一种量子门测试方法、装置及电子设备与流程

1.本公开涉及计算机技术中的量子技术等领域，尤其涉及一种量子门测试方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.近些年，量子硬件的性能逐步提升，多种量子算法在不同类型的量子硬件平台上得以展示和验证。现有量子计算硬件中，超导电路可通过较为成熟的半导体cmos(complementary metal oxide semiconductor)工艺进行生产而倍受业界青睐。除此之外，超导电路也具有易调控、相干时间较长等优势，使其成为量子硬件最为热门的候选者之一。在超导电路中，量子比特的控制一般通过两种方式实现——微波脉冲和磁通，在实验中，量子比特的控制效果，即量子门是否达到预期，一般通过基准测试(benchmarking)得到。


技术实现要素：

3.本公开提供一种量子门测试方法、装置及电子设备。
4.第一方面，本公开一个实施例提供一种量子门测试方法，所述方法包括：
5.获取n个第一量子门序列的n个第一控制脉冲序列，其中，每个第一量子门序列中包括待测量子门，n为大于1的整数；
6.基于幅值对应关系，对所述n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列，其中，所述幅值对应关系基于幅值对集合拟合确定，所述幅值对集合中的每个幅值对包括一个模拟幅值以及对应的一个真实实验幅值，所述模拟幅值为基于目标量子硬件的哈密顿量生成的基本量子门的脉冲幅值；
7.将所述n个目标脉冲序列输入所述目标量子硬件进行测试，得到所述待测量子门在所述目标量子硬件中的测试结果。
8.在本实施例的量子门测试方法中，用于校准的幅值对应关系，是根据真实实验幅值以及利用目标量子硬件的哈密顿量模拟得到的模拟幅值拟合得到，即考虑了在实际的目标量子硬件上的真实实验幅值以及目标量子硬件的哈密顿量模拟得到的模拟幅值，利用得到的幅值对应关系对第一控制脉冲序列进行校准，可使得到的目标脉冲序列更加适配目标量子硬件，即可提高得到的目标脉冲序列与目标量子硬件的适配程度，利用校准后得到适配目标量子硬件的n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，可提高在目标量子硬件上测试的准确性。
9.第二方面，本公开一个实施例提供一种量子门测试装置，所述装置包括：
10.第一获取模块，用于获取n个第一量子门序列的n个第一控制脉冲序列，其中，每个第一量子门序列中包括待测量子门，n为大于1的整数；
11.校准模块，用于基于幅值对应关系，对所述n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列，其中，所述幅值对应关系基于幅值对集合拟合确定，所述幅值对集合中的每个幅值对包括一个模拟幅值以及对应的一个真实实验幅值，所述模拟幅值为基于目标量
子硬件的哈密顿量生成的基本量子门的脉冲幅值；
12.测试模块，用于将所述n个目标脉冲序列输入所述目标量子硬件进行测试，得到所述待测量子门在所述目标量子硬件中的测试结果。第三方面，本公开一个实施例还提供一种电子设备，包括：
13.至少一个处理器；以及
14.与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
15.所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本公开如第一方面提供的量子门测试方法。
16.第四方面，本公开一个实施例还提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行本公开如第一方面提供的量子门测试方法。
17.第五方面，本公开一个实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现本公开如第一方面提供的量子门测试方法。
18.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
19.附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
20.图1是本公开提供的一个实施例的量子门测试方法的流程示意图之一；
21.图2是本公开提供的一个实施例的量子门测试方法的原理图；
22.图3是本公开提供的一个实施例的利用校准后的n个目标脉冲模型在目标量子硬件进行测试后的效果图；
23.图4是本公开提供的一个实施例的x通道的量子门序列和y通道的量子门序列；
24.图5是本公开提供的一个实施例的量子门测试方法中通过第二量子门序列进行测试得到的保真度；
25.图6是本公开提供的一个实施例的量子门测试方法中通过第一量子门序列进行测试得到的保真度；
26.图7是本公开提供的另一个实施例的量子门测试装置的结构图；
27.图8是用来实现本公开实施例的量子门测试方法的电子设备的框图。
具体实施方式
28.以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
29.如图1所示，根据本公开的实施例，本公开提供一种量子门测试方法，方法包括：
30.步骤s101：获取n个第一量子门序列的n个第一控制脉冲序列，其中，每个第一量子门序列中包括待测量子门，n为大于1的整数。
31.量子控制是连接量子软件和量子硬件的桥梁，需要将量子软件层面的量子逻辑门即量子门编译为量子硬件可以识别的物理脉冲信号，即控制脉冲，量子门的控制脉冲作用于量子硬件的量子比特，可能使量子比特的量子态发生改变。需要说明的是，n个第一控制脉冲序列为基于n个第一量子门序列生成的，上述任一第一量子门序列中可包括多个量子门，任一第一控制脉冲序列中可包括多个控制脉冲，n个第一量子门序列与n个第一控制脉冲序列一一对应，且任一第一量子门序列中的量子门的数量与对应的第一控制脉冲序列中的脉冲数量相同，即任一第一量子门序列中的量子门与对应的第一控制脉冲序列中的控制脉冲一一对应。
32.步骤s102：基于幅值对应关系，对n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列。
33.步骤s103：将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，确定待测量子门在目标量子硬件中的测试结果。
34.其中，幅值对应关系基于幅值对集合拟合确定，幅值对集合中的每个幅值对包括一个模拟幅值以及对应的一个真实实验幅值，模拟幅值为基于目标量子硬件的哈密顿量生成的基本量子门的脉冲幅值。需要说明的是，真实实验幅值为在目标量子硬件上进行拉比振荡实验确定的基本量子门的脉冲幅值，可以理解上述幅值对应关系与目标量子硬件对应，不同的目标量子硬件对应不同的幅值对应关系。上述目标量子硬件可以为任意的量子硬件，对于任意的量子硬件，均可通过上述一套测试过程进行测试，即通过量子硬件对应的幅值对应关系对n个第一控制脉冲序列进行校准，可提高校准后得到的目标脉冲序列与任意的量子硬件的适配程度，然后通过校准后得到的述n个目标脉冲序列输入对应的量子硬件进行测试即可，实现对在对应量子硬件上的测试，如此可提高在任意的量子硬件上测试的准确性。无需针对不同量子硬件定制不同的测试方案进行测试，而是通过统一的一套测试方案可实现在任意的量子硬件上的测试，采用量子硬件对应的幅值对应关系进行校准，将校准后的脉冲序列输入对应的量子硬件进行测试即可。
35.即在本实施例中，预先确定了幅值对应关系，获得n个第一控制脉冲序列之后，可利用幅值对应关系，对n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列。由于幅值对应关系是基于幅值对集合拟合确定的，且幅值对包括了真实实验幅值以及根据目标量子硬件的哈密顿量生成的模拟幅值，也即是幅值对应关系的确定，考虑了在实际的目标量子硬件上的真实实验幅值和利用目标量子硬件的哈密顿量模拟得到的模拟幅值，利用得到的幅值对应关系对第一控制脉冲序列进行校准，可使得到的目标脉冲序列更加适配目标量子硬件，利用适配目标量子硬件的n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，确定待测量子门在目标量子硬件中的测试结果，从而可提高在目标量子硬件上测试的准确性。
36.在本实施例的量子门测试方法中，用于校准的幅值对应关系，是根据真实实验幅值以及利用目标量子硬件的哈密顿量模拟得到的模拟幅值拟合得到，即考虑了在实际的目标量子硬件上的真实实验幅值以及目标量子硬件的哈密顿量模拟得到的模拟幅值，利用得到的幅值对应关系对第一控制脉冲序列进行校准，可使得到的目标脉冲序列更加适配目标量子硬件，即可提高得到的目标脉冲序列与目标量子硬件的适配程度，利用校准后得到适配目标量子硬件的n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，可提高在目标量子硬件上测试的准确性。
37.在一个实施例中，基于幅值对应关系，对n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列之前，还包括：
38.获取初始控制脉冲序列，初始控制脉冲序列为基于目标量子硬件的哈密顿量生成的基本量子门的脉冲序列，初始控制脉冲序列中每个脉冲对应一个模拟幅值以及脉冲持续时长；
39.将基本量子门的m个实验脉冲序列输入目标量子硬件进行拉比振荡实验，确定基本量子门的m个真实实验幅值，同一实验脉冲序列中脉冲的脉冲持续时长相同，任意两个实验脉冲序列之间的脉冲持续时长不同，m为大于1的整数；
40.根据基本量子门的m个真实实验幅值对应的m个实验脉冲的脉冲持续时长，从初始控制脉冲序列中确定基本量子门的m个模拟幅值；
41.基于基本量子门的m个模拟幅值以及基本量子门的m个真实实验幅值进行数据拟合，得到基本量子门的幅值对应关系，其中，幅值对集合包括基本量子门的m个模拟幅值以及对应的基本量子门的m个真实实验幅值。
42.其中，可根据目标量子硬件构建模型，从而得到目标量子硬件的哈密顿量，在本实施例中，初始控制脉冲序列可通过独立于真实的目标量子硬件，依据目标量子硬件的哈密顿量生成。作为一个示例，上述基本量子门可包括x门和y门等，即可生成x门的初始控制脉冲序列和y门的初始控制序列。
43.另外，可在实际的目标量子硬件上执行拉比振荡实验，即将基本量子门的m个实验脉冲序列输入目标量子硬件进行拉比振荡实验，从而可确定基本量子门的m个真实实验幅值。需要说明的是，若上述基本量子门的数量为至少两个，则需要获取每个基本量子门的初始控制脉冲，需要将每个基本量子门的m个实验脉冲序列分别输入目标量子硬件进行拉比振荡实验，确定每个基本量子门的m个真实实验幅值，任意两个实验脉冲序列之间的脉冲持续时长不同，可以理解为同一基本量子门的任意两个实验脉冲序列之间的脉冲持续时长不同。后续可从初始控制脉冲序列中确定每个基本量子门的m个模拟幅值，如此，可得到每个基本量子门的幅值对应关系。例如，基本量子门包括x和y门，对于目标量子硬件，可得到x门的幅值对应关系和y门的幅值对应关系。
44.需要说明的是，对于不同的目标量子硬件，可通过上述过程生成对应的幅值对应关系，即可生成不同的幅值对应关系，可实现任意的量子硬件对应的幅值对应关系，如此，对于在任意的量子硬件上的测试，通过对应的幅值对应关系进行校准，将校准后得到的脉冲序列输入对应的量子硬件进行测试即可，可实现在任意的量子硬件上的量子门测试。
45.在本实施例中，可预先通过在实际的目标量子硬件上执行拉比振荡实验得到真实实验幅值，利用真实实验幅值对应的实验脉冲序列的脉冲持续时长确定对应的模拟幅值，基于基本量子门的m个模拟幅值以及基本量子门的m个真实实验幅值进行数据拟合，得到基本量子门的幅值对应关系，通过得到的幅值对应关系进行校准，可使校准后得到的目标脉冲序列更加适配目标量子硬件，即可提高得到的目标脉冲序列与目标量子硬件的适配程度，利用校准后得到适配目标量子硬件的n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，可提高在目标量子硬件上测试的准确性。
46.在一个实施例中，根据基本量子门的m个真实实验幅值对应的m个实验脉冲的脉冲持续时长，从初始控制脉冲序列中确定基本量子门的m个模拟幅值之前，还包括：
47.利用目标噪声模型对初始控制脉冲序列进行加噪处理，以更新初始控制脉冲序列；
48.其中，目标噪声模型为已对目标量子硬件的噪声信息进行学习后得到的噪声模型。
49.即在本实施例中，可学习目标量子硬件的噪声信息得到目标噪声模型，在确定基本量子门的m个模拟幅值之前，可利用目标噪声模型对初始控制脉冲序列进行加噪处理，以更新初始控制脉冲序列，后续从更新的初始控制脉冲序列中确定基本量子门的m个模拟幅值。由于目标噪声模型学习了目标量子硬件的噪声，如此，对初始控制脉冲序列进行加噪处理，更新初始控制脉冲序列，可使更新后的初始控制脉冲序列与目标量子硬件更加适配，从而可提高后续得到的幅值对应关系的精确性，进一步提高测试的效果。
50.在一个实施例中，将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，得到待测量子门的测试结果，包括：
51.将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，得到目标量子比特在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态，其中，n个目标脉冲序列作用于目标量子硬件的目标量子比特；
52.基于n个量子末态与目标量子比特的n个量子初态，确定待测量子门的测试结果。
53.即每个目标脉冲序列对应得到一个量子末态，量子末态即为目标量子比特的量子末态。对于任一目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，目标量子硬件的目标量子比特在该目标脉冲序列的作用下，可能发生量子态的改变，即可能从其对应的量子初态(一般可以为|0>态)变为叠加态。由于在读取目标量子硬件的目标量子比特测试后的量子态时，无论目标量子比特测试后的叠加态如何，读取的结果是|0>态或|1>态，从而，作为一个示例，确定任一目标脉冲序列作用下的n个量子末态的过程中，可多次读取该目标脉冲序列输入目标量子硬件测试后目标量子硬件的目标量子比特的量子态，即可统计多次读取的量子态中为|0>态的数量和为|1>态的数量，然后通过|0>态的数量与|1>态的数量的比值确定该目标脉冲序列作用下目标量子比特的量子末态，任一目标脉冲序列均可通过该过程确定目标量子比特的量子末态，从而可得到n个量子末态。
54.即在本实施例中，可将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，得到目标量子比特在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态，是利用n个量子末态与目标量子比特的n个量子初态，确定待测量子门的测试结果，如此，可提高测试效果。
55.需要说明的是，目标量子比特可以为目标量子硬件的量子比特中的任一量子比特，对于目标量子硬件的量子比特为单量子比特的情况，目标量子比特即为目标量子硬件的量子比特。
56.在一个实施例中，基于n个量子末态与目标量子比特的量子初态，确定待测量子门的测试结果，包括：
57.基于目标量子比特在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态以及目标量子比特的量子初态，得到n个第一保真度；
58.基于n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度确定第一测试参数，基于n个第二保真度以及n个第二量子门序列的长度确定第二测试参数；
59.基于第一测试参数和第二测试参数，确定待测量子门的测试结果，待测量子门的
测试结果与第一测试参数反相关，与第二测试参数正相关；
60.其中，n个第二保真度基于目标量子比特在n个第二控制脉冲序列作用下的n个量子末态以及目标量子比特的量子初态得到的，n个第二控制脉冲序列为基于幅值对应关系，对n个第三控制脉冲序列进行校准得到的，n个第三控制脉冲序列基于n个第二量子门序列生成的，目标第二量子门序列中的最后一个量子门为目标第二量子门序列中除最后一个量子门之外的子序列的量子门乘积的逆，目标第二量子门序列为n个第二量子门序列的任一序列，n个第一量子门序列为在n个第二量子门序列的子序列中任意相邻两个量子门之间插入待测量子门得到的。
61.可以理解，第一测试参数可用于表示第一保真度相对于第一量子门序列的长度的衰减速率，第一测试参数越小，表示第一保真度相对于第一量子门序列的长度的衰减速率越大，第二测试参数可用于表示第二保真度相对于第二量子门序列的长度的衰减速率，第二测试参数越小，表示第二保真度相对于第二量子门序列的长度的衰减速率越大。其中，目标第二量子门序列中的最后一个量子门为目标第二量子门序列中除最后一个量子门之外的子序列的量子门乘积的逆，例如，目标第二量子门序列为{m1，m2，
……
，m
i
，
……
m
m
，m
m 1
}，长度为m 1，m至少为2，m
i
为目标第二量子门序列中第i个量子门，1≤i≤m 1，量子门可通过矩阵的形式表示，m
m 1
可以为前m个量子门(即m1，m2，
……
，m
i
，
……
m
m
)的矩阵乘积(仍是矩阵)的逆，矩阵与该矩阵的逆的乘积为单位矩阵。
62.在本实施例中，通过基于目标量子比特在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态以及目标量子比特的量子初态，得到n个第一保真度，利用n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度确定第一测试参数，基于n个第二保真度以及n个第二量子门序列的长度确定第二测试参数，通过第一测试参数和第二测试参数，确定待测量子门的测试结果，也即是确定待测量子门的测试结果的过程中，既考虑了n个第一保真度，而且还考虑了上述n个第二保真度，如此，可提高得到的测试结果的精确性。
63.作为一个示例，任一第一量子门序列中包括n个第一子量子门序列，同一第一量子门序列中的任意两个第一子量子门序列的序列长度相同，任一第二量子门序列中包括n个第二子量子门序列，任一目标脉冲序列包括n个子目标脉冲序列，同一第二量子门序列中的任意两个第二子量子门序列的序列长度相同，任一第二控制脉冲序列包括n个子控制脉冲序列，任一第三控制脉冲序列包括n个子脉冲序列，n为正整数。对应地，得到的在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态中任一量子末态中包括n个第一子量子末态，一个第一子量子末态为目标量子比特在对应的目标脉冲序列中的一个子目标脉冲序列作用下的末态，在n个第二控制脉冲序列作用下的n个量子末态中任一量子末态中包括n个第二子量子末态，一个第二子量子末态为目标量子比特在对应的第二控制脉冲序列中的一个子控制脉冲序列作用下的末态。如此，基于目标量子比特在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态以及目标量子比特的量子初态，得到n个第一保真度的过程中，对于任一目标脉冲序列，可基于该目标脉冲序列(n个子脉冲序列)作用下的量子末态以及目标量子比特的量子初态，得到在该目标脉冲下的n个保真度，即n个第一子量子末态分别与量子初态之间的保真度，然后对该目标脉冲下的n个保真度进行平均，得到一个第一保真度。对n个目标脉冲序列中每个目标脉冲序列均进行上述过程，从而可得到n个第一保真度。
64.基于所述目标量子比特在n个第二控制脉冲序列作用下的n个量子末态以及所述
目标量子比特的量子初态得到所述n个第二保真度的过程中，对于任一第二控制脉冲序列，可基于该第二控制脉冲序列(n个子控制脉冲序列)作用下的量子末态以及目标量子比特的量子初态，得到在该第二控制脉冲下的n个保真度，即n个第二子量子末态分别与量子初态之间的保真度，然后对该第二控制脉冲下的n个保真度进行平均，得到一个第二保真度。对n个第二控制脉冲序列中每个子控制脉冲序列均进行上述过程，从而可得到n个第二保真度。
65.其中，需要说明的是，量子态可以通过矩阵形式表示，两个量子态之间的保真度可以理解为表示这两个量子态的矩阵之间的相似度或距离，例如，量子初态的矩阵形式为(1,0)，一个量子末态的矩阵形式为(1/2
1/2
,1/2
1/2
)，则可通过计算两个矩阵的欧式距离作为两者的保真度。
66.在一个实施例中，基于n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度确定第一测试参数，包括：
67.基于n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度进行拟合，得到第一对应关系，第一对应关系表征第一保真度与第一量子门序列的长度之间的对应关系；
68.从第一对应关系中获取第一测试参数。
69.第一对应关系可以理解为第一保真度对于第一量子门序列的长度的表达式，通过n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度进行拟合得到。得到的第一对应关系中可包括第一拟合参数、第二拟合参数以及第一测试参数，拟合后者三个参数的值是确定的，从第一对应关系中获取第一测试参数即可。
70.在本实施例中，可通过n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度进行拟合，得到第一对应关系，如此，可从第一对应关系中获取第一测试参数即可，用于测试结果的确定，以提高确定的测试结果的准确性。
71.在一个实施例中，基于n个第二保真度以及n个第二量子门序列的长度确定第二测试参数，包括：
72.基于n个第二保真度以及n个第二量子门序列的长度进行拟合，得到第二对应关系，第二对应关系表征第二保真度与第二量子门序列的长度之间的对应关系；
73.从第二对应关系中获取第二测试参数。
74.第一对应关系可以理解为第一保真度对于第一量子门序列的长度的表达式，通过n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度进行拟合得到。得到的第一对应关系中可包括第一拟合参数、第二拟合参数以及第一测试参数，拟合后者三个参数的值是确定的，从第一对应关系中获取第一测试参数即可。
75.在本实施例中，可通过n个第二保真度以及n个第二量子门序列的长度进行拟合，得到第二对应关系，如此，可从第二对应关系中获取第二测试参数即可，用于测试结果的确定，以提高确定的测试结果的准确性。
76.下面以一个具体实施例对上述量子门测试方法的过程加以具体说明。
77.如图2所示，为实现本实施例的量子门测试方法的量子门测试原理图，本实施例提出了一种独立于量子硬件，集校准、脉冲生成、脉冲优化排序以及基准测试为一体的自动化方案，可根据任意的量子硬件，自动化对控制脉冲进行基准测试，只需输入硬件信息以及预基准测试的待测量子门，即可获得在真实的量子硬件上该待测量子门的保真度，从而确定测试结果。也即是本公开可以完成量子硬件上量子门实现品质好坏的量化分析得到测试结
果(例如，得到具体的平均错误率)，通过获取这些数据，能够进一步地表征量子硬件的性能、优化脉冲、提高量子控制的效果并开发其他的基准测试方案等。本公开实施例提供的量子门测试方法的流程如下：
78.首先，确定校准数据，即确定幅值对应关系，然后，得到n个第一量子门序列的n个第一控制脉冲序列，利用幅值对应关系对n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列，将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，得到待测量子门在目标量子硬件中的测试结果。
79.具体地，对于确定幅值对应关系，由于真实的量子硬件的理论模型(哈密顿量)的控制脉冲与真实的量子硬件的控制脉冲在定义上存在差异，为了使依据理论模型生成的脉冲在真机上达到理想的效果，需要通过与真机的交互，学习真机的噪声信息，以获得更为精确的校准数据，来最大程度地接近真机效果，并对脉冲进行校准。本公开适用于其他校准场景，且实现步骤精简，用户只需调用极少(1至2个)接口组件所提供的功能函数便能够完成四个步骤得到高精度的校准数据，自动化程度高，极为便利。其中，自动化校准以π脉冲校准为例具体的四个步骤如下：
80.(1)独立于具体的真实的量子硬件，使用脉冲生成器(可以是脉冲生成程序)依据理论模型计算并生成x和y门的脉冲，即实现在布洛赫球(bloch sphere)上能够使单量子比特量子态绕x轴和y轴旋转180
°
的控制脉冲振幅，也称作π脉冲幅度，记为ax与ay，即对应x门的模拟幅值与y门的模拟幅值。这些脉冲的振幅与脉冲持续时长已是经过脉冲生成器优化策略优化后的最优值。由于量子门的脉冲与幅值以及脉冲持续时长有关，对于同一量子门，可改变脉冲的幅值和脉冲持续时长来表示同一量子门，从而，可生成x门的初始控制脉冲序列以及y门的初始控制脉冲序列，x门的初始控制脉冲序列中的每个脉冲可表示x门，y门的初始控制脉冲序列中的每个脉冲可表示y门。
81.(2)可将x门和y门的实验脉冲序列输入目标量子硬件，在目标量子硬件上执行拉比振荡(rabi oscillation)实验，可分别得到x门和y门的振荡波形，横坐标为振幅，纵坐标为量子态为|0>态的概率，可分别获取振幅震荡周期，真实实验幅值为振幅振荡周期的一半，记为i与q(i对应x门通道的脉冲，q对应y门通道的脉冲)，这里需确保输入量子硬件进行拉比振荡实验的脉冲类型与理论模型中使用的控制脉冲类型一致。
82.(3)通过改变实验脉冲序列的脉冲时长，重复上述拉比振荡实验，例如，通过m个实验脉冲序列输入目标量子硬件进行m次拉比振荡实验，求得x门对应的m个真实实验幅值，以及y门对应的m个真实实验幅值，可从(1)中找出与x门的m个实验脉冲的脉冲持续时长(x门的m个真实实验幅值对应的)对应的m个模拟幅值，以及从(1)中找出与y门的m个实验脉冲的脉冲持续时长(y门的m个真实实验幅值对应的)对应的m个模拟幅值。通过线性或非线性拟合，求得模拟幅值与真实实验幅值的对应关系，即幅值对应关系或校准数据。
83.在(1)中可引入多种噪声模型，通过与步骤(2)中得出的真实实验幅值进行对比，不断迭代学习，更新噪声模型的参数，得到目标噪声模型，即训练完成得到的目标噪声模型已学习了真实的量子硬件的噪声，通过目标噪声模型可对基于理论模型生成的脉冲进行加噪处理，得到更加适配真实的量子硬件的脉冲，即可获得更加适配真实的量子硬件的模拟幅值，如此，可获得更加精确的幅值对应关系，即可精准地提高模拟生成的硬件无关的脉冲与目标量子硬件的适配程度，可达成对任意量子硬件的适配。如图3所示，以x/2门为例，展
示了利用校准后的n个目标脉冲模型在目标量子硬件进行测试后的效果，图3中标识读取了目标量子比特的量子态1024次，读取的目标量子比特的量子态为|0>态的次数为500次，读取的目标量子比特的量子态为|1>态的次数为524次，图3中理论值表示读取的1024次中|0>态的理论次数和读取的1024次中|1>态的理论次数。
84.对于得到n个第一量子门序列的n个第一控制脉冲序列，利用幅值对应关系对n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列。一般地，随机基准测试需要使用clifford群，所谓clifford群，是能够正规化泡利群(pauli group)的酉算符群c
n
和p
n
分别是n量子比特的clifford群和泡利群，其意在平均后续可能出现的错误极化。对于单量子比特，共有24个clifford门，其由一些基本量子门(例如，i、x、y、x/2、y/2门等)生成，其中i代表单位矩阵，x(y)代表绕x(y)轴旋转180
°
，而x/2(y/2)代表绕x(y)轴旋转90
°
。要进行随机基准测试，需要选取一系列不同长度的clifford门序列，每个clifford门序列由以下表1中随机选取的量子门构成，并在序列最后添加该量子门序列的逆，使得整个量子门序列的最终效果理论上等价于对该量子比特施加一个形为单位矩阵的酉变换，即保持原来的状态。每个长度的量子门序列需重复多次，并在后续数据分析中求平均值，以减少随机误差。
85.表1
86.87.另外，可采用交插式基准测试(interleaved randomized benchmarking)方案来获得待测量子门(例如：h量子门)的保真度。具体来说，可在每个随机选取的clifford量子门后都插入一个h量子门从而获得新的量子门序列即第一量子门序列(序列b)，而未插入h量子门的序列为参考序列即第二量子门序列(序列a)。通过对比序列a与b得到的结果，在后续数据分析中可得出待测量子门的保真度。
88.需要说明的是，依据理论模型使用脉冲生成器生成基准测试所需脉冲序列，每个clifford量子门脉冲生成后，会将优化后的脉冲参数缓存至内存中，如果再次执行相同的量子门的优化任务即可直接调用缓存数据而无需重新优化，以缩短优化时间与计算资源(如果想要得到较为准确的基准测试结果，基准测试脉冲序列需要由较大数量，且重复出现的clifford量子门组成，因此引入的缓存机制尤为重要)。另外，由于需要随机生成多个不同深度的基准测试序列，引入前述缓存机制后用户仍然会消耗大量时间与云端进行多次重复的通信，进而引入了批量执行任务的机制，即将大量任务批量地上传至云，计算后统一返回，最大程度地减小了通信所消耗的时间。
89.对于将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，得到待测量子门在目标量子硬件中的测试结果。可通过使用量子计算机自动化接口组件，将脉冲转换为真实的量子硬件例如量子计算机可以识别的脉冲任务数据，提交至真实的量子硬件进行实机运行，并得到返回结果。更具体地，可通过该自动化接口组件，用户只需输入想要基准测试的待测量子门以及脉冲的排布方式，例如左对齐或居中对齐(不同的排布方式支持不同的基准测试方法，如左对齐排布方式有利于实现同步随机基准测试(simultaneous rb)的模拟)，该自动化过程便能够调用缓存的脉冲，使用上述得到的校准数据对预缓存的脉冲进行校准，并根据相应的脉冲排布方式(通过脉冲调度器进行脉冲排布)来生成多组不同深度的随机基准测试脉冲序列。总体来看，通过本公开的测试方法，可以不依赖于具体的量子硬件，却能够极为便利地通过自动化校准与自动化基准测试功能，完成从门级到脉冲级的转化，生成适配目标量子硬件要求的高保真度脉冲序列。这样不论在对实验前仿真，量子硬件设计验证，或加速因真实量子硬件资源短缺而效率降低的量子应用的开发等方面都有极大的帮助。图4所示即为经过自动化脉冲排布所生成的clifford门个数为50的用于测试h量子门的交插式随机基准测试脉冲序列，即x通道的量子门序列和y通道的量子门序列。
90.通过对目标量子硬件的目标量子比特的量子态的多次读取，获取量子态信息。由于理论上用于测试的量子门序列为单位矩阵，所以被执行量子门序列后的量子态应仍然为初始态(一般为|0>态)。因此目标量子比特的末态可直接从多次读取的量子态信息中，|0>态与|1>态的数量的比值得出，然后根据目标量子比特的末态与初态确定序列保真度。多次随机生成特定长度的脉冲序列，读取序列保真度并取平均值，即序列保真度f。随后，对不同序列长度的保真度通过以下表达式进行拟合，并得到f(测试参数)。
91.f(m)＝c df
m
。
92.其中，序列a(b)保真度表示为f
a
(f
b
)，序列长度表示为m，c和d为拟合常数，拟合得到的第一对应关系可通过f
a
(m)＝c
a
d
a
f
am
表示，即第一对应关系可以理解为第一保真度是以第一测试参数为底，关于所述第一量子门序列的长度的指数关系，c
a
为第一对应关系中的第一拟合常数，d
a
为第一对应关系中的第二拟合常数，拟合得到的第二对应关系可通过f
b
(m)＝c
b
d
b
f
bm
表示，即第一对应关系可以理解为第一保真度是以第二测试参数为底，关于
所述第一量子门序列的长度的指数关系，c
b
为第二对应关系中的第一拟合常数，d
b
为第二对应关系中的第二拟合常数，第一测试参数为f
b
，第二测试参数为f
a
。然后通过以下表达式获得平均clifford量子门错误率r
a
：
93.r
a
＝(d
‑
1)
×
(1
‑
f
a
)/d。
94.并通过以下表达式获得待测量子门(例如h量子门)的测试结果，例如平均错误率r
b
。
95.r
b
＝(d
‑
1)
×
(1
‑
f
b
/f
a
)/d。
96.其中，对于单量子比特，d＝2。
97.可以理解，上述任一第一保真度为平均保真度，任一第二保真度为平均保真度，上述量子门测试方法的整体过程如下：
98.选取一系列序列长度{1，
…
，m，
…
，i}，i是正整数；
99.对于每个序列长度(m，m∈[1,i])随机选取m个clifford量子门；
[0100]
对重复上述随机选取过程n次，以获得n个长度为m的clifford量子门序列，对于任一序列长度m随机选取的该序列长度个clifford量子门得到clifford量子门序列，对于同一个序列长度m重复选取n次，得到的该序列长度m对应的clifford量子门序列的长度均相同，均为该m。并在每个clifford量子门序列最后添加clifford量子门序列的逆，得到n个序列a
m
；
[0101]
在每个序列a
m
中的每个量子门后加入待测量子门，获得新的量子门序列(序列b
m
)，即得到n个序列b
m
。
[0102]
对于每个序列a
m
生成脉冲、校准并输入目标量子硬件，对每个序列b
m
生成脉冲、校准并输入目标量子硬件；
[0103]
读取长度为m 1的序列a
m
操作的量子态末态，并与初态对比获得该序列的保真度，读取长度为2m 1的序列b
m
操作的量子态末态，并与初态对比获得该序列的保真度。然后通过平均读取n个这样的随机序列所得的保真度，得到n个序列a
m
的一个平均保真度和n个序列b
m
的一个平均保真度。
[0104]
针对某个序列长度m通过上述过程，分别得到序列a
m
和序列b
m
一个平均保真度，通过选择不同的m，即选择一系列不同的m，例如，选择n个不同序列长度，重复上述过程，可得到一系列序列长度的序列平均保真度，即得到n个第一保真度和n个第二保真度，通过对这n个第一保真度以及对应的序列长度进行拟合，得到第一对应关系，对这n个第二保真度以及对应的序列长度进行拟合，得到第二对应关系。例如，对于m＝10，通过上述过程得到对应的一个第一保真度和一个第二保真度，对于m＝20，通过上述过程得到对应的一个第一保真度和一个第二保真度，如此，通过n个不同的m，通过上述过程，得到n个第一保真度和n个第二保真度，利用在n个不同m情况下对应的n个第一保真度进行拟合得到第一对应关系，利用在n个不同m情况下对应的n个第二保真度进行拟合得到第二对应关系。
[0105]
然后利用拟合得到的第一对应关系和第二对应关系中的测试参数，计算得到平均clifford量子门误差率(r
a
)，以及计算待测量子门误差率(r
b
)。
[0106]
上述校准数据以及基准测试得到的序列保真度等是本方案的主要输出，其不仅能够用于量子计算的工业化应用，量子实验及硬件设计仿真，还能够用于后续的闭环优化，实现更高精度的量子控制科研及工业开发。
[0107]
由于本公开方案所生成的脉冲序列独立于量子硬件，可以将其运用于多比特含噪虚拟量子计算机中。如图5所示，通过第二量子门序列进行测试得到的保真度，图6所示则为在某量子比特上进行h量子门测试的随机基准测试结果，即通过插入待测量子门的第一量子门序列进行测试得到的保真度。可以看到，通过本公开量子门测试方法，能够在独立于具体量子硬件的情况下，高自动化地生成适配目标量子硬件的高精度门操作脉冲，并在脉冲数量显著增加之后对其进行定制化排布，并进一步进行对量子硬件的基准测试实验，得到如图6所示的衰减曲线，其反映了随着门数目(脉冲个数)增多而不断累积的噪声对序列保真度造成的指数式衰减，并得到最终目标量子比特上述待测量子门的平均错误率约为0.000143，符合实验预期。
[0108]
本公开量子门测试方法中，高度自动化地实现对任意量子硬件进行脉冲校准与基准测试，与业界其它基准测试技术方案相比，本公开方法具有以下优势：
[0109]
高度自动化：本公开实现了从校准、自动生成基准测试逻辑电路以及基准测试所需脉冲序列、输入脉冲序列，到读取分析数据以获取保真度的一系列全自动化方案；
[0110]
通用性强：本公开中的任意步骤均独立于量子硬件与设备，因此本公开适用于任意量子硬件与量子比特体系，用户可根据需求自定义量子硬件信息与量子比特体系；
[0111]
易于拓展：本公开包含高性能软硬件接口及量子实验基础功能，用户可根据具体需求调用方案中任意功能，定制化个人实验方案，方便具有基础的量子计算与硬件的用户使用。此外，还可根据基准测试结果进一步开发脉冲优化等功能。
[0112]
实用性强：本公开考虑到现实实验与使用中的时间与计算资源限制，本方案采取缓存脉冲参数机制与批量任务上传云端机制，可减少不必要计算与通信的时间与资源。
[0113]
如图7所示，根据本公开的实施例，本公开还提供一种量子门测试装置700，装置包括：
[0114]
第一获取模块701，用于获取n个第一量子门序列的n个第一控制脉冲序列，其中，每个第一量子门序列中包括待测量子门，n为大于1的整数；
[0115]
校准模块702，用于基于幅值对应关系，对n个第一控制脉冲序列进行校准，得到n个目标脉冲序列，其中，幅值对应关系基于幅值对集合拟合确定，幅值对集合中的每个幅值对包括一个模拟幅值以及对应的一个真实实验幅值，模拟幅值为基于目标量子硬件的哈密顿量生成的基本量子门的脉冲幅值；
[0116]
测试模块703，用于将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，得到待测量子门在目标量子硬件中的测试结果。
[0117]
在一个实施例中，装置700还包括：
[0118]
第二获取模块，用于获取初始控制脉冲序列，初始控制脉冲序列为基于目标量子硬件的哈密顿量生成的基本量子门的脉冲序列，初始控制脉冲序列中每个脉冲对应一个模拟幅值以及脉冲持续时长；
[0119]
第一确定模块，用于将基本量子门的m个实验脉冲序列输入目标量子硬件进行拉比振荡实验，确定基本量子门的m个真实实验幅值，同一实验脉冲序列中脉冲的脉冲持续时长相同，任意两个实验脉冲序列之间的脉冲持续时长不同，m为大于1的整数；
[0120]
第二确定模块，用于根据基本量子门的m个真实实验幅值对应的m个实验脉冲的脉冲持续时长，从初始控制脉冲序列中确定基本量子门的m个模拟幅值；
[0121]
对应关系确定模块，用于基于基本量子门的m个模拟幅值以及基本量子门的m个真实实验幅值进行数据拟合，得到基本量子门的幅值对应关系，其中，幅值对集合包括基本量子门的m个模拟幅值以及对应的基本量子门的m个真实实验幅值。
[0122]
在一个实施例中，装置700还包括：
[0123]
更新模块，用于利用目标噪声模型对初始控制脉冲序列进行加噪处理，以更新初始控制脉冲序列；
[0124]
其中，目标噪声模型为已对目标量子硬件的噪声信息进行学习后得到的噪声模型。
[0125]
在一个实施例中，测试模块703，包括：
[0126]
量子末态确定模块，用于将n个目标脉冲序列输入目标量子硬件进行测试，得到目标量子比特在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态，其中，n个目标脉冲序列作用于目标量子硬件的目标量子比特；
[0127]
结果确定模块，用于基于n个量子末态与目标量子比特的n个量子初态，确定待测量子门的测试结果。
[0128]
在一个实施例中，结果确定模块，包括：
[0129]
第一保真度确定模块，用于基于目标量子比特在n个目标脉冲序列作用下的n个量子末态以及目标量子比特的量子初态，得到n个第一保真度；
[0130]
参数确定模块，用于基于n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度确定第一测试参数，基于n个第二保真度以及n个第二量子门序列的长度确定第二测试参数；
[0131]
测试结果确定模块，用于基于第一测试参数和第二测试参数，确定待测量子门的测试结果，待测量子门的测试结果与第一测试参数反相关，与第二测试参数正相关；
[0132]
其中，n个第二保真度基于目标量子比特在n个第二控制脉冲序列作用下的n个量子末态以及目标量子比特的量子初态得到的，n个第二控制脉冲序列为基于幅值对应关系，对n个第三控制脉冲序列进行校准得到的，n个第三控制脉冲序列基于n个第二量子门序列生成的，目标第二量子门序列中的最后一个量子门为目标第二量子门序列中除最后一个量子门之外的子序列的量子门乘积的逆，目标第二量子门序列为n个第二量子门序列的任一序列，n个第一量子门序列为在n个第二量子门序列的子序列中任意相邻两个量子门之间插入待测量子门得到的。
[0133]
在一个实施例中，参数确定模块，包括：
[0134]
第一关系确定模块，用于基于n个第一保真度以及n个第一量子门序列的长度进行拟合，得到第一对应关系，第一对应关系表征第一保真度与第一量子门序列的长度之间的对应关系；
[0135]
第一参数获取模块，用于从第一对应关系中获取第一测试参数。
[0136]
在一个实施例中，参数确定模块，包括：
[0137]
第二关系确定模块，用于基于n个第二保真度以及n个第二量子门序列的长度进行拟合，得到第二对应关系，第二对应关系表征第二保真度与第二量子门序列的长度之间的对应关系；
[0138]
第二参数获取模块，用于从第二对应关系中获取第二测试参数。
[0139]
上述各实施例的量子门测试装置为实现上述应用于第一车辆中的各实施例的量
子门测试方法的装置，技术特征对应，技术效果对应，在此不再赘述。
[0140]
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质以及一种计算机程序产品。
[0141]
本公开实施例的非瞬时计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使计算机执行本公开所提供的量子门测试方法。
[0142]
本公开实施例的计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序用于使计算机执行本公开各实施例提供的量子门测试方法。
[0143]
图8示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备800的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
[0144]
如图8所示，电子设备800包括计算单元801，其可以根据存储在只读存储器(rom)802中的计算机程序或者从存储单元808加载到随机访问存储器(ram)803中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在ram803中，还可存储设备800操作所需的各种程序和数据。计算单元801、rom 802以及ram 803通过总线804彼此相连。输入/输出(i/o)接口805也连接至总线804。
[0145]
电子设备800中的多个部件连接至i/o接口805，包括：输入单元806，例如键盘、鼠标等；输出单元807，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元808，例如磁盘、光盘等；以及通信单元809，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元809允许电子设备800通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0146]
计算单元801可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元801的一些示例包括但不限于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、各种专用的人工智能(i)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(dsp)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元801执行上文所描述的各个方法和处理，例如量子门测试方法。例如，在一些实施例中，量子门测试方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元808。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom 802和/或通信单元809而被载入和/或安装到设备800上。当计算机程序加载到ram803并由计算单元801执行时，可以执行上文描述的量子门测试方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元801可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行量子门测试方法。本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
[0147]
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0148]
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd
‑
rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0149]
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，crt(阴极射线管)或者lcd(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
[0150]
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(lan)、广域网(wan)、互联网和区块链网络。
[0151]
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端
‑
服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与vps服务("virtual private server"，或简称"vps")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
[0152]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0153]
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。