CN115902442A - 量子比特噪声强度系数测量方法、系统和量子计算机 - Google Patents
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Abstract
本申请属于量子计算领域,涉及一种量子比特的噪声强度系数测量方法、系统和量子计算机,本申请通过获取待测量子比特的非谐和构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,再获取所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间,并基于所述能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特的纯退相干速率,最后基于所述频率测量值和非谐、所述非对称性和所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。本申请提供了一种可以有效测量所述量子芯片中量子比特的噪声强度系数的方法,弥补了现有技术的空白,并可以利用测得的噪声强度系数为所述量子芯片的性能优化提供有力支撑。
Description
技术领域
本申请涉及量子计算技术领域,尤其是涉及一种量子比特的噪声强度系数测量方法、系统和量子计算机。
背景技术
由于量子计算在解决因数分解、无结构搜索等特定问题上具有远超经典计算机性能的发展潜力,在最近几十年有着快速的发展。为了实现量子计算机,需要获得一块包含有足够数量与足够质量量子比特的量子芯片,量子计算机上的计算一般是通过操作位于量子芯片上的量子比特(或称为量子位)实现。这些量子位与环境退相干源隔离,并在量子逻辑门操作期间易于寻址。超导量子位因其与快速控制和读出电路之间集成简单,近年来,超导量子位的研究进展证明了如何在保持高相干的同时实现这种集成。进一步扩展量子位相干性将有助于减少量子逻辑门错误,同时减少容错量子逻辑门所需的量子位数量。
超导量子比特的相干时间对超导量子芯片的性能极其重要,在操控速度维持不变的前提下,相干时间足够长的超导量子比特是实现有效量子信息处理的前提。而保持量子比特高相干时间的一个重要方面是减少退相干,对于频率可控的超导量子比特,实施时是通过改变构成超导量子比特的超导量子器件干涉仪内部的磁通量来改变量子比特的频率,然而这种改变量子比特频率的方式会引入低频磁通噪声而造成退相干。所述低频磁通噪声主要包括1/f噪声,1/f噪声是指噪声功率谱密度与频率成反比的一种噪声类型。为了能够对量子比特进行极高保真度的量子逻辑门操作与读取以实现量子计算,亟需研发一种能够对量子芯片中各量子比特所受低频磁通噪声影响的噪声强度系数进行测量的方案,以利用测得的噪声强度系数为量子芯片的性能优化提供有力支撑。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本申请的第一个目的在于提出一种量子比特的噪声强度系数测量方法,以实现对量子芯片中各量子比特的噪声强度系数进行测量。
本申请的第二个目的在于提出一种量子比特的噪声强度系数测量装置。
本申请的第三个目的在于提出一种量子测控系统。
本申请的第四个目的在于提出一种量子计算机。
本申请的第五个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
为达到上述目的,本申请第一方面实施例提出了一种量子比特的噪声强度系数测量方法,包括:
获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性;
确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间;
基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特的纯退相干速率,其中,所述纯退相干速率为所述待测量子比特的纯退相干时间的倒数,所述纯退相干时间由所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间计算获得;
基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述纯退相干时间由所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间计算获得,包括:
基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间之间具有的数值关系,计算获得所述待测量子比特的纯退相干时间;其中,所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间之间的数值关系式为
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数,包括:
基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,获取所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的磁通量的变化关系;
基于所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结中磁通量的变化关系,获取所述待测量子比特的频率对施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结中的磁通量的偏导数;
基于所述纯退相干速率和所述偏导数,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的磁通量的变化关系为
其中,f10为所述待测量子比特的频率,f′10为所述待测量子比特的频率测量值,fc为所述待测量子比特的非谐,Φc为通过构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的磁通量,表示预设的磁通量子,d为构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性。
在第一方面的一种可能的实施方式中,基于所述纯退相干速率和所述偏导数,获取所述待测量子比特的噪声强度系数,包括:
基于所述待测量子比特的纯退相干速率和所述偏导数之间的线性关系,获取所述待测量子比特的噪声强度系数,其中,所述待测量子比特的纯退相干速率和所述偏导数之间的线性关系为
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,包括:
确定与所述待测量子比特耦合连接的谐振腔的频谱曲线;
基于所述谐振腔的频谱曲线,获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性。
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述确定与所述待测量子比特耦合连接的谐振腔的频谱曲线,包括:
确定所有所述谐振腔的本征腔频;
基于所述待测量子比特上施加的控制信号、读取总线的输入端施加的读取信号、以及所述读取总线的输出端输出的读取反馈信号,获取所述谐振腔的频谱曲线;其中,所述读取信号的频率根据所述谐振腔的所述本征腔频确定。
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述确定所述谐振腔的本征腔频,包括:
基于所述输入端施加的第一扫描信号、所述输出端输出的扫描反馈信号,获得所述扫描反馈信号随所述第一扫描信号的频率变化的曲线,记为第一频谱曲线;确定所述第一频谱曲线中的极值点对应的频率为各所述谐振腔的本征腔频。
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述基于所述待测量子比特上施加的控制信号、所述输入端施加的读取信号、以及所述输出端输出的读取反馈信号,获取所述谐振腔的频谱曲线,包括:
基于所述待测量子比特上施加的第一控制信号、所述输入端施加的第一读取信号、以及所述输出端输出的第一读取反馈信号,获取所述谐振腔的频率随所述第一控制信号变化的曲线,记为第二频谱曲线;其中,所述第一控制信号为包括多个电压值的直流信号。
在第一方面的一种可能的实施方式中,所述基于所述谐振腔的频谱曲线,获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性,包括:
基于所述谐振腔的第二频谱曲线和与所述谐振腔的第二频谱曲线对应的所述谐振腔的调制谱拟合公式,拟合获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性;其中,与所述谐振腔的第二频谱曲线对应的所述谐振腔的调制谱拟合公式为
其中,f(V)表示随所述第一控制信号变化的所述谐振腔的频率,fr0表示所述谐振腔的本征腔频,g表示所述待测量子比特与所述谐振腔的耦合系数,表示所述待测量子比特工作在简并点处的频率,M表示所述待测量子比特和与所述待测量子比特耦合连接的频率控制线的互感系数,M决定了磁通的调制强度。V表示所述第一控制信号的电压,V0表示所述第一控制信号的初始电压,d表示构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,fc表示所述待测量子比特的非谐。
本申请第二方面实施例提出了一种量子比特的噪声强度系数测量装置,所述装置包括:
第一测量模块,其被配置为获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性;
第二测量模块,其被配置为确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间;
第三测量模块,其被配置为基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特的纯退相干速率,其中,所述纯退相干速率为所述待测量子比特的纯退相干时间的倒数,所述纯退相干时间由所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间计算获得;
第四测量模块,其被配置为基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
本申请第三方面实施例提供了一种量子测控系统,使用上述的量子比特的噪声强度系数测量方法对量子芯片中的量子比特进行噪声强度系数测试,或包括上述的量子比特的噪声强度系数测量装置。
本申请第四方面实施例提供了一种量子计算机,包括上述的量子测控系统以及量子芯片,其中,所述量子芯片包括多个一一对应的且相互耦合连接的量子比特和谐振腔,各所述谐振腔的远离对应量子比特的一端均连接读取总线。
本申请第五方面实施例提供了一种可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述特征描述中任一项所述的量子比特的噪声强度系数测量方法。
基于上述任一方面,本申请实施例通过获取待测量子比特的非谐和构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,并确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间,进一步基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特在低频磁通噪声下对应的纯退相干速率,最后基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性和所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。本申请提供了一种可以有效测量所述量子芯片中量子比特的噪声强度系数的方法,弥补了现有技术的空白,并可以利用测得的噪声强度系数为所述量子芯片的性能优化提供有力支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例所提供的量子芯片结构示意图;
图2示出了本申请实施例所提供的量子比特的噪声强度系数测量方法的流程示意图;
图3示出了本申请实施例所提供的量子比特的DC调制谱中量子比特频率随控制信号电压的变化关系图;
图4示出了图2中所示的步骤S400的子步骤流程示意图;
图5示出了图2中所示的步骤S100的子步骤流程示意图;
图6示出了本申请实施例所提供的第一频谱曲线图;
图7示出了本申请实施例所提供的第二频谱曲线图;
图8示出了本申请实施例所提供的量子比特的噪声强度系数测量数据拟合结果。
图9示出了本申请实施例所提供的量子比特的噪声强度系数测量装置的组件结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,应当理解,本申请中附图仅起到说明和描述的目的,并不用于限定本申请的保护范围。
另外,应当理解,示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请实施例的一些实施例实现的操作。应该理解,流程图的操作可以不按顺序实现,没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外,本领域技术人员在本申请内容的指引下,可以向流程图添加一个或多个其它操作,也可以从流程图中移除一个或多个操作。
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。在本申请的描述中,“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。
这里参照根据本申请实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本申请的各个方面。应当理解,流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合,都可以由计算机程序实现。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器,从而生产出一种机器,使得这些程序在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时,产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机程序存储在可读存储介质中,这些计算机程序使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作,从而,存储有该计算机程序的可读存储介质则包括一个制造品,其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机程序加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上,使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤,以产生计算机实现的过程,从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的计算机程序实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
在量子计算机领域,量子芯片是量子计算机的核心部件,量子芯片的性能对实现量子计算非常重要。目前,超导量子芯片是易于制备、控制和使用的量子计算器件,其中,超导量子比特是超导量子芯片上的核心结构,超导量子比特的相干时间对超导量子芯片的性能极其重要,在操控速度维持不变的前提下,相干时间尽可能长的超导量子比特是实现有效量子信息处理的前提。
如图1所示的超导量子芯片结构,包括多个一一对应的且相互耦合的超导量子比特(以下简称“量子比特”)和谐振腔,所述谐振腔也被称为读取谐振腔(readout cavity或readout resonator),各所述谐振腔的远离对应量子比特的一端均连接读取总线,读取总线具有输入端和输出端;所述量子比特上连接控制信号线,控制信号线的另一端为控制端,用于接收控制信号。对于频率可控的量子比特,其是由超导量子器件干涉仪(superconducting quantum interference device(SQUID))和对地电容形成的具有多个能级的谐振系统,谐振系统的每个能级具有对应的跃迁频率,其跃迁频率值通过与量子比特连接的控制信号线上施加控制信号进行调控。
具体的,所述超导量子器件干涉仪是由两个并联的约瑟夫森结构成的闭合环路结构,可以通过调整环路内的磁通量来改变量子比特的频率。通过控制信号线输送的外部的直流信号(即所述控制信号)调制环路的内部磁通量,可以实现对量子比特的结等效Ej(即约瑟夫森结能量)的调制,进而控制量子比特的共振频率。量子比特的相干时间受诸多因素影响,主要因素是这种调控量子比特频率的方式所引入的低频磁通噪声,低频磁通噪声来源于量子芯片的线路环境,以及由控制信号引起的低频噪声,低频磁通噪声会加速破坏量子比特的相干性。
为了能够有效抑制低频磁通噪声,需要对此类噪声进行测量。参见图2所示,本申请的一个实施例提出了一种量子比特的噪声强度系数测量方法,所述方法包括以下步骤:
步骤S100:获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性。
需要说明的是,所述待测量子比特是在量子芯片上选取的任一待测量的量子比特。设计量子芯片过程中,其上的每个量子比特的非谐以及构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性具有设计值。因此,在测量精度要求不高的情况下,可以直接使用所述待测量子比特的非谐和构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性的设计值。
步骤S200:确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间。
需要说明的是,通过与量子比特耦合连接的所述控制信号线向量子比特施加不同电压的控制信号,可以将量子比特的频率调控至不同的频率点,每个频率点可以作为量子比特的工作点,而与量子比特的各工作点对应的控制信号的电压即为量子比特的工作点电压。如图3所示,量子比特的DC调制谱中频率可以随控制信号的电压周期性变化,目前为了获取较高的量子比特相干时间,一般将量子比特工作点设置在频率极值点(Sweet point,也称为量子比特的简并点),在此位置的量子比特对磁通调制的敏感程度最低。因此,向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,是向所述待测量子比特施加不同电压的控制信号,从而获取与各个电压的控制信号对应的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间。
作为一个示例,对所述待测量子比特施加具有各个所述工作点电压的控制信号,在每个所述工作点电压的控制信号的调控下,对所述待测量子比特进行量子比特能谱实验,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的特征能谱曲线,获取在所述特征能谱曲线上的峰值对应的频率为所述待测量子比特的工作频率,该工作频率可以作为各工作点电压下的所述待测量子比特的频率测量值。
但是,由于通过量子比特能谱实验测得的所述待测量子比特的工作频率并不十分精确,为了提高所述待测量子比特的频率测量值的精度,可以进一步利用Ramsey实验测量对所述待测量子比特的工作频率进行校准以获取比所述工作频率精度更高的校准频率,以所述校准频率作为各工作点电压下的所述待测量子比特的频率测量值。
能量弛豫描述了量子体系中激发态的布居数随着时间逐渐减少的过程,整个过程的时间定义为能量弛豫时间。与各个工作点电压的对应的所述待测量子比特的能量弛豫时间可以通过以下方式获取:
将所述待测量子比特设置在不同的工作点电压,以所述频率测量值作为所述待测量子比特的工作点频率;
在各个工作点电压下向所述待测量子比特施加π-pulse脉冲信号将所述待测量子比特激发至|1>态,测量所述待测量子比特处于|1>态的概率随时间的变化;
利用e指数衰减的形式进行指数拟合,获取与所述待测量子比特的工作点频率对应的能量弛豫时间。与所述待测量子比特的工作点频率对应的能量弛豫时间即为与各个工作点电压对应的所述待测量子比特的能量弛豫时间。
另外,相位弛豫,也称为横向弛豫,其描述了受环境影响下,量子比特的相位信息丢失的过程,这个过程的平均时间定义为相位弛豫时间。与各个工作点电压对应的所述待测量子比特的相位弛豫时间可以通过以下方式获取:
将所述待测量子比特设置在不同的工作点电压,以所述频率测量值作为所述待测量子比特的工作点频率;
在各个工作点电压下对所述待测量子比特执行Ramsey实验,获取与所述待测量子比特的工作点频率对应的相位弛豫时间。与所述待测量子比特的工作点频率对应的相位弛豫时间即为与各个工作点电压对应的所述待测量子比特的相位弛豫时间。
需要特别说明的是,所述待测量子比特的工作点电压可以根据实际测量精度要求进行选取,为了获得更精确的量子比特的噪声强度系数,所述待测量子比特的工作点电压的选取,需要包含简并点电压及若干个非简并点电压,其中,在本实施例中所述非简并点电压的选取数量不少于5组。
示例性的,所述待测量子比特的工作点电压的选取可以依据如图3所示的所述待测量子比特的DC调制谱,所述简并点电压为所述DC调制谱中频率最大点对应的电压;并且由于所述DC调制谱中所述待测量子比特的频率是随工作点电压周期变化的,因此,所述非简并点电压可以选取在一个周期内的数据。具体示例,所述非简并点电压可以在一个预设范围内按照固定步进值进行设定,如{0.5V,1V,0.1V},其中预设范围为[0.5V,1V],固定步进值为0.1V。
步骤S300:基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特的纯退相干速率,其中,所述纯退相干速率为所述待测量子比特的纯退相干时间的倒数,所述纯退相干时间由所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间计算获得。
需要说明的是,所述待测量子比特的相位弛豫时间所对应的退相干过程是所述能量弛豫时间所对应的退极化和纯退相干过程的综合,其相互之间的关系如下式:
步骤S400:基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
如图4所示,作为本申请实施例的一种实施方式,所述步骤S400进一步可包括如下子步骤:
步骤S401:基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,获取所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的磁通量的变化关系。
其中,所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的磁通量的变化关系为
式中,f10为所述待测量子比特的频率,f′10为所述待测量子比特的频率测量值,fc为所述待测量子比特的非谐,Φc为通过构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的磁通量,表示预设的磁通量子,d为构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性。
步骤S402:基于所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结中磁通量的变化关系,获取所述待测量子比特的频率对施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结中的磁通量的偏导数。所述偏导数为即所述待测量子比特的不同频率对磁通量的偏导的绝对值,可用于评估低频磁通噪声对纯退相干过程的影响。
步骤S403:基于所述纯退相干速率和所述偏导数,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
具体的,基于所述待测量子比特的纯退相干速率和所述偏导数之间的线性关系,获取所述待测量子比特的噪声强度系数,其中,所述待测量子比特的纯退相干速率和所述偏导数之间的线性关系为
其中,fIR、t和b为预设的参数,fIR表示噪声频谱截断频率下限,t为利用Ramsey实验测量所述相位弛豫时间的实验时长,b代表了除1/f噪声以外的其他噪声对应的纯退相干速率总和,为所述待测量子比特的噪声强度系数。所述噪声强度系数表示了所述待测量子比特的相干时间受噪声干扰的大小,当所述噪声强度系数越大时,所述待测量子比特的相干时间受到噪声的干扰影响就越大。
同理,可依据本申请实施例的方法对量子芯片上其他量子比特进行噪声强度系数测量,进而实现对量子芯片的噪声强度系数的测试。因此,在测量出所述待测量子比特的噪声强度系数后,可以通过一定的方式来降低噪声强度系数,为所述量子芯片的性能优化提供有力支撑。
一般地,为了实现对量子比特的非破坏性测量,通过与量子比特耦合连接的谐振腔对量子比特的状态进行读取,具体是在读取总线上施加读取信号对谐振腔的频率变化进行读取。
具体的,借助谐振腔对耦合连接的量子比特进行测量时,通过色散频移原理,即量子比特的状态的改变会使得谐振腔的频率发生变化,通过测量谐振腔的频率变化量即可以测量出量子比特的状态变化,从而实现间接测量量子比特的性能参数。
如图5所示,作为本申请实施例的一种实施方式,针对步骤S100的获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,可以借助与所述待测量子比特耦合连接的谐振腔对所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性进行测量,具体包括以下子步骤:
步骤S101:确定与所述待测量子比特耦合连接的谐振腔的频谱曲线。
具体的,基于所述待测量子比特上施加的控制信号、读取总线的输入端施加的读取信号、以及所述读取总线的输出端输出的读取反馈信号,获取所述谐振腔的频谱曲线。
其中,所述读取信号的频率根据所述谐振腔的本征腔频确定。当在量子芯片上制备完成谐振腔后,其实际的本征腔频可以通过测量获得。通过测量获得谐振腔的本征腔频之后,可以借助谐振腔对耦合连接的待测量子比特进行测试。所述谐振腔的本征腔频可以通过以下方式获取:
基于所述输入端施加的第一扫描信号、所述输出端输出的扫描反馈信号,获得所述扫描反馈信号随所述第一扫描信号的频率变化的曲线,记为第一频谱曲线;确定所述第一频谱曲线中的极值点对应的频率为各所述谐振腔的本征腔频。
需要说明的是,所述第一扫描信号由硬件设备测量仪提供,包括但不限于矢量网络分析仪、射频信号发生器等,从读取总线的输入端传输至量子芯片,并进入谐振腔与谐振腔相互作用,得到反映谐振腔相关信息的扫描反馈信号,扫描反馈信号从读取总线的输出端输出至测量仪。通过测量仪对采集到的扫描反馈信号的处理进而获得反映谐振腔的频率信息随着第一扫描信号变化的曲线,即第一频谱曲线,如图6所示的曲线。
具体示例,如图6所示的第一频谱曲线,即本申请人在对研发出的6比特的量子芯片的谐振腔的实际的本征腔频的测试结果,第一频谱曲线的横坐标即第一扫描信号的频率扫描范围,纵坐标为扫描反馈信号的S21参数。其中,在图6中可以看到第一频谱曲线具有多个波谷,每一个波谷对应一个S21参数的极值,各波谷对应的频率即为各个谐振腔的本征腔频。由于本申请人测试的量子芯片为6比特的,谐振腔的个数也为6个,因此可以在第一频谱曲线中获取到6个极值点,得到6个本征腔频值。需要特别说明的是,第一频谱曲线不仅可以用波谷的形式表现,还可以用波峰的形式表现,图6仅作为其中一种示例方式。
作为本申请实施例的一种实施方式,所述基于所述待测量子比特上施加的控制信号、读取总线的输入端施加的读取信号、以及所述读取总线的输出端输出的读取反馈信号,获取所述谐振腔的频谱曲线,包括:
基于所述待测量子比特上施加的第一控制信号、所述输入端施加的第一读取信号、以及所述输出端输出的第一读取反馈信号,获取所述谐振腔的频率随所述第一控制信号变化的曲线,记为第二频谱曲线;其中,所述第一控制信号为包括多个电压值的直流信号。
需要说明的是,通过信号源输出第一控制信号、并通过控制信号线将第一控制信号传输至待测量子比特,其中,第一控制信号为包括多个电压值的直流信号,本申请实施例在具体实施时,可以设置为{-1V,1.25V,0.02V}的具有固定步进值和预设范围的直流信号,对应的信号源可以为直流电压源。该直流电压信号通过控制信号线传输至待测量子比特,可以改变待测量子比特的频率参数;并通过测量仪在读取总线的输入端施加第一读取信号对谐振腔的信息进行读取,并通过测量仪在读取总线的输出端采集第一读取反馈信号,并对第一读取反馈信号进行处理,获得谐振腔的频率随第一控制信号的电压变化的曲线,即第二频谱曲线,如图7所示。
其中,所述第一控制信号用于对待测量子比特的频率进行调控的,当对待测量子比特施加具有固定步进值和预设范围的第一控制信号时,待测量子比特的频率参数会随着第一控制信号的变化而变化。当待测量子比特的频率参数变化时,会引起谐振腔的频率信息随着待测量子比特的频率变化而变化;即可以获得谐振腔的频率随着第一控制信号变化的曲线。
步骤S102:基于所述谐振腔的频谱曲线,获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性。
具体的,基于图7所示的所述第二频谱曲线,可以发现谐振腔的频率随着第一控制信号的电压的变化而变化,两者的变化关系表达如下式:
其中,fr表示所述谐振腔的频率,flux表示第一控制信号的电压,Δ=ω10-ωr0,η=ω21-ω10,ω21和ω10为所述待测量子比特的角频率,ωr0为与所述谐振腔的本征腔频对应的角频率,表示所述谐振腔的本征腔频,表示所述待测量子比特的频率,g表示所述待测量子比特与所述谐振腔的耦合系数,表示所述待测量子比特的非谐。
另外,所述量子比特的频率随施加的控制信号的电压变化存在着如下关系式
式中,表示量子比特工作在简并点处的频率,M表示所述待测量子比特和与所述待测量子比特耦合连接的频率控制线的互感系数,M决定了磁通的调制强度。flux表示控制信号的工作点电压,offset表示控制信号的初始电压,d为构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性。
因此,结合可以得出与所述待测量子比特的谐振腔的第二频谱曲线对应的所述谐振腔的调制谱拟合公式如下:
其中,f(V)表示随所述第一控制信号变化的所述谐振腔的频率,V表示所述第一控制信号的电压,与式(5)中的flux相对应,V0表示所述第一控制信号的初始电压,与式(5)中的offset相对应。
从而基于所述第二频谱曲线和与所述谐振腔的第二频谱曲线对应的所述谐振腔的调制谱拟合公式,拟合获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性。
与现有技术相比,本申请实施例通过获取待测量子比特的非谐和构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,并确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间,进一步基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特在低频磁通噪声下对应的纯退相干速率,最后基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性和所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
进一步地,通过测试与所述待测量子比特耦合连接的谐振腔的调制谱,并绘制所述谐振腔的调制谱曲线,结合利用谐振腔的调制谱拟合公式拟合获得所述待测量子比特的非谐和构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性,从而能够有效提高获取所述待测量子比特的噪声强度系数的精度。本申请提供了一种可以有效测量所述量子芯片中量子比特的噪声强度系数的方法,弥补了现有技术的空白,并可以利用测得的噪声强度系数为所述量子芯片的性能优化提供有力支撑。
为了便于本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案,以下结合一个具体示例详细说明以上方案:
以一个频率扫描范围在5000-6000MHz的量子比特qubit1为例,假设当向量子比特qubit1施加控制信号电压为0.306V时,量子比特qubit1正好工作在简并点,对应工作频率为5879.5MHz,在此工作频率下分别测量量子比特qubit1的能量弛豫时间T1和相位弛豫时间然后以{-0.306V,0.206V,0.1V}分别设置6个非简并点电压,并测量与每个非简并点电压对应的量子比特qubit1的频率、能量弛豫时间T1和相位弛豫时间所得实验测量数据见下表1。
如图9所示,基于同一发明构思,本申请的又一实施例提出了一种量子比特的噪声强度系数测量装置,所述装置包括:
第一测量模块100,其被配置为获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性;
第二测量模块200,其被配置为确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间;
第三测量模块300,其被配置为基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特的纯退相干速率,其中,所述纯退相干速率为所述待测量子比特的纯退相干时间的倒数,所述纯退相干时间由所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间计算获得;
第四测量模块400,其被配置为基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
可以理解的是,所述第一测量模块100、所述第二测量模块200、所述第三测量模块300以及所述第四测量模块400可以合并在一个装置中实现,或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个子模块,或者,所述第一测量模块100、所述第二测量模块200、所述第三测量模块300以及所述第四测量模块400中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合,并在一个功能模块中实现。根据本申请的实施例,所述第一测量模块100、所述第二测量模块200、所述第三测量模块300以及所述第四测量模块400中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路,例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC),或可以以对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现,或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。或者,所述第一测量模块100、所述第二测量模块200、所述第三测量模块300以及所述第四测量模块400中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块,当该程序被计算机运行时,可以执行相应模块的功能。
基于同一发明构思,本申请的再一实施例提供了一种量子测控系统,使用上述的量子比特的噪声强度系数测量方法对量子芯片中的量子比特进行噪声强度系数测试,或包括上述的量子比特的噪声强度系数测量装置。
基于同一发明构思,本申请的再一实施例提供了一种量子计算机,包括上述的量子测控系统以及量子芯片,其中,所述量子芯片包括多个一一对应的且相互耦合连接的量子比特和谐振腔,各所述谐振腔的远离对应量子比特的一端均连接读取总线。
基于同一发明构思,本申请的再一实施例提供了一种可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述特征描述中任一项所述的量子比特的噪声强度系数测量方法。
所述可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备,例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所描述的计算机程序可以从可读存储介质下载到各个计算/处理设备,或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收所述计算机程序,并转发该计算机程序,以供存储在各个计算/处理设备中的可读存储介质中。用于执行本申请操作的计算机程序可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码,所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等,以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。所述计算机程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络,包括局域网(LAN)或广域网(WAN),连接到用户计算机,或者,可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中,通过利用计算机程序的状态信息来个性化定制电子电路,例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA),该电子电路可以执行计算机可读程序指令,从而实现本申请的各个方面。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”、“示例性的”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申请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。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述,仅为本申请的实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,凡是依照本申请的构想所作的改变,或修改为等同变化的等效实施例,仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时,均应在本申请的保护范围内。
Claims (15)
1.一种量子比特的噪声强度系数测量方法,其特征在于,所述方法包括:
获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性;
确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间;
基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特的纯退相干速率,其中,所述纯退相干速率为所述待测量子比特的纯退相干时间的倒数,所述纯退相干时间由所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间计算获得;
基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
3.如权利要求1所述的量子比特的噪声强度系数测量方法,其特征在于,所述基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数,包括:
基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,获取所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的磁通量的变化关系;
基于所述待测量子比特的频率随施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结中磁通量的变化关系,获取所述待测量子比特的频率对施加到构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结中的磁通量的偏导数;
基于所述纯退相干速率和所述偏导数,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
7.如权利要求1所述的量子比特的噪声强度系数测量方法,其特征在于,所述获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性,包括:
确定与所述待测量子比特耦合连接的谐振腔的频谱曲线;
基于所述谐振腔的频谱曲线,获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性。
8.如权利要求7所述的量子比特的噪声强度系数测量方法,其特征在于,所述确定与所述待测量子比特耦合连接的谐振腔的频谱曲线,包括:
确定所有所述谐振腔的本征腔频;
基于所述待测量子比特上施加的控制信号、读取总线的输入端施加的读取信号、以及所述读取总线的输出端输出的读取反馈信号,获取所述谐振腔的频谱曲线;其中,所述读取信号的频率根据所述谐振腔的所述本征腔频确定。
9.如权利要求8所述的量子比特的噪声强度系数测量方法,其特征在于,所述确定所述谐振腔的本征腔频,包括:
基于所述输入端施加的第一扫描信号、所述输出端输出的扫描反馈信号,获得所述扫描反馈信号随所述第一扫描信号的频率变化的曲线,记为第一频谱曲线;确定所述第一频谱曲线中的极值点对应的频率为各所述谐振腔的本征腔频。
10.如权利要求9所述的量子比特的噪声强度系数测量方法,其特征在于,所述基于所述待测量子比特上施加的控制信号、所述输入端施加的读取信号、以及所述输出端输出的读取反馈信号,获取所述谐振腔的频谱曲线,包括:
基于所述待测量子比特上施加的第一控制信号、所述输入端施加的第一读取信号、以及所述输出端输出的第一读取反馈信号,获取所述谐振腔的频率随所述第一控制信号变化的曲线,记为第二频谱曲线;其中,所述第一控制信号为包括多个电压值的直流信号。
11.如权利要求10所述的量子比特的噪声强度系数测量方法,其特征在于,所述基于所述谐振腔的频谱曲线,获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性,包括:
基于所述谐振腔的第二频谱曲线和与所述谐振腔的第二频谱曲线对应的所述谐振腔的调制谱拟合公式,拟合获取所述待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的两个约瑟夫森结的非对称性;其中,与所述谐振腔的第二频谱曲线对应的所述谐振腔的调制谱拟合公式为
12.一种量子比特的噪声强度系数测量装置,其特征在于,所述装置包括:
第一测量模块,其被配置为获取待测量子比特的非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性;
第二测量模块,其被配置为确定向所述待测量子比特上施加不同的工作点电压,获取与各个所述工作点电压对应的所述待测量子比特的频率测量值、能量弛豫时间和相位弛豫时间;
第三测量模块,其被配置为基于所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间,获取所述待测量子比特的纯退相干速率,其中,所述纯退相干速率为所述待测量子比特的纯退相干时间的倒数,所述纯退相干时间由所述待测量子比特的能量弛豫时间和相位弛豫时间计算获得;
第四测量模块,其被配置为基于所述待测量子比特的频率测量值和非谐、构成所述待测量子比特的超导量子器件干涉仪中两个约瑟夫森结的非对称性以及所述纯退相干速率,获取所述待测量子比特的噪声强度系数。
13.一种量子测控系统,其特征在于,使用如权利要求1-11任一项所述的量子比特的噪声强度系数测量方法对量子芯片中的量子比特进行噪声强度系数测试,或包括如权利要求12所述的量子比特的噪声强度系数测量装置。
14.一种量子计算机,其特征在于,包括如权利要求13所述的量子测控系统以及量子芯片,其中,所述量子芯片包括多个一一对应的且相互耦合连接的量子比特和谐振腔,各所述谐振腔的远离对应量子比特的一端均连接读取总线。
15.一种可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被一处理器执行时能实现权利要求1-11中任一项所述的量子比特的噪声强度系数测量方法。
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