CN113792880A

CN113792880A - 基于脉冲的量子门实现方法及装置、电子设备和介质

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Publication number: CN113792880A
Application number: CN202111093659.2A
Authority: CN
Inventors: 孟则霖; 王鑫; 晋力京; 王青鹤
Original assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2041-09-17
Also published as: US20230087100A1; CN113792880B

Abstract

本公开提供了一种基于脉冲的量子门实现方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品，涉及量子计算领域，尤其涉及量子门、脉冲控制技术领域。实现方案为：确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并确定待优化参数；确定最大脉冲数量、初始化当前脉冲数量以及预设的误差容忍度。执行迭代操作：基于当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值，确定待实现的量子门矩阵和损失函数；调整待优化参数的一组参数值以最小化损失函数；确定最小化损失函数后与目标量子门矩阵之间的误差；响应于当前脉冲数量小于最大脉冲数量且误差大于误差容忍度，将当前脉冲数量加一。基于迭代操作后所得到的脉冲数量以及一组参数值，生成相应的脉冲。

Description

基于脉冲的量子门实现方法及装置、电子设备和介质

技术领域

本公开涉及量子计算机领域，尤其涉及量子门、脉冲控制技术领域，具体涉及一种基于脉冲的量子门实现方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

背景技术

在量子控制领域中，在将量子软件层面的量子逻辑门编译为量子硬件能够识别的物理脉冲信号的过程中，会受到许多非理想因素(如高能级泄露、串扰等)的干扰。因此，需要合理设计该物理脉冲信号，以抑制甚至消除该非理想因素的影响，以提高量子门的保真度。

发明内容

本公开提供了一种基于脉冲的量子门实现方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

根据本公开的一方面，提供了一种基于脉冲的量子门实现方法，包括：确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于所述对应关系确定待优化参数；确定最大脉冲数量、初始化当前脉冲数量以及预设的误差容忍度，其中初始化的当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量；执行迭代操作，直到脉冲数量达到所述最大脉冲数量或待实现的量子门误差不大于所述误差容忍度：基于当前脉冲数量初始化得到待优化参数的一组参数值，所述一组参数值与所述当前脉冲数量相对应；基于所述当前脉冲数量以及所述一组参数值，通过薛定谔方程确定待实现的量子门矩阵；基于所述待实现的量子门矩阵以及目标量子门矩阵确定损失函数；以及调整所述待优化参数的一组参数值，以最小化所述损失函数；确定最小化损失函数后所得到的待实现的量子门矩阵并计算所述待实现的量子门矩阵与所述目标量子门矩阵之间的误差；响应于确定当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量并且所述误差大于所述误差容忍度，将当前脉冲数量加一；基于所述迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值，生成相应的脉冲，以实现量子门。

根据本公开的另一方面，提供了一种基于脉冲的量子门实现装置，包括：第一确定单元，配置为确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于所述对应关系确定待优化参数；第二确定单元，配置为确定最大脉冲数量、初始化当前脉冲数量以及预设的误差容忍度，其中初始化的当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量；迭代单元，配置为执行以下迭代操作，直到脉冲数量达到所述最大脉冲数量或待实现的量子门误差不大于所述误差容忍度：基于当前脉冲数量初始化得到待优化参数的一组参数值，所述一组参数值与所述当前脉冲数量相对应；基于所述当前脉冲数量以及所述一组参数值，通过薛定谔方程确定待实现的量子门矩阵；基于所述待实现的量子门矩阵以及目标量子门矩阵确定损失函数；以及调整所述待优化参数的一组参数值，以最小化所述损失函数；确定最小化损失函数后所得到的待实现的量子门矩阵并计算所述待实现的量子门矩阵与所述目标量子门矩阵之间的误差；响应于确定当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量并且所述误差大于所述误差容忍度，将当前脉冲数量加一；脉冲生成单元，配置为基于所述迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值，生成相应的脉冲，以实现量子门。

根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，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；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，该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根据本公开所述的方法。

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，该计算机指令用于使计算机执行根据本公开所述的方法。

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，该计算机程序在被处理器执行时实现根据本公开所述的方法。

根据本公开的一个或多个实施例，将脉冲时长考虑到优化过程中，从而有效约束了脉冲形状，对硬件更加友好，减少了真实量子计算机中脉冲生成的难度。

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

附图示例性地示出了实施例并且构成说明书的一部分，与说明书的文字描述一起用于讲解实施例的示例性实施方式。所示出的实施例仅出于例示的目的，并不限制权利要求的范围。在所有附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的要素。

图1示出了根据本公开的实施例的基于脉冲的量子门实现方法的流程图；

图2示出了根据本公开的实施例的脉冲交替生成的脉冲电路的示意图；

图3示出了根据本公开的实施例的基于优化后所得到的一组参数值生成相应的脉冲的流程图；

图4示出了根据本公开的实施例的确定脉冲参数的方法的流程图；

图5示出了根据本公开的实施例的参数C₁和失真度对应关系的折线图；

图6示出了根据本公开的实施例的参数C₁和脉冲总时长对应关系的折线图；

图7示出了根据本公开的实施例的优化后所得到的脉冲参数所对应的脉冲序列的示意图；

图8示出了根据本公开的实施例的基于脉冲的量子门实现装置的结构框图；以及

图9示出了能够用于实现本公开的实施例的示例性电子设备的结构框图。

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。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。

在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。

在本公开中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。

下面将结合附图详细描述本公开的实施例。

迄今为止，正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经典物理学为信息处理的理论基础，称为传统计算机或经典计算机。经典信息系统采用物理上最容易实现的二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由0或1表示，称为一个位或比特，作为最小的信息单元。经典计算机本身存在着不可避免的弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kT的几倍以上，以避免在热胀落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的性能。

量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学性质、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设备。当某个设备处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，他就是量子计算机。量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律(特别是量子干涉)来实现一种信息处理的新模式。对计算问题并行处理，量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。

量子控制是连接量子软硬件的桥梁，也是量子计算中必不可缺少的一环。在量子计算中，除了关心量子硬件的性能(包括量子比特的质量和数量)，还需要思考如何能够有效地控制量子硬件，从而使得量子任务高效地执行。具体而言，需要将量子软件层面的量子逻辑门编译为量子硬件能够识别的物理脉冲信号。

目前，业界有若干个量子硬件候选者。受益于量子比特相干时间长、易扩展等优势，超导电路近些年取得了非常大的发展。而且，诸多有价值的量子任务在超导平台中得以实现和验证。然而，在实际超导电路中，会有许多非理想因素(如高能级泄露、串扰等)，限制着真实量子门的保真度。欲解决这个问题，研究人员通常通过设计合理的脉冲来抑制甚至消除它们的影响，进而大幅地提高了量子门的保真度。常用的技术方案是，研究人员通过建立物理模型进行仿真和优化，计算出一组脉冲参数，然后再在真实的量子硬件系统中进行脉冲校准，进一步提升保真度。受限于量子比特的相干时间，如果量子门时间太长，会对整个量子控制系统的效率和有效性造成较大的影响。除了脉冲时间之外，能够在环境噪声的影响下产生高保真度的量子门脉冲也是衡量脉冲技术方案的一项重要指标。

因此，根据本公开的实施例提供了一种基于脉冲的量子门实现方法。图1示出了根据本公开的实施例的基于脉冲的量子门实现方法的流程图100。如图1所示，该方法包括：确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于该对应关系确定待优化参数(步骤110)；确定最大脉冲数量、初始化当前脉冲数量以及预设的误差容忍度，其中初始化的当前脉冲数量小于最大脉冲数量(步骤120)；执行迭代操作，直到脉冲数量达到最大脉冲数量或待实现的量子门误差不大于该误差容忍度(步骤130)：基于当前脉冲数量初始化得到待优化参数的一组参数值，该一组参数值与当前脉冲数量相对应(步骤1301)；基于当前脉冲数量以及该一组参数值，通过薛定谔方程确定待实现的量子门矩阵(步骤1302)；基于待实现的量子门矩阵以及目标量子门矩阵确定损失函数(步骤1303)；以及调整待优化参数的一组参数值，以最小化损失函数(步骤1304)；确定最小化损失函数后所得到的待实现的量子门矩阵并计算待实现的量子门矩阵与目标量子门矩阵之间的误差(步骤1305)；响应于确定当前脉冲数量小于最大脉冲数量并且误差大于误差容忍度，将当前脉冲数量加一(步骤1306)；基于迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值，生成相应的脉冲，以实现量子门(步骤140)。

根据本公开的实施例，将脉冲时长考虑到优化过程中，从而有效约束了脉冲形状，对硬件更加友好，减少了真实量子计算机中脉冲生成的难度。

在量子计算的实验中，通常会在实验之前进行一些模拟和仿真。在此过程中，需要对量子系统进行建模，并通过求解薛定谔方程得到任意时刻系统的演化结果。在量子优化控制中，核心目标即为设计系统的控制项，使系统在时间t后的时序演化算符尽可能与目标量子门的矩阵接近。因此，可以以模拟和仿真过程为例描述根据本公开方法的实施例。

根据本公开所述的待实现的量子门矩阵，即为需要根据优化后的脉冲参数生成的量子门的矩阵，即真实量子门的矩阵形式。

在一些实施例中，以三能级超导量子比特、通过向X-Y通道施加脉冲来实现单比特量子门为例进行描述。可以理解的是，其他能级系统以及该系统中其他通道数(例如只有X通道、X-Y-Z三个通道)的情况下也是类似的，在此不再赘述。

在相互作用表象下，系统的哈密顿量H(t)可以表述为公式(1)：

在公式(1)中，α_q表示超导量子比特的失谐性强度；

分别为产生算符和湮灭算符；此外，|0>＝[1，0，0]^T，|1>＝[0,1，0]^T，|2＞＝[0，0,1]^T；

对应X(Y)通道脉冲的高斯包络函数，其中M(N)分别表示X(Y)通道的脉冲数量，k(l)分别表示X(Y)通道的脉冲序号；而

具体可以表述为公式(2)：

在公式(2)中，

分别为X(Y)通道的高斯脉冲的参数，exp表示标量的指数运算。在获得了一个系统的哈密顿量后，即可获得该系统的所有信息，包括该系统的时间演化信息。

给定一个量子系统的哈密顿量H(t)，时序演化算符U(t)满足的动力学方程可以用薛定谔方程(即公式(3))来描述：

其中，i为虚数单位，

为普朗克常数。通过求解该含时微分方程，即可得到该系统在任意时刻的时序演化算符U(t)。

在上述实现单比特量子门的实施例中，示例地，目标量子门矩阵可以基于公式(4)进行确定：

其中，{θ,φ,λ}为所述目标量子门的参数。即，可以通过三个参数{θ,φ,λ}来描述单量子比特门操作，即当参数{θ,φ,λ}确定后，相应的单量子比特量子门根据公式(4)即可确定了。

根据一些实施例，损失函数可以基于公式(9)确定：

其中，

表示所述迭代操作中的待优化参数的一组参数值，

表示待实现的量子门矩阵，

表示目标量子门矩阵的逆，Tr()表示矩阵的迹。

如上所述，当确定一个目标量子门矩阵U_Goal(θ,φ,λ)后，可以使用目标函数(即损失函数)衡量当前脉冲参数所生成的真实量子门与目标量子门的差异。其中

为待优化的脉冲参数向量，

是使用脉冲参数

并通过计算薛定谔方程(3)得到的真实量子门矩阵，Tr则是代表矩阵的迹，即矩阵对角元的和。当确定了目标函数后，接口使用优化算法来最小化目标函数，从而得到实现给定量子操作所需的脉冲参数。

根据一些实施例，调整待优化参数的一组参数值，以最小化损失函数包括：通过优化算法调整所述待优化参数的一组参数值，以最小化所述损失函数。所述优化算法包括但不限于：梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法、启发式方法，等等。

在近期的超导量子比特平台上，量子比特的性能受限于其相干时间，因而希望量子门的操作时间都尽可能短，尽量减少退相干的影响。但是通常的脉冲参数优方案中，待优化的脉冲参数：

主要为描述脉冲波形的参数，但不包括单脉冲时长T_k(l)。通常，T_k(l)作为一个固定的参数，并不参与优化的过程。即对于不同的量子任务，上述方案中的T_k(l)是不变的，这使得方案缺乏灵活性。因而在优化脉冲时长的问题上还有很大的提升空间。另外，在上述方案中，若脉冲时长设置不合理，可能会出现脉冲振幅很小但时长很长或者脉冲振幅很大但时长又很短的脉冲，而这种脉冲在实验中会影响到整个实验的效率。

因此，在根据本公开方法中，通过确定单脉冲时长和脉冲振幅的比例关系，将脉冲时长考虑到优化过程中，从而有效约束脉冲的形状，减少真实量子计算机中脉冲生成的难度。

根据一些实施例，如上参考公式(2)所示，脉冲包络可以为高斯脉冲包络，所述脉冲包络参数包括脉冲振幅、脉冲中心位置以及标准差。因此，确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于所述对应关系确定待优化参数可以包括：基于单脉冲时长确定脉冲中心位置以及标准差；以及确定脉冲振幅与单脉冲时长的对应关系，以基于该对应关系确定待优化参数。

在一些示例中，为了控制优化脉冲时的自由度，可以仅选择公式(2)中的脉冲振幅

作为待优化的脉冲参数，并固定中心位置

和标准差

例如，可以根据公式(6)和公式(7)来确定中心位置

和标准差

各自与单脉冲时长T_k(l)的对应关系。

其中，T_k(l)为单脉冲时长，公式(6)和公式(7)中的系数仅为示例性的，其可以根据实际情况进行调整，在此不作限制。

根据一些实施例，还可以通过公式(8)和公式(9)确定单脉冲时长T_k(l)和脉冲振幅

的对应关系：

C₁,C₂＞0 公式(9)

其中，C₁和C₂是两个可以调整的超参数。其中，C₁决定了脉冲形状的陡峭程度(即幅值上升的快慢)，而C₂决定了脉冲的最短时长。因此可以看出，C₁决定了单脉冲时长和脉冲振幅的关系，也在一定程度上固定了脉冲的形状。如果选择一个合适的C₁，就可以确保高斯脉冲的形状相对规则，从而在实验中更容易实现；在根据本公开的方法中，考虑了单脉冲时长T_k(l)的影响，因而可以通过参数优化以动态调整总脉冲时长，使其尽可能地短。

根据一些实施例，根据本公开的方法还可以包括：响应于包括至少两个通道，基于所述当前脉冲数量在所述至少两个通道中交替生成脉冲。

通常，在确定用于实现量子门的脉冲参数过程中，需固定各个通道上的脉冲数量以及各脉冲所对应的通道。而在根据本公开方法的实施例中，为了提升方法的灵活性，可以不固定各个通道上的脉冲数量，将其设置为动态调整的变量，并设置脉冲数量的最大值为N。因此，在程序开始时，可以初始化一个总脉冲数量(例如总脉冲数量从1开始，并起始于X通道)，即当前脉冲数量；若迭代优化后量子门的误差小于预设误差容忍度或当前总脉冲数量已经大于设置的脉冲数量的最大值，则结束程序；但若迭代优化后量子门的误差还大于预设误差容忍度且当前总脉冲数量小于设置的脉冲数量的最大值，增加一个脉冲并重新进行优化。在这里，可以交错地在X和Y通道上施加脉冲，如图2所示，示出了脉冲数量为6的脉冲电路的示意图。

量子门的保真度可作为编译质量的一个关键性能指标。量子门保真度的高低决定了量子任务的实现效果，提升量子门的保真度便成为量子控制技术中极为重要的目标。因此，在一些实施例中，可以用保真度来衡量量子门之间的误差或距离。当然，应当理解，其他可以用来衡量量子门之间的误差或距离的方法或算法也是可能的，包括但不限于迹距离、F范数等，在此不作限制。

根据一些实施例，待优化参数可以包括第一参数以及第二参数。因此，根据本公开的方法100还可以包括：确定第一参数的一个或多个参数值，以在第一参数的每一个参数值处分别执行所述迭代操作。需注意的是，该第二参数为所述迭代操作中的待优化参数。

如上所述，可以将C₁作为第一参数，脉冲振幅

作为迭代操作中的待优化参数。示例地，可以固定参数C₂，并指定C₁的取值范围以在该取值范围内进行扫描(即作为一个外部变量进行优化)。也就是说，C₁作为一个超参数进行优化，和脉冲参数的优化是完全分开的，即，在每次迭代操作之前，固定一个C₁的值，然后在该条件下优化脉冲参数；将C₁的取值更换为另一个值，重新进行迭代操作……直到C₁在预设的取值范围内取到所有预设值。

根据一些实施例，如图3所示，基于迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值生成相应的脉冲包括：确定第一参数的每一个参数值处执行所述迭代操作后所得到的误差以及总脉冲时长(步骤310)；基于所述误差以及总脉冲时长确定最优的第一参数的参数值(步骤320)；确定在最优的第一参数的参数值处执行所述迭代操作所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值(步骤330)；以及基于最优的第一参数的参数值、当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值生成相应的脉冲(步骤340)。

在根据本公开的一个实施例中，首先对一个三能级超导量子比特进行建模，这里使用公式(1)中哈密顿量定义的量子系统。示例地，超导量子比特的失谐性强度设置为α_q＝-0.33×2πGHz。随机生成一个U3量子门以作为目标量子门：

U3(θ＝0.9933716,φ＝5.03114766,λ＝3.01783983) 公式(10)

图4示出了在当前实施例中确定脉冲参数的方法的流程图。如图4所示，首先，确定指定量子门、最大脉冲数量以及目标保真度(步骤401)。然后，即可根据公式(6)-(9)确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系。示例地，可以根据公式(8)将C₂固定设置为3.0，然后在0.01≥C₁≥0.10中等距地选择10个点并进行扫描(步骤402)。设置当前脉冲数量从1开始(步骤403)。示例地，可以随机初始化脉冲参数(步骤404)。基于该脉冲参数执行脉冲电路，以得到演化酉矩阵(步骤405)。将所得到的演化酉矩阵与目标酉矩阵进行对比，基于损失函数以计算保真度(步骤406)。在设置好损失函数后，优化脉冲振幅

判断损失函数是否达到最小(步骤407)，若否则通过优化算法迭代优化脉冲参数(步骤407，“否”)。如果损失函数已达到最小(步骤407，“是”)，则判断保真度是否达到了目标保真度(例如设置为0.0003)或者脉冲数量已达到设置的最大脉冲数量(例如设置为4)(步骤408)，如果是则结束本次循环(步骤408，“是”)。判断是否以扫描完全部C₁值(步骤409)，若否则继续扫描下一个C₁值；如果保真度未达到了目标保真度且脉冲数量也未达到设置的最大脉冲数量(步骤408，“否”)，增加一个脉冲继续迭代以优化脉冲参数。在扫描完全部C₁值后，通过衡量保真度和脉冲时长确定最佳的C₁值(步骤410)，以基于最佳的C₁值得到最佳的脉冲参数设置(步骤411)。其中，可以通过获得相应的失真度来判断量子门之间是否满足相应的保真度要求。如表1所示，示出了在每一个C₁的取值下进行优化操作以获得的脉冲总时长t_g以及相应的失真度。

C1	t<sub>g</sub>(ns)	失真度
			0.01	62.88973186561621	1.0776225123354521e-07
0.02	46.3150608996611	9.12831953470139e-07
			0.03	39.00074648068719	1.5606953091995557e-05
0.04	34.64745447981032	8.041684951243244e-05
			0.05	31.680216425083902	8.057591426424704e-05
0.06	24.0011804574133	0.29420386053094616
			0.07	28.999975684835725	0.06759744193332984
0.08	43.99886908295048	0.0004278678372359179
			0.09	38.000175037408276	0.0009871222780023503
0.10	29.307151626231807	0.0006729465275425728

表1

由此，可以基于所获得的失真度以及总脉冲时长确定最优的第一参数的参数值，即C₁的取值。示例地，可以将C₁以及失真度进行处理后，例如取对数，得到图5所示折线图。将C₁以及脉冲总时长t_g进行处理后得到图6所示折线图。在脉冲总时长t_g和失真度后，可以选择C₁＝0.05为最优的参数值。图7示出了最优的参数值所对应的脉冲序列。

可以理解的是，其他量子门(例如多量子比特量子门)以及基于其他函数的脉冲包络与上述描述类似，在此不再赘述。

通过多次试验可以发现，根据本公开实施例的方法相比通常的脉冲生成方法，其脉冲时长可以缩短18％，同时失真度可以减少32％。根据本公开实施例的方法，可以在保真度更低的情况下，大大减少脉冲时间，使得量子门在真机上更加高效。

根据本公开的实施例，如图8所示，还提供了一种基于脉冲的量子门实现装置800，包括：第一确定单元810，配置为确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于所述对应关系确定待优化参数；第二确定单元820，配置为确定最大脉冲数量、初始化当前脉冲数量以及预设的误差容忍度，其中初始化的当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量；迭代单元830，配置为执行以下迭代操作，直到脉冲数量达到所述最大脉冲数量或待实现的量子门误差不大于所述误差容忍度：基于当前脉冲数量初始化得到待优化参数的一组参数值，所述一组参数值与所述当前脉冲数量相对应；基于所述当前脉冲数量以及所述一组参数值，通过薛定谔方程确定待实现的量子门矩阵；基于所述待实现的量子门矩阵以及目标量子门矩阵确定损失函数；以及调整所述待优化参数的一组参数值，以最小化所述损失函数；确定最小化损失函数后所得到的待实现的量子门矩阵并计算所述待实现的量子门矩阵与所述目标量子门矩阵之间的误差；响应于确定当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量并且所述误差大于所述误差容忍度，将当前脉冲数量加一；脉冲生成单元840，配置为基于所述迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值，生成相应的脉冲，以实现量子门。

这里，基于脉冲的量子门实现装置800的上述各单元810～840的操作分别与前面描述的步骤110～140的操作类似，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，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。

参考图9，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备900的结构框图，其是可以应用于本公开的各方面的硬件设备的示例。电子设备旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，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9所示，设备900包括计算单元901，其可以根据存储在只读存储器(ROM)902中的计算机程序或者从存储单元908加载到随机访问存储器(RAM)903中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 903中，还可存储设备900操作所需的各种程序和数据。计算单元901、ROM 902以及RAM 903通过总线904彼此相连。输入/输出(I/O)接口905也连接至总线904。

设备900中的多个部件连接至I/O接口905，包括：输入单元906、输出单元907、存储单元908以及通信单元909。输入单元906可以是能向设备900输入信息的任何类型的设备，输入单元906可以接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置和/或功能控制有关的键信号输入，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、轨迹板、轨迹球、操作杆、麦克风和/或遥控器。输出单元907可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。存储单元908可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元909允许设备900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，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信收发机和/或芯片组，例如蓝牙TM设备、1302.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。

计算单元901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901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901执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法100。例如，在一些实施例中，方法100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908。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 902和/或通信单元909而被载入和/或安装到设备900上。当计算机程序加载到RAM903并由计算单元901执行时，可以执行上文描述的方法100的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元901可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法100。

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，本公开中记载的各步骤可以并行地执行、也可以顺序地或以不同的次序执行，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。

虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本发明的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。

Claims

1.一种基于脉冲的量子门实现方法，包括：

确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于所述对应关系确定待优化参数；

确定最大脉冲数量、初始化当前脉冲数量以及预设的误差容忍度，其中初始化的当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量；

执行迭代操作，直到脉冲数量达到所述最大脉冲数量或待实现的量子门误差不大于所述误差容忍度：

基于当前脉冲数量初始化得到待优化参数的一组参数值，所述一组参数值与所述当前脉冲数量相对应；

基于所述当前脉冲数量以及所述一组参数值，通过薛定谔方程确定待实现的量子门矩阵；

基于所述待实现的量子门矩阵以及目标量子门矩阵确定损失函数；以及

调整所述待优化参数的一组参数值，以最小化所述损失函数；

确定最小化损失函数后所得到的待实现的量子门矩阵并计算所述待实现的量子门矩阵与所述目标量子门矩阵之间的误差；

响应于确定当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量并且所述误差大于所述误差容忍度，将当前脉冲数量加一；

基于所述迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值，生成相应的脉冲，以实现量子门。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述待优化参数包括第一参数以及第二参数，其中，所述方法还包括：

确定所述第一参数的一个或多个参数值，以在所述第一参数的每一个参数值处分别执行所述迭代操作，其中，所述第二参数为所述迭代操作中的待优化参数。

3.如权利要求2所述的方法，其中，基于所述迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值生成相应的脉冲包括：

确定所述第一参数的每一个参数值处执行所述迭代操作后所得到的误差以及总脉冲时长；

基于所述误差以及总脉冲时长确定最优的第一参数的参数值；

确定在所述最优的第一参数的参数值处执行所述迭代操作所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值；以及

基于所述最优的第一参数的参数值、当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值生成相应的脉冲。

4.如权利要求1所述的方法，其中，单量子比特的所述目标量子门矩阵基于以下公式确定：

其中，{θ，φ，λ}为所述目标量子门的参数。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述损失函数基于以下公式确定：

其中，

表示所述迭代操作中的待优化参数的一组参数值，

表示待实现的量子门矩阵，

表示目标量子门矩阵的逆，Tr()表示矩阵的迹。

6.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述待优化参数的一组参数值，以最小化所述损失函数包括：

通过优化算法调整所述待优化参数的一组参数值，以最小化所述损失函数，其中，所述优化算法包括以下项中的任意一项：梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法、启发式方法。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲包络包括高斯脉冲包络，所述脉冲包络参数包括脉冲振幅、脉冲中心位置以及标准差，其中，

确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于所述对应关系确定待优化参数包括：

基于所述单脉冲时长确定所述脉冲中心位置以及所述标准差；以及

确定所述脉冲振幅与所述单脉冲时长的对应关系，以基于所述对应关系确定待优化参数。

8.如权利要求7所述的方法，其中，基于以下公式确定所述脉冲振幅与所述单脉冲时长的对应关系：

其中，T_k(l)表示单脉冲时长，

表示脉冲振幅，C₁、C₂为超参数，其中C₁，C₂＞0。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，还包括：响应于包括至少两个通道，基于所述当前脉冲数量在所述至少两个通道中交替生成脉冲。

10.一种基于脉冲的量子门实现装置，包括：

第一确定单元，配置为确定脉冲包络参数与单脉冲时长之间的对应关系，并基于所述对应关系确定待优化参数；

第二确定单元，配置为确定最大脉冲数量、初始化当前脉冲数量以及预设的误差容忍度，其中初始化的当前脉冲数量小于所述最大脉冲数量；

迭代单元，配置为执行以下迭代操作，直到脉冲数量达到所述最大脉冲数量或待实现的量子门误差不大于所述误差容忍度：

脉冲生成单元，配置为基于所述迭代操作后所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值，生成相应的脉冲，以实现量子门。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述待优化参数包括第一参数以及第二参数，其中，还包括：用于确定所述第一参数的一个或多个参数值、以在所述第一参数的每一个参数值处分别执行所述迭代操作的单元，

其中，所述第二参数为所述迭代操作中的待优化参数。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述脉冲生成单元包括：

用于确定所述第一参数的每一个参数值处执行所述迭代操作后所得到的误差以及总脉冲时长的单元；

用于基于所述误差以及总脉冲时长确定最优的第一参数的参数值的单元；

用于确定在所述最优的第一参数的参数值处执行所述迭代操作所得到的当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值的单元；以及

用于基于所述最优的第一参数的参数值、当前脉冲数量以及待优化参数的一组参数值生成相应的脉冲的单元。

13.如权利要求10-12中任一项所述的装置，还包括：用于响应于包括至少两个通道，基于所述当前脉冲数量在所述至少两个通道中交替生成脉冲的单元。

14.一种电子设备，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1-9中任一项所述的方法。

15.一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1-9中任一项所述的方法。

16.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求1-9中任一项所述的方法。