CN114594306A - 超导量子比特频率的校准方法以及装置、可读存储介质 - Google Patents

超导量子比特频率的校准方法以及装置、可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导量子比特频率的校准方法以及装置、可读存储介质，对超导量子比特施加微波信号，并获取初始振荡频率，然后通过初始振荡频率与第一频率的差值判断出超导量子比特频率是否发生漂移，在超导量子比特频率发生漂移时，调整施加在超导量子比特上的第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，直到初始振荡频率与第一频率的差值满足收敛条件。通过调整所述第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，可以将超导量子比特频率调回到预定的数值也即使得我们选定的超导量子比特回到工作点，从而实现了对已发生漂移的超导量子比特频率的自动校准。

Description

超导量子比特频率的校准方法以及装置、可读存储介质
技术领域
本发明涉及量子测控技术领域，尤其是涉及一种超导量子比特频率的校准方法以及装置、可读存储介质。
背景技术
量子计算与量子信息是一门基于量子力学的原理来实现计算与信息处理任务的交叉学科，与量子物理、计算机科学、信息学等学科有着十分紧密的联系。在最近二十年有着快速的发展。因数分解、无结构搜索等场景的基于量子计算机的量子算法展现出了远超越现有基于经典计算机的算法的表现，也使这一方向被寄予了超越现有计算能力的期望。由于量子计算在解决特定问题上具有远超经典计算机性能的发展潜力，而为了实现量子计算机，需要获得一块包含有足够数量与足够质量量子比特的量子芯片，并且能够对量子比特进行极高保真度的量子逻辑门操作与读取。
在称为电路量子电动力学的一种方法中，量子计算采用称为超导量子比特的非线性超导装置以操纵和存储微波频率的量子信息，以及谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)以读出并促进量子位之间的相互作用。作为一个示例，每个超导量子比特可以包括一个或多个约瑟夫森结，所述约瑟夫森结与所述结并联的电容器分流。量子位电容耦合到2D或3D微波腔，与超导量子比特相关联的电磁能存储在约瑟夫森结中以及形成超导量子比特的电容和电感元件中。作为超导量子比特工作的实现，超导量子比特上耦合连接有磁通调制线，通常，磁通调制线提供的磁通调制信号调控与超导量子比特相关联的电磁能，进而控制超导量子比特的工作性能。
然而超导量子比特的超导量子比特频率参数会随环境波动，如果忽略这种波动，会导致量子逻辑门操作的保真度的下降，也会影响到读取的效率。因此，量子芯片的参数，尤其超导量子比特频率参数，需要定期校准，才能确保长期稳定发挥最佳性能也就是量子算法的最佳执行效果。由于超导量子比特会随机且概率性出现频率漂移，并且现有超导量子比特频率校准的技术手段依赖于大量的人力和时间耗费，在大规模量子芯片应用中不具备实用性。
因此，如何实现超导量子比特频率的自动校准功能，成为本领域亟待解决的技术问题。
需要说明的是，公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超导量子比特频率的校准方法以及装置、可读存储介质，用于解决现有技术中存在无法实现对超导量子比特频率自动校准的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种超导量子比特频率的校准方法，包括以下步骤：
对超导量子比特施加微波信号和第一电压，并获取与所述第一电压的值对应的所述超导量子比特的振荡频率，其中，所述微波信号的频率为第一频率；
基于所述振荡频率与所述第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移；
在所述超导量子比特频率发生漂移时，调整所述第一电压的值并返回所述获取与所述第一电压的值相对应的所述超导量子比特的振荡频率的步骤，直至所述振荡频率与所述第一频率的差值满足预设的收敛条件。
可选地，在每次调整所述第一电压的值的过程中，均输出一当前猜测值以及与所述当前猜测值对应的当前振荡频率，所述调整所述第一电压的值，包括：
获取当前完成调整所述第一电压的值的次数n；
若所述次数n小于第一预设值，则获取所述第一电压的初始值V0；
根据所述初始值V0和预设的调整幅度ΔV，调整所述第一电压的值为第一猜测值＝V0+ΔV；
并且在所述次数n小于所述预设次数减1时，更新所述第一电压的初始值V0为所述第一猜测值。
可选地，所述调整所述第一电压的值，还包括：
若所述次数n大于或等于所述第一预设值，则获取所述初始值V0和所述当前猜测值V1，以及与所述初始值V0对应的振荡频率f0、所述当前振荡频率f1；
根据所述初始值V0和所述当前猜测值V1，以及所述振荡频率f0和所述当前振荡频率f1，调整所述第一电压的值为第二猜测值V2：
Figure BDA0002819629190000031
可选地，所述调整所述第一电压的值，还包括：
获取与所述第二猜测值V2对应的振荡频率f2；
判断|f2-f|是否小于|f1-f|；
若是，则更新所述初始值V0为V2，振荡频率f0为f2。
可选地，在任一次调整所述第一电压的大小过程中，若按照第一方向调整所述第一电压后，所述当前振荡频率的大小在往远离所述第一频率的大小的方向变化，则在下一次调整所述第一电压的大小时，按照第二方向调整所述第一电压；
若按照所述第一方向调整所述第一电压后，所述当前振荡频率的大小在往靠近所述第一频率的大小的方向变化，则在下一次调整所述第一电压的大小时，按照所述第一方向调整所述第一电压；
其中，所述第一方向与所述第二方向为相反的方向。
可选地，在每次调整所述第一电压的大小过程中，按照相同大小或不同大小的电压值调整所述第一电压。
可选地，还包括以下步骤：
设置调整次数阈值；
在每次调整所述第一电压前，判断当前调整次数是否超出所述调整次数阈值的范围；
若是，则选取最接近所述第一频率的振荡频率以及对应的所述第一电压为校准结果，并完成校准；
若否，则对所述第一电压进行调整。
可选地，所述基于所述初始振荡频率与第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移，包括：
当所述初始振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值大于第一阈值时，判断所述超导量子比特频率发生漂移；
当所述初始振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值小于或等于所述第一阈值时，判断所述超导量子比特频率未发生漂移；
其中，所述第一阈值为预先配置的值。
可选地，所述收敛条件包括：
所述当前振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值小于或等于0.01MHz。
可选地，所述初始振荡频率以及所述当前振荡频率通过Ramsey干涉实验获取。
基于同一发明构思，本发明还提出一种超导量子比特频率的校准装置，包括：
振荡频率获取单元，其被配置为对超导量子比特施加微波信号，并获取初始振荡频率；
判断单元，其被配置为基于所述初始振荡频率与第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移；
调整单元，其被配置为在所述超导量子比特频率发生漂移时，相应调整第一电压的大小以使振荡频率逼近所述第一频率，直至所述当前振荡频率与所述第一频率的差值满足预设的收敛条件，完成校准；
其中，所述第一频率为所述载频的频率，所述第一电压为当前施加在所述超导量子比特上的电压。
基于同一发明构思，本发明还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述特征描述中任一项所述的超导量子比特频率的校准方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的超导量子比特频率的校准方法，对超导量子比特施加微波信号，并获取初始振荡频率，然后通过初始振荡频率与第一频率的差值判断出超导量子比特频率是否发生漂移，在超导量子比特频率发生漂移时，调整施加在超导量子比特上的第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，直到初始振荡频率与第一频率的差值满足收敛条件。通过调整所述第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，可以将超导量子比特频率调回到预定的数值也即使得我们选定的超导量子比特回到工作点，从而实现了对已发生漂移的超导量子比特频率的自动校准。
2、通过获取猜测值来调整所述第一电压，并基于当前猜测值获取振荡频率，所述猜测值包括第一猜测值以及若干个第二猜测值，所述第二猜测值通过第一斜率、所述当前振荡频率、所述第一频率以及当前的所述猜测值来获取，根据第一斜率的大小变化不断迭代获取得到的猜测值，会使得振荡频率不断逼近第一频率，并且，利用第一斜率来进行迭代的方式可有效减少所述第一电压的调整次数，可有效提高自动校准所述超导量子比特频率的效率。
3、在利用第一斜率进行迭代的方式获取猜测值的过程中，还可判断第一差值与第二差值的大小，当所述第一差值大于所述第二差值时，将所述初始振荡频率的值更新为所述当前振荡频率的值，并且所述初始值的值更新为当前的所述猜测值。这样设置是为了筛选出更接近的振荡频率作为下一次迭代的初始振荡频率，可进一步减少所述第一电压的调整次数，进一步提高自动校准所述超导量子比特频率的效率。
4、在每次调整所述第一电压后，可利用Ramsey干涉实验获取实时的振荡频率，利用Ramsey干涉实验可有效减小实验误差，提高校准后的超导量子比特频率的精确度。
本发明提出的超导量子比特频率的校准装置以及可读存储介质，与所述超导量子比特频率的校准方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不做赘述。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种超导量子比特频率的校准方法的流程示意图；
图2为一超导量子比特频率发生漂移前与发生漂移后量子比特能谱的对比示意图；
图3为用于Ramsey干涉实验的脉冲示意图；
图4为Ramsey干涉实验的结果示意图；
图5为实施例一中用于表示超导量子比特发生频率漂移的示意图；
图6为实施例一中提出的一种具体的超导量子比特频率的校准方法的流程示意图；
图7为实施例一中超导量子比特频率漂移的第一种情况示意图；
图8为实施例一中超导量子比特频率漂移的第二种情况示意图；
图9为实施例一中超导量子比特频率漂移的第三种情况示意图；
图10位实施例三中提出的一种超导量子比特频率的校准装置的示意图；
其中，图10中：10-超导量子比特频率的校准装置，101-振荡频率获取单元，102-判断单元，103-所述调整单元。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
为了更好地理解本申请的技术方案，以下先对本申请的发明构思以及所涉及的相关技术进行简要阐述：
Ramsey干涉实验是指对一个量子比特，施加两个π/2量子逻辑门操作，两个操作的时间间隔为τ，同时在第二个π/2量子逻辑门操作后对该量子比特施加读取脉冲以获得量子比特的激发态分布P1(τ)，并且改变时间间隔τ以获得P1(τ)的过程。典型的Ramsey干涉实验的结果是P1(τ)是随时间间隔τ满足指数振荡衰减的数学模型如下：
Figure BDA0002819629190000071
在公式1中，A和B为拟合系数，T0为量子比特的退相干时间，fd为π/2量子逻辑门操作对应的微波脉冲信号的载频，f0为量子比特的振荡频率，且f0与该量子比特的真实频率fq、π/2量子逻辑门操作的载频频率满足：
f0(fd)＝|fq-fd| (2)
综上所述并结合公式2，可以得到：Ramsey干涉实验的结果，也就是曲线的振荡频率等于量子逻辑门操作的载频频率以及量子比特真实频率的差值，因而Ramsey干涉实验除了能够用于获得量子比特的退相干时间以外，还能同时精确获得量子比特的真实频率。
正常运行状态下，导致量子比特频率变化的根本原因很多，但直接原因都是因为引发了磁通量的变化。发明人发现在使用可调频的超导量子比特时，超导量子比特的工作频率可以通过外磁通方式调节。通常，可调频的超导量子比特器件具备磁通调制线，通过在磁通调制线上施加电压，可以改变超导量子比特的频率。正是基于这些发现，发明人考虑通过合适地调整磁通调制线上的施加电压，修正磁通量，以将超导量子比特频率调回设定数值。使用Ramsey干涉实验，可以精确地获得超导量子比特的实时频率，以帮助我们进行修正。
为了方便问题描述，可以将能谱实验的二维深度图抽象成如图2所示的二维平面图，其中，实线表示量子比特能谱实验得到的电压与超导量子比特频率的关系图，虚线表示超导量子比特发生漂移后的状态(假设往右边发生了漂移)。假设fq＝5442MHz，V_dc＝0.457513V是在正常情况下选定的该超导量子比特的工作点(work point)，可以看出，当发生漂移后，V_dc对应的超导量子比特频率，已经从fq变成了fq_offset，因此，必须重新设定一个电压值V_offset使得超导量子比特频率重新回到fq，也即需要使该超导量子比特再次处于工作点。
为了使得该超导量子比特再次回到工作点，可以重新进行量子比特能谱实验，将漂移后虚线表示的函数曲线拟合出来，但是发明人发现能谱实验花费的时间较多，拟合的精度也很难达到非常准确，这些问题都会干扰最后工作点的校准。总的来说，如果选择使用Qubit-Spectrum实验来校准超导量子比特频率，代价是非常昂贵的。因此，发明人考虑利用Ramsey干涉实验来进行工作点的校准，可有效减小实验误差，提高校准后的超导量子比特频率的精确度。
在比特坐标系(Bloch Sphere)下，如果加的微波脉冲频率和超导量子比特频率是同频的，可以等效认为中间没有相位积累，得到的结果就是纯e指数振荡；如果微波频率和超导量子比特频率不一致，就会有sine振荡。请参考图3，在第二个π/2上加一个以f为振荡频率的相位，如果微波脉冲和比特频率同频，得到的振荡频率是f，如果不同频，得到的振荡频率是f±频差；因此，实际的振荡频率为：f_osc＝f±频差。假设一超导量子比特工作点的超导量子比特频率为fq，微波脉冲的频率为fp(固定不变)，则频差Δf＝fq–fp，则振荡频率的计算公式为：
f_osc＝f+Δf (3)
也即f_osc＝f+(fq–fp)；在超导量子比特没有发生漂移的情况下，fp等于fq，频差的理论值Δf＝0，振荡频率f_osc的值等于f；
当超导比特频率发生漂移时，频差Δf＝fq_offset–fq，此时Δf已经不等于零。可以通过该条件判断比特频率已经发生漂移，且发生漂移后的振荡频率为：f_osc_offset＝f+(fq_offset–fq)。
由于之前测得的fq-v函数参数已经发生了改变，无法得到fq_offset对应的电压v_offset是多少，因此我们需要修改电压的数值，进行尝试，例如，V_dc增加至V_dc1(若Δf<0，则需要减少电压值)，在V_dc1电压值下，通过Ramsey干涉实验可以测得f_osc1，由前面的振荡频率计算公式得到：
f_osc1＝f+(fq1–fq) (4)
虽然fq1的值没有获取到，但是将公式3减去公式4可以得到：
f_osc–f_osc1＝fq–fq1 (5)
因此，超导量子比特频率的漂移值是可以通过振荡频率之差计算得到，另外，f_osc1–f＝fq1–fq；
故我们可以使用振荡频率来代替比特本身的频率进行计算，在具体应用时可依据下面公式作为校准的收敛条件：
|f_osc–f|≤0.01MHz (6)
请参考图4，假设给出的f是5MHz，如果通过Ramsey干涉实验测得的振荡频率f_osc为4.99344MHz，此时可以认为比特频率已经处于工作点，因为f_osc和f的差值在0.01MHz以内，满足预设的收敛条件。
实施例一
正是基于上述发明构思，本实施例提出一种超导量子比特频率的校准方法，请参考图1，所述超导量子比特频率的校准方法包括以下步骤：
S1：对超导量子比特施加微波信号和第一电压，并获取与所述第一电压的值对应的所述超导量子比特的振荡频率，其中，所述微波信号的频率为第一频率；
S2：基于所述振荡频率与所述第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移；
S3：在所述超导量子比特频率发生漂移时，调整所述第一电压的值并返回所述获取与所述第一电压的值相对应的所述超导量子比特的振荡频率的步骤，直至所述振荡频率与所述第一频率的差值满足预设的收敛条件。
与现有技术不同之处在于，本发明实施例提出的超导量子比特频率的校准方法，对超导量子比特施加微波信号，并获取初始振荡频率，然后通过初始振荡频率与第一频率的差值判断出超导量子比特频率是否发生漂移，在超导量子比特频率发生漂移时，调整施加在超导量子比特上的第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，直到初始振荡频率与第一频率的差值满足收敛条件。通过调整所述第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，可以将超导量子比特频率调回到预定的数值也即使得我们选定的超导量子比特回到工作点，从而实现了对已发生漂移的超导量子比特频率的自动校准。需要注意的是，在本发明实施例中，所述初始振荡频率以及所述当前振荡频率优选通过Ramsey干涉实验获取，但并不意味着所述初始振荡频率以及所述当前振荡频率仅能通过Ramsey干涉实验来获取，在其它实施例中，还可通过其它的能谱测量实验来实施，在此不做限制。
具体地，所述步骤S2可具体包括：
S21：当所述初始振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值大于第一阈值时，判断所述超导量子比特频率发生漂移；其中，所述第一阈值为预先配置的值；
S22：当所述初始振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值小于或等于所述第一阈值时，判断所述超导量子比特频率未发生漂移。
可以理解的是，所述第一阈值的设定一般可参考所述收敛条件，在本实施例中，所述第一阈值为0.01MHz，在其它实施例中，可根据实际需要来选择调整，在此不做限制。
进一步地，请参考图5，(V_q，fq)表示所述超导量子比特漂移之后的工作点，fq_0表示所述超导量子比特漂移后(未进行校准前)电压对应的频率值。由于漂移后的曲线函数(虚线表示)具体参数未知，所以在已知fq的情况下，并不能得出V_q；因此需要对问题进行转换。
假设工作点(V_q，fq)处的切线斜率为k_q，则工作点(V_q，fq)一定在斜率为k_q的直线上。根据导数的数学原理，函数f(x)在点x0处的导数可以定义为：当定义域内的变量x趋近于x0时，
Figure BDA0002819629190000101
的极限，即：
Figure BDA0002819629190000102
因此，所要解决的问题就转换成：在漂移后的曲线上寻找一个点(V2，f_b)，当(V2，f_b)足够接近(V_q，fq)时，此时的斜率就无限接近k_q，因此这个点就可以认为是比特的工作点。
由公式3知，切线斜率至少需要两组坐标才可计算得出，假如此时我们移动电压一个很小的增量，使得所述第一电压变为V1，则该点的切线斜率近似等价为：
k＝(fq_step–fq_0)/(V1–V0) (8)
根据前述内容可知，漂移后函数的具体参数未知，因此，fq_step和fq_0都无法知道，但是由公式5可以得出：
f1–f0＝fq_step–fq_0 (9)
k＝(f1–f0)/(V1–V0) (10)
其中，振荡频率f1为所述第一电压被调整为V1后，进行Ramsey干涉实验测得；f0为利用初始值V0进行Ramsey干涉实验测得的初始振荡频率；因此，只需要通过Ramsey干涉实验进行振荡频率的测量，就可以计算出近似斜率。又由公式6知，当f_osc越接近f时，此时的电压值对应的量子比特频率值就越接近比特的工作频率，因此，可以以f为基准，每次迭代时比较f_osc与f的差值，当差值的绝对值小于等于0.01MHz时，我们认为所述超导量子比特已经完成了校准。可以理解的是，在本实施例中，所述收敛条件可设置为：所述当前振荡频率与所述第一频率f的差值的绝对值小于或等于0.01MHz。在其它实施例中，所述收敛条件还可为其它情况，例如，在某些对于超导量子比特频率要求较高的应用场景时，所述收敛条件可设置为：所述当前振荡频率与所述第一频率f的差值的绝对值小于或等于0.001MHz；而在某些对于超导量子比特频率要求较低的应用场景时，所述收敛条件可设置为：所述当前振荡频率与所述第一频率f的差值的绝对值小于或等于0.02MHz；所述收敛条件还有很多其它情况，在此不一一赘述，具体可根据实际需要或实际应用场景来选择。
基于此，在本实施例的步骤S3中，有关在所述超导量子比特频率发生漂移时，如何调整所述第一电压的大小，可优选为通过获取猜测值调整所述第一电压，并基于当前猜测值获取所述当前振荡频率直至所述当前振荡频率与所述第一频率的差值满足所述收敛条件；
具体地，在每次调整所述第一电压的值的过程中，均输出一当前猜测值以及与所述当前猜测值对应的当前振荡频率，所述调整所述第一电压的值，包括：
获取当前完成调整所述第一电压的值的次数n；
若所述次数n小于第一预设值，则获取所述第一电压的初始值V0；
根据所述初始值V0和预设的调整幅度ΔV，调整所述第一电压的值为第一猜测值＝V0+ΔV；
并且在所述次数n小于所述预设次数减1时，更新所述第一电压的初始值V0为所述第一猜测值。
可以理解的是，所述第一猜测值的获取过程中所述调整幅度ΔV的值可以是正值也可为负值，例如，若按照图2中所示出的情况，当初始值V0对应的初始振荡频率与所述第一频率的差值大于零时，则所述调整幅度ΔV的值是正值；当初始值V0对应的初始振荡频率与所述第一频率的差值小于零时，则所述调整幅度ΔV的值是负值。因此，所述调整幅度ΔV的值具体需根据初始值V0对应的初始振荡频率来选择，在此不做限制。
所述猜测值还通过以下方式获取：
执行若干次二次调整过程以获取若干个第二猜测值；
其中，所述二次调整过程用于基于第一斜率、所述当前振荡频率、所述第一频率以及当前的所述猜测值，获取所述第二猜测值，所述第一斜率为所述初始值与所述第一电压在所述量子比特能谱上对应的两个点之间连线的斜率。
通过获取猜测值来调整所述第一电压，并基于当前猜测值获取振荡频率，所述猜测值包括第一猜测值以及若干个第二猜测值，所述第二猜测值通过第一斜率、所述当前振荡频率、所述第一频率以及当前的所述猜测值来获取，根据第一斜率的大小变化不断迭代获取得到的猜测值，会使得振荡频率不断逼近第一频率，并且，利用第一斜率来进行迭代的方式可有效减少所述第一电压的调整次数，可有效提高自动校准所述超导量子比特频率的效率。
具体地，所述第一斜率为k，所述k可按照公式11获取：
Figure BDA0002819629190000121
其中，f1为所述当前振荡频率，f0为所述初始振荡频率，V1为当前的所述猜测值，V0为所述初始值。
更进一步地，所述二次调整过程还可包括：
判断第一差值与所述第二差值的大小；其中，所述第一差值为上一次获取的振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值，所述第二差值为所述当前振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值；
当所述第一差值大于所述第二差值时，所述初始振荡频率的值更新为所述当前振荡频率的值，所述初始值的值更新为当前的所述猜测值。
在利用第一斜率进行迭代的方式获取猜测值的过程中，还可判断第一差值与第二差值的大小，当所述第一差值大于所述第二差值时，将所述初始振荡频率的值更新为所述当前振荡频率的值，并且所述初始值的值更新为当前的所述猜测值。这样设置是为了筛选出更接近的振荡频率作为下一次迭代的初始振荡频率，可进一步减少所述第一电压的调整次数，进一步提高自动校准所述超导量子比特频率的效率。
具体地，所述第二猜测值为V2，所述V2按照公式12获取：
Figure BDA0002819629190000131
其中，f为所述第一频率。
结合公式11和公式12，可得：
Figure BDA0002819629190000132
具体地，所述调整所述第一电压的值，还包括：
若所述次数n大于或等于所述第一预设值，则获取所述初始值V0和所述当前猜测值V1，以及与所述初始值V0对应的振荡频率f0、所述当前振荡频率f1；
根据所述初始值V0和所述当前猜测值V1，以及所述振荡频率f0和所述当前振荡频率f1，调整所述第一电压的值为第二猜测值V2：
Figure BDA0002819629190000133
通过以上对于二次调整过程的描述可知，所述调整所述第一电压的值，还包括以下步骤：
获取与所述第二猜测值V2对应的振荡频率f2；
判断|f2-f|是否小于|f1-f|；
若是，则更新所述初始值V0为V2，振荡频率f0为f2。
进一步地，为了避免浪费计算资源，还可设置调整次数阈值也即对迭代次数设置阈值，超出一定阈值后，就可以认为结果已经收敛了，或者已经陷入了局部最优解了，这个时候得到的解就可以认为是最优解了。具体地，所述超导量子比特频率的校准方法还包括以下步骤：
设置调整次数阈值；
在每次调整所述第一电压前，判断当前调整次数是否超出所述调整次数阈值的范围；
若是，则选取最接近所述第一频率的振荡频率以及对应的所述第一电压为校准结果，并完成校准；
若否，则对所述第一电压进行调整。
结合本实施例中，利用所述第一斜率k来进行迭代获取猜测值的方法，请参考图6，以下提出一种具体的超导量子比特频率的校准方法：
Step1：使用初始值V0，进行Ramsey干涉实验，得出初始振荡频率值f0；
Step2：计算频率差：Δf＝|f0–f|，并判断Δf是否小于等于0.01MHz，若满足条件，则结束校准方法；
Step3：在初始值V0的基础上增加0.1mV的偏移量，得出第一次的猜测值V1；
Step4：使用V1进行Ramsey干涉实验，得出振荡频率f1；
Step5：计算频率差：Δf＝|f1–f|，并判断Δf是否小于等于0.01MHz，若满足条件，则结束校准方法；
Step6：计算斜率k＝(f1–f0)/(V1–V0)；
Step7：判断f0和f1与f的差值的绝对值大小，选择更接近的振荡频率作为下一次迭代的初始频率；即如果|f1–f|<|f0–f|，则f0＝f1，且V0＝V1；如果|f1–f|>|f0–f|，则f0不变，V0不变；
Step8：计算下一次的猜测值(f–f1)/k+V1；
Step9：判断是否超过迭代次数，若超过，则结束校准方法；否则返回并执行Step4。
为了便于本领域技术人员理解，以下结合一些示例来详细说明本申请的技术方案。
具体地，请参考图7至9，根据所述超导量子比特的工作点位置，可大致超导量子比特频率发生漂移的校准情况分成三种。设fq_step表示调节电压V1后的超导量子比特频率值，V2表示根据第一斜率计算得到的电压值，fq_b表示根据V2得出的超导量子比特频率值。在未改变电压的情况下，先做一次Ramsey干涉实验，得出在发生漂移后的初始振荡频率f0。
第一种情况：请参考图7，在经过第一次电压调整后，未校准前的频率值fq_0和第一次电压调整后的频率fq_step的值均大于所需的工作点频率fq，也即fq_0>fq_step>fq：
请继续参考图7，对初始电压V0增加ΔV的偏移量，使得所述第一电压变为V1，进行Ramsey干涉实验，测定振荡频率f1。通过公式5可以得出：
fq_step–fq_0＝f1–f0；
k＝(f1–f0)/(V1–V0)；
以f为基准，假设所述第一斜率为所求的斜率，则有：
fq–fq_step/V2–V1＝k；
V2＝(fq–fq_step)/k+V1；
V2＝(f–f1)/k+V1；
然后利用此时的猜测值V2再次进行Ramsey干涉实验，可以求出振荡频率f2，由上图可以看出，fq_b其实要低于fq较多，因此f2与f的差值f–f2>0.01(不根据图，实际计算也是如此)，因此我们可以判定(V2，fq_b)并不是要寻找的工作点，需要进行下一轮迭代。同时，我们还可以判断此时的斜率k偏大，因为根据凸函数的性质，x0处左边的点斜率大于x0处的斜率。
重新选择V1作为起始点(因为fq_step比fq_0更接近fq)，仍然以f为基准，注意，此时的斜率k已经更新成：k＝(f2–f1)/(V2–V1)；如图7中虚线，可以看出斜率已经变小，说明正在朝着正确的方向收敛，我们可以再次假设斜率为所求斜率，由k计算出下一次的猜测值V3；
V3＝(fq–f_b)/k+V2；
V3＝(f–f2)/k+V2；
此时猜测值已经在往fq对应的电压值方向移动，开始收敛。
第二种情况：请参考图8，在经过第一次电压调整后，所需的工作点频率fq的值处于未校准前的频率值fq_0和第一次电压调整后的频率fq_step的值之间，也即fq_0>fq>fq_step：
请继续参考图8，对初始电压V0增加ΔV的偏移量，使得所述第一电压变为V1，进行Ramsey干涉实验，测定振荡频率f1。通过公式5可以得出：
fq_step–fq_0＝f1–f0；
k＝(f1–f0)/(V1–V0)；
以f为基准，假设所述第一斜率为所求斜率，则有：
(fq–fq_step)/(V2–V1)＝k；
V2＝(fq–fq_step)/k+V1；
V2＝(f–f1)/k+V1；
我们利用此时的猜测V2再次进行Ramsey干涉实验，可以求出振荡频率f2，由上图可以看出，fq_b其实要高于fq较多，因此f2与f的差值f–f2<-0.01(不根据图，实际计算也是如此)，因此我们可以判定(V2，fq_b)并不是要寻找的工作点，需要进行下一轮迭代。同时，我们还可以判断此时的斜率k偏小，因为根据凸函数的性质，x0处左边的点斜率大于x0处的斜率。
重新选择V0作为起始点(因为fq_0比fq_step更接近fq)，仍然以f为基准，注意，此时的斜率k已经更新成：k＝(f2–f0)/(V2–V0)；如图8中虚线，确实斜率已经变大，说明正在朝着正确的方向收敛，我们可以假设斜率为所求斜率，由k计算出下一次的电压V3；
V3＝(fq–f_b)/k+V2；
V3＝(f–f2)/k+V2；
此时电压已经在往fq对应的电压值方向移动，开始收敛。
第三种情况：请参考图9，在经过第一次电压调整后，未校准前的频率值fq_0和第一次电压调整后的频率fq_step的值均小于所需的工作点频率fq，也即fq>fq_0>fq_step：
请继续参考图9，对初始电压V0增加ΔV的偏移量，使得所述第一电压变为V1，进行Ramsey干涉实验，测定振荡频率f1。通过公式5可以得出：
fq_step–fq_0＝f1–f0；
k＝(f1–f0)/(V1–V0)；
我们以f为基准，假设斜率为所求斜率，则有：
(fq–fq_step)/(V2–V1)＝k；
V2＝(fq–fq_step)/k+V1；
V2＝(f–f1)/k+V1；
我们利用此时的猜测值V2再次进行Ramsey干涉实验，可以求出振荡频率f2，由上图可以看出，fq_b其实要低于fq较多，因此f2与f的差值f–f2>0.01(不根据图，实际计算也是如此)，因此我们可以判定(V2，fq_b)并不是要寻找的工作点，需要进行下一轮迭代。同时，我们还可以判断此时的斜率k偏小，因为根据凸函数的性质，x0处左边的点斜率大于x0处的斜率。
我们重新选择V0作为起始点(因为fq_0比fq_step更接近fq)，仍然以f为基准，注意，此时的斜率k已经更新成：k＝(f2–f0)/(V2–V0)；如图9中虚线，确实斜率已经变大，说明正在朝着正确的方向收敛，我们可以假设斜率为所求斜率，由k计算出下一次的电压V3；
V3＝(fq–f_b)/k+V2；
V3＝(f–f2)/k+V2；
此时电压已经在往fq对应的电压值方向移动，开始收敛。
需要注意的是，在本实施例列举的几个示例中，所述超导量子比特的工作点均在简并点(波形的极值点)的右侧，但在实际应用中，还有很多其它情况，例如，鉴于对称性，实际上有可能，尽管超导量子比特频率的漂移量不大，但是原本超导量子比特工作电压处于简并点右侧，漂移后到了简并点左侧。还有，鉴于周期性，实际上还有可能，超导量子比特工作电压漂移到相邻周期的某个数值。还有可能出现这两种情况的组合，但不管哪种情况，调节原则均可按照本申请所提出的校准方法来校准。还有很多其它情况，本申请提出的超导量子比特频率的校准方法同样适用，在此不一一赘述。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于，所述第一电压的调整方式，在本实施例中所述第一电压的具体调整过程如下：在任一次调整所述第一电压的大小过程中，若按照第一方向调整所述第一电压后，所述当前振荡频率的大小在往远离所述第一频率的大小的方向变化，则在下一次调整所述第一电压的大小时，按照第二方向调整所述第一电压；
若按照所述第一方向调整所述第一电压后，所述当前振荡频率的大小在往靠近所述第一频率的大小的方向变化，则在下一次调整所述第一电压的大小时，按照所述第一方向调整所述第一电压；
其中，所述第一方向与所述第二方向为相反的方向。
进一步地，在每次调整所述第一电压的大小过程中，按照相同大小或不同大小的电压值调整所述第一电压。在每次调整所述第一电压的过程中，可根据当前的振荡频率与所述第一频率的差值大小来相应调整所述第一电压的幅度，例如，当振荡频率距离所述第一频率的值较大时，增大调整所述第一电压的幅度，当振荡频率距离所述第一频率的值较小时，减小调整所述第一电压的幅度，按照这种方式对所述第一电压进行调整，即可保证精度又可有效减少调整的次数。至于本实施例中的所述超导量子比特频率的校准方法的其它步骤细节，均可参考实施例一中描述的方法，在此不做赘述。
本实施例的超导量子比特频率的校准方法与实施例一的技术方案相比，虽然所述第一电压的调整次数相较于实施例一的方法，会较大，但是本实施例中的流程较简单，算法与实施例一相比较为简单。
实施例三
请参考图10，基于同一发明构思，本实施例还提出一种超导量子比特频率的校准装置10，包括：
振荡频率获取单元101，其被配置为对超导量子比特施加第一电压、以及频率为第一频率f的微波信号，并获取与所述第一电压的值对应的所述超导量子比特的振荡频率；
判断单元102，其被配置为基于所述振荡频率与所述第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移；
调整单元103，其被配置为在所述超导量子比特频率发生漂移时，调整所述第一电压的值并返回所述获取与所述第一电压的值相对应的所述超导量子比特的振荡频率的步骤，直至所述振荡频率与所述第一频率的差值满足预设的收敛条件。
可以理解的是，所述振荡频率获取单元101、所述判断单元102以及所述调整单元103可以合并在一个装置中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个子模块，或者，所述振荡频率获取单元101、所述判断单元102以及所述调整单元103中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个功能模块中实现。根据本发明的实施例，所述振荡频率获取单元101、所述判断单元102以及所述调整单元103中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以以对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。或者，所述振荡频率获取单元101、所述判断单元102以及所述调整单元103中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该程序被计算机运行时，可以执行相应模块的功能。
实施例四
基于同一发明构思，本实施例还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述特征描述中任一项所述的超导量子比特频率的校准方法。
所述可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备，例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所描述的计算机程序可以从可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收所述计算机程序，并转发该计算机程序，以供存储在各个计算/处理设备中的可读存储介质中。用于执行本发明操作的计算机程序可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。所述计算机程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机程序的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序实现。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些程序在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机程序存储在可读存储介质中，这些计算机程序使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有该计算机程序的可读存储介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机程序加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的计算机程序实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的超导量子比特频率的校准方法，对超导量子比特施加微波信号，并获取初始振荡频率，然后初始振荡频率与第一频率的差值判断出超导量子比特频率是否发生漂移，在超导量子比特频率发生漂移时，调整施加在超导量子比特上的第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，直到初始振荡频率与第一频率的差值满足收敛条件。通过调整所述第一电压的大小来使得振荡频率不断逼近第一频率，可以将超导量子比特频率调回到预定的数值也即使得我们选定的超导量子比特回到工作点，从而实现了对已发生漂移的超导量子比特频率的自动校准。
2、通过获取猜测值来调整所述第一电压，并基于当前猜测值获取振荡频率，所述猜测值包括第一猜测值以及若干个第二猜测值，所述第二猜测值通过第一斜率、所述当前振荡频率、所述第一频率以及当前的所述猜测值来获取，根据第一斜率的大小变化不断迭代获取得到的猜测值，会使得振荡频率不断逼近第一频率，并且，利用第一斜率来进行迭代的方式可有效减少所述第一电压的调整次数，可有效提高自动校准所述超导量子比特频率的效率。
3、在利用第一斜率进行迭代的方式获取猜测值的过程中，还可判断第一差值与第二差值的大小，当所述第一差值大于所述第二差值时，将所述初始振荡频率的值更新为所述当前振荡频率的值，并且所述初始值的值更新为当前的所述猜测值。这样设置是为了筛选出更接近的振荡频率作为下一次迭代的初始振荡频率，可进一步减少所述第一电压的调整次数，进一步提高自动校准所述超导量子比特频率的效率。
4、在每次调整所述第一电压后，可利用Ramsey干涉实验获取实时的振荡频率，利用Ramsey干涉实验可有效减小实验误差，提高校准后的超导量子比特频率的精确度。
本发明提出的超导量子比特频率的校准装置以及可读存储介质，与所述超导量子比特频率的校准方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
对超导量子比特施加微波信号和第一电压，并获取与所述第一电压的值对应的所述超导量子比特的振荡频率，其中，所述微波信号的频率为第一频率；
基于所述振荡频率与所述第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移；
在所述超导量子比特频率发生漂移时，调整所述第一电压的值并返回所述获取与所述第一电压的值相对应的所述超导量子比特的振荡频率的步骤，直至所述振荡频率与所述第一频率的差值满足预设的收敛条件。
2.如权利要求1所述的超导量子比特频率的校准方法，在每次调整所述第一电压的值的过程中，均输出一当前猜测值以及与所述当前猜测值对应的当前振荡频率，其特征在于，所述调整所述第一电压的值，包括：
获取当前完成调整所述第一电压的值的次数n；
若所述次数n小于第一预设值，则获取所述第一电压的初始值V0；
根据所述初始值V0和预设的调整幅度ΔV，调整所述第一电压的值为第一猜测值＝V0+ΔV；
并且在所述次数n小于所述预设次数减1时，更新所述第一电压的初始值V0为所述第一猜测值。
3.如权利要求2所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，所述调整所述第一电压的值，还包括：
若所述次数n大于或等于所述第一预设值，则获取所述初始值V0和所述当前猜测值V1，以及与所述初始值V0对应的初始振荡频率f0、所述当前振荡频率f1；
根据所述初始值V0和所述当前猜测值V1，以及所述初始振荡频率f0和所述当前振荡频率f1，调整所述第一电压的值为第二猜测值V2：
Figure FDA0002819629180000011
4.如权利要求3所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，所述调整所述第一电压的值，还包括：
获取与所述第二猜测值V2对应的振荡频率f2；
判断|f2-f|是否小于|f1-f|；
若是，则更新所述初始值V0为V2，所述初始振荡频率f0为f2。
5.如权利要求1所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，在任一次调整所述第一电压的大小过程中，若按照第一方向调整所述第一电压后，所述当前振荡频率的大小在往远离所述第一频率的大小的方向变化，则在下一次调整所述第一电压的大小时，按照第二方向调整所述第一电压；
若按照所述第一方向调整所述第一电压后，所述当前振荡频率的大小在往靠近所述第一频率的大小的方向变化，则在下一次调整所述第一电压的大小时，按照所述第一方向调整所述第一电压；
其中，所述第一方向与所述第二方向为相反的方向。
6.如权利要求5所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，在每次调整所述第一电压的大小过程中，按照相同大小或不同大小的电压值调整所述第一电压。
7.如权利要求1所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，还包括以下步骤：
设置调整次数阈值；
在每次调整所述第一电压前，判断当前调整次数是否超出所述调整次数阈值的范围；
若是，则选取最接近所述第一频率的振荡频率以及对应的所述第一电压为校准结果，并完成校准；
若否，则对所述第一电压进行调整。
8.如权利要求1所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，所述基于所述初始振荡频率与第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移，包括：
当所述初始振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值大于第一阈值时，判断所述超导量子比特频率发生漂移；
当所述初始振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值小于或等于所述第一阈值时，判断所述超导量子比特频率未发生漂移；
其中，所述第一阈值为预先配置的值。
9.如权利要求1所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，所述收敛条件包括：
所述当前振荡频率与所述第一频率的差值的绝对值小于或等于0.01MHz。
10.如权利要求1所述的超导量子比特频率的校准方法，其特征在于，所述初始振荡频率以及所述当前振荡频率通过Ramsey干涉实验获取。
11.一种超导量子比特频率的校准装置，其特征在于，包括：
振荡频率获取单元，其被配置为对超导量子比特施加微波信号和第一电压，并获取与所述第一电压的值对应的所述超导量子比特的振荡频率，其中，所述微波信号的频率为第一频率；
判断单元，其被配置为基于所述振荡频率与所述第一频率的差值，判断超导量子比特频率是否发生漂移；
调整单元，其被配置为在所述超导量子比特频率发生漂移时，调整所述第一电压的值并返回所述获取与所述第一电压的值相对应的所述超导量子比特的振荡频率的步骤，直至所述振荡频率与所述第一频率的差值满足预设的收敛条件。
12.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被一处理器执行时能实现权利要求1至10中任一项所述的超导量子比特频率的校准方法。
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