一种通用量子计算机中央处理器及其操纵方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法，该方法包括将各量子比特均制备到初始状态；选择当前量子比特耦合模式；根据所选的当前量子比特耦合模式，确定待耦合连通的量子比特，并对待耦合连通的量子比特及其之外的量子比特分别进行相应的外磁通量和门电压调节；选择下一步操作，并根据所选的当前操作，确定对各量子比特的具体操纵。实施本发明专利技术，能解决任意两量子比特之间的耦合操作以及多量子比特之间的并行耦合操作，且由一系列耦合操作来实现的量子态操纵及通用量子计算保真度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种通用量子计算机中央处理器及其操纵方法
本专利技术涉及量子计算机
，尤其涉及一种通用量子计算机中央处理器及其操纵方法。
技术介绍
基于量子态叠加与纠缠的量子计算机，在解决密码分析、海量搜索等一些特定问题上具有经典计算机无法比拟的优势，因而在密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等许多领域具有巨大潜力，吸引了各国政府以及许多大型科技公司投入研究并发布研究计划。目前，可以作为实现量子计算的物理体系有光学系统、离子阱、量子点、超导量子电路等许多体系。其中，基于约瑟夫森效应的量子电路，由于其在可操控性和可扩展性等方面的优势，成为国际上公认的有望实现量子计算的几个物理载体之一，并以量子比特作为基本单元来构造量子计算机中央处理器。量子计算机中央处理器作为量子计算机的核心，能够执行单量子比特、双量子比特通用量子门操作以及多量子比特的并行操作，从而能够完成通用量子计算的任务。然而，要有效地完成这些任务，高保真度的操作是不可缺少的根本保障之一。对于超导电荷量子比特系统来说，能够真正实现量子比特之间高保真度操作的最有效耦合，是量子比特之间直接通过电容器耦合的这种方式。实验上首次实现两量子比特耦合的方案以及到目前为止保真度最高的多个量子比特耦合的方案，都是以电容器直接耦合量子比特的方式来实现的。但是，目前为止直接通过电容耦合的这类方案都只能将最近邻的量子比特耦合起来，都没法实现非最近邻量子比特之间以及任意量子比特之间的耦合，因而无法实现通用量子计算。然而，目前能够实现非近邻量子比特之间耦合的方案，都是以量子总线为公共媒介来实现的，常见的有传输线腔和LC谐振腔等形式的量子总线。上述通过量子总线耦合的方式，其保真度与电容直接耦合相比要低很多，特别是三个以上的多量子比特耦合时，量子比特间的交互作用形成的干扰很大，系统耦合得到的量子纠缠态保真度较低。因此，寻找既有高保真度的最佳耦合方式，又能实现任意两量子比特之间的耦合操作以及多量子比特之间的并行耦合操作的量子计算机中央处理器方案，就成了制造通用量子计算机的关键与核心问题。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种通用量子计算机中央处理器及其操纵方法，能解决任意两量子比特之间的耦合操作以及多量子比特之间的并行耦合操作，且耦合得到的量子态保真度较高。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种通用量子计算机中央处理器，其通过电容器将各量子比特耦合在一起的方式构造而成，其中，每一个耦合电容器的一端分别与对应的一量子比特相连接，另一端均直接连接于同一点上。其中，所述量子比特为超导电荷量子比特(SQUID)、transmon量子比特、Xmon量子比特之中其一。本专利技术实施例还提供了一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其在以各个耦合电容器的一端直接连接于同一点而另一端分别与各量子比特相连接，从而将各量子比特直接用电容器耦合起来的方式构造的中央处理器上实现，所述方法包括以下步骤：步骤S1、将各量子比特均制备到初始状态；步骤S2、选择当前量子比特耦合模式；其中，所述量子比特耦合模式包括任意一对两量子比特间耦合模式、任意一组多量子比特间并行耦合模式、多对两量子比特间并行耦合模式以及多组多量子比特间并行耦合模式；步骤S3、根据所选的当前量子比特耦合模式，确定待耦合连通的量子比特，并对所述待耦合连通的量子比特及其之外的量子比特分别进行相应的外磁通量和门电压调节。步骤S4、选择下一步操作，并根据所选的当前操作，确定对各量子比特的具体操纵；其中，所述下一步操作包括：继续下一步耦合操作、进行单量子比特操作、将之前操作所得到的结果进行暂时保存、联合测量一系列操作后所得量子态的结果。其中，所述步骤S1具体包括：在对第l个量子比特的初始状态制备时，调节各量子比特的门电压使得除第l个量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压均满足(i≠l,i＝1,2,L,N.)，并调节除第l个量子比特之外的量子比特的外磁通量使其均为半个磁通量子，确保各量子比特之间的耦合均处于断开状态；其中，l为1至N中的任意一个。其中，所述步骤S3具体包括：当所选的当前量子比特耦合模式为任意一对两量子比特间耦合模式时，确定待耦合连通的两量子比特；调节所述待耦合连通的两量子比特的外磁通量使二者具有相同的有效约瑟夫森能，并调节除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；同时，调节所述待耦合连通的两量子比特及除二者之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的两量子比特的门电压满足以及使得除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压满足这时待耦合连通的两量子比特间的耦合连通，同时，除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特与除其自身之外的量子比特间的耦合均断开；将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合操作所需要的一段时间。其中，所述步骤S3还具体进一步包括：当所选的当前量子比特耦合模式为任意一组多量子比特间并行耦合模式时，确定待耦合连通的多量子比特；调节所述待耦合连通的多量子比特的外磁通量使所述待耦合连通的多量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能，并调节除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；同时，调节所述待耦合连通的多量子比特及除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的多量子比特的门电压满足以及使得除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压满足这时待耦合连通的多量子比特间的耦合连通，同时，除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特与除其自身之外的量子比特间的耦合均断开；将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合操作所需要的一段时间。其中，所述步骤S3还具体进一步包括：当所选的当前量子比特耦合模式为多对两量子比特间并行耦合模式时，确定T对中各自分别对应的待耦合连通的两量子比特；其中，T为大于1的正整数；分别调节所述T对中待耦合连通的两量子比特的外磁通量，使得同一对中待耦合连通的两量子比特具有相同的有效约瑟夫森能，以及使得第k对中待耦合连通的两量子比特中任意一个量子比特与除第k对之外的其余(T-1)对中任意一个量子比特的有效约瑟夫森能之差远远大于它们之间的耦合能，同时调节除所述T对中待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述T对中待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；其中，k为1至T中的任意一个；同时，调节所述T对中待耦合连通的两量子比特及除所述T对中待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述T对量子比特中每个量子比特的门电压均满足以及使得除所述待耦合连通的T对量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压均满足这时，所述T对中任意相同一对的待耦合连通的两量子比特间耦合均对应连通，所述T对中任意一对的待耦合连通的两量子比特都分别与除其自身和同对中耦合连通的量子比特之外的量子比特间耦合均断开，并且除所述待耦合连通的T对量子比特之外的量子比特与除其自身之外的量子比特间的耦合均断开；将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合所需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用量子计算机中央处理器，其特征在于，其通过电容器将各量子比特耦合在一起的方式构造而成，其中，每一个耦合电容器的一端分别与对应的一量子比特相连接，另一端均直接连接于同一点上。

【技术特征摘要】
1.一种通用量子计算机中央处理器，其特征在于，其通过电容器将各量子比特耦合在一起的方式构造而成，其中，每一个耦合电容器的一端分别与对应的一量子比特相连接，另一端均直接连接于同一点上。2.如权利要求1所述的通用量子计算机中央处理器，其特征在于，所述量子比特为超导电荷量子比特(SQUID)、transmon量子比特、Xmon量子比特之中其一。3.一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其特征在于，其在如权利要求1或2所述的通用量子计算机中央处理器上实现，所述方法包括以下步骤：步骤S1、将各量子比特均制备到初始状态；步骤S2、选择当前量子比特耦合模式；其中，所述量子比特耦合模式包括任意一对两量子比特间耦合模式、任意一组多量子比特间并行耦合模式、多对两量子比特间并行耦合模式以及多组多量子比特间并行耦合模式；步骤S3、根据所选的当前量子比特耦合模式，确定待耦合连通的量子比特，并对所述待耦合连通的量子比特及其之外的量子比特分别进行相应的外磁通量和门电压调节；步骤S4、选择下一步操作，并根据所选的当前操作，确定对各量子比特的具体操纵；其中，所述下一步操作包括：继续下一步耦合操作、进行单量子比特操作、将之前操作所得到的结果进行暂时保存、联合测量一系列操作后所得量子态的结果。4.如权利要求3所述的通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：在对第l个量子比特的初始状态制备时，调节各量子比特的门电压使得除第l个量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压均满足(i≠l,i＝1,2,L,N.)，并调节除第l个量子比特之外的量子比特的外磁通量使其均为半个磁通量子，确保各量子比特之间的耦合均处于断开状态；其中，l为1至N中的任意一个。5.如权利要求3所述的通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：当所选的当前量子比特耦合模式为任意一对两量子比特间耦合模式时，确定待耦合连通的两量子比特；调节所述待耦合连通的两量子比特的外磁通量使二者具有相同的有效约瑟夫森能，并调节除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；同时，调节所述待耦合连通的两量子比特及除二者之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的两量子比特的门电压满足以及使得除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压满足这时待耦合连通的两量子比特间的耦合连通，同时，除所述待耦合连通的两量子比特之外的量子比特与除其自身之外的量子比特间的耦合均断开；将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合操作所需要的一段时间。6.如权利要求3所述的通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其特征在于，所述步骤S3还具体进一步包括：当所选的当前量子比特耦合模式为任意一组多量子比特间并行耦合模式时，确定待耦合连通的多量子比特；调节所述待耦合连通的多量子比特的外磁通量使所述待耦合连通的多量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能，并调节除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的外磁通量均为半个磁通量子，使得除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的有效约瑟夫森能都为0；同时，调节所述待耦合连通的多量子比特及除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的门电压，使得所述待耦合连通的多量子比特的门电压满足以及使得除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特的约瑟夫森结电压满足这时待耦合连通的多量子比特间的耦合连通，同时，除所述待耦合连通的多量子比特之外的量子比特与除其自身之外的量子比特间的耦合均断开；将调节后的外磁通量以及门电压维持量子门耦合操作所需要的一段时间。7.如权利要求3所述的通用量子计算机中央处理器的操纵方法，其特征在于，所述步骤S3还具体进一步包括：当所选的当前量子比特耦合模式为多对两量子比特间并行耦合模式时，确定T对中各自分别对应的待耦合连通的两量子比特；其中，T为大于1的正整数；分别调节所述T对中待耦合连通的两量子比特的外磁通量，使得同一对中待耦合连通的两量子比特具有相同的有效约瑟夫森能，以及使得第k对中待耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜年权，
申请(专利权)人：姜年权，
类型：发明
国别省市：浙江,33