用于模拟一般超导量子电路的自由模式去除与模式解耦

超导量子电路是通用量子计算机的领先候选之一。设计新型量子比特与多量子比特超导电路需要能够模拟并分析一般电路的性质。特别地，在超越 transmon 方案时，我们无法对非谐性作假设，从而排除了黑箱量子化方法，必须使用形式电路量子化方法。我们考虑并解决了模拟一般超导电路涉及的两个问题。其一是电路中自由模式的处理，即哈密顿量中无势能项的电路模式。其二是电路规模，即模拟强耦合多模电路的挑战。我们解决这些问题所用的核心数学工具是量子力学框架下的线性正则变换。针对第一个问题，我们给出一种可证明正确的算法，通过执行线性正则变换将自由模式与其他电路模式完全解耦以去除自由模式。针对第二个问题，我们给出一系列不同的线性正则变换以降低模式间耦合，从而将问题归约到弱耦合情形，并大幅缓解经典模拟的开销。我们将解耦方法应用于两个电感耦合 fluxonium 量子比特的电路进行基准测试，使需模拟的希尔伯特空间规模降低了数个数量级。