CN115271075A - 实现双量子位门的方法和电路 - Google Patents

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CN115271075A CN202210884668.1A CN202210884668A CN115271075A CN 115271075 A CN115271075 A CN 115271075A CN 202210884668 A CN202210884668 A CN 202210884668A CN 115271075 A CN115271075 A CN 115271075A
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张耕砚
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Abstract

本发明公开了一种实现双量子位门的方法和电路。其中，该方法包括：将耦合控制信号施加到可调耦合器，其中，可调耦合器为第一数据量子位与第二数据量子位之间的耦合器；通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门。本发明解决了相关技术中双量子位门的精度不高的技术问题。

Description

实现双量子位门的方法和电路
技术领域
本发明涉及量子计算领域，具体而言，涉及一种实现双量子位门的方法和电路。
背景技术
在相关技术中，存在利用电容进行量子比特耦合从而构建双量子位门的方法，但受量子比特自身性质影响，由该方法得出的双量子位门效果并不理想，精度也不够高。
因此，在相关技术中，存在双量子位门的精度不高的技术问题。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种实现双量子位门的方法和电路，以至少解决相关技术中双量子位门的精度不高的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种实现双量子位门的方法，包括：将耦合控制信号施加到可调耦合器，其中，可调耦合器为第一数据量子位与第二数据量子位之间的耦合器；通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门。
可选地，通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门，包括：通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小，实现双量子位门，其中，其它耦合为除纵向耦合之外的耦合。
可选地，通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小，包括：确定耦合控制信号的目标调整参数，其中，目标调整参数包括以下至少之一：耦合控制信号的幅度，耦合控制信号的周期；通过调整耦合控制信号的目标调整参数，得到调整后的耦合控制信号；通过将调整后的耦合控制信号施加到可调耦合器，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小。
可选地，确定耦合控制信号的目标调整参数，包括：确定其它耦合所包括的多个耦合项；分别确定多个耦合项最小时，耦合控制信号对应的候选调整参数；基于预定优化方法以及候选调整参数，确定多个耦合项同时最小时，耦合控制信号的目标调整参数。
可选地，第一数据量子位为第一Fluxonium量子比特，第二数据量子位为第二Fluxonium量子比特。
可选地，第一数据量子位，第二数据量子位以及可调耦合器连接后，形成的结构包括以下至少之一：单环路电感耦合Fluxonium结构，接地双环路SQUID结构和悬空单环路SQUID结构。
可选地，在将耦合控制信号施加到可调耦合器之前，方法还包括：在第一数据量子位，第二数据量子位以及可调耦合器形成的结构为单环路电感耦合Fluxonium结构或接地双环路SQUID结构的情况下，将第一数据量子位，第二数据量子位均调整为磁通甜点状态，将可调耦合器的外部磁通量调整为最小值；在第一数据量子位，第二数据量子位以及可调耦合器形成的结构为悬空单环路SQUID结构的情况下，将第一数据量子位，第二数据量子位均调整为移动甜点状态，将可调耦合器的量子数据比特的纵向作用为最小值；其中，磁通甜点状态为数据量子位的退相干时间达到最大值,移动甜点状态为在对可调耦合器偏移移动后对应的磁通甜点状态。
可选地，耦合控制信号为双曲正切脉冲信号。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种实现双量子位门的电路，包括：第一数据量子位，第二数据量子位，第一数据量子位与第二数据量子位之间的可调耦合器，信号发生器，以及信号控制器，其中，信号发生器，用于产生耦合控制信号，并将耦合量子控制信号施加到可调耦合器；信号控制器，用于通过控制信号发生器调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门。
可选地，信号控制器包括：扫描器和调整器，其中，扫描器，用于对第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合进行扫描，得到其它耦合结果，其中，其它耦合为除纵向耦合之外的耦合；调整器，用于基于其它耦合结果，通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小，实现双量子位门。
可选地，第一Fluxonium量子比特，第二Fluxonium量子比特以及可调耦合器形成的结构包括：单环路电感耦合Fluxonium结构，在单环路电感耦合Fluxonium结构中可调耦合器为第三Fluxonium量子比特。
可选地，在单环路电感耦合Fluxonium结构中，第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感；第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感；第三Fluxonium量子比特的电感为第二电感，第五电感以及第四电感串联后得到的电感。
可选地，第一Fluxonium量子比特，第二Fluxonium量子比特以及可调耦合器形成的结构包括：接地双环路SQUID结构，在接地双环路SQUID结构中可调耦合器包括第一接地环路和第二接地环路。
可选地，在接地双环路SQUID结构中，第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感，其中，第二电感的一端接第一电感，另一端接地；第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感，其中，第四电感的一端接第三电感，另一端接地；第一接地环路由第五电感，第二电感以及约瑟夫森结串联得到，约瑟夫森结的一端接第五电感，另一端接地；第二接地环路由第六电感，第四电感以及约瑟夫森结串联后得到，约瑟夫森结接第五电感的一端接第六电感，另一端接地。
可选地，第一Fluxonium量子比特，第二Fluxonium量子比特以及可调耦合器形成的结构包括：悬空单环路SQUID结构，在悬空单环路SQUID结构中可调耦合器为单环SQUID。
可选地，在悬空单环路SQUID结构中，第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感；第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感；单环SQUID的电感为第二电感和第四电感串联后得到的电感。
可选地，双量子位门为受控相位CZ门。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种量子器件，包括：上述任一项的实现双量子位门的电路，电路用于对量子器件中待处理的目标数据量子位进行逻辑门操作。
可选地，目标数据量子位包括Fluxonium量子比特。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种量子芯片，包括：上述任一项的实现双量子位门的电路，电路用于对量子芯片中待处理的目标数据量子位进行逻辑门操作。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种量子存储器，量子存储器存储有数据量子位，数据量子位基于上述任一项的实现双量子位门的电路进行逻辑门操作得到。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种量子计算机，包括：量子存储器，经典存储器和量子芯片，所述量子存储器存储有数据量子位；所述经典存储器存储有所述量子芯片可执行的程序；所述量子芯片，用于从所述量子存储器读取所述数据量子位，并对读取的所述数据量子位进行逻辑门操作，得到目标量子位，以及将所述目标量子位写入所述量子存储器；所述量子芯片，还用于运行所述经典存储器中存储的程序，从而实现上述任一项所述的实现双量子位门的方法。
根据本发明实施例的还一方面，还提供了一种量子计算机，包括：经典存储器和量子芯片，所述经典存储器存储有所述量子芯片可执行的程序；所述量子芯片，用于运行所述经典存储器中存储的程序，从而实现上述任一项所述的实现双量子位门的方法。
在本发明实施例中，基于第一数据量子位中和第二数据量子位之间的纵向耦合来实现双量子位门，而其它类型的耦合会造成双量子位门的计算误差，因此需要尽可能的保留第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，并使除纵向耦合之外的其它耦合尽可能地小，本实施通过调整施加于可调耦合器的耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，就可以达到上述所需的效果，达到了实现高精双量子位门的目的，从而实现了提高双量子位门计算精度的技术效果，进而解决了相关技术中双量子位门的精度不高的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的实现双量子位门的方法的流程图；
图2是根据本发明可选实施方式的单环路电感耦合Fluxonium结构示意图；
图3a是根据本发明可选实施方式的Fluxonium耦合器空闲点和工作点的能带结构示意图；
图3b是根据本发明另一可选实施方式的Fluxonium耦合器空闲点和工作点的能带结构示意图；
图4是根据本发明可选实施方式的单环路电感耦合Fluxonium结构误差分解示意图；
图5是根据本发明可选实施方式的接地双环路SQUID结构示意图；
图6是根据本发明可选实施方式的接地双环路SQUID结构误差分解示意图；
图7是根据本发明可选实施方式的悬空单环路SQUID结构示意图；
图8是根据本发明可选实施方式的悬空单环路SQUID结构中两数据量子位间的有效耦合示意图；
图9是根据本发明可选实施方式的悬空单环路SQUID结构误差分解示意图；
图10是根据本发明实施例的实现双量子位门的电路示意图；
图11是根据本发明实施例的一种量子计算机的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
首先，在对本申请实施例进行描述的过程中出现的部分名词或术语适用于如下解释：
量子相干性，指量子系统中不同态保持可定义相位关系的状态。量子相干性是保证量子计算正确进行的必要条件。
量子比特，在经典力学系统中，一个比特的状态是唯一的，而量子力学允许量子比特是同一时刻两个状态的叠加，这是量子计算的基本性质。从物理上来说，量子比特就是量子态，因此，量子比特具有量子态的属性。由于量子态的独特量子属性，量子比特具有许多不同于经典比特的特征，这是量子信息科学的基本特征之一。
量子芯片，所谓量子芯片就是将量子线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能。
Fluxonium(磁通量)，一种超导量子比特类型，由约瑟夫森结并联电感、电容构成。
超导量子比特门，量子逻辑可以由一套单量子比特和双量子比特门来完成，其中，双量子比特逻辑门以两个量子比特作为输入，通常，第一个量子比特是控制比特，第二个是目标比特，常见的例子是受控非门(CNOT门)和受控相位门(CZ门或CPHASE门)。一套通用的单量子比特和双量子比特门足以实现一个任意的量子逻辑，同时，每个单量子比特和双量子比特门都是可逆的，也就是说，给定输出状态，可以唯一地确定输入状态。
超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，SQUID)，是一种能测量微弱磁信号的极其灵敏的仪器，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其它物理量，如电压，电流，电阻，电感，磁感应强度，磁场梯度，磁化率等。
实施例1
根据本发明实施例，还提供了一种实现双量子位门的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本申请提供了如图1所示的实现双量子位门的方法。图1是根据本发明实施例的实现双量子位门的方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，将耦合控制信号施加到可调耦合器，其中，可调耦合器为第一数据量子位与第二数据量子位之间的耦合器；
步骤S104，通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门。
通过上述步骤，基于第一数据量子位中和第二数据量子位之间的纵向耦合来实现双量子位门，而其它类型的耦合会造成双量子位门的计算误差，因此需要尽可能的保留第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，并使除纵向耦合之外的其它耦合尽可能地小，本实施通过调整施加于可调耦合器的耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，就可以达到上述所需的效果，达到了实现高精双量子位门的目的，从而实现了提高双量子位门计算精度的技术效果，进而解决了相关技术中双量子位门的精度不高的技术问题。
作为一种可选的实施例，通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门，包括：通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小，实现双量子位门，其中，其它耦合为除纵向耦合之外的耦合。在本实施例中，为利用电感耦合实现基于Fluxonium量子比特的双量子位门，需要利用感性耦合中的纵向耦合，而其它类型的耦合会叠加在纵向耦合上，造成误差，进而降低双量子位门的计算精度，因此，本实施例中通过调整耦合控制信号，来控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合达到需要的状态，即，纵向耦合最大，除纵向耦合之外的其它类型的耦合最小。
作为一种可选的实施例，数据量子位与数据量子位之间的耦合包括横向耦合和纵向耦合，其中，横向耦合和纵向耦合是依据量子比特的量子化轴来描述的。量子化轴方向即为量子比特的0态和1态之间的方向，称为Z轴，而垂直于量子化轴的二维平面由X轴和Y轴组成。与Z轴联系的耦合即为纵向耦合，与X、Y轴联系的耦合即为横向耦合。
作为一种可选的实施例，通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小，包括：确定耦合控制信号的目标调整参数，其中，目标调整参数包括以下至少之一：耦合控制信号的幅度，耦合控制信号的周期；通过调整耦合控制信号的目标调整参数，得到调整后的耦合控制信号；通过将调整后的耦合控制信号施加到可调耦合器，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小。由于除纵向耦合之外的其它类型的耦合会随着控制信号的相位变化周期性旋转的特性，因此，可以在确定了耦合控制信号的信号波形之后，通过对耦合控制信号的目标调整参数，即幅度和周期，来调整耦合控制信号，使得其它类型的耦合随着相位旋转而消除，进而达到仅保留纵向耦合的效果。
作为一种可选的实施例，确定耦合控制信号的目标调整参数，包括：确定其它耦合所包括的多个耦合项；分别确定多个耦合项最小时，耦合控制信号对应的候选调整参数；基于预定优化方法以及候选调整参数，确定多个耦合项同时最小时，耦合控制信号的目标调整参数。为了在耦合控制信号的控制下，其它类型的耦合可以为最小，其中，其它类型耦合包括多个耦合项，即可以对耦合控制信号的调整参数进行多次调整，得到多个候选调整参数，并从多个候选调整参数中选取可以使多个耦合项同时最小的候选调整参数，将其确定为目标调整参数，即可保证采用该目标调整参数对耦合控制信号进行控制实现双量子位门时，第一数据量子位和第二数据量子位之间除纵向耦合外的其它耦合最小，即该状态下的双量子位门计算误差最小。
作为一种可选的实施例，基于预定优化方法以及候选调整参数，确定多个耦合项同时最小时，耦合控制信号的目标调整参数时，该预定优化方法可以包括多种，例如，可以是以多个耦合项同时最小为条件，构造优化函数，通过求解优化函数来得到耦合控制信号的目标调整参数。需要说明的是，在求解优化函数时，可以采用多种方式，例如，通过编制程序，用计算机优化的方式，得到该目标调整参数。
作为一种可选的实施例，第一数据量子位为第一Fluxonium量子比特，第二数据量子位为第二Fluxonium量子比特。Fluxonium量子比特具有相干时间长且操作灵活的特点，采用Fluxonium量子比特作为上述方案中的第一数据量子位和第二数据量子位，可以将Fluxonium量子比特的上述相干时间长、操作灵活的特点发挥到双量子位门的量子计算中，进而使该双量子位门达到高精度量子计算的计算效果。
作为一种可选的实施例，第一数据量子位，第二数据量子位以及可调耦合器连接后，形成的结构包括以下至少之一：单环路电感耦合Fluxonium结构，接地双环路SQUID结构和悬空单环路SQUID结构。
作为一种可选的实施例，在将耦合控制信号施加到可调耦合器之前，方法还包括：在第一数据量子位，第二数据量子位以及可调耦合器形成的结构为单环路电感耦合Fluxonium结构或接地双环路SQUID结构的情况下，将第一数据量子位，第二数据量子位均调整为磁通甜点状态，将可调耦合器的外部磁通量调整为最小值；在第一数据量子位，第二数据量子位以及可调耦合器形成的结构为悬空单环路SQUID结构的情况下，将第一数据量子位，第二数据量子位均调整为移动甜点状态，将可调耦合器的量子数据比特的纵向作用为最小值；其中，磁通甜点状态为数据量子位的退相干时间达到最大值,移动甜点状态为在对可调耦合器偏移移动后对应的磁通甜点状态。为了使第一数据量子位、第二数据量子位和可调耦合器形成的不同结构各自达到较好精度，可以针对不同的结构将第一数据量子位和第二数据量子位调整为各自适合的状态。例如，对于单环路电感耦合Fluxonium结构或接地双环路SQUID结构，可以将第一数据量子位和第二数据量子位调整为磁通甜点状态，可调耦合器的外部磁通量调整为最小值，而对于悬空单环路SQUID结构来说，将第一数据量子位和第二数据量子位调整为磁通甜点状态时该结构并不会达到较好的计算精度，因而将第一数据量子位和第二数据量子位调整为移动甜点状态，可调耦合器的量子数据比特的纵向作用为最小值。
作为一种可选的实施例，耦合控制信号为双曲正切脉冲信号。控制信号的选择可以是多种的，在本实施例中双曲正切脉冲仅作为一种可选的脉冲信号用以举例说明。
基于上述实施例及可选实施例，本发明提出一种可选实施方式，下面进行说明。
由于对直接耦合器件进行调节可能会对邻近的其它器件之间的耦合造成干扰，因此，可以采用可调耦合器来基于超导器件实现双量子位门。同时，在对可调耦合器进行调节时，可以使得所有的数据量子位处于磁通甜点状态，而该磁通甜点状态下的数据量子位与直接耦合状态下相比，也可以持续更长的相干时间。
本发明可选实施方式提供三种基于可调耦合器实现双量子位门的方式，下面进行介绍。
(1)单环路电感耦合Fluxonium结构
图2是根据本发明可选实施方式的单环路电感耦合Fluxonium结构示意图，如图2所示，当Fluxonium量子比特通过感性耦合与另外两个Fluxonium量子比特进行耦合时，该Fluxonium量子比特就可以作为另外两个Fluxonium量子比特的可调耦合器。
该结构下的哈密顿量计算如下：
Figure BDA0003762954400000091
其中，A，B为数据量子位，C为可调耦合器，
Figure BDA0003762954400000092
表示电荷，
Figure BDA0003762954400000093
表示相位，EC为电容的能量，EJ为约瑟夫森结的能量，EL为电感的能量，φext为外部磁通量，JL，ij为电感之间的耦合能量。
图3a是根据本发明可选实施方式的Fluxonium耦合器空闲点和工作点的能带结构示意图，图3b是根据本发明另一可选实施方式的Fluxonium耦合器空闲点和工作点的能带结构示意图，如图3a，图3b所示，当可调耦合器在φext＝0点时，耦合器|1>频带要远高于数据量子位|11>，且它们之间的相互作用并不会产生明显的纵向耦合。而当可调耦合器被放置在工作点时，耦合器|1>接近数据量子位|11>，且它们之间的相互作用会造成数据量子位|11>的能级移动，从而产生大量的纵向耦合，而该纵向耦合就可以用于实现双量子位门。因此，仅通过在可调耦合器上施加一个脉冲信号就可以调节耦合器在空闲点和工作点之间的移动。
由上述单环路电感耦合Fluxonium结构实现的双量子位门主要受到由数据量子位|11>向耦合器|1>能级跃迁时的状态泄露，通过数字仿真可以确定，由此产生的误差项会随着相位快速旋转的，且可以通过调整脉冲的波形和周期来减少误差项。图4是根据本发明可选实施方式的单环路电感耦合Fluxonium结构误差分解示意图，如图4所示，当纵向误差和由状态泄露引起的误差同为最小时，可以确定出一个双量子位门精度较高的状态。其它误差项虽然存在，但影响较小。经过优化后，最小相干误差约为2×10-4。
(2)接地双环路SQUID结构
图5是根据本发明可选实施方式的接地双环路SQUID结构示意图，如图5所示，还可以将SQUID(超导量子干涉仪)作为可调耦合器，其哈密顿量计算公式与上述的Fluxonium耦合器相同。SQUID耦合器和Fluxonium耦合器的区别在于，SQUID中的电容全部来源于约瑟夫森结的电容，因此，其频率非常高(ωc＞10GHz)且SQUID和数据量子位之间的耦合非常强，从而导致横向耦合在空闲点处明显偏离，而削弱单一数据量子位的门操作。这一点可以通过利用接地SQUID关闭数据量子位之间的直接耦合来进行改进。
施加在可调耦合器上的脉冲信号可以使耦合器在空闲点和工作点之间移动来积累纵向耦合。图6是根据本发明可选实施方式的接地双环路SQUID结构误差分解示意图，如图6所示，除纵向耦合之外残留的其它类型的耦合经优化处理后的效果较好，较好状态下的相干误差可低至1×10-4。
(3)悬空单环路SQUID结构
图7是根据本发明可选实施方式的悬空单环路SQUID结构示意图，如图7所示，在悬空单环路SQUID结构中，直接对SQUID耦合器进行施加脉冲信号效果并不好，因此，在悬空单环路SQUID结构中通过重新选择空闲点的方式来对SQUID耦合器进行调节。在该结构中，两数据量子位之间的有效耦合可表示如下：
Figure BDA0003762954400000101
其中，
Figure BDA0003762954400000102
为哈密顿量，
Figure BDA0003762954400000103
表示相位，EC为电容的能量，EJ为约瑟夫森结的能量，EL为电感的能量，φext为外部磁通量，
Figure BDA0003762954400000111
为AC之间的耦合能量，
Figure BDA0003762954400000112
为AB之间的耦合能量。
图8是根据本发明可选实施方式的悬空单环路SQUID结构中两数据量子位间的有效耦合示意图，如图8所示，两数据量子位之间存在一些有效耦合接近零的点，而在横向耦合和纵向耦合都接近零的点处，可以将该点确定为空闲点来使得单一量子比特门达到高精度。
同时，可以通过对SQUID耦合器施加脉冲信号产生纵向耦合的方式来实现双量子位门。图9是根据本发明可选实施方式的悬空单环路SQUID结构误差分解示意图，如图9所示，此时，最大的误差项来源于横向耦合，从图9中可以看出一些仅存在较小的纵向耦合误差和横向耦合误差的路径，而在这两条路径的交叉点处，就可以确定出一个高精度的双量子位门，其相干误差为2×10-4。
根据本发明实施例，还提供了一种用于实施上述实现双量子位门方法的电路，图10是根据本发明实施例的实现双量子位门的电路示意图，如图10所示，该电路包括：第一数据量子位1001，第二数据量子位1002，第一数据量子位与第二数据量子位之间的可调耦合器1003，信号发生器1004，以及信号控制器1005，其中，信号发生器1004，用于产生耦合控制信号，并将耦合量子控制信号施加到可调耦合器；信号控制器1005，用于通过控制信号发生器调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门。
作为一种可选的实施例，上述信号控制器包括：扫描器和调整器，其中，扫描器，用于对第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合进行扫描，得到其它耦合结果，其中，其它耦合为除纵向耦合之外的耦合；调整器，用于基于其它耦合结果，通过调整耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的其它耦合最小，实现双量子位门。
作为一种可选的实施例，耦合控制信号为双曲正切脉冲信号。
作为一种可选的实施例，第一数据量子位为第一Fluxonium量子比特，第二数据量子位为第二Fluxonium量子比特。
作为一种可选的实施例，第一Fluxonium量子比特，第二Fluxonium量子比特以及可调耦合器形成的结构包括：单环路电感耦合Fluxonium结构，在单环路电感耦合Fluxonium结构中可调耦合器为第三Fluxonium量子比特。
作为一种可选的实施例，在单环路电感耦合Fluxonium结构中，第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感；第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感；第三Fluxonium量子比特的电感为第二电感，第五电感以及第四电感串联后得到的电感。
作为一种可选的实施例，第一Fluxonium量子比特，第二Fluxonium量子比特以及可调耦合器形成的结构包括：接地双环路SQUID结构，在接地双环路SQUID结构中可调耦合器包括第一接地环路和第二接地环路。
作为一种可选的实施例，在接地双环路SQUID结构中，第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感，其中，第二电感的一端接第一电感，另一端接地；第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感，其中，第四电感的一端接第三电感，另一端接地；第一接地环路由第五电感，第二电感以及约瑟夫森结串联得到，约瑟夫森结的一端接第五电感，另一端接地；第二接地环路由第六电感，第四电感以及约瑟夫森结串联后得到，约瑟夫森结接第五电感的一端接第六电感，另一端接地。
作为一种可选的实施例，第一Fluxonium量子比特，第二Fluxonium量子比特以及可调耦合器形成的结构包括：悬空单环路SQUID结构，在悬空单环路SQUID结构中可调耦合器为单环SQUID。
作为一种可选的实施例，在悬空单环路SQUID结构中，第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感；第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感；单环SQUID的电感为第二电感和第四电感串联后得到的电感。
作为一种可选的实施例，双量子位门为受控相位CZ门。
根据本发明实施例，还提供了一种量子器件，包括：述任一项的实现双量子位门的电路，电路用于对量子器件中待处理的目标数据量子位进行逻辑门操作。
作为一种可选的实施例，目标数据量子位包括Fluxonium量子比特。
根据本发明实施例，还提供了一种量子芯片，包括：上述任一项的实现双量子位门的电路，电路用于对量子芯片中待处理的目标数据量子位进行逻辑门操作。
作为一种可选的实施例，目标数据量子位包括Fluxonium量子比特。
根据本发明实施例，还提供了一种量子存储器，量子存储器存储有数据量子位，数据量子位基于上述任一项的实现双量子位门的电路进行逻辑门操作得到。
本发明的实施例还可以提供一种量子计算机，该量子计算机可以是量子计算机群中的任意一个量子计算机设备。
可选地，图11是根据本发明实施例的一种量子计算机的结构框图。如图11所示，该量子计算机可以包括：量子存储器1101，经典存储器1102和量子芯片1103，量子存储器存储有数据量子位；经典存储器存储有量子芯片可执行的程序；量子芯片，用于从量子存储器读取数据量子位，并对读取的数据量子位进行逻辑门操作，得到目标量子位，以及将目标量子位写入量子存储器；量子芯片，还用于运行经典存储器中存储的程序，从而实现上述任一项的实现双量子位门的方法。需要说明的是，上述所指的经典存储器是相对于量子存储器而言的，即通常所指的存储器。
可选地，本发明实施例还提供有另一种量子计算机，该量子计算机可以包括：经典存储器和量子芯片。
其中，该经典存储器，存储有量子芯片可执行的程序；量子芯片，用于运行经典存储器中存储的程序，从而实现上述任一项的实现双量子位门的方法。
采用本发明实施例，基于第一数据量子位中和第二数据量子位之间的纵向耦合来实现双量子位门，而其它类型的耦合会造成双量子位门的计算误差，因此需要尽可能的保留第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，并使除纵向耦合之外的其它耦合尽可能地小，本实施通过调整施加于可调耦合器的耦合控制信号，在预定时间内打开第一数据量子位和第二数据量子位之间的纵向耦合，就可以达到上述所需的效果，达到了实现高精双量子位门的目的，从而实现了提高双量子位门计算精度的技术效果，进而解决了相关技术中双量子位门的精度不高的技术问题。
本领域普通技术人员可以理解，图11所示的结构仅为示意，图11其并不对上述的结构造成限定。例如，量子计算机还可包括比图11中所示更多或者更少的组件，或者具有与图11所示不同的配置。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令终端设备相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(RandomAccess Memory，RAM)、磁盘或光盘等。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种实现双量子位门的方法，其特征在于，包括：
将耦合控制信号施加到可调耦合器，其中，所述可调耦合器为第一数据量子位与第二数据量子位之间的耦合器；
通过调整所述耦合控制信号，在预定时间内打开所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过调整所述耦合控制信号，在预定时间内打开所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门，包括：
通过调整所述耦合控制信号，在预定时间内打开所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的其它耦合最小，实现双量子位门，其中，所述其它耦合为除所述纵向耦合之外的耦合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过调整所述耦合控制信号，在预定时间内打开所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的其它耦合最小，包括：
确定所述耦合控制信号的目标调整参数，其中，所述目标调整参数包括以下至少之一：所述耦合控制信号的幅度，所述耦合控制信号的周期；
通过调整所述耦合控制信号的所述目标调整参数，得到调整后的耦合控制信号；
通过将所述调整后的耦合控制信号施加到所述可调耦合器，在预定时间内打开所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的其它耦合最小。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定所述耦合控制信号的目标调整参数，包括：
确定所述其它耦合所包括的多个耦合项；
分别确定所述多个耦合项最小时，所述耦合控制信号对应的候选调整参数；
基于预定优化方法以及所述候选调整参数，确定所述多个耦合项同时最小时，所述耦合控制信号的目标调整参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数据量子位为第一Fluxonium量子比特，所述第二数据量子位为第二Fluxonium量子比特。
6.一种实现双量子位门的电路，其特征在于，包括：第一数据量子位，第二数据量子位，所述第一数据量子位与所述第二数据量子位之间的可调耦合器，信号发生器，以及信号控制器，其中，
所述信号发生器，用于产生耦合控制信号，并将所述耦合量子控制信号施加到所述可调耦合器；
所述信号控制器，用于通过控制所述信号发生器调整所述耦合控制信号，在预定时间内打开所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的纵向耦合，实现双量子位门。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述信号控制器包括：扫描器和调整器，其中，
所述扫描器，用于对所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的其它耦合进行扫描，得到其它耦合结果，其中，所述其它耦合为除所述纵向耦合之外的耦合；
所述调整器，用于基于所述其它耦合结果，通过调整所述耦合控制信号，在预定时间内打开所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的纵向耦合，以及控制所述第一数据量子位和所述第二数据量子位之间的其它耦合最小，实现双量子位门。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一数据量子位为第一Fluxonium量子比特，所述第二数据量子位为第二Fluxonium量子比特。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述第一Fluxonium量子比特，所述第二Fluxonium量子比特以及所述可调耦合器形成的结构包括：单环路电感耦合Fluxonium结构，在所述单环路电感耦合Fluxonium结构中所述可调耦合器为第三Fluxonium量子比特。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，在所述单环路电感耦合Fluxonium结构中，
所述第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感；
所述第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感；
所述第三Fluxonium量子比特的电感为所述第二电感，第五电感以及所述第四电感串联后得到的电感。
11.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述第一Fluxonium量子比特，所述第二Fluxonium量子比特以及所述可调耦合器形成的结构包括：接地双环路SQUID结构，在所述接地双环路SQUID结构中所述可调耦合器包括第一接地环路和第二接地环路。
12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，在所述接地双环路SQUID结构中，
所述第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感，其中，所述第二电感的一端接所述第一电感，另一端接地；
所述第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感，其中，所述第四电感的一端接所述第三电感，另一端接地；
所述第一接地环路由第五电感，所述第二电感以及约瑟夫森结串联得到，所述约瑟夫森结的一端接所述第五电感，另一端接地；
所述第二接地环路由第六电感，所述第四电感以及约瑟夫森结串联后得到，所述约瑟夫森结接所述第五电感的一端接所述第六电感，另一端接地。
13.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述第一Fluxonium量子比特，所述第二Fluxonium量子比特以及所述可调耦合器形成的结构包括：悬空单环路SQUID结构，在所述悬空单环路SQUID结构中所述可调耦合器为单环SQUID。
14.根据权利要求13所述的电路，其特征在于，在所述悬空单环路SQUID结构中，
所述第一Fluxonium量子比特的电感为第一电感和第二电感串联后得到的电感；
所述第二Fluxonium量子比特的电感为第三电感和第四电感串联后得到的电感；
所述单环SQUID的电感为所述第二电感和所述第四电感串联后得到的电感。
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