基于可变触发机制的超导量子测控效率优化

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2025081022

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2): 676-682.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2025081022

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基于可变触发机制的超导量子测控效率优化

范智强, 王立新, 何昊冉, 马葛羽岩, 岳峰()

信息工程大学网络空间安全学院，郑州 450001

收稿日期:2025-09-08 修回日期:2025-10-14 接受日期:2025-10-26 发布日期:2025-11-07 出版日期:2026-02-10
通讯作者: 岳峰
作者简介:范智强（1998—），男，重庆人，博士研究生，主要研究方向：自动化量子测控、误差抑制
王立新（1980—），男，河北唐山人，副教授，硕士，主要研究方向：计算机体系结构、先进计算、超导量子测控
何昊冉（1997—），男，河南郑州人，助教，主要研究方向：量子芯片设计、超导量子计算、极低温线路改造
马葛羽岩（2002—），男，辽宁大连人，博士研究生，主要研究方向：智能化量子测控、量子计算模拟
岳峰（1985—），男，山西长治人，副教授，博士，主要研究方向：计算机体系结构、先进计算。Email:yf_hpc@163.com
基金资助:
河南省重大科技专项(221100210400)

Efficiency optimization in superconducting quantum measurement and control based on variable trigger mechanism

Zhiqiang FAN, Lixin WANG, Haoran HE, Geyuyan MA, Feng YUE()

School of Cyberspace Security，Information Engineering University，Zhengzhou Henan 450001，China

Received:2025-09-08 Revised:2025-10-14 Accepted:2025-10-26 Online:2025-11-07 Published:2026-02-10
Contact: Feng YUE
About author:FAN Zhiqiang， born in 1998， Ph. D. candidate. His research interests include automated quantum measurement and control， error suppression.
WANG Lixin， born in 1980， M. S.， associate professor. His research interests include computer architecture， advanced computing， superconducting quantum measurement and control.
HE Haoran， born in 1997， teaching assistant. His research interests include quantum chip design， superconducting quantum computing， cryogenic circuit modification.
MA Geyuyan， born in 2002， Ph. D. candidate. His research interests include intelligent quantum measurement and control， quantum computing simulation.
YUE Feng， born in 1985， Ph. D.， associate professor. His research interests include computer architecture， advanced computing. Email:yf_hpc@163.com
Supported by:
Major Science and Technology Special Project of Henan Province(221100210400)

摘要/Abstract

摘要：

超导量子测控（QMC）中，2次测量之间的空隙（或称测量间隙）作为测控流程中的关键环节常被设置为量子比特能量弛豫时间的数倍，远大于实际信号发送和采集的时间，导致产生大量的空闲等待时间。针对这个问题，提出一种基于可变触发的优化方法。首先，对QMC流程进行时间建模，识别出触发周期是限制吞吐率的关键因素；其次，通过实验验证QMC有效性对触发周期变化存在一个“非敏感区间”；并在此基础上，设计一种可根据量子比特实际弛豫时间动态调整触发周期的机制，该机制无需像基于Reset门的方案那样依赖芯片特殊设计，也无需像Restless测量那样要求测控设备具备极高实时性。仿真实验结果表明：在弛豫时间为100~500 μs的典型系统上，与采用固定触发周期（4倍弛豫时间）的传统方法相比，所提方法可将QMC吞吐率提升至原来的2~6倍；当弛豫时间提升至1 000 μs时，预计吞吐率可提升至原来的近10倍，同时能保证QMC有效性不受损。所提方法为提升大规模超导量子系统的测控效率提供了一种无需硬件改动且易于集成部署的软件级解决方案，具有显著的实用价值。

关键词: 超导量子计算, 量子测控, 测控吞吐率, 可变触发

Abstract:

In superconducting Quantum Measurement and Control （QMC）， the interval between consecutive measurements （referred to as the measurement gap） is a critical phase in the control sequence. It is typically configured to be several times the qubit energy relaxation time， significantly exceeding the duration of actual signal transmission and acquisition， which results in substantial idle waiting time. To address this issue， a variable trigger-based optimization method was proposed. Firstly， a temporal model of the QMC process was established， and the trigger period was identified as the key factor limiting throughput. And experimental results further verified a “non-sensitive interval” of QMC’s effectiveness to the trigger period. Based on this， a mechanism was designed to adjust the trigger period dynamically according to the actual qubit relaxation time without specialized chip design required by Reset gate or extremely low-latency control equipment needed in Restless measurement. Simulation results show that for typical system with relaxation time values between 100 μs and 500 μs， the proposed method can improve the throughput of QMC by 2-6 times， compared to the conventional method using a fixed trigger period （4 times of relaxation time）. When relaxation time is increased to 1 000 μs， the predicted throughput is improved by 10 times approximately with QMC’s effectiveness not damaged. It can be seen that the proposed method provides a software-level solution to enhance the measurement and control efficiency of large-scale superconducting quantum systems without hardware modifications and being easy to integrate and deploy， demonstrating significant practical value.

Key words: superconducting quantum computing, Quantum Measurement and Control (QMC), measurement and control throughput, variable trigger

中图分类号:

TP319

范智强, 王立新, 何昊冉, 马葛羽岩, 岳峰. 基于可变触发机制的超导量子测控效率优化[J]. 计算机应用, 2026, 46(2): 676-682.

Zhiqiang FAN, Lixin WANG, Haoran HE, Geyuyan MA, Feng YUE. Efficiency optimization in superconducting quantum measurement and control based on variable trigger mechanism[J]. Journal of Computer Applications, 2026, 46(2): 676-682.

图/表 18

图1 超导量子计算系统的结构

Fig. 1 Structure of superconducting quantum computing system

图2 测控实验的执行过程

Fig. 2 Execution process of measurement and control experiments

图3 测控实验执行的细分结构

Fig. 3 Detailed structure of measurement and control experimental execution

图4 测控实验的时间分析

Fig. 4 Time analysis of measurement and control experiments

图5 测控方案的对比

Fig. 5 Comparison of measurement and control schemes

图6 谐振腔频率扫描的可变触发分析

Fig. 6 Variable trigger analysis of resonant cavity frequency sweeping

图7 Qubit Spectrum的可变触发分析

Fig. 7 Variable trigger analysis of Qubit Spectrum

图8 X-X Delta的可变触发分析

Fig. 8 Variable trigger analysis of X-X Delta

图9 Rabi振荡的可变触发分析

Fig. 9 Variable trigger analysis of Rabi oscillation

图10 Ramsey振荡的可变触发分析

Fig. 10 Variable trigger analysis of Ramsey oscillation

图11 RB Single-Qubit的可变触发分析

Fig. 11 Variable trigger analysis of RB Single-Qubit

图12 T?的可变触发分析

Fig. 12 Variable trigger analysis of T?

图13 Scatter的可变触发分析

Fig. 13 Variable trigger analysis of Scatter

表1 可变触发方案的设计

Tab. 1 Design of variable trigger scheme

实验	触发周期	设置依据
谐振腔频率扫描（图6）	20 μs	始终峰位清晰、信噪比良好
Qubit Spectrum（图7）	20 μs	始终峰位清晰、信噪比良好
X_X Delta（图8）	0.8倍 T₁	触发周期大于0.8倍 T₁时拟合数值稳定
Rabi振荡（图9）	0.8倍 T₁	振荡图案始终清晰，触发周期大于0.8 T₁时拟合数值稳定
Ramsey振荡（图10）	0.8倍 T₁	振荡图案始终清晰，触发周期大于0.8 T₁时拟合数值稳定
RB Single-Qubit（图11）	0.8倍 T₁	衰减图像先波动较大，触发周期大于0.8 T₁时拟合数值稳定
T₁测量（图12）	1.5倍 T₁	触发周期大于1.5倍 T₁时实验效果稳定
Scatter（图13）	3.0倍 T₁	随着触发周期的变化，标定的读取区分度稳定地逐渐增加，触发周期大于3倍 T₁时拟合数值趋于稳定

图14 可变触发周期的分析

Fig. 14 Variable trigger period analysis

表2 量子测控的流程

Tab. 2 Quantum measurement and control process

序号	实验流程	实验次数
1	谐振腔频率扫描	1
2	Qubit Spectrum	1
3	Rabi振荡	1
4	Ramsey振荡	1
5	X-X Delta	1
6	T₁测量	1
7	RB Single-Qubit	1
8	Scatter	1

图15 测控时间随T?的变化

Fig. 15 Measurement and control time varying with T?

表3 可变触发方案的吞吐率

Tab. 3 Throughput rates of variable triggering scheme

T₁/μs	吞吐率提升比例	T₁/μs	吞吐率提升比例
20	1.17	520	6.43
120	2.20	620	7.31
220	3.32	720	8.09
320	4.43	820	8.81
420	5.47	920	9.45

参考文献 20

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Efficiency optimization in superconducting quantum measurement and control based on variable trigger mechanism

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