲施加子模块，用于对所述第一量子比特以所述第二量子比特的本征频率在第一控制通道和第二控制通道分别施加M组设定的控制脉冲；

期望值测量子模块，用于测量所述第二量子比特在布洛赫球z方向上的第一期望值和在布洛赫球y方向上的第二期望值，得到所述第二量子比特的测量结果。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述标定模块包括：

第一参数确定子模块，用于根据所述第一期望值得到所述第二量子比特的第一期望值分布，对所述第一期望值分布进行曲线拟合得到表示串扰强度的第一参数；

第二参数确定子模块，用于根据所述第二期望值得到所述第二量子比特的第二期望值分布，对所述第二期望值分布进行曲线拟合得到拟合后的结果，根据所述拟合后的结果和所述第一参数确定表示相位延迟的第二参数；

所述电磁串扰参数包括所述第一参数和所述第二参数。

14.根据权利要求11-13任一项所述的装置，所述量子系统包括N个量子比特，所述标定模块还用于：

遍历所述量子系统中量子比特相邻的所有量子比特对，对每个量子比特对之间的电磁串扰参数进行标定，得到噪声参数矩阵，所述噪声参数矩阵由M维电磁串扰参数组成。

15.一种电磁串扰的缓释装置，包括：

系统哈密顿量获取模块，用于获取系统哈密顿量，所述系统哈密顿量是基于量子系统的基本参数而构造出的；

噪声哈密顿量获取模块，用于获取将初始控制脉冲施加到所述量子系统后得到的噪声哈密顿量，所述噪声哈密顿量是基于所述量子系统的噪声参数矩阵而构造出的，所述噪声参数矩阵由N维电磁串扰参数组成，N为所述量子系统中包括的量子比特的数量，所述电磁串扰参数用于描述相邻的量子比特间的电磁串扰噪声；

控制脉冲调整模块，用于将所述噪声哈密顿量施加到所述系统哈密顿量对所述量子系统进行模拟计算，以对施加到所述量子系统的初始控制脉冲进行调整。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述噪声哈密顿量获取模块包括：

噪声哈密顿量确定子模块，用于利用所述量子系统的噪声参数矩阵和构建的电磁串扰的物理模型，确定所述量子系统的噪声哈密顿量。

17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制脉冲调整模块包括：

哈密顿量增加子模块，用于将所述噪声哈密顿量施加到所述系统哈密顿量；

哈密顿量演化子模块，用于根据所述初始控制脉冲对所述系统哈密顿量进行动力学演化得到模拟量子门；

控制脉冲调整子模块，用于根据所述模拟量子门、所述量子系统对应的目标量子门，对所述初始控制脉冲进行调整。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制脉冲调整子模块包括：

第一目标函数构建单元，用于以所述模拟量子门和所述目标量子门之间的失真度构建第一目标函数；

第一目标函数优化单元，用于对所述第一目标函数进行优化，得到优化后的目标控制脉冲，以对所述初始控制脉冲进行更新。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制脉冲调整子模块包括：

第二目标函数构建单元，用于以所述模拟量子门和所述目标量子门之间的保真度的平方构建第二目标函数；

第二目标函数优化单元，用于对所述第二目标函数进行优化，得到优化后的目标控制脉冲，以对所述初始控制脉冲进行更新。

20.根据权利要求15-19任一项所述的装置，其中，所述噪声参数矩阵中包括的电磁串扰参数是由权利要11-14任一项所述的装置确定。

21.一种电子设备，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执行权利要求1-10中任一项所述的方法。

22.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。

23.一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据权利要求1-10中任一项所述的方法。

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