用于校准、控制并且运行量子处理器的系统、方法和装置制造方法及图纸

量子退火可以包括对一个量子处理器的多个量子位（例如一个超导量子处理器的多个超导通量量子位）施加并且逐步去除多个无序项。通过对这些量子位施加多个控制信号可以建立一个问题哈密尔顿算子，通过施加多个无序项、并且通过逐步去除这些无序项来进行退火可以建立一个演算哈密尔顿算子。可以对这些量子位中稳恒电流的变化进行补偿。多个乘法器（例如）可以通过施加对应的比例因子来调节不同的量子位与一个全局信号线之间的连接。两个全局信号线可以被安排在一种相互交错的模式之中以便连接到一对通信连接的量子位中对应的量子位上。多对量子位可以在通信上被隔离开、并且可以被用于测量彼此对所定义信号的一个响应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于校准、控制并且运行量子处理器的系统、方法和装置相关申请的交叉引用本申请根据35U. S.C. 119(e)要求以下申请的权益，S卩2008年5月20日提交的名 称为“用于向目标哈密尔顿算子受控量子退火的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序 列号61/054，740 ；2008年8月观日提交的名称为“在量子计算中避免局部最小值的系统、 方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/092，665 ；2008年9月3日提交的名称为“用于 量子处理器元件的有效补偿的系统、方法和装置”的美国临时专利申请序列号61/094，002 ； 以及2008年9月沈日提交的名称为“用于校准量子处理器元件的系统、方法和装置”的美 国临时专利申请序列号61/100，582，所有这些申请均通过引用以其全文结合在此。
技术介绍

本系统、方法和装置总体上涉及量子计算，并且确切地涉及超导量子计算以及量 子退火的实现方式。超导量子位人们在考虑将多种不同的硬件和软件途径用于量子计算机中。一种硬件途径采用 了超导材料(如铝和/或铌)形成的集成电路来定义超导量子位。根据用于对信息进行编 码的物理特性，超导量子位可以被分为几个类别。例如，它们可以被分为电荷、通量与相位 装置。电荷装置以该装置的电荷状态来存储和处理信息；通量装置以与通过该装置的某个 部分的磁通量相关的一个变量来存储和处理信息；而相位装置以与该相位装置的两个区域 之间的超导相位差相关的一个变量来存储和处理信息。在现有技术中已经实现了多种不同形式的超导通量量子位，但是所有成功的实现 方式通常包括被至少一个约瑟夫逊结所中断的一个超导回路(即，一个“量子位回路”)。一 些实施方案实现了或者串联或者并联连接的多个约瑟夫逊结(即，复合约瑟夫逊结)，而一 些实施方案实现了多个超导回路。稳恒电流如此前讨论的，一个超导通量量子位可以包括被至少一个约瑟夫逊结、或至少一 个复合约瑟夫逊结所中断的一个量子位回路。由于量子位回路是超导的，所以它实际上没 有电阻。因此，在量子位回路中流动的电流可以不经历损耗。如果在量子位回路中通过(例 如)一个磁通量信号诱导出一个电流，那么这个电流可以无限期地维持。该电流可以无限 期地持续直到它被以某种方式所干扰或者直到该量子位回路不再是超导的(例如，由于将 该量子位回路加热到了它的临界温度之上)。为了本说明书的目的，术语“稳恒电流”被用 于说明在一个超导量子位的量子位回路中循环流动的电流。稳恒电流的符号和幅值可以受 多种因素影响，这些因素包括但不限于直接连接到该量子位回路上的通量信号Φχ以及连 接到中断该量子位回路的一个复合约瑟夫逊结上的通量信号Oot。量子处理器一个计算机处理器可以采取一种模拟处理器的形式，例如一种量子处理器(如一种超导量子处理器)。一个超导量子处理器可以包括多个量子位以及多个相关联的局 部偏置器件，例如两个或更多个超导量子位。在美国专利公开号2006-0225165、美国专 利公开2008-0176750、美国专利申请序列号12/266, 378、以及PCT专利申请序列号PCT/ US09/37984中说明了可以与本专利技术的系统、方法和装置结合使用的示例性量子处理器的进 一步的细节和实施方案。绝热量子计算绝热量子计算典型地涉及通过逐渐改变哈密尔顿算子来将一个系统从一个已知 的初始哈密尔顿算子(该哈密尔顿算子是一个运算符，它的本征值是该系统所允许的能 量)演算到一个最终的哈密尔顿算子。一个绝热演算的简单实例是He = (I-S)H^SHf其中Hi是初始哈密尔顿算子，Hf是最终哈密尔顿算子，He是演算或瞬态哈密尔顿 算子，并且s是控制演算速率的一个演算系数。随着系统的演算，系数s从0到1，这样使得 在开始时(即，s = 0)演算哈密尔顿算子He等于初始哈密尔顿算子Hi,并且在结束时(即， s = 1)演算哈密尔顿算子扎等于最终的哈密尔顿算子Hf。在演算开始之前，典型地将系统 初始化为处于初始哈密尔顿算子Hi的一个基态中，并且目标是使系统进行演算的方式为使 得在演算结束时该系统结束在最终的哈密尔顿算子Hf的一个基态中。如果该演算太快，则 该系统能够被激发到一个更高的能态，例如第一激发态。在本专利技术的这些系统、方法及装置 中，“绝热”演算被认为是满足以下绝热条件的一种演算s\{\\dHJds\ 0) |= Sg2{s)其中i是s的时间导数，g (s)是作为s的一个函数的系统的基态与第一激发态之间 的能量差值(在此还被称为“间隙大小”)，并且δ是远远小于1的一个系数。绝热量子计算中的演算过程有时可被称为退火。s变化的速率(有时被称为演算 或退火进度)通常是足够慢的以便使该系统在演算过程中总是处于演算哈密尔顿算子的 瞬时基态中，并且避免了在反交叉处(即，当该间隙大小是最小的时候)的转变。在美国专 利号7，135，701中描述了关于绝热量子计算系统、方法及装置的进一步细节。量子退火量子退火是一种计算方法，该方法可以被用于找出一个系统的低能态，典型地优 选是基态。与经典的退火概念相类似，该方法所依赖的本质性原理在于自然系统趋向于低 能态，因为低能态是更加稳定的。然而，尽管经典退火使用经典的热波动将一个系统引导到 它的全局能量最小值，但量子退火可以使用量子效应(如量子隧道效应)来更精确和/或 更快速地达到一个全局能量最小值。人们已知对于一个难题(例如组合优化问题)的解可 被编码到一个系统哈米尔顿算子的基态中并且因此量子退火可被用于寻找此类难题的解。 绝热量子计算是量子退火的一种特殊情况，对于量子退火该系统在理想情况下对于整个绝 热演算开始于并保持在它的基态中。因此，本领域的普通技术人员应当理解量子退火系统 和方法总体上可在一台绝热量子计算机上实现，反之亦然。贯穿本说明书以及所附的权利 要求，任何提及对量子退火之处均旨在包含绝热量子计算，除非上下文中另有要求。量子退火是在退火过程中使用量子力学来作为一个无序化源的一种算法。最优化 问题被编码在一个哈密尔顿算子Hp中，并且该算法通过增加一个与Hp不进行交换的无序化 哈密尔顿算子Hd来引入强的量子波动。一个实例的情形为He = Hp+Γ Hd,其中Γ在演算过程中从一个大的值变化到实质上为0，并且He可以被认为是与以 上在绝热量子计算的背景下说明的He相类似的一个演算哈密尔顿算子。通过去除Hd(即， 减小Γ)来缓慢地去除这种无序化。因此，由于该系统以一个初始哈密尔顿算子开始，并且 通过一个演算哈密尔顿算子演算到一个最终的“问题”哈密尔顿算子Hp(它的基态对于该问 题的一个解进行编码)，所以量子退火与绝热量子计算是相类似的。如果该演算是足够慢 的，那么该系统将典型地进入一个接近该精确解的局部最小值；该演算越慢，将得到的解就 会越好。这种计算的性能可以通过与演算时间相对比的残余能量(与使用目标函数的精确 解之间的距离)来进行评估。该计算的时间是生成在某个可接受的阈值以下的一个残余能 量所需要的时间。在量子退火中，Hp可以编码一个最优化问题，并且因此Hp在编码该解的 这些量子位的子空间中可以是对角的，但是该系统不一定始终都保持在这种基态中。Hp的 能量形态可以是精心设计的，这样使得它的全局最小值是有待被解决的问题的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子退火的方法，该方法使用了一种包括多个超导通量量子位的超导量子处理器，该方法包括：　　对每个量子位施加一个通量偏置，由此至少部分地定义一个问题哈密尔顿算子；　　对每个量子位施加一个无序项，由此至少部分地定义一个演算哈密尔顿算子；　　逐步地去除施加到每个量子位上的该无序项，由此诱导出每个量子位中的一个稳恒电流的变化；　　通过动态地改变施加到每个量子位上的该通量偏置来对在每个量子位中的稳恒电流的变化进行补偿；并且　　测量在该量子处理器中的至少一个量子位的状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-5-20 61/054,740;US 2008-8-28 61/092,665;US1.一种量子退火的方法，该方法使用了一种包括多个超导通量量子位的超导量子处理 器，该方法包括对每个量子位施加一个通量偏置，由此至少部分地定义一个问题哈密尔顿算子； 对每个量子位施加一个无序项，由此至少部分地定义一个演算哈密尔顿算子； 逐步地去除施加到每个量子位上的该无序项，由此诱导出每个量子位中的一个稳恒电 流的变化；通过动态地改变施加到每个量子位上的该通量偏置来对在每个量子位中的稳恒电流 的变化进行补偿；并且测量在该量子处理器中的至少一个量子位的状态。2.如权利要求1所述的方法，其中逐步地去除施加到每个量子位上的该无序项包括根 据一个时变的退火波形逐步地去除该无序项。3.如权利要求2所述的方法，其中对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿包括根据 一个时变的补偿波形来调整施加到每个量子位上的该通量偏置。4.如权利要求3所述的方法，其中该退火波形以及该补偿波形是实质上同步的。5.如权利要求1所述的方法，其中对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿包括在该 演算哈密尔顿算子中维持一个实质上恒定的比值。6.如权利要求1所述的方法，其中对每个量子位施加一个通量偏置至少部分地定义了 一个问题哈密尔顿算子，该问题哈密尔顿算子包括一个2局部伊辛哈密尔顿算子，该2局部 伊辛哈密尔顿算子被实质上表述为7.如权利要求6所述的方法，其中对每个量子位中稳恒电流的变化进行补偿包括在该 问题哈密尔顿算子中维持hi Ju的一个实质上恒定的比值。8.一种量子退火的方法，该方法使用了包括一组量子位的一种量子处理器，该方法包括通过对每个量子位施加至少一个控制信号来建立一个问题哈密尔顿算子； 通过对每个量子位施加至少一个无序化信号来建立一个演算哈密尔顿算子； 通过从每个量子位中逐步地去除这些无序化信号向一个目标哈密尔顿算子进行退火;并且通过在退火过程中调整施加到每个量子位上的该至少一个控制信号来维持一个实质 上固定的无量纲目标哈密尔顿算子。9.如权利要求8所述的方法，其中向一个目标哈密尔顿算子进行退火包括向实质上类 似于该问题哈密尔顿算子的目标哈密尔顿算子进行退火。10.如权利要求8所述的方法，进一步包括 从该问题哈密尔顿算子中提取一个标量前因子。11.如权利要求10所述的方法，其中维持一个实质上固定的无量纲目标哈密尔顿算子 包括对施加到每个量子位上的该至少一个控制信号进行调整，这样使得在退火过程中施加 到每个量子位上的该至少一个控制信号与该标量前因子之间的一个比值是实质上恒定的。12.如权利要求8所述的方法，其中对每个量子位施加一个控制信号包括将该控制信 号施加在一个超导量子处理器中的多个量子位中的每一个上。13.一种量子位控制系统，该系统包括一个第一量子位；一个第二量子位；一个第一乘法器，其中该第一乘法器被配置为可联通地耦联到该第一量子位上；一个第二乘法器，其中该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二量子位上；以及一个全局信号线，其中该全局信号线被配置为可联通地耦联到该第一乘法器和该第二 乘法器二者上，这样使得该第一乘法器调节在该全局信号线与该第一量子位之间的连接， 并且该第二乘法器调节在该全局信号线与该第二量子位之间的连接。14.如权利要求13所述的量子位控制系统，其中该第一乘法器是可调谐的以便向由该 全局信号线携带的一个动态信号提供一个第一比例因子，并且其中该第二乘法器是可调谐 的以便向由该全局信号线携带的该动态信号提供一个第二比例因子。15.如权利要求14所述的量子位控制系统，进一步包括一个第一编程接口，该第一编程接口被配置为可联通地耦联到该第一乘法器上，其中 来自该第一编程接口的一个可控信号所起的作用是调谐该第一乘法器的该第一比例因子， 以及一个第二编程接口，该第二编程接口被配置为可联通地耦联到该第二乘法器上，其中 来自该第二编程接口的一个可控信号所起的作用是调谐该第二乘法器的该第二比例因子。16.如权利要求15所述的量子位控制系统，其中该第一编程接口包括一个第一数模转 换器并且该第二编程接口包括一个第二数模转换器。17.如权利要求15所述的量子位控制系统，其中该第一量子位是包括一个量子位回路 和一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位，并且其中该第二量子位是包括一个量子位 回路和一个复合约瑟夫逊结的一个超导通量量子位。18.如权利要求17所述的量子位控制系统，其中该第一乘法器是一个超导耦联器，该 超导耦联器包括被一个复合约瑟夫逊所中断的一个超导材料的回路，并且该第一编程接口 被配置为可联通地耦联到该第一乘法器的复合约瑟夫逊结上；并且其中该第二乘法器是一 个超导耦联器，该超导耦联器包括被一个复合约瑟夫逊所中断的一个超导材料的回路，并 且该第二编程接口被配置为可联通地耦联到该第二乘法器的复合约瑟夫逊结上。19.如权利要求18所述的量子位控制系统，其中该第一乘法器被配置为可联通地耦联 到该第一量子位的量子位回路上，并且该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二量子 位的量子位回路上。20.如权利要求18所述的量子位控制系统，其中该第一乘法器被配置为可联通地耦联 到该第一量子位的复合约瑟夫逊结上，并且该第二乘法器被配置为可联通地耦联到该第二 量子位的复合约瑟夫逊结上。21.如权利要求18所述的量子位控制系统，其中该第一编程接口包括一个第一超导数 模转换器并且该第二编程接口包括一个第二超导数模转换器。22.—种将动态信号施加到量子处理器的至少两个器件上的方法，该方法包括对一个第一乘法器进行编程以便将一...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁J伯克利，理查德G哈里斯，穆罕默德阿明，
申请(专利权)人：D波系统公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]