(12)發(fā)明專利(22)申請日2019.09.17(43)申請公布日2020.04.17地址芬蘭埃斯波凱拉蘭塔19號務(wù)所(普通合伙)11413(56)對比文件波形源為了讀出量子比特的狀態(tài)，向系統(tǒng)注入(1602)的讀出輸入波形，該系統(tǒng)包括用于存儲量到所述信息存儲元件(101)的讀出諧振器(102)。出輸入波形的所述注入(1602)通過激發(fā)端口形注入信息存儲元件(101)以影響量子比特的狀21.一種用于讀出量子比特狀態(tài)的裝置，包括：信息存儲元件(101),其用于存儲量子比特狀態(tài)；讀出諧振器(102),其電磁耦合到所述信息存儲元件(101);激發(fā)端口(103),其用于將激發(fā)波形(401)注入到信息存儲元件(101)以影響量子比特一個(gè)或多個(gè)讀出端口(104,105,206),其用于將讀出輸入波形(402)注入包括所述信息存儲元件(101)和所述讀出諧振器(102)的系統(tǒng)，并用于從所述系統(tǒng)中提取讀出輸出波形讀出波形源(1101),其用于產(chǎn)生所述讀出輸入波形，和讀出波形檢測器(1102),用于檢測所述讀出輸出波形；其特征在于，所述讀出波形源(1101)配置成，同時(shí)通過所述激發(fā)端口(103)和所述一個(gè)或多個(gè)讀出端口的第一讀出端口(206)將所述讀出輸入波形注入系統(tǒng)，所述第一讀出端口(206)與所述所述讀出波形源(1101)配置成，在將讀出輸入波形注入系統(tǒng)的過程中能夠控制地移位讀出輸入波形的相位。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激發(fā)端口(103)耦合到所述信息存儲元件(101),并且一個(gè)或多個(gè)所述讀出端口(104,105,206)耦合到所述諧振器(102)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述信息存儲元件(101)和所述讀出諧振器(102)由超導(dǎo)體材料制成。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述信息存儲元件(101)是傳輸子。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述讀出波形源(1101)配置成，控制通過所述激發(fā)端口(103)注入系統(tǒng)的讀出輸入波形和通過所述第一讀出端口(206)注入系統(tǒng)的讀出輸入波形的相位(1103,1104)和振幅6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述讀出波形源(1101)配置成：分別通過所述激發(fā)端口(103)和所述第一讀出端口(206)向系統(tǒng)注入第一對同時(shí)讀出輸入波形，其中所述第一對讀出輸入波形的相位和振幅匹配，以便在移動第二概率分布的平均點(diǎn)遠(yuǎn)離IQ空間的原點(diǎn)時(shí)將第一概率分布的平均點(diǎn)維持在I-Q空間的原點(diǎn)，所述第一概率分布與存儲在所述信息存儲元件(101)中的量子比特的第一可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，并且所述第二概率分布與存儲在所述信息存儲元件(101)中的量子比特的第二可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，并隨后分別通過所述激發(fā)端口(103)和所述第一讀出端口(206)向系統(tǒng)注入第二對同時(shí)讀出輸入波形，所述第二對讀出輸入波形的相位和振幅匹配，以便將所述第二概率分布的平均點(diǎn)移回到I-Q空間的原點(diǎn)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述讀出波形檢測器(1102)配置成，在隨后向所述系統(tǒng)中注入所述第二對同時(shí)讀出輸入波形之前，執(zhí)行從所述系統(tǒng)提取的讀出輸出波形的檢測。38.一種讀出量子比特狀態(tài)的方法，包括：將讀出輸入波形注入(1602)到系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于存儲量子比特狀態(tài)的信息存儲元件和電磁耦合到所述信息存儲元件的讀出諧振器，和檢測(1603)從所述系統(tǒng)提取的讀出輸出波形，其特征在于，讀出輸入波形的所述注入(1602)通過激發(fā)端口和同時(shí)地通過第一讀出端口進(jìn)行，激發(fā)端口還用于將激發(fā)波形注入信息存儲元件用于影響量子比特的狀態(tài)，第一讀出端口與該激在將讀出輸入波形注入系統(tǒng)的過程中能夠控制地移位(1604)讀出輸入波形的相位。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括控制通過所述激發(fā)端口注入系統(tǒng)的讀出輸入波形和通過所述第一讀出端口注入系統(tǒng)的讀出輸入波形的相位和振幅(1604)。分別通過所述激發(fā)端口和所述第一讀出端口向系統(tǒng)注入(1801)第一對同時(shí)讀出輸入波形，其中所述第一對讀出輸入波形的相位和振幅匹配(1802)以便在移動第二概率分布的平均點(diǎn)遠(yuǎn)離I-Q空間的原點(diǎn)時(shí)將第一概率分布的平均點(diǎn)維持在所述I-Q空間的原點(diǎn)，所述第一概率分布與存儲在所述信息存儲元件中的量子比特的第一可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，并且所述第二概率分布與存儲在所述信息存儲元件中的量子比特的第二可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，并且，隨后分別通過所述激發(fā)端口和所述第一讀出端口向系統(tǒng)注入(1803)第二對同時(shí)讀出輸入波形，所述第二對讀出輸入波形的相位和振幅匹配(1804),以便將所述第二概率分布的平均點(diǎn)移回到I-Q空間的原點(diǎn)。檢測(1603)在隨后第二對同時(shí)讀出波形注入系統(tǒng)之前從系統(tǒng)提取的讀出輸出波形。4用于讀出量子比特狀態(tài)的裝置和方法技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明一般涉及量子計(jì)算技術(shù)。特別地，本發(fā)明涉及以快速且可靠的方式讀出量子比特(qubit)狀態(tài)的技術(shù)。背景技術(shù)[0002]在量子計(jì)算中，使用術(shù)語“量子比特”不僅指定基本信息單元而且指定用于存儲一個(gè)量子比特信息的信息存儲元件已經(jīng)變得普遍。作為示例，可以考慮具有一個(gè)或多個(gè)量子比特(即，量子比特大小的信息存儲元件)的超導(dǎo)存儲器電路。在這樣的示例中，量子比特是非諧振子，例如傳輸子(transmon),并且它可以耦合到附近的讀出諧振器，以便于讀出存儲在其中的量子比特的狀態(tài)。[0003]圖1是包含四個(gè)量子比特(即四個(gè)量子比特大小的信息存儲元件)的存儲器電路的示例的示意圖。左上方的量子比特101及其相關(guān)聯(lián)的微波諧振器102在虛線矩形中看到。用粗實(shí)線表示的傳輸線以及量子比特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由在低溫下變?yōu)槌瑢?dǎo)的材料制成。在操作期間，量子比特101能夠用一定頻率的激發(fā)波形勵磁，該勵磁波形被帶到激發(fā)端口103。長水平傳輸線是讀出線。為了讀出量子比特的存儲值，將讀出波形耦合到讀出輸入端口104,并且在讀出輸出端口105處檢測所得到的讀出信號的相位。在該示例性電路中，四個(gè)諧振器102、106、107和108中的每一個(gè)均具有不同的諧振頻率，使得讀出波形的頻率確定實(shí)際讀取哪個(gè)量子比特。[0004]圖2是表示量子比特101及其相關(guān)諧振器102的等效電路圖。量子比特101由約瑟夫森結(jié)201和分流電容202組成。諧振器顯示為LC電路，其由電容203和電感204組成。勵磁端口103對應(yīng)于圖1的勵磁端口，并且它通過耦合電容205耦合到量子比特。圖2的讀出端口206結(jié)合了圖1的讀出輸入端口104和讀出輸出端口105的功能，并且其與諧振器102的耦合電容示如207所示。中間的電容208表示量子比特101和諧振器102之間的主要電容性電磁耦合。[0005]當(dāng)讀出波形的光子進(jìn)入諧振器102時(shí)，它們與量子比特101的狀態(tài)相互作用。因此，能夠在讀出輸出端口處檢測到的讀出波形的相位開始改變。必須認(rèn)為，由讀出波形的相位和振幅限定的I-Q空間中的點(diǎn)必須被認(rèn)為屬于概率分布。圖3示出了概率分布的平均點(diǎn)可以在二維I-Q空間作為時(shí)間的函數(shù)的軌跡。這里假設(shè)讀出波形的注入在時(shí)間t=0開始，并且以40納秒的間隔觀察概率分布的平均點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)量子比特處于激發(fā)態(tài)，則每個(gè)圓圈表示在40納秒的連續(xù)間隔處概率分布的平均點(diǎn)的位置。相應(yīng)地，如果發(fā)現(xiàn)量子比特處于基態(tài)，則每個(gè)十字表示在40納秒的連續(xù)間隔處概率分布的平均點(diǎn)的位置。連續(xù)曲線表示40納秒間隔間的平均點(diǎn)的軌跡。決于量子比特狀態(tài)的差異(即兩個(gè)軌跡之間的最短距離)相對緩慢地增加；最初，兩個(gè)軌跡從原點(diǎn)指向左側(cè)，并且它們僅逐漸相互偏離?？梢钥紤]從時(shí)間或可靠性的角度發(fā)現(xiàn)量子比特的狀態(tài)。在進(jìn)行檢測之前可以等待的時(shí)間越多，結(jié)果就越可靠。[0007]以合理的可靠性讀出量子比特狀態(tài)的長時(shí)間延遲是不利的，因?yàn)槠湓跔顟B(tài)必須讀5取的地方，設(shè)定了進(jìn)行量子計(jì)算的速度的限制。最理想的是有一種更快速的方法來讀出量子比特的狀態(tài)，換句話說，希望僅在短時(shí)間延遲之后，可以增強(qiáng)讀取量子比特狀態(tài)的可靠性。發(fā)明內(nèi)容[0008]本發(fā)明的目的是，提供一種用于讀出量子比特狀態(tài)的裝置和方法，其比先前已知的技術(shù)具有更高的速度和/或更好的可靠性。本發(fā)明的另一個(gè)目的是能夠在讀取量子比特的狀態(tài)之后盡可能快地重置(reset)量子比特的讀出。[0009]本發(fā)明的目的通過激發(fā)端口將讀出波形注入包括量子比特及其讀出諧振器的系統(tǒng)中和通過執(zhí)行所述波形的適當(dāng)類型的相位和振幅匹配來實(shí)現(xiàn)，所述激發(fā)端口也用作將激發(fā)波形注入量子比特。[0010]根據(jù)第一方面，提供了一種用于讀出量子比特狀態(tài)的裝置。該裝置包括用于存儲量子比特狀態(tài)的信息存儲元件和電磁耦合到所述信息存儲元件的讀出諧振器。該裝置包括激發(fā)端口和一個(gè)或多個(gè)讀出端口，激發(fā)端口用于將激發(fā)波形注入信息存儲元件以影響量子比特的狀態(tài)，一個(gè)或多個(gè)讀出端口用于將讀出輸入波形注入到包括所述信息存儲元件和所述讀出諧振器的系統(tǒng)，并用于從系統(tǒng)提取讀出輸出波形。該裝置包括用于產(chǎn)生所述讀出輸入波形的讀出波形源和用于檢測所述讀出輸出波形的讀出波形檢測器。所述讀出波形源布置為至少通過所述激發(fā)端口將所述讀出輸入波形注入系統(tǒng)，并且所述讀出波形源配置為在將讀出輸入波形注入系統(tǒng)的過程中可控地移位讀出輸入波形的相位。[0011]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述激發(fā)端口耦合到所述信息存儲元件，并且一個(gè)或多個(gè)所述讀出端口耦合到所述諧振器并且不同于所述激發(fā)端口。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，各種可能性可用于將讀出波形注入系統(tǒng)。[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述信息存儲元件和所述讀出諧振器由超導(dǎo)體材料制成。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，可以構(gòu)建系統(tǒng)的工作模型，并且利用使用已知技術(shù)的實(shí)際測量來驗(yàn)證其性能。[0013]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述信息存儲元件是傳輸子。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，該信息存儲元件的操作理論是眾所周知的，并且適用于該系統(tǒng)操作的理論分析。[0014]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述讀出波形源配置為，同時(shí)通過所述激發(fā)端口和所述一個(gè)或多個(gè)讀出端口的第一讀出端口將讀出波形注入系統(tǒng)，所述第一讀出端口與所述激發(fā)端口不同。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，可以用各種方式控制I-Q空間中的諧振器的概率分布的軌跡。[0015]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述讀出波形源配置為控制通過所述激發(fā)端口注入系統(tǒng)的讀出波形和通過所述第一讀出端口注入系統(tǒng)的讀出波形的相位和振幅。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，可以用各種方式控制I-Q空間中的諧振器的概率分布的軌跡。[0016]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述讀出波形源配置為，分別通過所述激發(fā)端口和所述第一讀出端口向系統(tǒng)注入第一對同時(shí)讀出波形，所述第一對讀出波形的相位和振幅匹配以便在移動第二概率分布的平均點(diǎn)遠(yuǎn)離所述I-Q空間的所述原點(diǎn)時(shí)將第一概率分布的平均點(diǎn)維持在I-Q空間的原點(diǎn)，所述第一概率分布與存儲在所述信息存儲元件中的量子比特的第一可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，并且所述第二概率分布與存儲在所述信息存儲元件中的量子比特的第二可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。讀出波形源能夠配置為，隨后分別通過所述激發(fā)端口和所述第一讀出端口向系統(tǒng)注入第二對同時(shí)讀出波形，其中所述第二對讀出波形的相位和振幅匹配以便將第二概6率分布的平均點(diǎn)移回到I-Q空間的原點(diǎn)。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，在已經(jīng)執(zhí)行讀出之后能夠快速重置諧振器。[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述讀出波形檢測器配置為，在所述第二對同時(shí)讀出波形隨后注入系統(tǒng)之前，執(zhí)行從系統(tǒng)提取的讀出輸出波形的檢測。這涉及良好同步的讀出和重置操作的優(yōu)點(diǎn)。[0018]根據(jù)第二方面，提供了一種用于讀出量子比特的狀態(tài)的方法。該方法包括將讀出輸入波形注入到系統(tǒng)中，并檢測從所述系統(tǒng)提取的讀出輸出波形，所述系統(tǒng)包括用于存儲量子比特狀態(tài)的信息存儲元件和電磁耦合到所述信息存儲元件的讀出諧振器。所述讀出輸入波形的注入通過激發(fā)端口進(jìn)行，該激發(fā)端口還用作將激發(fā)波形注入信息存儲元件以影響量子比特的狀態(tài)。讀出輸入波形的相位在將其注入系統(tǒng)的過程中可控地移位。[0019]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述將讀出輸入波形注入系統(tǒng)，包括同時(shí)通過所述激發(fā)端口和所述系統(tǒng)的第一讀出端口將讀出波形注入系統(tǒng)，所述第一讀出端口與所述激發(fā)端口不同。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，各種可能性可用于將讀出波形注入系統(tǒng)。[0020]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法包括控制通過所述激發(fā)端口注入系統(tǒng)的讀出波形和通過所述第一讀出端口注入系統(tǒng)的讀出波形的相位和振幅。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，可以以各種方式控制I-Q空間中的諧振器的概率分布的軌跡。[0021]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法包括分別通過所述激發(fā)端口和所述第一讀出端口向系統(tǒng)注入第一對同時(shí)讀出波形，所述第一對讀出波形的相位和振幅匹配，以便在移動第二概率分布的平均點(diǎn)遠(yuǎn)離所述I-Q空間的所述原點(diǎn)時(shí)保持將第一概率分布的平均點(diǎn)維持在在I-Q空間的原點(diǎn)，所述第一概率分布與存儲在所述信息存儲元件中的量子比特的第一可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，并且所述第二概率分布與存儲在所述信息存儲元件中的量子比特的第二可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。該方法能夠包括隨后分別通過所述激發(fā)端口和所述第一讀出端口向系統(tǒng)注入第二對同時(shí)讀出波形，所述第二對讀出波形的相位和振幅匹配以便將所述第二概率分布的平均點(diǎn)移回到I-Q空間的原點(diǎn)。這涉及的優(yōu)點(diǎn)是，在已經(jīng)執(zhí)行讀出之后能夠快速重置諧振器。[0022]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法可以包括在所述向系統(tǒng)中隨后注入第二對同時(shí)讀出波形之前，檢測從系統(tǒng)提取的讀出輸出波形。這涉及良好同步的讀出和重置操作的優(yōu)點(diǎn)。附圖說明[0023]附圖，其被包括以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解并構(gòu)成本說明書的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且與說明書一起有助于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中：[0024]圖1示出了超導(dǎo)量子存儲器電路；[0025]圖2示出了一個(gè)等效電路圖；[0026]圖3示出了第一種情況下狀態(tài)相關(guān)概率分布的分離；[0027]圖4示出了具有量子比特和讀出諧振器的系統(tǒng)，[0028]圖5示出了解釋本發(fā)明實(shí)施例的許多數(shù)學(xué)公式，[0029]圖6示出了解釋本發(fā)明實(shí)施例的許多數(shù)學(xué)公式，[0030]圖7示出了解釋本發(fā)明實(shí)施例的許多數(shù)學(xué)公式，[0031]圖8示出了解釋本發(fā)明實(shí)施例的許多數(shù)學(xué)公式，[0032]圖9示出了解釋本發(fā)明實(shí)施例的許多數(shù)學(xué)公式，7[0033]圖10示出了解釋本發(fā)明實(shí)施例的許多數(shù)學(xué)公式，[0034]圖11示出了用于讀出量子比特狀態(tài)的裝置，[0035]圖12示出了第二種情況下狀態(tài)相關(guān)概率分布的分離，[0036]圖13示出了第三種情況下狀態(tài)相關(guān)概率分布的分離，[0037]圖14示出了第四種情況下狀態(tài)相關(guān)概率分布的分離，[0038]圖15示出了在許多情況下狀態(tài)相關(guān)概率分布的分離的比較，[0039]圖16示出了用于讀出量子比特狀態(tài)的方法的步驟，[0040]圖17示出了用于讀出量子比特狀態(tài)的方法的步驟，和[0041]圖18示出了用于讀出量子比特狀態(tài)的方法的步驟。具體實(shí)施方式[0042]圖4是用于讀出量子比特狀態(tài)的裝置的原理的示意圖。該裝置包括用于存儲量子比特狀態(tài)的信息存儲元件101。圖中的兩條水平線標(biāo)記了量子比特可能具有的兩種可能的基態(tài)。在用于量子計(jì)算的硬件設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域中，習(xí)慣上使用術(shù)語量子比特不僅用于概念的基本信息單元，而且用于構(gòu)成信息存儲元件101的硬件。[0043]該裝置還包括讀出諧振器102,其電磁耦合到信息存儲元件或量子比特101。讀出諧振器102是諧振子并且它具有一定的諧振頻率。諧振器102和信息存儲元件(或量子比特)101之間的電磁耦合的強(qiáng)度可以用耦合系數(shù)g來描述。為了便于參考，量子比特101及其讀出[0044]該裝置包括激發(fā)端口103,用于將激發(fā)波形401注入信息存儲元件101。激發(fā)波形以基本上與通過激發(fā)端口103注入激發(fā)波形同義。[0045]該裝置包括一個(gè)或多個(gè)讀出端口104,用于將讀出輸入波形402注入系統(tǒng)。一個(gè)或多個(gè)讀出端口104還用于從該系統(tǒng)提取讀出輸出波形403。將讀出輸入波形402注入系統(tǒng)通常稱為驅(qū)動諧振器102。耦合系數(shù)κ(希臘字母中kappa的小寫)描述了從諧振器102到讀出端口104的特征衰減時(shí)間。常數(shù)g和κ的相對大小對于讀出機(jī)構(gòu)操作的方式具有一定的意義，這將在本文后面更詳細(xì)地描述。[0046]讀出輸入波形402源自讀出波形源，其未在圖4中示出。在讀出波形檢測器中進(jìn)行檢測從該系統(tǒng)中提取的讀出輸出波形，該讀出波形檢測器也未在圖4中示出。[0047]與技術(shù)領(lǐng)域中的常規(guī)技術(shù)相反，讀出波形輸入源能夠布置成通過至少激發(fā)端口103將至少一些讀出輸入波形注入到系統(tǒng)中。因此，在某種程度上激發(fā)端口103同時(shí)變?yōu)橄到y(tǒng)的一個(gè)讀出端口。這對進(jìn)行讀取量子比特狀態(tài)的速度有顯著影響。[0048]從概念上講，情況可以解釋如下。在傳統(tǒng)的讀出方案中，其中讀出輸入波形僅通過讀出端口104注入，諧振器102開始是空的。在開始與存儲在量子比特101中的狀態(tài)進(jìn)行相互作用之前，讀出的輸入波形或者讀出的光子(正如它們也被稱為的那樣)必須首先填充諧振器102。從輸出波形獲得的有用信息與振幅和相位的乘積成比例，因此，只有在諧振器102中的振蕩幅度達(dá)到有意義的大小并且有足夠的時(shí)間通過耦合g與量子比特101中的狀態(tài)相互作用之后，檢測它們的相位才能變得合理。[0049]當(dāng)讀出輸入波形通過激發(fā)端口103注入系統(tǒng)時(shí)，它立即“滿足(meet)”存儲在量子8比特101中的狀態(tài)，因此能夠在它最終進(jìn)入諧振器102之前就已經(jīng)開始與之進(jìn)行相互作用。[0050]該情況更正式的處理如下。讓未耦合的量子比特101的本征頻率為@=ko+△k,其中@是諧振器102的諧振頻率，△表示在量子比特的第k個(gè)能級和諧振器之間的失諧。對[0052]對于傳輸子，通常假設(shè)不同傳輸層的耦合常數(shù)是形式gk=g√k+1,λk=√k+1。在驅(qū)動頻率①。下的實(shí)際驅(qū)動(即讀出)波形Ωr/q(t)由圖5中的行(6)所示的復(fù)振幅的實(shí)部和虛部(即I和Q正交(quadratures))構(gòu)成。[0053]哈密頓量oral可以轉(zhuǎn)換為以角頻率@旋轉(zhuǎn)的幀。應(yīng)用圖5的行(7)給出的單一算符ú?和采用由g<<1201和|①,Oal<<1@+①a1證明的旋轉(zhuǎn)波近似給出了轉(zhuǎn)換的哈密共軛(Hermitianconjugate[0054]暫時(shí)忽略H′RD,總的轉(zhuǎn)換的哈密頓量H'ota由圖7中的行12給出。[0056]為了解釋諧振器狀態(tài)的衰減，我們使用圖7的行(13)給出的林布拉德主方程行(14)給出的算符U?進(jìn)行另一種轉(zhuǎn)換?；趯k的的假設(shè)，我們在=(Ωr/2)exp(it(@-①))。最后，引入位移算符b=a-αvo,總的哈密9中的行(18)到(21)給出的形式。[0058]行(18)描述了由耦合和驅(qū)動引起的恒定頻率偏移。行(19)表明從量子比特側(cè)的驅(qū)動，即通過激發(fā)端口將讀出波形注入系統(tǒng)，使量子比特哈密頓量傾斜。行(20)對于此處考慮的讀出方案是重要的，因?yàn)樗A(yù)測任何相干狀態(tài)將圍繞點(diǎn)av旋轉(zhuǎn)。通過選擇@-@a=x?/2,這些旋轉(zhuǎn)的角頻率可以分別設(shè)定為等于+x=x?/2-x?和-x用于ag和α圖8中的行(21)示出了，轉(zhuǎn)換對諧振器的振幅有影響，其可以通過改變Ω補(bǔ)償。傳統(tǒng)的色散系統(tǒng)通過設(shè)定avo=0獲得。[0059]使用具有近似哈密頓量Htotal的圖7的行(13)的等式，我們獲得了期望值α;=(a)j,j∈{g,e}的解析方程，如圖9中的行(22)所示。假設(shè)諧振器一開始是空的(所謂的“真空狀態(tài)”)并且讀出脈沖不改變，Oαvo/dt=0,解決方[0060]上面給出的正式處理對于一般情況是有效的，并且不受例如量子比特的任何特定物理實(shí)現(xiàn)約束?？梢宰⒁獾揭韵氯N特殊情況。[0061]第一種特殊情況是傳統(tǒng)的讀出方案，其中沒有通過激發(fā)端口向系統(tǒng)注入讀出波形，意味著Ω=0。在這種情況下，與兩個(gè)量子比特狀態(tài)|g>和|e>相關(guān)聯(lián)的概率分布將圍繞相空間中不同的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。它們最初將在相同方向上前進(jìn)，如上文結(jié)合圖3中所示的軌跡所描述的那樣。在t<x?1時(shí)的狀態(tài)分離在時(shí)間上二次方增加，如圖10中的行(24)所示。[0062]第二種特殊情況是僅通過激發(fā)端口將讀出波形注入系統(tǒng)的情況，這意味著Ωrd0.該讀出方案可稱為后門讀出方案，以說明其與傳統(tǒng)替代方案的不同。與兩個(gè)量子比特狀在時(shí)間上線性地增加，如圖10中的行(25)所示。進(jìn)一步的演化取決于k的大小。對于小的K,概率分布將圍繞z旋轉(zhuǎn)，同時(shí)緩慢地收斂到它們各自的穩(wěn)態(tài)。這可能使單次讀出更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)镾back會振蕩。在傳統(tǒng)的讀出方案中也存在相同的可能問題，但是可以通過具有較大的k來避免。[0063]第三種特殊情況是通過激發(fā)和讀出端口將讀出波形注入系統(tǒng)，使得在圖9中方程(23)中的分子等于零。這將導(dǎo)致與量子比特狀態(tài)|g>相關(guān)聯(lián)的概率分布保持在原點(diǎn)。與量子比特狀態(tài)|e>相關(guān)聯(lián)的概率分布將圍繞點(diǎn)a(1-x1g>/xle)旋轉(zhuǎn)。在t<x?時(shí)的狀態(tài)分離如前一[0064]圖11示出了用于讀出量子比特101狀態(tài)的裝置，其中采用圖2表示的等效電路圖進(jìn)行說明性比較。該裝置包括用于產(chǎn)生讀出輸入波形的讀出波形源1101。該裝置還包括讀出波形檢測器1102,用于檢測從系統(tǒng)提取的讀出輸出波形，該系統(tǒng)包括量子比特(或信息存儲元件)101和讀出諧振器102。讀出波形源1101布置成至少通過激發(fā)端口103將讀出輸入波形注入到該系統(tǒng)。在圖11示出的實(shí)施例中，讀出波形源1101另外設(shè)置成通過讀出端口206將讀出輸入波形注入系統(tǒng)。[0065]讀出波形源1101布置成，在將讀出輸入波形注入系統(tǒng)的過程中，能夠控制地移位讀出輸入波形的相位。這種能力在圖11中示意性地說明，其在線路中具有可控移相器1103和1104,該線路分別從讀出波形源1101的輸出通向讀出端口206和激發(fā)端口103。讀出波形源1101還可以布置成控制讀出輸入波形的振幅。讀出波形源1101的這種能力在圖11中示意性地說明，其在線路中具有可控衰減器1105和1106,該線路分別從讀出波形源1101的輸出通向讀出端口206和激發(fā)端口103。[0066]如圖11所示，激發(fā)端口103耦合到量子比特(或信息存儲元件)101,并且讀出端口206耦合到諧振器102。確切地說，在圖11中由于激發(fā)端口103兼作讀出端口(因?yàn)樽x出輸入波形通過其注入),可以說與激發(fā)端口103不同的另一個(gè)讀出端口206耦合到諧振器102。[0067]量子比特(或信息存儲元件)101和諧振器102能夠由超導(dǎo)體材料制成：作為示例，它們能夠如圖1所示的那樣出現(xiàn)在超導(dǎo)量子存儲器電路上。然而，這不是必須要求，可以使用其他種類的量子比特技術(shù)。超導(dǎo)體材料在這里意味著，通過將其冷卻到足夠低的溫度可或鉛。為了操作，將超導(dǎo)量子存儲器電路冷卻到非常低的溫度，該溫度可以是幾開爾文、或者低于一開爾文、或者幾十毫開爾文的量級。量子比特101優(yōu)選是非諧振子，例如傳輸子。聯(lián)的兩種概率分布的平均點(diǎn)如何在相空間中移動。這指的是其中讀出波形源1101僅通過激發(fā)端口103將讀出波形注入到該系統(tǒng)的情況。在圖12中的圖形符號與在更早的圖3中的圖形符號一樣。相關(guān)聯(lián)的兩種概率分布的平均點(diǎn)如何在相空間中移動。這指的是讀出波形源1101同時(shí)通過激發(fā)端口103和讀出端口206向系統(tǒng)注入讀出波形的情況。一般來說，可以說是裝置可包括一個(gè)或多個(gè)讀出端口，端口206是所述一個(gè)或多個(gè)讀出端口的第一讀出端口，并且不同于激發(fā)端口103。[0070]特別地，在圖13的情況下，讀出波形源1101可以配置成，控制通過激發(fā)端口103注入系統(tǒng)的讀出波形和通過第一讀出端口206注入系統(tǒng)的讀出波形的相位和振幅，使得在圖9中等式(23)中的分子等于零。這使得概率分布中的一個(gè)保持在或非常接近I-Q空間的原點(diǎn)，而其他概率分布沿著彎曲的軌跡遠(yuǎn)離它。[0071]圖14示出了如何采用上文考慮過的原理來執(zhí)行讀出諧振器的快速重置。首先，讀出波形源1101分別通過激發(fā)端口103和讀出端口206向系統(tǒng)注入第一對同時(shí)讀出波形。該第一對讀出波形的相位和振幅與以下原理(上文參考圖13解釋了該原理)匹配：進(jìn)行匹配以便在移動第二概率分布的平均點(diǎn)遠(yuǎn)離I-Q空間的原點(diǎn)(箭頭1401)的同時(shí)將第一概率分布的平均點(diǎn)維持在I-Q空間的原點(diǎn)。這里，第一概率分布與存儲在信息存儲元件101中的量子比特的第一可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，并且第二概率分布與存儲在信息存儲元件101中的量子比特的第二可能狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。[0072]隨后，讀出波形源1101分別通過所述激發(fā)端口和所述第一讀出端口向系統(tǒng)注入第二對同時(shí)讀出波形。第二對讀出波形的相位和振幅匹配以便將所述第二概率分布的平均點(diǎn)移回到I-Q空間的原點(diǎn)(圖14中的箭頭1402)。不是僅僅等待讀出波形的光子將自然地從讀出諧振器衰減，而是執(zhí)行后一步驟，這最終將兩個(gè)概率分布再次帶到I-Q空間中的同一點(diǎn)。[0073]不僅諧振器的重置而且從系統(tǒng)提取的讀出波形的檢測可以比傳統(tǒng)方法更快地進(jìn)行。讀出波形檢測器1102可以配置成在上述后一步驟之前，即在讀出波形源1101將第二對同時(shí)讀出波形注入系統(tǒng)之前執(zhí)行檢測。由于狀態(tài)分離的線性增加，在檢測中較短積分時(shí)間(integrationtime)給出足夠可靠的結(jié)果。如果采用略微不同的觀點(diǎn)，則若使用與現(xiàn)有技術(shù)方法相同的積分時(shí)間，則能夠使檢測結(jié)果更可靠。11[0074]圖15示出了在傳統(tǒng)(圖表1501)、后門(圖表1502)和不對稱后門(圖表1503)讀出方案中狀態(tài)分離如何隨時(shí)間發(fā)展的圖形比較。[0075]圖16是用于讀出量子比特狀態(tài)的方法的基本示意圖。步驟1601表示某事物自上次讀出以來可能已經(jīng)改變了量子比特狀態(tài)的假設(shè)，因?yàn)椴贿@樣將沒有理由再次讀出它。步驟1602包括將讀出輸入波形注入到系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括用于存儲量子比特的狀態(tài)的信息存儲元件和電磁耦合到所述信息存儲元件的讀出諧振器。步驟1603包括檢測從所述系統(tǒng)提取的讀出輸出波形。根據(jù)上文參考該裝置的描述，在步驟1602中的讀出輸入波形的注入通過激發(fā)端口進(jìn)行，該激發(fā)端口還用于將激發(fā)波形注入信息存儲元件用于影響量子比特的狀態(tài)。還有步驟1604,示出了在將讀出輸入波形注入系統(tǒng)的過程中