超导量子计算：腾讯提出比特频率控制信号处理方案

腾讯发明的量子比特的频率控制信号处理方案，通过目标量子比特的频率控制信号的畸变量来对频率控制信号进行调整。不但可以实现对超导量子比特频率控制信号的畸变进行测量，而且可以利用测量出的传递函数的性质对控制线路进行修正，从而达到对比特实现快速的频率偏置。

腾讯发明的量子比特的频率控制信号处理方案，通过目标量子比特的频率控制信号的畸变量来对频率控制信号进行调整。不但可以实现对超导量子比特频率控制信号的畸变进行测量，而且可以利用测量出的传递函数的性质对控制线路进行修正，从而达到对比特实现快速的频率偏置。

超导量子计算具有运行速度快的优点，因此得到人们广泛关注和应用。量子计算分为单比特逻辑门计算和两比特逻辑门计算，两比特逻辑门包括量子态交换操作、受控非门操作以及受控相位门操作等。

超导量子芯片的调控和读取是量子计算物理实现的重要环节，高精度量子调控和读取技术可提高量子计算结果的准确性。由于量子比特芯片通常处于极低温，室温的控制设备产生的信号需要经过一系列线路到达超导量子芯片上。

在此过程中，由于线路本身会引入额外的电容电感，以及线路对高频信号的趋肤效应会导致实际比特感受的磁场变化与所期望的不同，波形的形状会出现一定的畸变，这个畸变会对多比特门的精度以及速度产生非常大的影响。

同时，由于这部分畸变主要来自于低温部分的器件、线材、芯片及封装，因而会随着温度而发生变化。因此无法直接在室温下对畸变进行校准，必须在低温下利用比特本身对畸变进行测量。为了实现该目标，腾讯在2020年10月9日申请了一项名为“量子比特的频率控制信号处理方法、超导量子芯片”的发明专利（申请号：202011073820.5），申请人为腾讯科技（深圳）有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

超导量子计算机主要包括超导量子芯片和用于芯片控制和测量的硬件系统，硬件系统主要包括各种微波频段的信号发生器和和各种微波频段的器件，包括滤波器、放大器、隔离器等，以及配备微波传输线的稀释制冷机。

如上图，为量子比特的频率控制信号处理方法的使用场景示意图，控制子系统用于控制量子比特Qubit状态进行量子计算，例如单比特逻辑门计算和两比特逻辑门计算；超导量子芯片用于承载量子计算信息；测量子系统用于读取Qubit最终状态并获得量子计算的计算结果。

通过将超导量子芯片置于低温环境中，控制子系统按照量子计算操作的需求产生脉冲调制信号，将一系列微波脉冲序列输入到超导量子芯片，对Qubit的量子态进行操作。所有操作完成后，测量系统输出测量脉冲信号到超导量子芯片，通过返回的信号变化得到Qubit的状态信息，最终得到计算结果。

如上图，为该专利中发明的量子比特的频率控制信号处理装置的组成结构示意图，该信号处理装置包括：处理器201、存储器202、用户接口203以及网络接口204，量子比特的频率控制信号处理装置中的各个组件通过总线系统205耦合在一起，总线系统用于实现这些组件之间的连接通信。

该专利中的量子比特的频率控制信号处理装置采用硬件译码处理器形式的处理器构建而成，例如，硬件译码处理器形式的处理器采用多个应用专用集成电路（ASIC）、DSP、可编程逻辑器件 （PLD）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）以及现场可编程门阵列（FPGA）。

而在存储器中，其包括有软件模块信号传输模块2081和信号处理模块2082。信号传输模块用于确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特；信号处理模块用于为目标量子比特配置第一方波脉冲。

如上图，为现有方案中的量子比特的频率控制信号处理流程示意图，首先，由系统对传递函数进行建模处理。其次，根据传递函数对输入的方波函数Rect(t，A，L)进行计算，得出经过传递函数之后的波形v（t）。接着，根据比特频率与信号大小的关系fq（z），得出比特频率随时间的变化函数fq（v(t)）。最后，对比特频率进行积分，得出相位的变化关系ϕ q（t），从而确定实际比特的响应。

但是，由于方波自身也会使量子比特进行相位积累，因此单纯从处理结果上无法判断在某一个时间单位时，量子比特是否已经处于无偏置状态。且当方波长度不够时，会使得方波的下降沿与上升沿之间形成相互影响。

因为，该专利发明了上述量子比特的频率控制信号处理方法，如上图所示。首先，由量子比特的频率控制信号处理装置确定量子比特的频率控制信号所对应的目标量子比特，其中，超导量子芯片是实现量子计算的核心结构。

超导量子芯片是由大量量子比特构成的，每个量子比特由设置在量子芯片上的特定硬件电路构成，每个量子比特具备至少两个可区分的逻辑状态。基于量子程序，量子比特的逻辑状态可以发生可控变化，进而实现量子计算。这里提到的量子比特的频率控制信号就是用于作用在量子芯片的量子比特上改变量子比特的逻辑状态。

其次，将量子比特的频率控制信号处理装置设置为目标量子比特配置第一方波脉冲，当第一方波脉冲的结束时间到达第一时间阈值时，通过量子比特的频率控制信号处理装置控制目标量子比特绕Y轴转动第一目标距离。

接着，当第一方波脉冲的结束时间到达第二时间阈值时，利用量子比特的频率控制信号处理装置对目标量子比特进行量子层析测量。由此，可以根据量子层析测量的结果，确定相应的量子比特的状态，例如某一时间点的量子比特状态（量子态）处于|0>态；或者某一时间点的量子比特状态（量子态）处于|1>态，|>表示狄拉克符号。

最后，基于目标量子比特进行量子层析测量结果，重构目标量子比特的密度矩阵以及目标量子比特的相位参数。当量子比特的频率控制信号处理装置调整第一时间阈值，对标量子比特进行迭代测量。从而实现通过迭代测量的结果，确定目标量子比特的频率控制信号的畸变量。

以上就是腾讯发明的量子比特的频率控制信号处理方案，该方案主要通过目标量子比特的频率控制信号的畸变量来对频率控制信号进行调整。不但可以实现对超导量子比特频率控制信号的畸变进行测量，而且可以利用测量出的传递函数的性质对控制线路进行修正，从而达到对比特实现快速的频率偏置。