CN116070706B - 用于超导量子芯片标定的自动化处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于超导量子芯片标定的自动化处理系统及方法，包括：实验数据自动化处理模块和实验结果自动化判定模块；自动化处理模块包括振幅/相位求解函数以及实验结果处理函数，振幅/相位求解函数接收仪器返回的波形数据，输出频率与振幅/相位组成的二维数组，二维数组作为实验结果处理函数的输入值，选择对应的实验结果处理函数生成实验结果，实验结果自动化判断模块输入标定实验和实验结果，输出标定实验结果布尔值。本发明将实验数据自动化处理算法和实验结果自动化判定策略应用于量子芯片标定控制软件中，取代了人工处理和判断操作，大大提高了标定实验的效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算机控制的技术领域，具体地，涉及一种用于超导量子芯片标定的自动化处理系统及方法。
背景技术
目前国内大多数超导量子计算机科研机构对量子芯片仍然使用人工标定，仪器返回的测量结果需由人工处理和判定，不同标定实验的标定结果之间具有依赖性，一个标定实验结果的误差将会导致后续全部标定结果的错误，这极大地降低了标定量子芯片的精确率和效率。
目前较为接近的技术方案是针对单个量子标定实验的结果处理。在单个标定实验中获取标定参数的优选响应范围后，测量装置在优选响应范围内向量子芯片发送多个标定参数信号，以获取量子芯片在各个标定参数下的响应参数，最后选取最优响应参数对应的标定参数值作为实际标定参数。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于超导量子芯片标定的自动化处理系统及方法。
根据本发明提供的一种用于超导量子芯片标定的自动化处理系统，包括：实验数据自动化处理模块和实验结果自动化判定模块；所述自动化处理模块包括振幅/相位求解函数以及实验结果处理函数，所述实验结果处理函数包括极小值搜寻函数、振幅/相位差值计算函数以及波形拟合函数，所述振幅/相位求解函数接收仪器返回的波形数据，输出频率与振幅/相位组成的二维数组，所述二维数组作为实验结果处理函数的输入值，选择对应的实验结果处理函数生成实验结果，所述实验结果自动化判断模块输入标定实验和实验结果，输出标定实验结果布尔值。
优选地，所述振幅/相位求解函数对仪器返回的波形数据进行求解处理，计算在不同频率下返回波形的振幅或相位，并以频率为横坐标绘制折线图。
优选地，所述极小值搜寻算法用于在腔频、比特频率以及修饰态标定时对返回波形的振幅或相位的变化曲线进行处理，通过比较深度优先度和坡度优先度以及最低标准筛选出符合需求的单个或三个极小值点。
优选地，所述振幅/相位差值计算算法根据S曲线标定实验需求，对拥有和不含比特驱动线路的两条波形振幅或相位的折线图进行比较，求解出两条折线图差值最大时的频率。
优选地，所述波形拟合算法用于处理Rabi、T1和T2标定实验的返回值，根据给出的相关参数初始值，基于最小二乘法拟合出指定曲线的所有参数值并返回，所述Rabi标定实验在此基础上根据拟合函数找出pi和pi/2脉冲对应的频率值。
优选地，所述实验结果自动化判定模块根据标定实验和实验结果，判断该实验结果的准确度，若实验结果准确，则进行下一步实验，若实验结果有误，则重新进行当前实验；若多次重复当前实验仍未有准确结果，则返回报错信息，交由人工处理。
优选地，所述极小值搜寻函数在腔频和修饰态标定中对应输入一组二维数组，输出单个频率值，所述极小值搜寻函数在比特频率标定中对应输入值为多组二维数组，返回三个频率值。
优选地，所述极小值搜寻函数在针对单个波形时，根据输入的频率-振幅二维数组，先找出所有的极小值点，计算每个极小值点的深度优先度以及坡度优先度，根据预设的最小深度和最小坡度过滤不符合要求的极小值点，对符合要求的极小值点按序排列并输出；
所述极小值搜寻函数在针对多个波形时，先对每个波形进行各自的极小值点筛选，排列出各自的极小值点序列，再将结果合并删除重复项，且重复项的深度/坡度优先度均选取最大值，最后将合并结果按照优先度排序并输出。
根据本发明提供的一种超导量子芯片标定的自动化处理方法，包括：
步骤S1：接收仪器设备的返回数据，该数据以嵌套数组的格式保存在不同频率下的波形；
步骤S2：调用振幅/相位求解函数求解出波形数据对应的振幅或者相位，并返回频率和振幅/相位组成的二维数组；
步骤S3：调用实验结果处理函数中当前实验对应的数据自动化处理函数对二维数组进行处理，返回目标实验结果；
步骤S4：调用实验结果自动化判定模块对实验结果进行自动化判定。
优选地，所述数据自动化处理函数包括极小值搜寻函数、振幅/相位差值计算函数以及波形拟合函数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将实验数据自动化处理算法和实验结果自动化判定策略应用于量子芯片标定控制软件中，取代了人工处理和判断操作，大大提高了标定实验的效率。
2、本发明适用于各种用于量子芯片标定的测控软件，仅需在软件中加入一个独立的自动化处理模块，在使用时调用相关函数即可，并且可以根据用户需求增加相应的处理算法或策略实现函数，具有较强的兼容性和可拓展性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明自动化处理系统的系统结构图；
图2为本发明在单个标定实验中的自动化处理方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种用于超导量子芯片标定的自动化处理系统，参照图1所示，该自动化处理系统包括：实验数据自动化处理模块和实验结果自动化判定模块，其中实验数据自动化处理模块用于处理仪器返回数据转换成实验结果，所述实验结果自动化判定模块对输出实验结果的准确性进行判定进而决定后续步骤。
所述自动化处理模块包括振幅/相位求解函数以及不同实验对应的实验结果处理函数，所述实验结果处理函数包括极小值搜寻函数、振幅/相位差值计算函数以及波形拟合函数，所述振幅/相位求解函数接收仪器返回的波形数据，输出频率与振幅/相位组成的二维数组，所述二维数组作为实验结果处理函数的输入值，选择对应的实验结果处理函数生成实验结果，所述实验结果自动化判断模块输入标定实验和实验结果，输出标定实验结果布尔值。
振幅/相位求解函数负责对仪器返回的波形数据进行求解处理，根据相应的计算公式，求解在不同频率下返回波形的振幅(amp)或相位(phase)，并以频率为横坐标绘制折线图。计算公式如下：
式中ΩIF为中间频率，一般通过选取一个中间频率来解调仪器返回的波形数据。θRO为相位，IIF[n]和QIF[n]为中间频率对应的I、Q两路的数字信号。ARO和ALo分别为RO和LO信号的振幅。在同一个中间频率下，通过计算n个采样点的加权平均值(M＝n2-n1+1)获得I、Q两路的幅度。最后根据公式求得当前中间频率下的振幅，phase＝arctan(Q/I)求得当前中间频率下的相位。
极小值搜寻算法用于在腔频、比特频率以及修饰态标定时对返回波形的振幅或相位的变化曲线进行处理，通过比较深度优先度和坡度优先度以及最低标准筛选出符合需求的单个或三个极小值点。极小值搜寻函数对应不同标定实验有两种情况：在腔频和修饰态标定实验中需要对单个波形搜寻符合标准的极小值点；而在比特频率标定实验中需要对多个波形搜寻相应的极小值点
振幅/相位差值计算算法根据S曲线标定实验需求，对拥有和不含比特驱动线路的两条波形振幅或相位的折线图进行比较，求解出两条折线图差值最大时的频率。
波形拟合算法用于处理Rabi、T1和T2标定实验的返回值，根据给出的相关参数初始值，基于最小二乘法拟合出指定曲线的所有参数值并返回，Rabi标定实验在此基础上还需根据拟合函数找出pi和pi/2脉冲对应的频率值。
实验结果自动化判定模块是针对实验与实验之间串联，当前实验返回实验结果后，根据相应的实验结果的衡量标准判定该返回值的准确度，进而选择是进行后续标定实验亦或是重新运行之前的实验。
本发明应用于量子芯片标定控制软件，作为一个独立模块存在，每个算法对应一个实现函数。每个标定实验需进行两次自动化处理，先进行振幅/相位求解再进行各自的自动化处理。第一次自动化处理为振幅/相位求解函数输入离散点数组，输出值为频率与振幅/相位组成的二维数组，输出数组作为实验结果处理函数的输入值。
第二次自动化处理包括极小值搜寻函数、振幅/相位差值计算函数以及波形拟合函数，根据当前的实验类型选择对应的自动化函数。其中，极小值搜寻函数根据实验不同有两种输入输出格式：腔频和修饰态标定对应输入一组二维数组，输出单个频率值；比特频率标定对应输入值为多组二维数组，返回三个频率值。振幅/相位差值计算函数输入两组波形的二维数组，输出结果为频率差值最大点对应的频率值。波形拟合函数输入值包含实际波形的二维数组以及目标函数公式，返回值为拟合函数公式的所有参数值。
实验结果自动化判定模块输入标定实验和实验结果，输出结果为布尔值：返回True表示实验结果准确，进行下一步实验；返回结果为False表示实验结果有误，需重新进行当前实验。若多次重复当前实验仍未有准确结果将会返回报错信息，交由人工处理。
本发明在单个标定实验中的自动化处理方法如下所述，参照图2，包括：
步骤S1：标定软件接收仪器设备的返回数据，这些数据以嵌套数组的格式保存在不同频率下的波形。
步骤S2：标定软件通过调用振幅/相位求解函数求解出波形数据对应的振幅或者相位，并返回频率和振幅/相位组成的二维数组。
步骤S3：标定软件通过调用实验结果处理函数中当前实验对应的数据自动化处理函数对二维数组进行处理，处理函数根据输入的参数经过相应计算返回目标实验结果。
步骤S4：调用实验结果自动化判定模块对实验结果进行自动化判定。经过预设判定条件若结果正确则判定函数返回布尔True，标定软件控制进行下一个标定实验；若结果错误且重复次数较少则返回布尔False，标定软件重新标定当前实验；若结果错误且重复次数较多则报错，标定软件停止后续实验并输出报错信息及所有实验参数与实验结果，由操作人员判断结果错误原因进而改进实验。
各个处理函数的具体实现方式如下所述：
振幅/相位求解函数应用于所有标定实验中，处理函数将输入的波形数组数据转换成其对应的振幅或相位数据。
极小值搜寻函数包括两种情形：单个波形时处理函数根据输入的频率-振幅二维数组，先找出所有的极小值点，然后对所有极小值点逐个比较其与相邻数个点的纵坐标差值即深度优先度，深度优先度越大说明该极小值点所在的下凹曲线越深。若多个极小值点深度优先度相同则比较这些点与数个相邻点连线的坡度即坡度优先度，坡度优先度越大说明该极小值点所在的下凹曲线越窄。同时处理函数预设最小深度和最小坡度，以此过滤不符合要求的极小值点。最后处理函数根据深度优先度和坡度优先度将符合要求的极小值点按序排列并输出。多个波形时处理函数先对每个波形进行各自的极小值点筛选，排列出各自的极小值点序列，再将结果合并删除重复项，且重复项的深度/坡度优先度均选取最大值。由于同一实验中不同波形的振幅单位相同，所以其深度/坡度优先度具有可比性，基于此处理函数最后将合并结果按照优先度排序并输出。
振幅/相位差值计算函数输入包含与不含比特驱动的波形数据，通过计算在不同频率下两个波形振幅或相位的差值，找出差值最大时的波形频率并输出。
波形拟合函数对应Rabi、T1和T2标定实验的不同目标函数公式共有三个实现函数，具体实现方式相同。标定软件将波形的二维数组以及目标函数公式输入给处理函数，处理函数根据波形数据计算出目标函数所有参数的预估值，再基于最小二乘法拟合出函数所有的参数，作为拟合结果并返回。此外对于Rabi标定实验，还需根据拟合函数找出pi和pi/2脉冲对应的频率值，作为返回值一并输出。
实验结果自动化判定模块作为实验与实验之间串联，输入值为各个实验结果。对于各个实验结果处理函数，当有结果返回时函数判定结果正确；当未有结果返回时函数判定结果不正确，判定函数控制标定软件重新运行当前实验。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种用于超导量子芯片标定的自动化处理系统，其特征在于，包括：实验数据自动化处理模块和实验结果自动化判定模块；所述自动化处理模块包括振幅/相位求解函数以及实验结果处理函数，所述实验结果处理函数包括极小值搜寻函数、振幅/相位差值计算函数以及波形拟合函数，所述振幅/相位求解函数接收仪器返回的波形数据，输出频率与振幅/相位组成的二维数组，所述二维数组作为实验结果处理函数的输入值，选择对应的实验结果处理函数生成实验结果，所述实验结果自动化判断模块输入标定实验和实验结果，输出标定实验结果布尔值；
所述振幅/相位求解函数对仪器返回的波形数据进行求解处理，计算在不同频率下返回波形的振幅或相位，并以频率为横坐标绘制折线图；
所述极小值搜寻算法用于在腔频、比特频率以及修饰态标定时对返回波形的振幅或相位的变化曲线进行处理，通过比较深度优先度和坡度优先度以及最低标准筛选出符合需求的单个或三个极小值点；
所述实验结果自动化判定模块根据标定实验和实验结果，判断该实验结果的准确度，若实验结果准确，则进行下一步实验，若实验结果有误，则重新进行当前实验；若多次重复当前实验仍未有准确结果，则返回报错信息，交由人工处理。
2.根据权利要求1所述的用于超导量子芯片标定的自动化处理系统，其特征在于，所述振幅/相位差值计算算法根据S曲线标定实验需求，对拥有和不含比特驱动线路的两条波形振幅或相位的折线图进行比较，求解出两条折线图差值最大时的频率。
3.根据权利要求1所述的用于超导量子芯片标定的自动化处理系统，其特征在于，所述波形拟合算法用于处理Rabi、T1和T2标定实验的返回值，根据给出的相关参数初始值，基于最小二乘法拟合出指定曲线的所有参数值并返回，所述Rabi标定实验在此基础上根据拟合函数找出pi和pi/2脉冲对应的频率值。
4.根据权利要求1所述的用于超导量子芯片标定的自动化处理系统，其特征在于，所述极小值搜寻函数在腔频和修饰态标定中对应输入一组二维数组，输出单个频率值，所述极小值搜寻函数在比特频率标定中对应输入值为多组二维数组，返回三个频率值。
5.根据权利要求4所述的用于超导量子芯片标定的自动化处理系统，其特征在于，所述极小值搜寻函数在针对单个波形时，根据输入的频率-振幅二维数组，先找出所有的极小值点，计算每个极小值点的深度优先度以及坡度优先度，根据预设的最小深度和最小坡度过滤不符合要求的极小值点，对符合要求的极小值点按序排列并输出；
所述极小值搜寻函数在针对多个波形时，先对每个波形进行各自的极小值点筛选，排列出各自的极小值点序列，再将结果合并删除重复项，且重复项的深度/坡度优先度均选取最大值，最后将合并结果按照优先度排序并输出。
6.一种用于超导量子芯片标定的自动化处理方法，基于权利要求1-5任一项所述的超导量子芯片标定的自动化处理系统，其特征在于，包括：
步骤S1：接收仪器设备的返回数据，该数据以嵌套数组的格式保存在不同频率下的波形；
步骤S2：调用振幅/相位求解函数求解出波形数据对应的振幅或者相位，并返回频率和振幅/相位组成的二维数组；
步骤S3：调用实验结果处理函数中当前实验对应的数据自动化处理函数对二维数组进行处理，返回目标实验结果；
步骤S4：调用实验结果自动化判定模块对实验结果进行自动化判定；
所述数据自动化处理函数包括极小值搜寻函数、振幅/相位差值计算函数以及波形拟合函数。
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