用于读出量子比特状态的装置和方法
阅读：304发布：2020-05-13
专利汇可以提供用于读出量子比特状态的装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且为了读出 量子比特 的状态，向系统注入(1602)的读出输入 波形 ，该系统包括用于存储量子比特的状态的信息存储元件(101)和电磁耦合到所述信息存储元件(101)的读出 谐振器 (102)。从所述系统提取读出输出波形并检测(1102)。读出输入波形的所述注入(1602)通过激发端口(103)进行，所述激发端口(103)还用于将激发波形注入信息存储元件(101)以影响量子比特的状态。在将读出输入波形注入系统的过程中，读出输入波形的 相位 能够控制地移位(1604)。，下面是用于读出量子比特状态的装置和方法专利的具体信息内容。
1.一种用于读出量子比特状态的装置，包括：
信息存储元件(101)，其用于存储量子比特状态；
读出谐振器(102)，其电磁耦合到所述信息存储元件(101)；
激发端口(103)，其用于将激发波形(401)注入到信息存储元件(101)以影响量子比特的状态；
一个或多个读出端口(104,105,206)，其用于将读出输入波形(402)注入包括所述信息存储元件(101)和所述读出谐振器(102)的系统，并用于从所述系统中提取读出输出波形(403)；
读出波形源(1101)，其用于产生所述读出输入波形，和
读出波形检测器(1102)，用于检测所述读出输出波形；
其特征在于，
所述读出波形源(1101)布置成，至少通过所述激发端口(103)将所述读出输入波形注入系统，和
所述读出波形源(1101)配置成，在将读出输入波形注入系统的过程中能够控制地移位读出输入波形的相位。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述激发端口(103)耦合到所述信息存储元件(101)，并且
一个或多个所述读出端口(104,105,206)耦合到所述谐振器(102)并且不同于所述激发端口(103)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信息存储元件(101)和所述读出谐振器(102)由超导体材料制成。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信息存储元件(101)是传输子。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，
所述读出波形源(1101)配置成同时通过所述激发端口(103)和所述一个或多个读出端口的第一读出端口(206)将读出波形注入系统，所述第一读出端口(206)与所述激发端口(103)不同。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述读出波形源(1101)配置成，控制通过所述激发端口(103)注入系统的读出波形和通过所述第一读出端口(206)注入系统的读出波形的相位(1103,1104)和振幅(1105,
1106)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述读出波形源(1101)配置成：
分别通过所述激发端口(103)和所述第一读出端口(206)向系统注入第一对同时读出波形，其中所述第一对读出波形的相位和振幅匹配，以便在移动第二概率分布的平均点远离IQ空间的原点时将第一概率分布的平均点维持在I-Q空间的原点，所述第一概率分布与存储在所述信息存储元件(101)中的量子比特的第一可能状态相关联，并且所述第二概率分布与存储在所述信息存储元件(101)中的量子比特的第二可能状态相关联，并且，随后分别通过所述激发端口(103)和所述第一读出端口(206)向系统注入第二对同时读出波形，所述第二对读出波形的相位和振幅匹配，以便将所述第二概率分布的平均点移回到I-Q空间的原点。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述读出波形检测器(1102)配置成，在所述随后向所述系统中注入所述第二对同时读出波形之前，执行从所述系统提取的读出输出波形的检测。
9.一种读出量子比特状态的方法，包括：
将读出输入波形注入(1602)到系统，该系统包括用于存储量子比特状态的信息存储元件和电磁耦合到所述信息存储元件的读出谐振器，和
检测(1603)从所述系统提取的读出输出波形，
其特征在于，
读出输入波形的所述注入(1602)通过激发端口进行，该激发端口还用于将激发波形注入信息存储元件用于影响量子比特的状态，并且，
在将读出输入波形注入系统的过程中能够控制地移位(1604)读出输入波形的相位。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将读出输入波形注入(1602)到系统包括，同时通过所述激发端口(1701)和通过所述系统的第一读出端口(1702)将读出波形注入到系统，所述第一读出端口与所述激发端口不同。
11.根据权利要求10所述的方法，包括控制通过所述激发端口注入系统的读出波形和通过所述第一读出端口注入系统的读出波形的相位和振幅(1604)。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入(1801)第一对同时读出波形，其中所述第一对读出波形的相位和振幅匹配(1802)以便在移动第二概率分布的平均点远离所述I-Q空间的原点时将第一概率分布的平均点维持在I-Q空间的原点，所述第一概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第一可能状态相关联，并且所述第二概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第二可能状态相关联，并且，随后分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入(1803)第二对同时读出波形，所述第二对读出波形的相位和振幅匹配(1804)，以便将所述第二概率分布的平均点移回到I-Q空间的原点。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：
检测(1603)在所述随后第二对同时读出波形注入系统之前从系统提取的读出输出波形。
用于读出量子比特状态的装置和方法
技术领域
背景技术
[0002] 在量子计算中，使用术语“量子比特”不仅指定基本信息单元而且指定用于存储一个量子比特信息的信息存储元件已经变得普遍。作为示例，可以考虑具有一个或多个量子比特(即，量子比特大小的信息存储元件)的超导存储器电路。在这样的示例中，量子比特是非谐振子，例如传输子(transmon)，并且它可以耦合到附近的读出谐振器，以便于读出存储在其中的量子比特的状态。
[0003] 图1是包含四个量子比特(即四个量子比特大小的信息存储元件)的存储器电路的示例的示意图。左上方的量子比特101及其相关联的微波谐振器102在虚线矩形中看到。用粗实线表示的传输线以及量子比特的内部结构由在低温下变为超导的材料制成。在操作期间，量子比特101能够用一定频率的激发波形励磁，该励磁波形被带到激发端口103。长水平传输线是读出线。为了读出量子比特的存储值，将读出波形耦合到读出输入端口104，并且在读出输出端口105处检测所得到的读出信号的相位。在该示例性电路中，四个谐振器102、106、107和108中的每一个均具有不同的谐振频率，使得读出波形的频率确定实际读取哪个量子比特。
[0004] 图2是表示量子比特101及其相关谐振器102的等效电路图。量子比特101由约瑟夫森结201和分流电容202组成。谐振器显示为LC电路，其由电容203和电感204组成。励磁端口103对应于图1的励磁端口，并且它通过耦合电容205耦合到量子比特。图2的读出端口206结合了图1的读出输入端口104和读出输出端口105的功能，并且其与谐振器102的耦合电容示如207所示。中间的电容208表示量子比特101和谐振器102之间的主要电容性电磁耦合。
[0005] 当读出波形的光子进入谐振器102时，它们与量子比特101的状态相互作用。因此，能够在读出输出端口处检测到的读出波形的相位开始改变。必须认为，由读出波形的相位和振幅限定的I-Q空间中的点必须被认为属于概率分布。图3示出了概率分布的平均点可以在二维I-Q空间作为时间的函数的轨迹。这里假设读出波形的注入在时间t＝0开始，并且以40纳秒的间隔观察概率分布的平均点。如果发现量子比特处于激发态，则每个圆圈表示在
40纳秒的连续间隔处概率分布的平均点的位置。相应地，如果发现量子比特处于基态，则每个十字表示在40纳秒的连续间隔处概率分布的平均点的位置。连续曲线表示40纳秒间隔间的平均点的轨迹。
40纳秒的连续间隔处概率分布的平均点的位置。相应地，如果发现量子比特处于基态，则每个十字表示在40纳秒的连续间隔处概率分布的平均点的位置。连续曲线表示40纳秒间隔间的平均点的轨迹。
[0006] 坐标系的单位是任意的，并不重要，因为重要的是轨迹的形状。图3表明：最初，取决于量子比特状态的差异(即两个轨迹之间的最短距离)相对缓慢地增加；最初，两个轨迹从原点指向左侧，并且它们仅逐渐相互偏离。可以考虑从时间或可靠性的角度发现量子比特的状态。在进行检测之前可以等待的时间越多，结果就越可靠。
[0007] 以合理的可靠性读出量子比特状态的长时间延迟是不利的，因为其在状态必须读取的地方，设定了进行量子计算的速度的限制。最理想的是有一种更快速的方法来读出量子比特的状态，换句话说，希望仅在短时间延迟之后，可以增强读取量子比特状态的可靠性。
发明内容
[0008] 本发明的目的是，提供一种用于读出量子比特状态的装置和方法，其比先前已知的技术具有更高的速度和/或更好的可靠性。本发明的另一个目的是能够在读取量子比特的状态之后尽可能快地重置(reset)量子比特的读出。
[0009] 本发明的目的通过激发端口将读出波形注入包括量子比特及其读出谐振器的系统中和通过执行所述波形的适当类型的相位和振幅匹配来实现，所述激发端口也用作将激发波形注入量子比特。
[0010] 根据第一方面，提供了一种用于读出量子比特状态的装置。该装置包括用于存储量子比特状态的信息存储元件和电磁耦合到所述信息存储元件的读出谐振器。该装置包括激发端口和一个或多个读出端口，激发端口用于将激发波形注入信息存储元件以影响量子比特的状态，一个或多个读出端口用于将读出输入波形注入到包括所述信息存储元件和所述读出谐振器的系统，并用于从系统提取读出输出波形。该装置包括用于产生所述读出输入波形的读出波形源和用于检测所述读出输出波形的读出波形检测器。所述读出波形源布置为至少通过所述激发端口将所述读出输入波形注入系统，并且所述读出波形源配置为在将读出输入波形注入系统的过程中可控地移位读出输入波形的相位。
[0011] 根据一个实施例，所述激发端口耦合到所述信息存储元件，并且一个或多个所述读出端口耦合到所述谐振器并且不同于所述激发端口。这涉及的优点是，各种可能性可用于将读出波形注入系统。
[0012] 根据一个实施例，所述信息存储元件和所述读出谐振器由超导体材料制成。这涉及的优点是，可以构建系统的工作模型，并且利用使用已知技术的实际测量来验证其性能。
[0013] 根据一个实施例，所述信息存储元件是传输子。这涉及的优点是，该信息存储元件的操作理论是众所周知的，并且适用于该系统操作的理论分析。
[0014] 根据一个实施例，所述读出波形源配置为，同时通过所述激发端口和所述一个或多个读出端口的第一读出端口将读出波形注入系统，所述第一读出端口与所述激发端口不同。这涉及的优点是，可以用各种方式控制I-Q空间中的谐振器的概率分布的轨迹。
[0015] 根据一个实施例，所述读出波形源配置为控制通过所述激发端口注入系统的读出波形和通过所述第一读出端口注入系统的读出波形的相位和振幅。这涉及的优点是，可以用各种方式控制I-Q空间中的谐振器的概率分布的轨迹。
[0016] 根据一个实施例，所述读出波形源配置为，分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入第一对同时读出波形，所述第一对读出波形的相位和振幅匹配以便在移动第二概率分布的平均点远离所述I-Q空间的所述原点时将第一概率分布的平均点维持在I-Q空间的原点，所述第一概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第一可能状态相关联，并且所述第二概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第二可能状态相关联。读出波形源能够配置为，随后分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入第二对同时读出波形，其中所述第二对读出波形的相位和振幅匹配以便将第二概率分布的平均点移回到I-Q空间的原点。这涉及的优点是，在已经执行读出之后能够快速重置谐振器。
[0017] 根据一个实施例，所述读出波形检测器配置为，在所述第二对同时读出波形随后注入系统之前，执行从系统提取的读出输出波形的检测。这涉及良好同步的读出和重置操作的优点。
[0018] 根据第二方面，提供了一种用于读出量子比特的状态的方法。该方法包括将读出输入波形注入到系统中，并检测从所述系统提取的读出输出波形，所述系统包括用于存储量子比特状态的信息存储元件和电磁耦合到所述信息存储元件的读出谐振器。所述读出输入波形的注入通过激发端口进行，该激发端口还用作将激发波形注入信息存储元件以影响量子比特的状态。读出输入波形的相位在将其注入系统的过程中可控地移位。
[0019] 根据一个实施例，所述将读出输入波形注入系统，包括同时通过所述激发端口和所述系统的第一读出端口将读出波形注入系统，所述第一读出端口与所述激发端口不同。这涉及的优点是，各种可能性可用于将读出波形注入系统。
[0020] 根据一个实施例，该方法包括控制通过所述激发端口注入系统的读出波形和通过所述第一读出端口注入系统的读出波形的相位和振幅。这涉及的优点是，可以以各种方式控制I-Q空间中的谐振器的概率分布的轨迹。
[0021] 根据一个实施例，该方法包括分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入第一对同时读出波形，所述第一对读出波形的相位和振幅匹配，以便在移动第二概率分布的平均点远离所述I-Q空间的所述原点时保持将第一概率分布的平均点维持在在I-Q空间的原点，所述第一概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第一可能状态相关联，并且所述第二概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第二可能状态相关联。该方法能够包括随后分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入第二对同时读出波形，所述第二对读出波形的相位和振幅匹配以便将所述第二概率分布的平均点移回到I-Q空间的原点。这涉及的优点是，在已经执行读出之后能够快速重置谐振器。
[0024] 图1示出了超导量子存储器电路；
[0025] 图2示出了一个等效电路图；
[0026] 图3示出了第一种情况下状态相关概率分布的分离；
[0027] 图4示出了具有量子比特和读出谐振器的系统，
[0028] 图5示出了解释本发明实施例的许多数学公式，
[0029] 图6示出了解释本发明实施例的许多数学公式，
[0030] 图7示出了解释本发明实施例的许多数学公式，
[0031] 图8示出了解释本发明实施例的许多数学公式，
[0032] 图9示出了解释本发明实施例的许多数学公式，
[0033] 图10示出了解释本发明实施例的许多数学公式，
[0034] 图11示出了用于读出量子比特状态的装置，
[0035] 图12示出了第二种情况下状态相关概率分布的分离，
[0036] 图13示出了第三种情况下状态相关概率分布的分离，
[0037] 图14示出了第四种情况下状态相关概率分布的分离，
[0038] 图15示出了在许多情况下状态相关概率分布的分离的比较，
[0039] 图16示出了用于读出量子比特状态的方法的步骤，
[0040] 图17示出了用于读出量子比特状态的方法的步骤，和
[0041] 图18示出了用于读出量子比特状态的方法的步骤。
具体实施方式
[0042] 图4是用于读出量子比特状态的装置的原理的示意图。该装置包括用于存储量子比特状态的信息存储元件101。图中的两条水平线标记了量子比特可能具有的两种可能的基态。在用于量子计算的硬件设备的技术领域中，习惯上使用术语量子比特不仅用于概念的基本信息单元，而且用于构成信息存储元件101的硬件。
[0043] 该装置还包括读出谐振器102，其电磁耦合到信息存储元件或量子比特101。读出谐振器102是谐振子并且它具有一定的谐振频率。谐振器102和信息存储元件(或量子比特)101之间的电磁耦合的强度可以用耦合系数g来描述。为了便于参考，量子比特101及其读出谐振器102通常可称为“系统”。
[0044] 该装置包括激发端口103，用于将激发波形401注入信息存储元件101。激发波形以已知的方式影响量子比特的状态。在技术领域的一般说法中，通常谈论“激发”量子比特，其基本上与通过激发端口103注入激发波形同义。
[0045] 该装置包括一个或多个读出端口104，用于将读出输入波形402注入系统。一个或多个读出端口104还用于从该系统提取读出输出波形403。将读出输入波形402注入系统通常称为驱动谐振器102。耦合系数κ(希腊字母中kappa的小写)描述了从谐振器102到读出端口104的特征衰减时间。常数g和κ的相对大小对于读出机构操作的方式具有一定的意义，这将在本文后面更详细地描述。
[0046] 读出输入波形402源自读出波形源，其未在图4中示出。在读出波形检测器中进行检测从该系统中提取的读出输出波形，该读出波形检测器也未在图4中示出。
[0047] 与技术领域中的常规技术相反，读出波形输入源能够布置成通过至少激发端口103将至少一些读出输入波形注入到系统中。因此，在某种程度上激发端口103同时变为系统的一个读出端口。这对进行读取量子比特状态的速度有显著影响。
[0048] 从概念上讲，情况可以解释如下。在传统的读出方案中，其中读出输入波形仅通过读出端口104注入，谐振器102开始是空的。在开始与存储在量子比特101中的状态进行相互作用之前，读出的输入波形或者读出的光子(正如它们也被称为的那样)必须首先填充谐振器102。从输出波形获得的有用信息与振幅和相位的乘积成比例，因此，只有在谐振器102中的振荡幅度达到有意义的大小并且有足够的时间通过耦合g与量子比特101中的状态相互作用之后，检测它们的相位才能变得合理。
[0049] 当读出输入波形通过激发端口103注入系统时，它立即“满足(meet)”存储在量子比特101中的状态，因此能够在它最终进入谐振器102之前就已经开始与之进行相互作用。换句话说，谐振器102开始填充读出光子，其相位就已经反映了要读出的量子比特的状态。
结果，变得可以比传统方法更早地检测适当的读出输出波形。
结果，变得可以比传统方法更早地检测适当的读出输出波形。
[0050] 该情况更正式的处理如下。让未耦合的量子比特101的本征频率为ωk＝kωr+Δk，其中ωr是谐振器102的谐振频率，Δk表示在量子比特的第k个能级和谐振器之间的失谐。对于基态，Δ0＝0，对于第一激发态，Δ1＝Δ，对于第二激发态，Δ2＝2Δ+α，其中α是非简谐效应(anharmonicity)，等等。在色散区域中，失谐大于量子比特-谐振器耦合g，这意味着|Δ|>>g。描述系统的哈密顿量(Hamiltonian)可以如图5的行(1)所示编写。自由、相互作用、量子比特驱动和谐振器驱动的哈密顿量分别由图5中的行(2)、(3)、(4)和(5)给出。
[0051] 在使用的数学符号中，表示谐振器模式的湮灭算子，|k>指的是量子比特的第k本征态。所有下标“r”指的是谐振器，下标“q”指的是量子比特，并且下标“d”指的是读出(即驱动)波形。
[0053] 哈密顿量 可以转换为以角频率ωd旋转的帧。应用图5的行(7)给出的单一算符 和采用由g＜＜∣2ωr∣和∣ωr-ωd∣＜＜∣ωr+ωdr∣证明的旋转波近似给出了转换的哈密顿量，所述哈密顿量在图6的行(8)、(9)、(10)和(11)给出。首字母缩略词H.c.用来表示厄密共轭(Hermitian conjugate)， 表示移位失谐。
[0054] 暂时忽略 总的转换的哈密顿量 由图7中的行12给出。
[0055] 在传统的读出方案中，其中读出波形仅通过读出端口注入该系统，Ωd＝0。因此，谐振器的相空间分布将以取决于量子比特状态的角频率绕原点旋转。这里我们做出关键的观察，即帧通过αVO＝-Ωqλk/gk＝-Ωq/g位移。因此，在非移位帧中，谐振器的相空间分布应围绕点αVO旋转。αVO的位置通过读出波形Ωqd和ωd完全可控。
[0056] 为了解释谐振器状态的衰减，我们使用图7的行(13)给出的林布拉德主方程(Lindblad master equation)，其中ρ是谐振器的降低的密度算符，κ表示谐振器的能量衰减率，并且
[0057] 为了使观察更加明显，我们执行标准色散(dispersive)近似。我们首先使用图7的行(14)给出的算符 进行另一种转换。基于对 的 的假设，我们在中计算 到第二级。为清楚起见，我们可以将公式限制为仅到传
输子的前三层({|g>，|e>，|f>}＝{|0>，|1>，|2>})。哈密顿量假设为图7中的行(15)、(16)和(17)给出的形式。这里我们已经定义色散常数 和 和Ω′rd
＝(Ωrd/2)exp(it(ωr-ωd))。最后，引入位移算符 总的哈密顿量假设为图8中的行(18)到(21)给出的形式。
输子的前三层({|g>，|e>，|f>}＝{|0>，|1>，|2>})。哈密顿量假设为图7中的行(15)、(16)和(17)给出的形式。这里我们已经定义色散常数 和 和Ω′rd
＝(Ωrd/2)exp(it(ωr-ωd))。最后，引入位移算符 总的哈密顿量假设为图8中的行(18)到(21)给出的形式。
[0058] 行(18)描述了由耦合和驱动引起的恒定频率偏移。行(19)表明从量子比特侧的驱动，即通过激发端口将读出波形注入系统，使量子比特哈密顿量倾斜。行(20)对于此处考虑的读出方案是重要的，因为它预测任何相干状态将围绕点αVO旋转。通过选择ωr-ωd＝χ1/2，这些旋转的角频率可以分别设定为等于+χ≡χ1/2-χ0和-χ用于αg和αe。图8中的行(21)示出了，转换对谐振器的振幅有影响，其可以通过改变Ωr补偿。传统的色散系统通过设定αVO＝0获得。
[0059] 使用具有近似哈密顿量 的图7的行(13)的等式，我们获得了期望值j∈{g，e}的解析方程，如图9中的行(22)所示。假设谐振器一开始是空的(所谓的“真空状态”)并且读出脉冲不改变， 解决方案由图9的行(23)给出。
[0060] 上面给出的正式处理对于一般情况是有效的，并且不受例如量子比特的任何特定物理实现约束。可以注意到以下三种特殊情况。
[0061] 第一种特殊情况是传统的读出方案，其中没有通过激发端口向系统注入读出波形，意味着Ωqd＝0。在这种情况下，与两个量子比特状态|g>和|e>相关联的概率分布将围绕相空间中不同的点旋转。它们最初将在相同方向上前进，如上文结合图3中所示的轨迹所描述的那样。在t<χ-1时的状态分离在时间上二次方增加，如图10中的行(24)所示。
[0062] 第二种特殊情况是仅通过激发端口将读出波形注入系统的情况，这意味着Ωrd＝0。该读出方案可称为后门读出方案，以说明其与传统替代方案的不同。与两个量子比特状态|g>和|e>相关联的概率分布将围绕点z旋转，但是在不同的频率下。在t<χ-1时的状态分离在时间上线性地增加，如图10中的行(25)所示。进一步的演化取决于κ的大小。对于小的κ，概率分布将围绕z旋转，同时缓慢地收敛到它们各自的稳态。这可能使单次读出更具挑战性，因为Sback会振荡。在传统的读出方案中也存在相同的可能问题，但是可以通过具有较大的κ来避免。
[0063] 第三种特殊情况是通过激发和读出端口将读出波形注入系统，使得在图9中方程(23)中的分子等于零。这将导致与量子比特状态|g>相关联的概率分布保持在原点。与量子比特状态|e>相关联的概率分布将围绕点α(1-χ|g>/χ|e>)旋转。在t<χ-1时的状态分离如前一种情况那样即与Sback(t)一样增加。
[0064] 图11示出了用于读出量子比特101状态的装置，其中采用图2表示的等效电路图进行说明性比较。该装置包括用于产生读出输入波形的读出波形源1101。该装置还包括读出波形检测器1102，用于检测从系统提取的读出输出波形，该系统包括量子比特(或信息存储元件)101和读出谐振器102。读出波形源1101布置成至少通过激发端口103将读出输入波形注入到该系统。在图11示出的实施例中，读出波形源1101另外设置成通过读出端口206将读出输入波形注入系统。
[0065] 读出波形源1101布置成，在将读出输入波形注入系统的过程中，能够控制地移位读出输入波形的相位。这种能力在图11中示意性地说明，其在线路中具有可控移相器1103和1104，该线路分别从读出波形源1101的输出通向读出端口206和激发端口103。读出波形源1101还可以布置成控制读出输入波形的振幅。读出波形源1101的这种能力在图11中示意性地说明，其在线路中具有可控衰减器1105和1106，该线路分别从读出波形源1101的输出通向读出端口206和激发端口103。
[0066] 如图11所示，激发端口103耦合到量子比特(或信息存储元件)101，并且读出端口206耦合到谐振器102。确切地说，在图11中由于激发端口103兼作读出端口(因为读出输入波形通过其注入)，可以说与激发端口103不同的另一个读出端口206耦合到谐振器102。
[0067] 量子比特(或信息存储元件)101和谐振器102能够由超导体材料制成：作为示例，它们能够如图1所示的那样出现在超导量子存储器电路上。然而，这不是必须要求，可以使用其他种类的量子比特技术。超导体材料在这里意味着，通过将其冷却到足够低的温度可以制成超导的材料。这种材料的示例是铝，但也可以使用其他超导体材料，如钼、铌、锡、钽或铅。为了操作，将超导量子存储器电路冷却到非常低的温度，该温度可以是几开尔文、或者低于一开尔文、或者几十毫开尔文的量级。量子比特101优选是非谐振子，例如传输子。
[0068] 图12示出的示例是，在“后门读出”的情况下，与两种量子比特状态|g>和|e>相关联的两种概率分布的平均点如何在相空间中移动。这指的是其中读出波形源1101仅通过激发端口103将读出波形注入到该系统的情况。在图12中的图形符号与在更早的图3中的图形符号一样。
[0069] 图13示出的示例是，在“非对称后门读出”情况下，与两个量子比特状态|g>和|e>相关联的两种概率分布的平均点如何在相空间中移动。这指的是读出波形源1101同时通过激发端口103和读出端口206向系统注入读出波形的情况。一般来说，可以说是装置可包括一个或多个读出端口，端口206是所述一个或多个读出端口的第一读出端口，并且不同于激发端口103。
[0070] 特别地，在图13的情况下，读出波形源1101可以配置成，控制通过激发端口103注入系统的读出波形和通过第一读出端口206注入系统的读出波形的相位和振幅，使得在图9中等式(23)中的分子等于零。这使得概率分布中的一个保持在或非常接近I-Q空间的原点，而其他概率分布沿着弯曲的轨迹远离它。
[0071] 图14示出了如何采用上文考虑过的原理来执行读出谐振器的快速重置。首先，读出波形源1101分别通过激发端口103和读出端口206向系统注入第一对同时读出波形。该第一对读出波形的相位和振幅与以下原理(上文参考图13解释了该原理)匹配：进行匹配以便在移动第二概率分布的平均点远离I-Q空间的原点(箭头1401)的同时将第一概率分布的平均点维持在I-Q空间的原点。这里，第一概率分布与存储在信息存储元件101中的量子比特的第一可能状态相关联，并且第二概率分布与存储在信息存储元件101中的量子比特的第二可能状态相关联。
[0072] 随后，读出波形源1101分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入第二对同时读出波形。第二对读出波形的相位和振幅匹配以便将所述第二概率分布的平均点移回到I-Q空间的原点(图14中的箭头1402)。不是仅仅等待读出波形的光子将自然地从读出谐振器衰减，而是执行后一步骤，这最终将两个概率分布再次带到I-Q空间中的同一点。
[0073] 不仅谐振器的重置而且从系统提取的读出波形的检测可以比传统方法更快地进行。读出波形检测器1102可以配置成在上述后一步骤之前，即在读出波形源1101将第二对同时读出波形注入系统之前执行检测。由于状态分离的线性增加，在检测中较短积分时间(integration time)给出足够可靠的结果。如果采用略微不同的观点，则若使用与现有技术方法相同的积分时间，则能够使检测结果更可靠。
[0074] 图15示出了在传统(图表1501)、后门(图表1502)和不对称后门(图表1503)读出方案中状态分离如何随时间发展的图形比较。
[0075] 图16是用于读出量子比特状态的方法的基本示意图。步骤1601表示某事物自上次读出以来可能已经改变了量子比特状态的假设，因为不这样将没有理由再次读出它。步骤1602包括将读出输入波形注入到系统中，该系统包括用于存储量子比特的状态的信息存储元件和电磁耦合到所述信息存储元件的读出谐振器。步骤1603包括检测从所述系统提取的读出输出波形。根据上文参考该装置的描述，在步骤1602中的读出输入波形的注入通过激发端口进行，该激发端口还用于将激发波形注入信息存储元件用于影响量子比特的状态。
还有步骤1604，示出了在将读出输入波形注入系统的过程中读出输入波形的相位如何可控地移位。
还有步骤1604，示出了在将读出输入波形注入系统的过程中读出输入波形的相位如何可控地移位。
[0076] 图17示出了将读出输入波形注入系统的步骤1602如何包括通过所述激发端口(子步骤1701)和通过所述系统的第一读出端口(子步骤1702)同时将读出波形注入系统。为清楚起见，可以强调的是，这里所述第一读出端口与所述激发端口不同。图17还示出了能够控制地移位读出输入波形的相位的步骤1604，如何涉及控制通过所述激发端口注入系统的读出波形和通过所述第一读出端口注入系统的读出波形的相位和振幅。
[0077] 图18对应于先前参考图14的解释。图18的方法包括在步骤1801中分别通过所述激发端口和所述第一读出端口将第一对同时读出波形注入系统。根据步骤1802，对所述第一对读出波形的相位和振幅进行匹配，以便将第一概率分布的平均点维持在I-Q空间的原点，同时移动第二概率分布的平均点远离I-Q空间的所述原点。这里，所述第一概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第一可能状态相关联，并且所述第二概率分布与存储在所述信息存储元件中的量子比特的第二可能状态相关联。
[0078] 图18的方法包括在步骤1803中随后分别通过所述激发端口和所述第一读出端口向系统注入第二对同时读出波形。所述第二对读出波形的相位和振幅可以根据步骤1804进行匹配，以便将所述第二概率分布的平均点移回到I-Q空间的原点。在步骤1603中，对从系统提取的读出输出波形的检测，可以在所述随后在步骤1803中向系统中注入第二对同时读出波形之前进行。
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