CN113177641A - 一种量子比特控制脉冲的反馈优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种量子比特控制脉冲的反馈优化方法，属于量子计算技术领域，本发明所提出的技术方案：针对AWG的波形输出以一定间隔添加数据标记点(Marker)，通过调节各个Marker点处的振幅整形X门所对应的微波脉冲，同时对微波控制后的量子态进行重复读取，优化过程中的反馈信号为读取到量子态被翻转到|1>态的概率。本发明能够提高单量子比特控制保真度。

Description

一种量子比特控制脉冲的反馈优化方法

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种量子比特控制脉冲的反馈优化方法。

背景技术

量子计算的结果输出依赖于量子门序列对量子比特初态的操作，然而，由于对单个量子比特而言，作用于其上的量子门序列采用串行操作，因此，单个量子门所导致的错误将会累积到下一个量子门的输入。也就是说，量子计算输出结果的准确度将随操作中作用在单个量子比***操作的个数呈指数式下降。例如，假设某种单比特门操作的保真度为99.9％，那么作用了1000个相同的单比特门后最后结果的准确度大约仅有36.77％。而对于一般的量子算法而言，想得到有价值的计算结果一般需要对单个量子比特进行更高数量级的量子门操作。因此，量子门操作的保真度将对量子计算输出结果的准确性产生直接影响。

对于超导量子计算而言，单量子比特门的实现方式为，将IQ混频器的两端分别接到任意波形发生器(AWG)的两个输出通道上，利用AWG所输出的中频信号对IQ混频器本振端(local)所接入的微波信号进行调制，调制后的射频输出(RF)即可用于实现单量子比特门操作。然而，由于IQ混频器本身并非理想的器件，因此输出的RF信号与理想信号有一定差距，反应在频谱上即为在目标频率附近有一些杂散信号出现。而目前最常见的Transmon量子比特非谐性较弱，因此不理想的波形输出常导致向更高能级的泄露。此外，不理想的RF波形输出也导致无法校准出完美的控制波形。目前常采用的量子比特门保真度提高方案为一些解析方案，例如广泛使用的绝热导数修正方案(Drag)，可以降低量子比特向计算基矢以外希尔伯特空间的泄露。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种量子比特控制脉冲的反馈优化方法，通过波形修正可进一步提高单比特门保真度。

本发明的技术方案是：

针对单比特门操作的AWG的波形输出部分以一定间隔添加数据标记点(Marker)，通过调节各个Marker点处的振幅整形X门所对应的微波脉冲，同时对微波控制后的量子态进行重复读取，优化过程中的反馈信号为读取到量子态被翻转到|1>态的概率。

为了放大单个X门的误差，可将控制微波由单个X门扩展到奇数个X门操作。这种反馈优化方案除了可用于X门的优化外，还可扩展至Y门和X/2门、Y/2门，Y门实现思路与X门一致，X/2门和Y/2门只需将对应门操作的个数提升至2n个即可，其中n为正奇数。

考虑到一般AWG输出信号的采样率约为10⁹，即每1ns有一个采样点，因此在不考虑计算能力的限制条件时每一秒最多可设置10⁹个Marker点，采用此反馈优化方案可实现ns级别的信号微调。

另外，由于常用的Drag修正等解析方案本质上也属于波形整形方案，区别在于Drag修正为在AWG的输出中附加上原本输出信号的导数波形乘以振幅因子，因此所提出的此反馈优化方案其实完全覆盖了常用的Drag修正方案，理论上可以得到更高保真度下的单比特门操作。

具体步骤如下：

1)随机调节所选Marker点的振幅；

2)利用新波形对量子比特作用单比特门序列；

3)对量子比特状态进行读取，获取得到|1>的概率；

4)此次得到|1>的概率是否大于预设阀值，是则跳出循环；否则进行下一步；

5)此次得到|1>的概率是否大于上次得到|1>的概率，

是则将脉冲波形设置为此次调节后的新波形，重返步骤1)

否则将脉冲波形恢复成此次调节前的波形，重返步骤1)。

进一步的，

步骤5)中，对于首次波形修正而言，对比作用新波形和采用传统方法校准出的波形作用后测量得到|1>态的概率。

如果新波形得到|1>态的概率大于修正前，将AWG输出设置为新波形，进入步骤1)；如果新波形得到|1>态的概率不大于修正前，保持AWG输出为修正前，进入步骤1)。

本发明能够增加技术储备，孵化量子计算相关衍生产品。

附图说明

图1是量子比特控制脉冲反馈优化方案流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中，量子比特控制脉冲的反馈优化方案实现如下：

S1，选取一定的阈值a作为本次优化所要达到的目标阈值，a的选取通常要高于采用常规校准方案所能得到的最大保真度。选取一定的步长b作为本次优化中Marker点振幅迭代的步长，b的选取通常受到AWG输出振幅分辨率的限制；

S2，利用常规的单比特门校准方案校准出所需优化的AWG波形输出；

S3，以一定的间隔在AWG的输出波形中添加Marker点，Marker点的选取间隔通常受到AWG波形采样率和优化设备计算能力的限制；

S4，如附图1中的A步所示，以一定的步长b对所有选取的Marker点振幅进行随机修正。修正方案为生成由b、0、-b所组成的随机向量，向量长度与Marker点的个数一致，随后将对应Marker点的AWG波形振幅加上对应向量中的元素。例如，对于修正向量(b,b,-b,0,-b……)，将AWG第一个Marker点的振幅加上b、第二个Marker点的振幅加上b、第三个Marker点的振幅减去b、第四个Marker点的振幅保持不变、第五个Marker点的振幅减去b……直至对所有Marker点的振幅做了修正；

S5，将由新波形所组成的微波序列作用到量子比特上，对于X门和Y门而言可用由奇数个波形组成的序列来放大单个门所导致的误差，对于X/2门和Y/2门可用由2n个波形组成的序列来放大单个门所导致的误差，其中n为奇数；

S6，对量子比特做多次测量，对比S5作用新波形后对量子比特状态读取得到|1>的概率是否大于或等于预设的a，如果大于或等于a那么调出循环；如果小于a那么进入S7；

S7，对比S5作用新波形后与此次对波形修正前测量得到|1>态的概率，对于首次波形修正而言，对比作用新波形和采用传统方法校准出的波形作用后测量得到|1>态的概率；

S8，如果新波形得到|1>态的概率大于修正前，将AWG输出设置为新波形，进入S4；如果新波形得到|1>态的概率不大于修正前，保持AWG输出为修正前，进入S4.

以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种量子比特控制脉冲的反馈优化方法，其特征在于，

针对AWG的波形输出以间隔添加数据标记点即Marker点，通过调节各个Marker点处的振幅整形单比特门所对应的微波脉冲，同时对微波控制后的量子态进行重复读取，优化过程中的反馈信号为读取到量子态被翻转到|1>态的概率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

为了放大单个单比特门的误差，可将控制微波由单个单比特门扩展到奇数个单比特门操作。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

单比特门包括X门、Y门、X/2门或Y/2门。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

Y门实现思路与X门一致，X/2门和Y/2门只需将对应门操作的个数提升至2n个即可，其中n为正奇数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

AWG波形输出每一秒最多设置10⁹个Marker点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

具体步骤如下：

1)随机调节所选Marker点的振幅；

2)利用新波形对量子比特作用单比特门序列；

3)对量子比特状态进行读取，获取得到|1>的概率；

4)此次得到|1>的概率是否大于预设阀值，是则跳出循环；否则进行下一步；

5)此次得到|1>的概率是否大于上次得到|1>的概率，

是则将脉冲波形设置为此次调节后的新波形，重返步骤1)

否则将脉冲波形恢复成此次调节前的波形，重返步骤1)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

步骤5)中，对于首次波形修正而言，对比作用新波形和采用传统方法校准出的波形作用后测量得到|1>态的概率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

如果新波形得到|1>态的概率大于修正前，将AWG输出设置为新波形，进入步骤1)；如果新波形得到|1>态的概率不大于修正前，保持AWG输出为修正前，进入步骤1)。

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