一种基于射频信号生成的量子控制方法与流程

本发明涉及量子，具体涉及一种基于射频信号生成的量子控制方法。

背景技术：

1、量子系统通常由量子比特（qubits）组成，它们是量子信息处理的基本单元。射频信号（radio frequency, rf）是一种在频率范围较高（从几百khz到几ghz）的电磁波信号。在量子系统中，通常使用微波射频信号来操控量子比特，因为它们与量子系统的能级结构相互作用效果良好。在量子系统中，生成射频信号的技术通常主要包括射频发生器和合成器，而射频信号在量子系统中用于操控量子态，主要包括激发和退激发、量子态操作和量子门测量等几个方面。其中在使用射频信号控制量子门的过程中，因部分量子系统存在特殊需求，在使用波形或序列比较复杂的射频信号，如使用高斯形状的脉冲或多个脉冲的组合对量子门按照目标量子门状态进行纠缠控制时，由于生成复杂波形的过程中可能会遇到射频波形失真或难以生成所需精度的射频信号，同时外部的量子系统难以做出有效的即时调整，导致在量子系统中最终实现的特定量子门操作难以满足需要。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于射频信号生成的量子控制方法，解决在量子系统中使用波形比较复杂的射频信号来操作量子门时因射频波形失真导致最终的量子门状态难以满足需求的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种基于射频信号生成的量子控制方法，该方法包括：

4、步骤s1：对量子门控制进程预设参考射频信号和期望量子门状态，基于期望量子门状态设定射频信号的初始目标参数，基于初始目标参数使用射频合成器生成初始射频信号；

5、步骤s2：将初始射频信号与目标量子门中的量子比特进行耦合，用初始射频信号操控目标量子门往期望量子门状态的方向进行转化，将转化后的量子门状态标注为输出量子门状态；

6、步骤s3：收集所述输出量子门状态的输出状态数据，将输出状态数据与期望量子门状态的期望状态数据之间算出的差值加权设为第一差别数据，并对第一差别数据设置第一阈值；

7、步骤s4：当第一差别数据高于第一阈值时，将初始射频信号与参考射频信号之间的信号参数差值加权设为第二差别数据用于射频合成器生成修正射频信号，并重新生成输出量子门状态；当第一差别数据低于第一阈值时，判别当前量子门控制进程无异常。

8、在量子系统中，生成射频信号的技术通常主要包括射频发生器和合成器，而射频信号在量子系统中用于操控量子态，主要包括激发和退激发、量子态操作和量子门测量等几个方面。其中在使用射频信号控制量子门的过程中，因部分量子系统存在特殊需求，在使用波形或序列比较复杂的射频信号，如使用高斯形状的脉冲或多个脉冲的组合对量子门按照目标量子门状态进行纠缠控制时，由于生成复杂波形的过程中可能会遇到射频波形失真或难以生成所需精度的射频信号，同时外部的量子系统难以做出有效的即时调整，导致在量子系统中最终实现的特定量子门操作难以满足需要。基于此，本发明提供一种基于射频信号生成的量子控制方法，解决在量子系统中使用波形比较复杂的射频信号来操作量子门时因射频波形失真导致最终的量子门状态难以满足需求的问题。

9、进一步地，设射频信号的参数包括频率值、相位值和幅度值，构建期望量子门状态的哈密顿量与射频信号的频率值、相位值和幅度值组成的参数计算模型，将所述参数计算模型用于获取初始目标参数。

10、进一步地，所述参数计算模型的内容包括：

11、设时间节点表示为t，设置期望量子门状态的期望总哈密顿量表示为h(t)，所述期望总哈密顿量包括自由演化哈密顿量和射频影响哈密顿量，所述自由演化哈密顿量表示为h0，所述射频影响哈密顿量表示为v(t)，则所述期望总哈密顿量表示为h(t)= h0+ v(t)。

12、进一步地，所述射频影响哈密顿量v(t)的计算过程包括：设幅度值表示为a，频率值表示为ω，相位值表示为φ，虚数单位表示为i，则所述射频影响哈密顿量v(t)计算式表示为：。

13、进一步地，所述第一差别数据通过期望量子门状态与输出量子门状态之间的重叠度值、保真度值和bures距离值加权计算获取；所述重叠度值通过量子门的量子态数值内积计算获取，所述保真度值通过重叠度值取平方值获取，所述bures距离值通过保真度值计算获取。

14、进一步地，所述bures距离值表示为d，所述保真度值表示为f，

15、则所述bures距离值d计算式表示为：。

16、进一步地，生成修正射频信号的过程包括：在量子系统中使用遗传优化方法来调整射频信号的频率值、相位值和幅度值用以生成修正射频信号，使得用修正射频信号转化后的输出量子门状态满足第一差别数据小于第一阈值且为最优解。

17、进一步地，所述遗传优化方法的过程包括：

18、初始化包含若干个体的遗传种群，每个个体表示一组用于修正射频信号的频率值、相位值和幅度值的组合，之后将遗传种群随机生成，每个遗传种群均包含多个个体；设置迭代次数和适应度函数，所述适应度函数用于在当前个体包含的射频信号参数下，评估出每个个体对应的第二差别数据的数值大小和计算每对个体的交叉概率；对适应度函数设置适应度阈值，每次迭代从当前种群中筛出适应度阈值以上的全部个体，在迭代次数结束或个体筛选结束后停止遗传优化方法过程，将筛出的适应度值最高的个体选择作为修正射频信号的频率值、相位值和幅度值的最优解。

19、进一步地，对每一对个体计算适应度比例，所述适应度比例表示每个个体在当前种群中的适应度得分与所有个体适应度得分总和的比例。

20、进一步地，在满足交叉条件的每对个体之间执行单点交叉操作。

21、本发明与现有技术相比，通过收集并分析输出量子门状态数据，可以实时判断量子门操作是否达到期望状态。如果输出状态与期望状态存在差异时立即调整射频信号的参数，通过反馈机制修正射频波形，从而优化量子门的输出状态，具有在复杂波形下能够更精细地调节射频信号，使得量子门的最终状态更加接近预期优点和有益效果。

技术特征：

1.一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，设射频信号的参数包括频率值、相位值和幅度值，构建期望量子门状态的哈密顿量与射频信号的频率值、相位值和幅度值组成的参数计算模型，将所述参数计算模型用于获取初始目标参数。

3.根据权利要求2所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，所述参数计算模型的内容包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，所述射频影响哈密顿量v(t)的计算过程包括：设幅度值表示为a，频率值表示为ω，相位值表示为φ，虚数单位表示为i，则所述射频影响哈密顿量v(t)计算式表示为：。

5.根据权利要求1所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，所述第一差别数据通过期望量子门状态与输出量子门状态之间的重叠度值、保真度值和bures距离值加权计算获取；所述重叠度值通过量子门的量子态数值内积计算获取，所述保真度值通过重叠度值取平方值获取，所述bures距离值通过保真度值计算获取。

6.根据权利要求5所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，所述bures距离值表示为d，所述保真度值表示为f，

7.根据权利要求2所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，生成修正射频信号的过程包括：在量子系统中使用遗传优化方法来调整射频信号的频率值、相位值和幅度值用以生成修正射频信号，使得用修正射频信号转化后的输出量子门状态满足第一差别数据小于第一阈值且为最优解。

8.根据权利要求7所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，所述遗传优化方法的过程包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，对每一对个体计算适应度比例，所述适应度比例表示每个个体在当前种群中的适应度得分与所有个体适应度得分总和的比例。

10.根据权利要求8所述的一种基于射频信号生成的量子控制方法，其特征在于，在满足交叉条件的每对个体之间执行单点交叉操作。

技术总结本发明公开了一种基于射频信号生成的量子控制方法，涉及量子技术领域，包括步骤S1：对量子门控制进程预设参考射频信号和期望量子门状态用于生成初始射频信号；步骤S2：用初始射频信号操控目标量子门往期望量子门状态的方向进行转化并标注为输出量子门状态；步骤S3：将输出状态数据与期望状态数据之间算出的差值加权设为第一差别数据并设置第一阈值；步骤S4：当第一差别数据高于第一阈值时设置第二差别数据用于射频合成器生成修正射频信号并重新生成输出量子门状态；当第一差别数据低于第一阈值时，判别当前量子门控制进程无异常。本发明具有在复杂波形下能够更精细地调节射频信号，使得量子门的最终状态更加接近预期优点和有益效果。技术研发人员：邹小波,林海川,许凡,王渊,黄维受保护的技术使用者：成都中微达信科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17