CN114330727A - 量子门的控制脉冲确定方法及装置、电子设备和介质 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种量子门的控制脉冲确定方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品，涉及计算机领域，尤其涉及量子计算机技术领域。实现方案为：获取用于实现量子门的离子阱芯片内各个声子的频率；确定控制脉冲对应的拉曼光失谐频率以及第一声子的频率，第一声子为离子阱芯片内的频率与拉曼光失谐频率最接近的声子；初始化第一脉冲序列并基于第一脉冲序列确定第二脉冲序列，以使得经第一脉冲序列和第二脉冲序列依次作用于离子阱芯片后，第一声子能够与离子解耦；基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数；以及调节第一脉冲序列的振幅和相位并相应地确定第二脉冲序列，以最小化目标函数。

Description

量子门的控制脉冲确定方法及装置、电子设备和介质

技术领域

本公开涉及计算机领域，尤其涉及量子计算机技术领域，具体涉及一种量子门的控制脉冲确定方法、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

近年来，量子计算机的强大能力日渐凸显，离子阱平台取得了长足的发展。在硬件平台百花齐放的今天，如何有效面对不同的厂商提供的不同硬件做出综合性高精度脉冲控制，是未来离子阱量子计算的重要方向。

发明内容

本公开提供了一种量子门的控制脉冲确定方法、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，提供了一种量子门的控制脉冲确定方法，包括：获取用于实现量子门的离子阱芯片内各个声子的频率；确定所述控制脉冲对应的拉曼光失谐频率以及第一声子的频率，其中，所述第一声子为所述离子阱芯片内的频率与所述拉曼光失谐频率最接近的声子；初始化第一脉冲序列并基于所述第一脉冲序列确定第二脉冲序列，以使得经所述第一脉冲序列和第二脉冲序列依次作用于所述离子阱芯片后，所述第一声子能够与离子解耦；基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数；以及调节所述第一脉冲序列的振幅和相位并相应地确定所述第二脉冲序列，以最小化所述目标函数。

根据本公开的另一方面，提供了一种量子门的控制脉冲确定装置，包括：获取单元，配置为获取用于实现量子门的离子阱芯片内各个声子的频率；第一确定单元，配置为确定所述控制脉冲对应的拉曼光失谐频率以及第一声子的频率，其中，所述第一声子为所述离子阱芯片内的频率与所述拉曼光失谐频率最接近的声子；初始化单元，配置为初始化第一脉冲序列并基于所述第一脉冲序列确定第二脉冲序列，以使得经所述第一脉冲序列和第二脉冲序列依次作用于所述离子阱芯片后，所述第一声子能够与离子解耦；第二确定单元，配置为基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数；以及调节单元，配置为调节所述第一脉冲序列的振幅和相位并相应地确定所述第二脉冲序列，以最小化所述目标函数。

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本公开所述的方法。

根据本公开的一个或多个实施例，仅关注与离子作用最强的声子，使得经过切片数随量子比特数目线性增长的脉冲序列作用后实现解耦，随后对脉冲序列进行优化，以使得剩余的声子-离子耦合强度在门时间结束后减小到可接受范围，从而获得保真度很高的量子门。

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量子门的控制脉冲确定方法的流程图；

图2示出了根据本公开的实施例的确定量子门的噪声适用范围的流程图；

图3示出了根据本公开的一个示例性实施例的控制脉冲确定方法的流程图；

图4A和4B分别示出了在一组参数下根据现有方法与根据本公开实施例的方法所获得的量子门失真度的曲线图；

图5示出了根据本公开的实施例的离子-声子耦合强度的相空间轨迹示意图；

图6A和6B分别示出了在另一组参数下根据现有方法与根据本公开实施例的方法所获得的量子门失真度的曲线图；

图7示出了根据本公开的实施例的量子门的控制脉冲确定装置的结构框图；以及

图8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。

量子门操作是量子计算机的核心功能，正确实现量子门操作是所有量子算法正确实现的前提。通用量子计算需要一组完备的量子门。离子阱作为用于量子计算演示的平台，得益于微观离子丰富的能级结构和量子特性，使得束缚在阱中的离子成为理想的量子比特，从而可以实现相同比特的量子门操作。例如，可以用|0>态和|1>态间的拉比振荡过程来实现单比特量子门的操作。一般可以采用双光子拉曼过程来实现单比特量子门，可以达到很高保真度。双比特量子门操作依赖于离子振动模式，低温下当离子在阱中排成链状时，离子在平衡位置附近的振动会相互耦合成可以测量的声子(即声子模式，又称声子模，并且声子数等于离子数)。失谐的拉曼光可以将单个离子的|0>态与|1>态和离子链的声子耦合起来，若同时对离子阱中的多个离子打失谐拉曼光，就能通过声子将多个离子耦合起来，从而实现双比特量子门的操作。

理想的双比特量子门操作结束后应只保留离子间的耦合。为将离子-声子耦合消除，可以通过脉冲切片的方式实现双比特量子门操作。目前的实验中，量子点激光器超窄线宽在KHz级别，饱和吸收等稳频方法只能把激光频率精确到亚MHz。由脉冲切片方案产生的量子门，在拉曼光频率漂移、门时间失真时保真度会大幅下降，且在离子数目增加时，其优化求解时间很长，严重限制了实用性。

为了解决这些问题，提出了脉冲相位调控方案，通过将拉曼光脉冲切片成为脉序列并调整它们之间的相位关系，使得离子-声子耦合在经过一个门时间后能够回到相空间原点。声子i与离子j的耦合强度α_ij的变化与拉曼光强度Ω、拉曼光相位φ、拉曼光与对应声子的频率差(ω_i-ω_j)有关。对一个打到离子j上的总时间为τ的脉冲序列[Ω₀,Ω₁,…,Ω_n]、[φ₀,φ₁,…,φ_n]，作用结束后声子i与离子j的耦合强度由0变为α_ij。在此脉冲序列作用后，如果变换激光的相位，其相位统一加上δ_i＝-π+(ω_i-ω_j)τ，将变换后的脉冲序列[Ω₀,Ω₁,…,Ω_n]、[φ₀+δ_i,φ₁+δ_i,…,φ_n+δ_i]再作用到离子j上，则这个脉冲作用结束后会将声子i与离子j的耦合强度由α_ij变为0，这就是补偿法使声子i与离子j解耦的方法。可见，对一个声子解耦后，脉冲序列切片数量从n变为2n。对含N个离子的系统，有效声子数目也是N。如果要对这N个声子依次解耦，脉冲序列的切片数就会变成2^Nn(n*2*2…*2)，这就是相位调控的方法。此方法的补偿思想让每一个声子-离子耦合强度都在脉冲序列结束后回到0，在一定范围内的门时间失真、拉曼光频率抖动下仍然满足补偿方程，故该方法生成的脉冲序列具有很高的抗噪能力。可是，2^N这样指数型增长的脉冲切片数量让离子阱本来就很长的量子门时间更是爆炸性增长，在实验上无法接受。若将总时间2^Nτ压缩到合理的范围内，又会导致τ过短而脉冲序列变化过于频繁。当今的激光器、声光调制器等操控原件难以达到如此快速的操作，改变激光带来的上升沿、下降沿会对保真度影响很大。

另外，QCTRL公司提出了一种抗环境噪声干扰的离子阱脉冲切片生成方法，通过对脉冲序列[Ω₀,Ω₁,…,Ω_n]、[φ₀,φ₁,…,φ_n]进行目标函数优化，实现了具备初级抗噪声的离子阱脉冲控制方案。不过，QCTRL采用的方法的应用范围对实验参数十分敏感，对脉冲时间、失谐选择等方面的要求较苛刻，在很多实验参数下不能正常优化，难以满足多样化的实验平台；且在多离子情况下，该方法生成的脉冲仅能在噪声<KHz级别的范围有一定抗干扰能力，对于目前的激光线宽和稳频方式还不具备实用性。

因此，根据本公开的实施例，提供了一种量子门的控制脉冲确定方法，该方法改进了离子阱脉冲相位调控方案从而使其更加实用化。如图1所示，该量子门的控制脉冲确定方法100包括：获取用于实现量子门的离子阱芯片内各个声子的频率(步骤110)；确定所述控制脉冲对应的拉曼光失谐频率以及第一声子的频率，第一声子为离子阱芯片内的频率与拉曼光失谐频率最接近的声子(步骤120)；初始化第一脉冲序列并基于第一脉冲序列确定第二脉冲序列，以使得经第一脉冲序列和第二脉冲序列依次作用于离子阱芯片后，第一声子能够与离子解耦(步骤130)；基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数(步骤140)；以及调节第一脉冲序列的振幅和相位并相应地确定所述第二脉冲序列，以最小化目标函数(步骤150)。

根据本公开实施例的方法，仅关注与离子作用最强的声子，使得经过切片数随量子比特数目线性增长的脉冲序列作用后实现解耦，随后对脉冲序列进行优化，以使得剩余的声子-离子耦合强度在门时间结束后减小到可接受范围，从而获得保真度很高的量子门。

在一些示例性实施例中，可以预先获取离子阱芯片的基本参数，如阱频率ω_x,ω_z、离子数目N、离子质量m等。根据这些基本参数可以进一步确定离子阱内离子的平衡位置、离子链的声子频率

(包括N个数值的向量)以及Lamb-Dicke耦合参数η_jk(表示第j个离子和第k个声子的Lamb-Dicke耦合参数)等。在根据本公开方法进行模拟操作时，离子阱芯片的参数可以由用户自定义输入。另外，还可以预先获取想要设定的脉冲参数，如拉曼光失谐频率μ、量子门时间τ、想要的脉冲切片总数l、能达到的最大拉比频率Ω_max，等等。

根据上述所获取的离子阱芯片的基本参数以及脉冲参数，即可确定离子阱芯片内各个声子的频率以及其频率与拉曼光失谐频率最接近的声子(第一声子)，即确定|μ-ω_k|(k＝1,…,N)最小时的声子频率ω_a。考虑到所选取的拉曼光失谐频率一般靠近某一个具体的声子频率ω_a，而该声子与离子耦合最强，贡献了绝大多数的声子-离子耦合强度。因此，通过仅关注该耦合最强的声子，使其通过脉冲序列作用后实现补偿解耦，将大大降低脉冲序列的切片数。

根据一些实施例，在对第一脉冲序列进行初始化以及调节优化过程中，可以设置第一脉冲序列中的每一个脉冲切片的振幅不超过拉曼光的最大拉比频率Ω_max。

根据一些实施例，还包括：确定预设的脉冲切片总数，以基于所述脉冲切片总数确定所述第一脉冲序列中的第一脉冲切片数量和所述第二脉冲序列中的第二脉冲切片数量。

在一些实施例中，可以预先确定想要的脉冲切片总数l(l为正整数)。基于确定的脉冲切片总数l，分别确定第一脉冲序列的第一脉冲切片数量和第二脉冲序列的第二脉冲切片数量。第一脉冲切片数量和第二脉冲切片数量夫人和等于该脉冲切片总数l。

根据一些实施例，当脉冲切片总数l为奇数时，第一脉冲切片数量可以比第二脉冲切片数量大1；当脉冲切片总数l为偶数时，第一脉冲切片数量可以等于第二脉冲切片数量。

示例地，基于预设的脉冲切片总数l，生成长度为

的初始脉冲变量[[Ω₁,…,Ω_n],[φ₁,…,φ_n]]以作为第一脉冲序列，其中Ω表示振幅、φ表示相位。然后，(l-n)即为第二脉冲序列的脉冲切片数量。

在一些示例中，也可以基于脉冲切片总数l通过其他方式确定该第一脉冲切片数量和第二脉冲切片数量，例如，在l为偶数时第一脉冲切片数量比第二脉冲切片数量大2、在l为奇数时第一脉冲切片数量比第二脉冲切片数量大3等等，在此不作限制。

当第一脉冲切片数量和第二脉冲切片数量不相等(即第一脉冲切片数量大于第二脉冲切片数量)时，第二脉冲序列中的每一个脉冲切片与第一脉冲序列中的前第二脉冲切片数量的脉冲切片一一对应。

根据一些实施例，第二脉冲序列中的脉冲切片的振幅与第一脉冲序列中的相对应的脉冲切片的振幅相同，并且第二脉冲序列中的脉冲切片的相位与第一脉冲序列中的相对应的脉冲切片的相位相差一预设常数。该预设常数可以基于以下公式确定：

δ_a＝-π+(ω_a-μ)τ/2

其中，ω_a为所述第一声子的频率，μ为所述拉曼光失谐频率，τ为待实现的量子门的门时间。

示例地，可以将第一脉冲序列中的相对应脉冲的相位加上该预设常数，以获得第二脉冲序列。对于初始化得到的第一脉冲序列[[Ω₁,…,Ω_n]],[φ₁],…,φ_n]]，如果第一脉冲序列的脉冲切片数量和第二脉冲序列的脉冲切片数量相等，则第二脉冲序列可以为[[Ω₁,…,Ω_n],[φ₁+δ_a,…,φ_n+δ_a]]；如果第一脉冲序列的脉冲切片数量比第二脉冲序列的脉冲切片数量大1，则第二脉冲序列可以为[[Ω₁,…,Ω_n,Ω₁,…,Ω_n-1]],[φ₁+δ_a],…,φ_n-1+δ_a]]]。第一脉冲序列和第二脉冲序列依次顺序作用于离子阱中的指定离子。

根据一些实施例，可以基于以下公式初始化第一脉冲序列中的每一个脉冲的振幅：

其中，τ为预设的所述量子门的门时间，μ为所述拉曼光失谐频率，ω_a为与所述拉曼光失谐频率最接近的声子a的频率，η_ja表示离子j和所述声子a的Lamb-Dicke耦合参数，η_ja表示离子i和所述声子a的Lamb-Dicke耦合参数，其中，所述离子i和j为在所述离子阱中选定的用于生成所述量子门的离子。这样，通过科学地设置脉冲序列的振幅初始值，将方便后续优化的进行。

根据一些实施例，可以将第一脉冲序列中的每一个脉冲的相位初始化为第一正数和第一负数交替变化。所述第一正数和所述第一负数的绝对值相同。即，可以将第一脉冲序列的相位初始化为不断翻转变化，例如1、-1、1、-1……。通过实验发现，将第一脉冲序列的相位初始化为一绝对值相同的正值和负值交替变化，在大多数情况下相比随机初始化的脉冲序列，对后续优化后过程效果会更好。

当然可以理解，也可以以其他方式对第一脉冲序列进行初始化，例如随机初始化，在此不作限制。

根据一些实施例，根据本公开的方法还可以包括：确定预设的所述量子门能抵抗的噪声范围p，以基于所述噪声范围确定相对应的失真度函数，并进一步确定目标函数。这样，通过将脉冲序列在预设的噪声范围内进行优化，使其具备一定的抗噪声能力，同时又将脉切片数量限制在了线性增长级别，大大增加了根据本公开的方法的实用性。

根据本公开实施例的方法，在绝大部分离子阱参数下，只需要随量子比特数目线性增长的激光脉冲切片数，即可获得保真度很高的离子阱量子门控制脉冲序列，且在例如拉曼光频率漂移、门时间漂移等噪声作用下依然可以保持很高的保真度。

根据一些实施例，根据本公开的方法还可以包括确定量子门的噪声适用范围的步骤200，该步骤200可以包括：确定最小化目标函数后所获得的第一脉冲序列和第二脉冲序列(步骤210)；确定在预设的噪声范围内通过所述第一脉冲序列和第二脉冲序列在离子阱芯片内所能实现的量子门的保真度、以及所述离子阱芯片内各个声子在相空间内的轨迹图(步骤220)；以及基于所述保真度以及所述轨迹图确定所述第一脉冲序列和第二脉冲序列的噪声适用范围(步骤230)。通过对优化完毕的脉冲序列在预设的噪声范围内进行噪声处理，观察其量子门保真度随噪声的变化，做出每个声子在相空间内的轨迹图，可以给出该量子门能抵抗噪声的适用范围。

图3示出了根据本公开的一个示例性实施例的控制脉冲确定方法的流程图。如图3所示，在步骤310，可以首先获取离子阱芯片的基本参数，如阱频率ω_x,ω_z、离子数目N、离子质量m等，并根据这些基本参数确定此离子阱内离子的平衡位置、离子链的声子频率

以及Lamb-Dicke耦合参数η_jk。在步骤320，获取实验上想要设定的脉冲参数，如拉曼光失谐频率μ、门时间τ、想要的激光切片总个数l(这里为方便描述直接设置l为偶数)、能达到的最大拉比频率Ω_max、抗噪声范围p和作用的离子i,j等(步骤3201)；另外，根据上面所获取的参数，即可确定|μ-ω_a|最小时的声子频率ω_a，计算相位调制参数δ_a＝-π+(ω_a-μ)τ/2(步骤3202)。在步骤330，由已知的离子阱和脉冲设定参数，生成长度为

(因为l为偶数，n＝l/2)的初始脉冲变量[[Ω₁,…,Ω_n],[φ₁,…,φ_n]]，并初始化脉冲序列的每一个振幅、相位参数都是自由变量。即，Ω₀,Ω₁,…,Ω_n、φ₀,φ₁,…,φ_n均为自由变量，自由变量后续需基于目标函数进行调节优化。自由变量的初始值可以设定为与门时间、声子频率、拉曼光失谐频率、离子i,j与频率为ω_a的声子的Lamb-Dicke耦合参数η_ja,η_ia有关，以方便后续优化的进行。

在步骤340，从脉冲变量生成满足声子ω_a补偿解耦的初始脉冲序列[[Ω₁,…,Ω_n,Ω₁,…,Ω_n],[φ₁,…,φ_n,φ₁+δ_a,…,φ_n+δ_a]]，此脉冲序列的脉冲切片总数为l、含有n个自由变量，设为：S＝[[Ω₁,…,Ω_l],[φ₁,…,φ_l]]。在步骤350，将脉冲序列S和抗噪声范围p等输入目标函数，计算目标值f作为量子门失真度。其中，f＝f₀+f₊+f_-，不含噪声项

含噪声项

其中，

为失真度函数对离子-声子耦合强度α进行的一阶泰勒展开。例如，对于目标耦合强度为φ(该目标耦合强度可以基于待实现的量子门确定，例如在待实现的量子门为最大纠缠门时，该目标耦合强度

)的双比特门操作，这里给出完整的保真度函数表达式：

其中，1-F即为失真度函数。下面给出χ、α以及β的函数表达式：

在步骤360，判断是否满足相应的量子门保真度要求，以作为迭代条件。如果未满足(步骤3360，“否”)，在步骤370，基于量子门失真度来动态调整输入的脉冲序列中的自由变量[Ω₁,…,Ω_n],[φ₁,…,φ_n]，同时不超过最大拉比频率Ω_max的限制。重复步骤340、350，直到满足设定的优化终止条件。在步骤380，可以对优化完毕的脉冲序列做设置的噪声范围内的噪声处理，观察其量子门保真度随噪声的变化，做出每个声子模式在相空间内的轨迹图，并给出能抵抗噪声的适用范围。从而，在步骤390，输出优化完毕的脉冲序列信息S。

根据上述实施例所描述的方法，能够满足脉冲调控的实用性需求，并且，由于初始化脉冲序列时，选取的脉冲振幅的初始值科学合理，其作为优化过程中的初始值，能够避开一些不合理的目标函数高原、局部最优值等。该实施例中所实现的优化方法在相当广泛的实验参数范围有优异表现，生成的优化脉冲在相当程度的噪声范围内体现出很高的保真度，且需要的脉冲切片数随离子数增加呈线性增长，增强了方案的实用性。

在根据本公开实施例的一个示例性应用中，选取了5个镱(Yb)离子进行演示。在横向束缚频率小于纵向束缚频率的一维离子链中，选取第一个离子与第五个离子使用相位调制方法优化

MS

相互作用门。选取离子阱环境信息、设定脉冲参数如表1所示。

表1

在这样的参数选取下，通过对比现有方法(即业界方案)与根据本公开实施例的方法(本方案)所生成的脉冲序列，在失谐噪声和门时间噪声下其

双量子门的失真度分别如图4A和4B所示。可以看出，在-2.0KHz、-0.7KHz的失谐噪声中，本公开实施例的方法生成的脉冲序列所对应的量子门失真度为0.017、0.02，而现有方法生成的脉冲序列所对应的量子门在这两点失真度达到0.24、0.07。对于门时间噪声，在0.996～1.004的门时间波动里，本公开实施例的方法的失真度始终保持在0.0001以下，而现有方法在两端的失真度达到了0.056、0.022。

在根据本公开实施例的方法所获得的脉冲作用下，两个离子和每个声子的耦合强度在相空间的轨迹图像如图5所示。由于合理的初始变量选取，本公开实施例的方法能优化一些现有方法所无法进行优化情况。例如如表2所示出的参数设置，现有方法无法进行优化而本公开实施例的方法依旧优化正常：

表2

在这样的参数选取下，通过对比现有方法(即业界方案)与根据本公开实施例的方法(即本方案)所生成的脉冲序列，在失谐噪声和门时间噪声下其量子门的失真度分别如图6A和6B所示。可见，现有方法给出的脉冲序列在无噪声的情况下失真度也大于0.2，这样的情况说明现有方法形成的量子门保真度小于0.8，远远低于量子计算机可以接受的保真度阈值。故现有方法对这样的参数设置没有进行有效优化。相比之下，本公开实施例的方法在频率噪声达到2KHz时依然保持0.008的失真度，在门时间噪声倍数为1.004时保持0.0007的失真度。

对于现有的相位调控方法，其在离子数增多时所需要的脉冲切片数呈指数型增长。而根据本公开实施例的方法只需要随离子个数线性增长的切片数就可以达到较好的效果。表3示出了在不同离子数情况下两种方案生成的脉冲在2KHz噪声下的失真度对比：

表3

其中，参数选取与表1相同，唯一不同点在于作用的离子变成[1,2]。可以看出，虽然现有的相位调制方法有十分优异的表现，但其所需要的最少切片数随离子数增多而指数增加，这样无法在实验平台上真正实现。而根据本公开的方法，需要的切片数随离子数量增加呈线性增长，且在2KHz的噪声作用下保真度依然能维持在可以接受的水平。

根据本公开的实施例，如图7所示，还提供了一种量子门的控制脉冲确定装置700，包括：获取单元710，配置为获取用于实现量子门的离子阱芯片内各个声子的频率；第一确定单元720，配置为确定所述控制脉冲对应的拉曼光失谐频率以及第一声子的频率，其中，所述第一声子为所述离子阱芯片内的频率与所述拉曼光失谐频率最接近的声子；初始化单元730，配置为初始化第一脉冲序列并基于所述第一脉冲序列确定第二脉冲序列，以使得经所述第一脉冲序列和第二脉冲序列依次作用于所述离子阱芯片后，所述第一声子能够与离子解耦；第二确定单元740，配置为基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数；以及调节单元750，配置为调节所述第一脉冲序列的振幅和相位并相应地确定所述第二脉冲序列，以最小化所述目标函数。

这里，量子门的控制脉冲确定装置700的上述各单元710～750的操作分别与前面描述的步骤110～150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8，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备800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8所示，电子设备800包括计算单元801，其可以根据存储在只读存储器(ROM)802中的计算机程序或者从存储单元808加载到随机访问存储器(RAM)803中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 803中，还可存储电子设备800操作所需的各种程序和数据。计算单元801、ROM 802以及RAM 803通过总线804彼此相连。输入/输出(I/O)接口805也连接至总线804。

电子设备800中的多个部件连接至I/O接口805，包括：输入单元806、输出单元807、存储单元808以及通信单元809。输入单元806可以是能向电子设备800输入信息的任何类型的设备，输入单元806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807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808可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元809允许电子设备800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801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801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801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808。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 802和/或通信单元809而被载入和/或安装到电子设备800上。当计算机程序加载到RAM 803并由计算单元801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801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)、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 (13)

1.一种量子门的控制脉冲确定方法，包括：

获取用于实现量子门的离子阱芯片内各个声子的频率；

确定所述控制脉冲对应的拉曼光失谐频率以及第一声子的频率，其中，所述第一声子为所述离子阱芯片内的频率与所述拉曼光失谐频率最接近的声子；

初始化第一脉冲序列并基于所述第一脉冲序列确定第二脉冲序列，以使得经所述第一脉冲序列和第二脉冲序列依次作用于所述离子阱芯片后，所述第一声子能够与离子解耦；

基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数；以及

调节所述第一脉冲序列的振幅和相位并相应地确定所述第二脉冲序列，以最小化所述目标函数。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一脉冲序列中的第一脉冲切片数量不小于所述第二脉冲序列中的第二脉冲切片数量，并且，

所述第二脉冲序列中的脉冲切片的振幅与所述第一脉冲序列中的前第二脉冲切片数量的脉冲切片的振幅相同；以及

所述第二脉冲序列中的脉冲切片的相位与所述第一脉冲序列中的前第二脉冲切片数量的脉冲切片的相位相差一预设常数，其中，

所述常数基于以下公式确定：

δ_a＝-π+(ω_a-μ)τ/2

其中，ω_a为所述第一声子的频率，μ为所述拉曼光失谐频率，τ为待实现的量子门的门时间。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括：确定预设的脉冲切片总数，以基于所述脉冲切片总数确定所述第一脉冲序列中的第一脉冲切片数量和所述第二脉冲序列中的第二脉冲切片数量。

4.如权利要求3所述的方法，其中，

当所述脉冲切片总数为奇数时，所述第一脉冲切片数量比所述第二脉冲切片数量大1；以及

当所述脉冲切片总数为偶数时，所述第一脉冲切片数量等于所述第二脉冲切片数量。

5.如权利要求1所述的方法，其中，初始化第一脉冲序列包括：

基于以下公式初始化所述第一脉冲序列中的每一个脉冲的振幅：

其中，τ为预设的所述量子门的门时间，μ为所述拉曼光失谐频率，ω_a为与所述拉曼光失谐频率最接近的声子a的频率，η_ja表示离子j和所述声子a的Lamb-Dicke耦合参数，η_ja表示离子i和所述声子a的Lamb-Dicke耦合参数，其中，所述离子i和j为在所述离子阱中选定的用于生成所述量子门的离子。

6.如权利要求1或5所述的方法，其中，初始化第一脉冲序列包括：

将所述第一脉冲序列中的每一个脉冲的相位初始化为第一正数和第一负数交替变化，其中，所述第一正数和所述第一负数的绝对值相同。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：确定预设的所述量子门能抵抗的噪声范围，其中，基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数包括：基于所述噪声范围确定所述失真度函数并进一步确定所述目标函数。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一脉冲序列中的每一个脉冲切片的振幅不超过拉曼光的最大拉比频率。

9.如权利要求1或7所述的方法，还包括：

确定最小化目标函数后所获得的第一脉冲序列和第二脉冲序列；

确定在预设的噪声范围内通过所述第一脉冲序列和第二脉冲序列在离子阱芯片内所能实现的量子门的保真度、以及所述离子阱芯片内各个声子在相空间内的轨迹图；以及

基于所述保真度以及所述轨迹图确定所述第一脉冲序列和第二脉冲序列的噪声适用范围。

10.一种量子门的控制脉冲确定装置，包括：

获取单元，配置为获取用于实现量子门的离子阱芯片内各个声子的频率；

第一确定单元，配置为确定所述控制脉冲对应的拉曼光失谐频率以及第一声子的频率，其中，所述第一声子为所述离子阱芯片内的频率与所述拉曼光失谐频率最接近的声子；

初始化单元，配置为初始化第一脉冲序列并基于所述第一脉冲序列确定第二脉冲序列，以使得经所述第一脉冲序列和第二脉冲序列依次作用于所述离子阱芯片后，所述第一声子能够与离子解耦；

第二确定单元，配置为基于待实现的量子门所对应的失真度函数确定目标函数；以及

调节单元，配置为调节所述第一脉冲序列的振幅和相位并相应地确定所述第二脉冲序列，以最小化所述目标函数。

11.一种电子设备，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。

12.一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。

13.一种计算机程序产品，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。

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