CN114707358B - 离子阱量子门保真度优化方法及装置、电子设备和介质 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种离子阱量子门保真度优化方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品，涉及量子计算机领域，尤其涉及离子阱技术领域。实现方案为：确定离子阱系统的哈密顿量，哈密顿量包括待调节的激光参数；调节激光参数的参数值，以使得预设损失函数的值满足第一阈值范围并且待实现的离子阱量子门的保真度满足第二阈值范围。该预设损失函数基于哈密顿量的至少一阶展开项系数、以及至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定。第一参数包括哈密顿量中的激光失谐量参数和声子模式频率参数中的至少一个。

Description

离子阱量子门保真度优化方法及装置、电子设备和介质

技术领域

本公开涉及量子计算机领域，尤其涉及离子阱技术领域，具体涉及一种离子阱量子门保真度优化方法、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

近些年来，作为未来潜在的通用量子计算硬件平台之一，离子阱量子计算设备发展迅速。在实验模拟中，离子阱量子计算设备在量子门保真度和读取保真度上，通常取得了较好的结果。但是，在真实的实验环境中，由于实验仪器与理想情况下存在偏差，从而导致通过离子阱所建立的物理模型与理想情况下存在差异。因此，如何在模型优化过程中克服真实实验环境所带来的噪声影响，成为一个较为紧迫且意义重大的问题。

发明内容

本公开提供了一种离子阱量子门保真度优化方法、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，提供了一种离子阱量子门保真度优化方法，包括：确定离子阱系统的哈密顿量，其中所述哈密顿量包括待调节的激光参数；调节所述激光参数的参数值，以使得预设损失函数的值满足第一阈值范围并且待实现的离子阱量子门的保真度满足第二阈值范围，其中，所述预设损失函数基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数、以及所述至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定，其中，所述第一参数包括所述哈密顿量中的激光失谐量参数和声子模式频率参数中的至少一个。

根据本公开的另一方面，提供了一种离子阱量子门保真度优化装置，包括：第一确定单元，配置为确定离子阱系统的哈密顿量，其中所述哈密顿量包括待调节的激光参数；第一调节单元，配置为调节所述激光参数的参数值，以使得预设损失函数的值满足第一阈值范围并且待实现的离子阱量子门的保真度满足第二阈值范围，其中，所述预设损失函数基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数、以及所述至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定，其中，所述第一参数包括所述哈密顿量中的激光失谐量参数和声子模式频率参数中的至少一个。

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，通过在损失函数中引入与环境干扰和实验仪器误差所带来的扰动影响，即哈密顿量至少一阶展开项系数对第一参数的偏导数，从而在最小化损失函数的过程中将环境干扰和实验仪器的误差影响降低到最小，从而提高了离子阱量子门的保真度。

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离子阱量子门保真度优化方法的流程图；

图2示出了根据本公开的实施例的对激光参数进行优化的流程图；

图3a和3b分别示出了根据本公开实施例的方法所构造的损失函数在预设仪器误差范围内的效果示意图、以及根据传统优化方法所构造的损失函数在预设仪器误差范围内的效果示意图；

图4示出了根据本公开的实施例的离子阱量子门保真度优化装置的结构框图；以及

图5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。

近些年来，作为未来潜在的通用量子计算硬件平台之一，离子阱量子计算发展迅速，在量子门保真度和读取保真度上，都取得了较好的结果。例如，单比特门保真度可以达到99.99％，双比特门保真度能到99.3％。而这些实验上取得的较为精确量子门操作的取决于两方面：其一是如何在实验上提高实验设备的精度，包括束缚离子交变电场的精度、激光寻址的准确度、激光线宽等实验调制因素；其二是如何在物理模型建模上提高对实验设备的精确刻画，寻址更加符合真实实验设备的控制手段。

目前，常用的离子阱结构为线性阱结构。通过四个电极上注入交变电场，实现带电离子漂浮的效果。将漂浮离子的装置放置在极真空环境中，防止外界环境对离子的干扰。目前实验上实现的大部分为一维线性结构，多个离子在电子排斥作用和简谐束缚势作用下，自发形成一维的链状结构。在微观量子世界中，离子位置不可避免的离子在涨落的影响下，在平衡位置产生极微小的位移，继而带动周围离子的移动。这种集体振动的模式有分立的能级结构，每个分立能级都对应一个声子模式。N个带电离子排成的一维链，其一般具有N个横向振动模式和N个纵向振动模式。通过激光入射方向的选择，一般实验上可选定横向振动模式作为多个离子之间信息传递的媒介。例如，在离子阱中，一般通过这些横向振动的声子在两个离子之间传递信息，实现离子阱量子计算中的双比特门。然而，这些振动模式能级取决于电极上的等效束缚势的频率，束缚电极的微扰也会带来声子频率的漂移。同时，在真实的仪器中，选取的激光频率一般和理想值之间有差异，这些都会导致所建立的理想物理模型和实际试验环境有差异。如何在真实的物理模型引入相关误差因素，且使得在后续优化模型中，克服这些噪声的影响，成为较为紧迫且意义重大的问题。

因此，根据本公开的实施例提供了一种离子阱量子门保真度优化方法。图1示出了根据本公开的实施例的离子阱量子门保真度优化方法的流程图。如图1所示，该方法100包括：确定离子阱系统的哈密顿量，其中所述哈密顿量包括待调节的激光参数(步骤110)；调节所述激光参数的参数值，以使得预设损失函数的值满足第一阈值范围并且待实现的离子阱量子门的保真度满足第二阈值范围(步骤120)。所述预设损失函数基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数、以及所述至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定。所述第一参数包括所述哈密顿量中的激光失谐量参数和声子模式频率参数中的至少一个。

根据本公开的实施例，通过在损失函数中引入与环境干扰和实验仪器误差所带来的扰动影响，即哈密顿量至少一阶展开项系数对第一参数的偏导数，从而在最小化损失函数的过程中将环境干扰和实验仪器的误差影响降低到最小，从而提高了离子阱量子门的保真度。

在离子阱量子控制系统中，阱中的每个离子代表一个量子比特，离子的两个内态|↓＞、|↑>可以表示为量子比特的|0>、|1＞态，两个态之间的频率差为ω₀₁。示例地，如果需要将两个量子比特纠缠起来，往往需要引导激光照射到两个离子上。激光频率一般记为ω_l，激光频率和量子比特频率之间的差值为激光失谐量：μ＝ω₀₁-ω_l。而两个被激光作用的离子，在电荷库伦相互作用，共享离子链中量子化的声子模式，每个声子模式频率可以表示为ω_k。考虑到真实仪器一般会伴随着一定的误差范围，可以引入一个随机的小量δ用于刻画仪器和环境带来的干扰。从而，该系统的等效哈密顿量可以表示为公式(1)所示：

其中，η_j,k表示离子阱芯片的特征参数，与离子阱的构造相关；

表示离子内态；

表示声子模式；Ω_j(t,M),φ_j(t,M)为激光参数，分别表示振幅和相位；M为激光可调参数的数目，N为离子阱芯片中的离子个数，j为激光标识。

在目前的理论模型计算方案中，通常假设δ＝0，以简化上述哈密顿量。然后，在理想情形下分析仪器操作的步骤和参数范围。实验上一般通过调节激光参数Ω_j(t,M),φ_j(t,M)，从而实现等效哈密顿量的调节，其中M表示每束激光中，振幅Ω_j(t,M)和相位φ_j(t,M)可调节的参数数目。示例地，如果使用切片激光，则M可以为激光切片的数目；如果使用正弦波激光，则M可以为正弦波的数目。

由于在离子芯片中参与信息传递的声子数目众多，上述等效哈密顿量中算符项目众多，使得上述哈密顿量在数值表示上形式复杂，因此在优化计算中，一般不采取直接数值演化等效哈密顿量的方式，而是采用近似的方法。

具体地，在本公开中，可以基于所述哈密顿量的至少一阶的展开项系数来近似实现等效哈密顿量的调节。根据一些实施例，所述哈密顿量的至少一阶展开项系数包括所述哈密顿量的一阶展开项系数和二阶展开项系数。高阶项因为耦合系数较小的缘故，通常不会对优化结果造成较大影响，从而舍弃。

因此，上述公式(1)中示出的哈密顿量的一阶展开项系数一般可以如公式(2)所示：

其中，一阶展开项表示在周期τ内离子j和声子k之间的耦合强度。

根据一些实施例，所述哈密顿量的所述至少一阶展开项系数分别对应相应的目标值，所述目标值基于所述待实现的离子阱量子门确定。所述预设的损失函数基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数以及所述至少一阶展开项系数所对应的目标值确定。

示例地，在通过离子阱芯片实现双比特量子门时，在激光作用后，上述耦合强度期望能够降为0。而公式(1)中示出的哈密顿量的二阶展开项系数可以如公式(3)所示：

在上述通过离子阱芯片实现双比特量子门的示例中，如果进一步需要确保两个量子比特之间能达到最大纠缠态，则公式(3)的结果期望为

在用于实现其他形式的双比特量子门时，该公式(3)具有相应的期望结果，例如

在一些示例中，通常选择动态调节激光参数Ω_j(t,M),φ_j(t,M)，以使得公式(2)和(3)的数值分别达到相应的期望值。

在一些示例中，根据上述确保两个量子比特之间能达到最大纠缠态的模型，用于刻画离子阱量子门操作精度的参数(即保真度)可以表示为公式(4)的形式：

其中，n_k为离子链中声子的平均布局数，与离子阱芯片所处的环境温度直接相关。上述刻画方式是常用的离子阱多比特量子门保真度的计算方式。

然而，上述公式较为复杂，通常不适合直接作为可优化的变量。为了确保F(τ,δ)尽可能的接近1，需要使得每一项β_j,k(τ)的值接近于0，θ_j,j′(τ)的求和接近于a，例如在确保两个量子比特之间能达到最大纠缠态时，

由于实验上难以准确刻画随机量δ的数值结果，因此在实验上设计优化目标时，一般忽略δ的影响，从而构造公式(5)所示的优化目标，即损失函数：

所构造的损失函数用于实验前的数值仿真计算，从而确定实验上需要采用的含时激光参数Ω_j(t,M),φ_j(t,M)，然后通过实验室已有的激光设备，生成相应参数的激光序列，照射到被束缚在离子阱中的两个量子比特，以实现相应的双比特量子门。

然而，如上定义的损失函数通常无法很好的反应仪器和环境带来的随机项δ的影响，计算出来的激光参数在实际运行中对设备的敏感度过高。而实际过程中，由于束缚离子的电极受环境干扰以及激光器频率漂移都会在系统中引入随机的δ项，从而使得利用公式(5)优化出来的激光参数在实验上的表现不尽如人意。也就是说，上述待优化的损失函数不包含任何的仪器等环境误差所导致的实际偏差，在真实的实验或模拟实验中，往往产生的效果不如预期。从而，在根据上述构造的损失函数计算出相应参数后，需要再根据经验对仪器参数Ω_j(t,M),φ_j(t,M)进行人为的微调，确保达到精度较为准确的操控。这种方式依赖于实验操作员的熟练度，且耗时耗力，在实验操作次数多时往往不切实际。

如上损失函数在实际的计算过程中，往往对初始给定的参数敏感度较高，采用常规的优化算法对公式(5)进行优化，常常会陷入无法优化的地步。

因此，在根据本公开的实施例中，在离子阱量子控制系统中，采用了优化效果更好的损失函数构造方式。具体地，该损失函数在基于哈密顿量的至少一阶展开项系数确定的基础上，还基于所述至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定。该第一参数包括所述哈密顿量中的激光失谐量参数μ和声子模式频率参数ω_k中的至少一个。而激光失谐量参数和声子模式频率参数是与环境干扰和实验仪器相关的参数。

通过在损失函数中引入与环境干扰和实验仪器相关的量，以使得在优化过程中，通过最小化损失函数将环境干扰和实验仪器的影响降到最低，从而使得在真实的实验或模拟实验中的效果尽可能的接近于预期效果，且不再依赖于实验操作员的后续微调，节省了时间和实验成本。

具体地，继续参考上面所述的构造损失函数的示例，为了能够较好地刻画环境干扰和仪器误差的影响，在损失函数中引入了两个关键的积分量，示例地，可以定义如下所示的公式(6)和公式(7)：

即，分别对哈密顿量的一阶展开系数和二阶展开系数(即公式(2)和公式(3))求关于激光失谐量参数μ的偏导数，从而得到公式(6)和公式(7)。通过构造如上两个公式，能够知晓环境干扰和实验仪器误差δ≠0给系统带来的扰动影响，相应的离子阱量子操作的门保真度可以取δ≠0，通过公式(4)确定离子阱在仪器误差范围内的量子操作精度。

示例地，在根据本公开的实施例中，可以构造公式(8)所示的损失函数：

可以看出，只需要使得C_g尽可能接近于零，即可消除绝大部分环境干扰和仪器误差δ带来的影响。值得注意的是，在新引入的两个关键积分量

和

中，额外引入的优化参数只增加了N+1，待优化的参数随着系统规模的扩大是线性增长的，可以很好的使用现有的计算资源进行数值仿真。

在本公开中，构造的损失函数中，包含了随机项δ的一阶误差的影响。同时，在所构造的优化函数中，带来的计算资源消耗较少，待优化的参数保持着线性关系，有利于直接使用目前已有的计算机设备进行优化计算。

根据一些实施例，所述预设损失函数基于第一函数的对数变换所确定，其中所述第一函数基于以下项中的至少一项确定：所述哈密顿量的至少一阶展开项系数以及所述至少一阶展开项系数对第一参数的偏导数。

通过对数变换，可以将损失函数中的函数项保持在同一个量级，以降低对损失函数的优化难度，且效果与直接优化损失函数类似，从而节约计算资源。

根据一些实施例，可以基于公式(9)实现所述对数变换：

其中，X为所述第一函数。

具体地，通常构造完待优化的求和函数作为损失函数后，为了表示方便，可以记作如公式(10)所示的数列形式：

上述数列中的前两项和后两项中梯度上存在着量级上的差别，通过对数变换：

可以确保数列中四者梯度保持在同一个量级。从而，得到待优化的损失函数可以表示为公式(11)的形式：

根据一些实施例，如图2所示，调节所述激光参数值以使得所述预设损失函数的值以及所述保真度分别满足第一阈值范围和第二阈值范围(步骤120)可以包括：迭代执行以下第一操作(步骤210)：确定所述待调节的激光参数的待优化参数数目(步骤2101)；迭代执行以下第二操作(步骤2102)：基于所确定的所述待优化参数数目确定激光参数值(步骤2102-1)；基于所述激光参数值确定所述预设损失函数的值(步骤2102-2)；以及调节所述激光参数值以使得所述预设损失函数的值满足所述第一阈值范围(步骤2102-3)；以及调节所述待优化参数数目，以使得所述保真度满足所述第二阈值范围(步骤2103)。

具体地，在步骤1中，根据具体量子操作任务需要，确定在实验建模中哈密顿量公式(1)中的关键参数，例如η_j,k、μ、ω_k等。

在步骤2中，确定激光序列的待优化参数数目M；

在步骤3中，基于所确定的参数数目M确定初始激光Ω_j(t,M),φ_j(t,M)，形成完整的哈密顿量。这里的Ω_j(t,M),φ_j(t,M)可以为连续波形或分立波形，函数形式上不做任何限制。实际实验操作中，取决于实验室设备构造激光序列的能力和方式。

在步骤4中，通过步骤3中建立的哈密顿量，计算公式(2)、(3)、(6)、(7)的数值结果。

在步骤5中，将步骤4中计算得到的结果组合成数列X并作映射：

在步骤6中，通过计算公式(11)，确定激光Ω_j(t,M),φ_j(t,M)输入下损失函数

的大小，如大于设定的阈值，返回步骤3，调整激光输入Ω_j(t,M),φ_j(t,M)，重复执行步骤3至步骤6。

在步骤7中，如步骤6中的损失函数小于预设值，在一些示例中可以将实验仪器参数的误差设置为最大值，然后进一步基于该损失函数小于预设值时的激光参数计算公式(4)中量子门保真度。如保真度小于实验要求设定的阈值，则返回步骤2，调整激光序列的待优化参数数目M；如大于实验要求设定的阈值，则输出激光参数数目M并存储此刻的激光参数Ω_j(t,M),φ_j(t,M)。

示例地，一般实验仪器上可能会标注待设置的参数。例如，仪器的某个参数A的取值可以为一个范围，如A＝A₀±b，则b即为该仪器参数的误差最大值。

在上述实施例中，通过在不同的循环中分别调节待优化参数数目M以及激光参数，能够使得预设损失函数和保真度尽快满足预设要求，从而提高了优化效率。

在根据本公开实施例的一个示例性应用中，通过在一维线性阱中放置4个量子比特，对本公开所述的方法进行验证。具体地，以操控两个量子比特为例，计算了根据本公开实施例所述的优化方法以及通常如公式(5)所示的优化方法的结果对比。

如果量子任务需要量子操作的精度在仪器误差范围内保持在99％以上，也就是1-F要保持在1％以下。根据本公开实施例所述的方法来优化得到控制激光的输入，可以保证仪器在频率漂移误差(Drift)δ在±15KHz、时钟漂移在1±0.04以内时完全可以工作。而通常的优化方法中，只能保证仪器在频率漂移误差δ在±5KHz、时钟漂移在1±0.02以内才能工作。在通用量子计算任务中，比如容错量子技术上，需要保证量子操作的精度控制在99.9％以上，也就是1-F要保持在0.1％以下。这时，根据本公开实施例所述的方法，频率漂移误差δ在±15KHz，时钟漂移在1±0.01以内还能工作，而通常的优化方法无法获取有效的控制激光的输入。也就是说，在同样的仪器水平上，根据本公开实施例所述的方法，可以相比传统构造目标函数的方法得到更优的控制激光的输入。图3a和3b分别示出了根据本公开实施例的方法所构造的损失函数在预设仪器误差范围内的效果示意图、以及根据传统优化方法所构造的损失函数在预设仪器误差范围内的效果示意图。

根据本公开的实施例，如图4所示，还提供了一种离子阱量子门保真度优化装置400，包括：第一确定单元410，配置为确定离子阱系统的哈密顿量，其中所述哈密顿量包括待调节的激光参数；第一调节单元420，配置为调节所述激光参数的参数值，以使得预设损失函数的值满足第一阈值范围并且待实现的离子阱量子门的保真度满足第二阈值范围。所述预设损失函数基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数、以及所述至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定。所述第一参数包括所述哈密顿量中的激光失谐量参数和声子模式频率参数中的至少一个。

这里，离子阱量子门保真度优化装置400的上述各单元410～420的操作分别与前面描述的步骤110～120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5，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备500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5所示，电子设备500包括计算单元501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的计算机程序或者从存储单元508加载到随机访问存储器(RAM)503中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还可存储电子设备500操作所需的各种程序和数据。计算单元501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。

电子设备500中的多个部件连接至I/O接口505，包括：输入单元506、输出单元507、存储单元508以及通信单元509。输入单元506可以是能向电子设备500输入信息的任何类型的设备，输入单元506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507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508可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元509允许电子设备500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501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501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501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508。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 502和/或通信单元509而被载入和/或安装到电子设备500上。当计算机程序加载到RAM 503并由计算单元501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501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 (14)

1.一种离子阱量子门保真度优化方法，包括：

确定离子阱系统的哈密顿量，其中所述哈密顿量包括待调节的激光参数；

调节所述激光参数的参数值，以使得预设损失函数的值满足第一阈值范围并且待实现的离子阱量子门的保真度满足第二阈值范围，

其中，所述预设损失函数在基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数确定的基础上、还基于所述至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定，

其中，所述第一参数包括所述哈密顿量中的激光失谐量参数和声子模式频率参数中的至少一个。

2.如权利要求1所述的方法，其中，调节所述激光参数的参数值以使得预设损失函数的值以及待实现的离子阱量子门的保真度分别满足第一阈值范围和第二阈值范围包括：

迭代执行以下第一操作：

确定所述待调节的激光参数的待优化参数数目；

迭代执行第二操作；以及

调节所述待优化参数数目，以使得所述保真度满足所述第二阈值范围，

其中，所述第二操作包括以下步骤：

基于所确定的所述待优化参数数目确定激光参数值；

基于所述激光参数值确定所述预设损失函数的值；以及

调节所述激光参数值以使得所述预设损失函数的值满足所述第一阈值范围。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述预设损失函数基于第一函数的对数变换所确定，其中所述第一函数基于以下项中的至少一项确定：

所述哈密顿量的至少一阶展开项系数以及所述至少一阶展开项系数对第一参数的偏导数。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述预设损失函数基于以下公式确定：

其中，X为所述第一函数。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述哈密顿量的所述至少一阶展开项系数分别对应相应的目标值，所述目标值基于所述待实现的离子阱量子门确定，并且其中，

所述预设的损失函数基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数以及所述至少一阶展开项系数所对应的目标值确定。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述哈密顿量的至少一阶展开项系数包括所述哈密顿量的一阶展开项系数和二阶展开项系数。

7.一种离子阱量子门保真度优化装置，包括：

第一确定单元，配置为确定离子阱系统的哈密顿量，其中所述哈密顿量包括待调节的激光参数；

第一调节单元，配置为调节所述激光参数的参数值，以使得预设损失函数的值满足第一阈值范围并且待实现的离子阱量子门的保真度满足第二阈值范围，

其中，所述预设损失函数在基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数确定的基础上、还基于所述至少一阶展开项系数中的一个或多个展开项系数对第一参数的偏导数确定，

其中，所述第一参数包括所述哈密顿量中的激光失谐量参数和声子模式频率参数中的至少一个。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述第一调节单元包括：

第一迭代单元，配置为迭代执行以下第一操作：

第二确定单元，配置为确定所述待调节的激光参数的待优化参数数目；

第二迭代单元，配置为迭代执行第二操作；以及

第二调节单元，配置为调节所述待优化参数数目，以使得所述保真度满足所述第二阈值范围，

其中，所述第二操作包括以下步骤：

基于所确定的所述待优化参数数目确定激光参数值；

基于所述激光参数值确定所述预设损失函数的值；以及

调节所述激光参数值以使得所述预设损失函数的值满足所述第一阈值范围。

9.如权利要求7所述的装置，其中，所述预设损失函数基于第一函数的对数变换所确定，其中所述第一函数基于以下项中的至少一项确定：

所述哈密顿量的至少一阶展开项系数以及所述至少一阶展开项系数对第一参数的偏导数。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述预设损失函数基于以下公式确定：

其中，X为所述第一函数。

11.如权利要求7-10中任一项所述的装置，其中，所述哈密顿量的所述至少一阶展开项系数分别对应相应的目标值，所述目标值基于所述待实现的离子阱量子门确定，并且其中，

所述预设的损失函数基于所述哈密顿量的至少一阶展开项系数以及所述至少一阶展开项系数所对应的目标值确定。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述哈密顿量的至少一阶展开项系数包括所述哈密顿量的一阶展开项系数和二阶展开项系数。

13.一种电子设备，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1-6中任一项所述的方法。

14.一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1-6中任一项所述的方法。

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