[发明专利]超导量子计算系统和量子比特操控方法

说明书

本申请提供超导量子计算系统和量子比特操控方法。该系统包括控制电路和超导量子芯片，超导量子芯片包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特；第一中心交换区包括第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；控制电路用于控制第一悬挂超导比特与第一超导比特的耦合强度。因此，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，能够有助于孤立出单个连通区，或中心交换区，从而有效的分割出子空间，不同连通区之间的两比特门操控可以通过中心交换区过渡，因此本申请实施例能够在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。

技术领域

本申请涉及计算机领域，并且更具体的，涉及一种超导量子计算系统和量子比特操控方法。

背景技术

量子计算不仅可以用来研究量子力学基本问题，同时具有潜在的强大的解决特定问题的能力，近年来吸引了研究者广泛的关注。在各种量子计算方案中，超导量子计算由于其易于操控和扩展等优点成为最有希望实现量子计算的途径之一。超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计，制备和测量等方面与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。由于近年来的迅速发展，超导量子计算成为目前最有希望实现通用量子计算的候选方案之一。

超导芯片上的量子比特(Quantum bit，Qubit)是量子态的载体，携带量子信息。Qubit在低温环境下(10mk)会体现出量子特性，可以将其能级基态和第一激发态编码成|0态和|1态，对应经典计算机中比特(bit)所处的0和1态，从而可编码为一个Qubit。对Qubit的计算操作分为单Qubit操作和两Qubit操作。在超导量子计算系统中，可以由输入的微波脉冲信号来实现单比特操作和两比特操作，然而，随着系统中Qubit数的增加，周边Qubit对需要操控的两个目标Qubit会产生干扰。

目前，可以使用计算机优化脉冲波形，例如使用数值优化脉冲技术，将整个复杂的多Qubit相互作用全局考虑进去，以设计出高保真度、高鲁棒性的脉冲波形。但是，随着系统中Qubit数目的增加，数值优化脉冲技术在计算过程中处理的矩阵运算的维度指数性的增加。例如，现有商用计算机只能计算13Qubit左右的计算系统的脉冲优化问题。因此，如何对大规模超导量子计算系统中的Qubit进行操作，是亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供一种超导量子计算系统和量子比特操控方法，能够在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。

第一方面，提供了一种超导量子计算系统，包括控制电路和超导量子芯片，所述超导量子芯片包括至少两个连通区和第一中心交换区，其中，

所述至少两个连通区中的每个连通区包括第一悬挂超导比特和至少一个第一超导比特，其中，所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特耦合；

所述第一中心交换区包括所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特，用于传递不同连通区中的超导比特之间的量子操作；

所述控制电路用于控制所述每个连通区中的所述第一悬挂超导比特与至少一个所述第一超导比特的耦合强度。

因此，在超量量子计算系统中，通过控制第一悬挂超导比特与第一超导比特之间的耦合强度，能够有助于在超导量子芯片上孤立出单个连通区，或者孤立出中心交换区，从而有效的分割出子空间。在分割出的子空间内部，可以实现任意单比特或多比特逻辑门操控，并且不同连通区之间的两比特门操控可以通过中心交换区过渡，因此本申请实施例能够在大规模超导量子计算芯片上实现通用量子计算所需的各种量子操控。

示例性的，可以通过数值优化脉冲技术，将分割出的子空间内部的整体作用考虑进去，实现连通区内部或中心交换区内部高保真度的任意单比特或多比特逻辑门操控，以及通过若干个数值优化脉冲来实现通过中心交换区来过渡不同连通区之间的两比特量子操控，本申请实施例对此不作限定。