CN220627080U - 一种适用于量子纠错的超导电路量子比特系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于量子纠错的超导电路量子比特系统。在信号产生端，任意波形发生器、局部振荡器分别与IQ混频器的I、Q和L接口连接，IQ混频器的输出端与双向耦合器的输入端连接；双向耦合器的一个输出端与带通滤波器连接，带通滤波器输出端与谐振器连接；带通滤波器与谐振器之间旁路一个电容，连接超导量子比特电路；双向耦合器的另一个输出端与参数放大器连接，再与HEMT放大器串联；在信号探测端，探测端混频器的L、R接口分别与局部振荡器和放大器的输出端连接；探测端混频器的I、Q接口分别与采集同相分量和正交分量的模数转换器连接。本实施例提供的量子比特系统对频率失谐及拉比频率波动具有较高的鲁棒性。

Description

一种适用于量子纠错的超导电路量子比特系统

技术领域

本实用新型属于量子计算领域，具体涉及基于超导电路的量子系统。

背景技术

量子计算是量子信息科学中的一个重要分支，在大质因数分解、全局搜索、以及生物制药领域的大分子模拟等问题中具有传统经典计算不可比拟的并行运算速度。使用光脉冲在短时间内以高保真度将量子比特初始化到一个任意叠加态是开启量子计算的第一步。但是物理系统中不可避免地存在一些干扰因素，比如频率失谐，光场强度波动，光场位相波动，非共振激发等干扰。如何生成合适的光脉冲，使之在对量子比特进行操控时对这些干扰呈现较强的鲁棒性，同时具有作用时间短，保真度高的特点，这是量子计算领域一个亟待解决的问题。

在诸多承载量子计算的物理系统中，基于超导电路的量子比特系统是一种比较有竞争力的载体。超导量子比特由LC振荡电路与超导约瑟夫森结结合而成，一般需要将量子比特置于10—15mK的环境之下，避免热噪声破坏量子态，使得量子态操控精度较低。量子纠错是量子算法研究的活跃领域，其目标是大幅降低量子比特和时间的开销，实现完全的无误码运算。为有效降低量子系统中误码率，量子纠错使用许多冗余量子比特来对量子态进行编码，并通过利用信息冗余的量子纠错码来模拟非常低误码率的稳定量子比特，通常称为“逻辑”量子比特。周期性地对逻辑量子比特的状态进行测量，借助经典计算设备最终确定存在误码的量子比特，实现量子纠错。每个逻辑量子比特都需要大量的物理量子比特和量子门运算(以及经典计算)来实现、维持其状态，需要将更鲁棒的逻辑量子比特上的门运算转换为底层的物理量子比特的运算。另一方面，由于制造工艺所限，每个物理比特之间不是完全一模一样，而在跃迁频率上存在一些差异。在这样的人造原子系统中以量子纠错实现高精度量子操控，微波脉冲必须满足如下条件，(1)脉冲与量子比特的作用时间应足够短，以减小退相干效应；(2)脉冲需要对一定频率失谐范围内的量子操控具有鲁棒性，在用微波脉冲进行操控时，需要对这些物理量子比特同等看待，即需要微波脉冲在一定频率失谐范围内具有高鲁棒性，此外，信号源产生的微波脉冲可能存在强度波动，这会使得脉冲的拉比频率出现波动，所以需要考察拉比频率波动对逻辑门保真度的影响。

目前操控量子系统的光脉冲主要分为三种类型。第一种是简单的共振脉冲，如方波脉冲，高斯脉冲等，这种脉冲作用时间短，但是对系统中存在的干扰因素比较敏感。第二种是绝热近似光脉冲，它对系统中存在的干扰因素具有较好的鲁棒性，但是因为是绝热过程，所以脉冲作用时间较长。第三种是基于非绝热过程的绝热捷径光脉冲，可以在短作用时间内以高保真度和强鲁棒性实现了量子布局数转移。但是，由于量子比特和量子门无法轻易去除物理电路中的少量误码，因此，进行量子计算时会出现误码，最终导致量子计算得到错误的输出。所以，无误码的量子计算机需要量子纠错。目前在存在频率失谐的量子系统中，比如超导量子比特系统，在短时间内以量子纠错实现高精度量子操控的方案有待研发提供。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，能有效提高量子操控精度和鲁棒性，可实现量子纠错的超导量子比特系统。

实现本实用新型发明目的的技术方案是提供一种适用于量子纠错的超导电路量子比特系统，它包括置于室温环境中的任意波形发生器、IQ混频器、局部振荡器、采集同相分量的模数转换器、采集正交分量的模数转换器、探测端混频器，置于低温恒温器中的HEMT放大器、参数放大器、双向耦合器、带通滤波器、谐振器、电容和Transmon型超导量子比特电路；

在信号产生端，任意波形发生器的输出端与IQ混频器的I、Q接口连接，局部振荡器的输出端与IQ混频器的L接口连接，IQ混频器的输出端与双向耦合器的输入端连接；

双向耦合器的一个输出端与带通滤波器连接，带通滤波器输出端与谐振器的输入端连接，谐振器的接地端接地；带通滤波器和谐振器之间旁路一个电容，电容的输出端与Transmon型超导量子比特电路输入导线连接，量子比特电路接地端接地；

双向耦合器的另一个输出端与参数放大器的输入端连接，参数放大器的输出端与HEMT放大器串联；

在信号探测端，局部振荡器的输出端与探测端混频器的L接口连接，HEMT放大器的输出端与探测端混频器的R接口连接；探测端混频器的I、Q接口分别与采集同相分量的模数转换器和采集正交分量的模数转换器的输入接口连接。

在本实用新型技术方案中，所述的电容为共面型电容，电容量为50～100fF。

在常规色散量子比特读取中,物理量子比特与一个谐振器耦合,用于实现量子态的读取和重置。但由于Purcell效应,使得谐振器介导产生光子的自发辐射，造成量子比特的退相干。本实用新型在系统中引入了一个带通滤波器，通过滤波来去除带外辐射，减轻室温噪声对量子比特运算的影响，实现高精度量子操控，同时保护量子比特不被弛豫到环境中，也提升了量子比特的寿命。在系统中，通过稳定的微波源、可编程的脉冲形状和混频器产生单量子比特的微波控制信号，通过控制导线传输，对物理量子比特进行逻辑门运算。

为了抑制Purcell效应，在双向耦合器和谐振器中间电路引入了一个带通滤波器。在600MHz的带宽上抑制了超过两个数量级谐振器介导的量子比特衰减。量子比特反射信号在输出线的外部衰减时间为为130μs，比谐振器的外部衰减时间长30000倍。在本实用新型提供的系统中，使用一个40ns微波脉冲实现了快速、高保真的色散量子比特读取。获得了99.6％的读取保真度和99.77％的保真度，这与使用更复杂的系统实现的最先进的保真度相比，具有一定优势。

本实施例提供的系统适用于超导量子系统的微波脉冲，创建任意单量子比特和乐量子逻辑门。每段脉冲的持续时间设置为40纳秒，激发态的衰变率Γ₁和退相位率Γ₂设置为3×2πkHz，对位于低温恒温器内的物理量子比特进行操控，执行单量子比特NOT门和Hadmard门。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：在±2MHz内，脉冲可以使NOT门的保真度高于99.6％，平均保真度高达99.61％，量子门保真度有较大提升。在±2MHz内，脉冲可以使Hadamard门的平均保真度高达99.77％，量子逻辑门的保真度对频率失谐及其拉比频率波动具有较高的鲁棒性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种可创建适用于量子纠错的超导量子比特系统的结构示意图；

其中，1是任意波形发生器，2是IQ混频器，31(32)是局部振荡器，4是采集同相分量的模数转换器，5采集正交分量的模数转换器，6是探测端混频器，7是HEMT放大器，8是参数放大器，9是双向耦合器，10是带通滤波器，11是谐振器，12是电容，13是Transmon型超导量子比特电路，14是低温恒温器。

图2是对NOT门的微波脉冲在与超导量子比特电路作用过程中拉比频率随时间变化图；

图3是微波脉冲在与超导量子比特电路作用过程中本实施例提供的量子比特系统布局数随时间变化图；

图4是对H门的光脉冲在与超导量子比特电路作用过程中拉比频率随时间变化图；

图5是微波脉冲在与超导量子比特电路作用过程中本实施例提供的量子比特系统布局数随时间变化图；

图6是微波脉冲在与超导量子比特电路作用结束后逻辑门(NOT门)保真度与频率失谐量之间的依赖关系图；

图7是微波脉冲在与超导量子比特电路作用结束后逻辑门(H门)保真度与频率失谐量之间的依赖关系图；

图8是量子逻辑门的保真度随着脉冲参数相对a1波动和频率失谐的变化情况关系图；

图9是量子逻辑门的保真度随着脉冲参数相对a2波动和频率失谐的变化情况关系图；

图10是量子逻辑门的保真度随着脉冲参数相对a3波动和频率失谐的变化情况关系图；

图11是量子逻辑门的保真度随着脉冲参数相对a4波动和频率失谐的变化情况关系图。

图中，Ω_0，1是能级|0>和|1>到能级|e>的光跃迁的拉比频率；t是脉冲作用时间；P_m表示布局数；m＝0,1,e；F是产生目标态的保真度；Δ是非共振频率失谐量；1-F是失真度；η是优化参数a_i(i＝1,2,3,4)的相对波动量。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型技术方案作进一步描述。

实施例1：

参见附图1，为本实施例提供的一种适用于量子纠错的超导量子比特系统的结构示意图；它包括置于常温环境中的任意波形发生器1、IQ混频器2、局部振荡器31和32、采集同相分量的模数转换器4、采集正交分量的模数转换器5探测端混频器6置于低温恒温器14中的HEMT放大器7、参数放大器8、双向耦合器9、带通滤波器10、谐振器11、电容12和Transmon型超导量子比特电路13；

在信号产生端，任意波形发生器1的输出端与IQ混频器2的I、Q接口连接，局部振荡器31的输出端与IQ混频器2的L接口连接，IQ混频器的输出端与双向耦合器9的输入端连接；

双向耦合器9的一个输出端与带通滤波器10连接，带通滤波器10输出端与谐振器11的输入端连接，谐振器11的接地端接地；带通滤波器谐振器10和谐振器11之间旁路一个电容12，电容的输出端与Transmon型超导量子比特电路13输入导线连接，量子比特电路接地端接地；

双向耦合器9的另一个输出端与参数放大器8的输入端连接，参数放大器8的输出端与HEMT放大器7串联；

在信号探测端，局部振荡器32的输出端与探测端混频器6的L接口连接，HEMT放大器的输出端与探测端混频器6的R接口连接；探测端混频器6的I、Q接口分别与采集同相分量的模数转换器4和采集正交分量的模数转换器5的输入接口连接。

本实施例中的电容为共面型电容，电容量为50～100fF。

本实施例中，室温控制电子设备包括微波振荡器、产生脉冲形状的任意波形发生器、混频器及模数转换器，其精度不会限制量子比特的运算。对于目前的超导量子比特应用，任意波形发生器和模数转换器的工作速率通常为1～2GS/s,10～14比特。商用精密级局部振荡器的频率范围通常为1～12GHz,偏移为10kHz时的单边带相位噪声为-120dB，一般可以达到10^-8级的门误码率。所述的低温恒温器使用机电脉冲管制冷器来实现两个阶段冷却，使得超导量子比特在接近绝对零度下避免热噪声影响，从而正常工作。第一个阶段是50K，另一个阶段是3K。这种称为“干式”制冷机，它们不需要通过消耗液氦冷却剂来达到这些温度。接着，在3K温度下，将封闭循环中的氦同位素³He和⁴He的混合物冷凝并循环，通过700mK、50mK以及大约10mK的基准温度的不同阶段实现冷却。

本实施例提供的系统中，局部振荡器(LO)提供一个高频信号(ω_LO)，任意波形发生器(AWG)提供一列脉冲包络(s(t))，有时还带有一列由AWG产生的低频分量ω_AWG。IQ混频器将这两列信号结合起来，产生一列频率为ω_d＝ω_LO±ω_AWG的微波脉冲V_d(t)，微波脉冲信号通过控制导线被输送至低温恒温器内的器件中，经过双向耦合器与谐振器发生相互作用，使得Transmon型超导量子比特与微波脉冲发生共振，通过混合多个频率ω_AWG1,ω_AWG2,…,ω_AWGn信号,同时寻址多个物理量子比特，产生一列与量子比特状态相关的反射微波信号，这个微波信号再通过带通滤波器进行滤波，通过滤波来去除带外辐射，在600MHz的带宽上抑制了超过两个数量级的谐振器介导的量子比特衰减，进而减轻室温噪声对量子比特运算的影响，实现高精度量子操控。

任意波形发生器1输出两列基带信号，这两列基带信号传输至IQ混频器2，局部振荡器31输出一列高频载波信号，IQ混频器2的I(Q)输入端将这两列基带信号乘以局部振荡器31的同相(失相)分量，经过调制产生一列可调的微波脉冲，这列微波脉冲经过控制导线输入至置于低温恒温器14内的器件中，先经过双向耦合器9和带通滤波器10，与谐振器11发生相互作用，生成一列与Transmon型超导量子比特电路13量子比特状态相关的的反射微波信号，同时，通过带通滤波器10与谐振器11中间旁路的电容12对量子比特频率进行调节，微波信号可通过带通滤波器10进行滤波，去除带外辐射，反射的微波信号经过参数放大器8、HEMT放大器7进行两次放大，再使用探测端混频器6对微波信号进行变频，局部振荡器32的频率为ω_LO的载波信号被来自低温恒温器14中器件HEMT放大器7输出的频率为ω_RO的信号混频，产生两列中频微波信号，通过采集同相分量的模数转换器4，采集正交分量的模数转换器5，在两个不同的模数转换器中进行采样。

本实施例提供的系统可创建适用于量子纠错的超导量子系统微波脉冲，微波脉冲的振幅含有4个自由度(n＝1，2，3，4)，在实数范围内取值，可以生成不同性能的微波脉冲；脉冲突破了方波脉冲的限制，在门操作时间和增加量子逻辑门鲁棒性方面具有优势。

在超导量子比特系统中，将每段微波脉冲的持续时间设置为40ns，即τ＝40ns；激发态的衰变率Γ₁和退相位率Γ₂设置为3×2πkHz。以NOT门为例，参数a₁～a₄值为{-0.7500,-0.0255,0.2267,0.1050}，在该组参数下分别考察了NOT门和Hadamard门的拉比频率和量子比特系统布局数随时间的变化情况。

参见附图2、3，是NOT门情况下光脉冲的拉比频率和量子系统布局数随脉冲作用时间的变化行为图。由图可见，拉比频率随时间变化较缓，并且在终止时刻，量子系统布局数分布完全符合逻辑门的预期目标。拉比频率Ω_0，1在光脉冲作用初始时刻缓慢变化，在t＝15ns时发生较为剧烈的变化，并在光脉冲作用终止时刻，拉比频率Ω_0，1趋于零。脉冲作用初始时刻，量子系统的布局数在|1>上接近于1，在20ns～150ns的演化过程中量子系统的布局数分布发生动态变化，最终量子系统的布局数在|1>趋于0，也即在光脉冲结束时，t＝160ns，量子态在|1>的几率为0。也可得到脉冲作用初始时刻量子系统的布局数在|0>上在接近于0，在t＝30ns～150ns的演化过程中量子系统的布局数分布发生动态变化，最终趋于1。量子态处在|0>和|1>的几率分别为100％、0，实现了布局数反转，这与NOT门的作用效果相吻合。

参见附图4、5，是H门情况下光脉冲的拉比频率和量子系统布局数随脉冲作用时间的变化行为图。由图可见，相比NOT门的情况，拉比频率Ω₀随时间变化较缓慢，拉比频率Ω₁随时间变化较快。在终止时刻，量子系统布局数分布完全符合逻辑门的预期目标。脉冲作用初始时刻，量子系统的布局数在|1>上接近于1，在20ns～150ns的演化过程中量子系统的布局数在|1>上的分布发生动态变化，最终趋于0.5，也即在光脉冲结束时，t＝160ns，量子态在|1>的几率为50％。也可得到脉冲作用初始时刻量子系统的布局数在|0>上在接近于0，在30ns～150ns的演化过程中量子系统的布局数在|0>上发生动态变化，最终趋于0.5。量子态处在|0>和|1>的几率均为50％，这与H门的作用效果相吻合。

对本实施例提供的量子系统量子操控的鲁棒性、NOT门和Hadamard门保真度对频率失谐的依赖关系进行考察，为便于对比，随机取一组a₁～a₄的值，{0,-0.26,0,0}。

参见附图6，是光脉冲在与量子系统作用结束后逻辑门保真度与频率失谐量之间的依赖关系图。对NOT门情况，从数值模拟明显可以看出，优化后逻辑门的鲁棒性明显要高于未优化的情况。具体表现为，在±2MHz内，优化后的脉冲可以使NOT门的保真度高于99.6％，平均保真度高达99.61％，而在随机参数组下，NOT门在±2MHz内的平均保真度仅仅为99.01％。

参见附图7，是光脉冲在与量子系统作用结束后逻辑门(H门)保真度与频率失谐量之间的依赖关系图。对于Hadamard门，在±2MHz内的平均保真度高达99.77％，而随机参数值下的平均保真度为99.58％，也展现出一定的优势。

在超导线路中进行量子操控，除了上述频率失谐以外，还要关注拉比频率波动对逻辑门保真度的影响。对本实施例提供的系统产生的微波脉冲，考察a₁,a₂,a₃,a₄在最优值附近±30％的范围内波动，量子操控在±2MHz频率失谐范围内的保真度的变化，结果如附图8、9、10和11所示。从数值模拟结果显示，a₁的波动对量子逻辑门保真度的影响最大。当a₁浮动-30％，在±2MHz处，保真度下降了0.7％。而a₂,a₃,a₄的浮动对于逻辑门保真度的影响都很小，都控制在0.1％以内。总体而言，逻辑门对参数a₁～a₄在优化值附近的波动，以及对频率失谐都对于具有较高的鲁棒性。

产生的微波脉冲优点是：脉冲与量子比特进行操控的保真度，对量子比特存在的频率失谐和拉比频率波动呈现较强的鲁棒性，能有效对位于量子数据层的众多物理量子比特进行操控，这点是在存在频率失谐的量子系统中进行量子计算的关键要素；在脉冲作用过程中，脉冲持续时间为40ns，脉冲与量子比特的作用时间较短，减小了退相干效应。

Claims (2)

1.一种适用于量子纠错的超导电路量子比特系统，其特征在于：它包括置于常温环境中的任意波形发生器（1）、IQ混频器（2）、局部振荡器（31、32）、采集同相分量的模数转换器（4）、采集正交分量的模数转换器（5）、探测端混频器（6），置于低温恒温器（14）中的HEMT放大器（7）、参数放大器（8）、双向耦合器（9）、带通滤波器（10）、谐振器（11）、电容（12）和Transmon型超导量子比特电路（13）；

在信号产生端，任意波形发生器（1）的输出端与IQ混频器（2）的I、Q接口连接，局部振荡器（31）的输出端与IQ混频器（2）的L接口连接，IQ混频器的输出端与双向耦合器（9）的输入端连接；

双向耦合器（9）的一个输出端与带通滤波器（10）连接，带通滤波器（10）输出端与谐振器（11）的输入端连接，谐振器（11）的接地端接地；带通滤波器（10）和谐振器（11）之间旁路一个电容（12），电容的输出端与Transmon型超导量子比特电路（13）输入导线连接，量子比特电路接地端接地；

双向耦合器（9）的另一个输出端与参数放大器（8）的输入端连接，参数放大器（8）的输出端与HEMT放大器（7）串联；

在信号探测端，局部振荡器（32）的输出端与探测端混频器（6）的L接口连接，HEMT放大器的输出端与探测端混频器（6）的R接口连接；探测端混频器（6）的I、Q接口分别与采集同相分量的模数转换器（4）和采集正交分量的模数转换器（5）的输入接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于量子纠错的超导电路量子比特系统，其特征在于：所述的电容为共面型电容，电容量为50～100fF。