TW202328991A - 量子處理單元、量子計算系統、及讀出量子位元的狀態之方法 - Google Patents

Abstract

一種量子處理單元係包括複數個量子位元以及讀出共振器。各個量子位元係配置為獲取量子狀態，作為量子計算操作的結果。第一量子位元係位於最接近所述讀出共振器之處。量子處理單元係包括複數個耦合器，其配置為響應於各自的交換閘控制訊號，在量子位元之各對之間選擇性地執行交換閘以使這樣的量子位元交換狀態。耦合器係配置為藉由重複執行所述交換閘，使得各個量子位元之所獲取的量子狀態依次出現在所述第一量子位元中。

Description

量子處理單元、量子計算系統、及讀出量子位元的狀態之方法

本發明係關於量子計算之技術領域。詳言之，本發明係關於讀出量子處理單元中之複數個量子位元的狀態。

量子計算的基本功能單元是量子位元(qubit)，而在量子處理單元上可能有大量的量子位元。在本文描述中，術語量子處理單元(quantum processing unit)及其縮寫QPU係指一件硬體，其中有複數個電路元件，其中至少有一些是適合於並設計用於量子計算，而以適合在量子計算所需的低溫冷卻環境中操作的物理形式存在。術語量子電路係指量子計算過程中所執行的量子閘(quantum gates)之可配置的抽象化(configurable abstraction)。術語量子計算系統係指更大的實體，其包括一或多個QPUs、位於低溫冷卻環境之外的控制設置、以及兩者之間的訊號路徑。

用於量子計算的每個量子位元都假設有兩個基態的疊加(superposition)。為了簡明起見，疊加通常被稱為量子狀態，或簡稱為量子位元的狀態。一般而言，多量子位元系統處於多量子位元本徵態(eigenstates)的疊加。

為了獲得量子計算的有用結果，必須執行讀出操作。該讀出操作使得單一量子位元之量子狀態塌縮成為其中一種可能的基態，進而產生可表示為數位1或數位0之古典狀態。任何量子電路的代表性特徵為相干時間(coherence time)，在此期間必須執行讀出操作以避免遺失由該量子狀態所表示的資訊。

對量子位元執行讀出的已知方法包含使用讀出共振器。量子位元與相鄰的讀出共振器弱耦合，且量子位元內的能量藉由量子位元非線性，導致由該量子位元與該讀出共振器所組成之組合系統的散射參數發生一小偏移。此種偏移可透過所謂的讀出訊號的傳輸來檢測，該訊號是一種與該讀出共振器共振的微波脈衝。

假設該量子位元是超導量子位元(transmon)，量子位元的狀態與注入該讀出共振器的讀出訊號之間的相互作用會在傳輸訊號之振幅和相位上造成可觀察效應。此種效應表示在讀出操作中所觀察的古典狀態。從該讀出共振器還有進一步的訊號路徑，其最終將所獲得的古典狀態轉移到量子處理單元所在的低溫冷卻環境之外。

讀出共振器必須位於接近其狀態要被讀取的量子位元之處在低溫冷卻環境中的讀出共振器與周圍室溫環境中的處理電子設備之間建立訊號路徑並非易事，因為這需要可在千兆赫(gigahertz)頻率下操作的傳輸線，並具有合適的過濾和對低溫恆溫器(cryostat)中之冷體的熱錨定。實務上，可利用頻率多工在大約十個讀出共振器之間共享一共用傳輸線，其限制與閘速度和可用帶寬有 關。如果硬體和軟體支援的話，較慢的閘將允許更多通道進行頻率多工，但較慢的閘違背了充分利用量子位元之有限的相干時間之總體目標。在量子處理單元僅包括少量量子位元之系統中，這些都不是大問題。然而，隨著量子處理單元中量子位元數量的增加，已發現已知的讀出系統之物理空間以及與大量布線相關的傳導熱和成本可能變得非常大。

一目的為提出能讀出複數個量子位元的狀態而無須用於與讀出相關之電路系統的大量空間之一種量子處理單元、量子計算系統、及方法另一目的為提出允許在具有大量量子位元之系統中對於具體需求定制(tailor)讀出操作之一種量子處理單元、量子計算系統、及方法。又一目的為減少與量子計算系統的布線有關的傳導熱和成本。

藉由讀出共振器的提供來實現這些和其他有利的優點，該讀出共振器可用於依序讀出複數個量子位元，而其中大多數的量子位元遠離該讀出共振器。可使用交換閘(swap gate)將各個量子位元的量子狀態依次轉移至最靠近共用讀出共振器的位置。

根據第一態樣提出量子處理單元，其係包括複數個量子位元以及讀出共振器。所述複數個量子位元的各者係配置為獲取特定於量子位元的量子狀態，作為量子計算操作的結果，以及所述複數個量子狀態的第一量子位元係位於最接近該讀出共振器。該量子處理單元係包括複數個耦合器，該複數個耦合器係配置為響應於各自的交換閘控制訊號，在所述複數個量子位元的各自對之間選擇性地執行交換閘，以使所述各自對之該量子位元狀態交換狀態。所述耦合器 係配置為藉由重複執行所述交換閘，使得所述複數個量子位元的各者之獲取量子狀態依次出現在所述第一量子位元中。

根據一實施例，所述複數個量子位元中有多於十個、較佳多於一百個、更佳多於一千個量子位元。這包含(除其他外)此種特定的讀出方案之優勢特性變得越來越明顯之優勢，因為將特定的讀出方案與數量增加的量子位元一起應用，可導致在空間、製造成本硬體複雜性、以及低溫冷卻設備的熱負荷之方面的實質性節省。

根據一實施例，所述耦合器係配置為可控地改變所述耦合器使所述複數個量子位元的各者之該獲取量子狀態出現在該第一量子位元中之順序。這包含(除其他外)的優勢為，所獲取之量子位元的量子狀態被讀出的順序可動態地適應於要執行的量子計算操作之要求。

根據一實施例，所述複數個量子位元係構成所述量子處理單元中所有量子位元的第一子集，且該量子處理單元係包括量子位元之一或多個其他子集。該量子處理單元則可包括複數個讀出共振器，其中至少一個讀出共振器可用來專用於所述量子位元子集之各者。這包含(除其他外)優勢為即使是非常大量的量子位元，也可在不花費更多時間和不失去比可接受的保真度(fidelity)更多的情況下被讀出。

根據一實施例，所述耦合器係配置為可控地改變所述複數個讀出共振器的讀出共振器對於量子位元的子集之專用性。這包含(除其他外)的優勢為，量子位元的分組、要讀出的所獲取之量子位元的量子狀態可動態地適應於要執行的量子計算操作之要求。

根據一實施例，該量子處理單元係包括基板上的二維區域，所述量子位元的子集橫跨所述二維區域。這包含(除其他外)之優勢為即使是非常大量的量子位元也能被實現，並在合理空間內讀出他們獲取的量子狀態。

根據一實施例，所述複數個讀出共振器係位於所述二維區域的一或多個邊緣。這包含(除其他外)對於該讀出共振器之布線係相對簡單，且該讀出共振器不需從該二維區域的中央部分預留空間之優勢。

根據一實施例，所述複數個讀出共振器的至少一些係分布於所述二維區域。這包含(除其他外)決定量子位元的分組時允許更多的自由之優勢。

根據一實施例，所述第一子集係包括調諧量子位元(tuned qubits)以及交替模式之駐留量子位元(parked qubits)或固定頻率量子位元，駐留量子位元係為維持在各自的共振頻率之量子位元。所述交替模式之該駐留量子位元或固定頻率量子位元之共振頻率可按照三種不同頻率的旋轉模式。第二子集還可包括調諧以及交替模式的駐留量子位元或固定量子位元，其中，交替模式之該駐留量子位元或固定頻率量子位元之共振頻率按照與該第一子集相同之三種不同頻率的旋轉模式。所述第一和第二子集之該調諧量子位元以及駐留或固定頻率的量子位元可位於六邊形網格的頂點，使得所述網格中各個駐留或固定頻率量子位元的三個最近鄰居是調諧量子位元以及所述網格中各個調諧量子位元的三個最近鄰居是駐留或固定頻率量子位元，其中各者係具有所述三個不同頻率之唯一的一者。這包含(除其他外)可實現相對簡單讀出方案之優勢，且沒有相鄰子集的量子位元之間不必要的干擾之風險。

根據第二態樣，提出一種量子計算系統，其包括如上所述的某種類型的量子處理單元，以及控制設置及在所述量子處理單元與所述控制設置之 間的複數個訊號路徑。所述控制設置係配置成將所述交換閘控制訊號提供至所述量子處理單元中的該耦合器。

根據一實施例，所述控制設置係配置為動態確定該量子處理單元中所述複數個量子位元的至少一些之讀出順序以及提供符合所動態確定的讀出順序之所述交換控制訊號至該耦合器，以使該複數個量子位元的所述至少一些之各者的所獲取的量子狀態以該確定的讀出順序出現在所述第一量子位元中。這包含(除其他外)之優勢為該量子計算系統的該操作可針對每個要執行的量子計算任務而靈活優化。

根據一實施例，該量子處理單元中的該複數個量子位元係包括計算量子位元以及輔助量子位元(ancilla qubit)。該控制設置還可配置為在讀出該計算量子位元所獲取的狀態之前，多次讀出至少一些所述輔助量子位元之狀態。這包含(除其他外)在不犧牲該系統的任何其他有利特性下實現有效的錯誤檢測之優勢。

根據一實施例，所述計算量子位元係構成該量子處理單元的表面上之第一矩陣圖案，以及所述輔助量子位元係構成該量子處理單元的所述表面上與所述第一矩陣圖案交織的第二矩陣圖案。這包含(除其他外)之優勢為所有的計算量子位元或至少大部分的計算量子位元，都可使用輔助量子位元進行錯誤校正。

根據第三態樣，提出一種用於讀出量子計算系統中量子位元的狀態之方法。該方法係包括在複數個量子位元之間重複執行交換閘，使得所述複數個量子位元之各者所獲取之狀態，作為量子計算的結果，依次出現在所述複數個量子位元的第一量子位元中。該方法亦包括對所述第一量子位元重複執行讀出 操作，從而依序讀出依次出現在該第一量子位元中的所述複數個量子位元之各者的所獲取狀態。

0~9:量子位元

101:量子處理單元

102:讀出共振器

103:耦合器

104:交換閘控制訊號

301:基板

302:讀出共振器

303:讀出共振器

100,101,102,103,104:量子位元

001,101,201,301,401:量子位元

401:讀出共振器

402:量子位元

501:讀出共振器

502:量子位元

601:子集

602:量子位元

603:量子位元

A,B,C:頻率

X:調諧量子位元

801:量子處理單元(QPU)

802:低溫冷卻環境

803:控制設置

804:訊號路徑

805:使用者介面

806:外部連接

901,902,903,904:步驟

所附圖式係為了提供對本發明之進一步理解並構成本說明書的一部分。所附圖式係闡述本發明的實施方法並與描述一起有助於解釋本發明的原理。在圖式中。

圖1說明一種量子處理單元；

圖2說明讀出及交換閘操作順序之例子；

圖3說明一種量子處理單元；

圖4說明量子處理單元中量子位元之可能的讀出順序；

圖5說明量子處理單元中量子位元之可能的讀出順序；

圖6說明量子處理單元中量子位元之可能的讀出順序；

圖7說明使用輔助量子位元之例子；

圖8說明一種量子計算系統；以及

圖9說明一種方法。

圖1係為量子處理單元101之簡化示意圖。量子處理單元101包括複數個量子位元，在此顯示為編號從0至9之圓角矩形。另外，該量子處理單元101包括讀出共振器102。該複數個量子位元之各者係配置為獲取，作為量子計算操作之結果，特定於該量子位元(specific to that qubit)的量子狀態。為了從量子計算 操作中得到有用的結果，應對每個量子位元或至少是選定的一組量子位元執行讀出操作。

在該複數個量子位元中，有一個量子位元位於最接近讀出共振器102之處。此最接近量子位元可被稱為第一量子位元，但必須指出的是，如第一、第二等數字代號僅用於無歧異的參考，不一定指示任何幾何或其他定義的順序。於圖1的圖形表示中，該第一量子位元係為最左邊的一者，其編號為0。

另外，該量子處理單元包括複數個耦合器，其中，耦合器103位於鄰近於最左邊的量子位元以及緊鄰的第二最左邊的量子位元，以顯示為例子。該耦合器係配置響應於各自的交換閘控制訊號104，在該量子位元的各自對之間選擇性地執行交換閘。一對量子位元之間的交換閘係一種交換這兩個量子位元的量子狀態之操作。被帶到圖1中最左邊的耦合器103之交換閘控制訊號104，使得圖1中最左邊和第二最左邊的量子位元交換狀態。

具體言之，該耦合器係配置為藉由重複執行所述交換閘，使得該複數個量子位元之各者所獲取的量子狀態依次出現在圖1中該第一(最左邊的)量子位元。這樣一來僅需一個讀出共振器，即可執行讀出量子處理單元101中十個量子位元的狀態之所必需的所有讀出操作。

作為一例子，於圖1中，可利用讀出共振器102讀出該第一(最左邊的)量子位元的所獲取狀態，而無須執行任何交換閘。在那之後，可利用該耦合器103執行單一交換閘，使得由該第二最左邊的量子位元所原始獲取的量子狀態出現於該第一量子位元中，以供利用該讀出共振器102讀出。接著，可依序使用該第二最左邊和最左邊的耦合器來執行兩個交換閘，之後，由第三最左邊的量子位元所原始獲取的量子狀態出現於該第一量子位元中，以供讀出，以此類推。

可採用一種表示法，其中，Rx表示讀出圖1中第x個量子位元之狀態。由於讀出共振器102僅與第0個量子位元相鄰，在此例中，x=0。類似地，在所採用的表示中，Syz(y

[0,8],z=y+1)表示在第y個與第z個量子位元之間的交換閘。使用此表示法，可說明讀出和交換閘操作的連續週期，如圖2的表格所示。

於圖2中，表格單元的影線邊緣強調了讀出操作。在編號0的行，從0至9的連續數字顯示圖1的示例性10-qubit量子處理單元中量子位元所獲取的量子狀態。執行R0，即，讀出第0個量子位元的量子狀態，將其塌縮至古典狀態。從圖2的第二行開始，這顯示為。表格中的編號1的行顯示執行交換閘S01是如何交換該兩個最左邊的量子位元的狀態，以使該第一量子位元之所獲取的量子狀態1現在出現在最左邊的量子位元中，而第0個量子位元之塌縮的古典狀態0’現在出現在第二最左邊量子位元中。在編號2的行，讀出操作R0讀出該第一量子位元的量子狀態1以及將其塌縮成古典狀態1’。在相同行上，交換閘S12交換該第二最左邊和第三最左邊的量子位元之狀態。類似的操作繼續進行，以致於每個量子狀態都被轉移到最左邊量子位元且依次讀出。所產生的古典狀態開始在量子位元的行中向右遷移。

圖2中表格的編號10的行顯示古典狀態1’和0’如何遷移到兩個最右邊量子位元。值得注意的是，編號10的行之操作R0-S12-S34-S56-S78與編號8的行之操作相同。這表格可直線繼續以便編號11的行將重複編號7的行之操作，編號12的行將重複編號6的行之操作，以此類推。在總共18行之後，所有量子位元先前所獲取的量子狀態將被讀出，且所產生的古典狀態將以鏡像順序出現在量子位元中，參考表中編號0的行。

圖1中單一行之量子位元可被認為是代表更大的量子處理單元中之量子位元子集。作為例子，我們可考慮將1024個量子位元安排成32行和32列的矩形陣列，在該陣列的邊緣之每一行都有特定於行之讀出共振器。進一步假設，頻率多工法(frequency multiplexing)允許在8個共振器之間共享一共用傳輸線，則除了執行交換閘所需的控制線之外，讀出所有1024個量子位元只需4條輸入線和4條輸出線。

進一步假設可讀出所有的行且可平行執行所有的交換閘，則可估計讀出所需之時間。如圖2的表格所示，對單行的讀出順序進行列表，這意味著在此表格中，有32行包括讀出操作和交換閘兩者，以及另有32行僅包括交換閘。如果交換閘可在50奈秒(nanoseconds)內執行，且如果讀出操作需要100奈秒，則表格中該32+32行可在4.8微秒(microseconds)內執行。考慮到在撰寫本文時已經證明100微秒量級的相干時間，此對於執行讀出來說已經足夠快。

在上述例子中，在行中最後一個量子位元之所獲取的量子狀態在讀出前將經過32個交換閘。假設每個交換閘的保真度為99.95%，此意味著最差的保真度損失大約低於2%(0.9995^32

0.9841)。

如上所述，當該量子處理單元中有大量的量子位元時，利用建議的讀出方式所實現之優勢最為突出。該量子處理單元中有多於10個、或多於100個、或多於1000個量子位元。

較佳地，該耦合器係配置為執行交換閘，該交換閘係配置為可控地改變該交換閘使每個量子位元之所獲取的量子狀態出現在相鄰於該讀出共振器的該量子位元中之順序。亦即，藉由選擇執行交換閘之順序，共享一共用讀出共振器的量子位元可按所需的順序進行讀出操作。作為簡單例子，如果以0-3-1- 2的順序讀取圖1中的前四個量子位元(量子位元0、1、2、和3)，則可執行操作R0、S01-S23、S12、S01-S23、R0、S01、R0-S12、S01、R0。

正如在32x32陣列中的1024個量子位元之例子已指出，可能有量子位元第一子集以及一或多個量子位元其他子集。該量子處理單元還可包括複數個讀出共振器，其中至少有一個讀出共振器可用來專用於各個所述量子位元子集。在此例子中僅用於說明目的，各個子集為矩形陣列中一行量子位元，且專用的、特定於子集之讀出共振係處於該行的一端。以下進一步給出用於幾何上安排子集和讀出共振器之例子。

該耦合器可配置為可控地改變讀出共振器對於量子位元子集的專用性。此意味著量子位元鏈(chain of qubits)在不同時間可能不同，其中，量子位元之所獲取的量子狀態最終到達特定量子位元以供讀取。在非常簡單的例子中，圖1之量子處理單元中可有兩個讀出共振器，量子位元的行之各端都有一個。在某一時間，耦合器可藉由重複執行交換閘，使得第零、第一、第二、第三、和第五之所獲取的量子狀態依次出現在第零量子位元中，且第四、第六、第七、第八、和第九量子位元之所獲取的量子狀態依次出現在第九量子位元中。在其他時候，可以其他方式進行子集的劃分。

圖3說明量子處理單元的例子，量子處理單元包括在基板301上的二維區域。量子位元的子集橫跨該二維區域。於此實施例中，該些量子位元形成矩形陣列。為使圖式清楚，耦合器並不顯示於圖3。複數個讀出共振器302位於該二維區域的一邊緣。在此例中，第二複數個讀出共振器303位於該二維區域的第二邊緣。

圖3所示的原理非常適用於可控地改變讀出共振器對於量子位元之專用性。例如，在某一時候，專用於圖3的左邊緣之讀出共振器的一者之量子位元子集可包括一行量子位元，如量子位元100、101、102、103、104等。在其他時候(甚至同時)，專用於圖3的頂部邊緣之讀出共振器303的一者之量子位元子集可包括一列量子位元，如001、101、201、301、401等。

量子位元不須在基板的表面上形成矩形陣列。即使量子位元如此，也無須將量子位元的子集定義為如行或列之線性子集。圖4所述之例子中，量子位元的子集包括4X4陣列的十六個量子位元，讀出共振器401位於鄰近該陣列之左上角的量子位元402。為使圖式清楚，圖4未顯示耦合器。然而，耦合器存在且配置為藉由重複執行交換閘，使得該十六個量子位元之各者的所獲取的量子狀態依次出現在該左上方的量子位元402中。讀出的順序按照如圖4箭頭所示的「之(zig-zag)」字形圖案來進行。例如，為了讀出右下角的量子位元之所獲取的量子狀態，所述量子狀態首先向左交換一量子位元，接著斜向右上方，然後直接向上，再斜向左下方，以此類推。

圖5說明一些示範性原則，它們本身相互獨立，並同樣可與其他原則結合使用。第一、圖5中的量子位元沒有形成矩形陣列而是形成其他的，在此為六邊形陣列。因此，沒有必要使量子位元形成任何類型的正規陣列。第二、複數個讀出共振器中至少有一部分分布在量子位元所橫跨的二維區域中。讀出共振器示意地表示為圓圈，例如，讀出共振器501。單獨的讀出共振器可存在於，例如棋盤式排列中或通常位於量子處理單元中心區域中，其中，用於每個讀出共振器的量子位元的子集通常位於此種讀出共振器的緊鄰區域。

第三、量子位元之(預設)子集不是線性的，而是在它們專用的讀出共振器的周圍形成緊密的(在此為正六邊形)。第四、將量子位元劃分為子集之禍分無須恆定。例如，藉由適當控制由耦合器所執行的交換閘(為使圖式清楚而未於圖5中顯示耦合器)，可將圖5中的量子位元502作為底部子集(如實線箭頭所示)的一部分或右上方子集(如虛線箭頭所示)的一部分來讀出。

圖6說明驅動實施方案的例子，在此例中，一半的量子位元是調諧量子位元，而另一半是駐留量子位元或固定頻率量子位元。駐留量子位元係為藉由它們的結構及其相關電路系統而可被調到不同的共振頻率之量子位元，但暫時保持在各自的共振頻率上。在此有駐留量子位元之三個不同頻率，分別以A、B、和C標記。固定頻率量子位元係為具有單一、固定共振頻率A、B、和C之量子位元。使用固定頻率量子位元可能在更簡單的結構和電氣設計方面具有某些優勢，而使用駐留量子位元則具有不必承諾於預定頻率之優勢。

調諧量子位元標記為X。量子位元601的第一子集以虛線橢圓強調之。所述第一子集由一串量子位元所組成並且包括諧調位元以及交替模式之駐留或固定頻率量子位元，使得每個第二量子位元皆為諧調量子位元，而其他為駐留或固定頻率量子位元。該駐留或固定頻率量子位元的共振頻率按照一旋轉模式(rotating pattern)A-B-C-A-B-C...，因而作為整體，量子位元601的該第一子集就如同A-X-B-X-C-X-A-X-B-X-C-X...。

量子位元之第二子集相似於圖6中第一子集。換言之，該第二子集包括諧調量子位元以及交替模式之駐留或固定頻率量子位元，其中，所述交替模式之駐留或固定頻率量子位元的共振頻率按照與該第一子集相同的三個不同頻率之旋轉模式。

於圖6的實施例中，該第一和第二子集(以及更多子集)之調諧量子位元以及駐留或固定頻率量子位元係位於六邊形網格的頂點。具體而言，所述網格中每個駐留或固定頻率量子位元之三個最近的鄰居為調諧量子位元，而所述網格中每個調諧量子位元之三個最近鄰居為駐留或固定頻率量子位元，其中各個都有三個頻率A、B、和C中的惟一的一個。

調諧量子位元以及駐留或固定頻率量子位元之此種設置允許一種方案，其中調諧量子位元的連續調諧步驟使它們在每個時刻與適當的駐留量子位元共振。例如考慮調諧量子位元602，其可被調諧到與相同子集601中右上方之在共振頻率C的駐留或固定頻率量子位元共振。隨後，該調諧量子位元602可調諧至與相同子集601中下方之在共振頻率A的駐留或固定頻率量子位元共振。這些調諧步驟都不會造成與不同子集之最近的駐留或固定頻率量子位元603產生不想要的共振，其為左上方之在共振頻率B的駐留或固定頻率量子位元。藉由結合通量和驅動，此方案將需要1024條控制線以用於1024個量子位元之網格，以及8條線以讀取它們全部(假設在4條輸入線和4條輸出線之因子為8的頻率多工可同時讀出32個量子位元)。

如圖6所示的實施例或實際上在任何實施例中，藉由應用審查中專利申請案(公開號WO 2021/156542)所解釋之疊加控制原則(Additive Control principle)，執行交換閘所需之控制線的數量可有效地減少。簡言之，該疊加控制原則包含於量子處理單元中通過控制線陣列發送微弱的控制訊號。單獨一個弱控制訊號不會顯著影響靠近該控制線的量子位元(或其他可控電路元件)。然而，具有兩條或更多條控制線靠近它的量子位元(或其他可控電路元件)，弱控制訊號同時行進通過所述兩條或多條控制線之各者，所述量子位元經歷這些控制信 號的組合效應並受到預期的影響。例如，假設一個32x32量子位元的矩形網格，64條控制線(沿著量子位元的行之32條以及沿著量子位元的列之32條)可能即足夠。為了簡單，此計算中不包括終止。如前所述，另外總共8條用於讀出(假設32個讀出共振器以及8-折疊頻率多工)可能足夠。

雖然量子位元之間的重複交換閘僅導致保真度的小幅衰減，但無法完全避免此種衰減。然而，以上所解釋之讀出方案允許在量子計算系統中建立更多的量子位元，而該量子計算系統只允許在低溫冷卻環境和室溫環境之間有一定數量的訊號路徑。通過適當使用如此大量的量子位元來執行量子錯誤校正可能遠比衰減的保真度所導致之潛在錯誤源更重要。

圖7說明量子處理單元的例子，該量子處理單元包括所謂的輔助量子位元以及實際的計算量子位元。眾所周知，在此技術領域中，輔助量子位元可用於同位測量(parity measurements)作為量子錯誤校正的一部分。在圖7所示的實施例中，輔助量子位元和計算量子位元形成棋盤排列圖案，其中，每個第二量子位元為輔助量子位元，如圖7中交叉影線所示。換言之，計算量子位元構成量子處理單元的表面上之第一矩陣圖案，而輔助量子位元構成該量子處理單元的所述表面上與所述第一矩陣圖案交織的第二矩陣圖案。

輔助量子位元需要經常讀出，而計算量子位元僅需在量子計算結束時讀出。讀出輔助量子位元不會擾亂實際資料，這些資料駐存在計算量子位元的量子狀態中。該量子處理單元可包括用於輔助量子位元之專用讀出共振器，以用於可能最快的讀出。作為替代，可能有較小的輔助量子位元的子集，每個此種較小子集都有一專用讀出共振器。於量子計算結束時，可執行交換閘以最終使得計算量子位元的狀態出現在那些具有讀出共振器之輔助量子位元中。

圖8示意性說明量子計算系統。量子計算系統包括量子處理單元(QPU)801，其可為上述之任何類型。該量子處理單元801係位於低溫冷卻環境802中。該量子計算系統包括控制設置803，其(至少部分)位於該低溫冷卻環境802之外。另外，該量子計算系統包括在該量子處理單元801與該控制設置803之間的複數個訊號路徑804。如上所述，該控制設置803係配置為將交換閘控制訊號提供至該量子處理單元801的該耦合器，以便使每個子集中的量子位元所獲取的量子狀態出現在那些與最近的讀出共振器足夠近之量子位元特定子集中。

該控制設置803係可配置為動態確定該量子處理單元801中該複數個量子位元的至少一些之讀出順序。隨著量子計算的進行，對於讀出各種量子位元的狀態可能會有不同的需求，而讀出順序之動態確定提供了考慮到這些需求的靈活性。該控制設置803還可配置為將符合所動態確定的讀出順序之所述交換控制訊號提供至該量子處理單元801中的耦合器。這將使得每個量子位元(或至少是量子位元的某些所需部分)之所獲取的量子狀態，按照所確定的讀出順序出現在一或多個「讀出量子位元」中。

如果該量子處理單元801包括計算量子位元和輔助量子位元，該控制設置可配置為在讀出該計算量子位元所獲取的狀態之前，多次讀出至少一些所述輔助量子位元之狀態。如上所述，頻繁讀出輔助量子位元的狀態可能有助於執行量子錯誤校正，而不會擾亂駐存在計算量子位元的量子狀態中的資訊。

該量子計算系統可包括本地端控制其操作之至少一使用者介面805以及用於遠端控制其操作並與其他系統交換資訊之外部連結806。

圖9說明一種用於讀出量子計算系統中讀出量子位元的狀態之方法。該方法係包括在複數個量子位元之間重複執行交換閘，使得所述複數個量子 位元之各者所獲取之狀態，作為量子計算的結果，依次出現在所述複數個量子位元的第一量子位元中。另外，該方法包括對所述第一量子位元重複執行讀出操作，從而依序讀出依次出現在該第一量子位元中的所述複數個量子位元之各者的所獲取狀態。於圖9的圖形表示中，於步驟903執行該交換閘，且於步驟901中執行讀出操作。這些的重複來自於決策步驟902，於該步驟中檢查是否已讀出該子集中所有想要的量子位元之狀態。由步驟901、902、和903所構成之迴圈係一直循環直到步驟902的肯定結果，則該方法結束。

對於本領域技術人員來說顯而易見的是，隨著科技進步，本發明的基本構思可以各種方式實現。因此，本發明及其實施例並不局限於上述例子，相反地，可在申請專利範圍內變化。

0~9:量子位元

101:量子處理單元

102:讀出共振器

103:耦合器

104:交換閘控制訊號

Claims (14)

1. 一種量子處理單元，係包括複數個量子位元及讀出共振器，其中：

   所述複數個量子位元之各者係配置為獲取特定於量子位元之量子狀態，作為量子計算操作的結果，

   所述複數個量子位元之第一量子位元係位於最接近該讀出共振器，

   其特徵在於，

   該量子處理單元係包括複數個耦合器，所述耦合器係配置為響應於各自的交換閘控制訊號，選擇性地在所述複數個量子位元的各自對之間執行交換閘，以使所述各自對的該量子位元交換狀態，以及

   所述耦合器係配置為藉由重複執行交換閘，使得所述複數個量子位元的各者所獲取之量子狀態依次出現於該第一量子位元中。
2. 如請求項1所述之量子處理單元，其中，所述複數個量子位元中有多於十個、較佳多於一百個、更佳多於一千個量子位元。
3. 如請求項1或2所述之量子處理單元，其中，所述耦合器係配置為可控地改變所述耦合器使所述複數個量子位元的各者之該獲取量子狀態出現在該第一量子位元中之順序。
4. 如前述請求項的任一項所述之量子處理單元，其中：

   所述複數個量子位元係構成所述量子處理單元中所有量子位元之第一子集，

   該量子處理單元係包括一或多個量子位元之其他子集，以及

   該量子處理單元係包括複數個讀出共振器，其中至少一個讀出共振器可用來專用於所述量子位元子集之各者。
5. 如請求項4所述之量子處理單元，其中：

   所述耦合器係配置成可控地改變所述複數個讀出共振器的讀出共振器對於量子位元的子集之專用性。
6. 如請求項4或5任一項所述之量子處理單元，其中：

   該量子處理單元係包括基板上的二維區域，

   所述量子位元的子集係橫跨所述二維區域。
7. 如請求項6所述之量子處理單元，其中，所述複數個讀出共振器係位於所述二維區域的一或多個邊緣。
8. 如請求項6所述之量子處理單元，其中，所述複數個讀出共振器的至少一些係分布於所述二維區域。
9. 如請求項6至8任一項所述之量子處理單元，其中：

   所述第一子集係包括調諧量子位元以及交替模式之駐留量子位元或固定頻率量子位元，駐留量子位元係為維持在各自的共振頻率之量子位元，

   所述交替模式之該駐留量子位元或固定頻率量子位元之共振頻率係按照三種不同頻率的旋轉模式，

   第二子集係可包括調諧以及交替模式的駐留量子位元或固定量子位元，其中，所述交替模式之該駐留量子位元或固定頻率量子位元之共振頻率係按照與該第一子集相同之三種不同頻率的旋轉模式，

   所述第一和第二子集之該調諧量子位元以及駐留或固定頻率的量子位元係位於六邊形網格的頂點，使得所述網格中各個駐留或固定頻率量子位元的三個 最近鄰居是調諧量子位元以及所述網格中各個調諧量子位元的三個最近鄰居是駐留或固定頻率量子位元，其中各者係具有所述三個不同頻率之唯一的一者。
10. 一種量子計算系統，係包括：

    如請求項1至9任一項所述之量子處理單元，

    控制設置；以及

    複數個訊號路徑，在所述量子處理單元與所述控制設置之間；

    其中，所述控制設置係配置成將所述交換閘控制訊號提供至所述量子處理單元中的該耦合器。
11. 如請求項10所述之量子計算系統，其中，所述控制設置係配置為：

    動態確定該量子處理單元中該複數個量子位元的至少一些之讀出順序，以及

    提供符合所動態確定的讀出順序之所述交換控制訊號至該耦合器，以使該複數個量子位元的所述至少一些之各者的該獲取量子狀態以該確定的讀出順序出現在所述第一量子位元中。
12. 如請求項10或11任一項所述之量子計算系統，其中：

    該量子處理單元中之該複數個量子位元係包括計算量子位元以及輔助量子位元，以及

    該控制設置係配置為在讀出該計算量子位元所獲取的狀態之前，多次讀出至少一些所述輔助量子位元之狀態。
13. 如請求項12所述之量子計算系統，其中，所述計算量子位元係構成該量子處理單元的表面上之第一矩陣圖案，以及所述輔助量子位元係構成該量子處理單元的所述表面上與所述第一矩陣圖案交織的第二矩陣圖案。
14. 一種用於讀出量子計算系統中量子位元的狀態之方法，該方法係包括：

    在複數個量子位元之間重複執行交換閘，以使所述複數個量子位元之各者所獲取的狀態，作為量子計算的結果，依次出現在所述複數個量子位元的第一量子位元中；以及

    對所述第一量子位元重複執行讀出操作，從而依序讀出依次出現在該第一量子位元中的所述複數個量子位元之各者所獲取的狀態。

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