CN115659905A - 超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法及装置 - Google Patents

超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法及装置 Download PDF

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CN115659905A CN202211304717.6A CN202211304717A CN115659905A CN 115659905 A CN115659905 A CN 115659905A CN 202211304717 A CN202211304717 A CN 202211304717A CN 115659905 A CN115659905 A CN 115659905A
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Abstract

本公开提供了一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法及装置，涉及量子计算技术领域，具体涉及超导量子芯片技术领域。具体实现方案为：获取第一量子芯片的结构版图，所述第一量子芯片包括第一量子组合器件，所述第一量子组合器件包括相互耦合的两个第一量子器件；基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比；基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值，所述第一关系为器件电感能量占比与所述第一变量的关系；基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度。

Description

超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法及装置
技术领域
本公开涉及量子计算技术领域，尤其涉及超导量子芯片技术领域，具体涉及一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法及装置。
背景技术
随着超导量子芯片的规模化发展，除了对于微纳加工技术提出更高要求之外，在正式流片前对芯片的仿真验证也至关重要。仿真验证的目的是尽可能真实地描述出芯片的特征参数，使得研究人员可以在设计阶段更好地预测芯片的性能指标，减少量子芯片微纳加工的试错成本。
目前，对于超导量子芯片的仿真验证通常是通过等效电路法，即将超导量子芯片等效为电路模型，并基于等效电路模型进行超导量子芯片的仿真验证，从而得到量子芯片中两个量子器件的耦合强度。
发明内容
本公开提供了一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法及装置。
根据本公开的第一方面，提供了一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法，包括：
获取第一量子芯片的结构版图，所述第一量子芯片包括第一量子组合器件，所述第一量子组合器件包括相互耦合的两个第一量子器件；
基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，所述第一器件电感能量占比为：所述本征模式下存储在所述第一量子器件中的第一电感能量相对于所述本征模式下存储在所述第一量子芯片中的第二电感能量的占比；
基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值，所述第一关系为器件电感能量占比与所述第一变量的关系；
基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度，所述第二关系为量子组合器件的耦合强度与第一目标信息的关系，所述第一目标信息包括所述第一变量和量子芯片在本征模式下的本征频率。
根据本公开的第二方面，提供了一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定装置，包括：
获取模块，用于获取第一量子芯片的结构版图，所述第一量子芯片包括第一量子组合器件，所述第一量子组合器件包括相互耦合的两个第一量子器件；
第一确定模块，用于基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，所述第一器件电感能量占比为：所述本征模式下存储在所述第一量子器件中的第一电感能量相对于所述本征模式下存储在所述第一量子芯片中的第二电感能量的占比；
第二确定模块，用于基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值，所述第一关系为器件电感能量占比与所述第一变量的关系；
第三确定模块，用于基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度，所述第二关系为量子组合器件的耦合强度与第一目标信息的关系，所述第一目标信息包括所述第一变量和量子芯片在本征模式下的本征频率。
根据本公开的第三方面，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；其中，
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第一方面中的任一项方法。
根据本公开的第四方面，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第一方面中的任一项方法。
根据本公开的第五方面，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第一方面中的任一项方法。
根据本公开的技术解决了对超导量子芯片的仿真验证效果比较差的问题，提高了超导量子芯片的仿真验证效果，从而提高了两个量子器件之间的耦合强度的确定准确性。
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
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1是根据本公开第一实施例的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法的流程示意图；
图2是两个量子比特耦合结构的版图；
图3是一个量子比特和谐振腔耦合结构的版图；
图4是本公开提供的一具体示例的流程示意图；
图5是两个量子比特耦合结构版图对应的耦合强度结果对比图；
图6是量子比特和谐振腔耦合结构版图对应的耦合强度结果对比图；
图7是根据本公开第二实施例的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定装置的结构示意图；
图8是用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。
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和精神。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。
第一实施例
如图1所示，本公开提供一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法，包括如下步骤：
步骤S101：获取第一量子芯片的结构版图，所述第一量子芯片包括第一量子组合器件，所述第一量子组合器件包括相互耦合的两个第一量子器件。
本实施例中，超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法涉及量子计算技术领域，尤其涉及超导量子芯片技术领域，其可以广泛应用于超导量子芯片的仿真验证场景下。本公开实施例的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法，可以由本公开实施例的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定装置执行。本公开实施例的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定装置可以配置在任意电子设备中，以执行本公开实施例的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法。
该步骤中，第一量子芯片可以为任一量子芯片，量子芯片可以为超导量子芯片，作为超导电路技术方案的核心载体，超导量子芯片的研发至关重要。与经典芯片类似，在正式生产和加工之前，超导量子芯片也需要一个完整的结构版图。该结构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。
第一量子芯片可以包括第一量子组合器件，第一量子组合器件的结构可以为耦合结构，如两个量子比特耦合结构，第一量子组合器件可以包括相互耦合的两个第一量子器件，第一量子器件可以为量子比特、谐振腔等，也就是说，两个第一量子器件可以为两个量子比特，两个第一量子器件可以一个为量子比特，一个为谐振腔。以下实施例中，将以两个第一量子器件均为量子比特为例进行详细说明。
超导量子芯片的仿真验证是设计阶段不可或缺的一环，相关技术中，通常可以采用等效电路法对超导量子电路进行仿真验证，具体可以将量子芯片版图中的连续导体视作等势体，并按照节点电势法进行等效电路建模，节点之间用电容或者电感连接；之后通过电磁场仿真软件仿真出节点间的电容、电感等参数；对等效电路模型进行量子化得到表征量子芯片体系的完整哈密顿量，并且可以同时获取到相关的特征参数，该特征参数可以包括相互耦合的两个量子器件之间的耦合强度，从而实现对超导量子芯片的仿真验证。
然而，等效电路法采取的近似较多，等效电路法将连续导体视为等势体，在高频电磁场下，连续导体不能被视作一个等势体，因此该方法会与真实的物体环境有所差别，计算结果也会有一定差距。
本实施例的目的即在于：确定超导量子芯片版图中，第一量子组合器件中第一量子器件的器件电感能量占比(inductance Energy Participation Ratio，iEPR)，该器件电感能量占比(iEPR)可以作为连接第一量子芯片物理体系中的裸态与缀饰态信息之间的桥梁，利用器件电感能量占比能够完整构建出裸态与缀饰态的哈密顿量之间的变换矩阵，有助于进一步确定第一量子芯片的关键特征参数如裸态频率、耦合强度、非谐性等。
在诸多特征参数中，量子器件之间的耦合强度是一个重点指标，耦合强度与双量子比特门的性能息息相关。因此，尽可能精确地仿真出该特征参数对于量子芯片设计和研发至关重要。相应的，可以根据确定的iEPR与耦合强度的转化关系，确定出第一量子组合器件中两个第一量子器件之间的耦合强度，从而可以实现对超导量子芯片的仿真验证。
在核心量子器件中，最重要的量子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。在实践中，会先设计一个衬底(通常由硅或者蓝宝石实现)，在衬底上镀一层铝膜，通过在铝膜上刻蚀不同的形状来形成量子比特的自电容，且非线性器件约瑟夫森结会设计在两个金属板之间。
该量子芯片可以包括量子组合器件，其可以存在两种耦合结构。
如图2所示是量子组合器件为两个量子比特耦合结构的版图，该结构版图中最中央的十字是一块金属板，最中央的十字外面的十字型阴影区域是刻蚀掉的部分，十字型阴影区域外面的部分是接地的金属层。在中央十字型金属板与外面接地金属层之间插入一个约瑟夫森结(黑色部分)。在实际电磁仿真中，该约瑟夫森结通常用一个等效集总电感来实现。
如图3所示是量子组合器件为量子比特和谐振腔耦合结构的版图，左侧的十字结构为量子比特，十字中间的黑色部分矩形表示量子比特的约瑟夫森结，这里设置为一个集总电感来模拟，右侧的结构为谐振腔，该版图仅量子比特含有约瑟夫森结。
第一量子芯片的结构版图的获取方式包括但不限于获取预先存储的版图、获取用户输入的量子芯片版图。
步骤S102：基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，所述第一器件电感能量占比为：所述本征模式下存储在所述第一量子器件中的第一电感能量相对于所述本征模式下存储在所述第一量子芯片中的第二电感能量的占比。
该步骤中，第一器件电感器件占比为本征模式下存储在第一量子器件中的第一电感能量相对于本征模式下存储在第一量子芯片中的第二电感能量的占比。器件电感能量占比用于基于量子芯片在本征模式下的缀饰态信息确定量子芯片在本征模式下的裸态信息，缀饰态信息为量子芯片所构成的量子系统的本征态信息，裸态信息为量子器件的本征态信息。
其中，针对量子组合器件中每个量子器件，其均对应有器件电感能量占比，该量子器件对应的器件电感能量占比可以包括该量子器件在量子芯片的每个本征模式下的器件电感能量占比。
由于各个量子器件的耦合，量子芯片可以包括多个本征模式，其本征模式的数量通常与量子器件的数量相关，如量子芯片包括两个量子器件时，通常可以包括两个本征模式，分别为第一本征模式和第二本征模式。
量子器件在本征模式下的器件电感能量占比可以为：本征模式下存储在量子器件的第一电感能量相对于本征模式下存储在量子芯片中的第二电感能量的占比，当量子芯片本征模式包括第一本征模式和第二本征模式时，量子器件在本征模式下的器件电感能量占比包括第一本征模式下量子器件的器件电感能量占比和第二本征模式下该量子器件的器件电感能量占比。
本征模式m中量子器件k的器件电感能量占比如下式(1)所示。
Figure BDA0003905300510000061
其中，
Figure BDA0003905300510000062
为本征模式m下存储在量子器件k的第一电感能量，
Figure BDA0003905300510000063
为本征模式m下存储在量子芯片中的第二电感能量。
在一可选实施方式中，可以将该结构版图置于电磁场仿真环境中进行量子芯片的仿真，得到仿真输出信息，该仿真输出信息可以包括量子芯片的等效电路模型的相关参数信息，如电容、电感信息等。可以基于量子芯片的等效电路模型的相关参数信息，基于相关参数信息，采用哈密顿量建模方式确定量子器件在本征模式下的器件电感能量占比。
在另一可选实施方式中，可以对该结构版图进行高频电磁场仿真，即对输入的版图进行本征模式求解，得到仿真输出信息，该仿真输出信息可以包括量子芯片在高频电磁场的本征模式下的缀饰态信息，缀饰态信息可以为量子芯片所构成的量子系统的本征态信息，为各个量子器件相互耦合的整体量子系统的信息表征。缀饰态信息可以包括量子芯片本征模式的频率和电磁场分布信息等，电磁场分布信息可以表征量子芯片在不同本征模式下辐射在空间中的电磁场分布，如电磁场分布信息可以包括本征模式m在空间中的电场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000071
磁场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000072
以及量子芯片的表面电流密度
Figure BDA0003905300510000073
等。
可以基于电磁场分布信息，确定第一量子芯片在本征模式下的电磁场能量信息；基于电磁场能量信息，确定量子器件在所述本征模式下的器件电感能量占比。
步骤S103：基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值，所述第一关系为器件电感能量占比与所述第一变量的关系。
下面步骤中，可以利用仿真得到的数据以及iEPR，求解两个第一量子器件之间的耦合强度。在两体系统(第一量子组合器件)中，可以引入中间变量θ即第一变量，预先确定的第一关系(第一关系为iEPR与θ的关系)包括：p11＝p22＝cos2θ，p12＝p21＝sin2θ。
可知，只需要得到任一量子器件在本征模式下的器件电感能量占比，即可以得到中间变量θ的值，即目标值。
步骤S104：基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度，所述第二关系为量子组合器件的耦合强度与第一目标信息的关系，所述第一目标信息包括所述第一变量和量子芯片在本征模式下的本征频率。
该步骤中，第一本征频率为第一量子芯片的缀饰态信息，可以对该结构版图进行高频电磁场仿真，得到第一量子芯片的缀饰态信息，缀饰态信息可以包括第一量子芯片在各个本征模式下的第一本征频率，如两体系统中，第一本征频率的数量可以为两个，分别为第一本征模式的频率ω′1和第二本征模式的频率ω′2。
在一可选实施方式中，第二关系可以采用如下式(2)表示。
Figure BDA0003905300510000081
在得到中间变量θ、ω′1和ω′2的基础上，即可基于上式(2)确定第一量子组合器件的第一耦合强度。之后，可以输出第一耦合强度，以实现第一量子芯片的仿真验证。
本实施例中，通过获取第一量子芯片的结构版图；基于结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比；基于第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值；基于目标值、预先获取的第一量子芯片在本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定第一量子组合器件的第一耦合强度。如此，可以利用量子器件在本征模式下的器件电感能量占比，实现对量子芯片的重要特征参数即两个量子器件之间的耦合强度的确定，从而可以实现对量子芯片的仿真验证，提高量子芯片的设计效率和准确性。
可选的，所述第一关系包括以下至少一项：
量子组合器件包含的两个量子器件中的一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p11＝cos2θ；
量子组合器件包含的两个量子器件中的另一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p12＝sin2θ；
其中，p11和p12为两个量子器件在同一本征模式下的器件电感能量占比，θ为所述第一变量。
可以从两体系统的哈密顿量出发，对哈密顿量进行一系列变换处理，结合器件电感能量占比的定义和量子力学量的期望值与经典值的对应关系，确定第一关系，其确定和验证方式将在后面实施方式中进行详细说明。
可选的，所述步骤S104之前，还包括：
确定量子组合器件在量子芯片的裸态下第一哈密顿量的第一表征参量，所述第一表征参量是基于量子组合器件的耦合强度的参量；
基于由所述第一变量构造得到的变换矩阵、所述第一表征参量、预先获取的量子组合器件在量子芯片的缀饰态下第二哈密顿量的第二表征参量的三者关系，确定第三关系和第四关系，所述变换矩阵用于将所述第一表征参量变换至所述第二表征参量，所述第二表征参量是基于量子芯片在本征模式下的本征频率的参量，所述第三关系为量子芯片在缀饰态下的本征频率与量子芯片在裸态下的本征频率的关系，所述第四关系为所述第一变量与第二目标信息的关系，所述第二目标信息包括耦合强度和量子芯片在裸态下的本征频率；
基于所述第三关系，对所述第四关系进行变换，得到所述第二关系。
本实施方式中，可以从裸态下量子组合器件的哈密顿量出发，对其进行变换，得到量子组合器件在量子芯片的裸态下第一哈密顿量的第一表征参量，第一表征参量是基于量子组合器件的耦合强度的参量，第一表征参量如下式(3)所示。
Figure BDA0003905300510000091
其中，上式(3)中，
Figure BDA0003905300510000092
ω1和ω2为量子芯片在裸态下的本征频率，即量子组合器件所包括的两个量子器件的本征频率，g为两个量子器件之间的耦合强度。
相应的，可以从缀饰态下量子芯片的哈密顿量出发，对其进行变换，得到量子芯片的缀饰态下第二哈密顿量的第二表征参量。第二表征参量可以为
Figure BDA0003905300510000093
ω′1和ω′2为量子芯片在本征模式下的本征频率。
可以基于第一变量构造变换矩阵，变换矩阵可以为
Figure BDA0003905300510000094
该变换矩阵可以将裸态表象下的哈密顿量变换为对角矩阵，消除耦合项，建立裸态表象和缀饰态表象的联系，得到变换矩阵、第一表征参量、预先获取的量子组合器件在量子芯片的缀饰态下第二哈密顿量的第二表征参量的三者关系，可以采用下式(4)表示。
Figure BDA0003905300510000101
从上式(4)可以得到第三关系，用下式(5)和(6)表示，以及可以得到第四关系，用下式(7)表示。
Figure BDA0003905300510000102
Figure BDA0003905300510000103
Figure BDA0003905300510000104
之后，可以基于第三关系，将ω1替换为ω′1，将ω2替换为ω′2，从而可以得到第二关系，如上式(2)所示。如此，可以实现第二关系的确定。
可选的，所述变换矩阵为：
Figure BDA0003905300510000105
其中，R(θ)为变换矩阵，θ为第一变量。
本实施方式中，基于第一变量构造的变换矩阵可以将裸态表象下的哈密顿量变换为对角矩阵，消除耦合项，建立裸态表象和缀饰态表象的联系。
可选的，所述确定量子组合器件在量子芯片的裸态下第一哈密顿量的第一表征参量，包括：
获取裸态下量子组合器件的第三哈密顿量；
对所述第三哈密顿量进行一次量子化，得到二次型的所述第一哈密顿量；
对所述第一哈密顿量进行形式转换，得到所述第一表征参量。
本实施方式中，可以从裸态下量子组合器件的第三哈密顿量出发，在一可选实施方式中，电容耦合的两个量子比特的第三哈密顿量
Figure BDA0003905300510000107
用下式(8)表示。
Figure BDA0003905300510000106
其中，Q1和Q2为电荷量，Φ1和Φ2为电感磁通量，C1、C2和Cg为电容，L1和L2为电感。
对上式(8)所示的哈密顿量进行一次量子化，可以做如下变量代换。
Figure BDA0003905300510000111
Figure BDA0003905300510000112
其中，ω1和ω2为两个量子比特的频率，x1和x2为新的广义坐标，p1和p2为广义动量，得到如下式(9)所示的第一哈密顿量。
Figure BDA0003905300510000113
因为一次量子化形式的第一哈密顿量是二次型，可以将其写成矩阵相乘形式，如下式(10)所示。
Figure BDA0003905300510000114
如此，可以得到如下式(3)所示的第一表征参量，其中，耦合强度表达式为
Figure BDA0003905300510000115
可选的，所述步骤S103之前，还包括：
确定第五关系和第六关系，所述第五关系为本征模式下存储在量子器件中的电感能量与基于量子器件在本征模式下的电感参量确定的电感能量的关系，所述第六关系为本征模式下存储在量子芯片中的电感能量与量子芯片在缀饰态下第四哈密顿量的关系；
基于所述第五关系和所述第六关系，确定量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与第三目标信息的第七关系，所述第三目标信息包括所述电感参量和所述第四哈密顿量；
基于所述第一变量，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符，并基于转化后的二次量子化算符进行量子态的算符运算，得到第一目标参量，所述第一目标参量是基于所述第一变量的参量；
对所述第四哈密顿量进行量子态的算符运算，得到第二目标参量；
基于所述第一目标参量和所述第二目标参量，对所述第七关系进行变换，得到第一关系。
可选的，所述基于所述第一变量，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符，包括：
确定所述电感参数与量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符的第八关系；
基于所述第一变量，确定量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符与量子芯片在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符的第九关系；
确定量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符和二次量子化算符的第十关系；
基于所述第八关系、所述第九关系和所述第十关系，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符。
可选的，所述第九关系包括：x1＝cosθx′1-sinθx′2，x2＝sinθx′1+cosθx′2；
其中，x1和x2为量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符，x′1和x′2为量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符，θ为所述第一变量。
可选的，所述对所述第四哈密顿量进行量子态的算符运算，得到第二目标参量，包括：
对所述第四哈密顿量进行二次量子化，得到所述第四哈密顿量的二次量子化算符表征；
对所述二次量子化算符表征进行量子态的算符运算，得到第二目标参量。
本实施方式中，根据量子力学的原理，量子力学量的期望值可以与经典值对应，可以得到第五关系和第六关系，分别用下式(11)和(12)表示。
Figure BDA0003905300510000121
Figure BDA0003905300510000122
其中，上式(11)和(12)中，
Figure BDA0003905300510000123
表示量子力学中本征模式m下量子器件k(k为1、2)的电感能期望值，
Figure BDA0003905300510000124
为量子芯片的电容能，电容能与空间中的电场能相等，
Figure BDA0003905300510000125
表示量子力学中本征模式m下量子芯片的总能量期望值，总能量包含电感能和电容能，而电容能与电感能相等，因此，总能量期望值等于二倍的电感能，
Figure BDA0003905300510000126
为缀饰态表象下，两个量子比特之间的第四哈密顿量。
基于iEPR在量子理论层面的定义，基于第五关系和第六关系，可以得到第七关系，如下式(13)所示。
Figure BDA0003905300510000131
进一步的，对于变换矩阵，其可以建立裸态表象下一次量子化的哈密顿量算符与缀饰态表象下的一次量子化的哈密顿量算符之间的联系，如下式(14)所示。
Figure BDA0003905300510000132
其中，x1、x2、p1和p2为裸态表象下的一次量子化的哈密顿量算符，x1′、x2′、p1′和p2′为缀饰态表象下的一次量子化的哈密顿量算符。
从上式(14)可以得出裸态表象下一次量子化的哈密顿量算符和缀饰态表象下一次量子化的哈密顿量算符之间的关系(即第九关系)，如下式(15)和(16)所示。
x1＝cosθx′1-sinθx′2 (15)
x2＝sinθx′1+cosθx′2 (16)
其中，缀饰态表象下一次量子化的哈密顿量算符和二次量子化的哈密顿量算符之间的关系(即第十关系)如下式(17)和(18)所示，以及缀饰态表象下的哈密顿量的二次量子化表达式如下式(19)所示。
Figure BDA0003905300510000133
Figure BDA0003905300510000138
Figure BDA0003905300510000134
由
Figure BDA0003905300510000135
和
Figure BDA0003905300510000136
(即第八关系)，以及上式(15)、(16)(即第九关系)和(19)，可以将上式(13)进行变换，以本征模式1下量子器件1的器件电感能量占比为例，得到下式(20)。
Figure BDA0003905300510000137
其中，上式(20)可以进一步推导如下：
Figure BDA0003905300510000141
根据量子光学的相关原理，存在如下关系。
Figure BDA0003905300510000142
其中，|modem,n>是缀饰态的频率ω′m所对应的量子态，
Figure BDA0003905300510000143
a′m是定义在{|modem,n＞}缀饰态空间的光子数产生、湮灭算符。n表示|modem,n>的平均光子数，n为一个任意值，随着|modem,n>的平均光子数而变化。在之后的推导中，可以将|modem,n＞简写为|modem>。
进一步地，基于上式(17)和(18)(第十关系)，将缀饰态表象下一次量子化的哈密顿量算符转化为二次量子化的哈密顿量算符，并基于量子光学的相关原理，基于转化后的二次量子化算符进行量子态的算符运算，具体如下：
由于x′2与|mode1＞无关，因此存在如下关系。
Figure BDA0003905300510000144
而x′1 2对应的项为：
Figure BDA0003905300510000145
Figure BDA0003905300510000151
即第一目标参量为
Figure BDA0003905300510000152
同时，对第四哈密顿量进行量子态的算符运算，得到第二目标参量。具体为，对于上式(20)的分母部分，其推导如下：
Figure BDA0003905300510000153
即第二目标参量为
Figure BDA0003905300510000154
相应的，上式(20)可以继续推导得到下式(21)的关系，即第一关系。
Figure BDA0003905300510000155
而p12、p21和p22可以采用相同方式进行推导，得到下式(22)、(23)和(24)的关系。
Figure BDA0003905300510000156
Figure BDA0003905300510000157
Figure BDA0003905300510000158
可知，iEPR满足如下性质：
行、列归一性：p11+p12＝p11+p21＝p12+p22＝p21+p22＝1
iEPR均为实数。
本实施方式中，可以实现第一关系的确定。
可选的，所述步骤S102具体包括：
基于所述结构版图，对所述第一量子芯片进行仿真，得到仿真输出信息；
基于所述仿真输出信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
本实施方式中，在一可选实施方式中，可以将该结构版图置于电磁场仿真环境中进行量子芯片的仿真，得到仿真输出信息，该仿真输出信息可以包括量子芯片的等效电路模型的相关参数信息，如电容、电感信息等。可以基于量子芯片的等效电路模型的相关参数信息，基于相关参数信息，采用哈密顿量建模方式确定量子器件在本征模式下的器件电感能量占比。
在另一可选实施方式中，可以对该结构版图进行高频电磁场仿真，即对输入的版图进行本征模式求解，得到仿真输出信息，该仿真输出信息可以包括量子芯片在高频电磁场的本征模式下的缀饰态信息，缀饰态信息可以为量子芯片所构成的量子系统的本征态信息，为各个量子器件相互耦合的整体量子系统的信息表征。缀饰态信息可以包括量子芯片本征模式的频率和电磁场分布信息等，电磁场分布信息可以表征量子芯片在不同本征模式下辐射在空间中的电磁场分布，如电磁场分布信息可以包括本征模式m在空间中的电场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000161
磁场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000162
以及量子芯片的表面电流密度
Figure BDA0003905300510000163
等。
可以基于电磁场分布信息，确定量子芯片在本征模式下的电磁场能量信息；基于电磁场能量信息，确定量子器件在所述本征模式下的器件电感能量占比。
如此，可以通过仿真方式确定第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
可选的，所述基于所述结构版图，对所述第一量子芯片进行仿真，得到仿真输出信息，包括：
对所述结构版图进行本征模式求解，得到所述第一量子芯片在高频电磁场的所述本征模式下的电磁场分布信息，所述仿真输出信息包括所述电磁场分布信息；
所述基于所述仿真输出信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，包括：
基于所述电磁场分布信息，确定所述第一量子芯片在所述本征模式下的电磁场能量信息；
基于所述电磁场能量信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
本实施方式中，可以对该结构版图进行有限元方法的高频电磁场仿真，即对输入的版图进行本征模式求解，得到仿真输出信息，该仿真输出信息可以包括第一量子芯片在高频电磁场的本征模式下的缀饰态信息。
其中，缀饰态信息可以包括第一量子芯片本征模式的频率和电磁场分布信息等，电磁场分布信息可以表征第一量子芯片在不同本征模式下辐射在空间中的电磁场分布，如电磁场分布信息可以包括本征模式m在空间中的电场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000171
磁场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000172
以及第一量子芯片的表面电流密度
Figure BDA0003905300510000173
等。
本实施方式中，通过采用高频电磁场仿真，采取的近似更少，考虑了高频电磁场所带来的导体自身的电感效应，更加接近实际情况，准确性更高，同时适用于全频率区间(不同器件间的频率差可以处于任意区间)的耦合情况，对于超导量子芯片设计与仿真有着重要的实用价值。
相应的，可以基于本征模式m在空间中的电场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000174
磁场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000175
以及第一量子芯片的表面电流密度
Figure BDA0003905300510000176
等，结合第一量子芯片的相关参数信息(如第一量子器件的约瑟夫森结的参量信息、电场辐射信息和磁场辐射信息等)确定各个本征模式下的电磁场能量信息。其中，电磁场能量信息可以包括不同本征模式m在量子器件k的约瑟夫森结上的电感能、不同本征模式m在空间中总的电场能、不同本征模式m在空间中总的磁场能等。
在得到电磁场能量信息的基础上，可以基于该电磁场能量信息，确定第一量子芯片中各个量子器件在不同本征模式下的器件电感能量占比。如此，可以基于高频电磁场仿真的方式，实现对器件电感能量占比的确定。
以下详细介绍如何基于电磁场分布信息，实现对器件电感能量占比的确定。
电磁场分布信息可以包括第一量子芯片的表面电流密度
Figure BDA0003905300510000177
可以基于电流密度和第一量子器件如量子比特的约瑟夫森结的参量信息，确定本征模式下第一量子器件如量子比特的约瑟夫森结上的电感能，用下式(25)表示。
Figure BDA0003905300510000178
其中，k为1,2，
Figure BDA0003905300510000179
为量子器件k的约瑟夫森节的电感，
Figure BDA00039053005100001710
为量子器件k的约瑟夫森结在版图中表示为等效集总电感时的长度，上式(25)的积分范围是
Figure BDA00039053005100001711
表示积分面积为版图中约瑟夫森结等效电感的面积，以上为约瑟夫森结的参量信息，均为已知量。
所述电磁场分布信息可以包括本征模式下第一量子芯片辐射在空间中的电场强度峰值分布，可以基于电场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000181
和第一量子芯片的电场辐射信息，确定本征模式m下第一量子芯片辐射在空间中总的电场能，用下式(26)所示。
Figure BDA0003905300510000182
其中，
Figure BDA0003905300510000183
表示电场强度峰值分布的复共轭，
Figure BDA0003905300510000184
表示空间中不同位置处的介电张量，上式(26)的积分范围是V，V表示空间体积，以上为电场辐射信息，均为已知量。
另外，电磁场分布信息可以包括本征模式下第一量子芯片辐射在空间中的磁场强度峰值分布
Figure BDA0003905300510000185
可以基于磁场强度峰值分布和第一量子芯片的磁场辐射信息，确定本征模式m下第一量子芯片辐射在空间中总的磁场能，用下式(27)所示。
Figure BDA0003905300510000186
其中，
Figure BDA0003905300510000187
表示磁场强度峰值分布的复共轭，
Figure BDA0003905300510000188
表示空间中不同位置处的磁导率张量，上式(27)的积分范围是V，V表示空间体积，以上为磁场辐射信息，均为已知量。
可以按照第一量子器件在两个本征模式下的约瑟夫森结的电感能占比进行空间中的磁场能分配，用下式(28)表示。
Figure BDA0003905300510000189
第一量子器件在不同本征模式下的器件电感能量占比的第一关系为：p11+p21＝1，用下式(29)所示。
Figure BDA00039053005100001810
Figure BDA00039053005100001811
和
Figure BDA00039053005100001812
为电场能。
联立上式(28)和(29)，可以得到
Figure BDA00039053005100001813
和
Figure BDA00039053005100001814
如此，可以实现第一量子器件分别在第一本征模式和第二本征模式下辐射在空间中的磁场能，该方式对于磁场能的分配具有场景普适性。
进一步的，电磁场中电感能、电容能、电场能、磁场能的关系可以为
Figure BDA00039053005100001815
表示本征模式m中储存的总电感能，
Figure BDA00039053005100001816
表示本征模式下储存的总电容能，
Figure BDA00039053005100001817
表示本征模式在空间中的总电场能，
Figure BDA0003905300510000191
表示本征模式m在空间中总的磁场能，
Figure BDA0003905300510000192
表示本征模式m在kinetic电感中存储的能量，约瑟夫森结的等效集总电感就属于kinetic电感。
可知，本征模式m中储存的总电感能与本征模式m在空间中总的电场能相等。因此，根据电磁场能量信息中的电场能，可以得到第一量子器件分别在本征模式1和本征模式2的器件电感能量占比，分别为
Figure BDA0003905300510000193
和
Figure BDA0003905300510000194
如此，可以实现第一量子器件在各个本征模式下的器件电感能量占比。
可选的，所述两个第一量子器件中至少一个量子器件包括约瑟夫森结。通过约瑟夫森结上的电感能，可以实现第一量子芯片辐射在空间中的磁场能的分配，从而可以确定本征模式下存储在第一量子器件中的第一电感能量，进而实现器件电感能量占比的确定。
在一可选实施方式中，本实施例的整体流程如图4所示，上述步骤均在前面已经详细阐述，这里不再进行赘述。与相关的等效电路方法相比，基于高频电磁场仿真，将高频场带来的效应考虑其中，采取的近似更少、更加接近实际情况，对于超导量子芯片的设计和验证工作具有重要的实用价值。
下面以具体的实例进行所确定的耦合强度的有效性验证。分别利用本实施例的方法以及等效电路方法求解出耦合强度，并进行对比，验证本实施例的有效性。
可以分别对量子比特耦合版图(如图2)以及量子比特与谐振腔耦合版图(如图3所示)进行仿真，利用本实施例的方法以及等效电路方法确定耦合强度并对比。
如图2所示为含有两个量子比特结构的版图，其中，左侧的十字结构为Q1，右侧的十字结构为Q2，黑色部分为模拟约瑟夫森结线性部分的集总电感元件，通过调整该电感值可以调节Q1或者Q2的本征频率。
可以设定左侧量子比特Q1的约瑟夫森电感值固定为7nH，右侧量子比特Q2的约瑟夫森电感值由3nH到11nH逐步变化，两者方法确定的耦合强度的对比如图5所示。
其中，散点和虚线表示的数据为采用本实施例方法所确定的耦合强度，连续曲线表示的数据为等效电路方法确定的耦合强度。由该图5可以看出，本实施例的方法确定的耦合强度与等效电路方法所确定的耦合强度非常接近，趋势吻合，证明本实施例方法计算结果的正确性。另外，可以看到本实施例方法的结果略小于等效电路方法的结果，这是因为本实施例方法完全考虑到了高频电磁场环境，在仿真中采取的近似更少，结果更加接近实际情况。
如图3所示，可以设置量子比特的约瑟夫森电感值由4nH到9nH逐步变化，两者方法所确定的耦合强度对比如图6所示。其中，散点以及虚线表示的数据为本实施方法的耦合强度结果，连续曲线表示的数据为等效电路方法的耦合强度结果。由该图6可以看出，本实施方法的耦合强度结果与等效电路方法的耦合强度结果趋势基本吻合。并且可以看出，随着量子比特电感值的增大，等效电路方法与本实施方法的结果差距越小，这是因为随着电感增大，量子比特对应模式的频率也会降低，频率越低，等效电路的假设就越有效，因此越接近真实情况，这也证明与等效电路方法相比，本实施例方法得到的结果更加符合真实情况。
第二实施例
如图7所示，本公开提供一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定装置700，包括：
获取模块701，用于获取第一量子芯片的结构版图，所述第一量子芯片包括第一量子组合器件，所述第一量子组合器件包括相互耦合的两个第一量子器件；
第一确定模块702，用于基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，所述第一器件电感能量占比为：所述本征模式下存储在所述第一量子器件中的第一电感能量相对于所述本征模式下存储在所述第一量子芯片中的第二电感能量的占比；
第二确定模块703，用于基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值，所述第一关系为器件电感能量占比与所述第一变量的关系；
第三确定模块704，用于基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度，所述第二关系为量子组合器件的耦合强度与第一目标信息的关系，所述第一目标信息包括所述第一变量和量子芯片在本征模式下的本征频率。
可选的，所述第一关系包括以下至少一项：
量子组合器件包含的两个量子器件中的一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p11＝cos2θ；
量子组合器件包含的两个量子器件中的另一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p12＝sin2θ；
其中，p11和p12为两个量子器件在同一本征模式下的器件电感能量占比，θ为所述第一变量。
可选的，所述装置还包括：
第四确定模块，用于确定量子组合器件在量子芯片的裸态下第一哈密顿量的第一表征参量，所述第一表征参量是基于量子组合器件的耦合强度的参量；
第五确定模块，用于基于由所述第一变量构造得到的变换矩阵、所述第一表征参量、预先获取的量子组合器件在量子芯片的缀饰态下第二哈密顿量的第二表征参量的三者关系，确定第三关系和第四关系，所述变换矩阵用于将所述第一表征参量变换至所述第二表征参量，所述第二表征参量是基于量子芯片在本征模式下的本征频率的参量，所述第三关系为量子芯片在缀饰态下的本征频率与量子芯片在裸态下的本征频率的关系，所述第四关系为所述第一变量与第二目标信息的关系，所述第二目标信息包括耦合强度和量子芯片在裸态下的本征频率；
第一变换模块，用于基于所述第三关系，对所述第四关系进行变换，得到所述第二关系。
可选的，所述变换矩阵为：
Figure BDA0003905300510000211
其中，R(θ)为变换矩阵，θ为第一变量。
可选的，第四确定模块，具体用于：
获取裸态下量子组合器件的第三哈密顿量；
对所述第三哈密顿量进行一次量子化，得到二次型的所述第一哈密顿量；
对所述第一哈密顿量进行形式转换，得到所述第一表征参量。
可选的，所述装置还包括：
第六确定模块，用于确定第五关系和第六关系，所述第五关系为本征模式下存储在量子器件中的电感能量与基于量子器件在本征模式下的电感参量确定的电感能量的关系，所述第六关系为本征模式下存储在量子芯片中的电感能量与量子芯片在缀饰态下第四哈密顿量的关系；
第七确定模块，用于基于所述第五关系和所述第六关系，确定量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与第三目标信息的第七关系，所述第三目标信息包括所述电感参量和所述第四哈密顿量；
第一算符运算模块，用于基于所述第一变量，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符，并基于转化后的二次量子化算符进行量子态的算符运算，得到第一目标参量，所述第一目标参量是基于所述第一变量的参量；
第二算符运算模块，用于对所述第四哈密顿量进行量子态的算符运算，得到第二目标参量；
第二变换模块，用于基于所述第一目标参量和所述第二目标参量，对所述第七关系进行变换，得到第一关系。
可选的，所述第一算符运算模块，具体用于：
确定所述电感参数与量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符的第八关系；
基于所述第一变量，确定量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符与量子芯片在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符的第九关系；
确定量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符和二次量子化算符的第十关系；
基于所述第八关系、所述第九关系和所述第十关系，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符。
可选的，所述第九关系包括：x1＝cosθx′1-sinθx′2，x2＝sinθx′1+cosθx′2；
其中，x1和x2为量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符，x′1和x′2为量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符，θ为所述第一变量。
可选的，所述第二算符运算模块，具体用于：
对所述第四哈密顿量进行二次量子化，得到所述第四哈密顿量的二次量子化算符表征；
对所述二次量子化算符表征进行量子态的算符运算，得到第二目标参量。
可选的，所述第一确定模块702包括：
仿真单元，用于基于所述结构版图，对所述第一量子芯片进行仿真，得到仿真输出信息；
确定单元，用于基于所述仿真输出信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
可选的，所述仿真单元，具体用于对所述结构版图进行本征模式求解，得到所述第一量子芯片在高频电磁场的所述本征模式下的电磁场分布信息，所述仿真输出信息包括所述电磁场分布信息；
所述确定单元，具体用于基于所述电磁场分布信息，确定所述第一量子芯片在所述本征模式下的电磁场能量信息；基于所述电磁场能量信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
可选的，所述两个第一量子器件中至少一个量子器件包括约瑟夫森结。
本公开提供的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定装置700能够实现超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法实施例实现的各个过程，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，这里不再赘述。
本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的收集、存储、使用、加工、传输、提供和公开等处理，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。
根据本公开的实施例，本公开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。
图8示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，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8所示，设备800包括计算单元801，其可以根据存储在只读存储器(ROM)802中的计算机程序或者从存储单元808加载到随机访问存储器(RAM)803中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 803中，还可存储设备800操作所需的各种程序和数据。计算单元801、ROM 802以及RAM 803通过总线804彼此相连。输入/输出(I/O)接口805也连接至总线804。
设备800中的多个部件连接至I/O接口805，包括：输入单元806，例如键盘、鼠标等；输出单元807，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元808，例如磁盘、光盘等；以及通信单元809，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元809允许设备800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。
计算单元801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801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801执行上文所描述的各个方法和处理，例如超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法。例如，在一些实施例中，超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法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808。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 802和/或通信单元809而被载入和/或安装到设备800上。当计算机程序加载到RAM803并由计算单元801执行时，可以执行上文描述的超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元801可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法。
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)、负载可编程逻辑设备(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执行也可以不同的次序执行，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。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (27)

1.一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定方法，包括：
获取第一量子芯片的结构版图，所述第一量子芯片包括第一量子组合器件，所述第一量子组合器件包括相互耦合的两个第一量子器件；
基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，所述第一器件电感能量占比为：所述本征模式下存储在所述第一量子器件中的第一电感能量相对于所述本征模式下存储在所述第一量子芯片中的第二电感能量的占比；
基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值，所述第一关系为器件电感能量占比与所述第一变量的关系；
基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度，所述第二关系为量子组合器件的耦合强度与第一目标信息的关系，所述第一目标信息包括所述第一变量和量子芯片在本征模式下的本征频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一关系包括以下至少一项：
量子组合器件包含的两个量子器件中的一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p11＝cos2θ；
量子组合器件包含的两个量子器件中的另一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p12＝sin2θ；
其中，p11和p12为两个量子器件在同一本征模式下的器件电感能量占比，θ为所述第一变量。
3.根据权利要求1所述的方法，所述基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度之前，还包括：
确定量子组合器件在量子芯片的裸态下第一哈密顿量的第一表征参量，所述第一表征参量是基于量子组合器件的耦合强度的参量；
基于由所述第一变量构造得到的变换矩阵、所述第一表征参量、预先获取的量子组合器件在量子芯片的缀饰态下第二哈密顿量的第二表征参量的三者关系，确定第三关系和第四关系，所述变换矩阵用于将所述第一表征参量变换至所述第二表征参量，所述第二表征参量是基于量子芯片在本征模式下的本征频率的参量，所述第三关系为量子芯片在缀饰态下的本征频率与量子芯片在裸态下的本征频率的关系，所述第四关系为所述第一变量与第二目标信息的关系，所述第二目标信息包括耦合强度和量子芯片在裸态下的本征频率；
基于所述第三关系，对所述第四关系进行变换，得到所述第二关系。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述变换矩阵为：
Figure FDA0003905300500000021
其中，R(θ)为变换矩阵，θ为第一变量。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述确定量子组合器件在量子芯片的裸态下第一哈密顿量的第一表征参量，包括：
获取裸态下量子组合器件的第三哈密顿量；
对所述第三哈密顿量进行一次量子化，得到二次型的所述第一哈密顿量；
对所述第一哈密顿量进行形式转换，得到所述第一表征参量。
6.根据权利要求1所述的方法，所述基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值之前，还包括：
确定第五关系和第六关系，所述第五关系为本征模式下存储在量子器件中的电感能量与基于量子器件在本征模式下的电感参量确定的电感能量的关系，所述第六关系为本征模式下存储在量子芯片中的电感能量与量子芯片在缀饰态下第四哈密顿量的关系；
基于所述第五关系和所述第六关系，确定量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与第三目标信息的第七关系，所述第三目标信息包括所述电感参量和所述第四哈密顿量；
基于所述第一变量，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符，并基于转化后的二次量子化算符进行量子态的算符运算，得到第一目标参量，所述第一目标参量是基于所述第一变量的参量；
对所述第四哈密顿量进行量子态的算符运算，得到第二目标参量；
基于所述第一目标参量和所述第二目标参量，对所述第七关系进行变换，得到第一关系。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述基于所述第一变量，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符，包括：
确定所述电感参数与量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符的第八关系；
基于所述第一变量，确定量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符与量子芯片在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符的第九关系；
确定量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符和二次量子化算符的第十关系；
基于所述第八关系、所述第九关系和所述第十关系，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第九关系包括：x1＝cosθx′1-sinθx′2，x2＝sinθx′1+cosθx′2；
其中，x1和x2为量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符，x′1和x′2为量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符，θ为所述第一变量。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述对所述第四哈密顿量进行量子态的算符运算，得到第二目标参量，包括：
对所述第四哈密顿量进行二次量子化，得到所述第四哈密顿量的二次量子化算符表征；
对所述二次量子化算符表征进行量子态的算符运算，得到第二目标参量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，包括：
基于所述结构版图，对所述第一量子芯片进行仿真，得到仿真输出信息；
基于所述仿真输出信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述基于所述结构版图，对所述第一量子芯片进行仿真，得到仿真输出信息，包括：
对所述结构版图进行本征模式求解，得到所述第一量子芯片在高频电磁场的所述本征模式下的电磁场分布信息，所述仿真输出信息包括所述电磁场分布信息；
所述基于所述仿真输出信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，包括：
基于所述电磁场分布信息，确定所述第一量子芯片在所述本征模式下的电磁场能量信息；
基于所述电磁场能量信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述两个第一量子器件中至少一个量子器件包括约瑟夫森结。
13.一种超导量子芯片版图中量子器件间的耦合强度确定装置，包括：
获取模块，用于获取第一量子芯片的结构版图，所述第一量子芯片包括第一量子组合器件，所述第一量子组合器件包括相互耦合的两个第一量子器件；
第一确定模块，用于基于所述结构版图，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比，所述第一器件电感能量占比为：所述本征模式下存储在所述第一量子器件中的第一电感能量相对于所述本征模式下存储在所述第一量子芯片中的第二电感能量的占比；
第二确定模块，用于基于所述第一器件电感能量占比和预先确定的第一关系，确定第一变量的目标值，所述第一关系为器件电感能量占比与所述第一变量的关系；
第三确定模块，用于基于所述目标值、预先获取的所述第一量子芯片在所述本征模式下的第一本征频率和预先确定的第二关系，确定所述第一量子组合器件的第一耦合强度，所述第二关系为量子组合器件的耦合强度与第一目标信息的关系，所述第一目标信息包括所述第一变量和量子芯片在本征模式下的本征频率。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一关系包括以下至少一项：
量子组合器件包含的两个量子器件中的一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p11＝cos2θ；
量子组合器件包含的两个量子器件中的另一个量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与所述第一变量的关系为：p12＝sin2θ；
其中，p11和p12为两个量子器件在同一本征模式下的器件电感能量占比，θ为所述第一变量。
15.根据权利要求13所述的装置，还包括：
第四确定模块，用于确定量子组合器件在量子芯片的裸态下第一哈密顿量的第一表征参量，所述第一表征参量是基于量子组合器件的耦合强度的参量；
第五确定模块，用于基于由所述第一变量构造得到的变换矩阵、所述第一表征参量、预先获取的量子组合器件在量子芯片的缀饰态下第二哈密顿量的第二表征参量的三者关系，确定第三关系和第四关系，所述变换矩阵用于将所述第一表征参量变换至所述第二表征参量，所述第二表征参量是基于量子芯片在本征模式下的本征频率的参量，所述第三关系为量子芯片在缀饰态下的本征频率与量子芯片在裸态下的本征频率的关系，所述第四关系为所述第一变量与第二目标信息的关系，所述第二目标信息包括耦合强度和量子芯片在裸态下的本征频率；
第一变换模块，用于基于所述第三关系，对所述第四关系进行变换，得到所述第二关系。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述变换矩阵为：
Figure FDA0003905300500000051
其中，R(θ)为变换矩阵，θ为第一变量。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，第四确定模块，具体用于：
获取裸态下量子组合器件的第三哈密顿量；
对所述第三哈密顿量进行一次量子化，得到二次型的所述第一哈密顿量；
对所述第一哈密顿量进行形式转换，得到所述第一表征参量。
18.根据权利要求13所述的装置，还包括：
第六确定模块，用于确定第五关系和第六关系，所述第五关系为本征模式下存储在量子器件中的电感能量与基于量子器件在本征模式下的电感参量确定的电感能量的关系，所述第六关系为本征模式下存储在量子芯片中的电感能量与量子芯片在缀饰态下第四哈密顿量的关系；
第七确定模块，用于基于所述第五关系和所述第六关系，确定量子器件在本征模式下的器件电感能量占比与第三目标信息的第七关系，所述第三目标信息包括所述电感参量和所述第四哈密顿量；
第一算符运算模块，用于基于所述第一变量，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符，并基于转化后的二次量子化算符进行量子态的算符运算，得到第一目标参量，所述第一目标参量是基于所述第一变量的参量；
第二算符运算模块，用于对所述第四哈密顿量进行量子态的算符运算，得到第二目标参量；
第二变换模块，用于基于所述第一目标参量和所述第二目标参量，对所述第七关系进行变换，得到第一关系。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述第一算符运算模块，具体用于：
确定所述电感参数与量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符的第八关系；
基于所述第一变量，确定量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符与量子芯片在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符的第九关系；
确定量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符和二次量子化算符的第十关系；
基于所述第八关系、所述第九关系和所述第十关系，将所述电感参量转化为缀饰态下的二次量子化算符。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第九关系包括：x1＝cosθx′1-sinθx′2，x2＝sinθx′1+cosθx′2；
其中，x1和x2为量子组合器件在裸态下哈密顿量的一次量子化算符，x′1和x′2为量子组合器件在缀饰态下哈密顿量的一次量子化算符，θ为所述第一变量。
21.根据权利要求18所述的装置，其中，所述第二算符运算模块，具体用于：
对所述第四哈密顿量进行二次量子化，得到所述第四哈密顿量的二次量子化算符表征；
对所述二次量子化算符表征进行量子态的算符运算，得到第二目标参量。
22.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一确定模块包括：
仿真单元，用于基于所述结构版图，对所述第一量子芯片进行仿真，得到仿真输出信息；
确定单元，用于基于所述仿真输出信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述仿真单元，具体用于对所述结构版图进行本征模式求解，得到所述第一量子芯片在高频电磁场的所述本征模式下的电磁场分布信息，所述仿真输出信息包括所述电磁场分布信息；
所述确定单元，具体用于基于所述电磁场分布信息，确定所述第一量子芯片在所述本征模式下的电磁场能量信息；基于所述电磁场能量信息，确定所述第一量子器件在本征模式下的第一器件电感能量占比。
24.根据权利要求13所述的装置，其中，所述两个第一量子器件中至少一个量子器件包括约瑟夫森结。
25.一种电子设备，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1-12中任一项所述的方法。
26.一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1-12中任一项所述的方法。
27.一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据权利要求1-12中任一项所述的方法。
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