一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法技术

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操纵方法，包括通过调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量及各量子比特的门电压将各量子比特均制备到初始状态，实现各量子比特间耦合都初始为0；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，且耦合得到的量子态保真度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种通用量子计算机中央处理器的操纵方法
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的操纵方法。
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(Josephson)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。实验上首次实现两超导电荷量子比特耦合的方案以及到目前为止保真度最高的多个超导电荷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。而这些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，多量子比特系统经多次耦合操作后得到的量子态保真度较低。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，多对两量子比特之间耦合的并行操作以及多组多量子比特之间耦合的并行操作，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的操纵方法，其在由一量子比特及其对应相连的耦合电容器为基本单位形成中央处理器的量子计算机上实现，且所有的基本单位均通过其对应的耦合电容器连接于同一点，所述方法包括以下步骤：步骤S1、通过调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量及各量子比特的门电压将各量子比特均制备到初始状态，实现各量子比特间耦合都初始为0；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分别进行相应的外磁通量调节；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、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：调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量使得任意两量子比特的有效约瑟夫森能与二者的耦合能均满足能满足|EJi±EJj|＞＞Eij，从而断开各量子比特间的耦合；其中，EJi为第i个量子比特的有效约瑟夫森能；EJj为第j个量子比特的有效约瑟夫森能；Eij为第i、j两量子比特间形成的耦合能；待各量子比特制备到初始状态后，调节各量子比特的门电压，使得各量子比特的门电压均满足实现各量子比特间耦合都初始为0；其中，Cgi为第i个量子比特对应连接的门电容器的电容值，其为固定值；Vgi为第i个量子比特的门电压。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；保持所述待耦合连通的两量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述待耦合连通的两量子比特之中其另一的外磁通量，使二者都具有相同的有效约瑟夫森能；持续量子门操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。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；保持所述待耦合连通的多量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述待耦合连通的多量子比特之中除保持外磁通量不变之外的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；持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。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，确定多对中各自分别对应的待耦合连通的两量子比特；分别保持所述每一对中待耦合连通的两量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述每一对中待耦合连通的两量子比特之中其另一的外磁通量，使得同一对中待耦合连通的两量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。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组多量子比特间并行耦合模式时，确定多组中各自分别对应的待耦合连通的多量子比特；分别保持所述每一组中待耦合连通的多量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述每一组中待耦合连通的多量子比特之中除保持外磁通量不变之外的量子比特的外磁通量，使得同一组中待耦合连通的多量子比特都具有相同的有效约瑟夫森能；持续耦合操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。其中，所述步骤S4具体包括：当所选的当前量子比特操作模式为继续下一步耦合操作时，返回步骤S2继续操作。其中，所述步骤S4还具体进一步包括：当所选的当前量子比特操作模式为进行单量子比特操作时，选定所需要操作的量子比特，调节其外磁通和门电压来实现所需要的单量子比特操作；完成单量子比特操作后，调节其门电压满足并将其外磁通调节回到单量子比特操作前的状态。其中，所述步骤S4还具体进一步包括：当所选的当前量子比特操作模式为联合测量一系列操作后所得量子态的结果时，直接对各量子比特进行联合测量。其中，所述量子比特为超导电荷量子比特、transmon量子比特、Xmon量子比特之中其一。实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：1、本专利技术实现了任意量子比特之间直接以电容器相耦合的通用纠缠量子门操作，且量子比特之间的耦合强度只需要改变耦合电容器的电容就可按需任意设计和调节，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用量子计算机中央处理器操纵方法，其特征在于，其在由一量子比特及其对应相连的耦合电容器为基本单位形成中央处理器的量子计算机上实现，且所有的基本单位均通过其对应的耦合电容器连接于同一点，所述方法包括以下步骤：步骤S1、通过调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量及各量子比特的门电压将各量子比特均制备到初始状态，实现各量子比特间耦合都初始为0；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分别进行相应的外磁通量调节；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、联合测量一系列操作后所得量子态的结果。

【技术特征摘要】
1.一种通用量子计算机中央处理器操纵方法，其特征在于，其在由一量子比特及其对应相连的耦合电容器为基本单位形成中央处理器的量子计算机上实现，且所有的基本单位均通过其对应的耦合电容器连接于同一点，所述方法包括以下步骤：步骤S1、通过调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量及各量子比特的门电压将各量子比特均制备到初始状态，实现各量子比特间耦合都初始为0；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分别进行相应的外磁通量调节；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、联合测量一系列操作后所得量子态的结果。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：调节所有基本单位所含各量子比特的外磁通量使得任意两量子比特的有效约瑟夫森能与二者的耦合能均满足能满足|EJi±EJj|＞＞Eij，从而断开各量子比特间的耦合；其中，EJi为第i个量子比特的有效约瑟夫森能；EJj为第j个量子比特的有效约瑟夫森能；Eij为第i、j两量子比特间形成的耦合能；待各量子比特制备到初始状态后，调节各量子比特的门电压，使得各量子比特的门电压均满足实现各量子比特间耦合都初始为0；其中，Cgi为第i个量子比特对应连接的门电容器的电容值，其为固定值；Vgi为第i个量子比特的门电压。3.如权利要求1所述的方法，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；保持所述待耦合连通的两量子比特之中其一的外磁通量不变，并调节所述待耦合连通的两量子比特之中其另一的外磁通量，使二者都具有相同的有效约瑟夫森能；持续量子门操作需要的一段时间后，调节各量子比特的外磁通量使其回到量子门操作之前的状态，即调节回各量子比特间耦合都初始为0时的外磁通量。4.如权利要求1所述的方法，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；保持所述待耦合连通的多量子比特之中其一的...

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