CN117669752A - 一种量子比特逻辑门参数的优化方法、系统、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子计算领域，提出了一种量子比特逻辑门参数的优化方法、系统、设备及介质，方法包括：设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量；修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。本发明将控制信号的波形参数化，通过优化参数来提高量子门保真度，避免量子逻辑门受到噪声干扰，简单快速地获得更高的可预测性，能够在量子信息处理中提升量子态产生效率，方便构建具有更高可扩展性的量子计算网络。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算领域，尤其涉及一种量子比特逻辑门参数的优化方法、系统、设备及介质。
背景技术
当前，随着传统芯片加工尺度越来越接近量子极限，量子隧穿效应将导致传统逻辑门操作的失效，因此，需要寻找新的计算方案来确保计算力的进一步提升。量子计算是进一步发展算力的热门研究方向之一。与经典计算中单个比特只能处于0或者1不同，量子比特可以处于|0>态、|1>态或|0>和|1>的叠加态（这里的|>为Dirac符号，代表一个量子态），其中当量子比特处于叠加态时，对量子比特的操作相当于对组成叠加态的基矢同时进行操作，这也是量子计算天然并行性的来源。单比特的叠加态还可写为a|0>+b|1>，a和b为复数，其中a2代表对该叠加态进行读取结果得到|0>的概率， b2代表对该叠加态进行读取结果得到|1>的概率，两者满足归一化条件a2+b2=1。量子计算本身遵循可逆计算模型，算法的实施依托于量子逻辑门操作，因此，如何在硬件上实现高保真度的量子逻辑门是当前阶段量子计算研究的关键问题之一。
任意的单量子逻辑门均可分解为Hadamard门（以下简称H门）和T相位门的组合，其中H门又可以分解为连续的一个Pauli-X门（以下简称X门）和一个Pauli-Y/2门（以下简称Y/2门），而Y/2门与X/2门相差90度的相位，这里的相位差与T相位门又均可借助Virtual-Z技术来实现，因此，可将高保真量子逻辑门的实现问题转化为如何更加精准的确定X门和X/2门所对应的参数。
对于超导量子计算而言，X门和X/2门的实现借助于IQ混频技术，即根据任意波形发生器所发出微波脉冲包络的振幅和时长，来确定对量子比特所实现的逻辑操作。然而，由于当前阶段超导量子计算仍处于其研究初期，作为以宏观信号实现微观操作的计算方案，超导量子计算经常会受到外界电磁噪声的干扰。当外界的电磁环境发生轻微改变时，量子门操作所对应的参数经常会收到影响，从而导致量子逻辑门保真度的下降。原有技术方案在遇到量子比特逻辑门操作下降时需要对量子比特逻辑门操作进行重新校准，而保真度下降的偏差较小，校准却是重新开始，导致整个过程效率低且耗时。因此，如何在量子门操作的参数发生变化时精确且迅速地找到X门和X/2门所对应的微波脉冲包络的振幅和时长参数，是确保得到高保真量子计算输出结果的关键因素。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种量子比特逻辑门参数的优化方法、系统、设备及介质，在整个计算过程中，保持量子逻辑门的保真度，耗时短，精度高，可预测性强，便于生产操作。
基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种量子比特逻辑门参数的优化方法，具体包括如下步骤：
设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；
将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率；
修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；
将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。
在一些实施例中，所述将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数的步骤包括：
统计所有参数和相应的对量子比特进行投影测量所得到|1>态的概率；
选取最大概率所对应的参数点，作为优化后的量子比特X门参数。
在一些实施例中，所述将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数的步骤包括：
统计所有参数和相应的对量子比特进行投影测量所得到|1>态的概率；
将最接近1/2的概率对应的参数作为优化后的量子比特X/2门参数。
在一些实施例中，所述设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤包括：
获取测控系统输出控制信号所对应微波包络时长扫描范围的下界T1和上界T2；
获取测控系统输出控制信号所对应微波包络振幅扫描范围的下界A1和上界A2；
将测控系统输出控制信号的参数中的时长初始化为设置为T1，振幅设置为A1。
在一些实施例中，所述将控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量的步骤包括：
将控制信号作用在初态|0>量子比特上，等待预设期后，对所有的量子比特状态进行投影测量，得到|0>或者|1>的测量结果；
返回重复N次将控制信号作用在初态|0>量子比特上的过程，并进行对应的多次投影测量。
在一些实施例中，所述基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率的步骤包括：
统计投影测量结果为|1>的次数n；
计算n/N，并作为当前时长和振幅设置下的控制信号对量子比特读取得到|1>态的概率。
在一些实施例中，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤包括：
获取系统输出控制信号包络振幅扫描改变的步长α；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+α，得到第一修改控制信号；
将第一修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第一修改控制信号对应的概率。
在一些实施例中，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+cα，得到第二修改控制信号，其中c取值为大于2的整数；
将第二修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第二修改控制信号对应的概率；
将c的取值加一，返回将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+cα，得到当前参数所对应的概率，直到c等于(A2-A1)/α为止。
在一些实施例中，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
获取测控系统输出控制信号包络时长扫描改变的步长τ；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+τ，振幅设置为A1+α，得到第三修改控制信号；
将第三修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第三修改控制信号对应的概率。
在一些实施例中，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤包括：
获取测控系统输出控制信号包络时长扫描改变的步长τ；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+dτ，振幅设置为A1+cα，得到第四修改控制信号；
将第四修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第四修改控制信号对应的概率；
保持时长为T1+dτ不变，将c加一并返回将振幅设置为A1+cα，重新测量得到当前参数对应的概率，直到c等于(A2-A1)/α为止。
在一些实施例中，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
将d加一，并返回将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+dτ，振幅设置为A1+cα的步骤，得到当前参数对应的概率，直到d等于(T2-T1)/τ为止。
在一些实施例中，方法还包括：
在测控系统启动运行预设时间后，开始设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅。
本发明提出了一种量子比特逻辑门参数的优化系统，包括：
设置单元，配置为用于设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；
计算单元，配置为用于将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率；
循环单元，配置为用于修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；
输出单元，配置为用于将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。
本发明提出了一种计算机设备，包括：
至少一个处理器；以及存储器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时执行所述的量子比特逻辑门参数的优化方法的步骤。
本发明提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时执行所述的量子比特逻辑门参数的优化方法的步骤。
本发明至少具有以下有益技术效果：
本发明提出了一种量子比特逻辑门参数的优化方法、系统、设备及介质，方法包括：设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率；修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。
本发明将控制信号的波形参数化，并通过优化参数来提高量子门保真度，避免量子逻辑门受到噪声干扰，提高容错能力，简单快速地获得更高的可预测性，能够在量子信息处理中提升量子态产生效率，方便构建具有更高可扩展性的量子计算网络。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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实施例。
图1为本发明提供的量子比特逻辑门参数的优化方法流程图；
图2为本发明提供的量子比特逻辑门参数的优化系统模块图；
图3为本发明提供的量子比特逻辑门参数的优化方法的一实施例的量子比特控制信号微波脉冲包络示意图；
图4为本发明提供的量子比特逻辑门参数的优化系统的一实施例的量子逻辑门生成模块示意图；
图5为本发明提供的计算机设备的一实施例的结构示意图；
图6为本发明提供的计算机可读存储介质的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明提出了一种量子比特逻辑门参数的优化方法，请参阅图1和图3，包括，
S1：设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；
S2：将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率；
S3：修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；
S4：将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。
由于量子计算机仍处于其研制的初级阶段，因此当量子计算机运行一段时间后会出现量子比特逻辑门操作保真度下降的问题。原有技术方案在遇到量子比特逻辑门操作下降时需要对量子比特逻辑门操作进行重新校准，过程效率低且耗时。因此本发明基于量子比特逻辑门操作参数偏移时相对原有操作点偏移很小的特点，设计了在原有量子逻辑门参数点附近确定量子比特逻辑门参数的方法。
以原本校准好的量子比特控制信号参数为基准，以一定的步长改变测控系统所生成量子比特控制信号即微波包络的时长，在每个时长下再以一定的步长改变测控系统所生成控制信号即微波包络的振幅，在每个时长、振幅点重复对作用完控制信号的量子比特的状态进行读取，假设重复次数为N，读取到量子比特状态为|1>的次数为n，那么在每个时长、振幅点读取到量子比特状态为|1>的概率为n/N；在完成对设定时长、振幅范围控制信号的扫描后即可对比在不同时长、振幅作用后读取量子比特状态得到|1>的概率，选取其中n/N最大值所对应的控制参数即为最终得到的最优X门参数；选取其中n/N最接近1/2所对应的控制参数即为最终得到的最优X/2门参数。
在整个计算过程中，保持量子逻辑门的保真度，耗时短，精度高，可预测性强，便于生产操作。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数的步骤包括：
统计所有参数和相应的对量子比特进行投影测量所得到|1>态的概率；
选取最大概率所对应的参数点，作为优化后的量子比特X门参数。
统计得到组参数点，/>个概率，大量的数据能够减小误差，增加结果的准确性，选择出最优的参数用于指导实际的工作，提供有效的参考和依据。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，方法还包括：所述将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数的步骤包括：
统计所有参数和相应的对量子比特进行投影测量所得到|1>态的概率；
将最接近1/2的概率对应的参数作为优化后的量子比特X/2门参数。
由于理想情况下对处于初态|0>的量子比特作用X/2门后的末态进行投影测量，结果得到|1>的概率为1/2，因此确定X/2门参数的优化方案与X门类似，区别在于时长和振幅的扫描范围需覆盖原X/2门的参数，且优化后的量子比特X/2门参数的选取以概率最接近1/2为标准。能够简单的实现对量子逻辑门高保真度的输出。
本发明选取了X门和X/2门两个门操作来实现量子比特逻辑门参数优化。量子计算中所有单比特逻辑操作均可由通用量子逻辑门集中的元素组合得到，通用量子逻辑门集有多种选取方案，其中一种可采用X门、X/2门、Y门、Y/2门、相位门，其中相位门可通过两个连续控制波形的相位差来实现，即所谓的“虚拟相位门”，不受其他波形参数的影响；Y门和Y/2门可采用X门和X/2门相位偏移90度后的波形实现。
同时，选取X门和X/2的另一个原因。在理想状态中，X/2门相对X门的波形参数为1/2的关系，例如波形长度不变时幅值为1/2，波形幅值不变时长度为1/2。然而，实际进行量子计算机校准时发现，由于从室温控制系统产生的微波信号输入到量子芯片的过程中会经过较长的微波线路，且线路中存在衰减器、滤波器等微波器件，因此会存在信号的反射和衰减，导致X/2门的参数相对X门并不是1/2的关系。
因此，得到X门和X/2门的优化参数即可相应得到所有通用量子逻辑门集优化参数。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤包括：
获取测控系统输出控制信号所对应微波包络时长扫描范围的下界T1和上界T2；
获取测控系统输出控制信号所对应微波包络振幅扫描范围的下界A1和上界A2；
将测控系统输出控制信号的参数中的时长初始化为设置为T1，振幅设置为A1。
设置扫描范围，由于量子逻辑门计算过程中容易受到外界环境的干扰，从而在一定程度上影响输出数据的质量，因此选择扫描范围来提高预测精度保持高保真度的数据输出，能够为实践中合理选择扫描相关参数提供依据，具有统计学意义。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述将控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量的步骤包括：
将控制信号作用在初态|0>量子比特上，等待预设期后，对所有的量子比特状态进行投影测量，得到|0>或者|1>的测量结果；
返回重复N次将控制信号作用在初态|0>量子比特上的过程，并进行对应的多次投影测量。
N次投影测量结果增加数据测量的总数，每一次的投影测量均独立，降低误差，使得结果更加趋于真实水平，更加具备说服力。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率的步骤包括：
统计投影测量结果为|1>的次数n；
计算n/N，并作为当前时长和振幅设置下的控制信号对量子比特读取得到|1>态的概率。
选择n/N作为求得的概率是基于蒙特卡洛方法的基本思想，即以|1>态出现的频率估计这一随机事件的概率，能够比较逼真地描述具有量子比特状态变化的随机性的特点及物理实验过程，对多维问题具有适应性，能够在计算机上进行计算时，程序结构简单，分块性强，易于实现。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤包括：
获取系统输出控制信号包络振幅扫描改变的步长α；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+α，得到第一修改控制信号；
将第一修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第一修改控制信号对应的概率。
在同一个时长下，修改振幅，能够得到修改后的当前时长和振幅对应的概率，有利于优化量子比特逻辑门的参数。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+cα，得到第二修改控制信号，其中c取值为大于2的整数；
将第二修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第二修改控制信号对应的概率；
将c的取值加一，返回将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+cα，得到当前参数所对应的概率，直到c等于(A2-A1)/α为止。
对于同一个时长而言，要统计不同振幅下的概率，即(A2-A1)/α组参数下的(A2-A1)/α个概率。丰富同一个时长下的数据，便于统计。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
获取测控系统输出控制信号包络时长扫描改变的步长τ；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+τ，振幅设置为A1+α，得到第三修改控制信号；
将第三修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第三修改控制信号对应的概率。
修改一次时长，得到修改后的时长，要对修改后的时长重新开始进行上述步骤的循环计算，从而得到当前参数对应的概率，保证数据的有效性。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤包括：
获取测控系统输出控制信号包络时长扫描改变的步长τ；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+dτ，振幅设置为A1+cα，得到第四修改控制信号；
将第四修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第四修改控制信号对应的概率；
保持时长为T1+dτ不变，将c加一并返回将振幅设置为A1+cα，重新测量得到当前参数对应的概率，直到c等于(A2-A1)/α为止。
对修改后的时长开始计算不同振幅下的概率，是为了更加直观的描述当前参数下的性质，在观测过程中将该性质转化为统计学中的概率，方便数据的进一步使用。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
将d加一，并返回将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+dτ，振幅设置为A1+cα的步骤，得到当前参数对应的概率，直到d等于(T2-T1)/τ为止。
通过双层遍历得到在不同时长和不同振幅的参数下对应的每个概率，能够简单快速地获得整个量子比特被噪声影响后可预测性的转化结果。
在一些实施例中，请参阅图1和图3，方法还包括：
在测控系统启动运行预设时间后，开始设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅。
在量子计算的过程中，当外界的电磁环境发生轻微改变时，量子门操作所对应的参数经常会收到影响，因此选择计算持续一段时间之后，才开始进行优化参数的选择，从而有效的指导计算过程，减少计算资源的浪费。
本发明提出了一种量子比特逻辑门参数的优化系统，请参阅图2和图4，包括：
设置单元100，配置为用于设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；
计算单元200，配置为用于将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率；
循环单元300，配置为用于修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；
输出单元400，配置为用于将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。
本发明将控制信号的波形参数化，并通过优化参数来提高量子门保真度，避免量子逻辑门受到噪声干扰，提高容错能力，简单快速地获得更高的可预测性，能够在量子信息处理中提升量子态产生效率，方便构建具有更高可扩展性的量子计算网络。
在图4中，AWG指任意波形发生器。量子逻辑门生成方案为，由微波源发出高频微波信号（常见频率范围4-8 GHz），AWG发出任意波形信号（常见频率范围50-300 MHz），AWG发出的波形形状请见原技术交底书附图。微波源和AWG发出的不同频率微波经过IQ混频器进行混频，IQ混频器LO代表本振，RF代表射频。混频后所产生的射频信号即为量子比特的控制信号。另外，由于AWG发出波形信号可控，因此可借助不同参数下的AWG输出信号实现量子逻辑门操作。本发明所涉及的技术方案即为对AWG输出波形参数进行调整，以实现量子比特逻辑门参数的优化。
在一些实施例中，请参阅图3，量子比特逻辑门参数的优化方法实现如下：
S1，选取测控系统输出控制信号所对应微波包络时长扫描范围的下界T1和上界T2，选取测控系统输出控制信号包络时长扫描改变的步长τ；选取测控系统输出控制信号所对应微波包络振幅扫描范围的下界A1和上界A2，选取测控系统输出控制信号包络振幅扫描改变的步长α；上述参数选取规则为：T1、T2、A1、A2不能超过量子测控系统的输出范围，且原X门所对应包络时长T位于T1、T2之间，原X门所对应包络振幅A位于A1、A2之间，一般T1、T2在T附近且相差小量，A1、A2在A附近且相差小量；τ能被T2-T1整除，α能被A2-A1整除，在测控系统输出信号采样率和振幅的极限分辨率内τ和α的选取越小越好；
S2，将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1；
S3，对处于初态|0>量子比特作用S2中设置好的控制信号，此时一般量子比特被至于|1>态附近，随后对量子比特状态进行投影测量，投影测量仅能得到|0>和|1>两个测量基中的一个；
S4，重复S3，重复次数为N次，并统计投影测量结果为|1>的次数，设测量结果为|1>的次数为n次，随后可将n/N作为此时长和振幅设置下对量子比特读取得到|1>态的概率；
S5，将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+cα，重复S3和S4；
S6，令c=0,1, 2…, (A2-A1)/α，对每个c的取值重复S5；
S7，令测控系统输出控制信号的时长设置为T1+dτ，随后重复S6；
S8，令d=0,1, 2…, (T2-T1)/τ，对d的每个取值重复S7；
S9，在S8结束后可以得到组参数点，以及作用完每组参数点所对应控制信号后对量子比特进行投影测量所得到|1>态的概率，选取概率最大所对应的参数点，即可得到优化后的量子比特X门参数。
由于理想情况下对处于初态|0>的量子比特作用X/2门后的末态进行投影测量，结果得到|1>的概率为1/2，因此确定X/2门参数的优化方案与X门类似，区别在于S1中包络时长和振幅的扫描范围需覆盖原X/2门的参数，且S9中优化后的量子比特X/2门参数的选取以概率最接近1/2为标准。
本发明的量子比特逻辑门参数的优化方法，包括量子比特控制信号微波脉冲的时长与振幅的调节方式，量子比特逻辑门参数优化过程中的比特状态投影测量读取方法以及优化量子比特逻辑门参数的确定的步骤。
基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，如图5所示，本发明的实施例还提供了一种计算机设备30，在该计算机设备30中包括处理器310以及存储器320，存储器320存储有可在处理器上运行的计算机程序321，处理器310执行程序时执行如上的方法的步骤。
基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，如图6所示，本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质40，计算机可读存储介质40存储有被处理器执行时执行如上方法的计算机程序410。
本发明实施例还可以包括相应的计算机设备。计算机设备包括存储器、至少一个处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时执行上述任意一种方法。
其中，存储器作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行装置的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据装置的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至本地模块。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，程序的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（ROM）或随机存储记忆体（RAM）等。上述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。
本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、模块、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明实施例公开的范围。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，包括，
设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；
将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率；
修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；
将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。
2.根据权利要求1所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数的步骤包括：
统计所有参数和相应的对量子比特进行投影测量所得到|1>态的概率；
选取最大概率所对应的参数点，作为优化后的量子比特X门参数。
3.根据权利要求1所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数的步骤包括：
统计所有参数和相应的对量子比特进行投影测量所得到|1>态的概率；
将最接近1/2的概率对应的参数作为优化后的量子比特X/2门参数。
4.根据权利要求1所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤包括：
获取测控系统输出控制信号所对应微波包络时长扫描范围的下界T1和上界T2；
获取测控系统输出控制信号所对应微波包络振幅扫描范围的下界A1和上界A2；
将测控系统输出控制信号的参数中的时长初始化为设置为T1，振幅设置为A1。
5.根据权利要求1所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述将控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量的步骤包括：
将控制信号作用在初态|0>量子比特上，等待预设期后，对所有的量子比特状态进行投影测量，得到|0>或者|1>的测量结果；
返回重复N次将控制信号作用在初态|0>量子比特上的过程，并进行对应的多次投影测量。
6.根据权利要求5所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率的步骤包括：
统计投影测量结果为|1>的次数n；
计算n/N，并作为当前时长和振幅设置下的控制信号对量子比特读取得到|1>态的概率。
7.根据权利要求4所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤包括：
获取系统输出控制信号包络振幅扫描改变的步长α；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+α，得到第一修改控制信号；
将第一修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第一修改控制信号对应的概率。
8.根据权利要求7所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+cα，得到第二修改控制信号，其中c取值为大于2的整数；
将第二修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第二修改控制信号对应的概率；
将c的取值加一，返回将测控系统输出控制信号的时长设置为T1，振幅设置为A1+cα，得到当前参数所对应的概率，直到c等于(A2-A1)/α为止。
9.根据权利要求8所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
获取测控系统输出控制信号包络时长扫描改变的步长τ；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+τ，振幅设置为A1+α，得到第三修改控制信号；
将第三修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第三修改控制信号对应的概率。
10.根据权利要求9所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤包括：
获取测控系统输出控制信号包络时长扫描改变的步长τ；
将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+dτ，振幅设置为A1+cα，得到第四修改控制信号；
将第四修改控制信号重复作用在初态量子比特上并均进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的第四修改控制信号对应的概率；
保持时长为T1+dτ不变，将c加一并返回将振幅设置为A1+cα，重新测量得到当前参数对应的概率，直到c等于(A2-A1)/α为止。
11.根据权利要求10所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，所述修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率的步骤还包括：
将d加一，并返回将测控系统输出控制信号的时长设置为T1+dτ，振幅设置为A1+cα的步骤，得到当前参数对应的概率，直到d等于(T2-T1)/τ为止。
12.根据权利要求1所述的量子比特逻辑门参数的优化方法，其特征在于，方法还包括：
在测控系统启动运行预设时间后，开始设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅。
13.一种量子比特逻辑门参数的优化系统，其特征在于，包括：
设置单元，配置为用于设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅；
计算单元，配置为用于将控制信号重复作用在初态量子比特上并进行投影测量，以及基于多次测量结果计算得到当前设置后的控制信号对应的概率；
循环单元，配置为用于修改所述参数中的时长和/或振幅并返回设置测控系统输出控制信号的参数中的时长和振幅的步骤，重复若干次得到每次修改参数后的控制信号对应的概率；
输出单元，配置为用于将与预设概率最接近的所述概率对应的参数作为优化后的量子比特逻辑门参数。
14.一种计算机设备，包括：
至少一个处理器；以及存储器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时执行如权利要求1至12任一项所述的量子比特逻辑门参数的优化方法的步骤。
15.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时执行如权利要求1至12任一项所述的量子比特逻辑门参数的优化方法的步骤。
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|---|
| E休技术茶社: "给工程师们将量子计算（12）：量子门与量子电路", pages 4 - 5, Retrieved from the Internet <URL:https://zhuanlan.zhihu.com/p/622736542?utm_id=0> * |
| 宁涛: "基于混合智能优化算法的车辆路径优化研究", 30 June 2018, 中国铁道出版社, pages: 38 * |
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