CN114861576A - 超导量子芯片版图的仿真方法及装置、电子设备和介质 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种超导量子芯片版图的仿真方法、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，尤其涉及电磁仿真技术领域。实现方案为：确定待仿真的超导量子芯片版图的局部子单元模块；对局部子单元模块进行等效电路建模，通过电磁仿真方法确定量子比特的自电容、耦合器的自电容、以及的量子比特与耦合器之间的互电容；基于量子比特和耦合器的自电容确定超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素；基于量子比特与耦合器之间的互电容确定电容矩阵的非对角元元素；基于量子比特和耦合器的自电感确定电感矩阵的对角元元素；以及基于所确定的电容矩阵和所确定的电感矩阵，确定超导量子芯片的性能参数。

Description

超导量子芯片版图的仿真方法及装置、电子设备和介质

技术领域

本公开涉及量子计算机领域，尤其涉及电磁仿真技术领域，具体涉及一种超导量子芯片版图的仿真方法、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

作为芯片尺寸突破经典物理极限的逻辑必然，同时也是后摩尔时代标志性的技术，量子计算获得了很大的关注。现如今，无论从应用层面、算法层面、还是硬件层面，量子计算发展都十分迅速。值得特别注意的是，量子算法和应用的实现高度依赖于量子硬件的发展和进步。在量子硬件技术实现上，业界拥有若干种不同的技术方案，如超导电路、离子阱、光量子系统等等。受益于良好的扩展性和成熟的半导体工艺，超导电路被认为是目前最有前景的技术路线之一。近些年，随着超导量子计算技术方案和微纳加工工艺的发展，超导量子芯片上集成的量子比特数目越来越多，芯片结构也因此变得更加丰富和全面。与经典芯片的发展路径类似，超导量子芯片中量子比特数目的拓展除了对微纳加工工艺提出更高要求之外，在正式加工之前对量子芯片的仿真也越来越变得不可或缺。

发明内容

本公开提供了一种超导量子芯片版图的仿真方法、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，提供了一种超导量子芯片版图的仿真方法，包括：确定待仿真的超导量子芯片版图的局部子单元模块，其中所述局部子单元模块包括所述待仿真的超导量子芯片版图的所有类型的量子比特、所有类型的耦合器、以及所述量子比特与所述耦合器之间的所有连接方式；对所述局部子单元模块进行等效电路建模，以通过电磁仿真方法确定所述量子比特各自的自电容、所述耦合器各自的自电容、以及所述所有连接方式的量子比特与耦合器之间的互电容；基于所述量子比特的自电容和所述耦合器的自电容确定所述超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素；基于所述量子比特与所述耦合器之间的互电容确定所述电容矩阵的非对角元元素；基于所述超导量子芯片版图中的量子比特和耦合器各自预设的自电感确定所述哈密顿量中的电感矩阵的对角元元素，其中所述电感矩阵为对角矩阵；以及基于所确定的电容矩阵以及所确定的电感矩阵，确定超导量子芯片的性能参数，其中所述所确定的电容矩阵基于所确定的电容矩阵的对角元元素和非对角元元素确定。

根据本公开的另一方面，提供了一种超导量子芯片版图的仿真装置，包括：第一确定单元，配置为确定待仿真的超导量子芯片版图的局部子单元模块，其中所述局部子单元模块包括所述待仿真的超导量子芯片版图的所有类型的量子比特、所有类型的耦合器、以及所述量子比特与所述耦合器之间的所有连接方式；第二确定单元，配置为对所述局部子单元模块进行等效电路建模，以通过电磁仿真方法确定所述量子比特各自的自电容、所述耦合器各自的自电容、以及所述所有连接方式的量子比特与耦合器之间的互电容；第三确定单元，配置为基于所述量子比特的自电容和所述耦合器的自电容确定所述超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素；第四确定单元，配置为基于所述量子比特与所述耦合器之间的互电容确定所述电容矩阵的非对角元元素；第五确定单元，配置为基于所述超导量子芯片版图中的量子比特和耦合器各自预设的自电感确定所述哈密顿量中的电感矩阵的对角元元素，其中所述电感矩阵为对角矩阵；以及第六确定单元，配置为基于所确定的电容矩阵以及所确定的电感矩阵，确定超导量子芯片的性能参数，其中所述所确定的电容矩阵基于所确定的电容矩阵的对角元元素和非对角元元素确定。

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，对于高度结构化的量子芯片版图，可以仅利用局部芯片版图的电学元件参数信息，将其扩展得到刻画整个芯片版图的完整电学元件参数信息，在保证精度时极大提升了仿真的效率。

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超导量子芯片版图的仿真方法的流程图；

图2示出了根据本公开的实施例的对超导量子芯片版图进行建模得到的等效电路示意图；

图3示出了根据本公开的实施例的3*3超导量子芯片版图的示意图；

图4示出了根据本公开的实施例的图3中的局部子单元模块305的示意图；

图5示出了根据本公开实施例所述的方法与全局电磁仿真方法分别获得的预测结果的相对误差示意图；

图6示出了根据本公开的实施例的超导量子芯片版图的仿真装置的结构框图；以及

图7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。

对于超导量子芯片的仿真，业界目前常用的方案是有限元电磁仿真。通常，基于有限元电磁仿真的方法包括局域电磁仿真方法和等效电路方法。

在局域电磁仿真方法中，通常会将整个超导量子芯片版图分块。在具体划分时，重点关注的器件会将其周边近邻乃至次近邻的量子比特全部都考虑在内。然后，再把每一块划分好的超导量子芯片版图分别导入到电磁仿真软件中，进行局域仿真。但是，电磁仿真是一个相当耗时的过程，进行仿真通常需要耗费大量的时间和精力。此外，在局域电磁仿真方法的整个电磁仿真过程，量子芯片被认为是一个“黑盒子”(black box)。也即，采用局域电磁仿真方法，无法获得量子芯片内部的任何特征信息，比如说很难获得量子比特频率与版图中器件尺寸的任何关系。最后，使用局域电磁仿真方法只能获得整个超导量子芯片局域特征，无法对整个量子芯片的全局特性进行表征和刻画。

在等效电路方法中，通常会通过仿真方法先获得每个器件的自电容，以及不同器件之间的互电容。然后，通过对超导量子芯片进行等效电路建模。基于该模型，进一步可以求得量子芯片的不同量子比特的频率，以及不同量子比特间耦合强度。但是，在实践中，由于建模粗糙，常用的等效电路方法通常只能给出一个大致的结果，导致设计预期特征参数与实际参数通常会有较大出入。因此，很难采用等效电路方法对超导量子芯片(尤其是当芯片中量子比特数目增多时)给予相对准确的刻画。此外通过仿真获得器件之间的互电容也仅适用于小规模芯片，无法拓展至大规模超导量子芯片中。

因此，根据本公开的方法提供了一种超导量子芯片版图的仿真方法。图1示出了根据本公开的实施例的操作量子芯片版图的仿真方法的流程图，如图1所示，方法100包括：在步骤110中，确定待仿真的超导量子芯片版图的局部子单元模块，其中局部子单元模块包括待仿真的超导量子芯片版图的所有类型的量子比特、所有类型的耦合器、以及所述量子比特与所述耦合器之间的所有连接方式；在步骤120中，对局部子单元模块进行等效电路建模，以通过电磁仿真方法确定量子比特各自的自电容、耦合器各自的自电容、以及所有连接方式的量子比特与耦合器之间的互电容；在步骤130中，基于量子比特的自电容和耦合器的自电容确定超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素；在步骤140中，基于量子比特与耦合器之间的互电容确定电容矩阵的非对角元元素；在步骤150中，基于超导量子芯片版图中的量子比特和耦合器各自预设的自电感确定哈密顿量中的电感矩阵的对角元元素，其中电感矩阵为对角矩阵；以及在步骤160中，基于所确定的电容矩阵以及所确定的电感矩阵，确定超导量子芯片的性能参数。

根据本公开的实施例，对于高度结构化的量子芯片版图，可以仅利用局部芯片版图的电学元件参数信息，将其扩展得到刻画整个芯片版图的完整电学元件参数信息，在保证精度时极大提升了仿真的效率。

经典芯片类似，在正式生产和加工之前，超导量子芯片同样需要一个完整版图。该版图包含了量子芯片的所有核心器件、控制线、读取线等信息。在核心器件中，最重要的器件之一就是量子比特。在实际版图中，量子比特通常由共面电容和约瑟夫森结共同构成。在给定超导量子芯片版图之后，就需要对其进行精准地建模和刻画，这对于微纳加工以及后续针对量子芯片的测控至关重要。

超导量子芯片版图的刻画一般可以利用等效电路方法进行建模分析，具体而言是将芯片版图中的每个器件建模为等效电路中的一个集总元件，例如等效的电容、电感元件。不同器件之间的耦合也由等效电路中耦合的电容、电感所描述。因此，通过将超导量子芯片版图中的不同器件与器件间的耦合，建模为等效电路中等效的电容、电感，进而分析其性质，例如本征频率等。

在一些示例中，等效电路建模可以包括：在超导量子芯片版图器件中，将量子比特等效为电感L_ii和电容C_ii的LC谐振电路(i是自然数，下标ii表示自电容、电感)，耦合器也同样等效为LC谐振电路。一般来说，业界主流的超导量子芯片，其器件之间的耦合均采用电容耦合，因此将其等效为不同LC谐振电路中的耦合电容C_ij(表示第i个量子比特与第j个量子比特之间的耦合互电容)。这些等效电路中电学元件(电容、电感)的参数，可以从对超导量子芯片版图有限元的电磁仿真方法中得到。

对超导量子芯片版图进行建模得到的等效电路示意图可以如图2所示。利用节点分析法，图2中的等效电路共有n个LC谐振电路并彼此耦合，每个谐振电路贡献一个节点，其中第i节点上具有磁通φ_i，表示具有节点电容C_ii和电感L_ii的谐振电路自由度，不同节点之间的耦合电容为C_ij。定义所有节点磁通的矩阵形式为Φ＝(φ₁,φ₂,…,φ_n)，则整个电路的拉格朗日量为动能(电容能)减势能(电感能)，写成矩阵乘法的形式可以如公式(1)所示：

其中，电容矩阵C_M的非对角项[C_M]_i,j＝-C_ij，完全由节点之间的耦合电容贡献；电容矩阵C_M的第i个对角项为

由该节点电容C_ii和耦合电容C_ij共同贡献；由于整个电路中不同节点间仅通过电容耦合，不存在电感耦合，因此电感矩阵L_M仅存在对角项，即[L_M]_i,j＝L_ijδi_,j。

为了获得整个等效电路的哈密顿量，首先基于节点磁通Φ以及拉格朗日量根据公式(2)获得广义动量Q：

因此，整个等效电路的哈密顿量可以表示为公式(3)所示：

其中，矩阵

为电容矩阵C_M的逆矩阵。

在一些示例中，可以通过对(3)式中的哈密顿量进行解析或数值的对角化，并利用正则方程即可得到等效电路的本征模式和频率。在一些示例中，可以进一步对哈密顿量进行量子化，得到完整量子芯片版图的各种性质，这对超导量子芯片版图的设计和表征来说至关重要。

根据一些实施例，所能刻画的整个超导量子芯片的性能参数包括但不限于：量子比特的本征频率、量子比特的非谐性、量子比特之间的耦合强度等。

为了进行等效电路的分析，需要在超导量子芯片版图中，提取出等效电路中电容矩阵C_M和电感矩阵L_M的具体数值。在一些示例中，电容矩阵C_M可以根据芯片版图电磁仿真软件得到，而电感矩阵L_M则可通过实验上的经验公式或者在电磁仿真软件中直接设置得到。对于小规模的超导量子芯片版图，完整的电容矩阵C_M可以很轻松地利用有限元法，对完整芯片版图进行电磁仿真得到。

然而，当芯片规模逐渐增大时，电磁仿真的效率逐渐低下且耗费资源。通常来说对大规模的超导量子芯片版图，无法进行完整的电磁仿真方法提取出完整的电容矩阵C_M，进而对量子芯片版图进行全局的分析刻画。另一方面由于建模粗糙，业界常用的等效电路方法通常只能给出一个大致的结果，导致设计预期特征参数与实际参数通常会有较大出入，很难对超导量子芯片版图给予相对准确的刻画。

因此，在本公开中，对大规模的超导量子芯片版图，先确定具有代表性的小规模子单元版图，对其进行电磁仿真得到每个器件的感受总电容C_i∑，以及该器件与周围器件的耦合电容C_ij，从而将其扩展得到刻画整个芯片版图的完整电学元件参数信息，然后再利用等效电路方法对超导量子芯片进行精准的全局仿真。

图3示出了根据本公开的实施例的3*3超导量子芯片版图的示意图。如图3所示，该超导量子芯片版图中包括两种不同的量子比特，即量子比特301和量子比特302，两种不同的耦合器，即耦合器303和耦合器304。另外，该超导量子芯片版图中包括量子比特和耦合器之间的多种连接方式，包括量子比特301和耦合器303的上下连接、量子比特301和耦合器304的左右连接、量子比特302和耦合器303的上下连接以及量子比特302和耦合器304的左右连接。因此，可以选取超导量子芯片版图中左上方的、包括所有类型量子比特和耦合器以及其所有类型连接方式的区域305，作为本公开中所述的局部子单元模块。

具体地，图4示出了图3中的局部子单元模块305的示意图。该局部子单元模块305可以方便地通过有限元的电磁仿真方法获得其自电容和互电容。由于该局部子单元模块305包括图3中所示的超导量子芯片版图中的所有类型的量子比特、所有类型的耦合器以及量子比特和耦合器之间的所有连接方式，因此，可以由该局部子单元模块305方便地扩展到整个超导量子芯片版图中的所有器件，从而实现对大规模的超导量子芯片版图的精准的全局刻画。

如上所述，在通过电磁仿真方法较精确地对超导量子芯片版图进行刻画时，需要能够准确获得电容矩阵C_M和电感矩阵L_M。

在步骤130中，基于量子比特的自电容和耦合器的自电容，确定超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素。

根据一些实施例，电容矩阵C_M的对角元元素为当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电容。因此，确定所述超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素可以包括：基于通过所述局部子单元模块所确定的相同类型的量子比特或耦合器的自电容，确定所述当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电容。

具体地，在通过电磁仿真方法准确地获得量子比特301、量子比特302、耦合器303和耦合器304各自的自电容之后，基于其各自结果确定如图3所示的局部子单元模块305之外的其他相同类型的器件(包括量子比特和耦合器)的自电容，从而确定出电容矩阵的对角元元素。

在步骤140中，基于量子比特与耦合器之间的互电容确定电容矩阵的非对角元元素。

根据一些实施例，所述电容矩阵的非对角元元素为当前非对角元元素所邻近的量子比特和耦合器之间的互电容的负值。基于所述量子比特与所述耦合器之间的互电容确定所述电容矩阵的非对角元元素可以包括：基于通过所述局部子单元模块所确定的相同类型的量子比特和耦合器的互电容，确定所述电容矩阵的非对角元元素。

具体地，在通过电磁仿真方法准确地获得量子比特301和量子比特302各自与耦合器303和耦合器304中的任意一个的互电容之后，基于其各自结果确定如图3所示的局部子单元模块305之外的其他相同类型的连接方式(即相同量子比特和相同耦合器之间的相同连接方式)的自电容，从而确定出电容矩阵的非对角元元素。

在步骤150中，基于超导量子芯片版图中的量子比特和耦合器各自预设的自电感确定哈密顿量中的电感矩阵的对角元元素。

根据一些实施例，所述电感矩阵的对角元元素为当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电感。该超导量子芯片版图中的每个量子比特和耦合器的自电感均可预先根据经验直接设置得到。

具体地，在通过电磁仿真方法对局部子单元模块305进行仿真时，量子比特与耦合器各自的电感值自行设置。因而，通过设置的其各自的自电感可以确定如图3所示的局部子单元模块305之外的其他相同类型的器件(包括量子比特和耦合器)的自电感，从而确定出电感矩阵的对角元元素。

继续参考图3和图4，根据本公开实施例所述的方法，对图3所示的特定拓扑结构的超导量子芯片版图进行全局仿真。具体而言，在图3所示的3*3超导量子芯片版图中，每两个近邻量子比特之间引入了一个耦合器件(在实践中，耦合器件的作用是实现可调的量子比特间耦合强度)。

如图3所示，受益于该芯片的高度结构化(量子比特与耦合器均只有两个构型)，将左上角2*2平面结构作为进行局部电磁仿真以得到其电学元件参数的局部子单元模块，即图4所示的2*2平面结构。

可以理解的是，在现有实践中，超导量子芯片版图几乎均为高度结构化构型，且其器件类型和连接方式的复杂程度通常低于图3所示的形式。因此，根据本公开所述的方法，可以对几乎所有的超导量子芯片版图进行仿真。

为了获得局部子单元模块的电学元件参数信息，将图4所示的2*2平面结构中所包含的不同类型的量子比特与耦合器，分别记作Qubit1、Qubit2、Coupler1、Coupler2。对该2*2平面结构进行电磁仿真，可以得到量子比特与耦合器的自电容，分别记作：C_q1、C_q2、C_c1、C_c2，以及近邻量子比特与耦合器之间的互电容：C_q1-c1、C_q1-c2、C_q2-c1、C_q2-c2，忽略次近邻之间的耦合电容。量子比特与耦合器各自的电感值可以自行设置，分别记作：L_q1、L_q2、L_c1、L_c2。这里所获得的器件自电容也即该器件的感受总电容C_i∑。

在一些示例中，为将局部的电学元件参数信息扩展至全局版图中，从而构建图3中所示的3*3平面版图的全局电容矩阵C_M和电感矩阵L_M，可以首先对每个器件进行标号，即i＝1,2,…,21，共有21个器件。电容矩阵C_M的每个非对角元素[C_M]_i,j为近邻量子比特与耦合器之间的互电容的负值，可以从局部的电学元件参数信息中直接抽取得到，例如Qubit1与Coupler1的互电容C_q1-c1。C_M的每个对角元素C_i∑为该位置所在器件感受总电容，即该位置所在器件的自电容。例如该位置所处器件为Qubit1构型，则对角元素为C′_q1，其余构型器件同理。对于电感矩阵L_M，仅包含对角元素，每个对角元素L_ii为该器件的自电感。以3*3平面版图中右下角的Qubit1器件为例，若其自电感设置为

进一步得到该器件所在电感矩阵L_M的对角元素为

从而，将局部的电学元件参数信息扩展至全局超导量子芯片版图中，得到了全局电容矩阵C_M和电感矩阵L_M。将全局电容矩阵C_M和电感矩阵L_M带入公式(3)中，以确定该等效电路的哈密顿量，以进一步获得该超导量子芯片的性能参数。示例地，为获得该超导量子芯片所包含的不同本征模式的频率，对所获得的哈密顿量进行完全对角化，即可得到本征模式和频率，完成对完整3*3含耦合器件的超导量子芯片版图的全局刻画。

在一些实施例中，可以根据本公开实施例所述的方法以及全局电磁仿真方法对图3所示的3*3超导量子芯片版图进行仿真，以验证本公开实施例所述的方法的准确性。如图3所示，该超导量子芯片版图中共有9个量子比特以及12个耦合器，整个芯片共计21个本征模式频率。

根据本公开实施例所述的方法与全局电磁仿真方法所分别获得的预测结果的相对误差可以如图5所示。如图5所示，仅利用2*2局部子单元模块的芯片版图进行精准等效电路建模，然后将其扩展为刻画整体芯片版图的等效电路，最终对整个超导量子芯片版图进行的刻画结果与全局电磁仿方法的结果符合良好，充分验证了本公开实施例所述的方法的有效性。

值得说明的是，3*3超导量子芯片版图还是一个小规模超导量子芯片，通过有限元电磁仿真方法可以实现精准刻画。之所以选取小规模超导量子芯片进行模拟验证，是因为在更大规模的芯片版图下，电磁仿真方法将无法进行准确仿真。本公开实施例所述的方法可以轻松地扩展至对更大规模的超导量子芯片版图的模拟刻画。

根据本公开的实施例，如图6所示，还提供了一种超导量子芯片版图的仿真装置600，包括：第一确定单元610，配置为确定待仿真的超导量子芯片版图的局部子单元模块，其中所述局部子单元模块包括所述待仿真的超导量子芯片版图的所有类型的量子比特、所有类型的耦合器、以及所述量子比特与所述耦合器之间的所有连接方式；第二确定单元620，配置为对所述局部子单元模块进行等效电路建模，以通过电磁仿真方法确定所述量子比特各自的自电容、所述耦合器各自的自电容、以及所述所有连接方式的量子比特与耦合器之间的互电容；第三确定单元630，配置为基于所述量子比特的自电容和所述耦合器的自电容确定所述超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素；第四确定单元640，配置为基于所述量子比特与所述耦合器之间的互电容确定所述电容矩阵的非对角元元素；第五确定单元650，配置为基于所述超导量子芯片版图中的量子比特和耦合器各自预设的自电感确定所述哈密顿量中的电感矩阵的对角元元素，其中所述电感矩阵为对角矩阵；以及第六确定单元660，配置为基于所确定的电容矩阵以及所确定的电感矩阵，确定超导量子芯片的性能参数。

这里，超导量子芯片版图的仿真装置600的上述各单元610～660的操作分别与前面描述的步骤110～160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7，现将描述可以作为本公开的服务器或客户端的电子设备700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7所示，电子设备700包括计算单元701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的计算机程序或者从存储单元708加载到随机访问存储器(RAM)703中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM703中，还可存储电子设备700操作所需的各种程序和数据。计算单元701、ROM 702以及RAM 703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。

电子设备700中的多个部件连接至I/O接口705，包括：输入单元706、输出单元707、存储单元708以及通信单元709。输入单元706可以是能向电子设备700输入信息的任何类型的设备，输入单元706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707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708可以包括但不限于磁盘、光盘。通信单元709允许电子设备700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701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701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701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708。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 702和/或通信单元709而被载入和/或安装到电子设备700上。当计算机程序加载到RAM 703并由计算单元701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701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 (15)

1.一种超导量子芯片版图的仿真方法，包括：

确定待仿真的超导量子芯片版图的局部子单元模块，其中所述局部子单元模块包括所述待仿真的超导量子芯片版图的所有类型的量子比特、所有类型的耦合器、以及所述量子比特与所述耦合器之间的所有连接方式；

对所述局部子单元模块进行等效电路建模，以通过电磁仿真方法确定所述量子比特各自的自电容、所述耦合器各自的自电容、以及所述所有连接方式的量子比特与耦合器之间的互电容；

基于所述量子比特的自电容和所述耦合器的自电容确定所述超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素；

基于所述量子比特与所述耦合器之间的互电容确定所述电容矩阵的非对角元元素；

基于所述超导量子芯片版图中的量子比特和耦合器各自预设的自电感确定所述哈密顿量中的电感矩阵的对角元元素，其中所述电感矩阵为对角矩阵；以及

基于所确定的电容矩阵以及所确定的电感矩阵，确定超导量子芯片的性能参数，其中所述所确定的电容矩阵基于所确定的电容矩阵的对角元元素和非对角元元素确定。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容矩阵的对角元元素为当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电容；

所述确定所述超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素包括：

基于通过所述局部子单元模块所确定的相同类型的量子比特或耦合器的自电容，确定所述当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电容。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容矩阵的非对角元元素为当前非对角元元素所邻近的量子比特和耦合器之间的互电容的负值；

所述基于所述量子比特与所述耦合器之间的互电容确定所述电容矩阵的非对角元元素包括：

基于通过所述局部子单元模块所确定的相同类型的量子比特和耦合器的互电容，确定所述电容矩阵的非对角元元素。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述电感矩阵的对角元元素为当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电感。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述哈密顿量基于以下公式确定：

其中，Q＝C_MΦ，C_M为所述电容矩阵，L_M为所述电感矩阵，Φ为所述超导量子芯片版图的磁通矩阵。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述性能参数包括以下项中的至少一项：量子比特的本征频率、量子比特的非谐性、量子比特之间的耦合强度。

7.一种超导量子芯片版图的仿真装置，包括：

第一确定单元，配置为确定待仿真的超导量子芯片版图的局部子单元模块，其中所述局部子单元模块包括所述待仿真的超导量子芯片版图的所有类型的量子比特、所有类型的耦合器、以及所述量子比特与所述耦合器之间的所有连接方式；

第二确定单元，配置为对所述局部子单元模块进行等效电路建模，以通过电磁仿真方法确定所述量子比特各自的自电容、所述耦合器各自的自电容、以及所述所有连接方式的量子比特与耦合器之间的互电容；

第三确定单元，配置为基于所述量子比特的自电容和所述耦合器的自电容确定所述超导量子芯片版图所对应的哈密顿量中的电容矩阵的对角元元素；

第四确定单元，配置为基于所述量子比特与所述耦合器之间的互电容确定所述电容矩阵的非对角元元素；

第五确定单元，配置为基于所述超导量子芯片版图中的量子比特和耦合器各自预设的自电感确定所述哈密顿量中的电感矩阵的对角元元素，其中所述电感矩阵为对角矩阵；以及

第六确定单元，配置为基于所确定的电容矩阵以及所确定的电感矩阵，确定超导量子芯片的性能参数，其中所述所确定的电容矩阵基于所确定的电容矩阵的对角元元素和非对角元元素确定。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述电容矩阵的对角元元素为当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电容；

所述第三确定单元包括：

第三确定子单元，配置为基于通过所述局部子单元模块所确定的相同类型的量子比特或耦合器的自电容，确定所述当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电容。

9.如权利要求7所述的装置，其中，所述电容矩阵的非对角元元素为当前非对角元元素所邻近的量子比特和耦合器之间的互电容的负值；

所述第四确定单元包括：

第四确定子单元，配置为基于通过所述局部子单元模块所确定的相同类型的量子比特和耦合器的互电容，确定所述电容矩阵的非对角元元素。

10.如权利要求7所述的装置，其中，所述电感矩阵的对角元元素为当前对角元元素所对应的量子比特或耦合器的自电感。

11.如权利要求7所述的装置，其中，所述哈密顿量基于以下公式确定：

其中，Q＝C_MΦ，C_M为所述电容矩阵，L_M为所述电感矩阵，Φ为所述超导量子芯片版图的磁通矩阵。

12.如权利要求7所述的装置，其中，所述性能参数包括以下项中的至少一项：量子比特的本征频率、量子比特的非谐性、量子比特之间的耦合强度。

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。

15.一种计算机程序产品，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1-6中任一项所述的方法。

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