量子芯片的性能测试方法、装置及量子计算机系统与流程

1.本发明属于量子计算技术领域，特别涉及一种量子芯片的性能测试方法、装置及量子计算机系统。


背景技术：

2.量子计算机的技术正在飞速地发展，越来越多的量子应用在不断涌现，量子硬件的技术也在逐年提升。量子计算中，量子比特是量子计算中信息处理的载体，量子操作的保真度用于衡量实际发生的操作与预期操作的差异，保真度越高，差异越小。
3.在超导量子比特系统中，随着量子比特数的扩展，串扰噪声逐渐引起重视，串扰噪声被定义为系统对其相邻系统的干扰。由于串扰以及残余耦合的存在，会导致多个比特同时工作时，每个比特会受到周围其他比特的状态和控制信号的影响。在实际利用量子芯片执行量子计算任务时，往往需要同时对多个量子比特执行量子逻辑门操作，因此，我们有必要提出一种量子芯片的性能测试方法，用以测试各个比特同时工作时量子芯片上的逻辑门的性能。
4.需要说明的是，公开于本技术背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种量子芯片的性能测试方法、装置及量子计算机系统，用于表征量子芯片的性能。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种量子芯片的性能测试方法，包括：
7.提供一量子芯片，所述量子芯片上n个量子比特均处于初态；
8.设置不同数值的m，并在不同数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，所述逆操作为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；
9.基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；
10.基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；
11.基于所述单比特clifford门的平均保真度表征所述量子芯片的性能。
12.优选的，所述将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，包括：
13.重复执行所述将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上，并获取每次执行后每个所述操作序列的子保真度，基于多次执行获取的所述子保真度的平均值获取每个
所述操作序列的保真度。
14.优选的，每个所述操作序列的生成方法包括：
15.在单比特clifford群中可重复地随机选取m个所述单比特clifford门构成一子操作序列；
16.获取所述子操作序列的等效操作；
17.获取所述等效操作的逆；
18.将所述子操作序列与所述等效操作的逆组成一个所述操作序列。
19.优选的，所述基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数，包括：
20.通过对每个所述操作序列的保真度与m的关系进行拟合，得到每个所述操作序列的保真度与m的关系均满足第一公式：
21.y＝a
×
pm+b
22.其中，y为所述操作序列的保真度，a为与态制备保真度相关的参数，b为与测量保真度相关的参数，p为与所述单比特clifford门的保真度相关的参数；
23.基于所述第一公式获取每个操作序列中所述与单比特clifford门的保真度相关的参数p。
24.优选的，所述基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度，包括：
25.每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与所述单比特clifford门的平均保真度的关系满足第二公式：
[0026][0027]
其中，f为每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度，n为所述量子比特的数量，p为所述与单比特clifford门的保真度相关的参数；
[0028]
基于所述第二公式获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度。
[0029]
优选的，每个所述量子比特的初态均制备在|0》态。
[0030]
优选的，所述获取每个所述操作序列的保真度，包括：
[0031]
测量每个所述量子比特处于|0》态的概率，每个所述概率作为相应的所述操作序列的保真度。
[0032]
优选的，所述n的数值为2。
[0033]
基于同一发明构思，本发明第二方面提供一种量子芯片的性能测试装置，一量子芯片上设置有n个量子比特且均处于初态，所述量子芯片的性能测试装置包括操作序列保真度获取模块、参数获取模块、单比特量子门保真度获取模块以及量子芯片性能表征模块；
[0034]
所述操作序列保真度获取模块，用于设置不同数值的m并在每个数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于n个均处于初态的量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，每个所述逆操作均为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；
[0035]
所述参数获取模块，用于基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；
[0036]
所述单比特量子门保真度获取模块，用于基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；
[0037]
所述量子芯片性能表征模块，基于所述单比特clifford门的平均保真度表征量子芯片的性能。
[0038]
基于同一发明构思，本发明第三方面提供一种量子计算机系统，包括本发明第二方面提供的所述量子芯片的性能测试装置，以执行本发明第一方面提供的所述量子芯片的性能测试方法。
[0039]
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
[0040]
本发明提供的量子芯片的性能测试方法，第一步提供一量子芯片，所述量子芯片上n个量子比特均处于初态；第二步设置不同数值的m，并在不同数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，所述逆操作为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；第三步基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；第四步基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；第五步基于所述单比特clifford门的平均保真度表征所述量子芯片的性能。本发明的量子芯片的性能测试方法，通过同时将n个操作序列作用到n个处于初态的量子比特上，模拟量子芯片实际工作中多个量子比特同时执行量子逻辑门操作时的状态，再获取与单比特clifford门的保真度相关的参数，基于获取的与单比特clifford门的保真度相关的参数获取单比特clifford门的平均保真度，由于单比特clifford门的平均保真度是在n个量子比特同时工作的条件下进行的，因此单比特clifford门的平均保真度中包含了串扰噪声的信息，能够用来表征量子芯片的性能。
[0041]
本发明提出的所述量子芯片的性能测试装置及量子计算机系统，与所述量子芯片的测试方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不做赘述。
附图说明
[0042]
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1是本发明实施例一的量子芯片的性能测试方法的流程示意图。
具体实施方式
[0044]
以下将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下面的描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且
均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0046]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0047]
《实施例一》
[0048]
如图1所示，图1为本实施例提供的量子芯片的性能测试方法的流程示意图，所述量子芯片的性能测试方法包括以下步骤：
[0049]
s1：提供一量子芯片，所述量子芯片上n个量子比特均处于初态；
[0050]
s2：设置不同数值的m，并在不同数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，所述逆操作为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；
[0051]
s3：基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；
[0052]
s4：基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；
[0053]
s5：基于所述单比特clifford门的平均保真度表征所述量子芯片的性能。
[0054]
在本实施例中，n的数值取2，即所述操作序列的数量为两条，所述量子芯片上具有2个处于初态的量子比特；m的数值取1～250，即重复执行250次将2个操作序列同时分别作用于两个量子比特上并获取两个操作序列的保真度，且操作序列中的单比特clifford门的数量与m保持一致。本领域技术人员应当知晓，符合条件的其他数值亦可实现本实施例的量子芯片的性能测试方法。
[0055]
更多地，在本实施例中，所述单比特clifford门的平均保真度越高，则所述量子芯片的性能越好。
[0056]
本实施例中提出的所述量子芯片的性能测试方法，一方面能够实现同时对量子芯片上的量子比特进行测量，进而同时获取各个所述操作序列上的所述单比特clifford门的平均保真度，另一方面能够模拟量子芯片实际工作时的场景，获取包含串扰噪声信息的单比特clifford门的平均保真度，可用于表征量子芯片的性能，评估量子芯片的优劣。
[0057]
在所述步骤s1中，所述量子芯片上的所述量子比特的数量为两个，需要说明的是，所述量子比特的数量也可以为其他可行的数目，在此不构成对本技术的限制。
[0058]
同样在所述步骤s1中，所述初态为|0》态，即所述量子芯片上设置有两个初态为|0》态的量子比特。
[0059]
在所述步骤s2中，每个所述操作序列的生成方法包括：
[0060]
在单比特clifford群中可重复地随机选取m个所述单比特clifford门构成一子操
作序列；例如，当m的数值为100的时候，在单比特clifford群中可重复地随机选取100个单比特clifford门来构成所述子操作序列；
[0061]
获取所述子操作序列的等效操作；例如，m的数值为100的时候，即所述100个单比特clifford门构成的所述子操作序列的等效操作，由于群的封闭性，因此所述等效操作也在单比特clifford群中；
[0062]
获取所述等效操作的逆；同样由于群元素的封闭性，所述等效操作的逆也在所述单比特clifford群中；
[0063]
将所述子操作序列与所述等效操作的逆组成一个所述操作序列。例如，m的数值为100的时，即将所述100个单比特clifford门与所述等效操作的逆构成一个所述操作序列。
[0064]
同样在所述步骤s2中，所述将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，包括：
[0065]
重复执行所述将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上，并获取每次执行后每个所述操作序列的子保真度，基于多次执行获取的所述子保真度的平均值获取每个所述操作序列的保真度。
[0066]
在本实施例中，即重复执行将两个操作序列同时分别作用到两个量子比特上，并获取每次执行后每个所述操作序列的子保真度。通过多次实验取平均值的方式，有利于减少误差，提高所述操作序列的保真度的精度。
[0067]
同样在所述步骤s2中，可以测量每个所述量子比特处于|0》态的概率，每个所述概率作为相应的所述操作序列的保真度。将所述量子比特的初态设为|0》态，便于操作。
[0068]
在所述步骤s3中，所述基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数，包括：
[0069]
s31：通过对每个所述操作序列的保真度与m的关系进行拟合，得到每个所述操作序列的保真度与m的关系均满足第一公式：
[0070]
y＝a
×
pm+b
[0071]
其中，y为所述操作序列的保真度，a为与态制备保真度相关的参数，b为与测量保真度相关的参数，p为与所述单比特clifford门的保真度相关的参数；
[0072]
s32：基于所述第一公式获取每个操作序列中所述与单比特clifford门的保真度相关的参数p。
[0073]
在本实施例中，由于n为2，因此能够得到两个所述第一公式以及两个与单比特clifford门的保真度相关的参数p。
[0074]
在所述步骤s4中，所述基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度，包括：
[0075]
s41：每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与所述单比特clifford门的平均保真度的关系满足第二公式：
[0076][0077]
其中，f为每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度，n为所述量子比特的数量，p为所述与单比特clifford门的保真度相关的参数；
[0078]
s42：基于所述第二公式获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度。
[0079]
在所述步骤s41中，本实施例中n的数值为2，因此所述第二公式具体为：
[0080][0081]
综上所述，本发明提供的量子芯片的性能测试方法，包括：提供一量子芯片，所述量子芯片上n个量子比特均处于初态；设置不同数值的m，并在不同数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，所述逆操作为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；基于所述单比特clifford门的平均保真度表征所述量子芯片的性能。本发明的所述量子芯片的性能测试方法，通过同时将n个操作序列作用到n个处于初态的量子比特上，模拟量子芯片实际工作中多个量子比特同时执行量子逻辑门操作时的状态，再获取与单比特clifford门的保真度相关的参数，基于获取的与单比特clifford门的保真度相关的参数获取单比特clifford门的平均保真度，由于单比特clifford门的平均保真度是在n个量子比特同时工作的条件下进行的，因此单比特clifford门的平均保真度中包含了串扰噪声的信息，能够用来表征量子芯片的性能。
[0082]
《实施例二》
[0083]
基于同一发明构思，本发明还提供一种量子芯片的性能测试装置，包括操作序列保真度获取模块、参数获取模块、单比特量子门保真度获取模块以及量子芯片性能表征模块。
[0084]
所述操作序列保真度获取模块，用于设置不同数值的m并在每个数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于n个均处于初态的量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，每个所述逆操作均为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；
[0085]
所述参数获取模块，用于基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；
[0086]
所述单比特量子门保真度获取模块，用于基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；
[0087]
所述量子芯片性能表征模块，基于所述单比特clifford门的平均保真度表征量子芯片的性能。
[0088]
本实施例提供的所述量子芯片的性能测试装置，由于与本发明提供的量子芯片的性能测试方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不做赘述。
[0089]
《实施例三》
[0090]
基于同一发明构思，本实施例提供一种量子计算机系统，包括本发明实施例二提
供的所述量子芯片的性能测试装置，以执行本发明实施例一提供的所述量子芯片的性能测试方法。
[0091]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

技术特征：
1.一种量子芯片的性能测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：提供一量子芯片，所述量子芯片上n个量子比特均处于初态；设置不同数值的m，并在不同数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，所述逆操作为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；基于所述单比特clifford门的平均保真度表征所述量子芯片的性能。2.如权利要求1所述的量子芯片的性能测试方法，其特征在于，所述将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，包括：重复执行所述将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上，并获取每次执行后每个所述操作序列的子保真度，基于多次执行获取的所述子保真度的平均值获取每个所述操作序列的保真度。3.如权利要求1所述的量子芯片的性能测试方法，其特征在于，每个所述操作序列的生成方法包括：在单比特clifford群中可重复地随机选取m个所述单比特clifford门构成一子操作序列；获取所述子操作序列的等效操作；获取所述等效操作的逆；将所述子操作序列与所述等效操作的逆组成一个所述操作序列。4.如权利要求1所述的量子芯片的性能测试方法，其特征在于，所述基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数，包括：通过对每个所述操作序列的保真度与m的关系进行拟合，得到每个所述操作序列的保真度与m的关系均满足第一公式：y＝a
×
p
m
+b其中，y为所述操作序列的保真度，a为与态制备保真度相关的参数，b为与测量保真度相关的参数，p为与所述单比特clifford门的保真度相关的参数；基于所述第一公式获取每个操作序列中所述与单比特clifford门的保真度相关的参数p。5.如权利要求4所述的量子芯片的性能测试方法，其特征在于，所述基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度，包括：每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与所述单比特clifford门的平均保真度的关系满足第二公式：
其中，f为每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度，n为所述量子比特的数量，p为所述与单比特clifford门的保真度相关的参数；基于所述第二公式获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度。6.如权利要求1所述的量子芯片的性能测试方法，其特征在于，每个所述量子比特的初态均制备在|0>态。7.如权利要求6所述的量子芯片的性能测试方法，其特征在于，所述获取每个所述操作序列的保真度，包括：测量每个所述量子比特处于|0>态的概率，每个所述概率作为相应的所述操作序列的保真度。8.如权利要求1所述的量子芯片的性能测试方法，其特征在于，所述n的数值为2。9.一种量子芯片的性能测试装置，其特征在于，一量子芯片上设置有n个量子比特且均处于初态，所述量子芯片的性能测试装置包括操作序列保真度获取模块、参数获取模块、单比特量子门保真度获取模块以及量子芯片性能表征模块；所述操作序列保真度获取模块，用于设置不同数值的m并在每个数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于n个均处于初态的量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度，其中，n≥2，且每个所述操作序列均包括依次执行的m个单比特clifford门以及一个逆操作，每个所述逆操作均为所在所述操作序列中的所述m个单比特clifford门的逆；所述参数获取模块，用于基于每个所述操作序列的保真度与m的关系，获取每个操作序列中的与单比特clifford门的保真度相关的参数；所述单比特量子门保真度获取模块，用于基于每个与所述单比特clifford门的保真度相关的参数与单比特clifford门的平均保真度的关系，获取每个操作序列中的所有所述单比特clifford门的平均保真度；所述量子芯片性能表征模块，基于所述单比特clifford门的平均保真度表征量子芯片的性能。10.一种量子计算机系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的量子芯片的性能测试装置，以执行权利要求1～8中任一项所述的量子芯片的性能测试方法。

技术总结
本发明提供了一种量子芯片的性能测试方法、装置以及量子计算机系统，所述量子芯片的性能测试方法包括：提供一量子芯片，所述量子芯片上n个量子比特均处于初态；在不同数值的m下执行将n个操作序列同时分别作用于所述n个量子比特上并获取每个所述操作序列的保真度；获取每个操作序列中的与单比特Clifford门的保真度相关的参数；获取每个操作序列中的所有所述单比特Clifford门的平均保真度；基于所述单比特Clifford门的平均保真度表征所述量子芯片的性能。本发明的技术方案测量的单比特Clifford门的平均保真度能够表征量子芯片的性能。性能。性能。


技术研发人员：李泽东 赵杨超 孔伟成
受保护的技术使用者：本源量子计算科技（合肥）股份有限公司
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2023/7/11