面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法与流程

本发明属于量子计算，具体是面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法。

背景技术：

1、在光量子芯片的操控质量验证过程中，一种典型的现有做法是：将目标控制指令下发后的一个预设采集窗口内所获取的全部输出端口的单光子探测数据，整体归属于该指令所对应的目标量子态，并基于该整体数据计算保真度或进行态层析重构，以此作为该目标态操控质量的量化依据；该做法的隐含前提是，采集窗口内的全部光子事件均对应于同一个已稳定生效的芯片状态；然而，光量子芯片通常包含多种类型的调节单元，电光响应与热光响应的时间常数存在量级上的差异。

2、当多个调节单元协同完成一次状态切换时，控制指令在各单元上的物理生效时刻并不严格同步，部分响应较慢的单元会经历一段较长的过渡过程。因此，采集窗口的前段数据中，实际混入了“部分单元已到位、部分单元尚未到位”的中间态组合所对应的光子事件；这种过渡态污染在单次测量中可能仅表现为保真度的随机波动，但在闭环校准或连续快速切换的验证场景下，校准算法会将包含污染的数据作为反馈依据，可能逐步驱动控制参数偏离正确的稳态值，导致越校越偏的后果；造成上述情况的深层原因在于，现有验证逻辑把采集数据按时间窗口的归属关系机械地划归目标指令，而未考虑窗口内部不同时段所经历的片内物理状态可能存在实质性差异。

3、因此，如何区分采集窗口内哪些时段的光子事件真正反映了目标态的稳态操控质量、哪些时段受到过渡态干扰，是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，用于解决现有技术无法区分采集窗口内哪些时段的光子事件真正反映了目标态的稳态操控质量、哪些时段受到过渡态干扰的问题；

2、本发明需要解决的技术问题为：如何提供一种可以区分采集窗口内哪些时段的光子事件真正反映了目标态的稳态操控质量、哪些时段受到过渡态干扰的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，包括以下步骤：

5、获取步骤：获取在目标控制指令下发后、预设采集窗口内光量子芯片的多个输出端口的单光子探测事件，根据各输出端口在各时间子窗口内的光子计数生成归一化计数率矩阵；

6、第一处理步骤：根据归一化计数率矩阵，提取表征采集窗口后半段数据平稳程度的第一特征量，以及表征相邻时间子窗口间光子分布演化趋势的第二特征量序列；

7、模板生成步骤：根据第一特征量，从采集窗口后半段数据中确定代理稳态分布，并根据代理稳态分布与采集窗口起始段数据的差异，生成采集窗口对应的理想演化方向模板；

8、第二处理步骤：根据第一特征量确定判决容差，将各第二特征量分别与理想演化方向模板进行比对，获得各时间子窗口对应的偏离程度度量；

9、重构步骤：根据各时间子窗口的偏离程度度量与判决容差的比较关系，为各时间子窗口分配连续化的贡献度权重，并根据贡献度权重对归一化计数率矩阵进行加权平均处理，得到重构后的验证用光子分布数据。

10、本发明具备下述有益效果：

11、1、通过将采集窗口沿时间轴分解为多个连续子窗口并建立归一化计数率矩阵，利用第一特征量表征后半段平稳程度，并以该平稳程度动态决定代理稳态的生成方式，进而以该代理稳态与起始状态的差异构造帧内自生理想演化方向模板，使各子窗口的实际演化方向与该模板的偏离程度被逐一定量描述，最终依据偏离程度与判决容差的比较关系分配连续化贡献度权重并执行加权平均重构；该机制使得窗口前段中源于部分单元尚未到位的过渡态光子事件因演化方向偏离理想路径而被赋予较低权重，后段中趋近稳态的光子事件因演化方向与模板一致而被赋予较高权重，两者在加权平均过程中分离，重构后输出分布中瞬态偏差的贡献被抑制而稳态成分被保留，闭环校准系统的输入数据中污染成分随之降低，参数修正方向不再因过渡态干扰而偏离，连续多帧验证中保真度随迭代次数的波动幅度被约束在预设容差范围内，反馈环路的收敛状态不再因数据归属错位而发散；

12、2、将判决容差设定为硬件固有最小分辨角与第一特征量乘以预设转换系数之和，使得判定标准随当前帧后半段的实际波动程度动态浮动：当后半段平稳程度低时判决容差自动放宽，避免将噪声引起的正常演化波动误判为偏离；当后半段平稳程度高时判决容差自动收紧，确保对偏离的敏感度不因噪声基底降低而减弱；该动态容差机制使得偏离程度度量的阈值在不同信噪比条件下保持有效区分力，避免了固定阈值在低信噪比场景下虚警率升高、在高信噪比场景下漏检率升高的两难问题，各子窗口偏离程度的判定结果在噪声基底变化时仍具有可比性；

13、3、采用连续化权重映射函数替代二值化的剔除或保留判决，使得偏离程度度量在零至判决容差范围内的变化被平滑映射为权重在1至1/2之间的连续衰减，偏离程度度量超过判决容差后权重继续随偏离增大而渐近趋近于零；该连续化处理避免了硬阈值截断导致的统计样本量突变，使得重构后的验证用光子分布数据中既保留了偏离程度较小窗口的有效信息，又不因权重跳变引入人为的分布畸变，加权平均后的输出分布各分量之和保持归一化，可直接输入保真度计算模块而无需额外归一化处理，数据流在处理过程中不发生中断；

14、4、将当前帧前段各窗口偏离程度度量的样本方差映射为置信度因子，再将该因子与当前帧的演化活跃度共同用于驱动下一帧的子窗口切分数调整：高置信度且高活跃度时增加子窗口数以提升瞬态特征的采样粒度，低置信度或低活跃度时减少子窗口数以避免过度采样引入的散粒噪声；该反馈机制配合单步滞回调整策略，使得切分数在连续帧间平滑变化且被限制在预设上下限范围内，验证系统的时间分辨率随数据质量的波动自适应调整，同时因滞回保护而避免了参数振荡，确保在不同信号质量条件下均能维持可用的时间分辨能力。

1.面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，获取归一化计数率矩阵的具体步骤包括：将所述预设采集窗口沿时间轴均匀划分为预设数量个相邻且不重叠的时间子窗口；对于每一时间子窗口内每一输出端口的原始光子计数，将该原始光子计数除以该时间子窗口内所有输出端口的原始光子计数之和，得到该时间子窗口内该输出端口的归一化计数率；当一时间子窗口内所有输出端口的原始光子计数之和为零时，将该时间子窗口标记为空窗口，并将该时间子窗口内各输出端口的归一化计数率均赋值为输出端口总数的倒数；由各时间子窗口内各输出端口的归一化计数率构成所述归一化计数率矩阵。

3.根据权利要求1所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，提取表征所述采集窗口后半段数据平稳程度的第一特征量的具体步骤包括：从所述采集窗口的全部时间子窗口中确定位于后半段的多个时间子窗口；对于每一输出端口，计算该输出端口在所述后半段各时间子窗口内归一化计数率的样本标准差；对所有输出端口的所述样本标准差取平均值，将所得平均值作为所述第一特征量，所述第一特征量的数值越小表示所述采集窗口后半段的光子分布越平稳。

4.根据权利要求1所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，提取表征相邻时间子窗口间光子分布演化趋势的第二特征量序列的具体步骤包括：对于每对相邻的时间子窗口，将后一时间子窗口的归一化计数率向量减去前一时间子窗口的归一化计数率向量，得到差分向量；计算所述差分向量的模长；当所述模长大于预设极小阈值时，将所述差分向量除以所述模长，得到该相邻窗口对对应的演化方向向量；当所述模长不大于所述预设极小阈值时，将该相邻窗口对对应的演化方向向量标记为无效向量；各相邻窗口对对应的演化方向向量按照时间先后顺序构成所述第二特征量序列。

5.根据权利要求1所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，根据所述第一特征量从所述采集窗口后半段数据中确定代理稳态分布的具体步骤包括：当所述第一特征量不大于底噪阈值时，对所述采集窗口后半段各非空时间子窗口的归一化计数率向量取算术平均值，将所得算术平均值作为所述代理稳态分布；当所述第一特征量大于所述底噪阈值时，从所述采集窗口后半段中按照时间从后向前的顺序选取第一个非空时间子窗口，将该非空时间子窗口的归一化计数率向量作为所述代理稳态分布；当所述采集窗口内所有时间子窗口均为空窗口时，终止验证处理并输出无有效光子事件的提示。

6.根据权利要求5所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，根据所述代理稳态分布与所述采集窗口起始段数据的差异生成所述理想演化方向模板的具体步骤包括：以所述采集窗口内第一个非空时间子窗口的归一化计数率向量作为起始状态分布；计算所述代理稳态分布与所述起始状态分布之差，得到全局差分向量；计算所述全局差分向量的模长；当所述模长大于第一预设阈值时，将所述全局差分向量除以所述模长，得到所述理想演化方向模板；当所述模长不大于所述第一预设阈值时，判定所述采集窗口内光子分布未发生有效变化，将全部时间子窗口的贡献度权重均设为相等值，跳过后续比对及重构处理。

7.根据权利要求6所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，当所述全局差分向量的模长大于所述第一预设阈值但不大于第二预设阈值时，将所述全局差分向量除以所述模长得到所述理想演化方向模板，同时生成用于标识所述理想演化方向模板置信度偏低的标记信号，所述第二预设阈值大于所述第一预设阈值。

8.根据权利要求1所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，根据所述第一特征量确定判决容差的具体方式为：获取预先标定的硬件固有最小分辨角；将所述硬件固有最小分辨角与所述第一特征量乘以预设转换系数后所得的值求和，将求和结果作为所述判决容差；所述判决容差随所述第一特征量的增大而增大，随所述第一特征量的减小而减小。

9.根据权利要求1所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，将各所述第二特征量分别与所述理想演化方向模板进行比对获得各时间子窗口对应的偏离程度度量的具体步骤包括：提取位于所述采集窗口后半段起始位置之前的各非空时间子窗口所对应的演化方向向量；对于每一所述演化方向向量，当该演化方向向量为有效向量时，计算该演化方向向量与所述理想演化方向模板的内积，并对所述内积执行反余弦运算得到对应的夹角值，将所述夹角值作为该时间子窗口的偏离程度度量；当该演化方向向量为无效向量时，将该时间子窗口的偏离程度度量设为直角值；对于所述采集窗口后半段的各非空时间子窗口，当所述第一特征量不大于底噪阈值时，将各该时间子窗口的偏离程度度量均设为零值；当所述第一特征量大于所述底噪阈值时，将所述后半段中最后一个非空时间子窗口的偏离程度度量设为零值，并将所述后半段中除最后一个外的其余非空时间子窗口的偏离程度度量设置为在零值至所述判决容差之间的映射值，所述映射值随着该时间子窗口的归一化计数率向量与所述最后一个非空时间子窗口的归一化计数率向量之间差异的增大而增大。

10.根据权利要求1所述的面向光量子芯片的量子态操控质量量化验证方法，其特征在于，根据各时间子窗口的偏离程度度量与所述判决容差的比较关系为各时间子窗口分配连续化的贡献度权重的具体方式为：对于每一非空时间子窗口，当该时间子窗口的偏离程度度量等于零时，将其贡献度权重赋值为最大值1；当该时间子窗口的偏离程度度量大于零时，基于该偏离程度度量与所述判决容差的比值计算贡献度权重，所述贡献度权重随所述比值的增大而单调递减，且当所述偏离程度度量等于所述判决容差时所述贡献度权重为二分之一；对于空窗口，将其贡献度权重赋值为零；所述根据所述贡献度权重对所述归一化计数率矩阵进行加权平均处理得到重构后的验证用光子分布数据的具体方式为：将各时间子窗口的归一化计数率向量分别乘以对应的贡献度权重后求和，再除以各贡献度权重之和，得到所述重构后的验证用光子分布数据。