超导量子比特快速读取与重置方法、系统及装置

1.本发明涉及量子计算领域，尤其涉及一种超导量子比特快速读取与重置装置。


背景技术：

2.超导量子比特是量子态的载体，由约瑟夫森结和相关的超导量子电路构成，是实现量子比特的一种方式。
3.超导量子比特的读取指通过施加读取脉冲获得量子比特所储存的量子态信息的过程。超导量子比特读取普遍采用的装置是通过固定的电容或者电感将读取传输线与读取谐振腔耦合，与此同时，读取谐振腔通过电容与超导量子比特通过固定的电容耦合。超导量子比特的状态会影响读取谐振腔的谐振频率，通过测量读取传输线在读取谐振腔谐振频率附近的微波传输性质的方法，即可得到超导量子比特的状态信息，这个过程要求能量在读取传输线与读取谐振腔之间交换。
4.超导量子比特的重置指将超导量子比特的状态重置于其基态的过程。当量子比特执行完逻辑操作或者完成量子态读取时，其状态是不确定的。在执行下一次量子操作时，超导量子比特的状态往往要求重置于其基态。一般而言，这个过程通过等待足够长的时间实现，时间尺度要求远大于超导量子比特的退相干时间。这个过程中，超导量子比特与外界有能量的交换，通过将能量耗散于环境中实现量子态的重置。
5.为了加快超导量子比特的读取与重置过程，提高量子电路的执行速度，要求提高超导量子比特、读取谐振腔与外部环境的耦合强度。但是，这不可避免地导致超导量子比特、读取谐振腔退相干时间的降低，使其难以完成高保真度的量子计算任务。
6.一方面，在执行量子逻辑门操作时，超导量子比特的退相干时间越长越好，即超导量子比特与外部环境的耦合越小越好；另一方面，在超导量子比特重置过程中，超导量子比特与外部环境耦合越大、退相干时间越短，其重置速度越快。同时，为了加快超导量子比特的量子态读取，要求读取脉冲结束时，读取谐振腔中的光子尽可能快的泄露到传输线中，在基于不可调耦合的主流技术中，这三个需求是无法同时实现的，存在巨大的缺点。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种超导量子比特快速读取与重置方法、系统及装置。
8.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
9.一种超导量子比特快速读取与重置装置，装置包括超导量子比特模块、读取谐振腔模块、可调耦合模块及读取传输线模块，所述读取谐振腔模块与超导量子比特模块耦合连接，所述读取谐振腔模块用于读取超导量子比特模块状态，所述读取传输线模块用于传输量子比特模块的读取信号；
10.所述可调耦合模块包括耦合器单元和设置在耦合器单元内部的耦合器控制线，所述读取谐振腔模块的一端连接所述超导量子比特模块，另一端分别连接所述耦合器单元及
所述读取传输线模块；
11.通过施加控制信号于耦合器控制线调节读取谐振腔模块与外部环境的耦合强度，进而控制读取谐振腔模块和量子比特模块能量泄露到外部环境中的速度，即控制读取谐振腔和超导量子比特的退相干时间。
12.作为一种可实施方式，所述通过施加控制信号于耦合器控制线调节读取谐振腔模块与外部环境的耦合强度，包括：
13.当超导量子比特模块处于非读取和非重置状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第一退相干时间和读取谐振腔模块的第二退相干时间相对应的强度；
14.当读取超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第三退相干时间及读取谐振腔模块的第四退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
15.当重置超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第五退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
16.其中，第一退相干时间为超导量子比特模块处于非读取和非重置状态相对应退相干时间，第三退相干时间为读取超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第五退相干时间为重置超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第二退相干时间及第四退相干时间为读取谐振腔模块在超导量子比特模块处于非读取和非重置及读取状态对应的退相干时间。
17.作为一种可实施方式，所述超导量子比特模块包括至少一个约瑟夫森结，所述超导量子比特模块的频率可调或者不可调。
18.作为一种可实施方式，所述耦合器单元包括至少一个约瑟夫森结，通过施加控制信号于耦合器控制线来调节所述约瑟夫森结的等效电感值。
19.作为一种可实施方式，所述读取谐振腔模块为分布式传输线型谐振腔。
20.作为一种可实施方式，所述超导量子比特模块还包括第一电容单元，所述第一电容单元与所述超导量子比特单元并联。
21.作为一种可实施方式，所述可调耦合模块包括第二电容单元，所述第二电容单元与所述耦合器单元并联。
22.作为一种可实施方式，还包括第三电容单元、第四电容单元及第五电容单元；
23.所述第三电容单元的一端耦合所述超导量子比特模块，另一端耦合所述读取谐振腔模块的一端，所述读取谐振腔模块的另一端耦合所述第四电容单元的一端，所述第四电容单元的另一端分别耦合所述第五电容单元的一端及所述可调耦合模块的一端，所述第五电容单元的另一端连接所述读取传输线模块。
24.作为一种可实施方式，还包括第三电感单元、第四电感单元及第五电感单元；
25.所述第三电感单元的一端耦合所述超导量子比特模块，另一端耦合所述读取谐振腔模块的一端，所述读取谐振腔模块的另一端耦合所述第四电感单元的一端，所述第四电感单元的另一端分别耦合所述第五电感单元的一端及所述可调耦合模块的一端，所述第五电感单元的另一端连接所述读取传输线模块。
26.一种超导量子比特快速读取与重置方法，包括以下步骤：
27.调节施加于耦合器控制线的控制信号强度，以改变读取谐振腔模块与外部环境耦合强度的大小；
28.得到控制信号强度与读取谐振腔模块退相干时间的关系及控制信号强度与超导量子比特模块退相干时间的关系；
29.当超导量子比特模块处于非读取和非重置状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第一退相干时间和读取谐振腔模块的第二退相干时间相对应的强度；
30.当读取超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第三退相干时间及读取谐振腔模块的第四退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
31.当重置超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第五退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
32.其中，第一退相干时间为超导量子比特模块处于非读取和非重置状态相对应退相干时间，第三退相干时间为读取超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第五退相干时间为重置超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第二退相干时间及第四退相干时间为读取谐振腔模块在超导量子比特模块处于非读取和非重置及读取状态对应的退相干时间。
33.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法及步骤。
34.一种超导量子比特快速读取与重置系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法及步骤。
35.一种超导量子比特快速读取与重置系统，包括以上所述的超导量子比特快速读取与重置装置。
36.本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
37.通过本发明的装置、方法及系统，实现了超导量子比特模块读取谐振腔模块与读取传输线模块之间的可调耦合。通过给耦合器控制线施加控制信号，调节读取谐振腔模块与外部环境间耦合强度的大小，实现超导量子比特退相干时间、读取谐振腔退相干时间的调节。通过对耦合器单元的动态调控，使得在非读取、非重置状态下，超导量子比特模块具有较长的退相干时间，与外部环境耦合较小；在重置状态下，超导量子比特模块的退相干时间较短，能够完成快速重置；在读取状态下，读取谐振腔模块中的光子能够快速泄露到读取传输线模块中，完成快速读取。上述三点在不可调耦合的主流技术中是无法同时实现的。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本发明装置的整体结构示意图；
40.图2是本发明装置的等效电路示意图；
41.图3是本发明实施例的效果图。
具体实施方式
42.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
43.本发明实现了超导量子比特模块-读取谐振腔模块与读取线模块之间的可调耦合，即在读取谐振腔模块与读取传输线模块之间加入包含约瑟夫森结的可调耦合器。
44.实施例1：
45.一种超导量子比特快速读取与重置装置，如图1所示，装置包括超导量子比特模块、读取谐振腔模块、可调耦合模块及读取传输线模块，所述读取谐振腔模块与超导量子比特模块耦合连接，所述读取谐振腔模块用于读取超导量子比特模块的状态，所述读取传输线模块用于传输量子比特模块的读取信号；
46.所述可调耦合模块包括耦合器单元和设置在耦合器单元内部的耦合器控制线，所述读取谐振腔模块的一端连接所述超导量子比特模块，另一端分别连接所述耦合器单元及所述读取传输线模块；
47.基于超导量子比特模块所处的状态，对耦合器单元的耦合器控制线施加控制信号来调节读取谐振腔与外部环境的耦合强度，进而控制读取谐振腔模块和超导量子比特模块的退相干时间。在此实施例中，退相干时间包括能量弛豫时间和退相位时间，通过给耦合器控制线施加控制信号，调节读取谐振腔模块与外部环境间耦合强度的大小，实现超导量子比特退相干时间、读取谐振腔退相干时间的调节。
48.在一个实施例中，具体地，当超导量子比特模块处于非读取和非重置状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第一退相干时间和读取谐振腔模块的第二退相干时间相对应的强度；
49.当读取超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第三退相干时间及读取谐振腔模块的第四退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
50.当重置超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第五退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
51.其中，第一退相干时间为超导量子比特模块处于非读取和非重置状态相对应退相干时间，第三退相干时间为读取超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第五退相干时间为重置超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第二退相干时间及第四退相干时间为读取谐振腔模块在超导量子比特模块处于非读取和非重置及读取状态对应的退相干时间。在此实施例中，可以参照附图3，磁通量和退相干时间是满足一定规律的，读取谐振腔模块读取的超导量子比特模块的0态和1态，超导量子比特模块会有几种形态：重置、读取、非重置和非读取，本发明就是为了能够对超导量子比特模块进行快速的重置和读取而提出的，当非读取和非重置超导量子比特模块时，将耦合器的控制信号模块调节至超导量子比特模块和读取谐振腔模块退相干时间比较长的强度；当读取超导量子比特模块的状态时，将耦合器的控制信号调节至超导量子比特模块退相干时间较长，读取谐振腔退相干时间较
短的强度，实现超导量子比特的快速读取；当重置超导量子比特模块状态时，将耦合器的控制信号调节至超导量子比特模块退相干时间较短的位置，实现超导量子比特模块的快速重置。
52.参照附图3来讲，按照此曲线的规律，要想实现快速读取是需要调节耦合器控制线的控制信号调节至超导量子比特模块退相干时间较长，读取谐振腔退相干时间较短的强度的位置，此位置为曲线变化率相对稳定的位置对应的磁通量，就能实现超导量子比特的快速读取。要想实现快速重置是需要调节耦合器控制线的控制信号调节至超导量子比特模块退相干时间较短的位置，此位置为曲线变化率最大的位置对应的磁通量，就能实现超导量子比特模块的快速重置，剩余曲线对应的位置是处于非读取和非重置时调整的范围。在整个过程中，还要确定出超导量子比特模块是否处于重置、读取、非重置和非读取，确定好超导量子比特模块是处于哪几个形态下，才基于磁通量和退相干时间的模型通过控制信号对耦合器控制线进行调整，进而实现了实现超导量子比特模块的快速重置和读取。由于每个阶段的退相干时间的长度不同，因此可以将退相干时间按照不同的形态来区分，即就是上文提到的第一退相干时间、第三退相干时间及第五退相干时间，第二退相干时间和第四退相干时间。
53.在一个实施例中，所述超导量子比特模块至少包括一个约瑟夫森结。当然，在其他实施例中也可以是2个，3个或者是其他数量，总之，大于等于一个就是可以的。在此实施例中，超导量子比特模块为含有两个约瑟夫森结的transmon量子比特。所述超导量子比特模块还包括第一电容单元，所述第一电容单元与所述约瑟夫森结并联。而超导量子比特模块的频率可调或者不可调。
54.另外，在其他实施例中，所述超导量子比特模块还包括第一电容单元，所述第一电容单元与所述超导量子比特单元并联。
55.具体地，所述耦合器单元包括至少一个约瑟夫森结，当所述约瑟夫森结为两个或者以上时为并联关系，通过施加控制信号于耦合器控制线来调节所述约瑟夫森结的等效电感值。当然，在其他实施例中也可以是3个，4个，或者是其他数量，总之，大于等于一个就是可以实现的。另外，在其他实施例中，所述可调耦合模块还包括第二电容单元，所述第二电容单元与所述耦合器单元的约瑟夫森结并联。
56.在一个实施例中，所述读取谐振腔模块为分布式的传输线型谐振腔。传输线型谐振腔使用的是λ/4谐振腔。本发明的实施例主要针对读取谐振腔为传输线型谐振腔的情形，但所述内容可以轻易地拓展为包括读取谐振腔为集总模型下的lc谐振器等其他情形。
57.在一个实施例中，还包括第三电容单元、第四电容单元及第五电容单元；所述第三电容单元的一端耦合所述超导量子比特模块，另一端耦合所述读取谐振腔模块的一端，所述读取谐振腔模块的另一端耦合所述第四电容单元的一端，所述第四电容单元的另一端分别耦合所述第五电容单元的一端及所述可调耦合模块的一端，所述第五电容单元的另一端连接所述读取传输线模块。当然，在实际操作过程中，此实施例中的第三电容单元、第四电容单元及第五电容单元都可以替换成电感单元，连接方式可以参照此实施例中各个电容单元与其他模块的连接方式。
58.实施例2：
59.通过以上装置能够实现一种超导量子比特快速读取与重置方法，包括以下步骤：
60.s100、调节施加于耦合器控制线的控制信号强度，以改变读取谐振腔模块与外部环境耦合强度的大小；
61.s200、得到控制信号强度与读取谐振腔模块退相干时间的关系及控制信号强度与超导量子比特模块退相干时间的关系；
62.当超导量子比特模块处于非读取和非重置状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第一退相干时间和读取谐振腔模块的第二退相干时间相对应的强度；
63.当读取超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第三退相干时间及读取谐振腔模块的第四退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
64.当重置超导量子比特模块状态时，调节施加于所述耦合器控制线的控制信号至与超导量子比特模块的第五退相干时间相对应的强度，实现超导量子比特模块的快速重置；
65.其中，第一退相干时间为超导量子比特模块处于非读取和非重置状态相对应退相干时间，第三退相干时间为读取超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第五退相干时间为重置超导量子比特模块状态时对应的退相干时间，第二退相干时间及第四退相干时间为读取谐振腔模块在超导量子比特模块处于非读取和非重置及读取状态对应的退相干时间。
66.在本方法中，当超导量子比特模块状态处于非读取和非重置状态时，将耦合器的控制信号模块调节至超导量子比特模块和读取谐振腔模块退相干时间比较长的强度；当读取超导量子比特模块的状态时，将耦合器的控制信号调节至超导量子比特模块退相干时间较长，读取谐振腔退相干时间较短的强度，实现超导量子比特的快速读取；当重置超导量子比特模块状态时，将耦合器的控制信号调节至超导量子比特模块退相干时间较短的位置，实现超导量子比特模块的快速重置。
67.为了进一步说明本发明的可行性，以下为具体的设计形式进行说明。
68.图1为本发明装置的一个实施例，如图1所示，传输线型谐振腔使用的是λ/4谐振腔，超导量子比特模块为含有两个约瑟夫森结的transmon量子比特结构，可调耦合模块是包括耦合器单元及设置在耦合器单元内部的磁通控制线，所述耦合器单元包括两个约瑟夫森结，这两个约瑟夫森结并联，传输线间耦合squid电路为两个并联的约瑟夫森结与一个电容并联，并且还包括独立的磁通控制线。在读取模块的输出端进行阻抗匹配，在此实施例中，匹配的等效电阻为50欧姆，当然，其他实施例中可以为其他数据。
69.以下的计算过程是对退相干时间进行计算，通过这些数据可以说明本发明的装置能通过对可调耦合模块中的可调耦合单元的调节来控制退相干时间的功能。假设读取谐振腔模块的特征阻抗为zr，读取谐振腔模块的传输线长度为l，传播常数为β，衰减常数为α，则读取谐振腔模块的总阻抗z
in
为
70.z
in
＝zrtanh(α jβ)l
71.假设在图1中的a点处输入为ae
iωt
的入射电压v
in
，经读取谐振腔模块输出后的输出电压v1，设读取谐振腔模块的传输线反射率为r，假定读取传输线模块的等效无穷远电阻上的电压透射率为t，则基尔霍夫定理可以得到：
72.i＝(v
in-v1)/z
in
；
[0073]v1
＝(1-r)v
in
；
[0074][0075][0076]
t＝(i-i1)z
ext
/a
[0077]
可调耦合模块中约瑟夫森结的等效电感值直接由耦合器单元中的耦合器控制线的磁通量决定，假如约瑟夫森结的临界电流为ic，外界磁场为φ，磁通量子φ0的值为h/2e，则有以下关系：
[0078][0079]
根据上述公式，最终得到透射率t随可调耦合模块所加磁场的变化曲线。
[0080]
基于对透射率t，则还需要对透射率t与退相干时间t1的关系进行推导才能说明本技术的效果，假如：
[0081]
读取谐振腔的入射功率流p
in
为a2/2zr[0082]
读取谐振腔的耗散功率流p
loss
为|t|2a2/2z
ext
[0083]
读取谐振腔的品质因子q为
[0084]
以能量衰减为原来的1/e所需时间作为退相干时间t1，则退相干时间t1的计算公式为
[0085][0086]
通过以上公式能够得到退相干时间与可调耦合模块的所加磁场的关系。当然，用类似的方法，也可以得到量子比特的t1，另外还可用如下较为简便的方法计算量子比特的t1[0087][0088]
其中cq为量子比特中的电容，z为超导量子比特模块传输的外部总阻抗。
[0089]
在一个具体的实施例中，取超导量子比特模块的频率为6.5ghz，读取谐振腔模块的频率为5.0ghz，第三电容单元c
κ
、第四电容单元c1及第五电容单元c2的电容值分别为4.3ff，2.4ff，2.4ff，分别计算得到的超导量子比特模块的退相干时间及读取谐振腔模块的退相干时间随可调耦合模块所加磁通量的变化曲线如图3所示。
[0090]
因此，在非读取、非重置状态时，将磁通量调节至读取谐振腔退相干时间、超导量子比特退相干时间较长的工作点，以实现高精度的量子逻辑操作；在超导量子比特重置过程中，将磁通量调节至读取谐振腔退相干时间、超导量子比特退相干时间较短的工作点，以加速量子态的重置速度；在超导量子比特的读取过程中，将磁通量调节至读取谐振腔退相干时间较短、超导量子比特退相干时间较长的工作点，以实现量子态的快速读取。
[0091]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。