CN115511096B - 量子比特结构以及量子芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子比特结构以及量子芯片。量子比特结构包括多个比特组、与多个比特组一一对应的多个比特树以及与每一比特树对应的中心谐振腔,比特组包括四个数据量子比特,比特树包括至少两个辅助量子比特,比特组内的所有数据量子比特与对应比特树内的所有辅助量子比特耦合,且任意一个辅助量子比特最多与三个数据量子比特耦合,数据量子比特的频率被设置为不可调,辅助量子比特的频率被设置为可调,以使得比特树内的辅助量子比特耦合到对应的中心谐振腔。由于辅助量子比特与数据量子比特耦合,并且可以通过调节频率使辅助量子比特耦合到对应的中心谐振腔,从而本发明能够优化辅助量子比特的数量,避免稳定子测量出错。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算技术领域,特别是涉及一种量子比特结构以及量子芯片。
背景技术
量子比特对噪声非常敏感,非常容易受到噪声的影响,从而引起比特翻转或相位翻转错误,这种易错性是阻碍量子计算实现其伟大前景的最大问题。为了在错误信息接收之前对其进行检测和纠正,业内提出了很多纠错方案。目前,在大规模纠错提案中,主力是“表面码”。
目前,表面码依赖于以二维网格布置的物理量子比特,这是因为表面码的稳定子需要辅助量子比特跟周围4个数据量子比特近邻耦合,而二维网格很容易构造出满足条件的辅助量子比特和数据量子比特。但是,量子比特以更复杂的网格排布时,为了实现更高的稳定子测量保真度,需要辅助量子比特的数量尽可能少,因为辅助量子比特的数量越多,稳定子测量越容易出错。然而,目前还没有关于对辅助量子比特的数量进行优化的研究,现有技术采用的是将4个数据量子比特之间的全部量子比特构造为辅助量子比特。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子比特结构以及量子芯片,以解决现有技术难以优化辅助量子比特的数量的问题,能够优化辅助量子比特的数量,避免稳定子测量出错。
为解决上述技术问题,本发明提供一种量子比特结构,包括多个比特组、与所述多个比特组一一对应的多个比特树以及与每一所述比特树对应的中心谐振腔,所述比特组包括四个数据量子比特,所述比特树包括至少两个辅助量子比特,所述比特组内的所有数据量子比特与对应所述比特树内的所有辅助量子比特耦合,且任意一个辅助量子比特最多与三个数据量子比特耦合,所述数据量子比特的频率被设置为不可调,所述辅助量子比特的频率被设置为可调,以使得所述比特树内的辅助量子比特耦合到对应的中心谐振腔。
优选的,所述比特组内与对应比特树内同一个辅助量子比特耦合的数据量子比特的数量不超过两个。
优选的,所述比特组内的每一数据量子比特仅与对应所述比特树内的一个辅助量子比特耦合。
优选的,至少部分所述比特组存在重叠的数据量子比特。
优选的,在两个所述比特树存在重叠的辅助量子比特时,所述两个比特树所对应的中心谐振腔相同。
优选的,不同的中心谐振腔的频率不同。
优选的,所述中心谐振腔、所述数据量子比特、所述辅助量子比特在空间上位于同一平面。
优选的,所述数据量子比特和所述辅助量子比特在空间上位于同一平面,所述中心谐振腔与所述辅助量子比特空间上位于不同平面。
优选的,所述数据量子比特和所述辅助量子比特被布置在多维网格中。
优选的,所述多维网格为重六边形结构,每个六边形的顶点布置所述数据量子比特或所述辅助量子比特。
为解决上述技术问题,本发明还提供一种量子芯片,包括前述任一项所述的量子比特结构。
区别于现有技术的情况,本发明提供的量子比特结构提供多个比特组、多个比特树和多个中心谐振腔,比特组包括四个数据量子比特,比特树包括至少两个辅助量子比特,比特组内的所有数据量子比特与对应比特树内的所有辅助量子比特耦合,且任意一个辅助量子比特最多与三个数据量子比特耦合,由于辅助量子比特与数据量子比特耦合,并且可以通过调节频率使辅助量子比特耦合到对应的中心谐振腔,可以最大限度地减少辅助量子比特的数量,从而能够优化辅助量子比特的数量,避免稳定子测量出错,并且由于数据量子比特的频率被设置为不可调,其构造更简单,可以降低比特制造工艺上的复杂性,降低对数据量子比特退相干时间的限制。
本发明提供的量子芯片包括上述量子比特结构,与量子比特结构属于同一发明构思,因此具有相同的有益效果,在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例的量子比特结构的原理示意图。
图2为比特树包含2个辅助量子比特时,辅助量子比特与数据量子比特的耦合关系示意图。
图3为比特树包含3个辅助量子比特时,辅助量子比特与数据量子比特的耦合关系示意图。
图4为比特树包含4个辅助量子比特时,辅助量子比特与数据量子比特的耦合关系示意图。
图5为本发明实施例的量子比特结构中辅助量子比特和数据量子比特被布置为多维网格时的部分网格示意图。
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。
请参考图1,本发明实施例提供了一种量子比特结构。量子比特结构包括多个比特组110、与多个比特组110一一对应的多个比特树120以及与每一比特树120对应的中心谐振腔130,比特组110包括四个数据量子比特111,比特树120包括至少两个辅助量子比特121,比特组110内的所有数据量子比特111与对应比特树120内的所有辅助量子比特121耦合,且任意一个辅助量子比特121最多与三个数据量子比特111耦合,数据量子比特111的频率被设置为不可调,辅助量子比特121的频率被设置为可调,以使得比特树120内的辅助量子比特121耦合到对应的中心谐振腔130。
本申请中的耦合是指通过耦合器实现最近邻相互作用,耦合器可以是电容等器件。
由于比特组110内的所有数据量子比特111与对应比特树120内的所有辅助量子比特121耦合,且任意一个辅助量子比特121最多与三个数据量子比特111耦合,那么比特树120内的每一个辅助量子比特121都会耦合一个数据量子比特111,但比特组110内的4个数据量子比特111不能同时耦合同1个辅助量子比特121。
数据量子比特111和辅助量子比特121在物理上都映射的是物理量子比特,物理量子比特通常由电容、约瑟夫森结、谐振器、XY信号控制线、Z信号控制线等组成。根据物理量子比特的排列布局方式,每个比特组110对应的比特树120包含的辅助量子比特121的数量可能不同,但考虑到辅助量子比特121的数量优化,比特树120包含的辅助量子比特121的数量最好不超过4个。如图1所示,三个比特树120包含的辅助量子比特121的数量分别为2个、3个和4个,图中虚线表示耦合,空心圆表示数据量子比特,带叉字形的圆表示辅助量子比特。当比特树120包含2个辅助量子比特121时,可以设置1个辅助量子比特121耦合3个数据量子比特111,另一个辅助量子比特121耦合剩下的1个数据量子比特111,或者1个辅助量子比特121耦合2个数据量子比特111,另一个辅助量子比特121耦合剩下的2个数据量子比特111。当比特树120包含3个辅助量子比特121时,可以设置1个辅助量子比特121耦合2个数据量子比特111,剩下的2个辅助量子比特121分别耦合剩下的2个数据量子比特111。当比特树120包含4个辅助量子比特121时,4个辅助量子比特121分别耦合4个数据量子比特111。
在本实施例的量子比特结构中,比特组110内的数据量子比特111没有同时耦合比特树120内的同一个辅助量子比特121,但是比特树120内的所有辅助量子比特121耦合到中心谐振腔130,而辅助量子比特121的频率被设置为可调,那么通过调节辅助量子比特121的频率可以使辅助量子比特121之间实现相互耦合,通过这种耦合关系可以测量到任意一个辅助量子比特121的状态,也就是说,比特树120内的所有辅助量子比特121相当于一个辅助量子比特121,这样就满足了合成表面码的稳定子测量电路的测量条件,即需要辅助量子比特跟周围4个数据量子比特近邻耦合。由于辅助量子比特与数据量子比特耦合,并且可以通过调节频率使辅助量子比特耦合到对应的中心谐振腔,可以最大限度地减少辅助量子比特的数量,从而能够优化辅助量子比特的数量,避免稳定子测量出错。
数据量子比特的频率不可调,其映射到物理量子比特上,物理量子比特只需要使用一个约瑟夫森结,所以物理量子比特的构造简单,从而可以降低比特制造工艺上的复杂性,降低对数据量子比特退相干时间的限制。
在本申请的一些实施例中,比特组110内与对应比特树120内同一个辅助量子比特121耦合的数据量子比特111的数量不超过两个。进一步的,为了减少数据量子比特和辅助量子比特之间的耦合数量,比特组110内的每一数据量子比特111仅与对应比特树120内的一个辅助量子比特121耦合。如图2所示,比特树120的辅助量子比特121为2个,2个辅助量子比特121都耦合到中心谐振腔130,比特组110内的2个数据量子比特111耦合到1个辅助量子比特121,另外2个数据量子比特111耦合到另1个辅助量子比特121。如图3所示,比特树120的辅助量子比特121为3个,3个辅助量子比特121都耦合到中心谐振腔130,比特组110内的2个数据量子比特111耦合到1个辅助量子比特121,另外1个数据量子比特111耦合到另1个辅助量子比特121,剩下的1个数据量子比特111耦合到剩下的1个辅助量子比特121。如图4所示,比特树120的辅助量子比特121为4个,4个辅助量子比特121都耦合到中心谐振腔130,比特组110内的4个数据量子比特111分别耦合到4个辅助量子比特121。
在本申请的一些实施例中,为了减少数据量子比特的数量,至少部分比特组存在重叠的数据量子比特。不同的比特组重叠的数据量子比特可以是0个,也可以是1个或者2个。如图1所示,相邻的两个比特组110重叠的数据量子比特111为2个。进一步的,为了减少中心谐振腔的数量,在两个比特树存在重叠的辅助量子比特时,两个比特树所对应的中心谐振腔相同。如图1所示,图中上方两个比特树120存在2个重叠的辅助量子比特121,这两个比特树120内的辅助量子比特121耦合的中心谐振腔130可以是同一个。
需要说明的是,虽然数据量子比特、辅助量子比特、中心谐振腔的数量减少了,但是对稳定子测量的效率带来一定影响,因为存在辅助量子比特重叠的两个比特树不能同时进行稳定子测量,在一个比特树进行稳定子测量时,需要调节另一个比特树内非重叠的辅助量子比特的频率,使它们与中心谐振腔解耦。
在本申请的一些实施例中,不同的中心谐振腔130的频率不同。为了提高稳定子测量的效率,同时测量尽可能多的稳定子,但多个比特树120同时进行稳定子测量时,多个比特树120对应的中心谐振腔130可能相互干扰。而不同的中心谐振腔130的频率不同,可以避免这种干扰。
在本申请的一些实施例中,中心谐振腔130、数据量子比特111、辅助量子比特121在空间上位于同一平面,或者数据量子比特111和辅助量子比特121在空间上位于同一平面,中心谐振腔130与数据量子比特111、辅助量子比特121空间上位于不同平面。例如承载中心谐振腔130的介质倒装在承载数据量子比特111、辅助量子比特121的介质上,然后利用硅通孔将两个介质的互接。
在本申请的一些实施例中,数据量子比特111和辅助量子比特121被布置在多维网格中。多维网格可以是重六边形结构、重八边形结构等网格结构,本申请的多维网格优选为重六边形结构,每个六边形的顶点布置数据量子比特111或辅助量子比特121。由于比特树120内的辅助量子比特121耦合到中心谐振腔130,它们之间可以相互耦合,或者部分相互耦合,又或者相互不耦合,对于以多维网格布置的物理量子比特而言,辅助量子比特更容易构造。如图5所示,数据量子比特和辅助量子比特按照重六边形结构布置,数据量子比特用空心圆表示,辅助量子比特用带叉字形的圆表示,实心圆表示未被映射为数据量子比特或辅助量子比特的物理量子比特。图中,包含数据量子比特Q1、Q3、Q13、Q16的比特组对应的比特树包含辅助量子比特Q2、Q14、Q15,辅助量子比特Q2不与辅助量子比特Q14、Q15耦合,但是辅助量子比特Q2、Q14与Q15耦合到同一个中心谐振腔。包含数据量子比特Q1、Q3、Q6、Q9的比特组对应的比特树包含辅助量子比特Q2、Q7、Q8,辅助量子比特Q2与辅助量子比特Q8耦合,辅助量子比特Q8与辅助量子比特Q7耦合,而且辅助量子比特Q2、Q7与Q8耦合到同一个中心谐振腔。
本申请还提供一种量子芯片,量子芯片包括前述实施例的量子比特结构。
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 (8)
1.一种量子比特结构,其特征在于,包括多个比特组、与所述多个比特组一一对应的多个比特树以及与每一所述比特树对应的中心谐振腔,所述比特组包括四个数据量子比特,所述比特树包括两到四个辅助量子比特,所述比特组内的所有数据量子比特与对应所述比特树内的所有辅助量子比特耦合,且任意一个辅助量子比特最多与三个数据量子比特耦合,所述数据量子比特的频率被设置为不可调,所述辅助量子比特的频率被设置为可调,以使得所述比特树内的辅助量子比特耦合到对应的中心谐振腔;
其中,所述比特组内与对应比特树内同一个辅助量子比特耦合的数据量子比特的数量不超过两个,所述比特组内的每一数据量子比特仅与对应所述比特树内的一个辅助量子比特耦合;
所述数据量子比特和所述辅助量子比特被布置在多维网格中;
当所述比特树的辅助量子比特为两个时,所述比特组内的两个数据量子比特耦合到一个辅助量子比特,另外两个数据量子比特耦合到另一个辅助量子比特;
当所述比特树的辅助量子比特为三个时,所述比特组内的两个数据量子比特耦合到一个辅助量子比特,另外两个数据量子比特分别耦合到另外两个辅助量子比特;
当所述比特树的辅助量子比特为四个时,所述比特组内的四个数据量子比特分别耦合到四个辅助量子比特。
2.根据权利要求1所述的量子比特结构,其特征在于,至少部分所述比特组存在重叠的数据量子比特。
3.根据权利要求2所述的量子比特结构,其特征在于,在两个所述比特树存在重叠的辅助量子比特时,所述两个比特树所对应的中心谐振腔相同。
4.根据权利要求1所述的量子比特结构,其特征在于,不同的中心谐振腔的频率不同。
5.根据权利要求1所述的量子比特结构,其特征在于,所述中心谐振腔、所述数据量子比特、所述辅助量子比特在空间上位于同一平面。
6.根据权利要求1所述的量子比特结构,其特征在于,所述数据量子比特和所述辅助量子比特在空间上位于同一平面,所述中心谐振腔与所述辅助量子比特空间上位于不同平面。
7.根据权利要求1所述的量子比特结构,其特征在于,所述多维网格为重六边形结构,每个六边形的顶点布置所述数据量子比特或所述辅助量子比特。
8.一种量子芯片,其特征在于,包括根据权利要求1至7任一项所述的量子比特结构。
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