CN114492820A - 微波脉冲优化方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种微波脉冲优化方法，用于实现超导量子耦合器的高保真度的CZ门，所述超导量子耦合器包括两个量子比特和位于两个量子比特之间的量子耦合单元，所述微波脉冲优化方法，包括：创建考虑时间变化的微波脉冲驱动强度的参数化模型；确定所述参数化模型中待优化参数的数量和具体值，得到微波脉冲驱动强度；获取载波参数并结合所述微波脉冲驱动强度，得到目标微波脉冲信号的驱动电流并输入至超导量子耦合单元。

Description

微波脉冲优化方法
技术领域
本公开涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种微波脉冲优化方法，将交流CZ(Controlled-Z)门波形参数化并通过优化波形参数提高交流CZ门的保真度。
背景技术
当今是量子计算机技术发展的初级阶段，如何实现对量子系统的精密调控是量子计算发展的重点。由超导量子比特实现的超导量子芯片是当前量子计算最行之有效的物理平台之一，如何实现对大规模超导量子芯片的精确调控是提高量子操控精度的核心技术与挑战。
由于含量子耦合器的量子比特能级结构的复杂性，如何实现高保真度是亟待解决的技术课题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种微波脉冲优化方法以提高交流CZ门保真度，以缓解现有技术中没有有效的方法在含量子耦合器的量子比特中实现高保真度微波控制等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种微波脉冲优化方法，用于实现超导量子耦合器的高保真度的CZ门，所述超导量子耦合器包括两个量子比特和位于两个量子比特之间的量子耦合单元，所述微波脉冲优化方法，包括：创建考虑时间变化的微波脉冲驱动强度的参数化模型；确定所述参数化模型中待优化参数的数量和具体值，得到微波脉冲驱动强度；获取载波参数并结合所述微波脉冲驱动强度，得到目标微波脉冲信号的驱动电流并输入至超导量子耦合单元。
根据本公开实施例，所述参数化模型表达为：
Figure BDA0003493481920000021
其中，Ta是微波脉冲的激活时间，λ2n、λ2n-1表示不同频率分量强度的波形参数，n取正整数。
根据本公开实施例，所述n的取值范围为1至5的正整数。
根据本公开实施例，所述n取1至2。
根据本公开实施例，所述载波参数包括CZ门控制微波的载波频率和载波初始相位。
根据本公开实施例，所述目标微波脉冲信号的驱动电流I(t)表达为：
I(t)＝A(t，λ)cos(ωtargett+φ)；
其中，A(t，λ)为通过参数化模型得到的t时刻的微波驱动强度，ωtarget是交流CZ门控制微波的载波频率，φ是载波的初始相位。
根据本公开实施例，所述超导量子耦合器的耦合强度调节范围大于10MHz。
根据本公开实施例，所述获取载波参数并结合所述微波脉冲驱动强度，得到目标微波脉冲信号的驱动电流并输入至超导量子耦合单元还包括通过Nelder Mead算法进行参数优化。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开微波脉冲优化方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)可以实现CZ门误差率4～8倍的抑制；
(2)迭代收敛速度快，有广阔的应用空间。
附图说明
图1为本公开实施例的微波脉冲优化方法的流程示意图。
图2为不同的微波脉冲包络示意图。
图3为本公开实施例对应ωtarget＝-Δ+η的驱动模式下实现的交流CZ门示意图。
图4为本公开实施例对应ωtarget＝Δ+η的驱动模式下实现的交流CZ门示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种提高交流CZ门保真度的方法，根据含量子耦合器的量子比特结构的能级结构特点，针对性的设计了一种微波脉冲优化方法，包括波形参数化，以及在该参数化条件下的初值选择。在仿真实验中，该波形参数的初始值通过Nelder Mead算法优化，可以在没有比特频率冲突的量子比特频率工作点，达到快速优化交流CZ门的目标，可以实现50步迭代实现99.9％的保真度，200步迭代达到99.999％的保真度。
在不同的量子门实现方案中，优化控制波形是提高量子门保真度的主流方法之一。本公开针对将电流脉冲施加在量子耦合器环路上的交流CZ门方案，提出了一种波形参数化的方案和优化初值，达到实现高保真度CZ门的目标。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在含量子耦合器的超导量子比特中，由于能级结构的复杂性，一个简单的微波脉冲包络通常不能实现高保真度的交流CZ门，如图2虚线所示。通过对虚线包络长度和幅度的调节，无法达到较高的保真度。
由此，在本公开实施例中，提供一种微波脉冲优化方法，用于实现超导量子耦合器的高保真度的CZ门，所述超导量子耦合器包括两个量子比特和位于两个量子比特之间的量子耦合单元，如图1所示，所述微波脉冲优化方法，包括：
操作S1：创建考虑时间变化的微波脉冲驱动强度的参数化模型；
操作S2：确定所述参数化模型中待优化参数的数量和具体值，得到微波脉冲驱动强度；以及
操作S3：获取载波参数并结合所述微波脉冲驱动强度，得到目标微波脉冲信号的驱动电流并输入至超导量子耦合单元。
根据本公开实施例，所述参数化模型表达为：
Figure BDA0003493481920000041
其中，Ta是微波脉冲的激活时间，λ2n、λ2n-1表示不同频率分量强度的波形参数，n取正整数。通常在λ参数数量越多，优化可得到的保真度就越高，但收敛速度会变慢。所述n的取值范围为1至5的正整数，例如n取1至2。综合考虑收敛速度和精度的需求，在实际应用中，我们会选择优化其中4个参数，也就是λ1，λ2，λ3，λ4。
实际实现交流CZ门的微波脉冲是在以A(t)为包络的特定频率的微波。
根据本公开实施例，所述载波参数包括CZ门控制微波的载波频率和载波初始相位。
根据本公开实施例，所述目标微波脉冲信号的驱动电流I(t)表达为：
I(t)＝A(t，λ)cos(ωtargett+φ)；
其中，A(t，λ)为通过参数化模型得到的t时刻的微波驱动强度，ωtarget是交流CZ门控制微波的载波频率，φ是载波的初始相位。
所述超导量子耦合器的耦合强度调节范围大于10MHz。通过优化λ和ωtarget参数，再结合耦合强度调节范围大于10MHz以上的量子耦合器设计方案并且规避潜在的频率冲突，就可以在仿真中通过100纳秒的时间，用Nelder Mead算法在200步迭代实现99.999％的保真度。
根据本公开的实施例，结合图3和图4所示为不同微波脉冲包络优化CZ门的效果。其中图3对应ωtarget＝-Δ+η的驱动模式实现的交流CZ门，图4对应ωtarget＝Δ+η的驱动模式实现的交流CZ门。这里Δ是两个比特的频率差，η是量子比特的非简谐性。在图3和图4中，空心圆形是不同的量子比特失谐时，以图2所示虚线包络，通过200步迭代得到的CZ门保真度；图2中实线为通过本公开的微波脉冲优化后的一组典型参数下的微波包络形状示意图，空心方形是不同的量子比特失谐时，以图2所示实线包络，通过200步迭代得到的CZ门保真度。图中实线和虚线是相应包络在规避频率冲突后的平均保真度。可见本公开的包络在ωtarget＝-Δ+η和ωtarget＝Δ+η可以将平均误差降低到1.1e-5和5.6e-6，而传统的包络只有5.2e-5和4.16e-5。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开微波脉冲优化方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种微波脉冲优化方法，通过本公开的微波脉冲优化方法，在选择优化其中四个参数时，在理论上可以实现CZ门误差率4～8倍的抑制。并且这组参数可以利用Nelder Mead算法快速迭代收敛，满足实验的需求，在实验中有广阔的应用空间。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微波脉冲优化方法，用于实现超导量子耦合器的高保真度的CZ门，所述超导量子耦合器包括两个量子比特和位于两个量子比特之间的量子耦合单元，所述微波脉冲优化方法，包括：
创建考虑时间变化的微波脉冲驱动强度的参数化模型；
确定所述参数化模型中待优化参数的数量和具体值，得到微波脉冲驱动强度；以及
获取载波参数并结合所述微波脉冲驱动强度，得到目标微波脉冲信号的驱动电流并输入至超导量子耦合单元。
2.根据权利要求1所述的微波脉冲优化方法，所述参数化模型表达为：
Figure FDA0003493481910000011
其中，Ta是微波脉冲的激活时间，λ2n、λ2n-1表示不同频率分量强度的波形参数，n取正整数。
3.根据权利要求2所述的微波脉冲优化方法，所述n的取值范围为1至5的正整数。
4.根据权利要求2所述的微波脉冲优化方法，所述n取1至2。
5.根据权利要求1所述的微波脉冲优化方法，所述载波参数包括CZ门控制微波的载波频率和载波初始相位。
6.根据权利要求5所述的微波脉冲优化方法，所述目标微波脉冲信号的驱动电流I(t)表达为：
I(t)＝A(t，λ)cos(ωtargett+φ)；
其中，A(t，λ)为通过参数化模型得到的t时刻的微波驱动强度，ωtarget是交流CZ门控制微波的载波频率，φ是载波的初始相位。
7.根据权利要求1所述的微波脉冲优化方法，所述超导量子耦合器的耦合强度调节范围大于10MHz。
8.根据权利要求1所述的微波脉冲优化方法，所述获取载波参数并结合所述微波脉冲驱动强度，得到目标微波脉冲信号的驱动电流并输入至超导量子耦合单元还包括通过Nelder Mead算法进行参数优化。
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