TW202219847A - 量子位元泄漏誤差之減少 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種量子計算系統和裝置。根據一種實施例,量子位元,其具有基態和複數個激發態,其中,複數個激發態包括最低激發態,其中,基態和最低激發態之間的能量差對應於第一頻率,並且最低激發態和複數個激發態中的另一激發態之間的能量差對應於第二頻率;能量耗散結構,其配置為耗散傳遞到能量耗散結構的能量;以及濾波器,其具有阻帶和通帶,其中,濾波器耦合到量子位元和能量耗散結構,並且其中,阻帶包括第一頻率,並且通帶包括第二頻率。本發明提供了一種裝置、一種量子計算系統和一種方法。
Description
本揭露關於量子計算,並且更具體地關於用於減少量子位元洩漏誤差的裝置,並且關於一種量子計算系統。
量子計算是基於將信息存儲在兩級量子系統中的構思。然而,這種量子位元的許多實現具有兩個以上的能階。在這種情況下,量子位元由兩個最低能階形成,並且應該防止更高能階的激發。這些較高能階的任何一個處於被激發的危險中的情況,即,當它們的量子態與計算基礎的那些量子態混合時稱為洩漏誤差。這可能是因為例如應用的閘操作或系統-環境的相互作用而發生的。洩漏誤差不能夠用僅處理在計算基礎上的誤差的標準量子誤差校正來解決。
提供本發明內容以簡化的形式介紹一些概念,這些概念將在下面的詳細描述中進一步描述。本發明內容並不旨在確定要求保護的主題的關鍵特徵或必要特徵,也不旨在用於限制要求保護的主題的範圍。
目的是提供一種用於減少量子位元洩漏誤差的裝置和量子計算系統。由獨立請求項的特徵實現前述目的和其他目的。另外的實施例根據附屬請求項、說明書和附圖是顯而易見的。
根據第一態樣,用於減少量子位元洩漏誤差的裝置包括:至少一個量子位元,其具有基態和複數個激發態,其中複數個激發態包括最低激發態,其中基態和最低激發態之間的能量差對應於第一頻率,並且最低激發態和複數個激發態中的另一激發態之間的能量差對應於第二頻率;能量耗散結構,其配置為耗散傳遞到能量耗散結構的能量;以及濾波器,其具有至少一個阻帶和至少一個通帶,其中濾波器耦合到至少一個量子位元和耦合到能量耗散結構,並且其中所述至少一個阻帶包括第一頻率,並且所述至少一個通帶包括第二頻率。例如,藉由允許至少從所述另一激發態到最低激發態的躍遷而不允許最低激發態和基態之間的躍遷,該裝置可以減少至少一個量子位元中的洩漏誤差。
在第一態樣的實施形式中,能量耗散結構包括至少一個正常金屬-絕緣體-超導體(NIS)接面。例如,該裝置能夠通過能量耗散結構有效地耗散來自量子位元的光子能量。
在第一態樣的另一實施形式中,能量耗散結構包括量子電路致冷器(quantum circuit refrigerator,QCR),其中QCR包括電壓偏置的超導體-絕緣體-正常金屬-絕緣體-超導體(SINIS)接面。例如,該裝置能夠通過能量耗散結構有效地耗散來自量子位元的光子能量,並且可以通過偏置電壓控制耗散。
在第一態樣的另一實施形式中,能量耗散結構配置為,耗散經由NIS/SINIS接面中的光子輔助的電子隧穿傳遞到能量耗散結構的光子能量。
在第一態樣的另一實施形式中,濾波器包括帶阻濾波器或低通濾波器。例如,該裝置能夠阻擋量子位元的不需要的狀態躍遷,同時允許減少洩漏誤差的狀態躍遷。
在第一態樣的另一實施形式中,所述至少一個量子位元包括超導量子位元。
在第一態樣的另一實施形式中,另一激發態包括至少一個量子位元的第二最低激發態。例如,該裝置能夠允許從第二最低激發態到最低激發態的弛豫(relaxations),從而去除由於在第二最低激發態中的佔據(occupation)而產生的洩漏誤差。
在第一態樣的另一實施形式中,濾波器的至少一個通帶進一步包括第三頻率,其對應於複數個激發態中的兩個狀態之間的能量差。例如,該裝置能夠允許兩個狀態之間的弛豫,從而減少洩漏誤差。
在第一態樣的另一實施形式中,濾波器的至少一個通帶進一步包括第一複數個頻率,其中第一複數個頻率中的每個頻率對應於至少一個量子位元的複數個激發態中的兩個連續激發態之間的能量差。例如,該裝置能夠允許在連續激發態之間進行弛豫,從而經由在連續激發態之間的逐次弛豫(sequential relaxations)去除洩漏誤差。
在第一態樣的另一實施形式中,濾波器的至少一個阻帶進一步包括第二複數個頻率,其中第二複數個頻率中的每個頻率對應於至少一個量子位元的兩個非連續狀態之間的能量差。例如,該裝置能夠將至少一個量子位元
限制到逐次弛豫,從而導致更多的漏電誤差在最低激發態中而不是基態中獲取。
根據第二態樣,一種量子計算裝置包括根據第一態樣的裝置。例如,該量子計算裝置能夠使用該裝置以降低的洩漏誤差執行量子計算。
根據第三態樣,一種量子計算系統包括根據第一態樣的裝置和與該裝置耦合的控制單元,其中控制單元配置為,響應於在至少一個量子位元上的閘操作,將濾波器和/或能量耗散結構與至少一個量子位元解耦。例如,該量子計算系統能夠減輕濾波器和/或能量耗散結構對閘操作造成的任何影響。
在第三態樣的實施形式中,量子計算系統進一步包括複數個裝置,其中複數個裝置中的每個裝置根據第一態樣實施,其中控制單元耦合到複數個裝置中的每個裝置,並且其中控制單元進一步配置為,響應於在量子位元上的閘操作,將複數個裝置中的每個裝置的濾波器和/或能量耗散結構與裝置的至少一個量子位元解耦。例如,該量子計算系統能夠減輕由濾波器和/或能量耗散結構對每個裝置中的閘操作造成的任何影響。
根據第四態樣,一種用於量子位元洩漏誤差減少的方法,其使用至少一個根據第一態樣的裝置,其包括:將濾波器和/或能量耗散結構與至少一個量子位元解耦;以及在量子位元上執行至少一個閘操作;將濾波器和/或能量耗散結構與至少一個量子位元重新耦合。例如,該方法能夠減輕濾波器和/或能量耗散結構閘門操作造成的任何影響。
在第四態樣的實施形式中,所述至少一個裝置包括複數個裝置,該方法進一步包括:在複數個裝置中的每個裝置中,將濾波器和/或能量耗散結構與至少一個量子位元解耦;與複數個裝置中的每個裝置中,使用至少
一個量子位元執行至少一個多量子位元閘操作;以及與複數個裝置中的每個裝置中,將濾波器和/或能量耗散結構重新耦合到至少一個量子位元。例如,該方法能夠減輕濾波器和/或能量耗散結構對每個裝置中的閘操作造成的任何影響。
通過參考以下結合附圖考慮的詳細描述,能夠更好地理解許多附帶特徵,因為它們將變得更好理解。
100:裝置
101:量子位元
102:濾波器
103:能量耗散結構
201:基態
202:最低激發態
203:第二最低激發態
204:複數個激發態
211、212、213、214:能量差
301:阻帶
302:通帶
501:正常金屬;金屬島
502:絕緣屏障;絕緣體
503:超導體
801:曲線
802:曲線
803:曲線
810:左列曲線圖
820:右列曲線圖
1000:量子計算系統;系統
1001:控制單元
1101:處理器
1102:記憶體
1200:方法
1201:解耦
1202:執行閘
1203:重新耦合
在以下參考附圖更詳細地描述示例實施例,其中:
圖1示出了根據一種實施例的用於減少量子位元洩漏誤差的裝置的示意圖;
圖2示出了根據一種實施例的量子位元能階的示意圖;
圖3示出了根據一種實施例的帶阻濾波器的頻率響應的示意圖;
圖4示出了根據一種實施例的低通濾波器頻率響應的示意圖;
圖5示出了根據一種實施例的能量耗散結構的示意圖;
圖6示出了根據一種實施例的裝置的有效電路模型圖示;
圖7示出了根據一種實施例的電路參數表;
圖8示出了根據一種實施例的在門操作期間的量子位元本徵態佔據的曲線圖;
圖9示出了根據一種實施例的量子計算系統的示意圖;
圖10示出了根據一種實施例的控制單元的示意圖;和
圖11示出了用於量子位元洩漏誤差減少的方法的流程圖,其使用至少一個根據一種實施例的裝置。
在下文中,在附圖中相同的附圖標記用於指相同的部分。
在以下描述中,參考附圖,附圖形成本揭露的一部分,並且在附圖中通過示例的方式示出了本揭露可以放置的特定態樣。應當理解的是,在不脫離本揭露範圍的情況下,可以利用其他態樣,並且可以進行結構或邏輯上的改變。因此,以下詳細描述不應被理解為限制性的,因為本揭露的範圍由所附專利範圍限定。
例如,應當理解的是,與描述的方法有關的公開對於構造成執行該方法的相應裝置或系統也適用,以及反之亦然。例如,如果描述了特定的方法步驟,則相應的裝置可以包括執行描述的方法步驟的單元,即使該單元未明確描述或未在圖中示出。另一態樣,例如,如果基於功能單元描述特定裝置,則即使該步驟未明確描述或在圖中示出,相應的方法也可以包括執行描述的功能的步驟。此外,應當理解的是,除非另外特別指出,否則此處描述的各種示例態樣的特徵可以彼此組合。
圖1示出了根據一種實施例的用於減少量子位元洩漏誤差的裝置100的示意圖。
根據一種實施例,裝置100包括至少一個量子位元101,量子位元101具有基態和複數個激發態。複數個激發態包括最低激發態。在基態和最
低激發態之間的能量差能夠對應於第一頻率。在最低激發態和複數個激發態中的另一激發態之間的能量差能夠對應於第二頻率。
此處,當使用短語例如「最低」、「第二最低」和「連續」提及至少一個量子位元101的狀態的順序時,這些術語可以指就能量而言的狀態的順序。例如,至少一個量子位元101的基態能夠指至少一個量子位元101的最低狀態,指至少一個量子位元101具有最低能量的狀態。類似地,至少一個量子位元101的最低激發態能夠指至少一個量子位元101具有最低能量的激發態等等。
第一頻率還能夠稱為至少一個量子位元101的共振頻率。
此處,任何能量E,例如,在量子位元的狀態之間的能量差,和對應的頻率ω可以通過以下等式相關聯:
另一激發態例如能夠包括至少一個量子位元101的第二最低激發態、至少一個量子位元101的第三最低激發態、或至少一個量子位元的複數個激發態中的任何其他的激發態。
根據一種實施例,至少一個量子位元101包括超導量子位元。根據一種實施例,至少一個量子位元101包括至少一個約瑟夫森接面。
根據一種實施例,至少一個量子位元101包括超導量子位元(transmon)。可選地,至少一個量子位元101可以包括任何其他類型的量子位元,例如超導量子干涉裝置(superconductive quantum interference device,
SQUID)位元、通量量子位元(flux qubit)、電荷量子位元(charge qubit)、或相位量子位元(phase qubit)。
雖然一些實施例可能在此處參考一定類型的至少一個量子位元101揭露,但是這些量子位元類型僅是示例性的。此處公開的任何實施例中,至少一個量子位元101可以以各種方式且使用各種技術實施。
裝置100能夠進一步包括能量耗散結構103,能量耗散結構103配置成耗散傳遞到能量耗散結構103的能量。
根據一種實施例,能量耗散結構103包括至少一個正常金屬-絕緣體-超導體(NIS)接面。能量耗散結構103能夠配置成,在藉由NIS接面中的光子輔助隧穿耗散傳遞到能量耗散結構103的光子能量。
根據一種實施例,能量耗散結構103包括量子電路致冷器(QCR)。
裝置100還能夠進一步包括濾波器102,濾波器102具有至少一個阻帶和至少一個通帶。濾波器102能夠耦合到至少一個量子位元101和耦合到能量耗散結構103。至少一個阻帶能夠包括第一頻率,並且至少一個通帶能夠包括第二頻率。將能量耗散結構103耦合到濾波器102得到濾波的能量耗散結構。濾波的能量耗散結構包括雜訊譜(noise spectrum),該雜訊譜包含至少一種允許頻率的帶或通帶(其中所述雜訊譜是非消失的)和至少一種不允許的頻率的間隙或阻帶(其中所述雜訊譜實質上消失)。當量子系統,例如至少一個量子位元101,耦合到濾波的能量耗散結構時,由阻帶內的頻率分離的系統能階的衰減能夠抑制,而能夠發生由允許的帶內的頻率分離的系統能階的衰減。
濾波器102例如能夠電耦合、電容耦合、電感耦合和/或電磁耦合到至少一個量子位元101和/或能量耗散結構103。
濾波器102也能夠稱為電子濾波器或類似物。濾波器102例如能夠包括離散元件(例如電容器、電感器和電阻器)和/或實施在例如傳輸線中的分布式元件。儘管此處揭露的一些實施例可能將濾波器102描述為包括某些組件,但這些組件只是示例性的,並且濾波器102可以以各種其它方式實施。
濾波器102能夠將能量從至少一個量子位元101傳遞到能量耗散結構103。基於濾波器102的頻率響應,能量傳遞可以是選擇性的。
雖然在此處的實施例中公開了濾波器102的一些示例,但濾波器102也能夠以各種其它方式並使用各種其它組件/元件實現。在此處公開的任何實施例中,濾波器102例如可以使用任何類型的帶阻濾波器實施。例如,濾波器102可以使用對應於高階帶阻濾波器的更複雜的幾何形狀實施。這種高階帶阻濾波器可以近似於理想帶阻濾波器的矩形頻率響應(rectangular frequency)。
裝置100例如能夠實施在量子計算裝置中。這種量子計算裝置能夠包括用於執行量子計算的複數個量子位元。每個這種量子位元能夠使用裝置100實施。
裝置100例如能夠在超導電路架構中實現。
裝置100能夠減少至少一個量子位元101的洩漏誤差。當至少一個量子位元101被激發到其第二最低的或更高的激發態時,可能會發生洩漏誤差。因此,至少一個量子位元101的狀態從計算基礎中洩漏出,計算基礎由基態和最低激發態形成。典型的校正協議(correcting protocol),例如表面代碼
(surface code),只能修復計算基礎中的位元翻轉誤差(bit flip error)和相位翻轉誤差(phase flip error)。因此,應以一些其他方式減少洩漏誤差。
裝置100能夠通過到能量耗散結構103的能量耗散使至少一個量子位元101的不需要的更高的激發態弛豫,而使最低激發態不受影響。這可以稱為靶向耗散。從最低激發態到基態的躍遷可以由濾波器102的至少一個阻帶保護。
在此,推導出裝置100中從第二最低激發態到最低激發態|f〉→|e〉和從最低激發態到基態(|e〉→|g〉)的衰減率。後者的衰減能夠被濾波器102的至少一個阻帶抑制,同時去除洩漏的躍遷率保持高的。此外,還研究了這種方法對經受X門操作脈衝的三級截斷(three-level truncated)量子位元的作用。根據基於林德布拉德(Lindblad)等式的數值結果,當閘應用於處於最低激發態|e〉的量子位元時,靶向耗散降低了閘保真度(fidelity)。為了克服這個問題,可以使用可調的能量耗散結構,例如QCR,該可調諧的能量耗散結構允許在閘操作期間關閉其與至少一個量子位元101的連接。
圖2示出了根據一種實施例的量子位元能階的示意圖。
至少一個量子位元101能夠具有基態|g〉201。在此,基態201能夠指至少一個量子位元101具有最低能量的量子態。
至少一個量子位元101還能夠具有複數個激發態204。複數個激發態204能夠包括最低激發態|e〉202。在此,最低激發態202能夠指至少一個量子位元101具有第二最低能量的量子態。
至少一個量子位元101的基態201和最低激發態202能夠對應於至少一個量子位元101的計算基礎。例如,基態201能夠對應於至少一個量
子位元101的|0〉狀態,而最低激發態202能夠對應於至少一個量子位元101的|1〉狀態,或反之亦然。
基態201和最低激發態202之間的能量差211能夠對應於第一頻率ω ge 。第一頻率ω ge 也能夠稱為至少一個量子位元101的共振頻率。
複數個激發態204還能夠包括第二最低激發態|f〉203。第二最低激發態203具有比基態201和最低激發態202更高的能量。
此處,高於第二最低激發態|f〉的任何激發態能夠用|f+k〉表示,其中k指高於第二最低激發態|f〉的狀態的位置。例如,第三最低激發態能夠用|f+1〉表示等等。
複數個激發態204能夠包括任何數量的激發態。在圖2的實施例中,示出了四個激發態。然而,如圖2示出,在狀態|f+1〉和狀態|f+n〉之間能夠有任意數量的激發態。
根據一種實施例,最低激發態202和第二最低激發態203之間的能量差212對應於第二頻率ω ef 。可選地,第二頻率能夠對應於最低激發態202和複數個激發態204中的任何其它激發態之間的能量差213、214。
濾波器102的至少一個通帶能夠包括第二頻率。最低激發態202和複數個激發態204中的另一激發態之間的能量差能夠對應於第二頻率。
根據一種實施例,另一個激發態包括至少一個量子位元101的第二最低激發態203。因此,濾波器102能夠允許至少一個量子位元101藉由將對應的能量傳遞到能量耗散結構103,從第二最低激發態203弛豫到最低激發態202。
根據一種實施例,濾波器102的至少一個通帶進一步包括第三頻率,第三頻率對應於複數個激發態204中兩個狀態之間的能量差。第三頻率能夠不同於第二頻率。因此,濾波器102能夠通過將對應的能量傳遞到能量耗散結構103而允許在複數個激發態204中的兩個狀態之間的弛豫。
根據一種實施例,濾波器102的至少一個通帶進一步包括第一複數個頻率。第一複數個頻率中的每個頻率能夠對應於至少一個量子位元101的複數個激發態204中的兩個連續激發態或非連續激發態之間的能量差。因此,濾波器102能夠允許複數個激發態204中的兩個連續狀態之間的躍遷。因此,至少一個量子位元101能夠經由連續激發態之間的複數個躍遷從複數個激發態204中的激發態弛豫到計算基礎。
由於濾波器102的至少一個阻帶能夠包括第一頻率ω ge ,因此當至少一個量子位元101處於基態201、最低激發態202或其疊加時,濾波器102和/或能量耗散結構103可能不會顯著影響至少一個量子位元101的操作。
另一方面,由於濾波器102的至少一個通帶能夠包括第二頻率,當至少一個量子位元101處於另一激發態,像是第二最低激發態203時,能量能夠經由濾波器102從至少一個量子位元101傳遞到能量耗散結構103。因此,至少一個量子位元101能夠從另一激發態弛豫到最低激發態202,因此返回到計算基礎並減少洩漏誤差。
圖3示出了根據一種實施例的帶阻濾波器的頻率響應的示意圖。在圖3的實施例中示出的頻率響應只是示例性的,並且可能不代表物理上可實現的頻率響應。
根據一種實施例,濾波器102包括帶阻濾波器。
在圖3的實施例中,濾波器102的至少一個阻帶301包括第一頻率ω ge 。因此,濾波器102能夠防止在第一頻率ω ge 處能量從至少一個量子位元101傳遞到耗散結構103。因此,濾波器102不會導致從最低激發態202到基態201的躍遷,並且因此濾波器102實質上不會影響至少一個量子位元101的計算基礎。
另一方面,濾波器102的至少一個通帶302能夠包括對應於至少一個量子位元101的狀態之間的各種其它躍遷的頻率。在圖3的實施例中,示出了對應於至少一個量子位元101的激發態之間的能量差的兩個頻率ω f(f+1)、ω ef 。由於這些能量差小於|g〉和|e〉之間的能量差,因此對應的頻率低於第一頻率ω ge 。由於濾波器102的至少一個通帶302包括這些頻率,因此在至少一個量子位元101中能夠發生對應的弛豫,這能夠減少洩漏誤差。
濾波器102的至少一個通帶302進一步包括對應於比|g〉和|e〉之間的間隙更大的能量差的頻率。在圖3的實施例中示出了三個這種頻率ω e(f+1)、ω gf 和ω g(f+1)。因此,濾波器102也能夠允許從較高的激發態到基態201的直接躍遷,這能夠進一步降低在至少一個量子位元101中的洩漏誤差。
圖4示出了根據一種實施例的低通濾波器的頻率響應的示意圖。在圖4的實施例中示出的頻率響應僅是示例性的,並且可能不代表物理上可實現的頻率響應。
根據一種實施例,濾波器102包括低通濾波器。
由於至少一個量子位元101的非諧波性可能使連續激發態之間的間隙小於第一頻率ω ge ,因此使用低通濾波器來實施濾波器102可能就足夠,而不需要使用帶阻濾波器。
類似於圖3的實施例的帶阻濾波器,低通濾波器能夠允許至少一個量子位元101的激發態之間的躍遷,因為頻率ω f(f+1)、ω ef 在濾波器102的至少一個通帶中。另一方面,由於較高的頻率躍遷,例如ω e(f+1)、ω gf 和ω g(f+1)是在濾波器102的至少一個阻帶301中,這些躍遷可能不會發生,並且因此不能用於去除洩漏誤差。
另一方面,通過將至少一個量子位元101限制為順序躍遷(sequential transitions),低通濾波器能夠保證在|e〉狀態下而不是在|g〉狀態下獲取(retrieve)所有的洩漏誤差。
根據一種實施例,濾波器102的至少一個阻帶301進一步包括第二複數個頻率,其中第二複數個頻率中的每個頻率對應於至少一個量子位元101的兩個非連續狀態之間的能量差。
圖5示出了根據一種實施例的能量耗散結構103的示意圖。
根據一種實施例,能量耗散結構103包括至少一個正常金屬501-絕緣體502-超導體503(NIS)接面。NIS接面能夠是電壓偏置的。
例如,在圖5的實施例中,能量耗散結構103包括兩個NIS接面。這兩個NIS接面形成超導體-絕緣體-正常金屬(normal metal)-絕緣體-超導體(SINIS)接面。SINIS接面能夠由偏置電壓V B 偏置。金屬島501能夠通過控制偏置電壓V B 進行充電和放電,偏置電壓V B 由於跨過絕緣屏障502的電子
隧穿而產生。這些隧穿躍遷也可能關於光子的吸收或發射。SINIS接面能夠稱為量子電路致冷器(QCR)。
濾波器102能夠耦合到NIS/SINIS接面的正常金屬501。因此,能量耗散結構103能夠通過濾波器102吸收來自至少一個量子位元101的光子能量。
根據一種實施例,能量耗散結構103包括QCR,其中QCR包括SINIS接面。
根據一種實施例,能量耗散結構103配置為通過NIS/SINIS接面中光子輔助的電子隧穿來耗散傳遞到能量耗散結構的光子能量。
圖6示出了根據一種實施例的裝置100的有效電路模型圖示。應當理解的是,裝置100能夠不包括圖6的實施例中示出的電路元件。而是,在圖6的實施例中示出的電路元件能夠表示至少一個量子位元101、濾波器102和/或能量耗散結構103的電特性,並且能夠用於分析裝置100的行為。
在圖6的實施例中,能量耗散結構103包括QCR。該QCR由具有電容C j 和電壓偏置V=V B /2的NIS接面建模。通過該NIS接面的隧穿由與電容C j 並聯的隧穿接面建模。省略QCR的第二NIS接面,其對通過NIS接面的隧穿的貢獻包括在金屬島對地的電容C m 中。
在圖6的實施例中,濾波器102包括LC帶阻濾波器。該濾波器由將其連接到QCR的電容C c 和串聯電容C f 和連接到地的電感L f 來建模。
在圖6的實施例中,至少一個量子位元101包括超導量子位元。至少一個量子位元101包括電容C B 和C J ,約瑟夫森能量E J 利用電容C g 電容耦合到濾波器102。
作為第一近似,帶阻濾波器能夠由一階集總元件LC濾波器建模。裝置100包括連接到LC帶阻濾波器的QCR,該帶阻濾波器與至少一個量子位元101電容連接。因此,帶阻濾波器和QCR形成一個帶阻濾波QCR。帶阻濾波QCR是濾波的能量耗散結構的示例。接下來,遵循規範的方法寫下拉格朗日(Lagrangian)系統,並從中推導出哈密頓量(Hamiltonian),哈密頓量用提升到量子算符的節點通量和節點電荷表示。
當QCR和帶阻濾波器被認為是用於至少一個量子位元101的環境時,按照通過哈密頓量預測的來計算從|f〉到|e〉和從|e〉到|g〉的躍遷率。這關於到求解QCR和濾波器102形成的環境的雜訊譜密度,這使用經典電路分析完成。
系統的拉格朗日量L能夠寫成
費米黃金定則(Fermi's golden rule)可用於計算環境引起的三級超導量子位元(three-level transmon)的衰減率。
帶阻濾波QCR的電壓雜訊譜能夠通過求解濾波器102的電壓響應H(ω)=V out(ω)/V in(ω)獲得,並且使用該關係將濾波器102之後的電壓噪聲表示為V out(ω)=H(ω)V in(ω),其中V in(ω)是QCR的噪聲電壓。單獨的QCR噪聲從波動耗散定理獲得。因此,帶阻濾波QCR的電壓雜訊譜是
圖7示出了根據一種實施例的電路參數表。電路參數僅是示例性的,並且旨在示出濾波器102是否能夠在f→e躍遷中衰減f狀態下的洩漏誤差時保護e→g躍遷。設置QCR的有效電阻,使得QCR引起的弛豫速率以納秒為單位。
上面的衰減率表明帶阻濾波器能夠有效地保護計算基礎免於衰減,同時允許QCR快速耗盡第二最低激發態。基於具有偶數差異的狀態之間的躍遷由於奇偶性被指數抑制的事實,在分析中忽略了衰減過程f→g。
在下文中,研究了帶阻濾波QCR對從動的三級截斷超導量子位元的時間演化的影響。系統的哈密頓量包含超導量子位元項和驅動項,並以有序基礎{|g〉,|e〉,|f〉}表示為矩陣
超級算符等式的繁瑣的戴森級數(Dyson series)能夠用矩陣指數的以下乘積來近似(每個乘積對應於持續短時間dt的演化):
圖8示出了根據一種實施例的在閘操作期間的量子位元本徵態佔據的曲線圖。除了由環境引起的激勵外,由於驅動場引起的洩漏可能是洩漏誤差的主要原因。圖8說明了帶阻濾波QCR對經歷X閘操作(即經受π脈衝)的量子位元的影響。
圖8的曲線圖示出了三級超導量子位元在g→e躍遷和e→g躍遷然後空轉時在共振(ω d =ω eg )中經受π脈衝的時間演化。圖8示出了典型的拉比頻率Ω=10-3 ω eg 對應脈衝持續時間t=1000π/ω eg (約67ns)的結果。曲線801對應於基態|g〉,曲線802對應於最低激發態|e〉,並且曲線803對應於第二最低激發態|f〉。
左列曲線圖810表示有帶阻濾波QCR的情況,右列曲線圖820表示沒有帶阻濾波QCR的演變。
如果考慮到最大保真度,π脈衝施加到最初處於基態的量子位元上(如圖8的上面)或最初處於第一激發態(如圖8的下面)的量子位元上,則量子位元分別翻轉到激發態和基態。有耗散和無耗散的曲線圖的比較揭示了,耗散使閘的不保真度增加一個數量級。但是,當脈衝結束後,|f〉態的洩漏佔據開始弛豫,特別是當初始態為激發態|e〉時,而激發態|e〉的弛豫受到帶阻濾波器的阻礙。
圖9示出了根據一種實施例的量子計算系統1000的示意圖。
根據一種實施例,量子計算系統1000包括裝置100和耦合到裝置100的控制單元1001。控制單元1001可配置為,響應於在至少一個量子位
元101上的閘操作,將濾波器102和/或能量耗散結構103與至少一個量子位元101解耦。
閘操作能夠由控制單元1001或量子計算系統1000中的一些其它裝置執行。
濾波器102和/或能量耗散結構103能夠經由可控耦合與至少一個量子位元101耦合。控制單元1001能夠耦合到可控耦合,並且控制單元1001能夠配置為,響應於在至少一個量子位元101上的閘操作,經由可控耦合將濾波器102和/或能量耗散結構103與至少一個量子位元101解耦。例如,在能量耗散結構103包括NIS/SINIS接面的實施例中,控制單元1001能夠配置為通過調整偏置電壓V B 來解耦能量耗散結構103。
閘操作能夠指在至少一個量子位元101上執行的量子邏輯閘操作,例如X閘、Y閘、Z閘、哈達馬閘(Hadamard gate)或相位閘。
將濾波器102和/或能量耗散結構103與至少一個量子位元101解耦,能夠防止濾波器102和/或能量耗散結構103影響至少一個量子位元101的計算基礎。儘管根據上面的分析,在一些情況下,例如具有緩慢的衰減率時,這可能不需要,但在一些其它情況下可能是有益的。
當系統1000運行時,裝置100可物理地位於低溫恒溫器或類似物中。低溫恒溫器可將至少一個量子位元101和裝置100的其他組件(例如能量耗散結構103)冷卻到低溫。如果至少一個量子位元101例如包括超導量子位元,則這可能需要。控制單元1001能夠位於低溫恒溫器之外。
雖然在圖10的實施例中,裝置100和控制單元1001之間的連接被示意性地示出為單一的連接,但該連接能夠包括任何數量的連接。例如,
控制單元1001能夠耦合到至少一個量子位元101、到濾波器102、和/或到能量耗散結構103。
圖10示出了根據一種實施例的控制單元1001的示意圖。
控制單元1001可包括至少一個處理器1101。至少一個處理器1101能夠包括例如各種處理裝置中的一個或多個,例如共處理機(co-processor)、微處理器、控制單元1001、數位訊號處理器(DSP)、具有或不具有伴隨DSP的處理電路、或包括集成電路的各種其他處理裝置,積體電路例如是特殊應用積體電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、微處理器單元(MCU)、硬體加速器(hardware accelerator)、專用計算機晶片(special-purpose computer chip)等等。
控制單元1001還能夠包括記憶體1102。記憶體1102可配置為r記憶體例如電腦軟體等等。記憶體1102能夠包括一個或多個揮發性記憶體裝置、一個或多個非揮發性記憶體裝置、和/或一個或多個揮發性記憶體裝置和非揮發性記憶體裝置的組合。例如,記憶體1102能夠實施為磁儲存裝置(例如硬碟機(hard disk drives)、軟性磁碟(floppy disks)、磁帶(magnetic tapes)等)、光磁儲存裝置和半導體記憶體(如遮罩ROM、PROM(可編程ROM)、EPROM(可抹拭PROM)、閃存ROM、RAM(隨機存取記憶體)等)。
控制單元1001還能夠包括圖10的實施例中未示出的其他組件。例如,控制單元1001能夠包括輸入/輸出總線,用於將控制單元1001連接到裝置100。此外,用戶能夠經由輸入/輸出總線來控制控制單元1001。例如,用戶能夠經由控制單元1001和輸入/輸出總線控制由裝置100執行的量子計算操作。
當控制單元1001配置為實現一些功能時,控制單元1001的某個組件和/或多個組件(例如至少一個處理器1102和/或記憶體1102)能夠配置為實施該功能。此外,當至少一個處理器1101配置為實現一些功能時,該功能能夠使用例如包括在記憶體1102中的程式碼來實施。
控制單元1001能夠使用例如計算機、一些其他計算裝置或類似物來實施。
圖11示出了用於量子位元洩漏誤差減少的方法的流程圖,其使用至少一個根據一種實施例的裝置。
該方法1200能夠包括將濾波器和/或能量耗散結構與量子位元解耦1201。
方法1200可進一步包括在量子位元上執行1202至少一個閘操作。
該方法1200可進一步包括將濾波器和/或能量耗散結構與量子位元重新耦合1203。
至少一個量子位元101能夠一直與濾波器和/或能量耗散結構解耦,除了在特定的「洩漏去除時間」,此時打開與能量耗散結構的耦合所持續的時間足以去除洩漏。在洩漏去除之後,至少一個量子位元101能夠再次被解耦。這些「洩漏去除時間」發生的頻率能夠根據量子計算期間在至少一個量子位元101中積累的洩漏的量。因此,洩漏去除可能例如在每個閘之後、兩個閘之後、三個門之後等執行。
至少一個裝置能夠包括複數個裝置。例如在包括複數個量子位元的量子計算系統中,這可能是以下情況,其中每個量子位元能夠使用裝置
100實施。在這種情況下,方法1200能夠在每個這種裝置上執行,以便從複數個量子位元中的每個量子位元中去除洩漏誤差。
方法1200能夠包括在複數個裝置中的每個裝置中將濾波器和/或能量耗散結構與量子位元解耦1201。
方法1200可進一步包括使用複數個裝置中的每個裝置中的量子位元執行1202單量子位元閘操作或多量子位元閘操作中的至少一個。
方法1200還能夠包括將濾波器和/或能量耗散結構1203與複數個裝置中的每個裝置中的量子位元重新耦合。
該方法1200例如可由控制單元1001或能夠控制至少一個裝置的任何其他裝置執行。
在不同的實施例中,複數個量子位元中只有一個或多個量子位元與它們的濾波器和/或耗散結構耦合,用於洩漏誤差去除,而複數個量子位元中的其他量子位元保持解耦。在另一不同的實施例中,複數個量子位元可與共同的濾波器和/或耗散結構耦合或解耦。
在沒有失去所尋求的效果的情況下,此處給出的任何範圍或裝置值可被擴展或改變。此外,除非明確不允許,否則任何實施例可與另一實施例組合。
儘管已經用具體到結構特徵和/或動作的語言描述了主題,但是應該理解的是,所附申請專利範圍中定義的主題不必限於上述具體的特徵或動作。而是,以上描述的具體的特徵和動作作為實施請求項的示例公開,並且其他等效特徵和動作旨在落入申請專利範圍的範圍內。
將理解的是,上述益處和優勢能夠關於一個實施例或能夠關於多個實施例。實施例不限於解決所陳述的問題的任何一個或所有的那些實施例,或不限於具有所述益處和優勢的任何一個或所有的那些實施例。還將理解的是,對術語「一種」的提及能夠指那些項目中的一個或多個。
本文描述的方法的步驟能夠以任何合適的順序執行,或者在適當的情況下同時執行。另外,在不脫離本文描述的主題的精神和範圍的情況下,能夠從任何方法中刪除各個框。在沒有失去尋求的效果的情況下,能夠將以上描述的任一實施例的態樣與描述的任一其他實施例的態樣相結合以形成另外的實施例。
本文使用的術語“包括”是指包括確定的方法、框或元件,但是這樣的框或元件不包括排他性列舉,並且方法或裝置能夠包含附加的框或元件。
將理解的是,以上描述僅作為示例給出,並且本領域技術人員能夠做出各種修改。上面的說明書、示例和數據提供了示例性實施例的結構和使用的完整描述。儘管以上已經以某種程度的特殊性或參考一個或多個單獨的實施例描述了各種實施例,但是本領域技術人員能夠在不脫離本說明書的精神或範圍的情況下對公開的實施例進行多種改變。
100:裝置
101:量子位元
102:濾波器
103:能量耗散結構
Claims (15)
- 一種用於減少量子位元洩漏誤差的裝置(100),包括:至少一個量子位元(101),具有基態(201)和複數個激發態(204),其中,該複數個激發態(204)包括最低激發態(202),其中,該基態和該最低激發態之間的能量差(211)對應於第一頻率,並且該最低激發態和該複數個激發態中的另一激發態之間的能量差(212、213、214)對應於第二頻率;能量耗散結構(103),配置為耗散傳遞到該能量耗散結構的能量;以及濾波器(102),具有至少一個阻帶(301)和至少一個通帶(302),其中,該濾波器(102)耦合到該至少一個量子位元(101)和該能量耗散結構(103),且其中,該至少一個阻帶(301)包括該第一頻率,並且該至少一個通帶(302)包括該第二頻率。
- 如請求項1所述的裝置(100),其中,該能量耗散結構(103)包括至少一個正常金屬-絕緣體-超導體NIS接面。
- 如請求項1或2所述的裝置(100),其中,該能量耗散結構(103)包括量子電路致冷器QCR,其中,該量子電路致冷器包括電壓偏置的超導體-絕緣體-正常金屬-絕緣體-超導體SINIS接面。
- 如請求項2或3所述的裝置(100),其中,該能量耗散結構配置為,經由NIS/SINIS接面中的光子輔助的電子隧穿,耗散傳遞到該能量耗散結構的光子能量。
- 如請求項1至4中任一項所述的裝置(100),其中,該濾波器(102)包括帶阻濾波器或低通濾波器。
- 如請求項1至5中任一項所述的裝置(100),其中,該至少一個量子位元(101)包括超導量子位元。
- 如請求項1至6中任一項所述的裝置(100),其中,該另一激發態包括該至少一個量子位元(101)的第二最低激發態(203)。
- 如請求項1至7中任一項所述的裝置(100),其中,該濾波器(102)的該至少一個通帶(302)進一步包括第三頻率,該第三頻率對應於該複數個激發態(204)中兩個態之間的能量差。
- 如請求項1至8中任一項所述的裝置(100),其中,該濾波器(102)的該至少一個通帶(302)進一步包括第一複數個頻率,其中,該第一複數個頻率中的每個頻率對應於該至少一個量子位元(101)的該複數個激發態(204)中的兩個連續激發態之間的能量差。
- 如請求項1至9中任一項所述的裝置(100),其中,該濾波器(102)的該至少一個阻帶(301)進一步包括第二複數個頻率,其中,該第二複數個頻率中的每個頻率對應於該至少一個量子位元(101)的兩個非連續狀態之間的能量差。
- 一種量子計算裝置,包括如請求項1至10中任一項所述的裝置。
- 一種量子計算系統(1000),包括如請求項1至10中任一項所述的裝置(100)和與該裝置(100)耦合的控制單元(1001),其中,該控制單元(1001)配置為,響應於在該至少一個量子位元(101)上的閘操作,將該濾波器(102)和/或該能量耗散結構(103)與該至少一個量子位元(101)解耦。
- 如請求項12所述的量子計算系統(1000),進一步包括複數個裝置,其中,該複數個裝置中的每個裝置如請求項1至10中的任一項實施,其中,該控制單元(1001)耦合到該複數個裝置中的每個裝置,並且其中,該控制單元(1001)進一步配置為,響應於在該量子位元(101)上的閘操作,將該複數個裝置 中的每個裝置的該濾波器(102)和/或該能量耗散結構(103)與該裝置的該至少一個量子位元(101)解耦。
- 一種用於量子位元洩漏誤差減少的方法,使用至少一個如請求項1至10中任一項所述的裝置,該方法包括:將該濾波器和/或該能量耗散結構與該至少一個量子位元解耦;以及在該量子位元上執行至少一個閘操作;將該濾波器和/或該能量耗散結構重新耦合到該至少一個量子位元。
- 如請求項14所述的方法,其中,該至少一個裝置包括複數個裝置,該方法進一步包括:在該複數個裝置中的每個裝置中,將該濾波器和/或該能量耗散結構與該至少一個量子位元解耦;在該複數個裝置中的每個裝置中,使用該至少一個量子位元上執行至少一個多量子位元閘操作;以及在該複數個裝置中的每個裝置中,將該濾波器和/或該能量耗散結構重新耦合到該至少一個量子位元。
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