基于超导量子计算的多比特操控系统及方法

摘要

本申请提供一种基于超导量子计算的多比特操控系统及方法，所述方法是将初始量子态及初始微波序列以交频信号输出；依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门并输出待测量子态；对所述待测量子态并进行测量以获得当前多比特门的固有保真度；以及依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈进行再次操控以获得目标多比特门。

权利要求

1.一种基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，包括：

微波输入模块，包括用于将初始量子态及初始微波序列以交频信号输出的微波装置，其中，所述交频信号是经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号；

超导量子模块，连接所述微波输入模块，包括用于依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门并输出待测量子态的共面波导谐振腔；

测量模块，连接所述超导量子模块，用于接收所述待测量子态并进行测量的信号测量单元；以及反馈模块，连接所述测量模块及所述微波输入模块，包括用于依据获得的固有保真度进行计算生成优化微波序列的参数优化单元，以及用于将所述优化微波序列反馈给所述微波输入模块进行再次或多次操控的反馈单元，所述反馈单元直至获得目标多比特门停止输出反馈，其中，所述目标多比特门为理想的多比特门；

其中，所述固有保真度是通过一保真度计算单元计算获得的，所述保真度计算单元被配置在所述测量模块或所述反馈模块中。

2.根据权利要求1所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，所述共面波导谐振腔包括多个串联结构的超导传输子(Transmon)，每一所述超导传输子(Transmon)由库珀对盒构成。

3.根据权利要求2所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，所述超导量子模块包括共面波导谐振器。

4.根据权利要求2所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，多个串联结构的超导传输子(Transmon)通过总线与所述共面波导谐振腔相耦合。

5.根据权利要求1所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，所述测量模块还包括：保真度计算单元，用于通过预设的测量方式对所述待测量子态进行测量以获得当前多比特门的固有保真度。

6.根据权利要求5所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，所述预设的测量方式为X-Y-Z方向的投影测量。

7.根据权利要求5所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，所述预设的测量方式为RB(Randomized Benchmarking)测量，断层扫描(Tomography)测量，门集合断层扫描(Gate Set Tomography)测量，或者误差估计(Error Mitigation)测量。

8.根据权利要求1所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，所述反馈模块还包括：保真度计算单元，用于通过预设的测量方式对所述待测量子态进行测量以获得当前多比特门的固有保真度。

9.根据权利要求1所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，所述参数优化单元利用BFGS算法或Global Search算法对所述初始微波序列进行优化处理。

10.根据权利要求1所述的基于超导量子计算的多比特操控系统，其特征在于，还包括一个优化参数生成模块，用于发送预设的初始微波序列给所述微波输入模块，所述预设的初始微波序列是经预优化处理的。

11.一种基于超导量子计算的多比特操控方法，其特征在于，包括以下步骤：

将初始量子态及初始微波序列以交频信号输出；所述交频信号为经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号；

依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门并输出待测量子态；

对所述待测量子态进行测量以获得当前多比特门的固有保真度；以及

依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈进行再次或多次操控以获得目标多比特门。

12.根据权利要求11所述的基于超导量子计算的多比特操控方法，其特征在于，所述多比特门为由多个串联结构的超导传输子(Transmon)通过总线与一共面波导谐振腔相耦合组成，每一所述超导传输子(Transmon)由库珀对盒构成。

13.根据权利要求11所述的基于超导量子计算的多比特操控方法，其特征在于，对所述待测量子态进行测量以获得当前多比特门的固有保真度的步骤中，通过预设的测量方式对所述待测量子态进行测量以获得当前多比特门的固有保真度，所述预设的测量方式为X-Y-Z方向的投影测量。

14.根据权利要求11所述的基于超导量子计算的多比特操控方法，其特征在于，对所述待测量子态进行测量以获得当前多比特门的固有保真度的步骤中，通过预设的测量方式对所述待测量子态进行测量以获得当前多比特门的固有保真度，所述预设的测量方式为RB(Randomized Benchmarking)测量，断层扫描(Tomography)测量，门集合断层扫描(GateSet Tomography)测量，或者误差估计(Error Mitigation)测量。

15.根据权利要求11所述的基于超导量子计算的多比特操控方法，其特征在于，所述依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列的步骤包括依据所述固有保真度对所述初始微波序列进行优化处理后输出优化微波序列。

16.根据权利要求11所述的基于超导量子计算的多比特操控方法，其特征在于，所述依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列的步骤包括利用BFGS算法或Global Search算法对所述初始微波序列进行优化处理。

17.根据权利要求11所述的基于超导量子计算的多比特操控方法，其特征在于，还包括生成预设的初始微波序列的步骤，所述预设的初始微波序列是经预优化处理的。

说明书

基于超导量子计算的多比特操控系统及方法

技术领域

[0001] 本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种基于超导量子计算的多比特操控系统及方法。

背景技术

[0002] 超导量子计算是目前量子计算机的主流实现方式之一，它利用约瑟夫森结(Josephson junction)电路的量子特性进行编码，并按照量子力学规律来操控这些量子比
特(Qubit)。在这个过程中，对量子比特的操控尤为关键，这是因为对量子比特的操控将直
接影响到量子计算机的运行速度与准确率，因此，如何快速而准确的多比特门操控对于实
现通用量子计算机具有重要意义。

[0003] 目前已被证明，量子通用逻辑门组可以仅由一位量子门和经典两位门构成，现有的实现量子多位门的方式主要分为间接实现和直接实现。即实现任意多比特门的间接方式
是将其分拆为多个单比特门和双比特门构成的量子线路。然而这将耗费更多的操控时间，
由于量子单位门或/及两位门操作存在一定的错误率(保真度小于1)，这种间接实现多比特
门的方式将带来更低的保真度，并花费更多的时间。因此，如何实现单次多比特门(single-
shot multi-qubit gate)操作对于量子计算具有十分重要的意义。

发明内容

[0004] 鉴于以上所述现有技术的相关问题，本申请的目的在于提供一种基于超导量子计算的多比特操控系统及方法，用于解决实现单次多比特门的操作。

[0005] 为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种基于超导量子计算的多比特操控系统，包括：微波输入模块，超导量子模块，测量模块，以及反馈模块。其中，所述微波输入模块用于将初始量子态及初始微波序列以交频信号输出；所述超导量子模块用
于依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门并输出待测量子态；所述测量模块用于接
收所述待测量子态并进行测量以获得当前多比特门的固有保真度；所述反馈模块用于依据
所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈给所述微波输入
模块进行再次操控以获得目标多比特门。

[0006] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述微波输入模块包括微波装置。

[0007] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述微波输入模块输出的交频信号是经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号。

[0008] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述超导量子模块包括共面波导谐振腔，所述共面波导谐振腔包括多个串联结构的超导传输子(Transmon)，每一所述超导传输
子(Transmon)由库珀对盒构成。

[0009] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述超导量子模块包括共面波导谐振器。

[0010] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，多个串联结构的超导传输子(Transmon)通过总线与所述共面波导谐振腔相耦合。

[0011] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述测量模块包括：信号测量单元及保真度计算单元。其中，所述信号测量单元用于接收所述待测量子态；所述保真度计算单元用
于通过预设的测量方式对所述待测量子态进行当前多比特门的固有保真度。

[0012] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述预设的测量方式为X-Y-Z方向的投影测量。

[0013] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述预设的测量方式为RB(Randomized Benchmarking)测量，断层扫描(Tomography)测量，门集合断层扫描(Gate  Set 
Tomography)测量，或者误差估计(Error Mitigation)测量。

[0014] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述反馈模块包括：参数优化单元及反馈单元，其中，所述参数优化单元用于依据所述固有保真度对所述初始微波序列进行优化
处理后输出优化微波序列；所述反馈单元用于将所述优化微波序列反馈给所述微波输入模
块进行再次操控以获得目标多比特门。

[0015] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述反馈模块还包括保真度计算单元，用于通过预设的测量方式对所述待测量子态进行当前多比特门的固有保真度。

[0016] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述参数优化单元利用BFGS算法或Global Search算法对所述初始微波序列进行优化处理。

[0017] 在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述基于超导量子计算的多比特操控系统还包括优化参数生成模块，用于发送预设的初始微波序列给所述微波输入模块，所述预
设的初始微波序列是经预优化处理的。

[0018] 本申请的第二方面提供一种基于超导量子计算的多比特操控方法，包括以下步骤：将初始量子态及初始微波序列以交频信号输出；依据接收的所述交频信号操控内置的
多比特门并输出待测量子态；对所述待测量子态并进行测量以获得当前多比特门的固有保
真度；以及依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈
进行再次操控以获得目标多比特门。

[0019] 在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述交频信号为经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号。

[0020] 在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述多比特门为由多个串联结构的超导传输子(Transmon)通过总线与一共面波导谐振腔相耦合组成，每一所述超导传输子
(Transmon)由库珀对盒构成。

[0021] 在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述预设的测量方式为X-Y-Z方向的投影测量。

[0022] 在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述预设的测量方式为RB(Randomized Benchmarking)测量，断层扫描(Tomography)测量，门集合断层扫描(Gate  Set 
Tomography)测量，或者误差估计(Error Mitigation)测量。

[0023] 在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列的步骤包括依据所述固有保真度对所述初始微波序列进行优化处理后输出
优化微波序列在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述参数优化单元利用BFGS算法或
Global Search算法对所述初始微波序列进行优化处理。

[0024] 在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述方法还包括生成预设的初始微波序列的步骤，所述预设的初始微波序列是经预优化处理的。

[0025] 如上所述，本申请基于超导量子计算的多比特操控系统及方法，使用共面波导谐振模块将多个超导传输子(Transmon)耦合起来，并通过简单的微波元器件对这些量子比特
进行操控，同时反馈数据并根据设计方案进行优化，获得最优控制(Optimal Control)参
数，实现单次多比特门操作。本申请提供的技术方案具有可拓展性高，保真度高，操作时间
短的优点，应用场景普遍，且成本较低，对于超导量子计算具有很强的实用价值。

附图说明

[0026] 图1显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控系统的原理框图。

[0027] 图2显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控系统在一实施例中的示意图。

[0028] 图3显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控系统在另一实施例中的示意图。

[0029] 图4显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控系统在再一实施例中的示意图。

[0030] 图5显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控方法在一实施例中的流程示意图。

[0031] 图6显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控方法在另一实施例中的流程示意图。

具体实施方式

[0032] 以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

[0033] 在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以
及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围
仅由公布的专利的权利要求书所限定。

[0034] 这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。另外，虽然在一些实
例中术语第一、第二等在本文中用来描述量子态，但是这些量子态不应当被这些术语限制。
这些术语仅用来将一个量子态与另一个量子态进行区分。例如，第一测试量子态可以被称
作第二测试量子态，并且类似地，第二测试量子态可以被称作第一测试量子态，而不脱离各
种所描述的实施例的范围。第一测试量子态和测试量子态均是在描述一个测试量子态，但
是除非上下文以其他方式明确指出，否则它们不是同一个测试量子态。相似的情况还包括
第三测试量子态及第四测试量子态。

[0035] 再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包括”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

[0036] 快速而准确的多比特门操控对于实现通用量子计算机具有重要意义，而实现多比特门操控的物理基础是制备出相互耦合的量子单位。在超导量子计算中，使用超导传输子
(Transmon)作为基本量子单位构建量子比特，超导传输子(Transmon)也是目前超导体系中
保真度最高、可调控性最高的物理单位之一。此外，如何将这些超导传输子(Transmon)相互
耦合起来也是一个重要的问题。

[0037] 需要特别说明的是，由于Transmon为在超导量子计算中构成量子比特的物理单位，在本申请中Transmon被称之为超导传输子，在相关的技术文献中，Transmon还被称之为
超导量子比特，或者超导电荷，又或者超导电荷量子位，这些名称均可表示为本申请所述的
超导传输子(Transmon)。

[0038] 通用量子计算的实现基于高保真度的量子门构成的量子线路，其中量子多位门具有很重要的作用。量子纠错码的实现需要作用在至少3个量子比特的多位门，例如Toffoli
门(Toffoli，or controlled-controlled-NOT gate，又被称作CCNOT gate或“控-控-非”
门)，Toffoli门在可逆量子计算中也同样有着十分重要的作用。现有的实现量子多位门的
方式主要分为间接实现和直接实现。其中，间接实现的方式是将其分拆为多个量子单比特
门和双比特门构成的量子线路实现(参阅DOI:10.1038/nature10786)，然而这将耗费更多
的时间，并带来更高的错误率；直接实现量子多位门也称为单次多比特门，现有的方案有：
通过含时操控的微波信号来区分超导传输子(Transmon)耦合系统的不同能级，实现多比特
门(参阅DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevA.87.022309)；将微波信号转化为分段常
数信号对多位量子比特进行操控(参阅DOI:10.1103/PhysRevB.85.054504)。

[0039] 目前已有一些关于多比特门实现方案的研究，然而高保真度的通用的量子多比特门操控尚未被有效实现。如前所述，通过将多比特门拆分为单比特门和双比特门组合的方
式将耗费更多的操控时间，并带来更低的保真度，因而迫切需要寻求一种可以直接实现单
次多比特门操控的方案。

[0040] 关于单次多比特门的实现，诚如前述中提到的两种具有代表性的实现方案都有各自的缺陷。对于直接操控系统能级的方案，在Transmon耦合体系较为复杂时，构建含时操控
的微波信号难度将随之上升，且用这种能级转换的操控方式，在实现任意多比特门时具有
较高的难度，可拓展性较差；对于优化分段常数振幅操控信号的方案，未能有效避免泄露误
差(leakage error)，将对多比特门的保真度带来一定影响。基于此，本申请提出一种基于
超导量子计算的多比特操控系统，可用于在200ns、150ns或100ns等不同时间范围以内快速
地单次对多比特门(single-shot multi-qubit gate)的操控。

[0041] 请参阅图1，显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控系统的原理框图，如图所示，所述基于超导量子计算的多比特操控系统包括：微波输入模块11，超导量子模块
12，测量模块13，以及反馈模块14。所述微波输入模块11将初始量子态及初始微波序列以交
频信号输出给所述超导量子模块12；所述超导量子模块12依据接收的所述交频信号操控内
置的多比特门并输出待测量子态给所述测量模块13，所述测量模块13接收所述待测量子态
并进行测量以获得当前多比特门的固有保真度；所述反馈模块14依据所述固有保真度进行
计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈给所述微波输入模块11进行再次操控
以获得目标多比特门，经以上过程将经历多次重复，最后达到最优调制效果，进而实现单次
多比特门操作。

[0042] 请参阅图2，显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控系统在一实施例中的示意图，如图所示，所述微波输入模块11用于将初始量子态及初始微波序列以交频信号
输出；在一实施例中，所述微波输入模块11包括微波装置，用于产生交频形式的微波信号，
所述微波装置可以通过商用的微波元器件实现，例如为微波发生器。

[0043] 在本实施例中，所述微波输入模块11输出的交频信号是经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号，在实施例中，所述经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号为
不同时间段的DRAG信号的叠加，使得所述超导量子模块12中内置的所有比特门受同一交频
信号的调制，避免了对不同比特门进行单独调制时的信道串扰。由于将信号依据不同的时
间段分拆为的分段DRAG信号的组合，也很大程度的减少了泄露误差(leakage error)。

[0044] 所述超导量子模块12用于依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门，输出待测量子态，所述待测量子态是经过对输入的初始初始量子态通过当前交频信号操控内置的
多比特门后输出的另一种形式的量子态，在不同的实施方式中，所述待测量子态亦可被称
之为测试量子态或制备量子态等等。所述待测量子态对应调制的目标多比特门Ut，其中t表
示当前时刻。在实施例中，所述超导量子模块12包括例如为共面波导谐振器(coplanar 
waveguide resonator)的共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)谐振腔121，所述共面波导
谐振腔121串联有多个串联结构的超导传输子(Transmon)122，每一所述超导传输子
(Transmon)122由库珀(Cooper)对盒构成，所述的多个串联结构的超导传输子(Transmon)
122通过总线与所述共面波导谐振腔121相耦合，即Bus Coupling方案。

[0045] 在本申请提供的实施例中，所述的Bus Coupling方案是将制备好的超导传输子(Transmon)122按列排布耦合到高品质因子的共面波导谐振腔121中，共面波导谐振腔121
中的光子可以诱导超导传输子(Transmon)122相互之间的远程强耦合，从而构建了超导量
子计算机的物理底层模型。

[0046] 所述测量模块13用于接收所述待测量子态并进行测量，测量的目的是为了获得当前多比特门的固有保真度，所述测量模块13为由多个测量设备和设备构成的信号测量端。
在本实施例中，所述测量模块13包括：信号测量单元131及保真度计算单元132。

[0047] 所述信号测量单元131用于接收所述待测量子态；所述保真度计算单元132用于通过预设的测量方式对所述待测量子态进行当前多比特门的固有保真度，即当前交频信号下
的多比特门的固有保真度。在本实施例中，所述预设的测量方式为X方向，Y方向，及Z方向三个方向上的投影测量。

[0048] 在某些实施例中，所述预设的测量方式可以为RB(Randomized Benchmarking)测量，断层扫描(Tomography)测量(请参阅D'Ariano，et al.Physical review letters 
86.19(2001):4195.)，门集合断层扫描(Gate Set Tomography)测量(请参阅Greenbaum,et 
al.arXiv preprint arXiv:1509.02921(2015).)，或者误差估计(Error Mitigation)测量
(请参阅Temme，Kristan et al.Physical review letters 119.18(2017):180509.)等，在
本实施例中，优先选用RB(Randomized Benchmarking)测量，容后详述。

[0049] 所述反馈模块14用于依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈给所述微波输入模块11进行再次操控以获得目标多比特门。在本实施例
中，所述反馈模块14包括：参数优化单元141及反馈单元142。

[0050] 所述参数优化单元141用于依据所述固有保真度对所述初始微波序列进行优化处理后输出优化微波序列；所述反馈单元142用于将所述优化微波序列反馈给所述微波输入
模块11进行再次操控以获得目标多比特门。在一些实施例中，所述参数优化单元141利用
BFGS算法(即Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno，简称BFGS)或Global Search算法对所
述初始微波序列进行优化处理，其中，Global Search算法通过MATLAB软件系统实现。在本
实施例中，优选选用BFGS算法对所述初始微波序列进行优化处理。

[0051] 在另一种实施方式中，所述反馈模块14还包括保真度计算单元143，即所述保真度计算单元143为反馈模块14的一部分。所述保真度计算单元143用于通过预设的测量方式对
所述待测量子态进行当前多比特门的固有保真度，呈如图3所示，图3显示为本申请的基于
超导量子计算的多比特操控系统在另一实施例中的示意图。

[0052] 在具体的实现方式中，所述反馈模块14包含计算机设备中的软件和硬件，可例如装载有本申请所述反馈模块14功能或反馈模块14中各单元功能的计算机程序的计算机来
实现，所述计算机包括但不限于服务器、台式电脑、或笔记本电脑等。

[0053] 在实施例中，本申请将藉由多比特操控系统的哈密顿量来设计系统架构，即通过汉密顿量的演化来实现对系统的设计。所述哈密顿量为系统的能量算符，是一个描述系统
总能量的算符，以H表示，则所述多比特操控系统的哈密顿量描述为：H＝H0+Hd+Hc。

[0054] 其中，H0可以看作系统中超导传输子(Transmon)本身的哈密顿量；其中，i表示为第i个超导传输子，ω表示为超导传输子对应频率，σz表示为z方向上的Pauli算符。所述超导传输子(Transmon)本身的哈密顿量H0是固定的。

[0055] Hd可以看作所述交频信号调制下的哈密顿量， 其中，i表示为第i个交频信号；Ω表示为交频信号振幅，σx表示为x方向上的Pauli算符，σy表示为y方向上的Pauli算符。其中， 和 表示为交频信号，所述哈密顿量Hd是可调节或调制
的，本申请正式通过调节或调制所述哈密顿量Hd来实现多比特门的操控。

[0056] Hc可以看做超导传输子(Transmon)之间相互耦合的哈密顿量，在本申请所提供的实施例中，所述超导传输子(Transmon)之间相互耦合的哈密顿量Hc是也固定的，在本申请
的一实施例中，采用X-Y型耦合，即，对耦合哈密顿量近似到二阶，仅保留X-Y之间的耦合，忽略Z-Z之间的耦合；

[0057] 则

[0058] 其中，Jij表示为第i个和第j个超导传输子之间的耦合强度。

[0059] 在本申请中，通过所述交频信号来调节或调制所述哈密顿量Hd，即所述交频信号和 只作用在Hd上，依据所述超导量子模块12中的多个串联结构的超导传输子
(Transmon)受同一信号的调制，因此 考虑到具体实施过程中，超导传
输子(Transmon)的制备可能存在的缺陷，在操控过程中不可避免的会产生泄露误差
(leakage error)，泄露误差的产生是因为Qubit通常视作二能级系统，然而实际的超导传
输子(Transmon)会有更多的能级，当它跃迁到非计算机基能级上时，便产生了泄露误差。

[0060] 本申请提供的实施方式中采用DRAG最优控制法，关于DRAG最优控制法的描述可以参阅DOI:10.1103/PhysRevA.82.040305(Optimized driving of superconducting 
artificial atoms for improved single-qubit gates)。在本申请提供的实施例中，例如
在200ns或者150ns内时间范围内实现，通过DRAG控制法将所述交频信号比如以10ns或20ns
为单位拆分成信号的叠加形式，以确定交频信号的频率。

[0061] 所述DRAG最优控制法表示为 其中，A，B是待定参数，所述交频信号可以被表示为Ω(t)＝Ωx(t)cos(ωdt)+Ωy(t)sin(ωdt)，作用
的时间范围是-2σ～2σ，其中ωd为交频信号的频率；DRAG控制法可以很大程度上减少泄露
误差。在本实施例中，将交频信号分成不同时间段的DRAG信号，即Ωx,n(An,t)和Ωy,n(Bn,t)，n＝1,2,…,N，且每段信号的作用时间4σ(即作用的时间范围-2σ～2σ内)保持不变。初始情况下，所述微波输入模块11将随机生成M组参数序列{(An,Bn)}1,{(An,Bn)}2,…,{(An,Bn)}M，并将输出给所述超导量子模块12。在另一种实施例中，初始情况下，也可以藉由反馈模块14
预先生成一组随机的初始参数序列，并将其传输给所述微波输入模块11。

[0062] 在具体的实现过程中，所述不同的时间段可以依据具体的实施情况进行设定，比如为在150ns的范围内设定，通过DRAG控制法将所述交频信号比如以10ns为单位拆分成信
号的叠加形式，则所述微波输入模块11将随机生成或者接收的外部优化参数设备生成的15
组参数序列{(An,Bn)}1,{(An,Bn)}2,…,{(An,Bn)}15，即n＝1，2，……15。但并不局限于此，在不同的实施环境或实施状态下，采用所述DRAG控制法对所述交频信号进行叠加处理时可以
采用拆分不同时间段以及不同拆分单位的以确定所述交频信号的频率。

[0063] 所述信号测量单元131用于接收所述待测量子态并通过预设的测量方式对所述待测量子态进行当前多比特门的固有保真度，即当前交频信号下的多比特门的固有保真度。
在本实施例中，所述预设的测量方式为X方向，Y方向，及Z方向三个方向上的投影测量，例如所述测量模块13采用Randomized Benchmarking的方法测定当前控制信号下单次多比特门
Ut的固有保真度(intrinsic fidelity,i.e.,fidelity neglecting decoherence)，所述
固有保真度由 表示，即 其中，Uideal是表示为本申请中的单次多
比特门，ρ表示为初始输入量子态。

[0064] 在给定信号作用时间4σ和频率的情况下，对于确定的参数序列{(An,Bn)}，可以获得当前多比特操作的固有保真度 即与目标多比特门的接近程度。在本实施例中，所述反
馈模块14在获得M组参数序列{(An,Bn)}1,{(An,Bn)}2,…,{(An,Bn)}M对应的固有保真度
后，利用所述BFGS算法对目标函数，即固有保真度
进行优化，从而获得最优控制下对应的参数序列，由此便实现了任意量子多比特门的设计。

[0065] 为进一步阐述本申请基于超导量子计算的多比特操控系统的原理及功效，在一个实施例中，藉由本申请所述的系统实现的基于超导量子计算的多比特操控例如为以下步
骤：

[0066] 在物理底层中，将为多个串联结构的超导传输子(Transmon)122通过上述Bus Coupling方案耦合在共面波导谐振器的共面波导谐振腔上121，并将各所述超导传输子
(Transmon)制备到一种量子态，例如为基态： 令所述微波输入模块11将为基态：
的初始量子态及例如为M组参数序列{(An,Bn)}1,{(An,Bn)}2,…，{(An，Bn)}M的初始微波序列以交频信号 的形式输出给所述超导量子模块
12；所述超导量子模块12经过对输入的初始初始量子态通过当前交频信号操控内置的多比
特门后输出的待测量子态，即所述依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门并输出待
测量子态给所述测量模块13，所述测量模块13利用例如为Randomized Benchmarking的测
量方法测量当前交频信号下的多比特门的保真度，也就是遍历多量子比特对应的
Cliffordn群中操作，并进行其逆操作，即 并遍历所有操作后对其求平均值，
进而可以获得当前多比特门的固有保真度 然后，再利用所述BFGS
算法对目标函数，即固有保真度 进行优化，之后将优化的结果提供
给反馈模块14，所述反馈模块14依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所
述优化微波序列反馈给所述微波输入模块11进行再次操控以获得目标多比特门，经以上过
程将经历多次重复输入、优化、反馈过程若干次，最后给出最优控制参数序列{(An，
Bn)}optimal，最后达到最优调制效果，进而实现单次多比特门操作。

[0067] 请参阅图4，显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控系统在再一实施例中的示意图，如图所示，在另一个实施例中，所述基于超导量子计算的多比特操控系统还包括优化参数生成模块，优化参数生成模块用于生成预设的初始微波序列给所述微波输入模块11，所述生成预设的初始微波序列是经预优化处理的，进而可以控制初始输入的始微波序列样本，而进一步保证操作的准确性和高效性。在图3所示的实施例中，所述优化参数生成模块在初始情况下随机生成M组参数序列{(An，Bn)}1，{(An，Bn)}2，…，{(An，Bn)}M，并将输出给所述微波输入模块11。以令所述微波输入模块11以交频信号 输
出给所述超导量子模块12对内置的多比特门进行操控。

[0068] 本申请基于超导量子计算的多比特操控系统使用共面波导谐振模块将多个超导传输子(Transmon)耦合起来，并通过简单的微波元器件对这些量子比特进行操控，同时反
馈数据并根据设计方案进行优化，获得最优控制(Optimal Control)参数，实现单次多比特
门操作。本申请提供的技术方案具有可拓展性高，保真度高，操作时间短的优点，应用场景
普遍，且成本较低。

[0069] 本申请还提供一种基于超导量子计算的多比特操控方法，使用共面波导谐振模块将多个超导传输子(Transmon)耦合起来，并通过简单的微波元器件对这些量子比特进行操
控，同时反馈数据并根据设计方案进行优化，获得最优控制(Optimal Control)参数，实现
单次多比特门操作，藉此解决如前所述的通过将多比特门拆分为单比特门和双比特门组合
的方式将耗费更多的操控时间，并带来更低的保真度。

[0070] 请参阅图5，显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控方法在一实施例中的流程示意图，如图所示，所述基于超导量子计算的多比特操控方法包括以下步骤：

[0071] 在步骤S11中，将初始量子态及初始微波序列以交频信号输出；在实施例中，将初始量子态及初始微波序列以交频信号输出的步骤可以通过一微波装置来实现，所述微波装
置可以通过商用的微波元器件实现，例如为微波发生器等。

[0072] 在本实施例中，所述输出的交频信号是经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号，在实施例中，所述经拆分不同时间段的信号叠加处理的交频信号为不同时间段的
DRAG信号的叠加，使得所有比特门受同一交频信号的调制，避免了对不同比特门进行单独
调制时的信道串扰。由于将信号依据不同的时间段分拆为的分段DRAG信号的组合，也很大
程度的减少了泄露误差(leakage error)。

[0073] 在步骤S12中，依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门并输出待测量子态；在实施例中，所述多比特门被置于一超导量子模块或超导量子装置中，所述超导量子模块
或超导量子装置为超导量子计算机的物理底层模型架构，

[0074] 所述待测量子态是经过对输入的初始初始量子态通过当前交频信号操控内置的多比特门后输出的另一种形式的量子态，在不同的实施方式中，所述待测量子态亦可被称
之为测试量子态或制备量子态等等。所述待测量子态对应调制的目标多比特门Ut，其中t表
示当前时刻。在实施例中，所述超导量子模块或超导量子装置包括例如为共面波导谐振器
(coplanar waveguide resonator)的共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)谐振腔，所述共
面波导谐振腔包括多个串联结构的超导传输子(Transmon)，每一所述超导传输子
(Transmon)由库珀(Cooper)对盒构成，所述的多个串联结构的超导传输子(Transmon)通过
总线与所述共面波导谐振腔相耦合，即Bus Coupling方案。

[0075] 所述Transmon为在超导量子计算中构成量子比特的物理单位，在本申请中Transmon被称之为超导传输子，在相关的技术文献中，Transmon还被称之为超导量子比特，
或者超导电荷，又或者超导电荷量子位，这些名称均可表示为本申请所述的超导传输子
(Transmon)。

[0076] 在本申请提供的实施例中，所述的Bus Coupling方案是将制备好的超导传输子(Transmon)按列排布耦合到高品质因子的共面波导谐振腔中，共面波导谐振腔中的光子可
以诱导超导传输子(Transmon)相互之间的远程强耦合，从而构建了超导量子计算机的物理
底层模型。

[0077] 在步骤S13中，对所述待测量子态并进行测量以获得当前多比特门的固有保真度；在实施例中，藉由测量装置或测量设备对所述待测量子态并进行测量，接收所述待测量子
态并进行测量的目的是为了获得当前多比特门的固有保真度，所述测量模块为由多个测量
设备和设备构成的信号测量端。

[0078] 通过预设的测量方式对所述待测量子态进行当前多比特门的固有保真度，即当前交频信号下的多比特门的固有保真度。在本实施例中，所述预设的测量方式为X方向，Y方
向，及Z方向三个方向上的投影测量。在某些实施例中，所述预设的测量方式可以为RB
(Randomized Benchmarking)测量，断层扫描(Tomography)测量(请参阅D'Ariano，et 
al.Physical review letters 86.19(2001):4195.)，门集合断层扫描(Gate Set 
Tomography)测量(请参阅Greenbaum,et al.arXiv preprint arXiv:1509.02921
(2015).)，或者误差估计(Error  Mitigation)测量(请参阅Temme,Kristan et 
al.Physical review letters 119.18(2017):180509.)等，在本实施例中，优先选用RB
(Randomized Benchmarking)测量，容后详述。

[0079] 在步骤S14中，依据所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈进行再次操控。在一些实施例中，利用BFGS算法(即Broyden-Fletcher-
Goldfarb-Shanno，简称BFGS)或Global Search算法对所述初始微波序列进行优化处理，其
中，Global Search算法通过MATLAB软件系统实现。在本实施例中，优选选用BFGS算法对所
述初始微波序列进行优化处理。

[0080] 在步骤S15中，判断获得多比特门是否目标多比特门，也就是判断获得的优化微波序列是否最优控制参数序列{(An,Bn)}optimal，如果是，则结束所述方法的步骤，若否，则返回步骤S11中，将所述优化微波序列反馈至微波装置，经以上过程将经历多次重复输入、优化、反馈过程若干次，最后给出最优控制参数序列{(An,Bn)}optimal，最后达到最优调制效果，进而实现单次多比特门操作。

[0081] 在具体的实现方式中，所述反馈的操作可以通过包含软件和硬件的计算机设备来实现，可例如装载有本申请所述反馈功能的计算机程序的计算机来实现，所述计算机包括
但不限于服务器、台式电脑、或笔记本电脑等。

[0082] 在实施例中，本申请基于超导量子计算的多比特操控方法通过汉密顿量的演化来实现。所述哈密顿量为系统的能量算符，是一个描述系统总能量的算符，以H表示，则所述多比特操控系统的哈密顿量描述为：H＝H0+Hd+Hc。

[0083] 其中，H0可以看作超导传输子(Transmon)本身的哈密顿量； 其中，i表示为第i个超导传输子；ω表示为超导传输子对应频率，σz表示为z方向上的Pauli算符。
所述超导传输子(Transmon)本身的哈密顿量H0是固定的。

[0084] Hd可以看作所述交频信号调制下的哈密顿量， 其中，i表示为第i个交频信号；Ω表示为交频信号振幅，σx表示为x方向上的Pauli算符，σy表示为y方向上的Pauli算符。其中， 和 表示为交频信号，所述哈密顿量Hd是可调节或调制
的，本申请正式通过调节或调制所述哈密顿量Hd来实现多比特门的操控。

[0085] Hc可以看做超导传输子(Transmon)之间相互耦合的哈密顿量，在本申请所提供的实施例中，所述超导传输子(Transmon)之间相互耦合的哈密顿量Hc是也固定的，在本申请
的一实施例中，采用X-Y型耦合，即，对耦合哈密顿量近似到二阶，仅保留X-Y之间的耦合，忽略Z-Z之间的耦合；

[0086] 则

[0087] 其中，Jij表示为第i个和第j个超导传输子之间的耦合强度。

[0088] 在本申请中，通过所述交频信号来调节或调制所述哈密顿量Hd，即所述交频信号和 只作用在Hd上，依据所述超导量子装置中的多个串联结构的超导传输子(Transmon)
受同一信号的调制，因此 考虑到具体实施过程中，超导传输子
(Transmon)的制备可能存在的缺陷，在操控过程中不可避免的会产生泄露误差(leakage 
error)，泄露误差的产生是因为Qubit通常视作二能级系统，然而实际的超导传输子
(Transmon)会有更多的能级，当它跃迁到非计算机基能级上时，便产生了泄露误差。

[0089] 本申请提供的实施方式中采用DRAG最优控制法，关于DRAG最优控制法的描述可以参阅DOI:10.1103/PhysRevA.82.040305(Optimized driving of superconducting 
artificial atoms for improved single-qubit gates)。在本申请提供的实施例中，例如
在200ns或者150ns内时间范围内实现，通过DRAG控制法将所述交频信号比如以10ns或20ns
为单位拆分成信号的叠加形式，以确定交频信号的频率。

[0090] 所述DRAG最优控制法表示为 其中，A，B是待定参数，所述交频信号可以被表示为Ω(t)＝Ωx(t)cos(ωdt)+Ωy(t)sin(ωdt)，作用
的时间范围是-2σ～2σ，其中ωd为交频信号的频率；DRAG控制法可以很大程度上减少泄露
误差。在本实施例中，将交频信号分成不同时间段的DRAG信号，即Ωx,n(An,t)和Ωy,n(Bn,t)，n＝1,2,…,N，且每段信号的作用时间4σ(即作用的时间范围-2σ～2σ内)保持不变。初始情况下，将随机生成M组参数序列{(An,Bn)}1,{(An,Bn)}2,…,{(An,Bn)}M，并将输出给所述超导量子装置。在另一种实施例中，初始情况下，也可以藉由反馈预先生成一组随机的初始参数
序列，并将其传输给所述微波输入装置。

[0091] 在具体的实现过程中，所述不同的时间段可以依据具体的实施情况进行设定，比如为在150ns的范围内设定，通过DRAG控制法将所述交频信号比如以10ns为单位拆分成信
号的叠加形式，则所述微波输入装置将随机生成或者接收的外部优化参数设备生成的15组
参数序列{(An,Bn)}1,{(An,Bn)}2,…,{(An,Bn)}15，即n＝1，2，……15。但并不局限于此，在不同的实施环境或实施状态下，采用所述DRAG控制法对所述交频信号进行叠加处理时可以采
用拆分不同时间段以及不同拆分单位的以确定所述交频信号的频率。

[0092] 所述接收所述待测量子态并通过预设的测量方式对所述待测量子态进行当前多比特门的固有保真度，即当前交频信号下的多比特门的固有保真度。在本实施例中，所述预
设的测量方式为X方向，Y方向，及Z方向三个方向上的投影测量，例如所述测量采用
Randomized Benchmarking的方法测定当前控制信号下单次多比特门Ut的固有保真度
(intrinsic fidelity，i.e.，fidelity neglecting decoherence)，所述固有保真度由
表示，即 其中，Uideal是表示为本申请中的单次多比特门，ρ表示为
初始输入量子态。

[0093] 在给定信号作用时间4σ和频率的情况下，对于确定的参数序列{(An，Bn)}，可以获得当前多比特操作的固有保真度 即与目标多比特门的接近程度。

[0094] 在本实施例中，所述反馈在获得M组参数序列{(An,Bn)}1,{(An,Bn)}2，…，{(An，Bn)}M对应的固有保真度 后，利用所述BFGS算法对目标函数，即固有保真度
进行优化，从而获得最优控制下对应的参数序列，由此便实现了任
意量子多比特门的设计。

[0095] 为进一步阐述本申请基于超导量子计算的多比特操控方法的原理及功效，在一个实施例中，藉由本申请所述的系统实现的基于超导量子计算的多比特操控例如为以下步
骤：

[0096] 在物理底层中，将为多个串联结构的超导传输子(Transmon)通过上述Bus Coupling方案耦合在共面波导谐振器的共面波导谐振腔上，并将各所述超导传输子
(Transmon)制备到一种量子态，例如为基态： 将为基态： 的初始量子态及例如
为M组参数序列{(An，Bn)}1，{(An，Bn)}2，…，{(An，Bn)}M的初始微波序列以交频信号
的形式输出给所述超导量子设备；所述超导量
子设备经过对输入的初始初始量子态通过当前交频信号操控内置的多比特门后输出的待
测量子态，即所述依据接收的所述交频信号操控内置的多比特门并输出待测量子态给，然
后利用例如为Randomized Benchmarking的测量方法测量当前交频信号下的多比特门的保
真度，也就是遍历多量子比特对应的Cliffordn群中操作，并进行其逆操作，即
并遍历所有操作后对其求平均值，进而可以获得当前多比特门的固有保真度
然后，再利用所述BFGS算法对目标函数，即固有保真度
进行优化，之后将优化的结果提供给反馈输出，所述反馈输出依据
所述固有保真度进行计算生成优化微波序列，并将所述优化微波序列反馈给所述微波输入
端进行再次操控以获得目标多比特门，经以上过程将经历多次重复输入、优化、反馈过程若
干次，最后给出最优控制参数序列{(An，Bn)}optimal，最后达到最优调制效果，进而实现单次多比特门操作。

[0097] 请参阅图6，显示为本申请的基于超导量子计算的多比特操控方法在另一实施例中的流程图，如图所示，在另一个实施例中，所述方法还包括生成预设的初始微波序列的步
骤，所述预设的初始微波序列是经预优化处理的。通过预先生成的初始微波序列给所述微波
输入端，所述生成预设的初始微波序列是经预优化处理的，进而可以控制初始输入的始微波
序列样本，而进一步保证操作的准确性和高效性。在图6所示的实施例中，生成预设的初始微波序列的步骤S10在初始情况下随机生成M组参数序列{(An，Bn)}1，{(An,Bn)}2,…,{(An,Bn)}M，并将输出给所述微波输入端，以令所述微波输入端以交频信号
输出给所述超导量子设备对内置的多比特门进行操控。

[0098] 在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述方法还包括生成预设的初始微波序列的步骤，所述预设的初始微波序列是经预优化处理的。

[0099] 本申请基于超导量子计算的多比特操控方法使用共面波导谐振模块将多个超导传输子(Transmon)耦合起来，并通过简单的微波元器件对这些量子比特进行操控，同时反
馈数据并根据设计方案进行优化，获得最优控制(Optimal Control)参数，实现单次多比特
门操作。本申请提供的技术方案具有可拓展性高，保真度高，操作时间短的优点，应用场景
普遍，且成本较低。

[0100] 应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施
过程构成任何限定。

[0101] 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。

[0102] 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。

[0103] 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。

[0104] 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。

[0105] 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。

[0106] 上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。