CN116957085A - 两比特量子逻辑门的误差测量方法、装置及量子计算机 - Google Patents

两比特量子逻辑门的误差测量方法、装置及量子计算机 Download PDF

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CN116957085A CN202210405832.6A CN202210405832A CN116957085A CN 116957085 A CN116957085 A CN 116957085A CN 202210405832 A CN202210405832 A CN 202210405832A CN 116957085 A CN116957085 A CN 116957085A
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Abstract

本申请公开了一种两比特量子逻辑门的误差测量方法、装置及量子计算机，具体是通过将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11>态，让两个所述量子比特均处于激发态，再向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门操作，以不断积累量子比特的高激发态泄露，从而实现放大由量子比特的高激发态泄露所引起的两比特量子逻辑门的误差，然后测量其中一个所述量子比特的末态信息，并基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差，以为研究高精度两比特量子逻辑门的控制波形提供依据。

Description

两比特量子逻辑门的误差测量方法、装置及量子计算机
技术领域
本申请涉及量子信息领域，尤其是涉及一种两比特量子逻辑门的误差测量方法、装置及量子计算机。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处 理量子信息的物理装置。量子芯片上集成的多位量子比特是量子计算机的核心， 量子计算机的性能主要体现在量子芯片上集成的量子比特位数和量子比特的性 能。量子比特的性能指标包括单比特量子逻辑门的保真度和两比特量子逻辑门 的保真度。
相关技术中，单比特量子逻辑门的保真度基本可以达到99.9％，已经达到很 多量子算法的要求。目前，由于两比特量子逻辑门的操控精度不高而造成了量 子比特的高激发态泄露，产生了两比特量子逻辑门的误差，由于该误差的存在 也影响了两比特量子逻辑门的保真度，进而降低了量子比特的性能。因此，为 了获得较佳的量子比特性能，如何获取高保真度的两比特量子逻辑门是当前量 子计算的核心问题之一。
高精度两比特量子逻辑门的控制波形是获取高保真度的两比特量子逻辑门 的重要保证。两比特量子逻辑门的误差主要与两比特量子逻辑门的控制波形的 精度有关，因此，测量该误差可以为研究高精度两比特量子逻辑门的控制波形 提供依据。
发明内容
发明人在实际应用中发现，由单个两比特量子逻辑门引起的误差容易被淹 没在量子比特的量子态读取误差中而无法测量，因此本申请的目的是提供一种 两比特量子逻辑门的误差测量方法、装置和量子计算机，它能够放大两比特量 子逻辑门的误差，从而测量出两比特量子逻辑门的误差。
为了实现上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种两比特量子逻辑门 的误差测量方法，包括：
将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11>态，其中，所述|11>态用于 表示两个所述量子比特的量子态均为激发态；
向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门操作；
测量其中一个所述量子比特的末态信息；
基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差。
本申请第二方面实施例提出了一种两比特量子逻辑门的误差测量装置，包 括：
量子态初始化模块，用于将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11> 态，其中，所述|11>态表示两个所述量子比特的量子态均为激发态；
频率调控模块，用于向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门 操作；
量子态测量模块，用于测量其中一个所述量子比特的末态信息；
误差观测模块，用于基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差。
本申请第三方面实施例提出了一种量子计算机，包括如上所述的两比特量 子逻辑门的误差测量装置。
本申请第四方面实施例提出了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存 储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能够实现如上任一项所述 的两比特量子逻辑门的误差测量方法步骤。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例通过将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11>态，让两 个所述量子比特均处于激发态，再向两个所述量子比特连续施加多个两比特量 子逻辑门操作，以不断积累量子比特的高激发态泄露，从而实现放大由量子比 特的高激发态泄露所引起的两比特量子逻辑门的误差，然后测量其中一个所述 量子比特的末态信息，并基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差，以 为研究高精度两比特量子逻辑门的控制波形提供依据。
本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
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是相关技术中量子芯片的内部结构框图；
图2是本申请一实施例提供的两比特量子逻辑门的误差测量方法的工作流 程框图；
图3是本申请一实施例提供的方法步骤S2的工作流程框图；
图4是本申请一示例提供的两比特量子逻辑门误差一次测量操作过程中相 关信号的施加时序示意图；
图5A是本申请一示例提供的5个CZ门操作的测量数据；
图5B是本申请一示例提供的10个CZ门操作的测量数据；
图5C是本申请一示例提供的12个CZ门操作的测量数据；
图5D是本申请一示例提供的15个CZ门操作的测量数据；
图5E是本申请一示例提供的18个CZ门操作的测量数据；
图6是本申请一实施例提供的两比特量子逻辑门的误差测量装置的结构框 图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本申请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，本申请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、明晰地辅助说明本申请 实施例的目的。
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。
本申请实施例提供的方法可以应用于计算机终端，或者称为量子计算机。
在量子计算机中，量子芯片是执行量子计算的处理器，请参阅图1，量子 芯片上集成有多个一一对应的且相互耦合的量子比特和读取谐振腔，各读取谐 振腔远离对应量子比特的一段均连接至集成设置在量子芯片上的读取信号传输 线，各量子比特均耦合连接有XY信号传输线和Z信号传输线。XY信号传输线 用于接收量子态控制信号，Z信号传输线用于接收频率控制信号，频率控制信 号包括偏置电压信号和/或脉冲偏置调控信号，所述偏置电压信号可以对量子比 特的频率进行粗调，所述脉冲偏置调控信号可以对量子比特的频率进行微调， 读取信号传输线用于接收读取探测信号和发射读取反馈信号。
量子比特的调控及处理过程，简述如下：
利用Z信号传输线上的偏置电压信号将量子比特的频率调整到工作点频率， 再利用Z信号传输线上的脉冲偏置调控信号将量子比特的工作点频率进一步微 调到特定频率，然后通过XY信号传输线施加量子态控制信号对处于初始态的 量子比特进行量子态调控，最后采用读取谐振腔读取(或称测量)调控后的量 子比特的量子态。需要说明的是，所述工作点频率和所述特定频率可以根据实 际应用需求进行设定，在此不做具体限定。
具体的，通过读取信号传输线施加载频脉冲信号，通常称之为读取探测信 号，读取探测信号通常是频率为4-8GHz的微波信号，通过解析读取信号传输 线输出的读取反馈信号确定量子比特所处的量子态。读取谐振腔能够读取量子 比特的量子态的根本原因是量子比特的不同量子态对读取谐振腔产生的色散频 移不同，从而使得量子比特的不同量子态对施加在读取谐振腔上的读取探测信 号具有不同的响应，该响应信号称为读取反馈信号。仅当量子比特的读取探测 信号的载频与读取谐振腔的固有频率(也叫谐振频率)非常靠近时，读取谐振 腔才会因量子比特处于不同量子态对读取探测信号的响应的明显差异，即读取 反馈信号具有最大化的可区分度。基于此，通过解析一定脉冲长度的读取反馈信号确定量子比特所处于的量子态，例如，将每一次采集的读取反馈信号转换 为正交平面坐标系(即IQ坐标系)的一个坐标点，根据坐标点的位置确定对应 的量子态是基态(|0>态)还是激发态(|1>态)。可以理解的是，|0>态、|1>态 是量子比特的两个本征态。
相关技术中，多数量子算法是基于量子门电路实现的，基于量子门电路的 量子计算机的总体思路与经典计算机有相似之处，首先实现了几个基本的量子 逻辑门，然后通过组合这些量子逻辑门来完成量子算法，进行计算。量子逻辑 门操作主要由单比特量子逻辑门操作和两比特量子逻辑门操作这两类构成，当 然也有多比特量子逻辑门。理论上证明，任意的单比特量子逻辑门操作和任意 一个两比特量子逻辑门(也称为“两比特量子纠缠门”)的组合可以实现复杂体系 的任意量子逻辑门操作。
理想的量子比特是二能级系统，对应的也只具有基态和激发态。然而在实 际应用中，是选取多能级体系中的最低两个能级来实现量子比特，并且量子比 特的能级是逐级跃迁。因此，当施加到量子比特的两比特量子逻辑门的控制信 号精度不高时，可能会将量子比特激发到比激发态更高能级的高激发态(|2>态)。 因此，两比特量子逻辑门的误差中存在因量子比特的高激发态泄露引起的误差， 即两比特量子逻辑门的误差中存在泄露误差。该误差主要跟两比特量子逻辑门 的操作精度有关，也即跟两比特量子逻辑门的控制波形(或称“控制信号”)的参 数精度有关。而且，发明人在实际应用中发现，由单个两比特量子逻辑门操作 引起的泄露误差容易被淹没在量子比特的量子态读取误差中而无法测量。
基于此，本申请提出了一种两比特量子逻辑门的误差测量方法、装置和量 子计算机，它通过对两个耦合的量子比特进行连续多个两比特量子逻辑门操作 实现了量子比特的高激发态泄露的积累，从而能够放大两比特量子逻辑门的误 差中的泄露误差，实现对该误差的测量，以为研究高精度两比特量子逻辑门的 控制波形提供依据。
请参考图2，本申请实施例提供了一种两比特量子逻辑门的误差测量方法， 包括：
S1：将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11>态，其中，所述|11>态 表示两个所述量子比特的量子态均为激发态。
在本步骤中，需要选取相互耦合的两个量子比特，进而能够执行两比特量 子逻辑门操作。通过两个所述量子比特连接的XY信号传输线施加量子态控制 信号，将两个所述量子比特的量子态调控到|11>态。
S2：向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门操作。
在本步骤中，向两个处于|11>态的量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门 的控制波形，即通过两个所述量子比特连接的Z信号传输线施加多个与两比特 量子逻辑门对应的频率控制信号至相应的量子比特，从而完成对两个所述量子 比特的两比特量子逻辑门操作。所述两比特量子逻辑门操作的数量可以根据实 际应用需求进行设定，在此不做具体限定。
S3：测量其中一个所述量子比特的末态信息。
需要说明的是，在本步骤中，量子比特的末态信息是指量子比特经过调控 后的量子态信息，所述量子态信息包括量子比特的量子态为基态、激发态和高 激发态的所有数据。获取量子比特经调控后的量子态具体是通过量子比特连接 的读取信号传输线向量子比特施加读取探测信号，并接收与之对应的读取反馈 信号，通过解析所述读取反馈信号获取该量子比特的末态，所述末态是为基态、 激发态和高激发态的其中一个量子态。即对量子比特进行一次测量，只可获取 量子比特处于其中的一个量子态。因此，需要对量子比特进行大量次数的测量， 才可获取所述量子态信息。
S4：基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差。
在本步骤中，经过调控后的量子比特的量子态受到了两比特量子逻辑门操 作的影响，因此，可以从所述末态信息中获取到两比特量子逻辑门的误差。
由此可见，本申请实施例中，通过将两个耦合连接的量子比特的量子态制 备到|11>态，让两个所述量子比特均处于激发态，再向两个所述量子比特连续施 加多个两比特量子逻辑门操作，以不断积累量子比特的高激发态泄露，从而实 现放大由量子比特的高激发态泄露所引起的两比特量子逻辑门的误差，然后测 量其中一个所述量子比特的末态信息，并基于所述末态信息获取两比特量子逻 辑门的误差，以为研究高精度两比特量子逻辑门的控制波形提供依据。
作为本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S1中，所述将两个耦合连接 的量子比特的初态制备到|11>态，具体包括：
将两个所述量子比特的量子态初始化到|00>态，其中，所述|00>态表示两个 所述量子比特的量子态均为基态。
向两个所述量子比特同时各施加一个π脉冲，将两个所述量子比特的量子 态制备到|11>态。
需要说明的是，为了精确地将两个所述量子比特的量子态调控到激发态， 需要先对它们进行初始化到基态。本领域技术人员可以理解的是，对处于基态 的量子比特施加的量子态控制信号为π脉冲时，可以将该量子比特的量子态调 控到激发态。因此，对于两个处于基态的量子比特同时各施加一个π脉冲，可 以将该两个量子比特的量子态同时调控(即制备)到激发态，即所述|11>态。
作为本申请实施例的一种具体实施方式，请参考图3，在步骤S2中，所述 向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门操作，具体包括：
S21：将两个所述量子比特分别标记为低频量子比特和高频量子比特。
需要说明的是，量子计算中，两比特量子逻辑门是可以产生两个量子比特 纠缠态的一类量子逻辑门操作。常见的两比特量子逻辑门包括SWAP门、iSWAP 门、可控相位门(Controlled-NOT(CNOT门)、Controlled-Z(CZ门)、Controlled-U 门)。对两个量子比特施加的两比特量子逻辑门操作具体是对该两个量子比特 的频率进行调控，通过频率的变化影响量子比特的量子态发生改变。本申请实 施例中，所述两比特量子逻辑门操作可以为SWAP门操作、iSWAP门操作和可 控相位门操作中的任一种，在此不做具体限定。
因此，为了区分两比特量子逻辑门作用的两个量子比特，在本步骤中，将 两个所述量子比特分别标记为频率较低的所述低频量子比特和频率较高的所述 高频量子比特，其中，所述低频量子比特的工作点频率比所述高频量子比特的 工作点频率低。在实际应用中，可以将所述低频量子比特作为两比特量子逻辑 门的目标比特和将所述高频量子比特作为两比特量子逻辑门的控制比特；也可 以将所述高频量子比特作为两比特量子逻辑门的目标比特和将所述低频量子比 特作为两比特量子逻辑门的控制比特，还可以将所述低频量子比特和所述高频 量子比特共同作为两比特量子逻辑门的控制比特以及将所述低频量子比特或所 述高频量子比特作为两比特量子逻辑门的目标比特，在此不做限定。
S22：向所述低频量子比特和/或所述高频量子比特连续施加多个所述两比特 量子逻辑门操作。
本领域技术人员可以理解的是，对两个量子比特施加两比特量子逻辑门操 作，就是将两比特量子逻辑门的控制波形施加到该两个量子比特上，并且还可 以根据设定的两比特量子逻辑门的控制波形的工作点参数，确定将控制波形施 加到具体的量子比特上。在本步骤中，向所述低频量子比特和/或所述高频量子 比特连续施加多个所述两比特量子逻辑门操作，即是将多个两比特量子逻辑门 的控制波形依次拼接在一起先后施加到所述低频量子比特和/或所述高频量子比 特上。
优选的是，所述两比特量子逻辑门操作的数量不少于3个，即向相应量子 比特上连续施加的两比特量子逻辑门的控制波形的数量要不少于3个。另外， 多个两比特量子逻辑门的控制波形的工作点参数相同。当向所述低频量子比特 (或所述高频量子比特)连续施加多个所述两比特量子逻辑门的控制波形时， 同时会向所述高频量子比特(或所述低频量子比特)连续施加多个与所述两比 特量子逻辑门的控制波形等宽度的零波形。
需要说明的是，相对于零波形而言，所述两比特量子逻辑门的控制波形是 非零波形。该波形和零波形均是作为脉冲偏置调控信号施加到量子比特上。
当向所述低频量子比特施加所述两比特量子逻辑门的控制波形，而向所述 高频量子比特施加零波形时，具体是将所述低频量子比特的频率调节到所述高 频量子比特的特定频率处，使得所述低频量子比特和所述高频量子比特在该频 率处发生共振，从而改变两个量子比特的量子态。
当向所述高频量子比特施加所述两比特量子逻辑门的控制波形，而向所述 低频量子比特施加零波形时，具体是将所述高频量子比特的频率调节到所述低 频量子比特的特定频率处，使得所述低频量子比特和所述高频量子比特在该频 率处发生共振，从而改变两个量子比特的量子态。
当向所述低频量子比特和所述高频量子比特和施加所述两比特量子逻辑门 的控制波形时，具体是将所述低频量子比特和所述高频量子比特的频率调节到 预先设定的特定频率处，使得所述低频量子比特和所述高频量子比特在该频率 处发生共振，从而改变两个量子比特的量子态。
示例性的，若选取所述低频量子比特作为两比特量子逻辑门的控制比特， 则向所述低频量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门的控制波形。此时所述 高频量子比特是作为两比特量子逻辑门的目标比特，则测量所述高频量子比特 的末态信息。
若选取所述高频量子比特作为两比特量子逻辑门的控制比特，则向所述高 频量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门的控制波形，此时所述低频量子比 特是作为两比特量子逻辑门的目标比特，则测量所述低频量子比特的末态信息。
若选取所述低频量子比特和所述高频量子比特作为两比特量子逻辑门的控 制比特，则向所述低频量子比特和所述高频量子比特同时连续施加多个两比特 量子逻辑门的控制波形。此时可以选择所述低频量子比特或所述高频量子比特 作为两比特量子逻辑门的目标比特，则测量所述低频量子比特或所述高频量子 比特的末态信息。
需要说明的是，选取不同的量子比特作为所述两比特量子逻辑门的控制比 特时，对相应量子比特施加的所述两比特量子逻辑门的控制波形的工作点参数 不同。
作为本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S3中，所述测量其中一个所 述量子比特的末态信息，具体包括：
测量所述低频量子比特或所述高频量子比特的末态信息，其中，所述末态 信息包括所述低频量子比特或所述高频量子比特经调控后其量子态处于基态、 激发态和高激发态的所有数据。
在本步骤中，测量的对象是作为所述两比特量子逻辑门的目标比特使用的 量子比特。当所述低频量子比特作为所述两比特量子逻辑门的目标比特时，测 量所述低频量子比特经过调控后的量子态处于基态、激发态和高激发态的所有 数据。当所述高频量子比特作为所述两比特量子逻辑门的目标比特时，测量所 述高频量子比特经过调控后的量子态处于基态、激发态和高激发态的所有数据。 并且，选取所述低频量子比特或所述高频量子比特作为所述两比特量子逻辑门 的目标比特，测量获取的两比特量子逻辑门的误差基本相同。
作为本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S4中，所述基于所述末态信 息获取两比特量子逻辑门的误差，具体包括：
将所述末态信息处理成IQ坐标系中的量子态散点数据。
采用量子态读取判据获取所述量子态散点数据中包含的高激发态散点数据， 其中，所述高激发态散点数据即为两比特量子逻辑门的误差，所述量子态读取 判据用于分辨出所述量子态散点数据中的基态数据、激发态数据以及高激发态 数据。
需要说明的是，根据施加不同的读取探测信号至对应的待读取的量子比特 并重复该过程，得到的量子态散点数据在IQ坐标系的分布为两个态圆斑，分别 代表待读取的量子比特具备的两个不同本征态，具体为|0>态和|1>态。因此，所 述量子态读取判据可以为量子比特量子态的二分类读取判据，即量子比特的|0> 态和|1>态的态圆斑分类判据。通过所述量子态读取判据从IQ坐标系中的所述量 子态散点数据中区分出基态数据和激发态数据，并且将IQ坐标系中既不属于基 态数据也不属于激发态数据的那部分量子态散点数据判定为高激发态数据，从 而获取了因量子比特的高激发态泄露而产生的并经放大后的两比特量子逻辑门 的误差。
所述量子态读取判据也可以为量子比特量子态的三分类读取判据，即量子 比特的|0>态、|1>态和|2>态的态圆斑分类判据。通过所述量子态读取判据从IQ 坐标系中的所述量子态散点数据中区分出基态数据、激发态数据和高激发态数 据，从而获取了因量子比特的高激发态泄露而产生的并经放大后的两比特量子 逻辑门的误差。
所述量子态读取判据还可以为量子比特量子态的四分类及更多分类的读取 判据。在实际应用时，只要利用所述量子态读取判据能够从所述量子态散点数 据中分辨出高激发态数据即可，对于所述量子态读取判据所采用的具体分类判 据在此不做具体限定。
在所有两比特量子逻辑门操作中，两比特纠缠门中的可控相位门是比较重 要的一种。理论上证明，任意的单比特量子逻辑门和一个可控相位门的组合可 以实现复杂体系的任意量子逻辑门操作。
示例性的，下面以可控相位门中的CZ门为例，举例说明本申请实施例的具 体操作过程。
在一量子芯片中选取耦合连接的量子比特Q2和量子比特Q3，其中，量子 比特Q2为所述高频量子比特，量子比特Q3为所述低频量子比特。假设所述CZ 门操作的控制波形选用平顶高斯波。所述CZ门控制波形的数学表达式为：
其中，Z(t)表示所述CZ门的控制波形，A为波形的幅值，erf代表误差 函数，所述误差函数的数学表达式σ是进行平滑处理的高 斯滤波器的宽度，τc是波形的中心长度，τb是设置于波形两边的幅度为零的缓冲 信号的长度，所述CZ门控制波形的总长度为τc+2τb。
在本示例中，将所述CZ门的控制波形的参数设置为：波形的幅值A为1V， 高斯滤波器的宽度σ＝1.25，波形的总长度为90ns，其中波形的中心长度 τc＝60ns，缓冲信号的长度τb＝15ns。
选择量子比特Q2作为CZ门操作的控制比特，选择量子比特Q3作为CZ 门操作的目标比特。所述CZ门的控制波形能够调控量子比特Q2和量子比特 Q3的频率发生共振，从而使得量子比特Q2和量子比特Q3在|11>态和|20>态共 振点附近发生免交叉，其中，所述|20>态用于表示一个量子比特处于高激发态而 另一个量子比特处于基态，表明该两个量子比特处于20能级。
具体而言，所述CZ门的控制波形是调控量子比特Q2的第一跃迁频率f01 和量子比特Q3的第二跃迁频率f12发生共振，其中，所述第一跃迁频率为量子 比特Q2的量子态由基态跃迁到激发态的跃迁频率，所述第二跃迁频率为量子比 特Q3的量子态由激发态跃迁到高激发态的跃迁频率。
需要说明的是，单个量子比特的基态(|0>态)和激发态(|1>态)写成矩阵 的形式为：|0>态：[10]T，|1>态：[01]T。因此，两个量子比特的态基矢写成矩阵 的形式为：|00>态：[1000]T，|01>态：[0100]T，|10>态：[0010]T，|11>态：[0001]T。 类似的，可以推导出|20>态的含义，即其矩阵维数由四维扩展到六维，并且在相 应的位置上记为1，表示占据。
假设分别向量子比特Q2连续施加多个CZ门的控制波形，各个所述CZ门 的控制波形的参数相同。因为CZ门的误差中存在泄露误差，因此可以通过向量 子比特Q2施加多个CZ门的方式，让泄露误差一直积累在20能级上，最后测 量量子比特Q3的末态是否存在|2>态圆斑，则该|2>态圆斑就是放大后的泄露误 差。
请参见图4，按照本申请实施例方法的步骤，先将量子比特Q2 和量子比特Q3均制备到激发态，使得量子比特Q2和量子比特Q3 处于|11>态。然后再向量子比特Q2连续施加N(N＞3)个所述CZ 门的控制波形，同时向量子比特Q3连续施加N个与所述CZ门的控 制波形同宽度的零波形。接着测量量子比特Q3的末态，并重复以上 操作多次(如约2000次)，最终可以获取到包括量子比特Q3处于基 态、激发态和高激发态的所有数据的末态信息。最后将量子比特Q3 的末态信息处理成IQ坐标系中的量子态散点数据，并采用量子比特 量子态的二分类读取判据分析所得量子态散点数据以从中测量出|2> 态圆斑，从而获取了放大后的CZ门的误差。请参见图5A-5E，依次 是向量子比特Q2施加了5个、10个、12个、15个和18个CZ门的 控制波形的测试结果，可以看出，随着所述CZ门的控制波形数量的 增加，量子比特Q2和量子比特Q3在20能级上的泄露误差也在积累， 同时也能在IQ坐标系中越来越明显地看到因|2>态泄露而形成的|2> 态圆斑。
因此，通过本申请实施例方法能够有效测量两比特量子逻辑门的误差中的 泄露误差，由于该误差与两比特量子逻辑门的控制波形参数精度有关，可以为 研究高精度两比特量子逻辑门的控制波形提供依据。在此基础上，可以通过修 改不同的两比特量子逻辑门的控制波形参数，并观察所形成的|2>态圆斑在量子 态散点数据中所占的概率大小即可确定出两比特量子逻辑门的控制波形的哪些 参数对该误差贡献最大，从而能够找到一组高精度的两比特量子逻辑门的控制 波形参数，确保该泄露误差最小，以为研究提高两比特量子逻辑门的保真度提 供依据。
请参见图6，本申请又一实施例提供了一种两比特量子逻辑门的误差测量装 置，包括：
量子态初始化模块201，用于将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11>态，其中，所述|11>态表示两个所述量子比特的量子态均为激发态。
频率调控模块202，用于向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑 门操作。
量子态测量模块203，用于测量其中一个所述量子比特的末态信息。
误差观测模块204，用于基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差。
可以理解的是，所述量子态初始化模块201、所述频率调控模块202、所述 量子态测量模块203和所述误差观测模块204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，所述量子态初始化模 块201、所述频率调控模块202、所述量子态测量模块203和所述误差观测模块 204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。根据本申请实施例，所述量子态初始化模块201、 所述频率调控模块202、所述量子态测量模块203和所述误差观测模块204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， 所述量子态初始化模块201、所述频率调控模块202、所述量子态测量模块203 和所述误差观测模块204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。
本申请又一实施例提出了一种量子计算机，包括如上所述的两比特量子逻 辑门的误差测量装置，或者利用如上任一项所述的两比特量子逻辑门的误差测 量方法获取两比特量子逻辑门的误差。
本申请再一实施例提出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够实现如上任一项所述的两比特量子逻辑门 的误差测量方法。
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 执行本发明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 发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置和计算机程序产品的流程图和/或 框图描述了本发明的各个方面。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。
上述仅为本申请的优选实施例而已，并不对本申请起到任何限制作用。任 何所属技术领域的技术人员，在不脱离本申请的技术方案的范围内，对本申请 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 本申请的技术方案的内容，仍属于本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种两比特量子逻辑门的误差测量方法，其特征在于，包括：
将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11>态，其中，所述|11>态用于表示两个所述量子比特的量子态均为激发态；
向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门操作；
测量其中一个所述量子比特的末态信息；
基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将两个耦合连接的量子比特的初态制备到|11>态，包括：
将两个所述量子比特的量子态初始化到|00>态，其中，所述|00>态用于表示两个所述量子比特的量子态均为基态；
向两个所述量子比特同时各施加一个π脉冲，将两个所述量子比特的量子态制备到|11>态。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门操作，包括：
将两个所述量子比特分别标记为低频量子比特和高频量子比特；
向所述低频量子比特和/或所述高频量子比特连续施加多个所述两比特量子逻辑门操作。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测量其中一个所述量子比特的末态信息，包括：
测量所述低频量子比特或所述高频量子比特的末态信息，其中，所述末态信息包括所述低频量子比特或所述高频量子比特经调控后其量子态处于基态、激发态和高激发态的数据。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，若向所述低频量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门时，则测量所述高频量子比特的末态信息；
若向所述高频量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门时，则测量所述低频量子比特的末态信息；
若向所述低频量子比特和所述高频量子比特同时连续施加多个两比特量子逻辑门时，则测量所述低频量子比特或所述高频量子比特的末态信息。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差，包括：
将所述末态信息处理成IQ坐标系中的量子态散点数据；
采用量子态读取判据获取所述量子态散点数据中包含的高激发态散点数据，其中，所述量子态读取判据用于分辨出所述量子态散点数据中的基态数据、激发态数据以及高激发态数据，所述高激发态散点数据即为两比特量子逻辑门的误差。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两比特量子逻辑门的数量不少于3个。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述两比特量子逻辑门采用可控相位门。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述两比特量子逻辑门采用CZ门。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述CZ门的控制波形采用平顶高斯波，各个所述CZ门的控制波形参数相同。
11.一种两比特量子逻辑门的误差测量装置，其特征在于，包括：
量子态初始化模块，用于将两个耦合连接的量子比特的量子态制备到|11>态，其中，所述|11>态表示两个所述量子比特的量子态均为激发态；
频率调控模块，用于向两个所述量子比特连续施加多个两比特量子逻辑门操作；
量子态测量模块，用于测量其中一个所述量子比特的末态信息；
误差观测模块，用于基于所述末态信息获取两比特量子逻辑门的误差。
12.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求11所述的两比特量子逻辑门的误差测量装置。
13.一种可读存储介质，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够实现如权利要求1-10任一项所述的两比特量子逻辑门的误差测量方法。
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