一种二维行列玻色编码超导量子处理器及综合征提取方法与流程

本发明涉及量子计算和量子信息处理，具体涉及一种二维行列玻色编码超导量子处理器及综合征提取方法，应用于基于超导量子处理器的qldpc量子纠错执行场景，通过倒装芯片中的行列受稳定玻色编码猫态量子总线组连接二维多能级超导量子比特阵列建立交互连接，将hgp校验结构映射至物理执行链，实现校验量子比特与数据量子比特之间的星型量子门操作，并输出纠错所需的综合征信息。

背景技术：

1、随着量子计算技术的发展，如何实现大规模容错量子计算成为当前研究的重要方向。量子低密度奇偶校验码（qldpc）具有较高编码效率和较低物理资源开销，被认为是实现容错量子计算的重要纠错方案之一。qldpc码通过校验量子比特与数据量子比特之间的量子门交互获取综合征信息，以判断量子计算过程中的错误类型。超图乘积码（hgp）作为一种典型qldpc码，其校验关系具有二维张量积结构，包含大量非局域量子比特交互需求。

2、现有基于超导量子处理器的qldpc纠错方案通常采用二维最近邻量子比特阵列，通过固定耦合器或可调耦合器实现相邻量子比特之间的操作。当执行非局域校验时，由于相关量子比特在物理空间中可能并不相邻，通常需要借助swap操作、量子态路由或额外通信结构完成量子比特间的信息交互，导致量子门数量增加、执行深度提升以及误差累积。

3、此外，现有公共谐振器、超导量子总线及猫态辅助纠错方案虽然能够实现多个量子比特之间的交互或辅助综合征测量，但通常缺少针对qldpc二维校验结构的物理映射机制，难以同时满足非局域校验连接、一对多量子门执行以及大规模综合征提取的需求。因此，亟需一种能够适配qldpc校验结构、降低非局域交互开销并实现高效综合征提取的超导量子处理器架构。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本发明提出一种二维行列玻色编码超导量子处理器及综合征提取方法，以解决现有qldpc量子纠错过程中非局域校验连接依赖量子态路由、额外通信资源消耗较大，以及现有超导量子处理器难以将hgp二维校验结构与物理量子比特交互关系有效映射的问题。为实现上述目的，本发明通过以下技术实现：

2、本技术提供了一种二维行列玻色编码超导量子处理器，包括：

3、二维多能级超导量子比特阵列，以及沿两个相交方向延伸的行玻色编码量子总线组和列玻色编码量子总线组；各多能级超导量子比特分别与对应的行玻色编码量子总线和列玻色编码量子总线形成两个可选择操作的耦合关系；各玻色编码量子总线具有形成二维逻辑编码子空间的玻色编码存储模式及用于维持编码子空间的稳定或纠错单元；

4、方向选择控制单元，用于在共同作用窗口内激活被选多能级超导量子比特与被选方向的玻色编码量子总线的有效耦合，并抑制被选多能级超导量子比特与另一方向对应的玻色编码量子总线之间的有效相互作用；对于未被选多能级超导量子比特，抑制与对应的行玻色编码量子总线和列玻色编码量子总线之间的有效相互作用；

5、量子比特控制单元，用于选择各被选多能级超导量子比特的辅助跃迁，使多个被选多能级超导量子比特在共同作用窗口内通过辅助跃迁与同一被选方向的玻色编码量子总线的玻色编码存储模式建立并行条件交换，并通过使被选多能级超导量子比特返回各自的计算子空间及进行相位闭合，形成玻色编码存储模式与多个被选多能级超导量子比特之间的受控相位门乘积；与辅助跃迁耦合的总线物理算符在编码子空间内的投影，对编码子空间的两个逻辑基态具有不同的对角作用。

6、优选地，编码子空间为两分量猫态编码子空间，或者为对两分量猫态编码子空间的两个逻辑基态分别施加相同压缩变换所得的压缩猫态编码子空间；稳定或纠错单元通过双光子耗散、双光子驱动、克尔非线性或与所采用编码相适配的稳定作用维持编码子空间，量子比特控制单元根据总线物理算符在对应的编码子空间的物理耦合投影，标定并行条件交换及返回控制。

7、优选地，两个可选择操作的耦合关系由独立可调耦合器、共享耦合网络、频率调谐、参量边带或干涉式关断中的至少一种实现；未被选方向的有效相互作用通过关断、充分失谐、频率选择、参量边带选择或干涉抵消中的至少一种方式进行抑制，使未被选方向在共同作用窗口内产生的残余交换或条件相位低于预设门误差预算。

8、优选地，还包括面对面设置的第一超导芯片和第二超导芯片；二维多能级超导量子比特阵列及行玻色编码量子总线组设置于第一超导芯片，列玻色编码量子总线组设置于第二超导芯片；行玻色编码量子总线和列玻色编码量子总线分别由沿相互正交方向延伸的共面波导谐振器承载，各多能级超导量子比特位于对应行玻色编码量子总线和列玻色编码量子总线的俯视投影方向上的交叉位置。

9、优选地，总线物理算符投影至编码子空间后，主导对角作用在两个逻辑基态上具有非零、等模且反相的系数，偏离主导对角作用的修正及编码子空间外泄漏由稳定或纠错单元及量子比特控制单元进行抑制或补偿；

10、各被选多能级超导量子比特具有由第一交换态和第二交换态构成且至少包含一个计算子空间外能级的交换双重态；参与受控相位门的计算态直接作为第一交换态，或经暂存控制映射至计算子空间外的第一交换态；量子比特控制单元用于使各被选多能级超导量子比特在共同作用窗口内完成条件半交换，并在结束有效交换后执行返回控制、以及在采用暂存控制时执行解除暂存控制及相位校正，使各被选多能级超导量子比特返回对应计算子空间，并使未参与受控相位门的计算态保持不变或仅产生可补偿相位。

11、优选地，量子比特控制单元对各被选多能级超导量子比特对应控制通道的有效耦合包络和交换轴相位进行统一设置或分别标定，使各被选多能级超导量子比特在共同作用窗口内获得相同的目标有效旋转角和交换轴。

12、优选地，各被选多能级超导量子比特的计算子空间由基态g态和第一激发态e态构成，并采用以下任一种交换路径：

13、以e态作为第一交换态、以第二激发态f态作为第二交换态构成交换双重态，在完成条件半交换后，通过返回控制使f态分量返回e态；或者，

14、将e态分量暂存至f态，以f态作为第一交换态，以第三激发态h态作为第二交换态构成交换双重态，在完成条件半交换后，通过返回控制使h态分量返回f态，并解除暂存使f态分量返回e态；

15、量子比特控制单元通过对条件半交换、返回控制以及采用暂存控制时的解除暂存控制中的至少一种对应控制脉冲进行相位设定或相位校正，完成相位闭合。

16、优选地，还包括总线制备及逻辑基变换接口、超导量子比特制备及读出单元和综合征控制器；

17、综合征控制器用于接收css型量子低密度奇偶校验码的物理节点映射及预生成星型操作层，确定各星型操作块对应的中心量子比特、目标量子比特集合、所用玻色编码量子总线及作用方向，并将星型操作块绑定至对应的行玻色编码量子总线或列玻色编码量子总线，其中，中心量子比特为校验量子比特或数据量子比特；

18、综合征控制器控制中心量子比特与目标量子比特集合经对应玻色编码量子总线执行星型操作，并在完成星型操作后解除玻色编码量子总线与中心量子比特及目标量子比特集合之间的纠缠，根据校验量子比特的测量结果输出综合征信息。

19、优选地，综合征控制器根据各星型操作块占用的量子比特、玻色编码量子总线、泵浦、读出及控制频率资源，确定互不冲突的星型操作块；同一玻色编码量子总线在同一作用窗口内服务一个星型中心，对星型操作块中的多个目标量子比特执行并行条件交换；对绑定于不同玻色编码量子总线的互不冲突的星型操作块，综合征控制器控制作用窗口至少部分重叠，并保持各参与量子比特对应的行方向有效作用和列方向有效作用互斥。

20、优选地，作用窗口至少部分重叠的互不冲突的星型操作块包括至少一个绑定至行玻色编码量子总线的星型操作块和至少一个绑定至列玻色编码量子总线的星型操作块，各星型操作块之间不共享量子比特、玻色编码量子总线、泵浦、读出及控制频率资源。

21、优选地，css型量子低密度奇偶校验码为由两个经典二元校验矩阵构造的超图乘积码；以两经典二元校验矩阵的变量节点集合和校验节点集合分别记为、和、，将第一数据区、第二数据区、x校验区和z校验区分别设置于、、和对应的二维区域；x校验区至第一数据区之间的校验关联以及z校验区与第二数据区的校验关联绑定至列玻色编码量子总线，x校验区与第二数据区之间的校验关联以及z校验区与第一数据区之间的校验关联绑定至行玻色编码量子总线；

22、两个经典二元校验矩阵的变量节点数量和校验节点数量分别为、、和，第一数据区、第二数据区，x校验区和z校验区共同填满由个行位置和个列位置构成的矩形，多能级超导量子比特总数为，行玻色编码量子总线和列玻色编码量子总线分别按行、列位置设置，玻色编码量子总线的总数为；其中，、、和分别为、、和的节点数量。

23、优选地，还包括与玻色编码存储模式连接的测量接口和复位接口，测量接口和复位接口分别由独立端口或复用端口实现；

24、综合征控制器用于在至少一个星型操作块完成星型操作并解除玻色编码量子总线与对应量子比特的纠缠后，调用测量接口对玻色编码存储模式进行测量，并在测量后的玻色编码存储模式不满足后续调用所需逻辑初态时调用复位接口；将测量结果或由其产生的标志记录与总线标识、轮次标识、星型操作块标识或时间信息中的至少一种关联，并与综合征信息关联输出。

25、基于相同的发明构思，本技术还提供了一种二维行列玻色编码超导量子处理器的综合征提取方法，执行以下步骤：

26、步骤s1，接收css型量子低密度奇偶校验码的物理节点映射、待测校验类型及预生成星型操作层，确定各星型操作块的中心量子比特、目标量子比特集合及所用玻色编码量子总线和作用方向，按量子比特、玻色编码量子总线、泵浦、控制及读出资源安排执行次序；

27、步骤s2，按待测校验类型制备超导校验量子比特，将被选玻色编码量子总线制备为与对应星型操作线路相适配的逻辑初态，并通过稳定或纠错作用维持玻色编码存储模式的二维逻辑编码子空间；在共同作用窗口内激活被选多能级超导量子比特与被选方向的玻色编码量子总线的有效耦合，并抑制未被选方向及未参与星型操作的多能级超导量子比特的有效相互作用；

28、步骤s3，对各星型操作块执行中心量子比特与玻色编码量子总线的纠缠操作、玻色编码量子总线与多个目标量子比特的并行受控相位操作及反向解除控制，配合总线逻辑基变换与量子比特局域基变换，使玻色编码量子总线解除纠缠，并在中心量子比特与各目标量子比特之间形成受控相位门乘积或保持相同校验作用的局部克利福德等价操作；并行受控相位操作通过多个目标量子比特的辅助跃迁在共同作用窗口内与同一玻色编码存储模式建立并行条件交换，再经返回计算子空间及相位闭合实现；

29、步骤s4，使解除纠缠后的玻色编码量子总线保持或恢复至下一次调用所需的逻辑初态，继续执行剩下的星型操作块；

30、步骤s5，完成对应校验操作后，按待测校验类型对超导校验量子比特施加所需基变换并测量，根据测量结果输出综合征信息。

31、优选地，在步骤s2中，将被选玻色编码量子总线的玻色编码存储模式制备为两个逻辑基态的等幅同相叠加态；在步骤s3中，对各星型操作块依次执行中心量子比特与玻色编码存储模式的受控相位门、玻色编码存储模式的逻辑哈达玛变换、玻色编码存储模式与多个目标量子比特的受控相位门乘积、再次施加逻辑哈达玛变换以及中心量子比特与玻色编码存储模式之间的受控相位门，以使玻色编码存储模式解除与中心量子比特及多个目标量子比特之间的纠缠；在步骤s4中，使解除纠缠后的玻色编码存储模式返回等幅同相叠加态；或者，对上述门操作序列进行保持相同的校验作用的局部克利福德等价改写，并相应调整逻辑初态制备、逻辑基变换及读出基。

32、优选地，按照各星型操作块占用的量子比特、玻色编码量子总线、泵浦、读出及控制频率资源选择互不冲突的星型操作块，并确定互不冲突的星型操作块并行执行；在步骤s3中，使绑定至不同玻色编码量子总线的互不冲突的星型操作块的共同作用窗口至少部分重叠，并保持各参与量子比特在共同作用窗口内的行方向有效作用与列方向有效作用互斥。

33、优选地，对于不具有超图乘积码四区直接映射结构的css型量子低密度奇偶校验码，在步骤s1中，物理节点映射及预生成操作层还指定用于实现跨行列校验关联的中继量子比特及辅助交互操作层；中继量子比特为二维多能级超导量子比特阵列中可参与中继的已有量子比特或附加辅助量子比特；按物理节点映射及辅助交互操作层，调用行玻色编码量子总线和列玻色编码量子总线分层执行辅助交互；在采用测量辅助远程门实现跨行列校验关联时，执行测量辅助远程门所需的总线测量及泡利帧修正。

34、优选地，在步骤s4中，在至少一个星型操作块解除玻色编码存储模式纠缠后，在预约的总线读出基下测量玻色编码存储模式，并在测量后的玻色编码存储模式不满足后续调用所需逻辑初态时执行复位；将测量结果或基于测量结果生成的硬标志、软置信度、擦除标记、重测触发信息或校准诊断量，与总线标识、轮次标识、星型操作块标识或时间信息中的至少一种关联形成标志记录，在步骤s5中，将标志记录与综合征信息关联输出至外部译码或恢复控制器。

35、与现有技术相比，本发明存在以下至少一种技术效果：

36、本技术能够降低qldpc非局域校验过程中的通信与路由开销，减少资源占用和执行深度，并提高综合征提取的并行执行能力及二维超导量子处理器对qldpc量子纠错结构的适配能力，通过构建二维行列玻色编码量子总线结构，使二维多能级超导量子比特分别与对应的行、列玻色编码量子总线形成可选择操作的耦合关系，并在共同作用窗口内根据校验操作方向激活对应方向的有效耦合，使同一玻色编码存储模式能够与多个被选多能级超导量子比特建立并行条件交换并形成一对多受控相位操作；结合css型量子低密度奇偶校验码的星型操作层、超图乘积码的二维校验结构映射以及不同玻色编码量子总线之间的并行执行，可减少非局域校验过程中对逐条量子态路由及独立长距离通信资源的依赖，降低由路由和资源冲突引入的附加操作及执行深度，提高综合征提取过程的并行执行能力和资源利用效率，并提高二维超导量子处理器对qldpc量子纠错结构的适配能力。