CN213211075U - 用于减少量子比特泄漏错误的装置和量子计算系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于减少量子计算系统中的量子比特泄漏错误的装置和量子计算系统。根据一种实施例，用于减少量子比特泄漏错误的装置包括：能够选择性地彼此耦合的第一量子比特和第二量子比特。该装置还可包括第一能量耗散结构，其能够选择性地与第一量子比特耦合，其中第一能量耗散结构构造成耗散传递到第一能量耗散结构的能量。该装置还可包括控制单元，其构造成：执行第一量子操作以将量子态的至少一种属性从第一量子比特传递到第二量子比特；将第一量子比特耦合于第一能量耗散结构，持续一时间间隔；以及在所述时间间隔之后执行第二量子操作以将量子态的至少一种属性从第二量子比特传递到第一量子比特。

Description

用于减少量子比特泄漏错误的装置和量子计算系统

技术领域

本公开涉及量子计算，并且更具体地涉及一种用于减少量子计算系统中的量子比特泄漏错误的装置。

背景技术

在量子计算中，二进制信息通常存储在两级量子系统中。但是，这种量子比特的许多实现或实施具有两个以上的能级。在这种情况下，通常将量子比特分配给两个最低能级，这形成了计算基础。为了使系统准确地实施量子比特，应避免激发较高的能级。这些较高能级中的任何一个成为激发的情况可以称为泄漏错误。例如，这可能是由于应用于量子比特的门操作或系统-环境的相互作用而发生的。泄漏错误无法通过典型量子错误校正解决，该典型量子错误校正仅在计算基础内处理错误。

实用新型内容

提供本概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本概述既不旨在确定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制要求保护的主题的范围。

目的是提供一种用于减少量子计算系统中的量子比特泄漏错误的装置。另外的实施形式根据说明书和附图是显而易见的。

根据第一方面，一种用于减少量子比特泄漏错误的装置包括：第一量子比特和第二量子比特，其能够选择性地耦合到彼此；第一能量耗散结构，其能够选择性地耦合到第一量子比特，其中第一能量耗散结构构造成耗散传递到第一能量耗散结构的能量；和控制单元，其构造成：执行第一量子操作以将量子态的至少一种属性(property)从第一量子比特传递到第二量子比特；将第一量子比特耦合到第一能量耗散结构，持续一时间间隔；以及在所述时间间隔之后执行第二量子操作以将量子态的至少一种属性从第二量子比特传递到第一量子比特。该装置例如可以减少第一量子比特中的泄漏错误。

在第一方面的一种实施方式中，装置还包括第二能量耗散结构，第二能量耗散结构能够选择性耦合到第二量子比特，其中第二能量耗散结构构造成耗散传递到第二能量耗散结构的能量；并且其中控制单元还构造成：在执行第一量子操作之前，通过将第二量子比特耦合到第二能量耗散结构将第二量子比特初始化为基态；和/或在执行第二量子操作之后，通过将第二量子比特耦合到第二能量耗散结构将第二量子比特初始化为基态。该装置例如可以有效地初始化第二量子比特，用于存储来自第一量子比特的至少一种属性。

在第一方面的另一实施形式中，第一能量耗散结构和/或第二能量耗散结构包括至少一个正常金属-绝缘体-超导体NIS结。该装置例如可以有效地将能量从第一量子比特传递到能量耗散结构，从而减少第一量子比特的非计算状态的填充 (population)。

在第一方面的另一种实施形式中，第一能量耗散结构和/或第二能量耗散结构包括量子电路制冷器QCR，其中QCR包括电压偏置的超导体-绝缘体-正常金属 -绝缘体-超导体SINIS结，并且其中第一量子比特电耦合到第一能量耗散结构的 SINIS结的正常金属，和/或第二量子比特电耦合到第二能量耗散结构的SINIS结的正常金属。该装置例如可以有效地并且以可控制的方式将能量从第一量子比特传递到能量耗散结构，从而减少第一量子比特的非计算状态的填充。

在第一方面的另一实施形式中，控制单元构造成，通过调节第一能量耗散结构的SINIS结的偏置电压，将第一量子比特耦合到第一能量耗散结构，持续一时间间隔。该装置例如可以有效地控制能量耗散结构与第一量子比特之间的耦合。

在第一方面的另一实施形式中，第一能量耗散结构和/或第二能量耗散结构构造成经由NIS/SINIS结中光子辅助的电子隧穿耗散传递至能量耗散结构的光子能量。该装置例如可以有效地耗散传递到第一能量耗散结构的光子能量。

在第一方面的另一实施形式中，第一量子比特和/或第二量子比特包括超导量子比特。

在第一方面的另一实施形式中，第一量子比特和/或第二量子比特包括传输子(transmon)量子比特。

在第一方面的另一实施形式中，控制单元构造成，在第一量子比特和第二量子比特之间通过执行SWAP或iSWAP操作，执行第一量子操作和/或第二量子操作。该装置例如可以有效地在第一量子比特和第二量子比特之间传递量子态的至少一种属性。

在第一方面的另一种实施方式中，控制单元构造成，通过经由移位(shift) 第一量子比特/第二量子比特的谐振频率使第一量子比特和第二量子比特进入谐振，执行第一量子操作和/或第二量子操作。该装置例如可以有效地控制在第一量子比特和第二量子比特之间的量子态的至少一种属性的传递。

在第一方面的另一实施形式中，控制单元构造成经由通量调谐移位第一量子比特/第二量子比特的谐振频率。该装置例如可以有效地移位第一量子比特/第二量子比特的谐振频率。

在第一方面的另一实施方式中，该装置还包括：第一多个量子比特，其包括第一量子比特；第二多个量子比特，其包括第二量子比特，其中第二多个量子比特中的每个量子比特能够选择性地耦合到第一多个量子比特中对应的量子比特；和多个能量耗散结构，其包括第一能量耗散结构，其中多个能量耗散结构中的每个能量耗散结构能够选择性地耦合到第一多个量子比特中对应的量子比特，并且其中多个能量耗散结构中的每个能量耗散结构构造成耗散传递到所述能量耗散结构的能量；其中控制单元还构造成：执行第一量子操作以将量子态的至少一种属性从第一多个量子比特中的每个量子比特传递到第二多个量子比特中对应的量子比特；将第一多个量子比特中的每个量子比特耦合到多个能量耗散结构中对应的能量耗散结构，持续一时间间隔；并且执行第二量子操作以将量子态的至少一种属性从第二多个量子比特中的每个量子比特传递到第一多个量子比特中对应的量子比特。当量子态由第一多个量子比特集体形成时，该装置例如可以减少泄漏错误。

根据第二方面，一种量子计算系统包括根据第一方面的装置。

根据第三方面，一种用于减少量子比特泄漏错误的方法包括：执行第一量子操作以将量子态的至少一种属性从第一量子比特传递到第二量子比特；将第一量子比特耦合到能量耗散结构，持续一时间间隔；以及在所述时间间隔之后，执行第二量子操作以将量子态的至少一种属性从第二量子比特传递到第一量子比特。

根据第四方面，一种计算机程序产品包括程序代码，程序代码构造成，当在计算机上执行所述计算机程序产品时，执行根据第三方面的方法。

因为许多附带特征通过参考以下结合附图考虑的详细描述变得更好理解，因此将更容易地领会到许多附带特征。

附图说明

在下文中，将参考附图更详细地描述示例实施例，其中：

图1示出根据一种实施例的用于减少量子比特泄漏错误的装置的示意图；

图2示出根据另一实施例的用于减少量子比特泄漏错误的装置的示意图；

图3示出根据一种实施例的能量耗散结构的示意图；

图4示出根据一种实施例的单门错误(single-gate error)的曲线图表示；

图5示出根据一种实施例的电路参数表；

图6示出根据一种实施例的在第一量子比特和第二量子比特之间调谐、在第一量子比特和第一能量耗散结构之间调谐以及状态占有的曲线图表示；

图7示出根据一种实施例的控制单元的示意图；以及

图8示出根据一种实施例的减少量子比特泄漏错误的方法的流程图。

在下文中，在附图中相同的附图标记用于指相同的部分。

具体实施方式

在以下描述中，参考附图，附图形成本公开的一部分，并且在附图中通过示例的方式示出了本公开可以放置的特定方面。应当理解的是，在不脱离本公开范围的情况下，可以利用其他方面，并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，因为本公开的范围由所附权利要求限定。

例如，应当理解的是，与描述的方法有关的公开对于构造成执行该方法的相应器件或系统也适用，以及反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则相应的装置可以包括执行描述的方法步骤的单元，即使该单元未明确描述或未在图中示出。另一方面，例如，如果基于功能单元描述特定装置，则即使该步骤未明确描述或在图中示出，相应的方法也可以包括执行描述的功能的步骤。此外，应当理解的是，除非另外特别指出，否则本文描述的各种示例方面的特征可以彼此组合。

图1示出根据一种实施例的用于减少量子比特泄漏错误的装置100的示意图。

根据一种实施例，装置100包括第一量子比特101和第二量子比特102，第一量子比特101和第二量子比特102能够选择性地彼此耦合。第一量子比特101 和第二量子比特102例如可以彼此电耦合。第一量子比特101也可以称为计算量子比特，以及第二量子比特102也可以称为辅助量子比特。

在本文中，当两个元件电耦合时，这些元件彼此之间可以具有电连接。电连接可以包括任何数量的电气部件/元件，例如电容器、电感器、传输线等。

第一量子比特101/第二量子比特102可以具有基态|g＞。在本文中，基态可以指具有最低能量的量子比特的量子态。

第一量子比特101/第二量子比特102可以进一步具有多个激发态。多个激发态可以包括最低激发态|e＞。在本文中，最低激发态可以指具有第二最低能量的量子比特的量子态。

量子比特的基态和最低激发态可以对应于量子比特的计算基础。例如，基态|g＞可以对应于量子比特的|0＞态，并且最低激发态|e＞可以对应于量子比特的|1＞态，或反之亦然。量子比特的其他量子态可以称为非计算状态。

基态和最低激发态之间的能隙可以对应于量子比特的谐振频率。

多个激发态还可以包括第二最低激发态|f＞。第二最低激发态具有比基态|g> 和最低激发态|e>更高的能量。

装置100还可以包括第一能量耗散结构103，第一能量耗散结构103能够选择性地耦合到第一量子比特101。第一能量耗散结构103可以构造成耗散传递到第一能量耗散结构103的能量。

第一能量耗散结构103也可以称为环境、工程环境、浴、耗散源或类似物。

尽管本文公开的一些实施例和分析可能指第一能量耗散结构103的特定实施，但是应当理解的是，例如，可以使用具有可控耦合到第一量子比特101的任何耗散结构实施第一能量耗散结构103。

第一能量耗散结构103可以电耦合到第一量子比特101。例如，通过调节第一能量耗散结构103与第一量子比特101之间的耦合强度，第一能量耗散结构 103能够选择性地耦合到第一量子比特101。

应当理解的是，尽管第一量子比特101和第一能量耗散结构103可以连续地电耦合，但是如果第一量子比特101和第一能量耗散结构103之间的耦合强度是可以控制，则第一量子比特101和第一能量耗散结构103之间的耦合仍然可以是选择性的。

在本文中，当两个对象能够选择性地耦合时，可以控制和/或打开和关闭两个对象之间的相互作用的强度。例如，能够选择性地耦合的两个对象可以调谐进入谐振或从谐振中失谐，和/或耦合的幅度可以控制。应当理解的是，即使在两个元件之间存在连续的连接，例如电气/电容/电感连接，如果可以调节元件之间的相互作用，则这些元件仍然能够选择性地可耦合。例如，第一量子比特101和第二量子比特102可以是电容耦合的，但是量子比特之间的耦合可以是选择性的，因为量子比特之间的相互作用例如可以通过将量子比特移位进出谐振进行调节。

装置100还可以包括控制单元104。控制单元104可以构造成执行第一量子操作，以将量子态的至少一种属性从第一量子比特101传递到第二量子比特102。

控制单元104可以耦合到第一量子比特101、第二量子比特102、第一能量耗散结构103和/或装置100的任何其他元件/部件。

第一量子操作例如可以包括第一交换操作。

量子态的至少一种属性例如可以包括量子态的任何单一属性、量子态的多种属性、或整个量子态。

量子态可以包括局部属性或非局部属性中的至少一种。对于一般的多体量子态，即以多个量子比特编码的量子态，局部属性可以指可以经由每个单独量子比特的局部测量获取(retrieve)的那些属性。这些属性例如包括所述量子比特的填充或相干性。反过来，非局部属性可以指以两个或更多量子比特编码的属性，并且其只能经由在所述两个或更多量子比特上的非局部测量检索，所述非局部属性例如包括纠缠。

控制单元104例如可以使第一量子比特101和第二量子比特102进入谐振以便执行第一量子操作。在本文中，当第一量子比特101和第二量子比特102处于谐振时，它们可以称为耦合。当第一量子比特101和第二量子比特102处于谐振/耦合时，可以对量子比特执行量子逻辑门操作。

根据一个实施例，控制单元104构造成，通过经由移位第一量子比特/第二量子比特的谐振频率使第一量子比特101和第二量子比特102进入谐振，执行第一量子操作和/或第二量子操作。

根据一个实施例，控制单元104构造成，经由通量调谐移位第一量子比特 /第二量子比特的谐振频率。在通量调谐中，控制单元104可以通过使磁通量穿过第一量子比特101/第二量子比特102调谐第一量子比特101/第二量子比特102的谐振频率。

第一量子操作例如可以包括SWAP门操作或iSWAP门操作。可以通过单量子比特操作将iSWAP门转换为SWAP门。因此，术语SWAP和iSWAP在本文中可以互换使用。

第一量子比特101和第二量子比特102最初可以解耦。第一量子比特101 最初可以处于某种未知的量子态，而第二量子比特102最初可以处于基态。量子操作可以将计算信息从第一量子比特101传递到第二量子比特102。对于理想的门操作，在量子操作期间在量子比特之间的任何非计算占用的传递可以忽略不计。

控制单元104还可以构造成将第一量子比特101耦合到能量耗散结构103，持续一时间间隔。控制单元104例如可以通过调节第一量子比特101与能量耗散结构103之间的耦合强度耦合第一量子比特101与能量耗散结构103。

时间间隔可以足够长以确保第一量子比特101的非计算状态耗尽。

在该时间间隔之后，控制单元104可以切断第一量子比特101与第一能量耗散结构103之间的耦合。

第一量子比特101与第一能量耗散结构103之间的耦合可以迅速减少在第一量子比特101的非计算状态下的占用。该耦合可以增加第一量子比特101的计算状态下的占用。因此，可以减少第一量子比特101的泄漏错误。

控制单元104还可构造成执行第二量子操作，以在该时间间隔之后将量子态的至少一种属性从第二量子比特102传递到第一量子比特101。

第一量子操作/第二量子操作也可以称为第一量子门/第二量子门、第一/量子门操作第二量子门操作或类似物。

在第一量子操作期间，可以将计算信息从第一量子比特101传递到第二量子比特102。可以在第一量子比特101与第二量子比特101之间的耦合期间减少第一量子比特101的非计算状态的占用。然后，可以经由第二量子操作将计算信息从第二量子比特102传递回第一量子比特101。在耦合到能量耗散结构103的期间，将非计算信息从第一量子比特101移除，但是在耦合之后的最低激发态中总是存在非零占有。这是比特翻转错误。此外，对于任意初始状态，非对角线元素在计算基础上也将为非零的，包括相位翻转错误。SWAP操作中还会发生一些不可避免的比特翻转错误和相位翻转错误。因此，第一量子比特101中的泄漏错误可以转换为比特翻转错误和相位错误。例如可以使用量子错误校正码来校正比特翻转错误和相位错误。

根据一种实施例，第一量子比特101和/或第二量子比特102包括超导量子比特。

根据一种实施例，第一量子比特101和/或第二量子比特102包括传输子量子比特。替代地，第一量子比特101/第二量子比特102可以包括任何其他类型的量子比特，例如超导量子干涉装置(SQUID)量子比特、通量量子比特、电荷量子比特、或相位量子比特。

虽然本文可能参考某种类型的量子比特公开一些实施例，但是这些量子比特类型仅是示例性的。在本文公开的任何实施例中，可以以各种方式和使用各种技术实施第一量子比特/第二量子比特。

装置100可以实施在例如量子计算系统中。这种量子计算系统可以包括用于执行量子计算的多个量子比特。每个这种量子比特可以使用装置100实施。

装置100可以例如以超导电路架构实现。

根据一种实施例，控制单元104构造成，通过经由移位第一量子比特101 和第二量子比特102的谐振频率使第一量子比特101和第二量子比特102进入谐振，执行第一量子操作和/或第二量子操作。

当装置100运转时，第一量子比特101、第二量子比特102和能量耗散结构103可物理地位于低温恒温器或类似物中。低温恒温器可以将装置100的量子比特101、102和其他部件(例如，能量耗散结构103)冷却至低温。如果量子比特101、102对应于例如超导量子比特，这可能是需要的。控制单元104可以位于低温恒温器的外部。

根据一种实施例，装置100还包括第一多个量子比特和第二多个量子比特，第一多个量子比特包括第一量子比特101，第二多个量子比特包括第二量子比特 102。第二多个量子比特中的每个量子比特能够选择性地耦合到第一多个量子比特中对应的量子比特。装置100还可包括多个能量耗散结构，多个能量耗散结构包括第一能量耗散结构103，其中多个能量耗散结构中的每个能量耗散结构能够选择性地耦合到第一多个量子比特中对应的量子比特，并且其中多个能量耗散结构中的每个能量耗散结构构造成耗散传递到该能量耗散结构的能量。

控制单元104还可构造成执行第一量子操作，以将量子态的至少一种属性从第一多个量子比特中的每个量子比特传递到第二多个量子比特中对应的量子比特，将第一多个量子比特中的每个量子比特耦合到多个能量耗散结构中对应的能量耗散结构，持续一时间间隔，以及执行第二量子操作以便将量子态的至少一种属性从第二多个量子比特中的每个量子比特传递到第一多个量子比特中对应的量子比特。

图2示出根据另一实施例的装置的示意图。

装置100还可以包括第二能量耗散结构201，其能够选择性地耦合到第二量子比特102。第二能量耗散结构201可以构造成耗散传递到第二能量耗散结构 201的能量。

控制单元104还可构造成，通过在第一量子操作之前将第二量子比特102 耦合到第二能量耗散结构201将第二量子比特102初始化为基态。

可替代地或另外地，控制单元104可以进一步构造成，通过在第二量子操作之后将第二量子比特102耦合到第二能量耗散结构201将第二量子比特102初始化为基态。

控制单元104还可以构造成，将第二量子比特102耦合到第二能量耗散结构201，持续第二时间间隔。控制单元104例如可以通过调节第二量子比特102 和第二能量耗散结构201之间的耦合强度耦合第二量子比特102和第二耗能结构 201。

第二时间间隔可以足够长以确保非计算状态和/或第二量子比特102的基态以外的状态耗尽。

图3示出根据一种实施例的能量耗散结构的示意图。第一能量耗散结构103 和/或第二能量耗散结构201例如可以如图3的实施例中那样实施。

根据一种实施例，第一能量耗散结构103和/或第二能量耗散结构201包括至少一个正常金属-绝缘体-超导体(NIS)结。

例如，在图3的实施例中，能量耗散结构103包括两个NIS结。这两个 NIS结形成一个超导体303-绝缘体302-正常金属301-绝缘体302-超导体303 (SINIS)结。SINIS结可通过偏置电压V_B偏置。

可以通过控制偏置电压V_B对金属岛301充电和放电，偏置电压V_B由于跨过绝缘屏障302的电子隧穿而产生。这些隧穿跃迁还可能涉及光子的吸收或发射。 SINIS结可称为量子电路致冷器(QCR)。

第一量子比特101可以电耦合到第一能量耗散结构103的NIS/SINIS结的正常金属301。因此，第一能量耗散结构103可以从第一量子比特101吸收光子能量。

第二量子比特102可以电耦合到第二能量耗散结构201的NIS/SINIS结的正常金属301。因此，第二能量耗散结构201可以从第二量子比特102吸收光子能量。

根据一种实施例，第一能量耗散结构103和/或第二能量耗散结构201包括量子电路致冷器(QCR)，其中QCR包括电压偏置的SINIS结。第一量子比特101 可以电耦合到第一能量耗散结构103的SINIS结的正常金属，和/或第二量子比特102可以电耦合到第二能量耗散结构201的SINIS结的正常金属。

控制单元104可构造成，通过调节第一能量耗散结构103的SINIS结的偏置电压，将第一量子比特101耦合到第一能量耗散结构103，持续一时间间隔。

根据一种实施例，第一能量耗散结构103和/或第二能量耗散结构201构造成经由NIS/SINIS结中光子辅助的电子隧穿耗散传递到能量耗散结构的光子能量。

第一能量耗散结构103可以在偏置电压下从第一量子比特101吸收光子，其中电子需要从第一量子比特101接收额外的能量量子，以克服超导体303中的 Bardeen-Cooper-Schrieffer能隙。因此，控制单元104可以经由偏置电压V_B调节第一能量耗散结构103和第一量子比特101之间的耦合强度。

在下文中，分析装置100的实施例的行为。

装置100可以用系统哈密顿量建模：

其中：

其中

是用于模式i＝{1,2}的湮灭算符；以及

其中

是量子比特i的约瑟夫森结的约瑟夫森能量，

是量子比特i的充电能量，C_c是量子比特之间的电容，以及C_i是单个量子比特i的电容。在上面的方程中传输子量子比特已建模为具有频率ω_i的非谐Duffing振荡器。此外，非谐性参数定义为α_i＝ω_12,i-ω_01,i，以及耦合频率定义为g。

在下文中，分析在iSWAP操作下非计算状态的占用的演变。

在此，在相互作用绘景(interaction picture)中考虑了上面呈现的系统哈密顿量

其可以通过幺正旋转获得：

因此，系统哈密顿量可以写成：

其中相互作用绘景中的湮灭算子可以定义为：

其中在最后一个方程中，湮灭算子以Duffing振荡器的Fock基{|n>}表示，其中n＝0，1，2，……。与典型的iSWAP实现类似，假定量子比特处于谐振状态，即ω₁＝ω₂＝ω_q。因此，在相互作用绘景中共振跃迁与时间无关。这可以实现门的高保真度。如果g＜＜ω_q，则可以进行旋波近似，并且对于不保留占用数量的跃迁可以忽略哈密顿量

的矩阵元素。

为了量化在iSWAP门操作期间对非计算状态的影响，我们考虑具有三态截断(three-state truncation)的上述方法用于传输子量子比特。因此，在相互作用绘景中获得以下系统哈密顿量：

非零元素是：

其中显示了在旋波近似中忽略的项，并为了清楚起见标记了传输子状态 |n>，其中n＝g,e,f。因此，可以将系统哈密顿量写为

其中湮灭算子定义为

和

通常，当第一量子比特101和第二量子比特102处于谐振(ω₁＝ω₂)，持续持续时间τ＝π/(2g)时，可以通过演变上述系统实现iSWAP操作。在用于传输子的二态截断(two-state truncation)中，仅考虑相互作用绘景哈密顿量

的第一项，并且在相互作用绘景中可以将用于这种过程的时间演变算子写为：

其中

为了计算在iSWAP门操作期间由到非计算状态的传递产生的错误，我们再次考虑完整的相互作用绘景哈密顿量

我们进一步假设辅助量子比特最初处于基态，而计算量子比特处于第二激发态，

以分析从计算量子比特到辅助比特的非计算信息泄漏。对于短时间间隔，上面方程中的系统哈密顿量的第三项主导时间演变，并且驱动系统从|f,g>到|e,e>。忽略其他项，可以获得有效的系统哈密顿量，其回到薛定谔绘景(

picture)中写为：

可以从冯·诺依曼方程中解出在计算量子比特的|f>状态下的占用P_f(t)的动力学，并且该结果可以写为

在下文中，用

表示iSWAP门的传递的非计算信息的最坏情况估计。这可以称为门错误。由于这是在P_f(t)中的余弦项等于-1时获得的，并且这可能与门时间τ的余弦值不一致，所以上述数量高估了单门错误。另一方面，装置100可以执行两个iSWAP门，因此，在这些门操作期间，从计算量子比特传递到辅助比特并返回的总泄漏错误由∈_g给出。

图4示出了根据一种实施例的单门错误

401的曲线图表示。

矩形402表示单门错误401为

的区域。特别地，对于

并且因此∈_g<0.01。

图5示出根据一种实施例的电路参数表。

在以下部分中给出的数值模拟中，使用了图5表中给出的电路参数。对于这些参数，

其给出的单门错误为

并且因此给出的两门错误为∈_g≈0.001。

在旋波近似中，从辅助比特的基态开始，非计算信息的动力学仅限于由状态{|f,g＞，|e，e＞，|g，f＞}跨越的希尔伯特空间。因此，可以通过选择α₂＞＞α₁来抑制占用从|f，g＞到|g，f＞的传递，这可以保证|f，g＞→|e，e＞和|e，e＞→|g，f>之间的拉比频率不相称。

当第一量子比特101耦合到第一能量耗散结构103时，产生另一可能的错误源。理想地，能量耗散结构103仅耦合到计算量子比特，并且与辅助量子比特解耦，从而在从计算量子比特101耗尽非计算信息期间保留了受到保护的存储的量子信息。但是，由于计算量子比特101和辅助量子比特102之间的耦合g，QCR 也间接耦合到辅助量子比特102。此时，计算辅助量子比特102的不期望的有效衰减率及其对电路参数的依赖性。

可以使用Caldeira-Leggett模型来模拟两量子比特系统与QCR之间的相互作用，其中能量耗散结构103由无限的谐波振荡器的集合描述，该谐波振荡器双线性且电容性地耦合到计算量子比特101。该物理学是由哈密顿量

捕获的；

其中：

并且

是上面公开的系统哈密顿量。如果g＝0，则能量耗散结构103仅耦合到计算量子比特101。使用例如Born-Markov近似(在能量耗散结构103上追踪) 和久期近似(secular approximation)的方法，可以为计算量子比特101导出林德布拉德主方程(Lindblad master equation)。该方程包含耗散项和相干项，该耗散项描述量子比特的耗散和去相干，该相干项描述对由环境产生的量子比特的能量的校正。因此，计算量子比特101与能量耗散结构103之间的相互作用由能量耗散结构103的耗散率κ和温度描述。

当计算量子比特101和辅助量子比特102耦合g>0时，可能会由于辅助量子比特102的不期望的衰减产生错误。为了对此进行分析，我们考虑了两个限制机制。在g＞＞k的情况下，可以解析地计算辅助量子比特102的耗散率γ。此时，对于谐振极限(δ＝0)和耗散(δ＞＞g)极限的结果总结为(δ＝|ω₁-ω₂|)

在g＜＜κ的相反情况下，为了获得分析结果，需要将计算量子比特101视为由辅助量子比特102看到的浴的一部分。因此，计算量子比特101作为辅助量子比特102和能量耗散结构103之间的滤波器。将计算量子比特101近似为线性谐振器，可以导出对于谐振极限和耗散极限的辅助衰减率，

在以上结果中，假设T＝0。我们注意到，在上述两种情况下，辅助量子比特102在耗散极限(κ，g＜＜δ)中的衰减率均由γ＝κg²/δ²给出。

在此，假设在第一量子比特101的非计算状态耗尽期间，当QCR脉冲导通并且第一量子比特耦合到能量耗散结构103并且因此以速率为κ＝κ_on耗散时，

因此，使用林德布拉德主方程的简化版本(局部林德布拉德主方程)就足够了，其假定浴仅耦合到计算量子比特101，并且仅在主方程的相干部分中考虑与辅助量子比特102的耦合。结果，由辅助量子比特的不希望的衰减引起的错误可以近似为

其中QCR脉冲的持续时间用τ_κ＝10/κ_on＝30ns表示，并且使用了来自图5 的参数值。这些结果已经使用局部林德布拉德主方程在初始状态

下进行了数值验证。即使参数服从κ_on>g，在谐振情况下其可能导致强耦合耗散效应，但由于κ_on＜＜δ，这些贡献可以忽略不计。

图6示出根据实施例的在第一量子比特和第二量子比特之间调谐、在第一量子比特和第一能量耗散结构之间调谐、以及状态占有的曲线图表示。在图6的实施例中，假设两个传输子量子比特都包括三个状态，并且使用来自图5的参数。协议持续时间为T＝2000/(2π×5GHz)≈64ns。

假设可以经由例如约瑟夫森能量

的通量调谐来调谐辅助量子比特102 的谐振频率。另外，假设第一量子比特101可以耦合到QCR，这允许以几个数量级调节耗散率κ(t)。还考虑到ω₂(t)的调节也改变耦合频率g。在协议开始时，两个量子比特都失谐，即g＜＜δ(0)＝ω₂(0)-ω₁。

在图6的模拟中，假定初始状态为乘积状态

其中第一量子比特101处于状态

并且第二量子比特102处于由

给出的基态。

曲线601表示第二量子比特的谐振频率ω₂与第一量子比特的谐振频率ω₁之间的比率。在时间间隔ω₁t＝[0,500]期间，对于第一交换操作ω₂/ω₁＝1以及第一量子比特101和第二量子比特102处于谐振。在时间间隔ω₁t＝[500,1500]期间，ω₂/ω₁＝1.2以及第一量子比特和第二量子比特不谐振。在时间间隔ω₁t＝[1500,2000]期间，再次ω₂/ω₁＝1以及第一量子比特101和第二量子比特 102谐振，用于第二门操作。

曲线602表示比率κ/ω₁。因此，曲线602对应于第一量子比特101与QCR 之间的耦合，并且QCR以ω₁为单位。在时间间隔ω₁t＝[500,1500]期间，κ/ω₁＝0.01，否则κ/ω₁＝0。

曲线603表示计算量子比特101的基态|g＞的占用，曲线604表示计算量子比特101的最低激发态|e＞的占用，以及曲线605表示计算量子比特101的第二最低激发态|f>的占用。

在图6的实施例中，对于计算量子比特101，已经使用局部林德布拉德方程为耗散建模。结果，非相干动力学或耗散动力学忽略了辅助量子比特102，在κ>g的极限下、即如果可以将计算量子比特101视为由辅助比特看到的浴的一部分这是有效的。对于图5的参数，耦合角频率为g＝2π×0.016GHz，以及QCR 导通状态下的耗散率的值为

导致

从本文公开的结果可以观察得出，至少在使用的参数值下和初始状态下，由装置100执行的协议导致计算量子比特101的第二激发态下的占用降低。对于能量耗散结构103诱导衰减率

的使用值可能太高。在示例性参数下，协议的持续时间为T＝64ns，这为参数优化留出了空间。通过增加第一量子比特101和能量耗散结构103之间的耦合g和耦合中的耗散率κ的值，可以提高协议速度。但是，大的g可能需要大的δ(0)＝ω₂(0)-ω₁，其最大值可能受电路参数和其他实验限制的制约。

图7示出根据一种实施例的控制单元104的示意图。

控制单元104可以包括至少一个处理器701。至少一个处理器701例如可以包括各种处理装置中的一个或多个，例如协处理器、微处理器、控制单元104、数字信号处理器(DSP)、具有或不具有随附DSP的处理电路、或各种其他包括集成电路的处理装置，集成电路例如是专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器单元(MCU)、硬件加速器、专用计算机芯片等。

控制单元104还可以包括存储器702。存储器702可以构造成存储例如计算机程序等。存储器702可以包括一个或多个易失性存储装置、一个或多个非易失性存储装置、和/或一个或多个易失性存储装置与非易失性存储装置的组合。例如，存储器702可以实施为磁存储装置(例如硬盘驱动器、软盘、磁带等)、光磁存储装置、以及半导体存储器(例如掩模ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM (可擦除PROM)、闪存ROM、RAM(随机存取存储器)等)。

控制单元104还可以包括在图7的实施例中未示出的其他部件。控制单元 104例如可以包括输入/输出总线，用于将控制单元104连接到装置100。此外，用户可以经由输入/输出总线对控制单元104进行控制。用户例如可以经由控制单元104和输入/输出总线控制由装置100执行的量子计算操作。

当控制单元104构造成实施某些功能时，控制单元104的一些部件或多个部件(例如，至少一个处理器702和/或存储器702)可以构造成实施该功能。此外，当至少一个处理器701构造成实施某些功能时，可以使用例如包含在存储器中的程序代码实施该功能。

例如可以使用计算机、一些其他计算装置或类似物实施控制单元104。

图8示出根据一种实施例的减少量子比特泄漏错误的方法800的流程图。

根据一种实施例，方法800包括执行801第一量子操作，以将量子态的至少一种属性从第一量子比特传递到第二量子比特。

方法800还可以包括将第一量子比特耦合802到能量耗散结构，持续一时间间隔。

方法800还可以包括执行803第二量子操作，以在该时间间隔之后将量子态的至少一种属性从第二量子比特传递到第一量子比特。

例如，方法800可以由装置100和/或控制单元104执行。

在没有失去寻求的效果的情况下，本文给出的任何范围或装置值都可以扩展或更改。除非明确禁止，否则任何实施例都可以与另一实施例组合。

尽管已经用具体到结构特征和/或动作的语言描述了主题，但是应该理解的是，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体的特征或动作。而是，以上描述的具体的特征和动作作为实施权利要求的示例公开，并且其他等效特征和动作旨在落入权利要求书的范围内。

将理解的是，上述益处和优势可以涉及一个实施例或可以涉及多个实施例。实施例不限于解决所陈述的问题的任何一个或所有的那些实施例，或不限于具有所述益处和优势的任何一个或所有的那些实施例。还将理解的是，对术语“一种”的提及可以指那些项目中的一个或多个。

本文描述的方法的步骤可以以任何合适的顺序执行，或者在适当的情况下同时执行。另外，在不脱离本文描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任何方法中删除各个框。在没有失去寻求的效果的情况下，可以将以上描述的任一实施例的方面与描述的任一其他实施例的方面相结合以形成另外的实施例。

本文使用的术语“包括”是指包括确定的方法、框或元件，但是这样的框或元件不包括排他性列举，并且方法或装置可以包含附加的框或元件。

将理解的是，以上描述仅作为示例给出，并且本领域技术人员可以做出各种修改。上面的说明书、示例和数据提供了示例性实施例的结构和使用的完整描述。尽管以上已经以某种程度的特殊性或参考一个或多个单独的实施例描述了各种实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本说明书的精神或范围的情况下对公开的实施例进行多种改变。

Claims (13)

1.一种用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，包括：

第一量子比特(101)和第二量子比特(102)，第一量子比特(101)和第二量子比特(102)能够选择性地耦合到彼此；

第一能量耗散结构(103)，其能够选择性地耦合到第一量子比特，其中第一能量耗散结构(103)构造成对传递到第一能量耗散结构(103)的能量进行耗散；和

控制单元(104)，其构造成：

执行第一量子操作以将量子态的至少一种属性从第一量子比特(101)传递到第二量子比特(102)；

将第一量子比特(101)耦合于第一能量耗散结构(103)，持续一时间间隔；以及

在所述时间间隔之后执行第二量子操作以将量子态的至少一种属性从第二量子比特(102)传递到第一量子比特(101)。

2.根据权利要求1所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，还包括第二能量耗散结构(201)，第二能量耗散结构(201)能够选择性耦合到第二量子比特(102)，其中第二能量耗散结构(201)构造成对传递到第二能量耗散结构的能量进行耗散，并且其中控制单元(104)还构造成：

在执行第一量子操作之前，通过将第二量子比特(102)耦合到第二能量耗散结构(201)将第二量子比特(102)初始化为基态；和/或

在执行第二量子操作之后，通过将第二量子比特(102)耦合到第二能量耗散结构(201)将第二量子比特(102)初始化为基态。

3.根据权利要求2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，第一能量耗散结构(103)和/或第二能量耗散结构(201)包括至少一个正常金属-绝缘体-超导体NIS结。

4.根据权利要求2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，第一能量耗散结构(103)和/或第二能量耗散结构(201)包括量子电路制冷器QCR，其中QCR包括电压偏置的超导体-绝缘体-正常金属-绝缘体-超导体SINIS 结，并且其中第一量子比特(101)电耦合到第一能量耗散结构(103)的SINIS结的正常金属，和/或第二量子比特(102)电耦合到第二能量耗散结构(201)的SINIS结的正常金属。

5.根据权利要求4所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，控制单元(104)构造成，通过调节第一能量耗散结构(103)的SINIS结的偏置电压，将第一量子比特(101)耦合于第一能量耗散结构(103)，持续所述时间间隔。

6.根据权利要求2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，第一能量耗散结构(103)和/或第二能量耗散结构(201)构造成经由NIS/SINIS结中光子辅助的电子隧穿耗散传递至能量耗散结构的光子能量。

7.根据权利要求1或2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，第一量子比特(101)和/或第二量子比特(102)包括超导量子比特。

8.根据权利要求1或2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，第一量子比特(101)和/或第二量子比特(102)包括传输子量子比特。

9.根据权利要求1或2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，控制单元(104)构造成，在第一量子比特(101)和第二量子比特(102)之间通过执行SWAP或iSWAP操作，执行第一量子操作和/或第二量子操作。

10.根据权利要求1或2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，控制单元(104)构造成，通过经由移位第一量子比特/第二量子比特的谐振频率使第一量子比特(101)和第二量子比特(102)进入谐振，执行第一量子操作和/或第二量子操作。

11.根据权利要求10所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，控制单元(104)构造成经由通量调谐来移位第一量子比特(101)/第二量子比特(102)的谐振频率。

12.根据权利要求1或2所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置，其特征在于，还包括：

第一多个量子比特，其包括第一量子比特(101)；

第二多个量子比特，其包括第二量子比特(102)，其中第二多个量子比特中的每个量子比特能够选择性地耦合到第一多个量子比特中对应的量子比特；和

多个能量耗散结构，其包括第一能量耗散结构(103)，其中多个能量耗散结构中的每个能量耗散结构能够选择性地耦合到第一多个量子比特中对应的量子比特，并且其中多个能量耗散结构中的每个能量耗散结构构造成对传递到所述能量耗散结构的能量进行耗散；

其中控制单元(104)还构造成：

执行第一量子操作，以将量子态的至少一种属性从第一多个量子比特中的每个量子比特传递到第二多个量子比特中对应的量子比特；

将第一多个量子比特中的每个量子比特耦合于多个能量耗散结构中对应的能量耗散结构，持续一时间间隔；并且

执行第二量子操作，以将量子态的至少一种属性从第二多个量子比特中的每个量子比特传递到第一多个量子比特中对应的量子比特。

13.一种量子计算系统，其特征在于，包括根据权利要求1到12中任一项所述的用于减少量子比特泄漏错误的装置。

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