CN116415668B - 量子比特的波形校准方法、装置及量子计算机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子比特的波形校准方法、装置及量子计算机控制系统。该波形校准方法用于多个量子比特的磁通调控线路，包括：从多个量子比特中选择一个量子比特作为目标量子比特；测量目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数；选择与目标量子比特的磁通调控线路的结构一致的量子比特作为待校准量子比特；利用线路畸变效应参数校准待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形。通过上述方式，本发明由于不需要对每一个量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数进行测量，从而能够大幅降低波形校准的时间成本，可以大大提高未来的大规模量子计算芯片的测量效率。

Description

量子比特的波形校准方法、装置及量子计算机控制系统

技术领域

本发明涉及量子计算领域，特别是涉及一种量子比特的波形校准方法、装置及量子计算机控制系统。

背景技术

量子比特耦合连接有磁通调控线路，磁通调控线路上的信号用于调控量子比特的频率。量子比特的磁通调控线路通常设有Bias Tee(偏置器)、RC滤波器、衰减器等元器件，这些元器件的存在使得磁通调控线路不是一个理想的线路，因此从AWG(任意波形发生器，Arbitrary Waveform Generator)输出的电压波形到达量子比特的时候，发生了波形畸变。在进行两比特门操作的时候，需要先后向磁通调控线路施加一个电压波形，那么前一个电压波形的波形畸变就会影响到后一个电压波形，使得后一个两比特门操作精度下降。因此，需要对每个量子比特的磁通调控线路待输入电压波形进行波形校准，以消除波形畸变。

进行波形校准的前提是需要获得磁通调控线路的线路畸变效应参数，线路畸变效应参数决定了波形畸变的产生。因此，进行波形校准之前需要先测量量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数。但是线路畸变效应参数的测量非常耗时。在未来的大规模量子计算芯片上，量子计算芯片拥有更多数量的量子比特，如果每个量子比特都单独进行一次线路畸变效应参数测量，那么波形校准的时间成本将会非常高。因此，急需一种波形校准方法来降低时间成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子比特的波形校准方法、装置及量子计算机控制系统，以解决现有技术中波形校准的时间成本非常高的问题，能够大幅降低波形校准的时间成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种量子比特的波形校准方法，用于多个量子比特的磁通调控线路，包括：

从多个所述量子比特中选择一个量子比特作为目标量子比特；

测量所述目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数；

选择与所述目标量子比特的磁通调控线路的结构一致的量子比特作为待校准量子比特；

利用所述线路畸变效应参数校准所述待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形。

优选的，所述测量所述目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数，包括：

测量所述目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形；

根据所述畸变电压波形确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。

优选的，所述测量所述目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形，包括：

使所述目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形；

将所述畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口；

在每一所述测量窗口，对所述目标量子比特进行单比特门操作，同时向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以调节单比特门的保真度；

在每一所述测量窗口，将所述单比特门的保真度最大值对应的扫描电压的负值作为每一所述测量窗口的畸变电压，将所有所述测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形。

优选的，所述使所述目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形，包括：

向所述目标量子比特的磁通调控线路施加阶跃电压，使所述磁通调控线路在所述阶跃电压结束时输出畸变电压波形。

优选的，所述将所有所述测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形，包括：

对每一所述测量窗口的畸变电压进行归一化处理得到每一所述测量窗口的归一化畸变电压；

将所有所述测量窗口的归一化畸变电压组成畸变电压波形。

优选的，所述归一化处理的计算公式为：

Vi_1＝Vi_f/Vp+1

其中，Vi_1表示第i个测量窗口的归一化畸变电压，Vi_f表示第i个测量窗口的畸变电压，Vp表示所述阶跃电压。

优选的，所述将所述畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口，包括：

将所述阶跃电压结束时刻之后的预设时间段划分为多个时间区间；

将每个所述时间区间等量划分为多个测量窗口，其中，前一个所述时间区间的所述测量窗口的时长小于后一个所述时间区间的所述测量窗口的时长。

优选的，所述向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，包括：

在所述畸变电压波形起始时刻之后设置时间节点；

在所述时间节点之前的测量窗口，向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压；

在所述时间节点之后的测量窗口，增大所述预设电压范围的下限电压值以及减小所述预设电压范围的上限电压值，向所述磁通调控线路施加缩小范围后预设电压范围内的每个扫描电压。

优选的，所述利用所述线路畸变效应参数校准所述待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形，包括：

利用所述畸变效应参数在频域上校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形得到校准后电压波形；

将所述校准后电压波形从频域变换到时域。

优选的，所述线路畸变效应参数G(s)为：

所述频域上的校准后电压波形为：

所述时域上的校准后电压波形为：

其中，c′(t)表示畸变电压波形c(t)的导函数，Ω(s)表示所述待输入电压波形，表示拉氏反变换。

为解决上述技术问题，本发明提供一种量子比特的波形校准装置，用于多个量子比特的磁通调控线路，包括：

比特选择单元，用于从多个所述量子比特中选择一个量子比特作为目标量子比特；

畸变测量单元，用于测量所述目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数；

畸变复用单元，用于选择与所述目标量子比特的磁通调控线路的结构一致的量子比特作为待校准量子比特；

波形校准单元，用于利用所述线路畸变效应参数校准所述待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形。

优选的，所述畸变测量单元包括：

畸变测量子单元，用于测量所述目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形；

参数确定子单元，用于根据所述畸变电压波形确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。

优选的，所述畸变测量子单元包括：

畸变产生模块，用于使所述目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形；

时间划分模块，用于将所述畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口；

比特操作模块，用于在每一所述测量窗口，对所述目标量子比特进行单比特门操作，同时向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以调节单比特门的保真度；

畸变测量模块，用于在每一所述测量窗口，将所述单比特门的保真度最大值对应的扫描电压的负值作为每一所述测量窗口的畸变电压，将所有所述测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形。

优选的，所述畸变产生模块具体用于向所述目标量子比特的磁通调控线路施加阶跃电压，使所述磁通调控线路在所述阶跃电压结束时输出畸变电压波形。

优选的，所述时间划分模块具体用于将所述阶跃电压结束时刻之后的预设时间段划分为多个时间区间，将每个所述时间区间等量划分为多个测量窗口，其中，前一个所述时间区间的所述测量窗口的时长小于后一个所述时间区间的所述测量窗口的时长。

优选的，所述比特操作模块具体用于在所述畸变电压波形起始时刻之后设置时间节点，在所述时间节点之前的测量窗口，向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以及在所述时间节点之后的测量窗口，增大所述预设电压范围的下限电压值以及减小所述预设电压范围的上限电压值，向所述磁通调控线路施加缩小范围后预设电压范围内的每个扫描电压。

优选的，所述波形校准单元包括：

波形校准子单元，用于利用所述畸变效应参数在频域上校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形得到校准后电压波形；

波形变换子单元，用于将所述校准后电压波形从频域变换到时域。

优选的，所述线路畸变效应参数G(s)为：

所述频域上的校准后电压波形为：

所述时域上的校准后电压波形为：

其中，c′(t)表示畸变电压波形c(t)的导函数，Ω(s)表示所述待输入电压波形，表示拉氏反变换。

为解决上述技术问题，本发明提供一种量子计算机控制系统，包括前述任一种所述的量子比特的波形校准装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行前述任一种所述的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行前述任一种所述的方法。

区别于现有技术的情况，本发明提供的量子比特的波形校准方法通过对一个量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数进行测量，将测量到的线路畸变效应参数应用到其他磁通调控线路结构一致的量子比特，再利用线路畸变效应参数校准这些量子比特的待输入电压波形。由于不需要对每一个量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数进行测量，从而能够大幅降低波形校准的时间成本，可以大大提高未来的大规模量子计算芯片的测量效率。

本发明提供的量子比特的波形校准装置和量子计算机控制系统，与量子比特的波形校准方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不再赘述

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的量子比特的波形校准方法的流程示意图。

图2为量子比特的磁通调控线路上的波形畸变示意图。

图3为本发明第一实施例提供的量子比特的波形校准方法中畸变电压波形测量的流程示意图。

图4为畸变电压波形测量的实现原理示意图。

图5为畸变电压波形测量中测量窗口的划分示意图。

图6为扫描电压与单比特门的保真度的关系示意图。

图7为测量到的畸变电压波形的曲线示意图。

图8为本发明第二实施例提供的量子比特的波形校准装置的结构示意图。

图9为本发明第二实施例提供的量子比特的波形校准装置的畸变测量单元的结构示意图。

图10为本发明第二实施例提供的量子比特的波形校准装置的波形校准单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

请参考图1，本发明第一实施例提供了一种量子比特的波形校准方法，该波形校准方法用于多个量子比特的磁通调控线路，包括以下步骤：

S1：从多个量子比特中选择一个量子比特作为目标量子比特。

其中，目标量子比特可以是多个量子比特中的任意一个量子比特。

S2：测量目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数。

S3：选择与目标量子比特的磁通调控线路的结构一致的量子比特作为待校准量子比特。

其中，如果不同量子比特的磁通调控线路的结构一致，那么这些量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数也是相同的。对于待校准量子比特，不需要再一一测量它们的磁通调控线路的线路畸变效应参数，而是直接采用目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数。

S4：利用线路畸变效应参数校准待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形。

其中，待输入电压波形经过校准输入磁通调控线路后，磁通调控线路输出的电压波形将与校准前的待输入电压波形保持一致。

在本实施例中，测量目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数，即步骤S2包括：

测量目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形；

根据畸变电压波形确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。

其中，线路畸变效应参数与线路电压波形有关，因此，测量出磁通调控线路的畸变电压波形，就可以确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。畸变电压波形是由波形畸变引起的，波形畸变的示例如图2所示，图中，在t₀时刻向磁通调控线路施加了一个幅值为A，时间为T的电压波形，在t₀+T时刻电压波形结束，但是之后的一段时间内，磁通调控线路上仍然有电压存在(即图中虚线曲线部分)，这就是波形畸变，该电压就是畸变电压波形。

具体的，请参考图3，测量目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形的步骤具体包括：

S201：使目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形。

其中，可以通过向磁通调控线路施加电压的方式使磁通调控线路输出畸变电压波形，畸变电压波形作用在量子比特上之后，会改变目标量子比特的频率。

S202：将畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口。

其中，预设时间段的时长可以根据实际需要设置。畸变电压波形起始时刻与施加在磁通调控线路上的电压有关，例如，畸变电压波形起始时刻为施加在磁通调控线路上的电压变为0的时刻。

S203：在每一测量窗口，对目标量子比特进行单比特门操作，同时向磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以调节单比特门的保真度。

其中，量子比特耦合连接有脉冲调控线路，脉冲调控线路上的信号用于调控量子比特的量子态。对目标量子比特进行单比特门操作就是在脉冲调控线路上施加调控信号实现的。在本实施例中，单比特门为X门，X门就是非门，非门的作用就是控制量子态的态矢绕着Blochsphere(布洛赫球)的X轴旋转180°。

在任一测量窗口，如果不施加扫描电压，那么由于畸变电压的存在，会改变量子比特的频率，而施加了扫描电压后，扫描电压和畸变电压波形共同改变量子比特的频率。量子比特的频率发生变化，就会造成单比特门的保真度发生变化，理论上来说，磁通调控线路没有输出任何信号时，单比特门的保真度是最大的，也就是说，磁通调控线路输出电压为0时，单比特门的保真度达到最大值。而磁通调控线路输出畸变电压后，会造成单比特门的保真度无法达到最大值，所以施加扫描电压的作用就是让扫描电压与畸变电压相叠加，使磁通调控线路的输出等效为零电压。

量子比特除了耦合连接有磁通调控线路和脉冲调控线路，还耦合连接有信号读取线路。通过信号读取线路可以读取出量子比特的预设量子态的概率，而预设量子态的概率也就是单比特门的保真度，例如量子态|1>的概率最大时，单比特门的保真度最大。

S204：在每一测量窗口，将单比特门的保真度最大值对应的扫描电压的负值作为每一测量窗口的畸变电压，将所有测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形。

其中，单比特门的保真度最大值时，对应的扫描电压与畸变电压幅值相同、互为相反，磁通调控线路的输出等效为零电压，因此，扫描电压的负值恰好为畸变电压，进而得到每一测量窗口的畸变电压。

在本实施例中，使目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形，即步骤S201包括：

向量子比特的磁通调控线路施加阶跃电压，使磁通调控线路在阶跃电压结束时输出畸变电压波形。

其中，施加阶跃电压的目的是在磁通调控线路上构造一个单位阶跃信号。为了保证施加单位阶跃信号，阶跃电压的持续时间应该足够长，保证在磁通调控线路输出畸变电压波形之前，磁通调控线路处于稳态。

进一步地，在本实施例中，将畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口，即步骤S202包括：

将阶跃电压结束时刻之后的预设时间段划分为多个时间区间；

将每个时间区间等量划分为多个测量窗口，其中，前一个时间区间的测量窗口的时长小于后一个时间区间的测量窗口的时长。

其中，根据图2所示的畸变电压波形，可以看出，在畸变电压波形产生初期，电压幅值波动较大，如果测量窗口的时长较大，则前后两个测量窗口测得的畸变电压相差也较大，那么畸变电压的测量精度会降低，所以测量窗口应该设置越小越好，但是测量窗口设置越小，波形畸变测量时间越长。而畸变电压波形产生后期，电压幅值波动较小，即使测量窗口的时长较大，前后两个测量窗口测得的畸变电压相差也会很小，几乎相同，对畸变电压的测量精度影响很小。因此，通过将靠前的时间区间的测量窗口的时长设置得小一些，将靠后的时间区间的测量窗口的时长设置得大一些，既可以缩短波形畸变测量时间，又不会影响畸变电压的测量精度。

在本实施例中，向磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压的步骤，包括：

在畸变电压波形起始时刻之后设置时间节点；

在时间节点之前的测量窗口，向磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压；

在时间节点之后的测量窗口，增大预设电压范围的下限电压值以及减小预设电压范围的上限电压值，向磁通调控线路施加缩小范围后预设电压范围内的每个扫描电压。

其中，在畸变电压波形产生初期，电压幅值波动较大，需要预设电压范围足够大，才能将畸变电压的负值包含在内，但是预设电压范围越大，波形畸变测量时间越长。而在畸变电压波形产生后期，电压幅值波动较小，即使预设电压范围较小，也能将畸变电压的负值包含在内。因此，通过设置时间节点，在时间节点之前，保持预设电压范围不变，在时间节点之后，缩小预设电压范围，这样既可以缩短波形畸变测量时间，又可以准确测量出畸变电压。

下面将结合图4至图6对畸变电压波形的测量过程进行详细说明。

首先，如图4所示，向目标量子比特的磁通调控线路施加阶跃电压Vp，在阶跃电压Vp结束时，磁通调控线路输出畸变电压波形。阶跃电压Vp的持续时间T1应该足够长，使磁通调控线路处于稳态，阶跃电压Vp的幅值为－0.5V。

其次，如图5所示，将畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段T2划分为多个时间区间Ta1、Ta2、Ta3、……，将每个时间区间Ta1、Ta2、Ta3、……等量划分为多个测量窗口Tb1、Tb2、Tb3、……。并且前一个时间区间的测量窗口的时长小于后一个时间区间的测量窗口的时长，即Tb1＜Tb2＜Tb3＜……。

然后，如图4所示，在每一测量窗口，在脉冲调控线路上施加调控信号πpulse对量子比特进行X门操作，同时检测测量窗口在时间节点之前还是之后，如果在时间节点之前，向磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压Vz，如果在时间节点之后，则增大预设电压范围的下限电压值以及减小预设电压范围的上限电压值，并向磁通调控线路施加缩小范围后预设电压范围内的每个扫描电压Vz。图3中，delay表示每一测量窗口与阶跃电压Vp结束时刻的时间差值。

其中，原始的预设电压范围的下限值为－0.06V，上限值为0.06V，扫描电压Vz的步长，即前后两个扫描电压Vz的电压差值为0.005V。施加扫描电压Vz后，可以通过信号读取线路读取X门的保真度。

在施加扫描电压Vz时，可以将初始施加的扫描电压Vz设置为预设电压范围的中心点电压。而且进一步的，可以在畸变电压波形产生之前就施加足够长时间的中心点电压，避免引入扫描电压Vz带来的波形畸变。

最后，在每一测量窗口，将单比特门的保真度最大值对应的扫描电压的负值作为每一测量窗口的畸变电压，将所有测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形。

如图6所示，是扫描电压与单比特门的保真度的关系示意图。如图所示，在时间差值delay＝50ns处，测得单比特门的量子态|1＞的概率P1最大值对应的扫描电压Vz为0.012354V，则扫描电压Vz的负值，即畸变电压为－0.012354V。

为了方便后续对畸变电压波形进行数值分析，在本实施例中，将所有测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形，包括：

对每一测量窗口的畸变电压进行归一化处理得到每一测量窗口的归一化畸变电压；

将所有测量窗口的归一化畸变电压组成畸变电压波形。

具体的，归一化处理的计算公式为：

Vi_1＝Vi_f/Vp+1

其中，Vi_1表示第i个测量窗口的归一化畸变电压，Vi_f表示第i个测量窗口的畸变电压，Vp表示阶跃电压。

如图7所示，是测量到的畸变电压波形的曲线示意图。如图所示，所有测量窗口的归一化畸变电压Vi_1组成了畸变电压波形，随着时间的推移，归一化畸变电压Vi_1逐渐趋于平稳，大概在500ns左右，进入±5％的误差带，这时归一化畸变电压Vi_1几乎不会对量子比特的频率造成影响。

进一步地，利用线路畸变效应参数校准待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形，即步骤S4包括：

利用畸变效应参数在频域上校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形得到校准后电压波形；

将校准电压后波形从频域变换到时域。

在一种应用中，根据畸变电压波形确定的线路畸变效应参数可以采用多种形式表示，本实施例采用阶跃响应模型表示。线路畸变效应参数G(s)为：

频域上的校准后电压波形为：

时域上的校准后电压波形为：

其中，c′(t)表示畸变电压波形c(t)的导函数，Ω(s)表示待输入电压波形，表示拉氏反变换。

通过频域上的校准以及从频域变换到时域的变换，时域上的校准后电压波形输入磁通调控线路后，磁通调控线路输出的电压波形将与时域上的待输入电压波形Ω(t)(即待输入电压波形Ω(s)的拉氏反变换)保持一致，不会出现畸变电压波形或者即便出现畸变电压波形，也在允许的范围内，从而不会对量子比特的频率造成影响。

通过上述方式，本发明实施例的量子比特的波形校准方法通过对一个量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数进行测量，将测量到的线路畸变效应参数应用到其他磁通调控线路结构一致的量子比特，再利用线路畸变效应参数校准这些量子比特的待输入电压波形。由于不需要对每一个量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数进行测量，从而能够大幅降低波形校准的时间成本，可以大大提高未来的大规模量子计算芯片的测量效率。

请参考图8，本发明第二实施例提供了一种量子比特的波形校准装置，该波形校准装置用于多个量子比特的磁通调控线路，包括比特选择单元10、畸变测量单元20、畸变复用单元30和波形校准单元40。

比特选择单元10用于从多个量子比特中选择一个量子比特作为目标量子比特。其中，目标量子比特可以是多个量子比特中的任意一个量子比特。

畸变测量单元20用于测量目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数。

畸变复用单元30用于选择与目标量子比特的磁通调控线路的结构一致的量子比特作为待校准量子比特。其中，如果不同量子比特的磁通调控线路的结构一致，那么这些量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数也是相同的。对于待校准量子比特，不需要再一一测量它们的磁通调控线路的线路畸变效应参数，而是直接采用目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数。

波形校准单元49用于利用线路畸变效应参数校准待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形。其中，待输入电压波形经过校准输入磁通调控线路后，磁通调控线路输出的电压波形将与校准前的待输入电压波形保持一致。

请参考图9，在本实施例中，畸变测量单元20包括畸变测量子单元21和参数确定子单元22。

畸变测量子单元21用于测量目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形。

参数确定子单元22用于根据畸变电压波形确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。

其中，线路畸变效应参数与线路电压波形有关，因此，测量出磁通调控线路的畸变电压波形，就可以确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。畸变电压波形是由波形畸变引起的，波形畸变的示例如图2所示，图中，在t₀时刻向磁通调控线路施加了一个幅值为A，时间为T的电压波形，在t₀+T时刻电压波形结束，但是之后的一段时间内，磁通调控线路上仍然有电压存在(即图中虚线曲线部分)，这就是波形畸变，该电压就是畸变电压波形。

具体的，畸变测量子单元21包括畸变产生模块211、时间划分模块212、比特操作模块213和畸变测量模块214。

畸变产生模块211用于使目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形。其中，可以通过向磁通调控线路施加电压的方式使磁通调控线路输出畸变电压波形，畸变电压波形作用在量子比特上之后，会改变目标量子比特的频率。

时间划分模块212用于将畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口。其中，预设时间段的时长可以根据实际需要设置。畸变电压波形起始时刻与施加在磁通调控线路上的电压有关，例如，畸变电压波形起始时刻为施加在磁通调控线路上的电压变为0的时刻。

比特操作模块213用于在每一测量窗口，对目标量子比特进行单比特门操作，同时向磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以调节单比特门的保真度。其中，量子比特耦合连接有脉冲调控线路，脉冲调控线路上的信号用于调控量子比特的量子态。对目标量子比特进行单比特门操作就是在脉冲调控线路上施加调控信号实现的。在本实施例中，单比特门为X门，X门就是非门，非门的作用就是控制量子态的态矢绕着Blochsphere(布洛赫球)的X轴旋转180°。

在任一测量窗口，如果不施加扫描电压，那么由于畸变电压的存在，会改变量子比特的频率，而施加了扫描电压后，扫描电压和畸变电压波形共同改变量子比特的频率。量子比特的频率发生变化，就会造成单比特门的保真度发生变化，理论上来说，磁通调控线路没有输出任何信号时，单比特门的保真度是最大的，也就是说，磁通调控线路输出电压为0时，单比特门的保真度达到最大值。而磁通调控线路输出畸变电压后，会造成单比特门的保真度无法达到最大值，所以施加扫描电压的作用就是让扫描电压与畸变电压相叠加，使磁通调控线路的输出等效为零电压。

量子比特除了耦合连接有磁通调控线路和脉冲调控线路，还耦合连接有信号读取线路。通过信号读取线路可以读取出量子比特的预设量子态的概率，而预设量子态的概率也就是单比特门的保真度，例如量子态|1>的概率最大时，单比特门的保真度最大。

畸变测量模块214用于在每一测量窗口，将单比特门的保真度最大值对应的扫描电压的负值作为每一测量窗口的畸变电压，将所有测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形。其中，单比特门的保真度最大值时，对应的扫描电压与畸变电压幅值相同、互为相反，磁通调控线路的输出等效为零电压，因此，扫描电压的负值恰好为畸变电压，进而得到每一测量窗口的畸变电压。

在本实施例中，畸变产生模块211具体用于向目标量子比特的磁通调控线路施加阶跃电压，使磁通调控线路在所述阶跃电压结束时输出畸变电压波形。其中，施加阶跃电压的目的是在磁通调控线路上构造一个单位阶跃信号。为了保证施加单位阶跃信号，阶跃电压的持续时间应该足够长，保证在磁通调控线路输出畸变电压波形之前，磁通调控线路处于稳态。

进一步地，在本实施例中，时间划分模块212具体用于将阶跃电压结束时刻之后的预设时间段划分为多个时间区间，将每个时间区间等量划分为多个测量窗口，其中，前一个时间区间的测量窗口的时长小于后一个时间区间的测量窗口的时长。

其中，根据图2所示的畸变电压波形，可以看出，在畸变电压波形产生初期，电压幅值波动较大，如果测量窗口的时长较大，则前后两个测量窗口测得的畸变电压相差也较大，那么畸变电压的测量精度会降低，所以测量窗口应该设置越小越好，但是测量窗口设置越小，波形畸变测量时间越长。而畸变电压波形产生后期，电压幅值波动较小，即使测量窗口的时长较大，前后两个测量窗口测得的畸变电压相差也会很小，几乎相同，对畸变电压的测量精度影响很小。因此，通过将靠前的时间区间的测量窗口的时长设置得小一些，将靠后的时间区间的测量窗口的时长设置得大一些，既可以缩短波形畸变测量时间，又不会影响畸变电压的测量精度。

在本实施例中，比特操作模块213具体用于在畸变电压波形起始时刻之后设置时间节点，在时间节点之前的测量窗口，向磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以及在时间节点之后的测量窗口，增大预设电压范围的下限电压值以及减小预设电压范围的上限电压值，向磁通调控线路施加缩小范围后预设电压范围内的每个扫描电压。

其中，在畸变电压波形产生初期，电压幅值波动较大，需要预设电压范围足够大，才能将畸变电压的负值包含在内，但是预设电压范围越大，波形畸变测量时间越长。而在畸变电压波形产生后期，电压幅值波动较小，即使预设电压范围较小，也能将畸变电压的负值包含在内。因此，通过设置时间节点，在时间节点之前，保持预设电压范围不变，在时间节点之后，缩小预设电压范围，这样既可以缩短波形畸变测量时间，又可以准确测量出畸变电压。

为了方便后续对畸变电压波形进行数值分析，在本实施例中，畸变测量模块214具体用于对每一测量窗口的畸变电压进行归一化处理得到每一测量窗口的归一化畸变电压，将所有测量窗口的归一化畸变电压组成畸变电压波形。

具体的，归一化处理的计算公式为：

Vi_1＝Vi_f/Vp+1

其中，Vi_1表示第i个测量窗口的归一化畸变电压，Vi_f表示第i个测量窗口的畸变电压，Vp表示阶跃电压。

进一步地，参考图10，波形校准单元40包括波形校准子单元41和波形变换子单元42。

波形校准子单元41用于利用畸变效应参数在频域上校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形得到校准后电压波形。

波形变换子单元42用于将校准后电压波形从频域变换到时域。

在一种应用中，根据畸变电压波形确定的线路畸变效应参数可以采用多种形式表示，本实施例采用阶跃响应模型表示。线路畸变效应参数G(s)为：

频域上的校准后电压波形为：

时域上的校准后电压波形为：

其中，c′(t)表示畸变电压波形c(t)的导函数，Ω(s)表示待输入电压波形，表示拉氏反变换。

通过频域上的校准以及从频域变换到时域的变换，时域上的校准后电压波形输入磁通调控线路后，磁通调控线路输出的电压波形将与时域上的待输入电压波形Ω(t)(即待输入电压波形Ω(s)的拉氏反变换)保持一致，不会出现畸变电压波形或者即便出现畸变电压波形，也在允许的范围内，从而不会对量子比特的频率造成影响。

通过上述方式，本发明实施例的量子比特的波形校准装置通过对一个量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数进行测量，将测量到的线路畸变效应参数应用到其他磁通调控线路结构一致的量子比特，再利用线路畸变效应参数校准这些量子比特的待输入电压波形。由于不需要对每一个量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数进行测量，从而能够大幅降低波形校准的时间成本，可以大大提高未来的大规模量子计算芯片的测量效率。

本发明还提供一种量子计算机控制系统，包括第二实施例的量子比特的波形校准装置。

此外，量子计算机控制系统还可以包括保真度测量装置，保真度测量装置用于在每一测量窗口，测量单比特门的保真度。

本发明还提供一种存储介质，存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被设置为运行时执行第一实施例中的方法。

具体的，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本发明还提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行第一实施例中的方法。

具体的，存储器和处理器可以通过数据总线连接。此外，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种量子比特的波形校准方法，用于多个量子比特的磁通调控线路，其特征在于，包括：

从多个所述量子比特中选择一个量子比特作为目标量子比特；

测量所述目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数；

选择与所述目标量子比特的磁通调控线路的结构一致的量子比特作为待校准量子比特；

利用所述线路畸变效应参数校准所述待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形；

其中，所述测量所述目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数，包括：

测量所述目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形；

根据所述畸变电压波形确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。

2.根据权利要求1所述的波形校准方法，其特征在于，所述测量所述目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形，包括：

使所述目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形；

将所述畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口；

在每一所述测量窗口，对所述目标量子比特进行单比特门操作，同时向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以调节单比特门的保真度；

在每一所述测量窗口，将所述单比特门的保真度最大值对应的扫描电压的负值作为每一所述测量窗口的畸变电压，将所有所述测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形。

3.根据权利要求2所述的波形校准方法，其特征在于，所述使所述目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形，包括：

向所述目标量子比特的磁通调控线路施加阶跃电压，使所述磁通调控线路在所述阶跃电压结束时输出畸变电压波形。

4.根据权利要求3所述的波形校准方法，其特征在于，所述将所有所述测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形，包括：

对每一所述测量窗口的畸变电压进行归一化处理得到每一所述测量窗口的归一化畸变电压；

将所有所述测量窗口的归一化畸变电压组成畸变电压波形。

5.根据权利要求4所述的波形校准方法，其特征在于，所述归一化处理的计算公式为：

其中，表示第i个测量窗口的归一化畸变电压，表示第i个测量窗口的畸变电压，表示所述阶跃电压。

6.根据权利要求3所述的波形校准方法，其特征在于，所述将所述畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口，包括：

将所述阶跃电压结束时刻之后的预设时间段划分为多个时间区间；

将每个所述时间区间等量划分为多个测量窗口，其中，前一个所述时间区间的所述测量窗口的时长小于后一个所述时间区间的所述测量窗口的时长。

7.根据权利要求2所述的波形校准方法，其特征在于，所述向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，包括：

在所述畸变电压波形起始时刻之后设置时间节点；

在所述时间节点之前的测量窗口，向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压；

在所述时间节点之后的测量窗口，增大所述预设电压范围的下限电压值以及减小所述预设电压范围的上限电压值，向所述磁通调控线路施加缩小范围后预设电压范围内的每个扫描电压。

8.根据权利要求1所述的波形校准方法，其特征在于，所述利用所述线路畸变效应参数校准所述待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形，包括：

利用所述畸变效应参数在频域上校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形得到校准后电压波形；

将所述校准后电压波形从频域变换到时域。

9.根据权利要求8所述的波形校准方法，其特征在于，所述线路畸变效应参数为：

所述频域上的校准后电压波形为：

所述时域上的校准后电压波形为：

其中，表示畸变电压波形的导函数，表示所述待输入电压波形，表示拉氏反变换。

10.一种量子比特的波形校准装置，用于多个量子比特的磁通调控线路，其特征在于，包括：

比特选择单元，用于从多个所述量子比特中选择一个量子比特作为目标量子比特；

畸变测量单元，用于测量所述目标量子比特的磁通调控线路的线路畸变效应参数；

畸变复用单元，用于选择与所述目标量子比特的磁通调控线路的结构一致的量子比特作为待校准量子比特；

波形校准单元，用于利用所述线路畸变效应参数校准所述待校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形；

其中，所述畸变测量单元包括：

畸变测量子单元，用于测量所述目标量子比特的磁通调控线路的畸变电压波形；

参数确定子单元，用于根据所述畸变电压波形确定磁通调控线路的线路畸变效应参数。

11.根据权利要求10所述的波形校准装置，其特征在于，所述畸变测量子单元包括：

畸变产生模块，用于使所述目标量子比特的磁通调控线路输出畸变电压波形；

时间划分模块，用于将所述畸变电压波形起始时刻之后的预设时间段划分为多个测量窗口；

比特操作模块，用于在每一所述测量窗口，对所述目标量子比特进行单比特门操作，同时向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以调节单比特门的保真度；

畸变测量模块，用于在每一所述测量窗口，将所述单比特门的保真度最大值对应的扫描电压的负值作为每一所述测量窗口的畸变电压，将所有所述测量窗口的畸变电压组成畸变电压波形。

12.根据权利要求11所述的波形校准装置，其特征在于，所述畸变产生模块具体用于向所述目标量子比特的磁通调控线路施加阶跃电压，使所述磁通调控线路在所述阶跃电压结束时输出畸变电压波形。

13.根据权利要求12所述的波形校准装置，其特征在于，所述时间划分模块具体用于将所述阶跃电压结束时刻之后的预设时间段划分为多个时间区间，将每个所述时间区间等量划分为多个测量窗口，其中，前一个所述时间区间的所述测量窗口的时长小于后一个所述时间区间的所述测量窗口的时长。

14.根据权利要求11所述的波形校准装置，其特征在于，所述比特操作模块具体用于在所述畸变电压波形起始时刻之后设置时间节点，在所述时间节点之前的测量窗口，向所述磁通调控线路施加预设电压范围内的每个扫描电压，以及在所述时间节点之后的测量窗口，增大所述预设电压范围的下限电压值以及减小所述预设电压范围的上限电压值，向所述磁通调控线路施加缩小范围后预设电压范围内的每个扫描电压。

15.根据权利要求10所述的波形校准装置，其特征在于，所述波形校准单元包括：

波形校准子单元，用于利用所述畸变效应参数在频域上校准量子比特的磁通调控线路的待输入电压波形得到校准后电压波形；

波形变换子单元，用于将所述校准后电压波形从频域变换到时域。

16.根据权利要求15所述的波形校准装置，其特征在于，所述线路畸变效应参数为：

所述频域上的校准后电压波形为：

所述时域上的校准后电压波形为：

其中，表示畸变电压波形的导函数，表示所述待输入电压波形，表示拉氏反变换。

17.一种量子计算机控制系统，其特征在于，包括权利要求10至16任一项所述的量子比特的波形校准装置。

18.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行权利要求1至9任一项所述的方法。

19.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至9任一项所述的方法。