CN113887733A - 用于调节zz耦合强度的超导电路及控制方法 - Google Patents

用于调节zz耦合强度的超导电路及控制方法 Download PDF

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CN113887733A CN202111290518.XA CN202111290518A CN113887733A CN 113887733 A CN113887733 A CN 113887733A CN 202111290518 A CN202111290518 A CN 202111290518A CN 113887733 A CN113887733 A CN 113887733A
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Abstract

本公开提供了一种用于调节ZZ耦合强度的超导电路及控制方法，涉及量子计算领域。超导电路包括：多个量子比特和多个耦合器组件。每个耦合器组件连接于相邻两个量子比特之间，并被配置成调节相邻两个量子比特之间的相互作用强度。每个耦合器组件包括：主耦合器和至少一个辅助耦合器，主耦合器的本征频率能够在预设频率范围内调节；至少一个辅助耦合器中的每个辅助耦合器具有各自固定的本征频率。主耦合器和至少一个辅助耦合器串联连接。根据本公开的一个或多个实施例，超导电路可以在要求工作点和空转点之间具有较小的频率差的同时实现工作点和空转点对应较大的ZZ相互作用差，从而实现对ZZ相互作用强度的更加快速和高效的调节。

Description

用于调节ZZ耦合强度的超导电路及控制方法
技术领域
本公开涉及量子计算技术领域，尤其涉及超导电路，具体涉及一种用于调节ZZ耦合强度的超导电路及控制方法。
背景技术
量子计算因其潜在的强大计算能力备受关注。现阶段，噪声成为量子计算机研发过程中最大障碍之一。量子系统对噪声的敏感性使得较小的噪声也可能对计算结果的精度产生不可忽略的影响。
超导电路作为现有技术中主流的量子计算硬件实现方案，其量子比特与电磁环境作用引发的退相干(Decoherence)、高能级引发的能级泄露(Leakage)、脉冲的幅值阻尼噪声(Amplitude noise)等不同类型的噪声对小规模量子系统的影响被广泛关注和研究。然而，随着量子比特数的增加，串扰噪声(Crosstalk)带来的影响变得越来越不可忽略。串扰表示子系统对相邻系统的干扰，其产生的物理机制各不相同，比如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、读取谐振器的耦合引发的读取信号串扰等都可以称之为串扰噪声。
串扰是大规模量子计算实现路线上不可避免的障碍，并且已明显地阻碍了量子系统的扩展。量子系统哈密顿量中的寄生耦合项，即寄生相互作用项，是串扰噪声的主要来源。一方面，量子计算中必要的量子比特门可能依赖于这些相互作用项，比如实现交换(iSWAP)门依赖于XY型相互作用项、实现受控相位(CPHASE)门依赖于ZZ型相互作用项；另一方面，寄生耦合对于其它的量子门，例如单量子比特门的实现产生干扰，同时，寄生耦合也会对诸多两量子比特门的保真度产生影响。
因此，目前急需一种可以调控量子比特之间的寄生相互作用强度大小的超导电路。在需要上述这些相互作用时，可以控制超导电路允许量子比特之间发生相互作用，而在不需要这些相互作用时，可以控制超导电路消除量子比特之间的相互作用。
在此部分中描述的方法不一定是之前已经设想到或采用的方法。除非另有指明，否则不应假定此部分中描述的任何方法仅因其包括在此部分中就被认为是现有技术。类似地，除非另有指明，否则此部分中提及的问题不应认为在任何现有技术中已被公认。
发明内容
本公开提供了一种超导电路及控制方法。
根据本公开的一方面，提供了一种超导电路，包括：多个量子比特；和多个耦合器组件，其中，多个耦合器组件中的每个耦合器组件连接于相邻两个量子比特之间，并被配置成调节相邻两个量子比特之间的相互作用强度，其中，每个耦合器组件包括：主耦合器，主耦合器的本征频率能够在预设频率范围内调节；和至少一个辅助耦合器，至少一个辅助耦合器中的每个辅助耦合器具有各自固定的本征频率；其中，主耦合器和至少一个辅助耦合器串联连接。
根据本公开的另一方面，提供了一种超导电路的控制方法，其中，超导电路包括：多个量子比特和多个耦合器组件，多个耦合器组件中的每个耦合器组件连接于相邻两个量子比特之间，其中，每个耦合器组件包括：主耦合器和至少一个辅助耦合器，主耦合器的本征频率能够在预设频率范围内调节；至少一个辅助耦合器中的每个辅助耦合器具有各自固定的本征频率；其中主耦合器和至少一个辅助耦合器串联连接，控制方法包括：对于每一个耦合器组件，在保持至少一个辅助耦合器的固定的本征频率不变的情况下，通过调节该耦合器组件的主耦合器的本征频率来控制与该耦合器组件相邻的两个量子比特之间的相互作用强度。
根据本公开的一个或多个实施例，超导电路可以在要求工作点和空转点之间具有较小的频率差的同时实现工作点和空转点对应较大的ZZ相互作用强度差，从而实现对ZZ相互作用强度的更加快速和高效的调节。
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示出了相关技术中的超导电路的结构示意图；
图2示出了图1所示的超导电路中相邻两个量子比特之间的ZZ类型的相互作用强度随耦合器频率变化的曲线图；
图3示出了根据本公开的一个实施例的超导电路的结构示意图；
图4示出了根据本公开的另一个实施例的超导电路的结构示意图；
图5示出了根据本公开一个实施例的超导电路的主耦合器的结构示意图；
图6示出了用于实现图3所示的超导电路的电路结构图；
图7示出了用于实现图4所示的超导电路的电路结构图；
图8示出了根据本公开的另一个实施例的超导电路的结构示意图；
图9示出了在不同的超导电路中，相邻两个量子比特之间的ZZ类型的相互作用强度随主耦合器频率变化的对比曲线图；
图10示出了根据本公开一个实施例的超导电路的控制方法的流程图；
图11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。
在介绍本公开的各个实施例之前，首先简要介绍ZZ寄生耦合产生的物理机制。在超导量子硬件中，量子比特之间可以相互耦合(下文也称为相互作用)以用于实现量子计算所必需的双比特量子门。设想由两个直接耦合的量子比特组成的系统，该系统可以通过如下哈密顿量进行刻画：
Figure BDA0003334705140000041
其中ωk为第k个量子比特的本征频率，
Figure BDA0003334705140000042
分别相应的湮灭与产生算符，其在二能级计算空间内的矩阵形式为|0><1|与|1><0|(|0>，|1>分别对应量子比特处于基态和激发态)，其物理涵义表示吸收或释放一个光子；δk为第k个量子比特的失谐参数，该参数与高能级的能量有关；gq1q2表示两个量子比特间的耦合强度。上述系统哈密顿量在6维希尔伯特空间{|00>,|01>,|10>,|11>,|20>,|02>}的矩阵形式表示为：
Figure BDA0003334705140000043
其非对角元素表示不同能级间的相互作用，该相互作用来自于上述哈密顿量
Figure BDA0003334705140000044
中最后一项，即耦合项
Figure BDA0003334705140000045
从数学角度来看，上述矩阵中的非对角元(对应于不同能级间的相互作用)会改变矩阵对角化后的对角元，即特征值。从矩阵中可以看出6维的
Figure BDA0003334705140000046
包含了两类相互作用：一类用来表征能级|01>,|10>之间的相互作用，对应于XY类型的相互作用；另一类用来表征能级|11>与|20>或|02>间的相互作用，对应于ZZ类型的相互作用。在超导量子计算中，ZZ类型的相互作用在某些场景下被认为是噪声，而在另外一些场景下又可以用来实现双比特量子门。因此，目前需要一种可以调控量子比特之间的寄生相互作用强度大小(尤其是ZZ类型的相互作用)的超导电路，以根据实际情况对上述相互作用的强度大小进行调节。
现在参照图1对相关技术的超导电路进行简单介绍。图1示出了相关技术中的超导电路100的结构示意图，如图1所示，该超导电路100包括至少两个量子比特，即第一量子比特110和第二量子比特120，这两个量子比特之间设置有耦合器130，该耦合器130的本征频率是可以调节的。该超导电路100可以通过绝热的调节耦合器130的本征频率来控制第一量子比特110和第二量子比特120之间的相互作用强度的大小。其具体原理是，当耦合器130的频率被调节到远大于这两个量子比特的本征频率时，这两个量子比特处于弥散区，其相互作用较弱；而当耦合器130的本征频率被调节到接近于量子比特的频率时，这两个量子比特处于共振区，其相互作用较强。
图2示出了图1所示的超导电路100中相邻两个量子比特之间的相互作用强度随耦合器频率变化的曲线图。如图2所示，当耦合器130的频率被绝热地调节到远大于这两个量子比特的本征频率时，即图2所示的空转点时，相邻两个量子比特之间的相互作用强度变弱；当耦合器130的频率被绝热地调节到这两个量子比特的本征频率附近时，即图2所示的工作点时，相邻两个量子比特之间的相互作用强度变强。因此，该耦合器130可以用作控制这两个量子比特之间相互作用强度的控制装置。
由于在调节耦合器130的频率期间需要避免能级跃变的发生，因此需要耦合器130频率的变化缓慢以接近绝热演化，同时为了避免另外一种退相干噪声的影响，还需要快速实现耦合器130频率的从工作点到空转点(或从空转点到工作点)的调节，因此，空转点和工作点对应的耦合器频率需要相对靠近。然而，在单耦合器130的这种结构下，若空转点过于靠近工作点，则会因为这两点所对应的相互作用强度的差值不够大，导致耦合器130对两个量子比特之间相互作用强度的控制不够明显；若两点距离较远，为了满足变化缓慢的绝热演化，则所需调节时间较长，从而导致实现诸如双量子比特门的多量子比特门所需的时间变长。因此，在这种单个耦合器130的结构中，在要求工作点和空转点之间具有较小的频率差的同时，实现工作点和空转点对应较大的相互作用强度差值是难以做到的。
下面将结合附图详细描述本公开的实施例。
图3示出了根据本公开的一个实施例的超导电路200的结构示意图，在图3中，仅示出了超导电路200中的两个邻近的量子比特，但是可以理解，该超导电路200可以包括两个以上的量子比特。该超导电路200包括：多个量子比特和多个耦合器组件230。多个耦合器组件230中的每个耦合器组件230连接于相邻两个量子比特之间，并被配置成调节相邻两个量子比特之间的相互作用强度。每个耦合器组件230包括：主耦合器231和至少一个辅助耦合器232。主耦合器231的本征频率能够在预设频率范围内调节。至少一个辅助耦合器232中的每个辅助耦合器232具有各自固定的本征频率。主耦合器231和至少一个辅助耦合器232串联连接。
在图3所示的实施例中，超导电路200存在两个相邻的量子比特，即第一量子比特210和第二量子比特220。耦合器组件230中仅包含一个辅助耦合器232，该辅助耦合器232和本征频率可调的主耦合器231串联在两个量子比特之间。与主耦合器231不同的是，辅助耦合器232的本征频率是固定的，也就是说，在调节主耦合器231的本征频率的过程中，辅助耦合器232的本征频率保持不变。辅助耦合器232的固定的本征频率可以接近两个相邻量子比特的本征频率。
本公开实施例的超导电路200的工作原理是：当主耦合器231的频率被绝热地调节到远大于相邻两个量子比特的本征频率时，由于辅助耦合器232的引入，相邻两个量子比特之间的相互作用强度变得非常弱。辅助耦合器232的引入相当于进一步隔断了第一量子比特210和第二量子比特220之间的耦合，因此，在主耦合器231的频率远大于相邻两个量子比特的本征频率时，相邻两个量子比特之间的相互作用强度相较于图1所示的量子电路将变得更弱。而当主耦合器231的频率被绝热地调节到这两个量子比特的本征频率附近时，相邻两个量子比特仍然可以经由主耦合器231和辅助耦合器232发生共振。因此，在主耦合器231的频率接近相邻两个量子比特的本征频率时，超导电路200中相邻两个量子比特之间的相互作用强度几乎等于图1所示的量子电路在相同情况下的相互作用强度。因此，本公开实施例的超导电路200可以在要求工作点和空转点之间具有较小的频率差的同时实现工作点和空转点对应较大的ZZ相互作用强度差，从而实现对ZZ相互作用强度的更加快速和高效的调节。
图4示出了根据本公开的另一个实施例的超导电路300的结构示意图。与图3所示的超导电路200不同的是，其耦合器组件330包括两个辅助耦合器。如图4所示，在相邻两个量子比特(即第一量子比特310和第二量子比特320)之间的耦合器组件330包括主耦合器331、第一辅助耦合器332和第二辅助耦合器333，其中，主耦合器331连接在第一辅助耦合器332和第二辅助耦合器333之间，也就是说，相邻两个量子比特中的每个量子比特均经由一个辅助耦合器连接到主耦合器331。第一辅助耦合器332和第二辅助耦合器333均具有固定的本征频率，这两个辅助耦合器的本征频率可以大致等于相邻两个量子比特的本征频率。超导电路300的工作原理和图3所示的超导电路200类似，即，当主耦合器331的频率被绝热地调节到远大于相邻两个量子比特的本征频率时，相邻两个量子比特之间的相互作用强度变弱；当主耦合器331的频率被绝热地调节到这两个量子比特的本征频率附近时，相邻两个量子比特之间的相互作用强度变强。
图4所示的超导电路300将主耦合器331、第一辅助耦合器332和第二辅助耦合器333设置成对称结构，在主耦合器331的频率调节到工作频率时，该对称结构使得相邻的两个量子比特更容易发生共振。
在一些实施例中，超导电路中的多个量子比特、多个耦合器组件中包括的主耦合器和辅助耦合器均为同构的。例如，多个量子比特、多个主耦合器和多个辅助耦合器可以是同一种量子比特结构。示例性地，上述多个量子比特、多个主耦合器和多个辅助耦合器中的每一个均为Transmon量子比特，其包括：由电容器和约瑟夫森结构成的并联电路。图5示出了图3所示的超导电路的主耦合器231的结构示意图，以主耦合器231为例，其可以包括电容器231b和约瑟夫森结231a，这两者并联连接构成谐振电路。约瑟夫森结231a由两个超导层和一个非超导层紧密连接，非超导层厚度为纳米级别，非超导层对于电子来说是‘势垒’，当温度足够低的时候，超导体快速通过势垒交换成对电子，产生量子隧道效应。上述谐振电路可以用于模拟量子比特。在本实施例中，主耦合器、辅助耦合器和相邻量子比特是同一个类型的结构，这有助于这三个器件之间发生能量交换。
主耦合器231还包括：通量偏置线，通量偏置线被配置用于向主耦合器231中的并联电路提供磁通量，并通过调节磁通量来调节主耦合器231的本征频率。每个主耦合器由通量偏置线控制，由于主耦合器231的本征频率和主耦合器231的并联电路的磁通量相关联，因此通过通量偏置线调节磁通量大小可以调节主耦合器231的本征频率。
图6示出了用于实现图3所示的超导电路200的电路结构图，图7示出了用于实现图4所示的超导电路300的电路结构图。如图6和图7所示，量子比特、主耦合器和辅助耦合器中的任一者都表示为由电容器和约瑟夫森结组成的并联电路。对于任一耦合器组件，该耦合器组件与相邻的两个量子比特之间利用电容器连接，并且该耦合器组件中的主耦合器和至少一个辅助耦合器利用电容器串联连接。以图6为例进行详细说明，第一量子比特q1、主耦合器c1、辅助耦合器c2和第二量子比特q2之间依次经由第一电容器201、第二电容器202和第三电容器203串联连接，以实现第一量子比特q1、主耦合器c1、辅助耦合器c2和第二量子比特q2之间的相互耦合。第一量子比特q1和第二量子比特q2之间还额外地经由第四电容器204连接到一起，以实现第一量子比特q1和第二量子比特q2之间的相互耦合。图7所示的超导电路的连接方式和图6类似，这里不再赘述。第一量子比特、主耦合器、辅助耦合器和第二量子比特的谐振电路间通过电容相连接以进行能量交换，可以实现不同器件间的相互耦合。另外，这样的耦合方式还可以使得多个量子比特相互连通以实现大规模量子计算。
图8示出了根据本公开另一个实施例的超导电路400的结构示意图。如图8所示，本公开的方案也可以拓展至二维结构，以实现规模更大、结构更复杂的超导电路。具体地，可以在量子芯片上以二维阵列的形式排布量子比特，该二维阵列由多行量子比特和多列量子比特构成。在两个相邻量子比特间加入耦合器组件，也就是说，每一个量子比特与相邻的四个量子比特间均设置一个耦合器组件。以图8所示的超导电路中的第一量子比特410、第二量子比特420和第三量子比特440为例进行简单说明，第一量子比特410和第二量子比特420是位于二维阵列中同一行的相邻的量子比特，它们之间设置有第一耦合器组件430，第一耦合器组件430包括依次串联的第一辅助耦合器432、第一主耦合器431和第二辅助耦合器433。第一量子比特410和第三量子比特440是位于二维阵列中同一列的相邻的量子比特，它们之间设置有第二耦合器组件450，第二耦合器组件450包括依次串联的第三辅助耦合器452、第二主耦合器451和第四辅助耦合器453。为了简化附图，在图7中仅示出了2行和2列量子比特，但是可以理解，为了实现更复杂的量子计算，可以设计具有多于2行和/或多于2列量子比特的超导电路400。
图9示出了在不同的超导电路中，相邻两个量子比特之间的ZZ类型的相互作用强度随主耦合器频率变化的对比曲线图。如图9所示，虚线表示仅具有单耦合器的超导电路(即图1所示的超导电路100)的变化曲线，实线表示耦合器组件包含一个辅助耦合器的超导电路(即图3所示的超导电路200)的变化曲线，间断线表示耦合器组件包含两个辅助耦合器的超导电路(即图4所示的超导电路300)的变化曲线。
在得到图9所示曲线的实验中，各个参数的取值如下：第一量子比特(即图1、图3和图4中的第一量子比特)的本征频率q1＝5.4GHz/2π，第二量子比特(即图1、图3和图4中的第二量子比特)的本征频率q2＝6.0GHz/2π，主耦合器(即图1中的耦合器，图3和图4中的主耦合器)的本征频率c1可以在4.0GHz/2π-8.0GHz/2π的预设频率范围内调节，第一辅助耦合器(即图3中的辅助耦合器，图4中的第一辅助耦合器)的固定的本征频率c2＝6.4GHz/2π，第二辅助耦合器(即图4中的第二辅助耦合器)的固定的本征频率c3＝6.4GHz/2π。需要注意的是，第一辅助耦合器和第二辅助耦合器的固定的本征频率均略大于两个量子比特中任一量子比特的本征频率，这样可以防止耦合器的能级和量子比特的能级发生重叠，有助于耦合器和量子比特之间的能量交换，从而提高共振效果。
从图9中可以看出，在主耦合器(或耦合器)被调节到工作点时，这三种超导电路中相邻两个量子比特之间的相互作用强度大致是相同的。但是，在主耦合器被调节到空转点时，这三种超导电路中相邻两个量子比特之间的相互作用强度发生明显差异。如上文所讨论的，在耦合器组件包括辅助耦合器的情况下，相邻两个量子比特之间的相互作用强度非常弱。因此，在包含辅助耦合器的超导电路中，相邻两个量子比特之间的相互作用强度在工作点和空转点处的差值被放大，从而可以实现对ZZ相互作用强度的更加快速和高效的调节。另外，可以看到，包含两个辅助耦合器的超导电路相较于仅包含一个辅助耦合器的超导电路，其工作点和空转点处对应的相互作用强度的差值更大。
本公开还提供了一种超导电路的控制方法，其中，超导电路包括：多个量子比特和多个耦合器组件，多个耦合器组件中的每个耦合器组件连接于相邻两个量子比特之间，其中，每个耦合器组件包括：主耦合器和至少一个辅助耦合器，主耦合器的本征频率能够在预设频率范围内调节；至少一个辅助耦合器中的每个辅助耦合器具有各自固定的本征频率；其中主耦合器和至少一个辅助耦合器串联连接，控制方法包括：对于每一个耦合器组件，在保持至少一个辅助耦合器的固定的本征频率不变的情况下，通过调节该耦合器组件的主耦合器的本征频率来控制与该耦合器组件相邻的两个量子比特之间的相互作用强度。
对于耦合器组件包括主耦合器和辅助耦合器的超导电路，若同时对主耦合器和辅助耦合器进行频率调节，可能难以确定工作点和空转点并使得操作变得复杂。根据本公开实施例的方法，可以预先固定好辅助耦合器的本征频率，只调节该耦合器组件的主耦合器的本征频率，这样无需同时调节主耦合器和辅助耦合器的频率，简化了对超导电路的操作。
图10示出了根据本公开一个实施例的超导电路的控制方法的流程图，如图10所示，该方法包括：
步骤1001，根据与该耦合器组件相邻的两个量子比特的本征频率设定该耦合器组件的至少一个辅助耦合器的固定的本征频率；
步骤1002，将耦合器组件的主耦合器的本征频率调节到第一频率以使得相邻两个量子比特之间的相互作用强度大于第一预设强度；和/或将耦合器组件的主耦合器的本征频率调节到第二频率以使得相邻两个量子比特之间的相互作用强度小于第二预设强度。
在步骤1001中，基于相邻的两个量子比特的本征频率来设定至少一个辅助耦合器的本征频率，使得辅助耦合器的本征频率基本等于(一般略大于)量子比特的本征频率，例如量子比特的本征频率为6.0GHz/2π，辅助耦合器的固定的本征频率可以设定为6.4GHz/2π，从而在主耦合器的本征频率被调节到工作频率时，实现更好的共振效果。
在步骤1002中，第一频率可以指上文所述的工作点，第二频率可以指上文所述的空转点，上述第一预设强度可以是102MHz/2π，上述第二预设强度可以是10-1MHz/2π。在主耦合器的本征频率被调节到第一频率时，可以认为相邻两个量子比特之间的耦合被打开，在主耦合器的本征频率被调节到第二频率时，可以认为相邻两个量子比特之间的耦合被关闭，通过将主耦合器的本征频率在第一频率和第二频率之间进行调节，实现了耦合器组件对相邻两个量子比特之间耦合的“开关”作用。对于一个特定的超导电路，其耦合器组件中的主耦合器是被调节到第一频率还是第二频率需要根据该超导电路所要实现的具体量子门类型进行确定。例如，当需要实现单量子比特门时，可以将耦合器组件中的主耦合器调节到第二频率，相当于关闭相邻量子比特之间的耦合。当需要实现双量子比特门时，可以将耦合器组件中的主耦合器调节到第一频率，相当于打开相邻量子比特之间的耦合。
在一些实施例中，多个量子比特、多个耦合器组件中包括的主耦合器和辅助耦合器均为同构的，它们均包括：由电容器和约瑟夫森结构成的并联电路。
在一些实施例中，主耦合器还包括：通量偏置线，通量偏置线被配置用于向主耦合器中的并联电路提供磁通量，并通过调节磁通量来调节主耦合器的本征频率。因此，在方法1000的步骤1002中，可以利用通量偏置线通过调节磁通量将耦合器组件中的主耦合器调节到第一频率或第二频率。
需要补充说明的是，虽然在上述部分实施例中未提及，但是应当理解，本公开实施例中对主耦合器的频率的调节均是在绝热的条件下完成的，从而避免不必要的能级跃变的发生。
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11，现在将描述可以作为本公开的包括上述超导电路的量子计算机的电子设备1100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11所示，电子设备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，还可存储电子设备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。
电子设备1100中的多个部件连接至I/O接口1105，包括：输入单元1106、输出单元1107、存储单元1108以及通信单元1109。输入单元1106可以是能向电子设备1100输入信息的任何类型的设备，输入单元1106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1107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1108可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元1109允许电子设备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，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、802.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。
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，例如超导电路的控制方法。例如，在一些实施例中，超导电路的控制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ROM 1102和/或通信单元1109而被载入和/或安装到电子设备1100上。当计算机程序加载到RAM 1103并由计算单元1101执行时，可以执行上文描述的超导电路的控制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)而被配置为执行超导电路的控制方法。
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)、复杂可编程逻辑设备(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 (16)

1.一种超导电路，包括：
多个量子比特；和
多个耦合器组件，其中，所述多个耦合器组件中的每个耦合器组件连接于相邻两个量子比特之间，并被配置成调节所述相邻两个量子比特之间的相互作用强度，其中，每个耦合器组件包括：
主耦合器，所述主耦合器的本征频率能够在预设频率范围内调节；和
至少一个辅助耦合器，所述至少一个辅助耦合器中的每个所述辅助耦合器具有各自固定的本征频率；其中，
所述主耦合器和所述至少一个辅助耦合器串联连接。
2.根据权利要求1所述的超导电路，其中，所述多个量子比特、所述多个耦合器组件中包括的主耦合器和辅助耦合器均为同构的。
3.根据权利要求2所述的超导电路，其中，所述多个量子比特、所述多个耦合器组件中包括的主耦合器和辅助耦合器中的任一个均包括：
由电容器和约瑟夫森结构成的并联电路。
4.根据权利要求3所述的超导电路，其中，所述主耦合器还包括：
通量偏置线，所述通量偏置线被配置用于向所述主耦合器中的并联电路提供磁通量，并通过调节所述磁通量来调节所述主耦合器的本征频率。
5.根据权利要求1所述的超导电路，其中，
对于所述多个耦合器组件中的任一耦合器组件，该耦合器组件与相邻的两个量子比特之间利用电容器连接，并且该耦合器组件中的主耦合器和至少一个辅助耦合器利用电容器串联连接。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的超导电路，其中，所述多个量子比特以二维阵列的形式排布，并且其中，所述多个耦合器组件中的每个耦合器组件设置于所述二维阵列的同一行的相邻两个量子比特之间或设置于所述二维阵列的同一列的相邻两个量子比特之间。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的超导电路，其中，所述多个耦合器组件中的至少一个耦合器组件包括：
第一辅助耦合器和第二辅助耦合器，其中，
所述至少一个耦合器组件的主耦合器连接在所述第一辅助耦合器和所述第二辅助耦合器之间。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的超导电路，其中，
位于相邻的两个量子比特之间的耦合器组件的所述至少一个辅助耦合器的固定的本征频率大于所述相邻的两个量子比特中任一量子比特的本征频率。
9.一种超导电路的控制方法，其中，所述超导电路包括：多个量子比特和多个耦合器组件，所述多个耦合器组件中的每个耦合器组件连接于相邻两个所述量子比特之间，其中，每个耦合器组件包括：主耦合器和至少一个辅助耦合器，所述主耦合器的本征频率能够在预设频率范围内调节；所述至少一个辅助耦合器中的每个所述辅助耦合器具有各自固定的本征频率；其中所述主耦合器和所述至少一个辅助耦合器串联连接，所述控制方法包括：
对于每一个耦合器组件，在保持所述至少一个辅助耦合器的固定的本征频率不变的情况下，通过调节该耦合器组件的主耦合器的本征频率来控制与该耦合器组件相邻的两个所述量子比特之间的相互作用强度。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，在保持所述至少一个辅助耦合器的固定的本征频率不变的情况下，通过调节该耦合器组件的主耦合器的本征频率来控制与该耦合器组件相邻的两个所述量子比特之间的相互作用强度之前还包括：
根据与该耦合器组件相邻的两个量子比特的本征频率设定该耦合器组件的至少一个辅助耦合器的固定的本征频率。
11.根据权利要求9所述的控制方法，其中，在保持所述至少一个辅助耦合器的固定的本征频率不变的情况下，通过调节该耦合器组件的主耦合器的本征频率来控制与该耦合器组件相邻的两个所述量子比特之间的相互作用强度还包括：
将所述耦合器组件的主耦合器的本征频率调节到第一频率以使得相邻两个量子比特之间的相互作用强度大于第一预设强度；和/或
将所述耦合器组件的主耦合器的本征频率调节到第二频率以使得相邻两个量子比特之间的相互作用强度小于第二预设强度。
12.根据权利要求9所述的控制方法，其中，所述多个量子比特、所述多个耦合器组件中包括的主耦合器和辅助耦合器均为同构的。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其中，所述多个量子比特、所述多个耦合器组件中包括的主耦合器和辅助耦合器中的任一个均包括：
由电容器和约瑟夫森结构成的并联电路。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其中，所述主耦合器还包括：
通量偏置线，所述通量偏置线被配置用于向所述主耦合器中的并联电路提供磁通量，并通过调节所述磁通量来调节所述主耦合器的本征频率。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的控制方法，其中，所述多个量子比特以二维阵列的形式排布，并且其中，所述多个耦合器组件中的每个耦合器组件设置于所述二维阵列的同一行的相邻两个量子比特之间或设置于所述二维阵列的同一列的相邻两个量子比特之间。
16.根据权利要求9-14中任一项所述的控制方法，其中，所述多个耦合器组件中的至少一个耦合器组件包括：
第一辅助耦合器和第二辅助耦合器，其中，
所述至少一个耦合器组件的主耦合器连接在所述第一辅助耦合器和所述第二辅助耦合器之间。
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