用于量子位格子中减少的频率冲突的量子码的制作方法

本发明的当前要求保护的实施例涉及量子计算机、相关方法以及计算机可执行代码，并且更具体地涉及具有量子位的六边形格子(hexagonal lattices)的量子计算机、相关方法以及计算机可执行代码。

超导量子位器件可以具有在制造时确定的频率。频率的安排影响栅极操作的质量并且因此影响量子计算。一些类型的频率冲突可能导致门或量子位不可用。不能使用其装置具有不可接受频率的芯片，从而降低了良好芯片的产率(yield)。

此外，可能有必要对量子信息进行编码以进一步减少由门操作和其他噪声源引入的误差。必须以这样一种方式选择编码，使得逻辑(编码的)量子位产率高。现有的系统和方法不能对量子信息进行编码，同时还通过减少的频率冲突提高了产量

技术实现要素：

根据本发明的一个实施例，一种量子计算机包括一个量子处理器。该量子处理器包括：第一多个量子位，该第一多个量子位被安排为六边形格子图案，这样使得每个量子位实质上位于该六边形格子图案的六边形顶点处；以及第二多个量子位，该第二多个量子位各自实质上沿着该六边形格子图案的六边形边缘被安排。该第一多个量子位中的每一个耦联到该第二多个量子位中的三个最近相邻量子位上，并且该第二多个量子位中的每一个耦联到该第一多个量子位中的两个最近相邻量子位上。该第二多个量子位各自是在控制频率上的控制量子位。该第一多个量子位各自是在第一目标频率或第二目标频率之一上的目标量子位，这样使得控制量子位将每个第一目标频率目标量子位耦联到第二目标频率目标量子位上。该量子计算机包括错误校正装置，该错误校正装置被配置为在该第一和第二多个量子位的六边形格子图样上运行以便检测和校正数据错误。

根据本发明的一个实施例，一种校正量子处理器上的数据处理的方法，该量子处理器包括以修改的六边形格子图案安排的多个耦联的量子位，该方法包括将多个逻辑量子位编码到该多个耦联的量子位中对应的多个耦联的量子位中，以及进行涉及该多个耦联的量子位中的两个或四个数据量子位的相位翻转误差的一个X型计量器测量(gauge measurement)。被安排在一个修改的六边形网格图案中的多个耦联的量子位包括：被安排在该六边形网格图案中的一个第一多个量子位，这样使得每个量子位基本上位于该六边形网格图案的六边形顶点处；以及各自基本上沿着该六边形网格图案的六边形边缘安排的第二多个量子位。该第一多个量子位中的每一个耦联到该第二多个量子位中的三个最近相邻量子位上，并且该第二多个量子位中的每一个耦联到该第一多个量子位中的两个最近相邻量子位上。该第二多个量子位各自是在控制频率上的控制量子位。该第一多个量子位各自是在第一目标频率或第二目标频率之一上的目标量子位，这样使得控制量子位将每个第一目标频率目标量子位耦联到第二目标频率目标量子位上。

根据本发明的一个实施例，一种计算机可执行的媒质，当由一个量子处理器运行时，该量子处理器包括以修改的六边形格子图案安排的多个耦联的量子位，致使该量子处理器将多个逻辑量子位编码到该多个耦联的量子位中对应的多个耦联的量子位中，并且执行涉及该多个耦联的量子位中的两个或四个数据量子位的相位翻转误差的X型计量器测量。被安排在修改的六边形网格图案中的多个耦联的量子位包括：被安排在该六边形网格图案中的第一多个量子位，这样使得每个量子位基本上位于该六边形网格图案的六边形顶点处；以及各自基本上沿着该六边形网格图案的六边形边缘安排的第二多个量子位。该第一多个量子位中的每一个耦联到该第二多个量子位中的三个最近相邻量子位上，并且该第二多个量子位中的每一个耦联到该第一多个量子位中的两个最近相邻量子位上。该第二多个量子位各自是在控制频率上的一个控制量子位。该第一多个量子位各自是在第一目标频率或第二目标频率之一上的目标量子位，这样使得控制量子位将每个第一目标频率目标量子位耦联到第二目标频率目标量子位上。

该量子计算机、方法、以及计算机可执行的介质实现了降低频率冲突的概率并且因此增加逻辑量子位的芯片产率的目标。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的示例混合子系统代码的示意图，该代码校正多个数据量子位的单一的数据量子位上的任何错误(在图1中对角线条带化)并且对一个逻辑量子位进行编码。这个实例具有9个数据量子位和14个辅助量子位(ancilla qubits)，总共23个量子位。

图2是根据本发明的一个实施例的示例性混合子系统代码中23个量子位的频率分配的一个实例的示意图。

图3是根据本发明的实施例的具有标记的量子位作用的X型测量电路的实例的示意图。

图4是根据本发明的实施例的具有标记的量子位作用的Z型测量电路的实例的示意图。

图5示出了根据本发明的实施方式的误差校正格子和常规误差校正格子的零冲突产率的比较。

图6示出了七种交叉共振门冲突类型的定义。

图7是根据本发明的一个实施例的量子计算机的示意图。

图8是示出了根据本发明实施方式的校正数据处理的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的被映射到重六边形格子上的量子码族的一个成员。圆圈表示物理量子位器件。线指示设备之间的连接，即，哪些设备可以彼此交互。我们将六边形格子的顶点和边缘上的量子位的这种安排称为“重六边形。”(“heavy hexagon”)

物理量子位的集合对逻辑量子位进行编码。该逻辑量子位是由纠错码保护的Hilbert空间的子空间。这些物理量子位基于它们的功能被分配两种类型之一：数据或辅助(ancilla)。这些数据量子位(在图1中的六边形的边缘上的对角条纹的圆，如数据量子位100、102、104、106)共同地对单一的逻辑量子位的量子状态进行编码。辅助量子位(图1中的白色和点状圆圈，诸如辅助量子位108、110、112和114)用于测量揭示错误的存在的算子。我们将新代码称为混合子系统代码。它是Bacon-Shor码的所谓的计量器固定，因为它使用表面码的X型稳定器和Bacon-Shor码的Z型计量器算子。

X型计量器测量(图1中的水平条带区域，例如区域116、118；还参见图3)涉及两个或四个数据量子位并且产生随机但相关的结果，这些结果沿着竖直列被组合以检测相位翻转误差。Z型计量器算子测量(图1中的垂直条纹区域，例如区域120、122；还参见图4)涉及两个数据量子位并且产生随机但相关的结果，这些结果围绕图1中的空白空间成对地组合以便检测位翻转误差。格子和测量算子(量子码)可以水平地和垂直地扩展以增加可检测的和可校正的错误的数量。

交叉谐振相互作用用于施加双量子位量子门。到这些门的输入量子位被称为控制量子位和目标量子位。该控制量子位在该目标量子位的频率下被驱动。将这些控制量子位选择为该图形的2度顶点(即，具有恰好两个相邻量子位的那些量子位，例如，图1中的数据量子位104和辅助量子位108)，这样使得对于这些相邻的目标量子位仅两个驱动频率是必要的。该控制量子位的频率必须与两个靶标量子位频率不同，因此使用了总共三个频率。选择频率以优化双量子位门并且降低冲突概率。具有较少频率允许频率之间的较大间隔，从而降低频率冲突的可能性。

图2是根据本发明的一个实施例的示例性混合子系统代码中23个量子位的频率分配的实例的示意图。六边形的边缘上的量子位(如图2中的辅助量子位200、202和数据量子位204、206)被指定为控制量子位和给定的频率C(C＝控制)。在这些六边形的顶点处的量子位(如图2中的辅助量子位208、210)被指定为目标量子位并且给定交变频率T1和T2(T＝目标)。频率分配以自然的方式概括为较大的代码和格子。

可以使用图3和图4中示意性展示的对应的量子电路来测量每个X型和Z型算子。电路在通常意义上是容错的。如果一个门失效并且引入错误，或者那些错误不扩散到其他量子位或者一个“标志测量”检测该错误是如何扩散的，这样它可以被校正。

CNOT门的控制和靶标量子位可以由单量子位哈达玛门交换并且共轭以匹配频率分配所隐含的角色。

Z测量电路(其实例在图4中示出)计算并测量两个数据量子位400、402的奇偶校验。这两个数据量子位400、402被耦联到一个辅助量子位404上，它被测量。可以表明，单个故障可以影响电路中的最多一个数据量子位。

该X测量电路计算并且测量四个数据量子位300、302、304、306的X型奇偶校验。由于格子连接性，故障可以导致扩展到数据量子位对的X个错误。可以表明这两个标志量子位308、310的测量可以检测这些事件何时发生，这样Z型奇偶校验测量被正确地解释并且这些错误可以被校正。该电路测量这两个标志量子位308、310以及耦联到这两个标志量子位308、310上的辅助量子位312。

图5示出了根据本发明的实施方式的误差校正格子和常规误差校正格子的零冲突产率的比较。我们使用蒙特卡罗模拟(Monte-Carlo simulations)来研究预期的产率。从具有给定平均值和方差的正态分布采样设备频率。定义一组频率冲突条件和类型，并且如果发生一个或多个冲突则拒绝芯片样本。基于仿真结果，对于设置频率的15-20MHz的精度，重六边形格子(实线曲线)上的混合代码比正方形格子(虚线曲线)上的标准表面代码更频繁地产生大约10x的零冲突芯片。

图6示出了七种交叉共振门冲突类型的定义。本发明公开的格子几何形状有助于减轻这些频率冲突。

因而，本发明的实施例针对一种量子计算机，该量子计算机包括量子处理器和纠错器件。图7是根据本发明的实施例的量子计算机700的示意图。量子计算机700包括量子处理器702和纠错装置704。量子处理器702包括安排在六边形格子图案中的第一多个量子位，这样使得每个量子位基本上位于该六边形格子图案的六边形顶点处。例如，量子位706、708和710基本上位于图7所示的六边形格子图案的六边形顶点处。量子处理器700包括第二多个量子位，每个量子位基本上沿着该六边形格子图案的六边形边缘安排。例如，量子位712、714和716各自基本上沿着该六边形格子图案的六边形边缘安排。该第一多个量子位中的每一个耦联到该第二多个量子位中的三个最近相邻量子位上。例如，量子位708被耦联到第一量子位712、第二量子位714、以及第三量子位716上。该第二多个量子位中的每一个耦联到该第一多个量子位中的两个最邻近的量子位上。例如，量子位712被耦联到第一量子位706和第二量子位708上。该第二多个量子位各自是在控制频率上的控制量子位，并且该第一多个量子位各自是在第一目标频率或第二目标频率之一上的目标量子位。控制量子位将每个第一目标频率目标量子位耦联到第二目标频率目标量子位上。该错误校正装置704被配置为对该第一和第二多个量子位的六边形格子图案进行操作，以便检测和校正数据错误。

根据本发明的一个实施例，该第一多个量子位是辅助量子位，并且该第二多个量子位是部分数据量子位和部分辅助量子位。在一些实施例中，该错误校正装置包括测量涉及两个或四个数据量子位的相位翻转误差的X型计量器电路。这些X型计量器电路包括具有靶标量子位和控制量子位作为输入的两个量子位门。对于这些双量子位门中的每一个，该第一多个量子位中的一个是靶标量子位并且该第二多个量子位中的一个是控制量子位。图3是X型计量器电路的示例的示意图。

在一些实施例中，该错误校正装置包括Z型计量器电路，这些计量器电路测量涉及两个数据量子位的位翻转误差。这些Z型计量器电路包括具有靶标量子位和控制量子位作为输入的两个量子位门。对于这些双量子位门中的每一个，该第一多个量子位中的一个是靶标量子位并且该第二多个量子位中的一个是控制量子位。图4是Z型计量器电路的示例的示意图。

在一些实施例中，该错误校正装置将多个逻辑量子位编码成对应的多个第一和第二多个量子位中的多个。例如，量子计算机700可以包括23个量子位，该23个量子位包括第一和第二复数个量子位，其中该23个量子位编码第一逻辑位。量子计算机700可以包括对另外的逻辑位进行编码的另外的23个量子位的组。

图8是示出了根据本发明实施方式的校正数据处理的方法800的流程图。根据本发明的一个实施例，校正一个量子处理器上的数据处理的方法800包括将多个逻辑量子位编码到该多个耦联的量子位802的对应的多个中，该量子处理器包括以修改的六边形格子图案安排的多个耦联的量子位。该方法包括进行涉及该多个耦联的量子位804中的两个或四个数据量子位的相位翻转误差的一个X型计量器测量。该多个耦联的量子位被安排为如上所述的修改的六边形格子图案。

方法800可以进一步包括执行位翻转误差的一个Z型计量器测量，该位翻转误差涉及该多个耦联的量子位中的两个数据量子位。

根据本发明的一个实施例，一种计算机可执行的介质，当由一个量子处理器运行时，该量子处理器包括以修改的六边形格子图案安排的多个耦联的量子位，致使该量子处理器将多个逻辑量子位编码到该多个耦联的量子位中对应的多个耦联的量子位中，并且执行涉及该多个耦联的量子位中的两个或四个数据量子位的相位翻转误差的一个X型计量器测量。该多个耦联的量子位被安排为如上所述的修改的六边形格子图案。

该计算机可执行的介质可以进一步使得该量子处理器执行涉及该多个耦联的量子位中的两个数据量子位的位翻转误差的一个Z型计量器测量。

本发明的一些实施例涉及在经修改的六边形格子上的耦合器件的布置。格子上的每个设备耦合到最多三个邻居。经修改或“重”格子是指边缘以及顶点上的附加器件。

本发明的一些实施例涉及针对重八边形格子定制的量子码族。量子码将逻辑量子位编码到有噪声的物理量子位的集合中，这样可以检测和校正错误。这一系列子系统量子码使用表面码的Z型稳定剂和Bacon-Shor码的X型稳定剂。它是适配于格子的Bacon-Shor码的计量器固定。

本发明的一些实施例是针对对物理量子位的频率分配。该赋值允许以仅三个频率是必要的方式施加双量子位门，从而增加频率之间的总间隔并且减少频率冲突。

本发明的一些实施例针对对于六边形格子定制的误差校正子测量方法。校正子由X型计量器算子和Z型计量器算子测量结果计算。该方法利用了格子上可用的相互作用。该方法是容错的并且使用所谓的标志量子位来实现这一点。

一些实施例可以降低频率冲突的概率并且因此增加逻辑量子位的芯片产量。因为该多个量子位具有三个频率之一，所以每个频率之间的间隔可以更大，从而降低了频率冲突的可能性，并且因此增加了量子位芯片产量。

已经出于说明的目的呈现了本发明的不同实施例的描述，但并不旨在是穷尽性的或局限于所披露的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围的情况下，许多修改和变化对本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。选择在此使用的术语以最佳地解释实施例的原理、实际应用或在市场上找到的技术上的技术改进，或使得本领域普通技术人员能够理解在此披露的实施例。