CN110073372A - 量子比特多状态重置 - Google Patents
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Abstract
用于重置量子比特的装置和方法。在一个方面，一种装置包括量子比特，其中量子比特在具有第一通量不敏感点和第二通量不敏感点的量子比特频谱上操作。该装置还包括读出谐振器，其中读出谐振器在第一通量不敏感点和第二通量不敏感点中间的读出谐振器频率处操作。该装置还包括频率控制器，其被配置为控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率并且重置量子比特。
Description
背景技术
本说明书涉及量子计算。
重置量子比特是量子计算以及其他应用中的任务。
发明内容
本说明书描述了涉及量子硬件的技术和使用读出谐振器重置多个量子比特状态的方法。
通常，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以被实施在一种装置，该装置包括：量子比特，其中量子比特在具有第一通量不敏感点和第二通量不敏感点的量子比特频谱上操作；读出谐振器，其中读出谐振器在第一通量不敏感点和第二通量不敏感点中间的读出谐振器频率处操作；和频率控制器，被配置为控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率并且重置量子比特。
前述和其他实施方式可以每一个可选地单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。在一些实施方式中，频率控制器还被配置为控制量子比特的频率，以使在计算操作期间，量子比特在第一通量不敏感点或第二通量不敏感点处操作。
在一些实施方式中，量子比特包括非对称超导量子干涉设备(superconductingquantum interference device，SQUID)。
在一些实施方式中，量子比特频谱中的第一通量不敏感点和第二通量不敏感点的位置取决于SQUID的非对称因子。
在一些实施方式中，第一通量不敏感点的频率与第二通量不敏感点的频率的比率取决于SQUID的非对称因子。
在一些实施方式中，SQUID的非对称因子由下式给出
其中A表示非对称因子，R表示第一通量不敏感点的频率与第二通量不敏感点的频率的比率，并且A>1，R<1。
在一些实施方式中，为了相对于读出谐振器频率调整量子比特频率，频率控制器被配置为将量子比特频率设置在谐振器频率处或谐振器频率附近。
在一些实施方式中，在重置操作期间，频率控制器被配置为应用绝热交换(adiabatic swapping)以相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率。
在一些实施方式中，第一通量不敏感点低于第二通量不敏感点，并且其中，在计算操作期间，量子比特在较低通量不敏感点处操作。
在一些实施方式中，读出谐振器频率与第一通量不敏感点和第二通量不敏感点两者相距至少预定距离。
在一些实施方式中，量子比特是Xmon量子比特。
在一些实施方式中，读出谐振器在大约6.65GHz处操作。
在一些实施方式中，第一通量不敏感点大约在4.5GHz处，并且第二通量不敏感点大约在7.2GHz处。
本说明书中描述的主题的另一个创新方面可以被实施在一种装置，该装置包括：量子比特，其中该量子比特在量子比特频谱上的量子比特频率处操作；读出谐振器，其中读出谐振器在低于量子比特频率的读出谐振器频率处操作；频率控制器，被配置为控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率并且重置量子比特。
前述和其他实施方式可以每一个可选地单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。在一些实施方式中，该装置还包括珀塞尔滤波器，其中该珀塞尔滤波器以珀塞尔滤波器频率为中心。
在一些实施方式中，珀塞尔滤波器频率低于量子比特操作频率。
在一些实施方式中，珀塞尔滤波器频率约为4.5GHz。
在一些实施方式中，量子比特频谱包括大约4.5到6.5GHz之间的频率。
在一些实施方式中，读出谐振器在低于量子比特操作频率约1GHz的频率处操作。
在一些实施方式中，量子比特包括超导量子比特。
在一些实施方式中，为了相对于读出谐振器频率调整量子比特频率，频率控制器被配置为将量子比特频率设置在谐振器频率处或谐振器频率附近。
在一些实施方式中，在重置操作期间，频率控制器被配置为应用绝热交换以相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率以使量子比特被重置。
本说明书中描述的主题可以在特定实施例中实施，以便实现以下优点中的一个或多个。
为了实施量子比特重置，量子比特操作的频率可以置于相应的读出谐振器操作的频率处或相应的读出谐振器操作的频率附近。与测量和门反馈方法不同，通过将量子比特频率置于谐振器频率处或附近，可以同时重置所有量子比特状态。此外，将量子比特频率置于谐振器频率处或附近不需要任何反馈机制，并且与基于量子门的重置方法不同，不会将量子比特泄漏(leakage)传播到更高的状态。
在包括由对称超导量子干涉设备(SQUID)实现的超导量子比特的***中，量子比特操作的最高频率处于通量不敏感点。通量不敏感点是量子比特的频谱中的一个区域，用作去相位(dephasing)的资源。去相位的重要来源是通量噪声。通量噪声“抖动”量子比特频率(一定量，其量取决于量子比特对通量噪声的敏感度)，导致去相位。量子比特对通量噪声的敏感度降低，直到其在通量不敏感点达到最小值。因此，如果通量不敏感点位于读出谐振器操作的相应频率之上，则量子比特可能必须偏置远低于通量不敏感点。将量子比特偏置远低于通量不敏感点可能导致量子比特变得非常敏感，并且产生较差的去相位时间。
可替换地，如果读出谐振器操作的频率位于低于通量不敏感点，则可能必须考虑额外的因素。例如，与读出谐振器操作的频率不低于通量不敏感点的***相比，谐振器的热光子群可能更高--诱导去相位。最后，允许读出谐振器在标准频率处操作并且增加量子比特操作的频率，例如7-10GHz，导致对于工程师来说是不切实际的或甚至是不可行的***。
如本说明书中所描述的，使用非对称SQUID结来实施量子比特多状态重置的***实施非对称SQUID结方案以包括低于读出谐振器操作的频率的第二通量不敏感点。该***能够实现量子比特状态的快速重置，相关数据速率的增加(例如超过一百倍)，去相位几乎没有退化(degradation)，并且例如使用绝热交换向前兼容数据量子比特重置。例如，不执行量子比特多状态重置的其他***执行涉及算法或计算和状态重置的控制序列。该算法通常可以花费几微秒，并且在没有主动重置的情况下可靠地重置量子比特状态需要等待比相干时间长得多的时间，例如，相干时间的五倍。实施量子比特多状态重置的***避免了这些问题。
如本说明书中所描述的，使用低读出谐振器频率实施量子比特多状态重置的***实施了一种方案，其中读出谐振器操作的频率低于量子比特操作频率。通常，在高于读出谐振器操作的频率的频率处操作量子比特可以使得量子比特耦合到读出谐振器的更高模式。这反过来会导致增加的T1能量放缓(relaxation)。如本说明书中所述，使用低读出谐振器频率实施量子比特多状态重置的***使得量子比特在高于读出谐振器频率的频率下***作，与当在低于读出谐振器频率的频率处操作量子比特时能够相似的保护以免受环境影响。
如本说明书中所描述的，实施量子比特多状态重置的***可用于在量子计算中执行容错纠错以防止相关误差，从而提高了所述量子计算和执行所述量子计算的***的准确性和可靠性。
如本说明书中所描述的，实施量子比特多状态重置的***使得计算中涉及的量子比特能够在计算期间被可靠地再循环。例如，如本说明书中描述的不实施量子比特多状态重置的***中，通常丢弃附属(ancilla)量子比特。可是，在本说明书中描述的***中，可以初始化附属量子比特并在计算中再次使用附属量子比特。此外，与其他***不同，量子比特回收不依赖于测量保真度和反馈时间。
在附图和以下描述中阐述了本说明书的主题的一个或多个实施方式的细节。根据说明书，附图和权利要求，本主题的其他特征，方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1A描绘了使用非对称SQUID执行量子比特多状态重置的示例***。
图1B描绘了使用低频率读出谐振器执行量子比特多状态重置的示例***。
图1C描绘了用于执行量子比特多状态重置的示例电路图。
图1D描绘了用于使用低频率读出谐振器执行量子比特多状态重置的示例电路图。
图2是对称和非对称SQUID的频率与通量的关系的图示。
图3是对称和非对称SQUID的通量敏感度的图示。
图4A是示出经由S参数将量子比特耦合到包括低频率谐振器的环境的图示。
图4B是示出耦合到包括低频率谐振器的环境的量子比特的质量速率的图示。
图5是用于使用非对称结方案执行量子比特多状态重置的示例过程的流程图。
图6是用于使用低频率读出谐振器方案执行量子比特多状态重置的示例过程的流程图。
各附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。
具体实施方式
说明书描述了用于重置量子比特的多个状态的架构和方法。在一些情况下，该架构包括由非对称超导量子干涉设备(SQUID)实现的量子比特，其提供量子比特频谱的两个通量不敏感点和在两个通量不敏感点中间的频率处操作的读出谐振器。在其他情况下，该架构包括由SQUID实现的量子比特和在低于量子比特操作频率的频率处操作的读出谐振器。在这两种情况下，通过将量子比特置于读出谐振器的谐振处或附近来实现量子比特重置。
示例操作环境
图1A描绘了用于执行量子比特多状态重置的示例***100。***100包括量子比特102、读出谐振器104和频率控制器106。读出谐振器104和频率控制器106与量子比特102相互作用。为方便起见，图1A中示出了一个量子比特102和一个读出谐振器，但是在一些实施方式中，***100可以包括多个量子比特和多个读出谐振器。
在一些实施方式中，量子比特102可以是超导量子比特，例如Xmon量子比特。例如，量子比特102可以由超导量子干涉设备(SQUID)实现。量子比特102包括一组量子比特等级，例如，两个计算量子比特等级0-、1-和一个或多个非计算等级，每个非计算等级高于计算量子比特等级。量子比特等级之间的转换(例如，从等级0-到1-、1-到2-、2-到3-等的转换)可以与相应的转换频率相关联。计算量子比特等级0-和1-是用于执行计算操作的量子比特等级，如下所述。因此，在特定频率处操作量子比特可以描述使用特定频率促进计算量子比特等级之间的转换，例如，使用微波脉冲来诱导从0-到1-或从-1到0-的转换。可以用于操作量子比特的频率范围可以说是形成频谱。
量子比特102可以是频率可调谐的，即，诱导计算量子比特等级之间的转换的频率可以是可控的。如上所述，在一些实施方式中，量子比特102可以是超导量子比特并且由SQUID实现。在这些实施方式中，量子比特102的频率可以经由调谐流过SQUID的电流来调谐的，例如通过将外部磁通量应用到SQUID。在一些实施方式中，量子比特频率对可调谐的电流的依赖性可以由余弦的平方根给出。
量子比特的频谱可以包括一个或多个通量不敏感点。通量不敏感点是量子比特可以在对用于将量子比特的频率调谐到例如一阶的电流的变化不敏感的情况下以其操作或在其上操作的频谱中的点或区域。量子比特102的频谱108包括多个通量不敏感点，例如，通量不敏感点110a和通量不敏感点110b。在一些实施方式中，第一通量不敏感点110a可以对应于约4.5GHz的频率。在一些实施方式中，第二通量不敏感点110b可以对应于约7.2GHz的频率。下面参考图2说明示例通量不敏感点。
如上所述，在一些实施方式中，量子比特102可以由SQUID实现。在这些实施方式中，SQUID可以是非对称SQUID。非对称SQUID包括在超导环路中并联的两个约瑟夫森结。电流I进入SQUID并且分成具有各自的结临界电流I1和I2的两个路径。非对称SQUID是其各自的结临界电流I1和I2不相等(即I1≠I2)的SQUID。
量子比特频谱108的通量不敏感点(例如，通量不敏感点110a和通量不敏感点110b)的位置可以取决于非对称SQUID的非对称因子。例如，给定具有结临界电流I1和I2的SQUID，相应的临界电流可以导出作为应用的磁通量Φ的函数。作为第一步，可以使用以下等式确定：
φ12(a)＝φ12(b)
定义
给出
以及
对于非对称SQUID，对于两个感兴趣区域(即通量不敏感点，例如通量不敏感点110a和110b)，可以求解上述。这些点可以位于Φ/Φ0＝0,1/2。
当Φ/Φ0＝0时，临界电流IC SQUID可由下式给出：
IC SQUID＝I1+I2.
当Φ/Φ0＝1/2时，临界电流IC SQUID可由下式给出：
IC SQUID＝I1cos(φavg)I2cos(φavg)
在一些实施方式中，取决于SQUID的非对称因子，可设计第一通量不敏感点(例如，通量不敏感点110a)的频率与第二通量不敏感点(例如，通量不敏感点110b)的频率的比率R，如下面的等式(1)所示。
在等式(1)中，fmin表示第一通量不敏感点的频率，fmax表示第二通量不敏感点的频率，并且假设量子比特操作的频率与临界电流的平方根成比例。
在一些实施方式中，SQUID的非对称因子A可以由下面的等式(2)给出。
在等式(2)中，A表示非对称因子，R表示第一通量不敏感点的频率与第二通量不敏感点的频率的比率，并且假设A>1,R<1，并且I1>I2。
如上所述，在一些实施方式中，可以设计量子比特102，以使第一通量不敏感点110a位于4.5GHz，第二通量不敏感点110b位于7.2GHz。使用等式(1)，第一通量不敏感点的频率与第二通量不敏感点的频率的比率R等于R＝0.625。使用等式(2)，SQUID的非对称因子A等于A＝2.28。下面参考图2示出了具有非对称因子A＝2.28的SQUID的示例通量不敏感点。
量子比特102可用于执行计算操作，例如算法运算或量子计算。在计算操作期间，量子比特102在对应于通量不敏感点的频率处操作。例如，在一些实施方式中，量子比特102可以在对应于最低频率的通量不敏感点(例如，通量不敏感点110a)处操作。
量子比特102可以经历重置操作，例如，将量子比特102恢复到其基态的操作。在重置操作期间，量子比特102在与读出谐振器操作的频率相对应的频率处操作。在一些实施方式中，在读出谐振器操作的频率处操作量子比特102包括越过读出谐振器操作的频率扫描量子比特操作的频率以执行向下量子比特等级转换，即执行多状态量子比特重置。下面参考图5更详细地描述执行量子比特重置操作。
读出谐振器104在读出谐振器频率处操作。在一些实施方式中，读出谐振器频率是位于对应于通量不敏感点110a和110b的频率之间的频率。例如，如上所述，在一些实施方式中，第一通量不敏感点110a可以对应于约4.5GHz的频率，并且第二通量不敏感点110b可以对应于约7.2GHz的频率。在该示例中，读出谐振器可以在约6.65GHz的读出谐振器频率处操作。在一些实施方式中，读出谐振器频率可以与第一通量不敏感点110a和第二通量不敏感点110b两者相距至少预定距离，以使在计算操作期间不发生不期望的量子比特重置。
频率控制器106被配置为控制量子比特102的频率。频率控制器106控制量子比特102的频率，以使在重置操作期间，可以相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率，以便于量子比特重置。例如，频率控制器106可以被配置为将量子比特操作102的频率置于谐振器频率处或谐振器频率附近。在一些实施方式中，频率控制器可以应用绝热交换以相对于读出谐振器104操作的频率调整量子比特操作的频率，以便于量子比特重置。下面参考图4和5更详细地描述使用频率控制器执行量子比特多状态重置。
图1B描绘了使用低频率读出谐振器执行量子比特多状态重置的示例***110。***110包括量子比特112、读出谐振器114和频率控制器116。读出谐振器114和频率控制器116与量子比特112相互作用。例如，读出谐振器114和量子比特112可以通过电容耦合相互作用。为方便起见，图1B中示出了一个量子比特112和一个读出谐振器114，然而在一些实施方式中，***110可以包括多个量子比特和多个读出谐振器。
在一些实施方式中，量子比特112可以是超导量子比特，例如，Xmon量子比特。例如，量子比特112可以由超导量子干涉设备(SQUID)实现。量子比特112包括一组量子比特等级，例如，两个计算量子比特等级0-、1-和一个或多个非计算等级，每个非计算等级高于计算量子比特等级。量子比特等级之间的转换(例如，从等级0-到1-、1-到2-、2-到3-等的转换)可以与相应的转换频率相关联。
计算量子比特级0-和1-是用于执行计算操作的量子比特等级，例如算法运算或量子计算。在特定频率处操作量子比特可以描述使用特定频率促进计算量子比特等级之间的转换，例如，使用微波脉冲来诱导从0-到1-或从-1到0-的转换。可以用于操作量子比特的频率范围可以说是形成频谱。在一些实施方式中，量子比特频谱包括大约4.5GHz和6.5GHz之间的频率。
量子比特112可以经历重置操作，例如，将量子比特112恢复到其基态的操作。在重置操作期间，量子比特112在与读出谐振器操作的频率相对应的频率处操作。在一些实施方式中，在读出谐振器操作的频率处操作量子比特112包括越过读出谐振器操作的频率扫描量子比特操作的频率以执行向下量子比特等级转换，即执行多状态量子比特重置。下面参考图6更详细地描述执行量子比特重置操作。
量子比特112可以是频率可调谐的，即，诱导计算量子比特等级之间的转换的频率可以是可控的。如上所述，在一些实施方式中，量子比特112可以是超导量子比特并且由SQUID实现。在这些实施方式中，量子比特112的频率可以经由调谐流过SQUID的电流来调谐的，例如通过将外部磁通量应用到SQUID。在一些实施方式中，量子比特频率对可调谐的电流的依赖性可以由余弦的平方根给出。
读出谐振器114在读出谐振器频率处操作。在一些实施方式中，读出谐振器频率是低于量子比特操作频率的频率。例如，读出谐振器可以在比量子比特操作频率低约1GHz的读出谐振器频率处操作。在一些实施方式中，读出谐振器可以在4.5GHz处操作。
可选地，***110可以包括珀塞尔滤波器。珀塞尔滤波器可以耦合到读出谐振器114，例如，通过经由电压分接头实现的电感耦合。珀塞尔滤波器可以以珀塞尔滤波器频率为中心。在一些实施方式中，珀塞尔滤波器频率也可以低于量子比特操作频率。
频率控制器116被配置为控制量子比特112的频率。频率控制器116控制量子比特112的频率，以使在重置操作期间，可以相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率，以便于量子比特重置。例如，频率控制器116可以被配置为将量子比特112操作的频率置于谐振器频率处或谐振器频率附近。在一些实施方式中，频率控制器可以应用绝热交换以相对于读出谐振器114操作的频率调整量子比特操作的频率，以便于量子比特重置。下面参考图6更详细地描述使用频率控制器执行量子比特多状态重置。频率控制器116还可以被配置为控制量子比特112的频率，使得在计算操作期间，量子比特在频谱中的量子比特操作频率处操作。
图1C描绘了用于执行量子比特多状态重置的示例电路的图120。例如，示例电路图120可以分别实现上面参考图1A和1B描述的示例***100和110。
图120包括量子比特122，例如，transmon量子比特。量子比特122可以电容耦合到谐振器124。谐振器124可以电感耦合到具有例如Q≈30的带通珀塞尔滤波器128。谐振器124可以由连接到滤波器128的任意波形发生器(arbitrary waveform generator，AWG)130驱动。分散的光子可以通过低噪声、其也可以连接到滤波器128的阻抗匹配的参量放大器(impedance matched parametric amplifier，IMPA)126来测量。
图1D描绘了用于使用低频率读出谐振器执行量子比特多状态重置的示例电路的图150。例如，示例电路图150可以实现上面参考图1B描述的示例***110。
示例电路图150包括量子比特152。量子比特152可以例如通过电容耦合被耦合到谐振器154。谐振器154可以例如通过电感耦合被耦合到珀塞尔滤波器156。在一些实施方式中，珀塞尔滤波器可以是λ/2(lambda/2)珀塞尔滤波器。仅出于说明性目的，图150包括电路参数的示例值。在一些实施方式中，可使用与图1D中所示的电路参数不同的电路参数的值。
图2是由超导量子干涉设备(SQUID)实现的量子比特的频率与通量的关系的图示200，如上面参考图1A所述。图示200的x轴表示应用于量子比特的磁通量Φ/Φ0。图示200的y轴表示量子比特操作的归一化频率。图示200示出了量子比特频率与磁通量的关系的两个不同的示例曲线，即曲线202和204。
示例曲线202示出了对称SQUID的量子比特频率与磁通量的关系，例如，其非对称因子A＝1.0的SQUID。曲线202示出由对称SQUID实现的量子比特包括一个通量不敏感点或区域，例如对应于零磁通量的点206。
示例曲线204示出了非对称SQUID的量子比特频率与磁通量的关系，例如，其非对称因子A＝2.28的SQUID。曲线204示出由非对称SQUID实现的量子比特包括两个通量不敏感的点或区域，例如，对应于零磁通量的点206和对应于等于0.5的磁通量的点208。
图3是由超导量子干涉设备(SQUID)实现的量子比特的通量敏感度的图示300，如上面参考图1A所述。图示300的x轴表示量子比特操作的以GHz为单位的频率。图示300的y轴表示量子比特的通量敏感度。图示300示出了量子比特通量敏感度的两个不同的示例曲线，即曲线302和304。
示例曲线302示出了由对称SQUID实现的量子比特的通量敏感度，例如，其非对称因子A＝1.0的SQUID。曲线302示出5.8-5.3GHz的频率区域提供通量敏感度<6.0。
示例曲线304示出了由非对称SQUID实现的量子比特的通量不敏感度，例如，其非对称因子A＝2.28的SQUID。
图4A是示出经由S参数(散射参数)将量子比特耦合到包括低频率谐振器的环境的示例图示400。例如，量子比特可以耦合到包括读出谐振器和珀塞尔滤波器的环境，如上面参考图1B和1D所述。
示例图示400包括表示以GHz为单位的量子比特频率的x轴，以及表示分贝的y轴。该图示绘制了从第三量子比特等级到第一量子比特等级的转换402。该图示还绘制了从第三量子比特等级到第二量子比特等级的转换404。该图示还绘制了从第二量子比特等级到第一量子比特等级的转换406。当量子比特频率在4GHz和6GHz之间(即在量子比特操作频率)时，曲线402、404和406中的每一个都示出低信号强度。该图示出了量子比特被很好地保护免受环境影响，例如，量子比特不耦合到读出谐振器的更高模式。
图4B是示出耦合到包括低频率谐振器的环境的量子比特的质量值的示例图示450。例如，量子比特可以耦合到包括读出谐振器和珀塞尔滤波器的环境，如上面参考图1B和1D所述。
示例图示450包括表示量子比特频率的x轴，以及表示量子比特的质量值(Q值)的y轴。示例图示450示出Q值在较高量子比特频率侧比较低量子比特频率侧更快地达到10^7的目标值，因此示出了低频率谐振器***，例如，上面参考图1B和1D描述的，与高频率谐振器***(即其操作频率高于量子比特操作频率、包括读出谐振器的***)相比即使功能不是更好。
编程硬件
图5是用于使用非对称结方案执行量子比特多状态重置的示例过程的流程图。例如，过程500可以由上面参考图1A描述的***100的频率控制器106执行。为方便起见，过程500被描述为重置单个量子比特。然而，对于包括多个量子比特的***可以并行地执行过程500。
***访问量子***(步骤502)。量子***可以包括量子比特和读出谐振器，例如上面参考图1A描述的量子比特102和读出谐振器104。量子比特在具有第一通量不敏感点和第二通量不敏感点的量子比特频谱上操作。读出谐振器在第一通量不敏感点和第二通量不敏感点中间的读出谐振器频率处操作。在一些实施方式中，读出谐振器频率可以与第一通量不敏感点和第二通量不敏感点两者相距至少预定距离。
如上面参考图1A所述，在一些实施方式中，量子比特可以通过非对称超导量子干涉设备(SQUID)来实现。量子比特频谱中的第一通量不敏感点和第二通量不敏感点的位置可取决于SQUID的非对称因子。例如，在一些实施方式中，第一通量不敏感点的频率与第二通量不敏感点的频率的比率取决于SQUID的非对称因子。SQUID的非对称因子可以由下面的等式(3)给出。
在等式(3)中，A表示非对称因子，R表示第一通量不敏感点的频率与第二通量不敏感点的频率的比率，并且A>1，R<1。
***控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于读出谐振器调整量子比特的频率，并且重置量子比特(步骤504)。在一些实施方式中，***可以通过将量子比特频率置于谐振器频率处或附近来相对于读出谐振器频率调整量子比特频率。例如，***可以应用绝热交换以相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率以使量子比特被重置。
如上面参考图1A所述，量子比特可以在量子计算中有效或被提供用于量子计算。在这样的设置中，步骤502和504可以在量子计算期间重复执行，例如，在与量子计算中的计算操作相关联的测量操作之后立即执行。
图6是用于使用非对称结方案执行量子比特多状态重置的示例过程的流程图。例如，过程600可以由上面参考图1B描述的***110的频率控制器116执行。为方便起见，过程600被描述为重置单个量子比特。然而，对于包括多个量子比特的***可以并行地执行过程600。
***访问量子***(步骤602)。量子***可以包括量子比特和读出谐振器，例如上面参考图1B描述的量子比特112和读出谐振器114。量子比特在频谱上的量子比特操作频率处操作。如上面参考图1B所述，在一些实施方式中，量子比特可以是超导量子比特，例如，如由超导量子干涉设备(SQUID)所实现的。读出谐振器在低于量子比特操作频率的读出谐振器频率处操作。在一些实施方式中，量子***还包括以其也低于量子比特操作频率的珀塞尔滤波器频率为中心的珀塞尔滤波器。
***控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率，以使量子比特被重置(步骤604)。在一些实施方式中，***可以通过将量子比特频率置于谐振器频率处或附近来相对于读出谐振器频率调整量子比特频率。例如，***可以应用绝热交换以相对于读出谐振器频率调整量子比特的频率以使量子比特被重置。
如上面参考图1A所述，量子比特可以在量子计算中有效或被提供用于量子计算。在这样的设置中，步骤602和604可以在量子计算期间重复执行，例如，在与量子计算中的计算操作相关联的测量操作之后立即执行。
本说明书中描述的数字和/或量子主题以及数字功能操作和量子操作的实施例可以在数字电子电路，合适的量子电路或更一般地，量子计算***，有形实施的数字和/或量子计算机软件或固件，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物或者它们中的一个或多个的组合的数字和/或量子计算机硬件中实施。术语“量子计算***”可以包括但不限于量子计算机、量子信息处理***、量子加密***或量子模拟器。
本说明书中描述的数字和/或量子主题的实施例可以实施为一个或多个数字和/或量子计算机程序，即，在有形非暂时性存储介质上编码的一个或多个数字和/或量子计算机程序指令模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。数字和/或量子计算机存储介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、随机或串行存取存储器设备、一个或多个量子比特、或它们中的一个或多个的组合。可替代地或额外地，程序指令可以对能够编码数字和/或量子信息的人工生成的传播信号(例如机器生成的电、光或电磁信号)编码，其被生成以编码数据和/或量子信息以用于传输到合适的接收器装置以由数据处理装置运行。
术语量子信息和量子数据是指由量子***承载、保持或存储的信息或数据，其中最小的有意义的***是量子比特，即定义量子信息单元的***。应理解，术语“量子比特”包括可在相应的上下文中适当地近似为两级***的所有量子***。这种量子***可以包括多级***，例如，具有两个或多个等级。举例来说，这种***可包括原子、电子、光子、离子或超导量子比特。在许多实施方式中，计算基础状态用基态和第一激发状态识别，但是应当理解，其中计算状态用较高等级激发状态识别的其他设置是可能的。
术语“数据处理装置”指的是数字和/或量子数据处理硬件，并且包括用于处理数字和/或量子数据的所有类型的装置、设备和机器，包括例如可编程数字处理器，可编程量子处理器，数字计算机，量子计算机，或多个数字和量子处理器或计算机，以及它们的组合。该装置还可以或者进一步包括专用逻辑电路，例如FPGA(field programmable gate arra，现场可编程门阵列)，或ASIC(application-specific integrated circui，专用集成电路)，或量子模拟器，即被设计用于模拟或产生关于特定量子***的信息的量子数据处理装置。特别是，量子模拟器是一种特殊用途的量子计算机，它不具备执行通用量子计算的能力。除了硬件之外，该装置还可以包括为数字和/或量子计算机程序创建运行环境的代码，例如，构成处理器固件的代码、协议栈、数据库管理***、操作***或它们中一个或多个的组合。
也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用程序，模块、软件模块、脚本或代码的数字计算机程序可以用包括编译或解释语言、或声明或程序语言的任何形式的编程语言编写，并且它可以以包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序或适用于数字计算环境的其他单元的任何形式部署。也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用程序、模块、软件模块、脚本或代码的量子计算机程序，可以以包括编译或解释语言、或声明或程序语言的任何形式的编程语言编写，并且被翻译成合适的量子编程语言，或者可以用量子编程语言编写，例如QCL或Quipper。
数字和/或量子计算机程序可以但不必对应于文件***中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中，例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本、专用于所讨论的程序的单个文件中、或者存储在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。可以部署数字和/或量子计算机程序以在一个数字或一个量子计算机上或在位于一个站点或跨多个站点分布并通过数字和/或量子数据通信网络互连的多个数字和/或量子计算机上执行。量子数据通信网络被理解为可以使用量子***传输量子数据的网络，例如，量子比特。通常，数字数据通信网络不能传输量子数据，然而量子数据通信网络可以传输量子数据和数字数据。
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程数字和/或量子计算机执行，适当地与一个或多个数字和/或量子处理器一起操作，运行一个或多个数字和/或量子计算机程序以通过对输入数字和量子数据进行操作并生成输出来执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路(例如FPGA或ASIC)、量子模拟器、或者通过专用逻辑电路或量子模拟器的组合以及一个或多个编程的数字和/或量子计算机来实现执行，并且装置也可以实施为专用逻辑电路(例如FPGA或ASIC)、量子模拟器、或者通过专用逻辑电路或量子模拟器的组合以及一个或多个编程的数字和/或量子计算机。
对于“被配置为”执行特定操作或动作的一个或多个数字和/或量子计算机的***意味着***已经在其上安装了软件、固件、硬件或它们的组合，其在操作中使得***执行操作或动作。对于被配置为执行特定操作或动作的一个或多个数字和/或量子计算机程序，意味着一个或多个程序包括当由数字和/或量子数据处理装置执行时使装置执行操作或动作的指令。量子计算机可以从数字计算机接收指令，该指令在由量子计算装置运行时使装置执行操作或动作。
适用于执行数字和/或量子计算机程序的数字和/或量子计算机可以基于通用或专用数字和/或量子微处理器或两者，或任何其他类型的中央数字和/或量子处理单元。通常，中央数字和/或量子处理单元将从只读存储器、或随机存取存储器、或适合于发送量子数据(例如，光子或其组合)的量子***接收指令和数字和/或量子数据。
数字和/或量子计算机的基本元件是用于执行或运行指令的中央处理单元以及用于存储指令和数字和/或量子数据的一个或多个存储器设备。中央处理单元和存储器可以由专用逻辑电路或量子模拟器补充或并入其中。通常，数字和/或量子计算机还将包括或可操作地耦合以从用于存储数字和/或量子数据的一个或多个大容量存储设备(例如磁性、磁光盘或光盘、或适用于存储量子信息的量子***)接收数字和/或量子数据、或将数字和/或量子数据递送到用于存储数字和/或量子数据的一个或多个大容量存储设备(例如磁性、磁光盘或光盘、或适用于存储量子信息的量子***)，或两者。然而，数字和/或量子计算机不需要具有这样的设备。
适用于存储数字和/或量子计算机程序指令以及数字和/或量子数据的数字和/或量子计算机可读介质包括所有形式的非易失性数字和/或量子存储器、介质和存储器设备，包括作为示例，半导体存储设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；和CD-ROM和DVD-ROM盘；和量子***，例如被捕获的原子或电子。可以理解，量子存储器是能够以高保真度和高效率长时间存储量子数据的设备，例如，光用于传输的光物质界面和用于存储和保存量子数据的量子特征的物质，诸如叠加或量子相干。
本说明书中描述的各种***或其部分的控制可以在包括存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上的指令的数字和/或量子计算机程序产品中实施，并且可以在一个或多个数字和/或量子处理设备上运行。本说明书中描述的***或它们的部分可以每个实施为装置、方法或可以包括一个或多个数字和/或量子处理设备和用于存储执行本说明书中描述的操作的可执行指令的存储器的电子***。
虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为对可要求保护的范围的限制，而是作为可能特定于特定实施例的特征的描述。在单独实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施例中实施。此外，尽管上面的特征可以描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下可以从组合中切除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变化。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种***模块和组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和***通常可以集成在单个软件产品中或打包成多个软件产品。
已经描述了主题的特定实施例。其他实施例在以下权利要求的范围内。例如，权利要求中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或顺序顺序来实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。
Claims (37)
1.一种装置，包括：
量子比特，其中所述量子比特在具有第一通量不敏感点和第二通量不敏感点的量子比特频谱上操作；
读出谐振器，其中所述读出谐振器在所述第一通量不敏感点和所述第二通量不敏感点中间的读出谐振器频率处操作；
频率控制器，被配置为控制所述量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率并且重置所述量子比特。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述频率控制器还被配置为控制所述量子比特的频率，以使在计算操作期间，所述量子比特在所述第一通量不敏感点或所述第二通量不敏感点处操作。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述量子比特包括非对称超导量子干涉设备SQUID。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述量子比特频谱中的所述第一通量不敏感点和所述第二通量不敏感点的位置取决于所述SQUID的非对称因子。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一通量不敏感点的频率与所述第二通量不敏感点的频率的比率取决于所述SQUID的非对称因子。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述SQUID的非对称因子由下式给出
其中A表示非对称因子，R表示所述第一通量不敏感点的频率与所述第二通量不敏感点的频率的比率，并且A>1，R<1。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，为了相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特频率，所述频率控制器被配置为将所述量子比特频率设置在谐振器频率处或谐振器频率附近。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，在重置操作期间，所述频率控制器被配置为应用绝热交换以相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一通量不敏感点低于所述第二通量不敏感点，并且其中，在计算操作期间，所述量子比特在较低通量不敏感点处操作。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述读出谐振器频率与所述第一通量不敏感点和所述第二通量不敏感点两者相距至少预定距离。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述量子比特是Xmon量子比特。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述读出谐振器在大约6.65GHz处操作。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一通量不敏感点大约在4.5GHz处，并且所述第二通量不敏感点大约在7.2GHz处。
14.一种重置量子比特的方法，该方法包括：
访问装置，所述装置包括：
量子比特，其中所述量子比特在具有第一通量不敏感点和第二通量不敏感点的量子比特频谱上操作；
读出谐振器，其中所述读出谐振器在所述第一通量不敏感点和所述第二通量不敏感点中间的读出谐振器频率处操作；
频率控制器，被配置为控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率并且重置所述量子比特；和
控制所述量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于所述读出谐振器调整所述量子比特的频率并且重置所述量子比特。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括控制所述量子比特的频率，以使在计算操作期间，所述量子比特在所述第一通量不敏感点或所述第二通量不敏感点处操作。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述量子比特包括非对称超导量子干涉设备SQUID。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述量子比特频谱中的所述第一通量不敏感点和所述第二通量不敏感点的位置取决于所述SQUID的非对称因子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一通量不敏感点的频率与所述第二通量不敏感点的频率的比率取决于所述SQUID的非对称因子。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述SQUID的非对称因子由下式给出
其中A表示非对称因子，R表示所述第一通量不敏感点的频率与所述第二通量不敏感点的频率的比率，并且A>1，R<1。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，控制所述量子比特的频率以使在重置操作期间相对于所述读出谐振器调整所述量子比特的频率包括将所述量子比特频率置于谐振器频率处或谐振器频率附近。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，控制所述量子比特的频率以使在重置操作期间相对于所述读出谐振器调整所述量子比特的频率包括应用绝热交换以相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率以使所述量子比特被重置。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一通量不敏感点低于所述第二通量不敏感点，并且其中，在计算操作期间，所述量子比特在较低通量不敏感点处操作。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，所述读出谐振器频率与所述第一通量不敏感点和所述第二通量不敏感点两者相距至少预定距离。
24.一种装置，包括：
量子比特，其中所述量子比特在量子比特频谱上的量子比特频率处操作；
读出谐振器，其中所述读出谐振器在低于所述量子比特频率的读出谐振器频率处操作；
频率控制器，被配置为控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率并且重置所述量子比特。
25.根据权利要求1所述的装置，还包括珀塞尔滤波器，其中所述珀塞尔滤波器以珀塞尔滤波器频率为中心。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述珀塞尔滤波器频率低于量子比特操作频率。
27.根据权利要求26所述的装置，其中，所述珀塞尔滤波器频率约为4.5GHz。
28.根据权利要求24所述的装置，其中，所述量子比特频谱包括大约4.5到6.5GHz之间的频率。
29.根据权利要求24所述的装置，其中，所述读出谐振器在低于所述量子比特操作频率约1GHz的频率处操作。
30.根据权利要求24所述的装置，其中，所述量子比特包括超导量子比特。
31.根据权利要求24所述的装置，其中，为了相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特频率，所述频率控制器被配置为将所述量子比特频率设置在谐振器频率处或谐振器频率附近。
32.根据权利要求24所述的装置，其中，在重置操作期间，所述频率控制器被配置为应用绝热交换以相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率以使所述量子比特被重置。
33.一种重置量子比特的方法，该方法包括：
访问装置，所述装置包括：
量子比特，其中所述量子比特在量子比特频谱上的量子比特操作频率处操作；
读出谐振器，其中所述读出谐振器在低于所述量子比特操作频率的读出谐振器频率处操作；
频率控制器，其控制量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率以使所述量子比特被重置；和
控制所述量子比特的频率，以使在重置操作期间，相对于所述读出谐振器调整所述量子比特的频率并且重置所述量子比特。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述装置还包括珀塞尔滤波器，其中所述珀塞尔滤波器以珀塞尔滤波器频率为中心。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述珀塞尔滤波器频率低于所述量子比特操作频率。
36.根据权利要求33所述的方法，其中相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特频率包括将所述量子比特频率设置在谐振器频率处或谐振器频率附近。
37.根据权利要求33所述的方法，其中，在重置操作期间，所述频率控制器应用绝热交换以相对于所述读出谐振器频率调整所述量子比特的频率以使所述量子比特被重置。
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