WO2022012472A1 - 超导量子计算系统和量子比特操控方法 - Google Patents

超导量子计算系统和量子比特操控方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2022012472A1
WO2022012472A1 PCT/CN2021/105815 CN2021105815W WO2022012472A1 WO 2022012472 A1 WO2022012472 A1 WO 2022012472A1 CN 2021105815 W CN2021105815 W CN 2021105815W WO 2022012472 A1 WO2022012472 A1 WO 2022012472A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
superconducting
bit
region
bits
dangling
Prior art date
Application number
PCT/CN2021/105815
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
潘健
赵鹏
Original Assignee
华为技术有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 华为技术有限公司 filed Critical 华为技术有限公司
Priority to EP21841761.6A priority Critical patent/EP4174731A4/en
Publication of WO2022012472A1 publication Critical patent/WO2022012472A1/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/20—Models of quantum computing, e.g. quantum circuits or universal quantum computers

Abstract

一种超导量子计算系统（600）和量子比特操控方法。该系统（600）包括控制系统（610）和超导量子芯片（620），超导量子芯片（620）包括至少两个连通区（621）和第一中心交换区（622），其中，每个连通区（621）包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特；第一中心交换区（622）包括第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区（621）中的超导比特之间的量子操作；控制电路用于控制第一悬挂超导比特与第一超导比特的耦合强度。因此，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，能够有助于孤立出单个连通区（621），或中心交换区，从而有效的分割出子空间，不同连通区（621）之间的两比特门操控可以通过中心交换区过渡，因此能够在大规模超导量子芯片（620）上实现通用量子计算所需的各种量子操控。

Description

超导量子计算系统和量子比特操控方法
本申请要求于2020年7月15日提交中国国家知识产权局、申请号为202010682678.8、申请名称为“超导量子计算系统和量子比特操控方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及计算机领域，并且更具体的，涉及一种超导量子计算系统和量子比特操控方法。
背景技术
量子计算不仅可以用来研究量子力学基本问题，同时具有潜在的强大的解决特定问题的能力，近年来吸引了研究者广泛的关注。在各种量子计算方案中，超导量子计算由于其易于操控和扩展等优点成为最有希望实现量子计算的途径之一。超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计，制备和测量等方面与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。由于近年来的迅速发展，超导量子计算成为目前最有希望实现通用量子计算的候选方案之一。
超导芯片上的量子比特(Quantum bit，Qubit)是量子态的载体，携带量子信息。Qubit在低温环境下(10mk)会体现出量子特性，可以将其能级基态和第一激发态编码成|0>态和|1>态，对应经典计算机中比特(bit)所处的0和1态，从而可编码为一个Qubit。对Qubit的计算操作分为单Qubit操作和两Qubit操作。在超导量子计算系统中，可以由输入的微波脉冲信号来实现单比特操作和两比特操作，然而，随着系统中Qubit数的增加，周边Qubit对需要操控的两个目标Qubit会产生干扰。
目前，可以使用计算机优化脉冲波形，例如使用数值优化脉冲技术，将整个复杂的多Qubit相互作用全局考虑进去，以设计出高保真度、高鲁棒性的脉冲波形。但是，随着系统中Qubit数目的增加，数值优化脉冲技术在计算过程中处理的矩阵运算的维度指数性的增加。例如，现有商用计算机只能计算13Qubit左右的计算系统的脉冲优化问题。因此，如何对大规模超导量子计算系统中的Qubit进行操作，是亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供一种超导量子计算系统和量子比特操控方法，能够在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。
第一方面，提供了一种超导量子计算系统，包括控制电路和超导量子芯片，所述超导量子芯片包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，
所述至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，其中，所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特耦合；
所述第一中心交换区包括所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；
所述控制电路用于控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一 超导比特的耦合强度。
因此，在超量量子计算系统中，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，能够有助于在超导量子芯片上孤立出单个连通区，或者孤立出中心交换区，从而有效的分割出子空间。在分割出的子空间内部，可以实现任意单比特或多比特逻辑门操控，并且不同连通区之间的两比特门操控可以通过中心交换区过渡，因此本申请实施例能够在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。
示例性的，可以通过数值优化脉冲技术，将分割出的子空间内部的整体作用考虑进去，实现连通区内部或中心交换区内部高保真度的任意单比特或多比特逻辑门操控，以及通过若干个数值优化脉冲来实现通过中心交换区来过渡不同连通区之间的两比特量子操控，本申请实施例对此不作限定。
连通区内的第一悬挂超导比特的数量可以为一个，或者两个，或者多个，不作限定。
在一些可选的实施例中，连通区内的第一悬挂超导比特可以与该连通区内的至少一个第一超导比特耦合，比如和该连通区内的一个第一超导比特耦合，或者与该连通区内的两个或多个，或者全部第一超导比特耦合，本申请实施例对此不作限定。
在一些可选的实施例中，当连通区内的第一超导比特的数量为至少两个时，该至少两个第一超导比特彼此间可以有较强耦合。例如，连通区内的每个第一超导比特可以和该连通区内的其他一个或多个第一超导比特耦合，或者和该连通区内的其他所有第一超导比特耦合，本申请实施例对此不作限定。
另外，在本申请实施例中，连通区内的第一超导比特之间可以拥有较大的连通度，每个比特可以和多个比特存在相互作用。这样，在连通区内部，可以通过一个数值优化脉冲波形，实现复杂的线路，从而有助于节省线路时间，避免过多的退相干。同时，使用该数值优化脉冲波形，能够有助于增加对于环境噪音、微波串扰等因素的鲁棒性，从而提高量子操控的保真度。
本申请实施例中，超导比特之间(例如第一超导比特与第一悬挂超导比特、第一超导比特之间、悬挂超导比特与中心超导比特之间等)可以通过电容、腔或者耦合器等耦合，本申请对此不作限定。
本申请实施例中，控制电路可以控制悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合强度，即悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合强度的大小可调，或者悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合为可调耦合。
示例性的，当控制电路可以用于控制悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够断开该悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合，即使得该悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合强度近似为0。或者，控制电路可以用于控制悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合强度大于第二预设值，以使得该悬挂超导比特与其他超导比特之间具有相互作用。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一中心交换区还包括一个第一中心超导比特，其中，所述第一中心超导比特与所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特耦合。也就是说，在该实现方式中，第一中心交换区中包括第一中心超导比特和至少两个连通区分别对应的第一悬挂超导比特。
所述控制电路还用于控制所述第一中心超导比特与所述第一悬挂超导比特的耦合强度。
因此，本申请实施例中，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，或者控制第一悬挂超导比特与第一中心超导比特之间的耦合强度，可以实现在超导量子芯片 上孤立出单个连通区，或中心交换区，因此本申请实施例中，超导量子芯片上只需要有少量的耦合可调的耦合方式，即可实现有效分割出子空间，从而有助于简化对芯片工艺的要求。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述至少两个连通区中包括第一连通区；
所述控制电路还用于控制所述第一连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第一脉冲波形，所述第一脉冲波形用于对所述第一连通区中的超导比特进行量子操作。
因此，本申请实施例通过控制连通区中的第一悬挂超导比特与中心交换区中的中心超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该连通区。在该连通区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特或多比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述控制电路还用于控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第二脉冲波形，所述第二脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的超导比特进行量子操作。
因此，本申请实施例通过控制中心交换区中的每个第一悬挂超导比特与第一该悬挂超导比特所耦合的第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该中心交换区。在该中心交换区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特或多比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
需要说明的是，本申请实施例中，第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，即该第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合(即可调耦合)的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值。一个示例，在第一连通区中，第一悬挂超导比特与一个第一超导比特可调耦合，则“第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值”指的是第一悬挂超导比特与该第一超导比特的耦合强度小于第一预设值。一个示例，在第一连通区中，第一悬挂超导比特与两个或两个以上第一超导比特可调耦合，则“第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值”指的是第一悬挂超导比特与该两个或两个以上的第一超导比特中的全部第一超导比特的耦合强度都小于第一预设值。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述至少两个连通区中包括第二连通区和第三连通区，
所述控制电路还用于控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第三脉冲波形，所述第三脉冲波形用于对所述第二连通区中的一个所述第一超导比特和所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第四脉冲波形，所述第四脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特和所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度大 于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第五脉冲波形，所述第五脉冲波形用于对所述第三连通区中的一个所述第一超导比特与所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
因此，本申请实施例通过中心交换区对两个不同连通区中超导比特之间的两比特门操作进行过渡，可以实现对中心交换区关联的任意两个连通区中的超导比特之间的两比特门操作，从而有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
需要说明的是，本申请实施例中，第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，即该第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合(即可调耦合)的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值。一个示例，在第一连通区中，第一悬挂超导比特与一个第一超导比特可调耦合，则“第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值”指的是第一悬挂超导比特与该第一超导比特的耦合强度大于第二预设值。一个示例，在第一连通区中，第一悬挂超导比特与两个或两个以上第一超导比特可调耦合，则“第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值”指的是第一悬挂超导比特与该两个或两个以上的第一超导比特中的全部第一超导比特的耦合强度都大于第二预设值。
还需要说明的是，在连通区中包括至少两个第一超导比特，该至少两个第一超导比特之间有较强耦合，第一悬挂超导比特可以与该至少两个第一超导比特中的部分第一超导比特可调耦合的情况下，可以认为第一悬挂超导比特与该连通区内的每个第一超导比特之间直接耦合或间接耦合。例如，当第一悬挂超导比特与连通区内的一个第一超导比特之间可调耦合，该第一超导比特与连通区内的其他第一超导比特之间较强耦合时，可以认为第一悬挂超导比特与其他第一超导比特之间间接耦合。基于此，本申请实施例中控制电路能够使用脉冲波形对连通区中的任意一个第一超导比特和该连通区中的第一悬挂超导比特进行两比特操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述控制电路还用于控制所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第六脉冲波形，所述第六脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行复位操作；
控制所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特与所述第二连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第七脉冲波形，所述第七脉冲波形用于对所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
因此，本申请实施例通过孤立出单个连通区，或者孤立出中心交换区，实现对用于过渡不同连通区中超导比特之间量子操作的第一悬挂超导比特进行复位操作，能够恢复该第一悬挂超导比特的量子状态，从而避免进行不同连通区中的超导比特之间的量子操作时对其他超导比特造成影响。
需要说明的是，在第一中心交换区中，第一中心超导比特与每个连通区的第一悬挂超导比特耦合，此时可以认为第一中心交换区中的每个第一悬挂超导比特之间间接耦合。基于此，本申请实施例中控制电路能够使用脉冲波形对第一交换区中的任意两个第一悬挂超导比特进行两比特操作，例如复位操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述每个连通区中的第一悬挂超导比特 为同一个超导比特，即所述第一悬挂超导比特与每个所述连通区中的至少一个所述第一超导比特耦合。也就是说，在该实现方式中，第一中心交换区中只包括一个悬挂超导比特，该悬挂超导比特同时也属于每个连通区对应的第一悬挂超导比特。换而言之，与该第一中心交换区相关联的至少一个连通区所包括的第一悬挂超导比特为同一个第一悬挂超导比特。也可以将该第一悬挂超导比特称为中心超导比特。
本申请实施例中，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，可以实现在超导量子芯片上孤立出单个连通区，或中心交换区，因此本申请实施例中，超导量子芯片上只需要有少量的耦合可调的耦合方式，即可实现有效分割出子空间，从而有助于简化对芯片工艺的要求。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述至少两个连通区中包括第四连通区，
所述控制电路还用于控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第四连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第八脉冲波形，所述第八脉冲波形用于对所述第四连通区中的超导比特进行量子操作。
因此，本申请实施例通过控制第一悬挂超导比特与除第四连通区之外的其他连通区中第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该第四连通区。在该第四连通区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特或多比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述控制电路还用于控制所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第九脉冲波形，所述第九脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行单比特量子操作。
因此，本申请实施例通过控制中心交换区中的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的每个连通区中的第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该中心交换区。在该中心交换区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述至少两个连通区中包括第五连通区和第六连通区，
所述控制电路还用于控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之外的其他连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第十脉冲波形，所述第十脉冲波形用于对所述第五连通区中一个所述第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第六连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第六连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第十一脉冲波形，所述第十一脉冲波形用于对所述第六连通区中一个第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
因此，本申请实施例通过中心交换区对两个不同连通区中超导比特之间的两比特门操作进行过渡，可以实现对中心交换区关联的任意两个连通区中的超导比特之间的两比特门操作，从而有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述控制电路还用于控制所述第一悬挂 超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第十二脉冲波形，所述第十二脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
因此，本申请实施例通过孤立出单个连通区，或者孤立出中心交换区，实现对用于过渡不同连通区中超导比特之间量子操作的第一悬挂超导比特进行复位操作，能够恢复该第一悬挂超导比特的量子状态，从而避免进行不同连通区中的超导比特之间的量子操作对其他超导比特造成影响。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一悬挂超导比特与其所在的连通区内的一个(或少数)第一超导比特耦合。这样，能够使得可以通过断开第一悬挂超导比特与该一个第一超导比特之间的耦合，或者通过断开第一悬挂超导比特与该少数第一超导比特的耦合时，即可孤立出中心交换区，从而更方便、有效的分割出子空间。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
所述超导量子芯片还包括第二中心交换区，所述第二中心交换区包括至少两个第二悬挂超导比特和一个第二中心超导比特，所述至少两个第二悬挂超导比特与所述至少两个第一中心交换区一一对应，所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特耦合，每个所述第二悬挂超导比特与所述每个第二悬挂超导比特所对应的第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
所述控制电路还用于控制所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特的耦合强度，以及每个所述第二悬挂超导比特与所述第二悬挂超导比特所对应的第一中心交换区中的超导比特的耦合强度。
因此，本申请实施例可以以二维结构的超导量子芯片为基础，在该二维结构中的至少两个第一中心超导比特中的每个第一中心超导比特上可以引出一个第二悬挂超导比特(即每个第一中心超导比特分别于一个第二悬挂超导比特耦合)，该至少两个第二悬挂超导比特均与第二中心超导比特耦合，形成了三维结构的超导量子芯片，即该三维结构的超导量子芯片可以将多个二维结构耦合(或连接)在一起。
进一步的，在该三维结构的超导量子芯片上，可以针对同一个二维结构内，或者针对不同二维结构间的情况，对超导量子芯片上的超导比特进行量子操控，从而有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
所述超导量子芯片还包括第三中心交换区，所述第三中心交换区包括一个第三中心超导比特，所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
所述控制电路还用于控制所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区的超导比特的耦合强度。
因此，本申请实施例可以以二维结构的超导量子芯片为基础，在该二维结构中的至少两个第一中心超导比特中的每个第一中心超导比特上可以引出一个第三中心超导比特，形成了三维结构的超导量子芯片，即该三维结构的超导量子芯片可以将多个二维结构耦合(或连接)在一起。
进一步的，在该三维结构的超导量子芯片上，可以针对同一个二维结构内，或者针对不同二维结构间的情况，对超导量子芯片上的超导比特进行量子操控，从而有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述每个连通区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，所述第一中心交换区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，其中，N表示有效数值求解的量子系统的最大维度，N为正整数。
因此，本申请通过使得每个连通区中包括的超导比特的数量小于或等于有效数值求解的量子系统的最大维度，能够使得连通区内部的量子操作可以通过数值优化的方法求解脉冲波形，从而有助于实现在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。
一种可能的情况，当第一中心交换区包括第一中心超导比特和至少两个连通区对应的第一悬挂超导比特时，与该第一中心交换区中包括的第一悬挂超导比特的数量，即第一中心交换区关联的连通区的数量小于或等于(N-1)。因此，本申请能够使得第一中心交换区内部的量子操作可以通过数值优化的方法求解脉冲波形，从而有助于实现在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。
另一种可能的情况，当第一中心交换区中只包含一个中心超导比特时，与第一中心交换区关联的连通区的数量不会对第一中心交换区中包含的超导比特的数量造成影响，因此此时对第一中心交换区关联的连通区的数量不作限定。另外，如果不考虑量子超导芯片的空间限制，此时第一中心交换区中可以悬挂任意多个连通区，从而可以容纳任意多个超导比特。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该超导量子计算系统中可以包括控制系统，控制系统中包括上述控制电路。示例性的，控制系统中还可以包括微波源，任意波发生器，以及集成化的测控单板等设备，本申请实施例对此不作限定。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该超导量子计算系统中还可以包括测量系统，用于读出超导量子芯片中的超导比特的最终状态，并根据该最终状态获取测量结果。
第二方面，提供了一种量子比特操控方法，应用于超导量子计算系统，所述超导量子计算系统包括控制电路和超导量子芯片，
所述超导量子芯片包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，所述至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，其中，所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特耦合；
所述第一中心交换区包括所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；
所述方法包括：
所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，其中，所述第一子空间为所述连通区或所述第一中心交换区；
所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述第一中心交换区还包括一个第一中心超导比特，其中，所述第一中心超导比特与所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特耦合。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制第一连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一连通区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第一脉冲波形，所述第一脉冲波形用于对所述第一连通区中的超导比特进行量子操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一中心交换区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第二脉冲波形，所述第二脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的超导比特进行量子操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述至少两个连通区中包括第二连通区和第三连通区，所述方法还包括：
所述控制电路控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第三脉冲波形，所述第三脉冲波形用于对所述第二连通区中的一个所述第一超导比特和所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第四脉冲波形，所述第四脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特和所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第五脉冲波形，所述第五脉冲波形用于对所述第三连通区中的一个所述第一超导比特与所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述控制电路控制所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第六脉冲波形，所述第六脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行复位操作；
控制所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特与所述第二连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第七脉冲波形，所述第七脉冲波形用于对所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述每个连通区中的第一悬挂超导比特为同一个超导比特。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述至少两个连通区中包括第四连通区， 所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第四连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第四连通区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第八脉冲波形，所述第八脉冲波形用于对所述第四连通区中的超导比特进行量子操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一中心交换区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第九脉冲波形，所述第九脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行单比特量子操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述至少两个连通区中包括第五连通区和第六连通区，所述方法还包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之外的其他连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十脉冲波形，所述第十脉冲波形用于对所述第五连通区中一个所述第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第六连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第六连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十一脉冲波形，所述第十一脉冲波形用于对所述第六连通区中一个第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，还包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十二脉冲波形，所述第十二脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述第一悬挂超导比特与其所在的连通区内的一个第一超导比特耦合。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
所述超导量子芯片还包括第二中心交换区，所述第二中心交换区包括至少两个第二悬挂超导比特和一个第二中心超导比特，所述至少两个第二悬挂超导比特与所述至少两个第一中心交换区一一对应，所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特耦合，每个所述第 二悬挂超导比特与所述每个第二悬挂超导比特所对应的第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
所述方法还包括：
所述控制电路控制所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特的耦合强度，以及每个所述第二悬挂超导比特与所述第一中心交换区中的超导比特的耦合强度。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
所述超导量子芯片还包括第三中心交换区，所述第三中心交换区包括一个第三中心超导比特，所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
所述方法还包括：
所述控制电路控制所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区的超导比特的耦合强度。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述每个连通区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，所述第一中心交换区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，其中，N表示有效数值求解的量子系统的最大维度，N为正整数。
第三方面，提供了一种超导量子芯片，包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，
所述至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，其中，所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特耦合；
所述第一中心交换区包括所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；
其中，所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度可调。
可选地，所述超导量子芯片还配置有控制电路，所述控制电路用于控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度。应理解，第一方面中的其他可实现方式，均可应用于第三方面中。
应理解，本申请的第二方面、第三方面及对应的实现方式所取得的有益效果参见本申请的第一方面及对应的实现方式所取得的有益效果，不再赘述。
附图说明
图1是一个Qubit，以及两个Qubit的示意图；
图2示出了两种两比特门操作的具体例子；
图3示出了平面网状格Qubit芯片的一个示例；
图4示出了不相邻的两个Qubit实现两比特门操作的一个示例；
图5示出了梯度上升优化方法(GRAPE)原理的一个示意图；
图6示出了本申请实施例提供的一种超导量子计算系统的示意性框图；
图7示出了一种第一中心交换区与至少两个连通区的一个示例；
图8示出了在不同连通区之间的量子操控的一个具体例子；
图9示出了不同连通区之间两比特CNOT门拆解的一个具体例子；
图10示出了另一种第一中心交换区与至少两个连通区的一个示例；
图11示出了在不同连通区之间的量子操控的一个具体例子；
图12示出了不同连通区之间两比特CNOT门拆解的一个具体例子；
图13示出了三维结构的超导量子芯片的一个示例；
图14A示出了同一个二维结构内的一种量子操控方案；
图14B示出了同一个二维结构内的另一种量子操控方案；
图14C示出了同一个二维结构内的另一种量子操控方案；
图15示出了在不同二维结构之间的量子操控的一个具体例子；
图16示出了不同二维结构之间两比特CNOT门拆解的一个具体例子；
图17示出了三维结构的超导量子芯片的另一个示例；
图18示出了本申请实施例提供的量子比特操控方法的一个示意性流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
首先，对本申请实施例中涉及的相关概念和技术作简单介绍。
1、Qubit，也可以称为超导量子比特(超导Qubit)、超导比特，可视为含有非线性电感的LC震荡回路，其核心部件可以是由约瑟夫森结构成的非线性电感。Qubit之间可以通过电容、腔、耦合器，或其他方式耦合(也可以称为“连接”)起来，使得相邻Qubit产生相互作用。
图1中(a)示出了一个Qubit的示意图，(b)示出了Qubit通过电容连接的示意图。其中，在(a)图中，Ic表示约瑟夫森结中的电感，C表示约瑟夫森结中电容。在(b)图中，L 1和C 1分别表示一个Qubit中的约瑟夫森结中的电感和电容，L 2和C 2分别表示另一个Qubit中的约瑟夫森结中的电感和电容，这两个Qubit通过电容Cc耦合。
2、悬挂Qubit，与其他Qubit(例如悬挂Qubit，或Qubit)之间可以通过电容、腔、耦合器，或其他方式耦合起来，使得悬挂Qubit与该其他Qubit产生相互作用。悬挂Qubit与该其他Qubit之间的耦合为可调耦合，即悬挂Qubit与其他Qubit之间的耦合强度大小可调。示例性的，可以通过调节用于耦合悬挂Qubit与其他Qubit的电容、腔或耦合器的参数，来实现调节悬挂Qubit与其他Qubit之间的耦合强度大小。
在一些可能的实施例中，当悬挂Qubit与其他Qubit之间的耦合强度小于第一预设值时，可以认为断开(或切断)了悬挂Qubit与其他Qubit之间的连接(或耦合)，即该悬挂Qubit与其他Qubit之间没有相互作用。此时，也可以认为悬挂Qubit与其他Qubit之间的耦合强度近似为0。示例性的，第一预设值可以为1kHz量级，或者为Qubit之间产生相互作用时的耦合强度的千分之一。
在一些可能的实施例中，当悬挂Qubit与其他Qubit之间的耦合强度大于第二预设值时，可以认为悬挂Qubit与其他Qubit之间存在有效可观的耦合强度，即二者具有相互作用。示例性的，第二预设值可以为5MHz量级。
本申请实施例中，第一预设值与第二预设值大小可以相同，或者不同，本申请实施例对此不作限定。在一些可选的实施例中，第二预设值可以远大于第一预设值。
在第一预设值与第二预设值大小相同的情况下，当悬挂Qubit与其他Qubit之间的耦合强度小于该预设值时，可以认为悬挂Qubit与其他Qubit之间断开连接，即不具有相互作用。当悬挂Qubit与其他Qubit之间的耦合强度大于该预设值时，可以认为悬挂Qubit与其他Qubit之间连接，即具有相互作用。
3、单比特门操作，也可以称为单比特操作，指对单个Qubit的量子态进行的逻辑门操作，例如比特翻转、相位旋转等，不作限定。
在超导量子计算系统中，单比特门操作可以由输入的微波脉冲信号来直接简单的实现。
4、两比特门操作，也可以称为两比特操作，指对两个Qubit的量子态进行两比特逻辑门操作，例如可以为量子态交换操作(SWAP)、受控非门操作(CONT)、受控相位门操作(CZ)等，不作限定。
在超导量子计算系统中，有耦合作用(或相互作用)的两个Qubit之间可以实现两比特门操作。示例性的，可以通过线路(例如电容、或腔、或耦合器)直接连接两个超导比特，以使得该两个超导比特之间有相互作用。
图2示出了两种两比特门操作的具体例子。示例性的，可以将待操控的两个目标Qubit孤立出来，再通过外加微波(如图2中(a)图所示)或者调节外加磁场(如图2中(b)图所示)等方式来实现两比特门操作。通过外加微波或调节外加磁场，使得邻近两Qubit的产生共振，进而能够实现两比特门操控方案。在两比特门操作中，控制脉冲的波形具有简单可扩展的解析形式。例如，在谷歌(google)超导绝热CZ门中，脉冲波形可以为高斯波形。
通常，对Qubit的计算操作包括单比特门操作和两比特门操作。一个有意义的量子算法一般包含多个单比特门操作和任意两比特门操作。
3、多比特门操作，也称为多比特操作，指对三个或三个以上的比特进行全局操作，例如三比特Toffoli门操作，不作限定。
一种Qubit芯片设计中，每个Qubit只与邻近的Qubit有直接耦合，芯片中的Qubit排成一条线或者平面网状格。图3示出了平面网状格Qubit芯片的一个示例。其中，每个Qubit通过可调耦合器与其相邻的另一个Qubit产生相互作用。
在该设计中，相邻的两个Qubit可以直接进行两比特门操作。示例性的，当需要对某两个邻近Qubit(例如图3中的Qubit A和Qubit B)进行两比特门操作时，需要将该两个Qubit的周边邻近比特的频率调到远离Qubit A和Qubit B的频率的位置，或者将周边邻近比特与Qubit A，以及周边邻近比特与Qubit B之间的耦合强度调节为0(即为0或近似为0)，从而将需要操作的两个Qubit孤立出来，近似视为两体问题进行处理。
在上述设计中，对两个目标Qubit进行操控时，都需将该待操控的连个目标Qubit孤立出来，只考虑简化的两个邻近Qubit间的相互作用。在实际操作中，很难实现理想的孤立环境，即使将周边比特与目标Qubit调到较大的失谐或者将耦合强度调到很小，随着芯片中的Qubit数增加，这些周边比特残留的相互作用累积起来，会影响实际操作的保真度。
同时，在该设计中，Qubit芯片上会存在微波串扰现象，对目标Qubit进行操控时，不可避免地会有微波串扰到周围比特上。此时，目标Qubit和周围众多比特一起形成了复杂的多体问题。因此在对目标Qubit进行操控时，很难对周围Qubit不产生额外的影响。
另外，在上述Qubit芯片中实现较复杂的算法时，如果一个Qubit需要与相隔较远的一个Qubit进行两比特门操作时，Qubit需要依次与相邻的Qubit进行量子态交换操作，即将量子态交换到与目标Qubit相邻的比特上，在进行两比特门操作。计算之后，还需要再次进行量子态交换，将量子态放回原来的Qubit上。图4示出了不相邻的两个Qubit实现两比特门操作的一个示例。如图4所示，当需要对不相邻的Qubit Q1和Qubit Q4进行两比特受控相位门操作时，需要对Q1和与Q1相邻的Qubit Q2进行SWAP操作，将Q1的量子态交换到Q2上。然后对Q2和与Q2相邻的Qubit Q3进行SWAP操作，将Q2的量子态交换到Q3上。然后，对Q3和Q4进行两比特受控相位门操作。之后，需要对Q3和与Q2进行SWAP操作，将Q3的量子态交换到Q2上，对Q2和Q1进行SWAP操作，将Q2的量子态交换到Q1上。
每一个门操作都需要消耗一定的时间，而一个量子芯片系统只有有限长的相干时间，因此一个算法或一系列操作步骤只有在其相干时间内完成，才能得到正确的结果。如此，对于 上述Qubit与相隔较远的Qubit进行两比特门操作方案，需要消耗大量步骤在量子态交换的操作上，使得相干时间之内能够进行的实现某算法所需的门操作次数大大减少，相应的能够实现的算法的复杂度也会降低。
由于量子计算测量时的概率性塌缩，要得到一个争取的计算结果，需要对算法的步骤重复进行多次操作和测量。每次操作和测量完成之后，都需要重新将系统初始化，即将每一个Qubit的状态制备成已知的量子态，例如可以为基态，即表示Qubit为“0”的态。因此要快速得到最终计算结果，快速和准确的初始化过程也是量子计算中必须的技术。
在实际应用中，随着Qubit芯片中的比特数增加，Qubit之间的耦合情况也随之变得复杂，同时多比特之间还存在微波脉冲串扰等现象。这些问题都会导致无法通过简单形式的脉冲来实现高保真度的门操作。针对这些问题，可以使用计算机优化脉冲波形，将整个复杂的多比特全局相互作用考虑进去，以设计出高保真度、高鲁棒性的脉冲波形。
示例性的，梯度上升优化方法(GRAPE)为一种脉冲数值优化技术。下面以GRAPE脉冲为例，介绍优化搜索脉冲的基本思想。可以理解的是，GRAPE脉冲可以替换为各种数值优化脉冲，本申请实施例对此不作限定。
如图5所示，可以将总时长为t的微波脉冲分割成N片，每小段脉冲会有独立的幅度、相位，通过对每小段脉冲幅度、相位进行数值优化搜索，最终能会找到一组解，使得总的脉冲效果达到最优，能够达到较高的操控保真度。数值优化出来的脉冲不具有解析的波形，通过对大量的参数进行优化，能极大地利用各种操控的自由度，场的不均匀性、对周边比特的串扰等等因素。其原理简单直接，能实现对多比特的复杂问题进行数值计算，求解出高保真度的波形，而不局限于仅仅实现简单的两比特操控，可以直接实现多比特的门操控(也可以称为多比特操作)。作为示例，可以通过数值优化脉冲的方法，在核磁共振体系上直接实现5比特任意全局门操控，以及12比特全局系统下的两比特门操作。
但是，随着系统中Qubit数目的增加，数值优化脉冲技术在计算过程中处理的矩阵运算的维度指数性的增加，导致需要消耗大量的经典计算资源，不适合大规模量子计算。有鉴于此，本申请设计了一种可分块化的超导量子芯片，并利用数值优化的方法针该超导量子芯片设计了一套操控方案，以对大规模超导量子计算系统中的超导Qubit进行操作。
图6示出了本申请实施例提供的一种超导量子计算系统600的示意性框图。如图6所示，系统600包括控制系统610和超导量子芯片620。其中，超导量子芯片620包含Qubit，用于实现量子计算。控制系统610中可以包括控制电路，用于操控超导量子芯片620中的Qubit的状态，以进行计算操作。可选的，系统600中还可以包括测量系统630，用于读出超导量子芯片620中的Qubit的最终状态，并根据该Qubit的最终状态获取测量结果。
示例性的，控制系统610可以按照计算操作的需求，控制微波源以及DAC等调制脉冲信号，将一系列微波脉冲序列输入到超导量子芯片620，对超导量子芯片620中的Qubit量子态进行操作。所有操作完成之后，测量系统630可以输出测量脉冲信号至超导量子芯片620，超导量子芯片620可以根据该测量脉冲信号，向测量系统630返回信号。测量系统630根据返回的信号的变化，获取超导量子芯片620中的Qubit的状态信息，进而得到计算结果。
作为具体的示例，控制系统610可以为包括微波源、任意波发生器、集成化的测控单板等设备，超导量子芯片620中还可以包括读出腔结构，用于读出芯片中的量子态，本申请实施例对此不作限定。
另外，系统600中还可以包括一套提供低温环境的制冷机和真空系统，使得超导量子芯片620可以置于低温环境和真空环境中，尽可能排除外界的干扰。
本申请实施例中，超导量子芯片620可以包括连通区和中心交换区。连通区的数量可以为至少两个。其中，中心交换区包括第一中心交换区。在该超导量子芯片620中，包括至少两个连通区和第一中心交换区。其中，该至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，第一中心交换区包括该第一悬挂超导比特。其中，每个连通区中的该第一悬挂超导比特的数量可以为一个，两个或者多个。
继续参见图6，示出了超导量子芯片620中一个连通区621与第一中心交换区622的一个示例。其中，连通区621可以包括至少一个第一超导比特(即Qubit)和一个第一悬挂超导比特(即悬挂Qubit)，第一中心交换区622可以包括第一悬挂超导比特(即连通区621中的第一悬挂超导比特)。需要说明的是，这里以连通区621中包含一个第一悬挂超导比特为例进行描述，但是本申请并不限于此。例如，连通区621中的第一悬挂超导比特的数量也可以为两个，或者多个，此时每个第一悬挂超导比特与周围比特的耦合方式以及控制方式可以相同或相似，不再赘述。
也就是说，这里该第一悬挂超导比特既是属于连通区621中的超导比特，也是属于第一中心交换区622中的超导比特。此时，可以称该连通区621位第一中心交换区622关联的连通区，即连通区621为该第一中心交换区622包括的第一悬挂超导比特对应的连通区。
需要说明的是，在图6以及下文中图7、图8、图10、图11、图13、图14A、图14B、图14C、图15和图17所示的超导量子芯片中，示意性的示出了连通区或中心交换区的边界线，这只是为了本领域技术人员能够更方便的理解，或更清楚的知晓本申请实施例中的“连通区”或“中心交换区”中包含的超导比特。实际上，在超导量子芯片的制造过程，或者超导量子芯片的结构中，并没有，也不会出现这些边界线。应理解，图14A、图14B、图14C、图15中不同类型的比特的表示方式，可参见图13
还需要说明的是，在图6所示的超导量子芯片620中，除连通区621之外的其他连通区与连通区621相类似，也包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特。并且类似地，第一中心交换区622中还包括其他连通区中的第一悬挂超导比特。另外，在其他连通区中包括的第一超导比特的数量可以与连通区621中包括的第一超导比特的数量相同，或不同，本申请实施例对此不作限定。
其中，连通区621内的第一悬挂超导比特与该连通区621内的至少一个第一超导比特耦合，比如和该连通区内的一个第一超导比特耦合，或者与该连通区内的两个或多个，或者全部第一超导比特耦合，本申请实施例对此不作限定。示例性的，第一悬挂超导比特与第一超导比特之间可以通过电容、腔或耦合器等耦合，以使得彼此间产生相互作用，本申请实施例对此不作限定。
需要说明的是，超导量子芯片620中其他连通区中第一悬挂超导比特与该连通区内的至少一个第一超导比特之间的耦合方式，与连通区621中第一悬挂超导比特与其内的至少一个第一超导比特之间的耦合方式相同，不再赘述。
在一些可选的实施例中，当连通区内的第一超导比特的数量为至少两个时，该至少两个第一超导比特彼此间可以有较强耦合。例如，连通区内的每个第一超导比特可以和该连通区内的其他一个或多个第一超导比特耦合，或者和该连通区内的其他所有第一超导比特耦合，本申请实施例对此不作限定。其中，该至少两个第一超导比特间可以通过电容、腔或耦合器等耦合，以使得彼此间产生相互作用，本申请实施例对该至少两个第一超导比特间的耦合形式、连通度等不作限定。这里，连通度可以表示第一超导比特与其他超导比特相耦合的最小数目。
本申请实施例中，第一中心交换区622用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作。也就是说，不同连通区中的超导比特可以通过第一中心交换区过渡实现量子操作。
示例性的，当第一中心交换区622中包括至少两个连通区对应的第一悬挂超导比特时，第一中心交换区622用于传递该至少两个连通区中的不同连通区中的超导比特之间的量子操作。
作为一个具体的例子，当第一中心交换区622中包括连通区#1中的第一悬挂超导比特和连通区#2中的第一悬挂超导比特时，第一中心交换区622用于传递连通区#1中的超导比特和连通区#2中的超导比特之间的量子操作。示例性的，可以将连通区#1中的目标超导比特#1与第一中心交换区622中的第一悬挂超导比特进行量子态交换操作，将目标超导比特#1的量子态交换到与连通区#2中的第一悬挂比特上，对目标超导比特#2与该第一悬挂比特进行两比特门操作，实现通过第一中心交换区622来传递连通区#1中的目标超导比特#1和连通区#2中的目标超导比特#2之间的量子操作。
本申请实施例中，控制系统610中可以包括控制电路，用于控制第一悬挂超导比特与第一超导比特的耦合强度。也就是说，在本申请实施例中，第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合为可调耦合，即第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度的大小可调。
示例性的，控制电路可以用于控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，以断开第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合。或者，控制电路可以用于控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度大于第二预设值，以使得第一悬挂超导比特与第一超导比特之间具有相互作用。
当控制电路用于控制连通区中的第一悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，即断开该第一悬挂超导比特与其他超导比特之间的耦合时，可以孤立出该连通区，从而分割出子空间。
当控制电路用于控制每个连通区中的第一悬挂超导比特与该连通区中的该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合时，可以孤立出第一中心交换区，从而分割出子空间。
在一些可选的实施例中，所述第一悬挂超导比特与其所在的连通区内的一个第一超导比特耦合。也就是说，每个连通区中的第一悬挂超导比特可以与该连通区中的一个第一超导比特，或者少数第一超导比特耦合，使得可以通过断开第一悬挂超导比特与该一个第一超导比特之间的耦合，或者通过断开第一悬挂超导比特与该少数第一超导比特的耦合时，即可孤立出中心交换区，从而更方便、有效的分割出子空间。
因此，在超量量子计算系统中，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，能够有助于在超导量子芯片上孤立出单个连通区，或者孤立出中心交换区，从而有效的分割出子空间。在分割出的子空间内部，可以实现任意单比特或多比特逻辑门操控，并且不同连通区之间的两比特门操控可以通过中心交换区过渡，因此本申请实施例能够在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。
示例性的，可以通过数值优化脉冲技术，将分割出的子空间内部的整体作用考虑进去，实现连通区内部或中心交换区内部高保真度的任意单比特或多比特逻辑门操控，以及通过若干个数值优化脉冲来实现通过中心交换区来过渡不同连通区之间的两比特量子操控，本申请实施例对此不作限定。
另外，在本申请实施例中，连通区内的第一超导比特之间可以拥有较大的连通度，每个比特可以和多个比特存在相互作用。这样，在连通区内部，可以通过一个数值优化脉冲波形，实现复杂的线路，从而有助于节省线路时间，避免过多的退相干。同时，使用该数值优化脉 冲波形，能够有助于增加对于环境噪音、微波串扰等因素的鲁棒性，从而提高量子操控的保真度。
本申请实施例中，第一中心交换区中包括每个连通区中的第一悬挂超导比特，其中该至少两个连通区的第一悬挂超导比特可以为不同的超导比特，或者该至少两个连通区的第一悬挂超导比特也可以为同一个超导比特，本申请对此不作限定。以下分别对这两种实现方式以及对应的量子操控方式进行描述。
第一种实现方式
在该实现方式，该至少两个连通区的第一悬挂超导比特可以为不同的超导比特。此时，第一中心交换区中还包括一个中心超导比特(可以称为第一中心超导比特)。也就是说，在该实现方式中，第一中心交换区中包括第一中心超导比特和至少两个连通区分别对应的第一悬挂超导比特。其中，该第一中心超导比特与每个连通区的第一悬挂超导比特耦合。
控制电路还可以用于控制第一中心交换区与第一悬挂超导比特之间的耦合强度。也就是说，第一中心超导比特与第一悬挂超导比特之间的耦合为可调耦合，即第一中心超导比特与第一悬挂超导比特之间的耦合强度的大小可调。
示例性的，控制电路可以用于控制第一中心超导比特与第一悬挂超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，以切断第一中心超导比特与第一悬挂超导比特之间的耦合。或者，控制电路可以用于控制第一中心超导比特与第一悬挂超导比特之间的耦合强度大于第二预设值，以使得第一中心超导比特与第一悬挂超导比特之间具有相互作用。
图7示出了该实现方式下的第一中心交换区与至少两个连通区的一个示例。如图7所示，超导量子芯片620中包括第一中心交换区701、连通区702、连通区703和连通区704。其中，第一中心交换区701中包括一个第一中心超导比特，连通区702中的第一悬挂超导比特，连通区703中的第一悬挂超导比特，以及连通区704中的第一悬挂超导比特。并且，第一中心超导比特分别于连通区702至704中的每个连通区中的第一悬挂超导比特耦合，每个连通区中的第一悬挂超导比特分别于该连通区内的至少一个第一超导比特耦合。控制电路可以用于控制第一中心超导比特与第一悬挂超导比特之间的耦合强度，以及控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度。
需要说明的是，图7中仅以第一中心交换区包括4个连通区中的第一悬挂超导比特为例进行描述，但是本申请实施例并不限于此。例如，第一中心交换区中还可以包括更多，或者更少，例如3个，或者5个连通区中的第一悬挂超导比特。
另外，图7中每个连通区内第一悬挂超导比特与至少一个第一超导比特的耦合方式，以及至少一个第一超导比特之间的耦合方式可以参见图6中连通区621的描述，不再赘述。
继续参考图7，当控制电路用于控制连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，即断开该第一悬挂超导比特与第一中心超导比特之间的耦合时，可以孤立出该连通区，从而分割出子空间。例如，当控制电路用于控制连通区702中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特之间的耦合强度小于第一预设值时，可以孤立出该连通区702。孤立其他连通区的方式与孤立连通区702的方式类似，不再赘述。
当控制电路用于控制每个连通区中的第一悬挂超导比特与该连通区中的该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合时，可以孤立出第一中心交换区，从而分割出子空间。例如，当控制电路用于控制连通区702至连通区705中的每个连通区中的第一悬挂超导比特与每个连通区中的第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合时，可以孤立出第一中心交换区701。
本申请实施例中，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，或者控制第一悬挂超导比特与第一中心超导比特之间的耦合强度，可以实现在超导量子芯片上孤立出单个连通区，或中心交换区，因此本申请实施例中，超导量子芯片上只需要有少量的耦合可调的耦合方式，即可实现有效分割出子空间，从而有助于简化对芯片工艺的要求。
在图7所示的芯片结构中，可以针对单个区块(比如单个连通区，或中心交换区)内，或者针对不同区块间这两种情况，对超导量子芯片上的超导比特进行量子操控。下面分别对这两种情况下的操控方式进行描述。
情况1，针对单个连通区或中心交换区内部的量子操控的情况，可以使用一个脉冲波形，实现对对应的子空间内部的超导比特进行量子操控。
示例性的，首先可以通过调节悬挂超导比特与周边超导比特的耦合强度，使得目标操控区域可以视为一个小的独立子空间。然后，在该独立子空间内部，可以可用数值优化技术，获得实现该子空间内部的超导比特量子操控的脉冲波形。
在一些可选的实施例中，当上述至少两个连通区中包括第一连通区时，对于第一连通区内部的超导比特的量子操控，控制电路还可以用于控制该第一连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第一脉冲波形，该第一脉冲波形用于对第一连通区中的超导比特进行量子操作。这里，第一连通区中的超导比特包括第一连通区中的第一超导比特和第一悬挂超导比特。
当控制电路控制第一连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值时，能够使得该第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度接近为0，从而断开了第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合，可以将第一连通区视为孤立的子系统。然后，在第一连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第一脉冲波形，以实现对第一连通区内的超导比特进行单比特量子操作、两比特量子操作或多比特量子操作。
示例性的，第一连通区可以为图7中的连通区702，或连通区703，或连通区704，或连通区705，本申请实施例对此不作限定。
因此，本申请实施例通过控制连通区中的第一悬挂超导比特与中心交换区中的中心超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该连通区。在该连通区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特或多比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
在一些可选的实施例中，对于第一中心交换区内部的超导比特的量子操控，控制电路还可以用于控制第一中心交换区关联的每个连通区的所述第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第二脉冲波形，该第二脉冲波形用于对第一中心交换区中的超导比特进行量子操作。这里，第一中心交换区中的超导比特包括第一中心超导比特和每个连通区中的第一悬挂超导比特。
当控制电路控制每个连通区中的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值时，能够使得每个连通区中的该第一悬挂超导比特与该连通区中的每个第一超导比特的耦合强度接近为0，从而断开了每个连通区中的第一悬挂超导比特与每个连通区中的第一超导比特的耦合，可以将第一中心交换区视为孤立的子系统。然后，在第一中心交换区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第二脉冲波形，以实现对第一中心交换区内的超导比特进行单比特量子操作、两比特量子操作或多比特量子操作。
示例性的，对于图7中的超导芯片而言，控制电路可以控制连通区702中的第一悬挂超 导比特与连通区702中的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制连通区703中的第一悬挂超导比特与连通区703中的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制连通区704中的第一悬挂超导比特与连通区704中的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，以及控制连通区705中的第一悬挂超导比特与连通区705中的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，从而将第一中心交换区701视为孤立的子系统。然后，可以在第一中心交换区701内部使用数值优化技术，以实现对第一中心交换区内的超导比特进行单比特量子操作、两比特量子操作或多比特量子操作。
需要说明的是，本申请实施例中，第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，即该第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合(即可调耦合)的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值。一个示例，在连通区702中，第一悬挂超导比特与一个第一超导比特可调耦合，则“第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值”指的是第一悬挂超导比特与该第一超导比特的耦合强度小于第一预设值。一个示例，在连通区702中，第一悬挂超导比特与两个或两个以上第一超导比特可调耦合，则“第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值”指的是第一悬挂超导比特与该两个或两个以上的第一超导比特中的全部第一超导比特的耦合强度都小于第一预设值。
因此，本申请实施例通过控制中心交换区中的每个第一悬挂超导比特与第一该悬挂超导比特所耦合的第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该中心交换区。在该中心交换区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特或多比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
情况2，针对不同连通区之间的量子操控的情况，可以使用多个脉冲波形，实现对不同连通区之间的超导比特进行量子操控。
在一些可选的实施例中，当上述至少两个连通区中包括第二连通区和第三连通区时，对于第二连通区与第三连通区中超导比特之间的量子操控，控制电路还可以用于控制第二连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，以使得第二连通区中第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度接近于0，控制第二连通区中的第一悬挂超导比特与第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第三脉冲波形，该第三脉冲波形用于对第二连通区中的一个所述第一超导比特(即第一目标超导比特)和第二连通区中的第一悬挂超导比特进行两比特操作。
当控制电路控制第二连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，第二连通区中的第一悬挂超导比特与第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值时，可以将第二连通区视为孤立的子系统。然后，在第二连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第三脉冲波形，以实现对第一目标超导比特与第二连通区内的第一悬挂超导比特进行两比特量子操作。
需要说明的是，本申请实施例中，第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，即该第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合(可调耦合)的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值。一个示例，在第一连通区中，第一悬挂超导比特与一个第一超导比特可调耦合，则“第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值”指的是第一悬挂超导比特与该第一超导比特的耦合强度大于第二预设值。一个示例，在第一连通区中，第一悬挂超导比特与两个或两个以上第一超导比特可调耦合，则“第 一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值”指的是第一悬挂超导比特与该两个或两个以上的第一超导比特中的全部第一超导比特的耦合强度都大于第二预设值。
还需要说明的是，在连通区中包括至少两个第一超导比特，该至少两个第一超导比特之间有较强耦合，第一悬挂超导比特可以与该至少两个第一超导比特中的部分第一超导比特可调耦合的情况下，可以认为第一悬挂超导比特与该连通区内的每个第一超导比特之间直接耦合或间接耦合。例如，当第一悬挂超导比特与连通区内的一个第一超导比特之间可调耦合，该第一超导比特与连通区内的其他第一超导比特之间较强耦合时，可以认为第一悬挂超导比特与其他第一超导比特之间间接耦合。基于此，本申请实施例中控制电路能够使用脉冲波形对连通区中的任意一个第一超导比特和该连通区中的第一悬挂超导比特进行两比特操作。
然后，控制电路还用于控制第二连通区中的第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于第二预设值，即恢复第二连通区中第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的相互作用，控制第三连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度大于第二预设值，即使得第三连通区中第一悬挂超导比特与第一中心超导比特之间耦合(即具有相互作用)，之后控制每个连通区的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第四脉冲波形，第四脉冲波形用于对第一中心交换区中的第二连通区的第一悬挂超导比特和第三连通区的第一悬挂超导比特进行两比特操作。
当控制电路控制每个连通区中的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制第二连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度大于第二预设值，控制第三连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度大于第二预设值时，可以将第一中心交换区视为孤立的子系统。然后，在第一中心交换区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第四脉冲波形，以实现对第一中心交换区内的第二连通区对应的第一悬挂超导比特与第三连通区对应的第一悬挂超导比特进行两比特操作。
然后，控制电路还用于控制第三连通区的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，即恢复第三连通区中第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的相互作用，之后控制第三连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第五脉冲波形，第五脉冲波形用于对所述第三连通区中的一个第一超导比特(即第二目标超导比特)与所述第三连通区中的第一悬挂超导比特进行两比特操作。
当控制电路控制第三连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制第三连通区的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值时，可以将第三连通区视为孤立的子系统。然后，在第三连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第五脉冲波形，以实现对第三连通区内的第一悬挂超导比特与第二目标超导比特进行两比特量子操作。基于上述操作，可以实现对第一目标超导比特与第二目标超导比特实现两比特量子操作。
因此，本申请实施例通过中心交换区对两个不同连通区中超导比特之间的两比特门操作进行过渡，可以实现对中心交换区关联的任意两个连通区中的超导比特之间的两比特门操作，从而有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
可选的，控制电路还可以用于控制第三连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比 特的耦合强度大于所述第二预设值，以及控制每个连通区的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第六脉冲波形，该第六脉冲波形用于对第一中心交换区中的该第三连通区的第一悬挂超导比特进行复位操作。
当控制电路控制每个连通区中的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制第三连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值时，可以将第一中心交换区视为孤立的子系统。然后，在第一中心交换区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第六脉冲波形，以实现对第一中心交换区内的第三连通区对应的第一悬挂超导比特进行复位操作。
控制电路还可以用于控制第二连通区的所述第一悬挂超导比特与第二连通区块中该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制第二连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第七脉冲波形，第七脉冲波形用于对第二连通区中的第一悬挂超导比特进行复位操作。
当控制电路控制第二连通区中的第一悬挂超导比特与第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制第二连通区的所述第一悬挂超导比特与所述第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值时，可以将第二连通区视为孤立的子系统。然后，在第二连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第七脉冲波形，以实现对第二连通区内的第一悬挂超导比特进行复位操作。
因此，本申请实施例通过孤立出单个连通区，或者孤立出中心交换区，实现对用于过渡不同连通区中超导比特之间量子操作的第一悬挂超导比特进行复位操作，能够恢复该第一悬挂超导比特的量子状态，从而避免进行不同连通区中的超导比特之间的量子操作时对其他超导比特造成影响。
需要说明的是，在第一中心交换区中，第一中心超导比特与每个连通区的第一悬挂超导比特耦合，此时可以认为第一中心交换区中的每个第一悬挂超导比特之间间接耦合。基于此，本申请实施例中控制电路能够使用脉冲波形对第一交换区中的任意两个第一悬挂超导比特进行两比特操作，例如复位操作。
以下结合图8和图9描述在不同连通区之间的量子操控的一个具体例子。应注意，下面的例子仅仅是为了帮助本领域技术人员理解和实现本申请的实施例，而非限制本申请实施例的范围。本领域技术人员可以根据这里给出的例子进行等价变换或修改，这样的变换或修改仍然应落入本申请实施例的范围内。
在图8和图9的示例中，需要对连通区705中的第一超导比特i 1和连通区702中的第一超导比特i 2进行两比特CNOT门操作。如图9所示，该两比特操作门可以拆分为5个同一区域块内的两比特CNOT门操作，并且该两个第一超导比特i 1和i 2之间的两比特CNOT门操作可以通过第一中心交换区701中的第一悬挂超导比特j 1和j 2传递过去。具体的操控步骤可以如下：
首先，控制电路可以控制连通区705中的第一悬挂超导比特j 1与第一中心交换区701中的第一中心超导比特k之间的耦合强度小于第一预设值，以使得该耦合强度近似为0，控制该第一悬挂超导比特j 1与连通区705中的第一超导比特之间的耦合强度大于第二预设值，从而孤立出连通区705。此时，如图8中的图(a)以及图9所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#1，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#1，实现对连通区705内的第一超导比特i 1和第一悬挂超导比特j 1进行两比特CNOT门操作。
然后，控制电路可以控制连通区705中的第一悬挂超导比特j 1与第一中心交换区701中的第一中心超导比特k之间的耦合强度大于第二预设值，以恢复第一悬挂超导比特j 1与第一 中心超导比特k之间的耦合，控制连通区702中的第一悬挂超导比特j 2与第一中心交换区701中的第一中心超导比特k之间的耦合强度大于第二预设值，以使得第一悬挂超导比特j 2与第一中心超导比特k之间耦合(即具有相互作用)，控制第一中心交换区701中的每个第一悬挂超导比特与其所耦合的第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，以使得每个第一悬挂超导比特与其对应的连通区内的第一超导比特之间的耦合强度近似为0，从而孤立出第一中心交换区701。此时，如图8中的图(b)以及图9所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#2，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#2，实现对第一中心交换区701中的第一悬挂超导比特j 1和j 2进行两比特CNOT门操作。
然后，控制电路可以控制连通区702中的第一悬挂超导比特j 2与其所耦合的第一超导比特之间的耦合强度大于第二预设值，以恢复第一悬挂超导比特j 2与其所耦合的第一超导比特之间的耦合，控制连通区702中的第一悬挂超导比特j 2与第一中心超导比特k之间的耦合强度小于第一预设值，以使得第一悬挂超导比特j 2与第一中心超导比特k之间的耦合强度近似为0，从而孤立出连通区702。此时，如图8中的图(c)以及图9所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#3，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#3，实现对连通区702中的第一悬挂超导比特j 1和第一超导比特i 2进行两比特CNOT门操作。
在一些可选的实施例中，可以依次对第一悬挂超导比特j 2和第一悬挂超导比特j 1进行复位操作。
作为示例，对第一悬挂超导比特j 2进行复位操作时，作为一种可能的方式，可以孤立出第一中心交换区701，并对第一中心交换区701中的该第一悬挂超导比特j 2进行复位操作。
示例性的，孤立出第一中心交换区701的方式可以参见上文中的描述，不再赘述。在孤立出第一中心交换区701之后，如图9所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#4，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#4，实现对第一中心交换区701中的第一悬挂超导比特j 2的复位操作。
作为示例，对第一悬挂超导比特j 1进行复位操作时，作为一种可能的方式，可以孤立出连通区705，并对连通区705中的该第一悬挂超导比特j 1进行复位操作。
示例性的，孤立出连通区705的方式可以参见上文中描述，不再赘述。在孤立出连通区705之后，如图9所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#5，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#5，实现对连通区705中的第一悬挂超导比特j 1的复位操作。
可选的，在该第一种实现方式中，每个连通区包括的超导比特的数量小于或等于N，与第一中心交换区关联的连通区的数量小于或等于(N-1)，其中，N表示有效数值求解的量子系统的最大维度，N为正整数。这里，与第一中心交换区关联的连通区的数量，即为第一中心交换区中包括的第一悬挂超导比特的数量，从而第一中心交换区中包括的总的超导比特的数量小于或等于N。
因此，本申请通过使得每个连通区中包括的超导比特的数量小于或等于有效数值求解的量子系统的最大维度，第一中心交换区中包括的超导比特的数量小于或等于有效数值求解的量子系统的最大维度，能够使得连通区内部，以及第一中心交换区内部的量子操作可以通过数值优化的方法求解脉冲波形，从而有助于实现在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。
作为一个具体的例子，现有商用量子计算机中N可以为13，此时可以采用12个连通区，每个连通区内可以有13个比特，此时一个二维结构的超导量子芯片最大可容纳(13*12+1)＝157个超导比特。作为一个示例，此时图7中所示的包含4个连通区的超导量子芯片包括 (13*4+1)＝53个超导比特。
第二种实现方式
在该实现方式中，该至少两个连通区的第一悬挂超导比特也可以为同一个超导比特。此时，第一中心交换区中的第一悬挂超导比特与每个连通区中的至少一个所述第一超导比特耦合。也就是说，在该实现方式中，第一中心交换区中只包括一个第一悬挂超导比特，该悬挂超导比特同时也属于每个连通区对应的第一悬挂超导比特。换而言之，与该第一中心交换区相关联的至少一个连通区所包括的第一悬挂超导比特为同一个第一悬挂超导比特。在一些可能的描述中，也可以将该第一悬挂超导比特称为中心超导比特。
图10示出了该实现方式下的第一中心交换区与至少两个连通区的一个示例。如图10所示，超导量子芯片620中包括第一中心交换区1001和四个连通区。其中，第一中心交换区1001包括一个第一中心悬挂超导比特，该第一中心悬挂超导比特同时也是每个连通区中的第一悬挂超导比特，即与每个连通区中的至少一个第一超导比特耦合。作为示例，对图10中的连通区1002进行了标注。如图10所示，连通区1002中的第一悬挂超导比特即为第一中心交换区1001中的第一中心超导比特，同时也与其他连通区中的至少一个第一超导比特耦合。
需要说明的是，图10中仅以第一中心交换区中的第一中心超导比特与4个连通区中的第一超导比特耦合为例进行描述，但是本申请实施例并不限于此。例如，该第一中心超导比特还可以与更多，或者更少，例如3个，或者5个连通区中的第一超导比特耦合。
另外，图10中每个连通区内第一悬挂超导比特与至少一个第一超导比特的耦合方式，以及至少一个第一超导比特之间的耦合方式可以参见图6中连通区621的描述，不再赘述。
继续参考图10，当控制电路用于控制连通区中的第一悬挂超导比特与其他连通区中的第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，即断开该第一悬挂超导比特与其他连通区中的第一超导比特之间的耦合时，可以孤立出该连通区，从而分割出子空间。例如，当控制电路用于控制连通区1002中的第一悬挂超导比特与处连通区1002之外的其他连通区中的第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值时，可以孤立出该连通区1002。孤立其他连通区的方式与孤立连通区1002的方式类似，不再赘述。
当控制电路用于控制每个连通区中的第一悬挂超导比特与该连通区中的该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合时，可以孤立出第一中心交换区，从而分割出子空间。
本申请实施例中，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，可以实现在超导量子芯片上孤立出单个连通区，或中心交换区，因此本申请实施例中，超导量子芯片上只需要有少量的耦合可调的耦合方式，即可实现有效分割出子空间，从而有助于简化对芯片工艺的要求。
在图10所示的芯片结构中，可以针对单个区块(比如单个连通区，或中心交换区)内，或者针对不同区块间这两种情况，对超导量子芯片上的超导比特进行量子操控。下面分别对这两种情况下的操控方式进行描述。
情况1，针对单个连通区或中心交换区内部的量子操控的情况，可以使用一个脉冲波形，实现对对应的子空间内部的超导比特进行量子操控。
示例性的，首先可以通过调节悬挂超导比特与周边超导比特的耦合强度，使得目标操控区域可以视为一个小的独立子空间。然后，在该独立子空间内部，可以可用数值优化技术，获得实现该子空间内部的超导比特量子操控的脉冲波形。
在一些可选的实施例中，当上述至少两个连通区中包括第四连通区时，对于第四连通区内部的超导比特的量子操控，控制电路可以用于控制第一悬挂超导比特与该至少两个连通区 中除第四连通区之外的其他连通区中该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第八脉冲波形，第八脉冲波形用于对第四连通区中的超导比特进行量子操作。这里，第四连通区中的超导比特包括第四连通区中的第一超导比特和第一悬挂超导比特。
当控制电路控制第一悬挂超导比特与除第四连通区之外的其他连通区中所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值时，能够断开了第一悬挂超导比特与其他连通区中第一超导比特的耦合，从而可以将第四连通区视为孤立的子系统。然后，在第四连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第八脉冲波形，以实现对第四连通区内的超导比特进行单比特量子操作、两比特量子操作或多比特量子操作。
因此，本申请实施例通过控制第一悬挂超导比特与除第四连通区之外的其他连通区中第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该第四连通区。在该第四连通区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特或多比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
在一些可选的实施例中，对于第一中心交换区内部的超导量子比特的量子操控，控制电路还可以用于控制第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第九脉冲波形，第九脉冲波形用于对该第一悬挂超导比特进行单比特量子操作。
当控制电路控制第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值时，能够使得第一悬挂超导比特与每个连通区中的第一超导比特的耦合强度接近为0，从而断开了第一悬挂超导比特与每个连通区中的第一超导比特的耦合，可以将第一中心交换区视为孤立的子系统。然后，在第一中心交换区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第九脉冲波形，以实现对第一中心交换区内的超导比特进行单比特量子操作。
因此，本申请实施例通过控制中心交换区中的第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所耦合的每个连通区中的第一超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，能够在超导量子芯片上孤立出该中心交换区。在该中心交换区内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
情况2，针对不同连通区之间的量子操控的情况，可以使用多个脉冲波形，实现对不同连通区之间的超导比特进行量子操控。
在一些可选的实施例中，当上述至少两个连通区中包括第五连通区和第六连通区时，对于第五连通区和第六连通区中的超导比特之间的量子操控，控制电路可以用于控制第一悬挂超导比特与该至少两个连通区中除第五连通区之外的其他连通区中的该第一悬挂超导比特所耦合的所述第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，以使得第一悬挂超导比特与除第五连通区之外的其他连通区中的第一超导比特之间的耦合强度接近于0；控制第一悬挂超导比特与第五连通区中的所述第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第十脉冲波形，第十脉冲波形用于对第五连通区中一个所述第一超导比特(即第三目标超导比特)与第一悬挂超导比特进行两比特操作。
当控制电路控制第一悬挂超导比特与除第五连通区之外的其他连通区中该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值时，可以将第五连通区视为孤立的子系统。然后，在第五连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第十脉冲波形， 以实现对第三目标超导比特与第一悬挂超导比特进行两比特量子操作。
控制电路还用于控制第一悬挂超导比特与上述至少两个连通区中除第六连通区之外的其他连通区中的该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，第一悬挂超导比特与第六连通区中的该第一悬挂超导比特所耦合的所述第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第十一脉冲波形，第十一脉冲波形用于对第六连通区中一个第一超导比特(即第四目标超导比特)与第一悬挂超导比特进行两比特操作。
当控制电路控制第一悬挂超导比特与除第六连通区之外的其他连通区中该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值时，可以将第六连通区视为孤立的子系统。然后，在第六连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第十一脉冲波形，以实现对第四目标超导比特与第一悬挂超导比特进行两比特操作。
因此，本申请实施例通过中心交换区对两个不同连通区中超导比特之间的两比特门操作进行过渡，可以实现对中心交换区关联的任意两个连通区中的超导比特之间的两比特门操作，从而有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
可选的，控制电路还用于控制第一悬挂超导比特与至少两个连通区中除第五连通区之外的其他连通区中第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制第一悬挂超导比特与五连通区中的第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第十二脉冲波形，第十二脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
当控制电路控制第一悬挂超导比特与除第五连通区之外的其他连通区中该第一悬挂超导比特所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值时，可以将第五连通区视为孤立的子系统。然后，在第五连通区内部可以使用数值优化技术，搜索出高保真度的第十二脉冲波形，以实现对第一悬挂超导比特进行两比特量子操作。
因此，本申请实施例通过孤立出单个连通区，或者孤立出中心交换区，实现对用于过渡不同连通区中超导比特之间量子操作的第一悬挂超导比特进行复位操作，能够恢复该第一悬挂超导比特的量子状态，从而避免进行不同连通区中的超导比特之间的量子操作对其他超导比特造成影响。
以下结合图11和图12描述在不同连通区之间的量子操控的一个具体例子。应注意，下面的例子仅仅是为了帮助本领域技术人员理解和实现本申请的实施例，而非限制本申请实施例的范围。本领域技术人员可以根据这里给出的例子进行等价变换或修改，这样的变换或修改仍然应落入本申请实施例的范围内。
在图11和图12的示例中，需要对连通区1002中的第一超导比特i 3和连通区1003中的第一超导比特i 4进行两比特CNOT门操作。如图12所示，该两比特操作门可以拆分为3个同一区域块内的两比特CNOT门操作，并且该两个第一超导比特i 3和i 4之间的两比特CNOT门操作可以通过第一悬挂超导比特j传递过去。具体的操控步骤可以如下：
首先，控制电路可以控制第一悬挂超导比特j与图11中的至少两个连通区中除连通区1002之外的其他连通区中该第一悬挂超导比特j所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，以使得该耦合强度近似为0，控制第一悬挂超导比特j与连通区1002中的该第一悬挂超导比特j所耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，从而孤立出连通区1002。此时，如图11中的图(a)以及图12所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#6，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#6，实现对连通区1002内的第一超导比特i 3和第一悬挂超导比特j进行两比特CNOT门操作。
然后，控制电路可以第一悬挂超导比特j与图11中的至少两个连通区中除连通区1003之外的其他连通区中该第一悬挂超导比特j所耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，以使得该耦合强度近似为0，控制第一悬挂超导比特j与连通区1003中的该第一悬挂超导比特j所耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，从而孤立出连通区1003。此时，如图11中的图(b)以及图12所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#7，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#7，实现对第一悬挂超导比特j和连通区1003中的第一超导比特i 4进行两比特CNOT门操作。
在一些可选的实施例中，可以对第一悬挂超导比特j进行复位操作。
作为示例，对第一悬挂超导比特j进行复位操作时，作为一种可能的方式，可以孤立出连通区1002，并对第一悬挂超导比特j进行复位操作。
示例性的，孤立出连通区1002的方式可以参见上文中描述，不再赘述。在孤立出连通区1002之后，如图12所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#8，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#8，实现对第一悬挂超导比特j的复位操作。
可选的，在该第二种实现方式中，每个连通区包括的超导比特的数量小于或等于N，其中，N表示有效数值求解的量子系统的最大维度，N为正整数。
因此，本申请通过使得每个连通区中包括的超导比特的数量小于或等于有效数值求解的量子系统的最大维度，能够使得连通区内部的量子操作可以通过数值优化的方法求解脉冲波形，从而有助于实现在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。
需要说明的是，由于第一中心交换区中只包含一个中心超导比特，因此对与第一中心交换区关联的连通区的数量不会对第一中心交换区中包含的超导比特的数量造成影响，因此这里对第一中心交换区关联的连通区的数量不作限定。
作为一个具体的例子，现有商用量子计算机中N可以为13，此时图7中所示的包含4个连通区的超导量子芯片包括(13*4+1)＝53个超导比特。另外，如果不考虑量子超导芯片的空间限制，该结构中第一中心交换区中可以悬挂任意多个连通区，从而可以容纳任意多个超导比特。
在一些可选的实施例中，第一中心交换区的数量可以为至少两个。此时，超导量子芯片还可以包括第二中心交换区，该第二中心交换区包括至少两个第二悬挂超导比特和一个第二中心超导比特，该至少两个第二悬挂超导比特与至少两个第一中心交换区一一对应，第二中心超导比特与每个第二悬挂超导比特耦合，每个第二悬挂超导比特与每个第二悬挂超导比特所对应的第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合。
其中，控制电路还可以用于控制第二中心超导比特与每个第二悬挂超导比特的耦合强度，以及每个所述第二悬挂超导比特与第一中心交换区中的超导比特的耦合强度。也就是说，在本申请实施例中，第二中心超导比特与第二悬挂超导比特之间的耦合为可调耦合，第二悬挂超导比特与第一中心交换区中所耦合的超导比特之间的耦合为可调耦合。
作为示例，对于图7中所示的第一中心交换区而言，每个第二悬挂超比特与其对应的第一中心交换区中的第一中心超导比特耦合。对于图10中所示的第一中心交换区而言，每个第二悬挂超导比特与其对应的第一中心交换区中的第一悬挂超导比特/第一中心超导比特耦合。
也就是说，以上文中图7或图10中的二维结构的超导量子芯片为基础，在该二维结构中的至少两个第一中心超导比特中的每个第一中心超导比特上可以引出一个第二悬挂超导比特(即每个第一中心超导比特分别于一个第二悬挂超导比特耦合)，该至少两个第二悬挂超导比特均与第二中心超导比特耦合，形成了三维结构的超导量子芯片，即该三维结构的超导量子 芯片可以将多个二维结构耦合(或连接)在一起。此时，该至少两个第二悬挂超导比特与第二中心超导比特构成第二中心交换区。
在上述三维结构的超导量子芯片中，第一中心超导比特也可以被称为一级中心超导比特，第一悬挂超导比特也可以被称为一级悬挂超导比特，第一中心交换区也可以被称为一级中心交换区，第二中心超导比特也可以被称为二级中心超导比特，第二悬挂超导比特也可以被称为二级悬挂超导比特，第二中心交换区也可以被称为二级中心交换区，本申请实施例对此不作限定。
图13示出了超导量子芯片的一个示例。如图13所示，芯片中包括4个第一中心交换区，每个第一中心交换区中包括第一中心超导比特和4个第一悬挂超导比特，该第一中心超导比特与每个第一中心悬挂超导比特耦合。其中，每个第一悬挂超导比特与该第一悬挂超导比特所在的连通区中的至少一个第一超导比特耦合，每个连通区中包括7个第一超导比特。具体的，每个第一中心超导比特与第一悬挂超导比特，以及第一悬挂超导比特与第一超导比特的耦合方式可以参见上文中的描述。
进一步的，在图13中，还包括一个第二中心交换区，该第二中心交换区包括一个第二中心超导比特和4个第二悬挂超导比特，每个第二悬挂超导比特与一个第一中心交换区中的第一中心超导比特耦合。
需要说明的是，在图13所示的三维结构中，对第二悬挂超导比特和第二中心超导比特的数目、连通性等要求同上文中二维结构，不作赘述。三维结构中，也可以包括多于或少于4个第一中心交换区；而且，还可以存在另一个中心交换区，该中心交换区包括一个中心超导比特和多个悬挂超导比特，这里每个悬挂超导比特与一个第二中心交换区中的第二中心超导比特耦合。依次类推，可以形成更多维度的结构，本申请不做限定。
在其他可能实施例中，图13中的第一中心交换区中还可以只包含一个第一中心超导比特，此时该第一中心超导比特与第二中心交换区中的第二悬挂超导比特耦合。
对于第二中心交换区包括至少两个第二悬挂超导比特和一个第二中心超导比特的超导芯片而言，可以针对同一个二维结构内，或者针对不同二维结构间这两种情况，对超导量子芯片上的超导比特进行量子操控。下面分别对这两种情况下的操控方式进行描述。
情况1，针对同一个二维结构内超导比特的量子操控的情况，可以调节第二悬挂超导比特与该第二悬挂超导比特所耦合的超导比特的耦合强度，使得待操作的目标超导比特所在的二维结构被孤立为一个独立的二维系统。然后，可以采用上文中在二维结构中的对超导芯片的操控方式，在该孤立出来的二维系统中实现对该目标超导比特进行量子操控。
在一些可选的实施例中，如图14A所示，当需要在三维结构中的二维结构1401中进行单比特量子操作，或多比特量子操作时，控制电路可以用于控制第二悬挂超导比特与二位结构1401中的第一中心交换区中的第一中心超导比特之间的耦合强度小于第一预设值，即近似为0，从而可以将二维结构1401视为孤立的子系统。在将二维结构1401孤立为子系统后，可以根据上文中描述的方式，对二维结构1401中的超导比特进行单比特量子操作或多比特量子操作。
在一些可选的实施例中，如图14B所示，当需要在三维结构中的第二中心交换区进行单比特量子操作，或多比特量子操作时，控制电路可以用于控制第二中心交换区中的所有第二悬挂超导比特与每个第一悬挂超导比特所耦合的第一中心交换区中的第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，即接近为0，从而可以将第二中心交换区视为孤立的子系统。在将第二中心交换区孤立为子系统之后，可以根据上文中描述的方式，对第二中心交换区中的超 导比特进行单比特量子操作，或多比特量子操作。
在一些可选的实施例中，如图14C所示，当需要在三维结构中的一个第一中心交换区加该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特对应的区域中进行多比特操作时，控制电路可以控制该第二悬挂超导比特与第二中心交换区中的第二中心超导比特的耦合强度小于第一预设阈值，即接近为0，从而可以将该第一中心交换区和其对应的第二悬挂超导比特整体视为孤立二维子系统。在将该第一中心交换区和其对应的第二悬挂超导比特整体孤立为子系统之后，可以根据上文中描述的方式，对该孤立子系统内的超导比特进行多比特量子操作。
需要说明的是，在图14A至图14C中，超导比特之间的虚线连接表示该虚线连接的两个超导比特之间的耦合关闭，即超导比特之间的耦合强度接近为0；超导比特之间的实线连接表示该实线连接的两个超导比特之间的耦合打开，即超导比特之间具有相互作用。
因此，本申请实施例通过控制第二悬挂超导比特与该第二悬挂超导比特所耦合的超导比特之间的耦合强度，能够将待操作的目标超导比特所在的二维结构被孤立为一个独立的二维系统。在该独立的二维系统内部，可以使用数值优化技术，实现任意单比特逻辑门或多比特逻辑门操作，因此本申请实施例有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
情况2，针对不同二维结构间超导比特的量子操控的情况，可以使用多个脉冲波形，实现对不同二维结构间的超导比特进行量子操控。
以下结合图15和图16描述在不同二维结构的超导比特之间的量子操控的一个具体例子。应注意，下面的例子仅仅是为了帮助本领域技术人员理解和实现本申请的实施例，而非限制本申请实施例的范围。本领域技术人员可以根据这里给出的例子进行等价变换或修改，这样的变换或修改仍然应落入本申请实施例的范围内。
在图15和图16的示例中，需要对第一二维结构1501中的第一超导比特i 1和第二二维结构1502中的第一超导比特i 2进行两比特CNOT门操作。如图16所示，该两比特操作门可以拆分为9个同一二维结构内的两比特CNOT门操作，并且该不同二维结构之间的两比特CNOT门操作可以通过第二中心交换区中的第二悬挂超导比特传递过去。具体的操控步骤可以如下：
首先，如图15中(a)图以及图16所示，可以通过控制电路孤立出二维结构1501，并搜索出高保真度的脉冲波形#9，实现对二维结构1501内的第一超导比特i 1和第一悬挂超导比特j 1进行两比特CNOT门操作。具体的，孤立二维结构1501的方式可以参见上文图14A中的描述，不再赘述。
然后，如图15中(b)图以及图16所示，可以通过控制电路孤立出二维结构1501中的第一中心交换区和该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特k 1整体，并搜索出高保真度的脉冲波形#10，实现对二维结构1501中的第一中心交换区和该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特k 1整体中的第一悬挂超导比特j 1和第二悬挂超导比特k 1进行两比特CNOT门操作。具体的，孤立二维结构1501中的第一中心交换区和该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特k 1整体的方式可以参见上文图14C中的描述，不再赘述。
然后，如图15中(c)图以及图16所示，可以通过控制电路孤立出第二中心交换区，并搜索出高保真度的脉冲波形#11，实现对第二中心交换区中的第二悬挂超导比特k 1和第二悬挂超导比特k 2进行两比特CNOT门操作。具体的，孤立第二中心交换区的方式可以参见上文图14B中的描述，不再赘述。
然后，如图15中(d)图以及图16所示，可以通过控制电路孤立出二维结构1502中的第一中心交换区和该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特k 2整体，并搜索出高保真度的 脉冲波形#12，实现对二维结构1502中的第一中心交换区和该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特k 2整体中的第一悬挂超导比特j 2和第二悬挂超导比特k 2进行两比特CNOT门操作。具体的，孤立二维结构1502中的第一中心交换区和该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特k 2整体的方式可以参见上文图14C中的描述，不再赘述。
然后，如图15中(e)图以及图16所示，可以通过控制电路孤立出二维结构1502，并搜索出高保真度的脉冲波形#13，实现对二维结构1502内的第一超导比特i 2和第一悬挂超导比特j 2进行两比特CNOT门操作。具体的，孤立二维结构1502的方式可以参见上文图14A中的描述，不再赘述。
因此，本申请实施例通过中心交换区对两个不同二维结构中超导比特之间的两比特门操作进行过渡，可以实现对中心交换区关联的任意两个二维结构中的超导比特之间的两比特门操作，从而有助于在大规模超导量子芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操作。
在一些可选的实施例中，可以依次对第一悬挂超导比特j 2、第二悬挂超导比特k 2、第二悬挂超导比特k 1、第一悬挂超导比特j 1进行复位操作。
作为示例，对第一悬挂超导比特j 2进行复位操作时，作为一种可能的方式，可以孤立出二维结构1502中的第一中心交换区和该第一中心交换区对应的第二悬挂超导比特k 2整体，并在该整体内，对第一悬挂超导比特j 2进行复位操作，本申请实施例对此不作限定。
作为示例，对第二悬挂超导比特k 2进行复位操作时，作为一种可能的方式，可以孤立出第二中心交换区，并对第二悬挂超导比特k 2进行复位操作。
示例性的，孤立出第二中心交换区的方式可以参见上文中描述，不再赘述。在孤立出第二中心交换区之后，可以根据上文中描述的方式，对第二中心交换区中的第二悬挂超导比特k 2进行复位操作。如图16所示，控制电路可以搜索出高保真度的脉冲波形#14，并向超导量子芯片发送该脉冲波形#14，实现对第二悬挂超导比特k 2的复位操作。
作为示例，对第一悬挂超导比特j 1进行复位操作的方式与对第一悬挂超导比特j 2进行复位操作的方式相似，可以参考对第一悬挂超导比特j 2进行复位操作的描述，不再赘述。
因此，本申请实施例通过孤立出单个二维结构加起所连接的第二悬挂比特所构成的子系统，或者孤立出第二中心交换区，实现对用于过渡不同二维结构中超导比特之间量子操作的第一悬挂超导比特和/或第二悬挂超导比特进行复位操作，能够恢复该第一悬挂超导比特和/或第二悬挂超导比特的量子状态，从而有助于避免不同二维结构中的超导比特之间的量子操作对其他超导比特的影响。
在一些可选的实施例中，所述第一中心交换区的数量为至少两个。此时，超导量子芯片还可以包括第三中心交换区，该第三中心交换区包括一个第三中心超导比特，该第三中心超导比特与每个第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合。
其中，控制电路还用于控制该第三中心超导比特与每个第一中心交换区的超导比特的耦合强度。也就是说，在本申请实施例中，第三中心超导比特与第一中心超导比特中的超导比特之间的耦合为可调耦合。
作为示例，对于图7中所示的第一中心交换区而言，第三中心超比特与每个第一中心交换区中的第一中心超导比特耦合。对于图10中所示的第一中心交换区而言，第三中心超导比特与每个第一中心交换区中的第一悬挂超导比特/第一中心超导比特耦合。
也就是说，以上文中图7或图10中的二维结构的超导量子芯片为基础，在该二维结构中的至少两个第一中心超导比特中的每个第一中心超导比特上可以引出一个第三中心超导比特，形成了三维结构的超导量子芯片，即该三维结构的超导量子芯片可以将多个二维结构耦 合(或连接)在一起。此时，该第三中心超导比特构成第二中心交换区。
在一些可能的描述中，该第三中心超导比特也可以认为是兼具第二中心超导比特和第二悬挂超导比特的作用，本申请实施例对此不作限定。
在上述三维结构的超导量子芯片中，第一中心超导比特也可以被称为一级中心超导比特，第一悬挂超导比特也可以被称为一级悬挂超导比特，第一中心交换区也可以被称为一级中心交换区，第三中心超导比特也可以被称为二级中心超导比特，第三中心交换区也可以被称为二级中心交换区，本申请实施例对此不作限定。
图17示出了超导量子芯片的一个示例。如图17所示，芯片中包括4个第一中心交换区。具体的，每个第一中心超导比特与可以参见图13中的描述，不再赘述。
与图13不同的是，在图17中，第三中心交换区只包括一个第三中心超导比特，该第三中心超导比特与每个第一中心交换区中的第一中心悬挂超导比特耦合。在一些实施例中，也可以认为第三中心超导比特兼顾第二中心超导比特中的第二中心超导比特和第二悬挂超导比特的作用。
需要说明的是，在图17所示的三维结构中，对第三中心超导比特所耦合的第一中心超导比特的数目不作限定。
在其他可能实施例中，图17中的第一中心交换区中还可以只包含一个第一中心超导比特，此时该第一中心超导比特与第三中心超导比特耦合。
对于第三中心交换区只包括第三中心超导比特的超导芯片而言，可以针对同一个二维结构内，或者针对不同二维结构间的两种情况，对超导量子芯片上的超导比特进行量子操控。具体的，针对同一个二维结构内、或者针对不同二维结构间的超导比特之间的量子操控，可以参见上文中对于第二中心交换区包括至少两个第二悬挂超导比特和第二中心超导比特的描述，不再赘述。
对于在包含多个第一悬挂超导比特的第一中心交换区的二维结构的基础上，形成的包含多个第二悬挂超导比特的三维结构的超导芯片而言，按照现有商用量子计算机中N可以为13的能力，该三维结构的超导量子芯片上最多可以容纳(13*12+2)*12+1＝1897个超导比特。对于在包含一个中心超导比特的第一中心交换区的二维结构的基础上，形成的三维结构的超导芯片而言，或者对于第二中心交换区中只包含第二中心超导比特的三维结构的超导芯片而言，如果不考虑量子超导芯片的空间限制，该结构可以容纳任意多个超导比特。
在一些可选的实施例中，二级中心超导比特(例如第二中心超导比特和第三中心超导比特)中心超导比特还可以与一级中心超导比特类似，引出更高的三级悬挂超导比特，将该三维结构的超导量子芯片进一步的扩展到更高纬度的超导量子芯片。类似的，每一级中心超导比特均可以引出更高级的悬挂超导比特，使得本申请提供的芯片结构具有可扩展至更高维的超导量子芯片的能力。
图18示出了本申请实施例例提供的一种量子比特操控方法1800的示意性流程图。该方法1800可以应用于超导量子计算系统，例如上文图6至图17中所述的超导量子计算系统，其中包括控制电路和超导量子芯片。方法1800可以包括步骤1801和1802。
1810，控制电路控制每个连通区中的第一悬挂超导比特与至少一个第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，其中，所述第一子空间为连通区或第一中心交换区。
1820，控制电路向超导量子芯片发送脉冲波形，该脉冲波形用于对第一子空间中的超导比特进行量子操作。
可选的，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述 第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制第一连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一连通区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第一脉冲波形，所述第一脉冲波形用于对所述第一连通区中的超导比特进行量子操作。
可选的，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一中心交换区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第二脉冲波形，所述第二脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的超导比特进行量子操作。
可选的，所述至少两个连通区中包括第二连通区和第三连通区，所述方法1800还包括：
所述控制电路控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第三脉冲波形，所述第三脉冲波形用于对所述第二连通区中的一个所述第一超导比特和所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第四脉冲波形，所述第四脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特和所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第五脉冲波形，所述第五脉冲波形用于对所述第三连通区中的一个所述第一超导比特与所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
可选的，方法1800还包括：
所述控制电路控制所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第六脉冲波形，所述第六脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行复位操作；
控制所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特与所述第二连通区中耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第 一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第七脉冲波形，所述第七脉冲波形用于对所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
可选的，所述至少两个连通区中包括第四连通区，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第四连通区之外的其他连通区中耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第四连通区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第八脉冲波形，所述第八脉冲波形用于对所述第四连通区中的超导比特进行量子操作。
可选的，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一中心交换区；
其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
所述控制电路向所述超导量子芯片发送第九脉冲波形，所述第九脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行单比特量子操作。
可选的，所述至少两个连通区中包括第五连通区和第六连通区，所述方法1800还包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之外的其他连通区中的耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十脉冲波形，所述第十脉冲波形用于对所述第五连通区中一个所述第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第六连通区之外的其他连通区中耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第六连通区中的耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十一脉冲波形，所述第十一脉冲波形用于对所述第六连通区中一个第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
可选的，方法1800还包括：
所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之外的其他连通区中耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十二脉冲波形，所述第十二脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
可选的，所述方法1800还包括：
所述控制电路控制第二中心超导比特与每个第二悬挂超导比特的耦合强度，以及每个所述第二悬挂超导比特与所述第一中心交换区中的超导比特的耦合强度。
可选的，所述方法1800还包括：
所述控制电路控制所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区的超导比特的耦合强度。
应理解，图18中的量子比特操控方法1800的各个步骤可以由本申请实施例中的超导量子计算系统执行，具体过程可以参见上文实施例中的描述，这里不再赘述。
本申请实施例还提供了一种超导量子芯片，包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，
所述至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，其中，所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特耦合；
所述第一中心交换区包括所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；
其中，所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度可调。
应理解，该超导量子芯片可以参见上文实施例中的描述，这里不再赘述。
本申请中的各个实施例可以独立的使用，也可以进行联合的使用，这里不做限定。
应理解，在上文示出的实施例中，第一、第二仅为便于区分不同的对象，而不应对本申请构成任何限定。例如，区分不同的超导比特、中心交换区、悬挂超导比特等。
还应理解，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“至少一个”是指一个或一个以上；“A和B中的至少一个”，类似于“A和/或B”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B中的至少一个，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (28)

  1. 一种超导量子计算系统，其特征在于，包括控制电路和超导量子芯片，所述超导量子芯片包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，
    所述至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，其中，所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特耦合；
    所述第一中心交换区包括所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；
    所述控制电路用于控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度。
  2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一中心交换区还包括一个第一中心超导比特，其中，所述第一中心超导比特与所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特耦合；
    所述控制电路还用于控制所述第一中心超导比特与所述第一悬挂超导比特的耦合强度。
  3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少两个连通区中包括第一连通区；
    所述控制电路还用于控制所述第一连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第一脉冲波形，所述第一脉冲波形用于对所述第一连通区中的超导比特进行量子操作。
  4. 根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，
    所述控制电路还用于控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第二脉冲波形，所述第二脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的超导比特进行量子操作。
  5. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少两个连通区中包括第二连通区和第三连通区，
    所述控制电路还用于控制所述第二连通区中的第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制所述第二连通区中的第一悬挂超导比特与耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并发送第三脉冲波形，所述第三脉冲波形用于对所述第二连通区中的一个所述第一超导比特和所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
    控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第四脉冲波形，所述第四脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特和所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
    控制所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第五脉冲波形，所述第五脉冲波形用于对所述第三连通区中的一个所述第一超导比特与所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
  6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
    所述控制电路还用于控制所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超 导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第六脉冲波形，所述第六脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行复位操作；
    控制所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特与所述第二连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并发送第七脉冲波形，所述第七脉冲波形用于对所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
  7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每个连通区中的第一悬挂超导比特为同一个超导比特。
  8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述至少两个连通区中包括第四连通区，
    所述控制电路还用于控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第四连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第八脉冲波形，所述第八脉冲波形用于对所述第四连通区中的超导比特进行量子操作。
  9. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，
    所述控制电路还用于控制所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，并发送第九脉冲波形，所述第九脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行单比特量子操作。
  10. 根据权利要求1-9任一项所述的系统，其特征在于，所述第一悬挂超导比特与其所在的连通区内的一个第一超导比特耦合。
  11. 根据权利要求1-10任一项所述的系统，其特征在于，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
    所述超导量子芯片还包括第二中心交换区，所述第二中心交换区包括至少两个第二悬挂超导比特和一个第二中心超导比特，所述至少两个第二悬挂超导比特与所述至少两个第一中心交换区一一对应，所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特耦合，每个所述第二悬挂超导比特与所述每个第二悬挂超导比特所对应的第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
    所述控制电路还用于控制所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特的耦合强度，以及每个所述第二悬挂超导比特与所述第二悬挂超导比特所对应的第一中心交换区中的超导比特的耦合强度。
  12. 根据权利要求1-11任一项所述的系统，其特征在于，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
    所述超导量子芯片还包括第三中心交换区，所述第三中心交换区包括一个第三中心超导比特，所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
    所述控制电路还用于控制所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区的至少一个超导比特的耦合强度。
  13. 根据权利要求1-12任一项所述的系统，其特征在于，所述每个连通区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，所述第一中心交换区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，其中，N表示有效数值求解的量子系统的最大维度，N为正整数。
  14. 一种量子比特操控方法，其特征在于，应用于超导量子计算系统，所述超导量子计算系统包括控制电路和超导量子芯片，
    所述超导量子芯片包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，所述至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，其中，所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特耦合；
    所述第一中心交换区包括所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；
    所述方法包括：
    所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，其中，所述第一子空间为所述连通区或所述第一中心交换区；
    所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作。
  15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一中心交换区还包括一个第一中心超导比特，其中，所述第一中心超导比特与所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特耦合。
  16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
    所述控制电路控制第一连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一连通区；
    其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
    所述控制电路向所述超导量子芯片发送第一脉冲波形，所述第一脉冲波形用于对所述第一连通区中的超导比特进行量子操作。
  17. 根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
    所述控制电路控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一中心交换区；
    其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
    所述控制电路向所述超导量子芯片发送第二脉冲波形，所述第二脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的超导比特进行量子操作。
  18. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少两个连通区中包括第二连通区和第三连通区，所述方法还包括：
    所述控制电路控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于第一预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第三脉冲波形，所述第三脉冲波形用于对所述第二连通区中的一个所述第一超导比特和所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
    控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一 超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第四脉冲波形，所述第四脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特和所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
    控制所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第五脉冲波形，所述第五脉冲波形用于对所述第三连通区中的一个所述第一超导比特与所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
  19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
    所述控制电路控制所述第三连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述每个连通区的所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第六脉冲波形，所述第六脉冲波形用于对所述第一中心交换区中的所述第三连通区的所述第一悬挂超导比特进行复位操作；
    控制所述第二连通区的所述第一悬挂超导比特与所述第二连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于所述第二预设值，控制所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特与所述第一中心超导比特的耦合强度小于所述第一预设值，并向所述超导量子芯片发送第七脉冲波形，所述第七脉冲波形用于对所述第二连通区中的所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
  20. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述每个连通区中的第一悬挂超导比特为同一个超导比特。
  21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少两个连通区中包括第四连通区，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
    所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第四连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第四连通区；
    其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
    所述控制电路向所述超导量子芯片发送第八脉冲波形，所述第八脉冲波形用于对所述第四连通区中的超导比特进行量子操作。
  22. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述控制电路控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度，获取第一子空间，包括：
    所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，获取所述第一子空间，其中，所述第一子空间为所述第一中心交换区；
    其中，所述控制电路向所述超导量子芯片发送脉冲波形，所述脉冲波形用于对所述第一子空间中的超导比特进行量子操作，包括：
    所述控制电路向所述超导量子芯片发送第九脉冲波形，所述第九脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行单比特量子操作。
  23. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少两个连通区中包括第五连通区和第六连通区，所述方法还包括：
    所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之 外的其他连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十脉冲波形，所述第十脉冲波形用于对所述第五连通区中一个所述第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作；
    控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第六连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第六连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十一脉冲波形，所述第十一脉冲波形用于对所述第六连通区中一个第一超导比特与所述第一悬挂超导比特进行两比特操作。
  24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：
    所述控制电路控制所述第一悬挂超导比特与所述至少两个连通区中除所述第五连通区之外的其他连通区中和其耦合的第一超导比特的耦合强度小于第一预设值，所述第一悬挂超导比特与所述第五连通区中的和其耦合的第一超导比特的耦合强度大于第二预设值，并向所述超导量子芯片发送第十二脉冲波形，所述第十二脉冲波形用于对所述第一悬挂超导比特进行复位操作。
  25. 根据权利要求14-24任一项所述的方法，其特征在于，所述第一悬挂超导比特与其所在的连通区内的一个第一超导比特耦合。
  26. 根据权利要求14-25任一项所述的方法，其特征在于，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
    所述超导量子芯片还包括第二中心交换区，所述第二中心交换区包括至少两个第二悬挂超导比特和一个第二中心超导比特，所述至少两个第二悬挂超导比特与所述至少两个第一中心交换区一一对应，所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特耦合，每个所述第二悬挂超导比特与所述每个第二悬挂超导比特所对应的第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
    所述方法还包括：
    所述控制电路控制所述第二中心超导比特与每个所述第二悬挂超导比特的耦合强度，以及每个所述第二悬挂超导比特与所述第一中心交换区中的超导比特的耦合强度。
  27. 根据权利要求14-25任一项所述的方法，其特征在于，所述第一中心交换区的数量为至少两个；
    所述超导量子芯片还包括第三中心交换区，所述第三中心交换区包括一个第三中心超导比特，所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区中的至少一个超导比特耦合；
    所述方法还包括：
    所述控制电路控制所述第三中心超导比特与每个所述第一中心交换区的超导比特的耦合强度。
  28. 根据权利要求14-27任一项所述的方法，其特征在于，所述每个连通区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，所述第一中心交换区中包括的总的超导比特的个数小于或等于N，其中，N表示有效数值求解的量子系统的最大维度，N为正整数。
PCT/CN2021/105815 2020-07-15 2021-07-12 超导量子计算系统和量子比特操控方法 WO2022012472A1 (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21841761.6A EP4174731A4 (en) 2020-07-15 2021-07-12 SUPERCONDUCTING QUANTUM COMPUTING SYSTEM AND QUANTUM BIT MANIPULATION METHOD

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010682678.8A CN114021727A (zh) 2020-07-15 2020-07-15 超导量子计算系统和量子比特操控方法
CN202010682678.8 2020-07-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022012472A1 true WO2022012472A1 (zh) 2022-01-20

Family

ID=79554313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CN2021/105815 WO2022012472A1 (zh) 2020-07-15 2021-07-12 超导量子计算系统和量子比特操控方法

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4174731A4 (zh)
CN (1) CN114021727A (zh)
WO (1) WO2022012472A1 (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018063206A1 (en) * 2016-09-29 2018-04-05 Intel Corporation On-chip control logic for qubits
CN108038549A (zh) * 2017-12-05 2018-05-15 姜年权 一种通用量子计算机中央处理器及其操纵方法
CN108805293A (zh) * 2018-06-26 2018-11-13 清华大学 基于超导量子计算的多比特操控系统及方法
CN109376870A (zh) * 2018-10-18 2019-02-22 清华大学 一种超导量子比特芯片
CN109685216A (zh) * 2019-01-11 2019-04-26 清华大学 一种量子计算机
CN111144573A (zh) * 2020-02-05 2020-05-12 中国科学技术大学 基于级联弛豫的超导量子比特的读取方法及装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018063206A1 (en) * 2016-09-29 2018-04-05 Intel Corporation On-chip control logic for qubits
CN108038549A (zh) * 2017-12-05 2018-05-15 姜年权 一种通用量子计算机中央处理器及其操纵方法
CN108805293A (zh) * 2018-06-26 2018-11-13 清华大学 基于超导量子计算的多比特操控系统及方法
CN109376870A (zh) * 2018-10-18 2019-02-22 清华大学 一种超导量子比特芯片
CN109685216A (zh) * 2019-01-11 2019-04-26 清华大学 一种量子计算机
CN111144573A (zh) * 2020-02-05 2020-05-12 中国科学技术大学 基于级联弛豫的超导量子比特的读取方法及装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4174731A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP4174731A1 (en) 2023-05-03
CN114021727A (zh) 2022-02-08
EP4174731A4 (en) 2023-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10650324B1 (en) Operating a quantum processor in a heterogeneous computing architecture
CN101548288B (zh) 用于量子处理器元件本地编程的系统、方法和装置
CN108475353B (zh) 采用固定频率超导量子比特的多量子比特可调耦合机制
AU2020230284B2 (en) Superconducting circuit structure, superconducting quantum chip and superconducting quantum computer
CA2943489C (en) Chip including classical and quantum computing processers
JP6219446B2 (ja) 量子プロセッサ
JP5143900B2 (ja) 共通結合共振器を有する任意の量子ビット操作
CN111598248B (zh) 实现控制相位门的超导量子芯片和方法
AU2011343865A1 (en) Methods of increasing fidelity of quantum operations
WO2012173711A1 (en) Array of quantum systems in a cavity for quantum computing
CN111542935B (zh) 鲁棒的量子逻辑门
Vozhakov et al. State control in superconducting quantum processors
CN111222644B (zh) 一种超导芯片中量子比特的控制方法及其相关设备
AU2019430032B2 (en) Quantum computing device using two gate types to prevent frequency collisions in superconducting quantum computers
WO2022012472A1 (zh) 超导量子计算系统和量子比特操控方法
Zhu et al. Quantum computing with superconducting circuits in the picosecond regime
Escofet et al. Interconnect Fabrics for Multi-Core Quantum Processors: A Context Analysis
Tanamoto et al. Efficient purification protocols using iSWAP gates in solid-state qubits
WO2022228550A1 (zh) 超导量子芯片
JP7452823B2 (ja) 量子計算タスク処理方法、システム及びコンピュータ装置
Ghatak Circuit Quantum Electrodynamics: Towards Realizing Scalable Quantum Information Processing
RU2795679C1 (ru) Устройство для реализации двухкубитного вентиля CZ между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности
CN115994579A (zh) 两比特门电路、超导芯片、量子计算系统及控制方法
US20230385676A1 (en) Systems and methods for implementing quantum walks in distributed quantum computing
Mummadi et al. Design and Implementation of Low Quantum Cost Reversible Universal Shift Register

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21841761

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021841761

Country of ref document: EP

Effective date: 20230127

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE