CN115204405B - 单独量子比特激励控制的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
用于单独量子比特激励控制的方法、系统和设备。在一个方面中，方法包括访问量子系统，所述量子系统包括：多个量子比特；多个量子比特频率控制线，每个量子比特频率控制线对应于单独量子比特并控制量子比特的频率；驱动线；多个耦合器，每个耦合器将相应的量子比特耦合到驱动线以使得多个量子比特耦合到驱动线；确定需要旋转操作的一个或多个量子比特；对于需要旋转操作的每个量子比特：将量子比特频率调谐到旋转操作的相应驱动线频率；使用关于激励驱动的微波脉冲执行旋转操作；和调谐量子比特远离旋转操作的驱动线频率。
Description
本申请为申请日为2015年11月6日、申请号为201580085601.X、发明名称为“单独量子比特激励控制的设备及方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本说明书涉及量子系统中的单独量子比特激励控制。
背景技术
大规模量子计算机具有提供对某些类别的难题的快速解决方案的可能性。为了可实现大规模量子计算，必须克服量子架构的设计和实现中的几个挑战以对量子硬件控制和编程。当在量子架构中包括的量子比特上维持高水平控制的同时降低量子架构的复杂性是建造可扩展量子计算机的决定性步骤。
发明内容
提供了一种装置，包括：量子比特控制器，被配置成：连接到公共驱动线，产生激励脉冲，并将所述激励脉冲施加到所述公共驱动线，其中每个脉冲对应于相应的多个量子门的多个量子门频率之一；以及连接到多个量子比特频率控制线，并控制连接到所述多个量子比特频率控制线的相应多个量子比特的单独频率，使得对于每个量子比特，量子比特频率被调整为接近或远离所述公共驱动线上的当前脉冲的量子门频率。
提供了一种用于单独量子比特激励控制的方法，包括：从多个量子比特中确定需要旋转操作的一个或多个量子比特；对于每个需要所述旋转操作的量子比特：将所述量子比特的频率调谐到所述旋转操作的公共驱动线频率；使用需要所述旋转操作的一个或多个量子比特所共有的微波脉冲来执行所述旋转操作；以及调谐所述量子比特远离所述旋转操作的公共驱动线频率。
本说明书描述了使用全局激励驱动线和单独的量子比特频率控制以实现量子装置中的量子比特的增强和改善的可控性的技术，包括并行地关于不同量子比特实现不同的单独量子比特激励和保证使得量子装置中的量子门针对脉冲失真是鲁棒的。
总的来说，本说明书中描述的主题的一个新颖方面可以具体表现为包括以下动作的方法：访问量子系统，该量子系统包括：多个量子比特；多个量子比特频率控制线，每个量子比特频率控制线与单独的量子比特对应并控制量子比特的频率；驱动线；多个耦合器，每个耦合器将对应的量子比特耦合到驱动线以使得多个量子比特耦合到驱动线；确定需要旋转操作的一个或多个量子比特；对于需要旋转操作的每个量子比特：将量子比特频率调谐到旋转操作的对应的驱动线频率；使用关于激励驱动的微波脉冲来执行旋转操作；和调谐量子比特远离旋转操作的驱动线频率。
该方面的其他实现包括对应的计算机系统、设备和在一个或多个计算机存储装置上记录的计算机程序，每个被配置为执行该方法的动作。一个或多个计算机的系统可以被配置为借助于具有在系统上安装的软件、固件、硬件或者其组合而执行特定操作或者动作，其在操作中使得系统执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为借助于包括指令来执行特定操作或者动作，该指令当由数据处理设备时使得设备执行动作。
前述和其它实现可以各自可选地包括一个或多个以下特征，单独或者组合地：在一些实现中，将量子比特频率调谐到旋转操作的对应的驱动线频率通过圆角矩形脉冲执行。
在其他实现中，关于激励驱动的微波脉冲具有成型包络。
在一些方面，关于不同量子比特同时执行不同旋转。
在其他方面中，使用频域多路复用和量子比特频率调谐来执行关于不同量子比特同时执行的不同旋转。
在一些实现中，微波脉冲是单个微波脉冲。
在其他实现中，微波脉冲包括多个微波脉冲。
在一些情况下，调谐量子比特远离旋转操作的驱动线频率在下一脉冲被施加于驱动线之前执行。
在其它情况下，量子系统进一步包括：量子比特控制器，生成驱动线上的激励脉冲，每个脉冲与相应的多个量子门的多个量子门频率之一对应；和使用量子比特频率控制线控制多个量子比特的单独频率，以使得对于每个量子比特，朝向或者远离驱动线上的当前脉冲的量子门频率来调整量子比特频率。
在一些实现中，量子比特控制器确定需要旋转操作的一个或多个量子比特；和对于需要旋转操作的每个量子比特，将量子比特频率调谐到旋转操作的对应的门频率；和使用驱动线上的微波脉冲执行旋转操作。
在另外的实现中，多个量子门包括绕X和Y轴的π和π/2旋转门。
本说明书中描述的主题可以以具体实施例实现从而获得一个或多个以下优点。
以全局激励驱动线实现单独量子比特激励控制的系统，通过例如在比如量子纠错方案的量子算法中，如所需地在维持对量子架构中的量子比特的高水平控制的同时降低用于量子计算的量子架构的复杂性，来使能可扩展量子系统的构建。与其他量子计算系统相比，需要实现量子装置中的量子计算的量子硬件在以全局激励驱动线实现单独量子比特激励控制的系统中可以更简单。具体来说，以全局激励驱动线实现单独量子比特激励控制的系统中的量子硬件和控制硬件两者与其他量子计算系统相比可以简化而不损失所需的功能性。
以全局激励驱动实现单独量子比特激励控制的系统可以实现比其他量子计算系统更高水平的性能。例如，实现单独量子比特激励控制的系统避免在量子计算系统内路由许多线路的障碍，这又避免了导致寄生串扰和损害性能的许多激励控制线和量子比特的耦合。
以全局激励驱动实现单独量子比特激励控制的系统比其他量子计算系统可以针对失真更鲁棒。例如，需要关于量子比特的频率控制线的类矩形电压脉冲的实现频率解调谐算法的系统遭受例如来自滤波的普遍存在的布线不理想，这导致边缘的变圆。通过使用成形微波脉冲，实现单独量子比特激励控制的系统可以针对这种失真高度鲁棒。
本说明书的主题的一个或多个实现的细节在附图和以下说明中提到。本主题的其他特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求变得明显。
附图说明
图1A示出示例单独量子比特激励控制系统的一维示意性透视图。
图1B示出示例单独量子比特激励控制系统中的量子比特的二维示意性透视图。
图2是单独量子比特激励控制的示例过程的流程图。
图3A和图3B示出使用量子比特频率控制的量子比特激励控制的实例。
图4是门误差相对用于激励操作的脉冲倾斜宽度与射频脉冲持续时间的比率的示例图。
各个附图中相同的附图标记和指定指示相同的元件。
具体实施方式
本说明书描述了简化量子系统中的量子硬件(例如量子计算系统中的量子硬件)的复杂性，同时维持量子系统的必要控制水平的方法和设备。该方法和设备使用可以耦合到量子系统中的所有量子比特的单个激励驱动线以及单独的量子比特频率控制来实现全局激励控制。通过沿着全局激励驱动线运行激励脉冲、和在不同频率的不同量子门，可以朝向或者远离量子门的不同频率单独地调谐量子系统中的量子比特，从而允许单独激励控制。
示例操作环境
图1A示出示例单独量子比特激励控制系统100的一维示意性透视图。
系统100包括量子比特102的一维阵列。为了清楚起见，在图1A中示出五个量子比特，但是该系统可以包括大量量子比特。量子比特102的阵列中的每一个量子比特可以是频率可调谐的。
该系统100包括一组量子比特频率控制线104。每个量子比特频率控制线对应于单独的量子比特，例如量子比特频率控制线105对应于单独量子比特q4。量子比特频率控制线104控制量子比特102的频率。每个量子比特频率控制线控制其对应的量子比特的频率，例如量子比特频率控制线105控制量子比特q4的频率。在某些实现中，单独量子比特频率控制线104的布线可以由平面内布线提供。在其他实现中，单独量子比特频率控制线104的布线可以由平面外布线提供。
系统100包括全局激励驱动线106。如以下段落描述的,全局激励驱动线通过一组耦合器提供单独量子比特激励控制系统100中的量子比特(例如量子比特q1-q5)的全局激励控制。全局激励驱动线可以被配置为以处于不同频率的不同量子门运行激励脉冲(例如激励脉冲108)的连续链。单独量子比特激励控制系统100中的每个量子比特可以朝向或者远离关于全局激励驱动线106的这些频率来调谐，从而允许单独的量子比特激励控制。
系统100包括一组耦合器110。该组耦合器110中的每个耦合器将对应的量子比特耦合到全局激励驱动线106。例如，耦合器114将量子比特q4耦合到全局激励驱动线106。在一些实现中，耦合器110将该组量子比特102中的每一个耦合到全局激励驱动线106的相应的相等或者高度类似的长度。耦合器110可以是任何类型的耦合器，例如，电容耦合。如以下参考图1B描述的，为了实现电容耦合，公共微波线可以与量子比特电容器相邻地延伸。
每个量子比特q1-q5可以通过相应的耦合器耦合到全局激励驱动线106。在一些实现中，量子比特102的接近引起量子比特102和全局激励驱动线106之间的电容耦合。在一些实现中，该组耦合器110中的每个耦合器可以是相等或者高度类似的强度。例如，每个量子比特可以耦合到全局激励驱动线106的相等长度。
在一些实现中，量子比特102可以不同地耦合到全局激励驱动线106。如果耦合变化很小，则可以沿着全局激励驱动线106发送具有略微不同幅度的脉冲，其在关于全局激励驱动线106的标准频率交织或者在另一频率上广播。例如，如果耦合变化是4％，即，耦合从平均值从98％变为102％，则脉冲可以以99％和101％幅度交织。
如果耦合变化很大且仅存在特定组的不同耦合值，则可以使用具有匹配该变化的特定幅度的额外脉冲。替代地，如果耦合变化很大，脉冲的幅度可以长时间保持在小级别，且不在成形脉冲的结尾处关闭。具有较弱耦合且由此需要更多信号的量子比特可以更长地驻留在广播频率。可以以直接方式和并行方式实现这些停留时间。
系统100包括量子比特控制器112。量子比特控制器112可以配置为使用激励脉冲生成器118生成关全局激励驱动线106的激励脉冲，例如激励脉冲108。由量子比特控制器112生成的每个激励脉冲对应于一组量子门频率116之一。量子门频率116对应于包括绕X和Y轴的π和π/2旋转门的一组量子门。绕X和Y轴的π和π/2旋转门是需要实现表面码纠错方案需要的单个量子比特单一门的充分集。对于量子计算，也需要物理T门，例如，绕Z轴的π/4旋转门。这可以使用频率解调谐线实现。为了实现表面码纠错方案，可以使用频率控制(且没有微波驱动)另外实现两个量子比特受控相位门。另外，为实现表面码量子计算，可以使用频率控制(且没有微波驱动)另外实现T门。
量子比特控制器112还可以配置为使用频率控制线104控制该组量子比特102的单独频率。量子比特控制器112控制该组量子比特102的单独频率，以使得可以朝向或者远离全局激励驱动线106上的当前激励脉冲的该组量子门频率116中的量子门频率调整每个量子比特的频率。
量子比特控制器112可以另外被配置为确定何时该组量子比特102中的一个或多个量子比特需要旋转操作。确定何时和该组量子比特102中的一个或多个量子比特的哪个序列需要旋转操作取决于由量子系统执行的计算。例如，量子比特控制器112可以确定量子比特q4需要旋转操作。对于需要旋转操作的每个量子比特，量子比特控制器112可以被配置为将量子比特的频率调谐到旋转操作的对应的量子门频率，并使用全局激励驱动线106上的微波脉冲执行旋转操作。例如，已经确定量子比特q4需要旋转操作，量子比特控制器112可以将量子比特q4的频率调谐到旋转操作的对应的量子门频率，并使用全局激励驱动线106上的微波脉冲108来执行旋转操作。
系统100利用的量子比特控制器112的类型取决于系统使用的量子比特的类型。作为示例，经由原子、分子或者固态量子系统实现的量子比特典型地具有在微波或者光学域的相关量子比特级别的能量间隔。该量子比特的状态可以使用外部场(比如微波或者光场)来操纵和控制。在此情况下，作为示例，由于锁模激光器的以射频和微波结构两者为特征的宽带光谱，它们可以用作量子比特控制器。在另一实例中，量子比特控制器可以包括由射频生成器实现的单独量子比特控制器的集合以及由射频或者微波生成器实现的一个或多个全局激励控制器。在这两种情况下，量子比特控制器可以被手动地操作或者连接到计算机并经由允许指定和自动地运行所需的量子比特操作的适当的软件来控制。
图1B示出示例单独量子比特激励控制系统中的量子比特的二维示意性透视图150。图1B图示图1A的系统100可缩放性到较高维度。该透视图包括量子比特152的二维阵列。再次，为了清楚，图1B中示出三十六个量子比特，但是该系统可以包括大量量子比特。量子比特152每个具有单独频率控制。
方案150包括一组量子比特频率控制线154。如以上参考图1A所述，该量子比特频率控制线154中的每个量子比特频率控制线与该组量子比特152中的单独量子比特对应。每个量子比特频率控制线控制其对应的量子比特的频率。如图1B所示，可以从顶部由平面外布线提供单独量子比特频率控制线154的布线。在其他实现中，可以从底部提供平面外布线、或者通过平面内布线方案提供单独量子比特频率控制线154的布线。
方案150包括全局激励驱动线156。与在图1A的一维系统中不同，全局激励驱动线曲折通过量子比特阵列和通过组量子比特152在二维中取蛇行路径，以使得量子比特的二维阵列中的每个量子比特可以耦合到全局激励驱动线156。量子比特的二维阵列中的每个量子比特可以以相等或者高度类似的强度耦合到全局激励驱动线156。例如，这可以通过将量子比特的二维阵列中的每个量子比特耦合到全局激励驱动线的相等长度而实现
方案150图示单独量子比特激励控制系统100的可缩放性。例如，为了将系统扩展到三维空间，系统可以包括在彼此顶部堆叠的若干层量子比特152，形成三维点阵。在某些实现中，三维的单独量子比特激励控制系统可以包括曲折通过量子比特阵列并通过量子比特的堆栈层在三维空间中取蛇行路径的单个全局激励驱动线。
在其他实现中(比如大规模系统)，包括多于一个激励驱动线可以是有益的，其中每个激励驱动线可以耦合到大量量子比特。与其他量子比特激励控制系统相比，这种实现将仍然包括极大减少数目的驱动线。例如，对于具有256个量子比特的系统，可以使用每个耦合到64个量子比特的相应的真子集的四个驱动线。
用于特定量子比特的频率解调谐操作需要关于量子比特的频率控制线的类矩形脉冲。在这种系统中可能普遍存在的布线中的不理想(例如来自滤波的)，可能导致类矩形电压脉冲的边缘的变圆。但是，通过使用成形微波脉冲，可以使得用于以全局激励驱动线实现单独全局激励控制的方法针对这种失真高度鲁棒。
实现单独量子比特激励控制
图2是用于单独地控制量子比特激励的示例过程200的流程图。例如，该过程200可以使用上面参考图1A描述的系统100的量子比特控制器112实现。
该过程访问系统，比如上面参考图1A和1B描述的系统100(步骤202)。被访问的系统包括量子比特(比如上面参考图1A描述的量子比特102的集合)、和每个对应于单独量子比特的量子比特频率控制线(比如上面参考图1A描述的频率控制线104的集合)。量子比特频率控制线控制其对应的对应量子比特的频率。被访问的系统另外包括全局激励驱动线(比如上面参考图1A描述的驱动线106)，其可以耦合到该组量子比特中的每一个。
该过程确定该组量子比特中的一个或多个量子比特需要旋转操作(步骤204)。在一些实现中，该过程可以确定需要关于不同量子比特执行不同旋转。在一些实现中，可以关于它们的对应量子比特并行地执行不同旋转。
对于确定需要旋转操作的每个量子比特，该过程将量子比特频率调谐到相应的旋转操作的对应驱动线频率(步骤206)。该过程可以使用圆角矩形脉冲将量子比特频率调谐到相应的旋转操作的对应驱动线频率。以下参考图3A和图3B更加详细地描述使用量子比特频率控制将量子比特频率调谐到相应的旋转操作的对应驱动线频率。
该过程关于在步骤204确定需要旋转操作的每个量子比特，执行所需的旋转操作(步骤208)。在一些实现中，该过程可以同时关于不同量子比特执行不同旋转。可以使用频域多路复用和量子比特频率调谐来关于不同量子比特同时执行不同旋转。该过程使用激励驱动线上的微波脉冲执行需要的旋转操作。激励驱动线上的微波脉冲可以具有成型包络。在某些实现中，微波脉冲可以是单个微波脉冲。在其他实现中，微波脉冲包括多个微波脉冲。
该过程移动量子比特频率远离驱动线(步骤210)。该过程在下一脉冲施加于全局激励驱动线之前移动量子比特频率远离驱动线。例如，该过程可以移动量子比特频率，使得量子比特返回到在步骤206之前的量子比特的初始频率。
图3A示出使用单独量子比特频率控制300的单个量子比特激励控制的实例。例如，单个量子比特激励控制300可以使用比如全局激励驱动线106的全局激励驱动线，由关于比如量子比特q1-q5中的任何一个的量子比特的量子比特控制器(比如量子比特控制器112)实现，这些都在上面参考图1A描述。单个量子比特激励控制300的实例图示将量子比特调谐到可以在全局激励驱动线上广播的特定门的频率，以实现单个量子比特激励控制。在图3A中，纵轴示出量子比特频率且横轴示出时间。
量子比特频率可以首先处于起始频率，如水平线314所示。当量子比特空闲或者执行其他操作时，量子比特保持在频率区域310中。量子比特然后可以仅当量子比特需要具有旋转(比如绕X或者Y轴的π/2或者π)时被调谐到特定频率，且保持在对应的频率以调谐到在全局激励驱动线上广播的单个或者多个微波脉冲。
在时间301的量子比特频率的轨迹，例如，在某些时间302、304和306标记的矩形脉冲，示出了量子比特首先实现π/2旋转，如由水平线302所示的。例如，量子比特控制器可以使用对应的量子比特频率控制线调谐量子比特的频率，以通过将量子比特频率调谐到π/2旋转区域308来实现π/2旋转。量子比特频率保持在π/2旋转区域308中以调谐到在全局激励驱动线上广播的对应的单个或者多个微波脉冲。
在时间301的量子比特频率的轨迹然后示出量子比特返回到起始频率，如由水平线304所示的。例如，量子比特控制器可以使用对应的量子比特频率控制线来调谐量子比特的频率，以通过将量子比特频率调谐到区域310来将量子比特返回到起始的量子比特频率。
在时间301的量子比特频率的轨迹然后示出量子比特实现π旋转，如由水平线306所示的。例如，量子比特控制器可以使用对应的量子比特频率控制线来调谐量子比特的频率，以通过将量子比特频率调谐到π旋转区域312来实现π旋转。量子比特频率保持在π旋转区域312中以调谐到在全局激励驱动线上广播的对应的单个或者多个微波脉冲。为了清楚，图3A仅分别示出π/2和π控制区域308和312。但是，可以以类似方式实现更多完全组的旋转，包括绕其他轴的旋转。绕X和Y轴的π/2和π旋转是需要实现表面码纠错方案所需的单个量子比特量子门的最小集合。
可以对单独量子比特激励控制系统(比如上面参考图1A描述的单独量子比特激励控制系统100)中的不同量子比特并行地执行单个量子比特激励控制300的实例。此外，不同量子比特可以并行地经历不同旋转。
图3B示出使用单独量子比特频率控制350的示例单个量子比特激励控制。
量子比特频率解调谐操作可以通过圆角矩形脉冲352执行。例如，使用单独量子比特频率控制的单个量子比特激励控制示出量子比特从空闲频率(例如在以上图3A中的频率表示区域)移动到广播频率(例如，表示以上图3中的区域306和308之一的频率)，并使用如由脉冲352所示的圆角矩形脉冲返回到空闲频率。
量子比特激励操作可以由具有成型包络354的微波脉冲执行。例如，一旦量子比特在频率上从空闲频率移动到广播频率，如通过圆角矩形脉冲352实现的，就可以应用具有成型包络354的微波脉冲。具有成型包络354的微波脉冲可以应用的持续时间是射频脉冲持续时间d。脉冲倾斜宽度w是量子比特在频率上从空闲频率移动到广播频率之间的宽度。填充p是实现广播频率的量子比特频率和具有成型包络354的微波脉冲的应用的开始之间的宽度，或者具有成型包络354的微波脉冲的应用的结束与离开广播频率的量子比特频率之间的宽度。
图4是门误差相对用于比如以上图3B中示出的激励操作的脉冲倾斜宽度w与射频(RF)脉冲持续时间的比率的示例图400。已经使用用于RF脉冲持续时间d的20ns、以及量子比特空闲频率(例如表示以上图3A中的区域410的频率)和1GHz的广播频率(例如表示以上图3A中的区域306和308之一的频率)之间的差值产生该图。
该图包括用于不同填充量(例如上面参考图3B描述的填充356)的五个不同绘图。图中包括的填充的值是p＝0、0.05、0.1、0.15和0.2，且由实线示出。为了比较，如虚线所示绘出矩形RF脉冲的效果(例如连续音调)。矩形RF脉冲的误差是较大的数量级，强调门可能不是鲁棒的而是对失真高度敏感的。对于矩形RF脉冲，因为填充将不抑制门误差，p＝0。
该图示出门误差相对用于激励操作的脉冲倾斜宽度与RF脉冲持续时间的比率。对于20％的w/d的比率，门误差保持在10-4以下。通过增加填充p，可以有力地降低门误差。门操作可以相对频率控制脉冲的失真鲁棒。
本说明书中描述的数字和/或量子主题和数字函数运算和量子操作的实施例可以以数字电子线路、适当的量子电路系统或者更一般地量子计算系统实现，以可触摸地具体实现的数字和/或量子计算机软件或者固件，以包括在本说明书中公开的结构和它们的结构等效的数字和/或量子计算机硬件，或者以它们中的一个或多个的组合实现。术语“量子计算系统”可以包括，但不限于量子计算机、量子信息处理系统、量子密码学系统或者量子模拟器。
本说明书中描述的数字和/或量子主题的实施例可以实现为一个或多个数字和/或量子计算机程序，即，在有形非暂态存储介质上编码的用于由数据处理设备执行或者控制数据处理设备的操作的数字和/或量子计算机程序指令的一个或多个模块。数字和/或量子计算机存储介质可以是机器可读存储器件、机器可读存储基底、随机或者串行存取存储器器件、一个或多个量子比特或者它们中的一个或多个的组合。替代地或者另外地，程序指令可以在能够编码数字和/或量子信息的人工生成的传播信号(例如，机器生成的电、光或者电磁信号)上编码，生成该信号以编码数字和/或量子信息以用于传输到适当的接收器设备以用于由数据处理设备执行。
术语量子信息和量子数据指的是由量子系统携带、在量子系统中保存或者存储的信息或者数据，其中最小的非平凡系统是量子比特，即，定义量子信息的单位的系统。应当理解，术语“量子比特”包括可以适当地近似为对应环境中的二级系统的所有量子系统。这种量子系统可以包括多级系统，例如，具有两级或更多级。举例来说，这种系统可以包括原子、电子、光子、离子或者超导量子比特。在许多实现中，以接地和第一激发态标识计算基础态，但是应当理解以较高级激发态标识计算态的其他设置是可能的。
术语“数据处理设备”指的是数字和/或量子数据处理硬件，且覆盖用于处理数字和/或量子数据的各种设备、装置和机器，举例来说包括可编程数字处理器、可编程量子处理器、数字计算机、量子计算机、多个数字和量子处理器或者计算机及其组合。该设备也可以是，或者进一步包括专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)或者量子模拟器，即，设计用于模拟或者产生关于特定量子系统的信息的量子数据处理设备。具体来说，量子模拟器是不执行通用量子计算的性能的专用量子计算机。除硬件之外，该设备还可以可选地包括创建用于数字和/或量子计算机程序的执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中一个或多个的组合的代码。
数字计算机程序也可以被称为或者描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或者代码，可以以任何形式的编程语音所写，包括编译或者解释语言、或者说明性或者过程语言，且其可以以任意形式采用，包括作为独立的程序或者作为适于用于数字计算环境中的模块、组件、子例程或者其他单元。量子计算机程序也可以被称为或者描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或者代码，可以以任何编程语言的形式所写，包括编译或者解释语言、或者说明性或者过程语言，并翻译为适当的量子编程语言，或者可以以量子编程语言，例如QCL或者Quipper所写。
数字和/或量子计算机程序可以(但是不需要)对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或者数据的文件(例如，标注语言文档中存储的一个或多个脚本)的一部分中，专用于正被讨论的程序的单个文件、或者多个协作的文件中，例如，存储一个或多个模块、子程序或者代码的一部分的文件中。数字和/或量子计算机程序可能配置为在一个数字或者一个量子计算机上或者在位于一个地点或者跨多个地点分布且由数字和/或量子数据通信网络互连的多个数字和/或量子计算机上执行。量子数据通信网络被理解为可以使用量子系统，例如量子比特发送量子数据的网络。总的来说，数字数据通信网络不能发送量子数据，但是量子数据通信网络可以发送量子数据和数字数据两者。
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以如适当地由以一个或多个数字和/或量子处理器操作的一个或多个可编程数字和/或量子计算机执行，该一个或多个数字和/或量子处理器通过关于输入数字和量子数据操作并生成输出来执行一个或多个数字和/或量子计算机程序以执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路，例如FPGA或者ASIC，或者量子模拟器，或者通过专用逻辑电路或者量子模拟器和一个或多个编程的数字和/或量子计算机的组合执行，且设备也可以实现为专用逻辑电路或者量子模拟器。
对于一个或多个数字和/或量子计算机被“配置为”执行特定操作或者动作的系统，指的是系统已经在其上安装了在操作中使得系统执行操作或者动作的软件、固件、硬件或者其组合。对于被配置为执行特定操作或者动作的一个或多个数字和/或量子计算机程序，指的是一个或多个程序包括当由数字和/或量子数据处理设备执行时使得设备执行操作或者动作的指令。量子计算机可以从数字计算机接收指令，该指令当由量子计算设备执行时使得设备执行操作或者动作。
适于数字和/或量子计算机程序的执行的数字和/或量子计算机可以基于通用或者专用数字和/或量子处理器或者两者，或者任何其它种类的中心数字和/或量子处理单元。总的来说，中心数字和/或量子处理单元将从只读存储器、随机存取存储器、适于发送量子数据(例如光子)的量子系统或其组合接收指令和数字和/或量子数据。
数字和/或量子计算机的基本元件是用于执行或施行指令的中央处理单元和用于存储指令和数字和/或量子数据的一个或多个存储器装置。中央处理单元和可以由专用逻辑电路或者量子模拟器补充或者并入专用逻辑电路或者量子模拟器中。总的来说，数字和/或量子计算机也包括，或者操作地耦接以从一个或多个海量存储装置接收数字和/或量子数据或者将数字和/或量子数据传送到该一个或多个海量存储装置，或者执行两者，该一个或多个海量存储装置用于存储数字和/或量子数据，且例如是，磁盘、磁光盘、光盘或者适于存储量子信息的量子系统。但是，数字和/或量子计算机不需要具有这种装置。
适于存储数字和/或量子计算机程序指令和数字和/或量子数据的数字和/或量子计算机可读介质包括所有形式的非易失性数字和/或量子存储器、介质和存储器装置，举例来说包括半导体存储器装置，例如，EPROM、EEPROM和闪存存储器装置；磁盘，例如，内部硬盘或者可拆卸盘；磁光盘；CD-ROM和DVD-ROM盘；和量子系统，例如，陷阱原子或者电子。应当理解，量子存储器是可以以高保真度和效率长时间存储量子数据的装置，例如，其中光用于传输和用于存储和保存量子数据的量子特征(比如叠加或者量子相干性)的物质的光-物质接口。
本说明书中描述的各种系统或者其一部分的控制可以以包括指令的数字和/或量子计算机程序产品实现，程序存储在一个或多个非暂态机器可读存储介质上且可在一个或多个数字和/或量子处理装置上执行。本说明书中描述的系统或者其一部分可以各自实现为可以包括一个或多个数字和/或量子处理装置和存储器以存储用于执行本说明书中描述的操作的可执行指令的设备、方法或者系统。
虽然本说明书包括许多特定的实现细节，但这不应当被看作是关于权利要求什么的范围的限制，而是作为可能对特定实施例特定的特征的描述。在单独的实施例的上下文中本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地实现。相反地，单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开地或者以任何适当的子组合实现。此外，虽然特征可能在上面描述为以某些组合动作并且甚至最初要求如此，但来自所要求的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合排除，且所要求的组合可以导向子组合或者子组合的变型。
类似地，虽然在图中以特定次序示出操作，但这不应当被理解为要求这些操作以所示的特定次序或者顺序执行，或者要求执行所有图示的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行过程是有益的。此外，上面描述的实施例中各种系统模块和组件的分开不应当被理解为在所有实施例中需要这种分开，且应当理解所描述的程序组件和系统通常可以在单个软件产品中集成在一起或者封装到多个软件产品中。
已经描述了该主题的特定实施例。其他实施例在以下权利要求的范围内。例如，权利要求中所述的动作可以以不同次序执行而仍然实现期望结果。作为一个示例，在附图中示出的过程不必然需要所示的特定次序或者顺序以实现期望结果。在有些情况下，多任务和并行过程可以是有益的。
Claims (18)
1.一种装置，包括：
量子比特控制器，被配置成：
连接到公共驱动线，产生微波脉冲，并将所述微波脉冲施加到所述公共驱动线，其中每个脉冲对应于相应的多个量子门的多个量子门频率之一；以及
连接到多个量子比特频率控制线，并控制连接到所述多个量子比特频率控制线的相应多个量子比特的单独频率，使得对于每个量子比特，量子比特频率被调整为接近或远离所述公共驱动线上的当前脉冲的量子门频率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述量子比特控制器还被配置成：
确定需要旋转操作的一个或多个量子比特；以及
对于每个需要旋转操作的量子比特：
将所述量子比特频率调谐到所述旋转操作的对应的门频率，以及
使用所述公共驱动线上的微波脉冲来执行旋转操作。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括所述多个量子比特和所述公共驱动线，并且其中所述多个量子比特中的每个量子比特耦合到所述公共驱动线的相等或高度相似长度。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括所述多个量子比特和所述公共驱动线，并且其中所述多个量子比特的每个量子比特耦合到所述公共驱动线的不同长度。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个量子门包括关于X轴和Y轴的π和π/2旋转门。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括单独量子比特频率控制线，并且其中所述单独量子比特频率控制线的布线由面内布线提供。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括单独量子比特频率控制线，并且其中所述单独量子比特频率控制线的布线由面外布线提供。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括多个耦合器，每个耦合器将对应的量子比特耦合到所述公共驱动线，使得多个量子比特耦合到所述公共驱动线，并且其中所述多个耦合器具有相等或高度相似的强度。
9.一种用于单独量子比特激励控制的方法，包括：
从多个量子比特中确定需要旋转操作的一个或多个量子比特；
对于每个需要所述旋转操作的量子比特：
将所述量子比特的频率调谐到所述旋转操作的公共驱动线频率；
使用需要所述旋转操作的一个或多个量子比特所共有的被施加到公共驱动线的微波脉冲来执行所述旋转操作；以及
调谐所述量子比特远离所述旋转操作的公共驱动线频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中通过圆角矩形脉冲来执行将所述量子比特频率调谐到所述旋转操作的公共驱动线频率。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述公共驱动线上的微波脉冲具有成形包络。
12.根据权利要求9所述的方法，其中不同的旋转在不同的量子比特上同时执行。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在不同量子比特上同时执行的不同旋转是使用频域复用和量子比特频率调谐来执行的。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述微波脉冲是单个微波脉冲。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述微波脉冲包括多个微波脉冲。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括在下一个脉冲被施加到所述公共驱动线之前，执行将所述量子比特调谐远离所述旋转操作的公共驱动线频率。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在所述公共驱动线上产生微波脉冲，每个脉冲对应于相应的多个量子门的多个量子门频率之一；
使用所述量子比特频率控制线来控制所述多个量子比特的单独频率，使得对于每个量子比特，所述量子比特频率被调整为接近或远离所述公共驱动线上的当前脉冲的量子门频率。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
确定需要旋转操作的一个或多个量子比特；
对于每个需要旋转操作的量子比特：
将所述量子比特频率调谐到所述旋转操作的对应的门频率；以及
使用所述公共驱动线上的微波脉冲执行所述旋转操作。
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