一种用于校准使玻色子量子比特稳定化的量子系统的方法与流程

本发明涉及使玻色子量子比特稳定化。

背景技术：

1、一般而言，超导量子比特可以被实施为超导电子电路的双能级系统。这样的量子比特可以存储在玻色子模式中，并且因此形成被称为玻色子量子比特的特定类别的超导量子比特。

2、根据现有技术已知，可以稳定化猫量子比特，即由两个相干态叠加所跨越的量子流形定义的玻色子量子比特，这两个相干态是玻色子模式的准经典态。为此，可以执行一种特定的耗散稳定化机制，该机制包括在设计承载稳定化量子流形的第一模式（也称为存储器模式或猫量子比特模式）的两个光子，与强耗散的第二模式（也称为缓冲器模式）的一个光子之间的非线性转换。

3、猫量子比特提供了其比特翻转率呈指数级减小而相位翻转率仅呈线性增加的优势。因此，稳定化的猫量子比特受益于高噪声偏置，这意味着比特翻转概率远小于相位翻转概率。

4、由于其噪声结构，猫量子比特可以与重复码连接，像普通超导量子比特那样使用表面码。然而，猫量子比特的噪声偏置似乎可能不足以使某些大规模算法采用简单的重复码，因此需要找到具有更高噪声偏置的玻色子量子比特。

5、为此，最近的研究集中在特定类别的猫量子比特：压缩猫量子比特。例如，q.xu等人 (2022)在文章“autonomous quantum error correction and fault-tolerantquantum computation with squeezed cat qubits”(arxiv:2210.13406)中提出了在连续变量系统中使用压缩猫码针对主要错误源(激发损耗)实施自主量子纠错(aqec)方案。该文章宣称利用仅平均四个光子对猫状态进行编码，噪声偏差约为10-15。作为另一示例，t.hillmann等人(2022)在文章“quantum error correction with dissipativelystabilized squeezed cat qubits”(arxiv:2210.13359，phys.rev.a 107，032423)中提出并分析了耗散稳定化的压缩猫量子比特的纠错性能。

6、然而，在实践中稳定化压缩猫量子比特的可能性面临着若干障碍，因此迄今为止仍停留在纯理论阶段。特别地，这样的稳定化将需要设计大量的哈密顿量项以产生期望的耗散子，进而需要使用过多泵浦源以至于危及系统的稳定化性。此外，这些项中的一项，，其中，是第一模式的光子湮灭算符，并且是第二模式的光子湮灭算符，需要在系统中注入大量能量，这损害了系统的相干性。

7、在此背景下，申请人近期成功实现了稳定化特定类型的玻色量子比特，其性能与压缩猫量子比特相当、甚至略优于压缩猫量子比特。该稳定化除了依赖于第一模式的两个光子与第二模式的一个光子之间的非线性转换以及对第二模式的驱动之外，还依赖于第一模式与第二模式之间的纵向耦合。以这样的方式稳定化的玻色子量子比特被申请人称为“月亮猫量子比特”，这是因为其维格纳层析成像（wigner tomography）呈现出呈新月形状的两个团块（blob）。

8、这样的月亮猫量子比特使得能够实现比标准猫量子比特(即，通过上述耗散稳定化机制稳定化的猫量子比特)的比特翻转概率低多达六倍的比特翻转概率。该结果是在需产生压缩猫量子比特哈密顿量中的项的情况下获得的，并且因此无需使用对应的泵浦，根据理论，该泵浦必须以15千兆赫(ghz)量级的频率递送微波，其中，是第一模式的谐振频率，并且是第二模式的谐振频率。

9、能够稳定化月亮猫量子比特的量子系统的校准存在若干困难，特别是由于第一模式和第二模式之间存在纵向耦合。特别地，纵向耦合引起第二模式的寄生驱动以及斯塔克频移（stark shift），即引起第一模式和第二模式的相应谐振频率的偏差。此外，必须精确地调谐纵向耦合的相对相位和第二模式的驱动，并且可以通过调节纵向耦合的幅度来控制存储器中的光子数。

10、本发明试图改善这样的情况。

技术实现思路

1、为此，申请人提出了一种校准量子系统的方法。

2、这样的量子系统被布置用于稳定化玻色子量子比特并且包括：

3、-指令电路，其包括第一微波源、第二微波源和第三微波源，每个微波源各自被布置用于递送微波辐射；以及

4、-非线性超导量子电路，其包括非对称穿线超导量子干涉装置和至少一个谐振部分，所述非对称穿线超导量子干涉装置连接到所述至少一个谐振部分，所述非对称穿线超导量子干涉装置具有通量线，可以通过所述通量线递送辐射以调制公共通量和差分通量，所述非线性超导量子电路具有第一模式和第二模式，所述第一模式具有第一谐振频率，所述第二模式具有第二谐振频率，所述第二谐振频率与所述第一谐振频率的两倍不同，所述第二模式是耗散的。

5、非对称穿线超导量子干涉装置被布置为使得，在以下情况时：

6、·所述第一微波源通过所述通量线递送辐射，以等于所述第一谐振频率的两倍与所述第二谐振频率之间的差的绝对值的频率来调制所述公共通量，

7、·所述第二微波源通过所述通量线递送辐射，以等于所述第二谐振频率的频率来调制所述公共通量，并且

8、·所述第三微波源以等于所述第二谐振频率的频率将辐射递送到所述至少一个谐振部分（9）以驱动所述第二模式，

9、所述非线性超导量子电路(3)设计被表示为的哈密顿量h，其中，与所述第一微波源(11)的幅度成正比，是所述第一模式(a)的湮灭算符，是复数，其相位和幅度由所述第二微波源(13)的幅度产生，并且各自分别相对于所述第一微波源(11)的相位和幅度定义，是由所述第三微波源(15)产生的复数，并且相对于所述第一微波源(11)定义，是所述第二模式(b)的湮灭算符，并且是厄米共轭，所述哈密顿量h通过所述第二模式(b)的耗散产生有效耗散子，所述有效耗散子使承载所述第一模式（a）中的所述玻色子量子比特的二维流形稳定化。

10、所述方法包括以下操作：

11、a)以等于所述第一谐振频率的两倍与所述第二谐振频率之间的差的绝对值的频率开启所述第一微波源，以及以等于所述第二谐振频率的频率开启所述第二微波源；

12、b)补偿由所述第二微波源引起的所述第二模式的非期望驱动；

13、c)以等于所述第二谐振频率的频率开启所述第三微波源；

14、d)对于所述第二微波源的一个或多个幅度值，在对量进行测量的同时，改变所述第二微波源与所述第三微波源之间的相位差；

15、e)基于在所述第二微波源的所述幅度值下，所述量作为所述相位差的函数的演变，确定对应于所述第二微波源的每个幅度值的复数的幅度的相应值，并且推导所述第二微波源的幅度与所述复数的幅度之间的线性关系；以及

16、f)基于所述线性关系，将所述第二微波源的幅度设定为使所述复数的幅度实质上等于期望值时的值，并且将所述相位差设定为使所述量最小是的值

17、根据一个或多个实施例，非对称穿线超导量子干涉装置的通量线至少包括左通量线和右通量线，量子系统还包括被布置为将第二微波源耦合到所述左通量线和右通量线的补偿模块，所述补偿模块包括被布置为将第二微波源的输出分成分别连接到左通量线和右通量线的第一功率线和第二功率线的rf功率分配器、被布置在第一功率线上以改变公共通量和差分通量之间的幅度差的rf可变衰减器、以及被布置在第二功率线上以改变公共通量和差分通量之间的相位差的rf移相器，操作b)包括：

18、b1)利用所述rf可变衰减器改变所述公共通量与所述差分通量之间的幅度差，并且利用所述rf移相器改变所述公共通量与所述差分通量之间的相位差，同时测量所述量；

19、b2)确定所述幅度差和所述相位差的一对相应值，其中，由于补偿了所述第二模式(b)的非期望驱动，所述量为零；以及

20、b3)将所述幅度差和所述相位差设定为所述一对相应值。

21、替代地，量子系统还包括附加微波源，所述附加微波源被布置为通过所述通量线递送辐射，以等于第二谐振频率的频率来调制差分通量，操作b)包括：

22、b4)以等于所述第二谐振频率的频率开启所述附加微波源；以及

23、b5)调谐所述附加微波源的幅度和相位以补偿第二模式(b)的非期望驱动

24、根据一个或多个实施例，操作d) 包括在保持第二微波源的相位恒定的同时，改变第三微波源的相位。

25、根据一个或多个实施例，操作d)包括利用第二微波源执行纵向读出来测量所述量。

26、根据一个或多个实施例，该方法还包括以下操作：

27、g)将第一微波源与所述第二微波源之间的相位差设定为零。

28、根据一个或多个实施例，操作g)包括将第一微波源、第二微波源和第三微波源的相应相位设置为彼此相等。

29、根据一个或多个实施例，操作f)包括将第二微波源的幅度设定为使复数的幅度小于或等于1的值。

30、根据一个或多个实施例，操作f)包括将第二微波源的幅度设定为使复数的幅度实质上等于1的值。

31、申请人还提出了一种包括指令的计算机程序，该指令由至少一个处理器执行时使得实施上述方法。

32、申请人还提出了计算机可读存储介质，包括存储在其上的上述计算机程序。

33、最后，申请人提出了一种用于校准上述量子系统的装置。

34、该装置被布置为：

35、-以等于所述第一谐振频率的两倍与所述第二谐振频率之间的差的绝对值的频率开启所述第一微波源，以及以等于所述第二谐振频率的频率开启所述第二微波源；

36、-补偿由所述第二微波源引起的所述第二模式的非期望驱动；

37、-以等于所述第二谐振频率的频率开启所述第三微波源；

38、-对于所述第二微波源的一个或多个幅度值，在对量进行测量的同时，改变所述第二微波源与所述第三微波源之间的相位差；

39、-基于在所述第二微波源的所述幅度值下，所述量作为所述相位差的函数的演变，确定对应于所述第二微波源的每个幅度值的复数的幅度的相应值，并且推导所述第二微波源的幅度与所述复数的幅度之间的线性关系；以及

40、-基于所述线性关系，将所述第二微波源的幅度设定为使所述复数的幅度实质上等于期望值的值，并且将所述相位差设定为使所述量最小的值。