采用固定频率超导量子比特的多量子比特可调耦合结构制造技术

一种耦合机制、激活方法和方形格栅。耦合机制包括两个量子比特(102、104)和可调谐耦合量子比特(106)，所述可调谐耦合量子比特(106)通过调制所述可调谐耦合量子比特(106)的频率来激活两个量子比特(102、104)之间的相互作用。可调耦合量子比特(106)电容耦合两个量子比特(102、104)。在两个量子比特(102、104)的差异频率下调制可调谐耦合量子比特(106)。差异频率可能明显大于两个量子比特(102、104)的非简谐性。可调谐耦合量子比特(106)可通过由具有两个Josephson结的超导量子干涉设备(SQUID)环或由具有耦合到地的SQUID环的单个电极分开的两个电极耦合到两个量子比特(102、104)。SQUID环由位于可调谐耦合量子比特中心的电感耦合通量偏置线控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用固定频率超导量子比特的多量子比特可调耦合结构政府权利本专利技术是在陆军研究局(ARO)授予的合同编号：W911NF-14-1-0124的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
本专利技术一般涉及超导体，并且更具体地涉及使用超导量子比特的多量子比特可调谐耦合体系结构。量子计算基于量子比特的可靠控制。实现量子算法所需的基本操作是一组单量子比特操作和一个两量子比特操作，它们建立两个独立量子比特之间的相关性。要实现量子计算的误差门限和达到可靠的量子模拟，都需要实现高保真度的双量子比特操作。目前针对超导量子比特，利用微波控制来实现单量子比特门。有三种主要类型的双量子比特门：1)基于可调频率量子比特的门，2)基于微波驱动的量子比特(例如，交叉共振、滑动叉、BellRabi、MAP、边带转换)的门，以及3)基于几何相位(例如，谐振器诱导的相位门，完整门)的门。对于基于可调频率量子比特的门，量子比特本身被调谐到频率以激活谐振相互作用。这些门基本上有两个操作点：当量子比特具有强双量子比特相互作用时，具有基本为零耦合的“关”位置和“开”位置。这些门具有非常好的开关比，但由于可通过外部施加的磁通量调谐量子比特，所以它们可受限于1/f噪声，这限制了量子比特的相干性至几微秒。对于基于微波驱动的量子比特的门，量子比特可以被设计为固定频率，使其不受通量噪声的影响。然而，激活门需要微波脉冲。这些门的问题在于它们具有较低的开/关比，并且很难在不激活不需要的交互的情况下处理感兴趣的门。基于几何相位的门基于其状态空间中的量子态的路径以及与该偏移相关联的所获取的量子相位。绝热几何门对于某些类型的噪声是强健的，但通常很慢并且需要控制绝热。非绝热门可以更快，并可能享有绝热门的抗噪能力。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施例中，提供了一种耦合机制。耦合机制包括两个量子比特和可调谐耦合量子比特，所述可调谐耦合量子比特通过调制所述可调谐耦合量子比特的频率来激活所述两个量子比特之间的相互作用。在本专利技术的另一个实施例中，提供了一种激活耦合机制的方法。该方法包括在两个量子比特之间定位可调谐耦合量子比特，并调制所述可调谐耦合量子比特的频率。在本专利技术的另一个实施例中，提供了超导门的方形格栅。该方形格栅包括多个单位单元。每个单位单元包括两个或更多个量子比特和可调谐耦合量子比特，所述可调谐耦合量子比特通过调制所述可调谐耦合量子比特的频率来激活所述两个或更多个量子比特中的一对量子比特之间的相互作用。附图简要说明附图中相同的附图标记在各个视图中指代相同或功能类似的元件，并且附图与下面的详细说明一起并入说明书并形成说明书的一部分，用于进一步说明本专利技术的各种实施例并且解释根据本专利技术的各种原理和优势，其中：图1是根据本专利技术的一个实施例的示例多量子比特可调谐耦合结构的电路图；图2是根据本专利技术的一个实施例的使用两个经由用作频率可调耦合元件的第三传递量子比特耦合的传输类型量子比特的多量子比特可调谐耦合架构的示例几何结构；以及图3是根据本专利技术的一个实施例的经由耦合至四个量子比特的可调谐耦合元件互连的相互作用的量子比特的二维晶格的示例。具体实施方式在本专利技术的优选实施例中，提供了一种新的量子门。新的量子门包括一个双量子比特门的机制，它利用了具有较长相干时间的固定频率transmon，以及一个附加的可调谐频率耦合元件，它也可以通过transmon实现，有可能超越现有的门并且允许实现量子计算和模拟的可扩展平台。现在参照图1，多量子比特可调谐耦合门100基于具有长相干时间的两个固定频率单结超导量子比特102、104(例如，transmon类型设备)作为基础计算元件和一个附属量子比特106(也称为一个耦合量子比特106)作为频率可调耦合元件。附属量子比特106被布置为谐波振荡器电路，例如transmon类型量子比特，但是具有形成超导量子干涉设备(superconductingquantuminterferencedevice，SQUID)环的额外Josephson结形式的额外度自由度，其允许调谐耦合器的频率。通过经由通过电感耦合通量偏置线108的电流I(t)改变穿过由两个Josephson结形成的SQUID环路的磁通φ(t)，实现频率调制。频率调制引起耦合强度调制J(t)＝Jcos(Δt)。每个量子比特102、104电容耦合到用于单量子比特门操作的读出谐振器110、112(即R1&R2)和电荷偏置线(未示出)。附属量子比特耦合器106激活选择的量子比特102、104之间的双量子比特门。通过将附属量子比特耦合器106的频率调制为接近其他两个量子比特102、104的频率差附近或调制为该频率差，来执行该耦合，同样地，耦合器量子比特106激活两个量子比特102、104之间的交换型相互作用，其交换量子比特102、104之间的激励(例如，用于可变频率通量量子比特的横向(XY)相互作用)，或者引起在量子比特102、104中的任一个上的状态依赖相移(例如，纵向(ZZ)相互作用)。可调谐耦合方案允许基于横向XY和纵向ZZ相互作用的双量子比特量子门实现。附属量子比特106通过由包含两个Josephson结的SQUID环分离的各自的电极或通过具有耦合到地的SQUID环的单个电极耦合到两个(或更多)传输线102、104。图2示出了经由用作频率可调谐耦合元件的第三transmon106耦合的两个transmon类型量子比特102、104的示例几何结构。通过电感耦合偏置线108施加的外部磁通量使可调谐耦合器中心处的SQUID环路发生螺旋，并通过修改有效Josephson电感来修改其频率。通过最小化与通量线104的电容耦合，通量偏置线108的对称布置来抑制耦合transmon104的衰减。在没有外部控制场的情况下，双量子比特系统100的动力学-忽略具有过渡频率ωtc的可调谐耦合器104的动力学-遵循Hamiltonian公式：具有量子比特频率ω1和ω2，量子比特j＝1,2上的常用Pauli算子以及耦合强度J。通过填充可调谐耦合元件104的虚拟光子调和该耦合，并且该耦合由给出，其中g1，2是量子比特耦合器耦合强度。在耦合到共同模式的量子比特的腔量子电动力学(quantumelectrodynamics，QED)设置中自然发生这种相互作用。当量子比特102、104彼此失谐并从耦合器失谐时(即，量子比特耦合器失谐δitc＝ωi-ωtc≠0(i＝1,2)以及量子比特失谐δ12＝ω2-ω1≠0)时，交换概率p12被量子比特谐振器乘以量子比特失谐的平方的倒数(即)所抑制，从而确保如果量子比特102、104和耦合器106足够远地失谐，则耦合为零。相互作用项基本上可以忽略，只会导致量子比特频率和转换率的轻微的修正。激活耦合的双量子比特门的一种方式是通过将调谐量子比特调谐到彼此谐振。在这种情况下，量子比特必须在频率上可调，这通常通过使量子比特对磁场敏感来实现。这一过程引入了额外的损失信道，这会降低量子比特的相干时间。相反，对于新的门100，量子比特102、104是静态的，并且通过调制可调谐耦合量子比特106的频率来激活相互作用。通过在量子比特δ12的频率失谐处简谐地调制耦合：J→J(t)＝＝J0(A+Bcosδ12t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合机制，包括：两个量子比特；以及可调谐耦合量子比特，所述可调谐耦合量子比特通过调制所述可调谐耦合量子比特的频率来激活所述两个量子比特之间的相互作用。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.31 US 14/985,5291.一种耦合机制，包括：两个量子比特；以及可调谐耦合量子比特，所述可调谐耦合量子比特通过调制所述可调谐耦合量子比特的频率来激活所述两个量子比特之间的相互作用。2.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述可调谐耦合量子比特在所述两个量子比特的差异频率下被调制。3.根据权利要求2所述的耦合机制，其中所述两个量子比特的差异频率显着大于所述两个量子比特的非简谐性。4.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述可调谐耦合量子比特电容耦合所述两个量子比特。5.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述可调谐耦合量子比特通过由具有两个Josephson结的超导量子干涉设备环分开的两个电极耦合到所述两个量子比特。6.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述可调谐耦合量子比特通过具有耦合到地的超导量子干涉设备环的单个电极耦合到所述两个量子比特。7.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述超导量子干涉设备环用于控制电感耦合通量偏置线，所述电感耦合通量偏置线被定位成使得与所述可调谐耦合量子比特的两个电极的电容耦合是对称的。8.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述交换型相互作用交换所述两个量子比特之间的激发。9.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述交换型相互作用在所述两个量子比特中的一个上引起状态依赖相移。10.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述可调谐耦合量子比特产生具有取决于所述调制频率的幅度的强度和取决于所述调制频率的相位的相位的所述两个量子比特的耦合。11.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述两个量子比特是transmon型量子比特。12.根据权利要求1所述的耦合机制，其中所述两个固定频率量子比特初始解耦合。13.根据权利要求1所述的耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·菲利浦，J·加姆贝塔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US