单通量量子概率数字化仪制造技术

公开了一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的概率数字化仪。数字化仪使用统计方法对一组比较器读数进行聚合，即使输入信号落在比较器的灰色区域内，也可以有效提高比较器的灵敏度。另外，这样的数字化仪可以用来区分量子位的状态。

Single pass quantum probability digitizer

A probability digitizer for extracting information from the Joseph Sen comparator is disclosed. The digitizer uses statistical methods to polymerize a group of comparator readings, even if the input signal falls in the gray area of the comparator, it can also improve the sensitivity of the comparator effectively. In addition, such digitizer can be used to distinguish qubits.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单通量量子概率数字化仪
本专利技术是在美国政府的支持下、基于与下列美国政府机构：国防部达成的合同号为H98230-13-C-0220的合同完成的。美国政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
本专利技术总体上涉及数字检测领域，更具体地涉及单通量量子(single-flux-quantum)(SFQ)数字检测设备。约瑟夫森结(Josephsonjunctions)是已知的。约瑟夫森结由两个以弱链接耦合的超导体组成。已知几种类型的弱链接，包括绝缘体、非超导金属和物理压缩。约瑟夫森结已被用来构造约瑟夫森比较器。在至少一些约瑟夫森比较器中，按照量子力学原理工作的一对约瑟夫森结一起作为决策配对来发出信号，指示在施加一个时钟脉冲时，输入电流是高于还是低于一个阈值水平。已知该阈值水平受到物理噪声的影响，其模糊了阈值水平，使得在实际中该阈值水平实际上是一个范围，称为比较器的“灰色区域”。典型的约瑟夫森比较器具有噪声限制灵敏度，或用于准确检测的信号水平之间所需的差值，大约为几微安。约瑟夫森比较器的特性可以包括极高速度操作、低功耗、低噪声和高灵敏度，因此这些比较器已经用在诸如单通量量子(SFQ)模数转换器(ADC)和其他应用的设备中，在这些应用中，这些特性的价值值得(justify)它们的生产和操作成本。为约瑟夫森结提出的用途之一是作为量子计算设备中量子位的读出支持。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，该方法执行以下步骤(不一定按照以下顺序)：(i)获得观察来自约瑟夫森比较器的输出脉冲的一组预定概率，每个概率对应于到约瑟夫森比较器的输入信号的一组有效离散参数值；(ii)收集由约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生的一组输出；(iii)相对于该组输出的大小，计算对于来自约瑟夫森比较器的输出脉冲的计数的一个或多个阈值；(iv)确定输出脉冲的经验计数；和(v)通过将输出脉冲的经验计数与该一个或多个阈值进行比较，来假设输入信号的离散参数值。该组输出中的输出的至少一个子集由位于约瑟夫森比较器的灰色区域内的一组一个或多个输入信号参数值产生。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，其执行以下步骤(不一定按以下顺序)：(i)收集由约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生的一组输出；(ii)基于所收集的该组输出，估计约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生输出脉冲的概率；和(iii)通过使用表示作为输入信号值的函数的概率的概率曲线来计算所估计的概率的逆函数，估计输入信号的值。该组输出中的输出的至少一个子集由位于约瑟夫森比较器的灰色区域内的输入信号值产生。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，该方法执行以下步骤(不一定按以下顺序)：(i)收集由约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生的一组输出，其中该组输出包括同相和正交输出；(ii)基于所收集的该组输出的同相输出，估计约瑟夫森比较器的所述输出的同相期望值；(iii)基于所收集的该组输出的正交输出，估计约瑟夫森比较器的所述输出的正交期望值；和(iv)通过求解使幅度和相位与同相和正交期望值相关的一组联立方程，估计输入信号幅度和输入信号相位。该组输出中的输出的至少一个子集由位于约瑟夫森比较器的灰色区域内的一组一个或多个输入信号参数值产生。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，其执行以下步骤(不一定按以下顺序)：(i)收集由约瑟夫逊比较器响应于对输入信号进行采样而产生的一组输出；(ii)基于所收集的该组输出，估计所述约瑟夫森比较器产生输出脉冲的一个或多个概率；和(iii)通过使用所估计的概率和表示作为一个或多个输入信号参数的函数的概率的概率曲线，估计一个或多个输入信号参数的值。该组输出中的输出的至少一个子集由位于约瑟夫森比较器的灰色区域内的一组一个或多个输入信号参数值产生。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，该方法执行以下步骤(不一定按以下顺序)：(i)收集由约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生的一组输出；(二)将该组输出组合成一个聚合度量；和(iii)基于该聚合度量，确定产生收集的输出的量子位状态。该组输出中的输出的至少一个子集由位于约瑟夫森比较器的灰色区域内的一组一个或多个输入信号参数值产生。还提供了如权利要求书所要求保护的对应的系统和计算机程序。附图说明图1是根据本专利技术的第一实施例系统的框图；图2是示出在根据本专利技术的第一实施例系统中检测作为输入到约瑟夫森比较器的输入电流的函数的特定输出状态的概率的曲线图；图3是根据本专利技术的第二实施例系统的框图；图4是根据本专利技术的第三实施例系统的框图；图5是示出在根据本专利技术的第三实施例系统中针对两个给定量子位状态中的每一个检测来自约瑟夫森比较器的特定输出状态的概率的曲线图；图6是根据本专利技术的第四实施例系统的框图；图7是示出第四实施例系统的机器逻辑(例如，软件)部分的框图；图8A是示出至少部分由第四实施例系统执行的第一实施例方法的流程图；图8B是示出至少部分由第四实施例系统执行的第二实施例方法的流程图；图8C是示出至少部分由第四实施例系统执行的第三实施例方法的流程图；以及图9是根据本专利技术的第五实施例系统的框图。具体实施方式当到约瑟夫森比较器的输入位于该比较器的灰色区域中时，本专利技术的一些实施例使用统计分析来从自约瑟夫森比较器获得的一组输出中提取信息。这有效地提高了比较器的灵敏度，超出了使用传统技术所能达到的水平。这样提取的信息然后可以用于各种应用，诸如估计模拟输入信号的特性或区分两个或更多个离散输入状态。本专利技术的一些实施例认识到：(i)器件噪声限制了约瑟夫森比较器的最终灵敏度，其中这种灵敏度通常落在几微安(例如5-10μA)的范围内；(ii)约瑟夫森比较器在量子计算领域展现出了读取量子位状态的前景，比如通过用非常微弱的射频(RF)脉冲探测量子位来检测量子位状态；(iii)对于这样的量子计算量子位读出应用来说，检测幅度在nA范围(例如5-50nA)的信号的能力是必要的或有利的；但是(iv)由于RF信号的这个幅度非常小，比比较器的噪声限制灵敏度小得多，所以信号落在约瑟夫森比较器的灰色区域内，其中测量的输出是量子位状态的概率函数。结果，本专利技术的一些实施例认识到：(i)通过重复测量多次并应用统计和概率的知识来确定状态，可以使用概率数字化来获取关于这样的小信号的信息；(ii)概率数字化仪因此可以用作量子计算机中的量子位的读出设备；(iii)更一般地说，这种通过使用样本统计来确定存在两个可能的参数值或状态中的哪一个的这种二元检测问题的方法可以被扩展以解决M元检测问题，其中，使用样本统计确定M个可能的参数值、值组或状态中的哪一个出现在M个有效参数值组的范围之外(其中一个组由诸如幅度、相位和/或状态的参数的一个或多个参数值组成)。本专利技术的一些实施例认识到，当输入水平(inputlevel)落入比较器的灰色区域时，也可以通过使用概率数字化仪的概率方法来估计到约瑟夫森比较器的模拟输入信号。下面将描述应用概率数字化仪以克服约瑟夫森比较器的灰度区域限制的细节，其中实施例说明它们用于估计基带信号、估本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，所述方法包括：获得观察来自所述约瑟夫森比较器的输出脉冲的一组预定概率，每个概率对应于到所述约瑟夫森比较器的输入信号的一组有效离散参数值；收集由所述约瑟夫森比较器响应于对所述输入信号进行采样而产生的一组输出；相对于所述一组输出的大小，计算对于来自所述约瑟夫森比较器的输出脉冲的计数的一个或多个阈值；确定输出脉冲的经验计数；和通过将输出脉冲的经验计数与所述一个或多个阈值进行比较，来假设所述输入信号的离散参数值；其中：所述一组输出中的输出的至少一个子集由位于所述约瑟夫森比较器的灰色区域内的一组一个或多个输入信号参数值产生。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.17 US 14/972,3031.一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，所述方法包括：获得观察来自所述约瑟夫森比较器的输出脉冲的一组预定概率，每个概率对应于到所述约瑟夫森比较器的输入信号的一组有效离散参数值；收集由所述约瑟夫森比较器响应于对所述输入信号进行采样而产生的一组输出；相对于所述一组输出的大小，计算对于来自所述约瑟夫森比较器的输出脉冲的计数的一个或多个阈值；确定输出脉冲的经验计数；和通过将输出脉冲的经验计数与所述一个或多个阈值进行比较，来假设所述输入信号的离散参数值；其中：所述一组输出中的输出的至少一个子集由位于所述约瑟夫森比较器的灰色区域内的一组一个或多个输入信号参数值产生。2.根据权利要求1所述的方法，其中只有两组有效的参数值，并且因此只有一个阈值。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述两组有效的参数值中的每一组对应于量子位的一个状态。4.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述一个或多个阈值以使得错误假设的最坏情况概率最小化。5.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述一个或多个阈值以使得错误假设的平均概率最小化。6.如权利要求1所述的方法，还包括预放大所述输入信号。7.一种用于从约瑟夫森比较器提取信息的方法，所述方法包括：收集由约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生的一组输出；基于所收集的所述一组输出，估计所述约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生输出脉冲的概率；和通过使用表示作为输入信号值的函数的概率的概率曲线来计算所估计的概率的逆函数，估计所述输入信号的值；其中：所述一组输出中的输出的至少一个子集由位于所述约瑟夫森比较器的灰色区域内的输入信号值产生。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一组输出的大小小于或等于：(i)所述约瑟夫森比较器用于对所述输入信号进行采样的时钟的频率；除以(ii)输入信号频率。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述概率曲线至少部分通过校准来确定。10.根据权利要求7所述的方法，其中采样以比所述输入信号频率更高的频率完成。11.根据权利要求7所述的方法，其中所述一组输出中的输出是来自所述约瑟夫森比较器的顺序输出。12.根据权利要求7所述的方法，其中所述输入信号是基带信号。13.一种用于从约瑟夫逊比较器提取信息的方法，所述方法包括：收集由约瑟夫森比较器响应于对输入信号进行采样而产生的一组输出，其中所述一组输出包括同相和正交输出；基于所收集的所述一组输出的同相输出，估计所述约瑟夫森比较器的所述输出的同相期望值；基于所收集的所述一组输出的正交输出，估计所述约瑟夫森比较器的所述输出的正交期望值；和通过求解使幅度和相位与同相和正交期望值相关的一组联立方程，估计输...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·波隆斯基，J·F·布尔扎彻利，A·利沃夫，M·凯琴，M·里特尔，C·B·里拉基斯，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US