量子信息处理系统技术方案

用于量子信息处理系统的构件块(1)包括具有在两个超导电极(3、4)之间连接的约瑟夫森结(5)的超导量子位(2)。两个超导电极(3、4)是同轴且共面的。构件块(1)还包括耦合到超导量子位(2)并且被布置成控制超导量子位(2)的状态的控制线(6)，和/或耦合到超导量子位(2)并且被布置成测量超导量子位(2)的状态的读出元件(8)。控制线(6)和/或读出元件(8)相对于两个超导电极(3、4)被布置在平面外。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】量子信息处理系统
本专利技术涉及量子信息处理系统和用于此类系统的构件块，特别地涉及用于量子信息处理系统的超导构件块。
技术介绍
在量子计算机的超导电路实施方式中，量子计算的基本单元(量子位(量子比特))可以以多种不同的方式物理地实施。通常，一个或多个约瑟夫森结与电容器和/或电感器组合以形成高质量非谐电路，其中的最低量化能级用作量子位。例如，称为电荷量子位或传输子的通常实施的和成功的设计，在于它的与电容器并联的单个约瑟夫森结的最简单形式。量子位的两个电极可以以多种方式布置；示例包括将电极共线地布置成近似于偶极天线的几何结构，或使用叉指电容器，或其中一个电极为十字形，并且另一个电极实现为共同接地平面。控制和测量电路系统通常使用与量子位集成在芯片上的平面电路系统，和/或使用其中嵌入量子位芯片的3D电磁波导管和腔实施。量子信息处理系统的设计中的重要考虑是，使量子位的相干时间(必须保留以执行量子计算的量子位的脆弱量子状态的寿命)最大化。这需要对量子位的电磁环境进行高度的控制，需要将该量子位的电磁环境设计成使得量子位难于将其量子信息泄漏到该量子位的电磁环境中。实现此环境控制的通常实施的方法是将量子位嵌入到芯片上或3D中的高质量电磁谐振器内或将它们强耦合到该高质量电磁谐振器，该高质量电磁谐振器具有不同于量子位频率的谐振频率，从而防止由于环境无法接受量子位频率下的能量而造成的此能量泄漏。因为当量子位改变其量子状态时，谐振器经历可测量的频移，所以称为电路量子电动力学的此方法还提供方便的测量量子位的量子状态的方法。超导量子位的宏观尺寸使其易于将控制信号耦合到量子位，使快速操作能够相对容易地执行。然而，量子位的超导电极的线性布置通常意指其强耦合到环境，特别是在经常存在于环境中的量子位的尺寸比例上为均匀的电磁场。这样的结果是，减少量子位的量子叠加状态的相干时间，该相干时间期望尽可能长以便能够使用量子位执行量子计算。这是由于量子位在耦合到电磁场时易于辐射能量。为了执行任何有用的量子计算，必须实施由大量的量子位组成的架构，该架构具有量子位之间的耦合以及启用量子位中的全部(或关键子集)的控制和读出的布线。然而，如果此类架构(例如在制造的芯片或电路板的表面上)使用平面内耦合以及控制和读出布线实施，则尺寸变得越来越难以在空间上容纳必要的布线。这是由于以下基本事实：N个量子位的二维阵列的边缘按照N的平方根扩展，使得例如对于M个量子位×M个量子位的正方排列(总计N＝M2个量子位)，需要将M2阶的控制和读出线穿过边缘(在4M边缘量子位之间)。这可阻碍实施具有2D量子位阵列的实际有用的规模的量子计算机。
技术实现思路
本专利技术旨在提供用于量子计算系统的改进的和可扩展的架构。当从第一方面来看时，本专利技术提供用于量子信息处理系统的构件块，包括：超导量子位，该超导量子位包括在两个超导电极之间连接的约瑟夫森结，其中两个超导电极是同轴且共面的；控制线，该控制线耦合到超导量子位并且被布置成控制超导量子位的状态；以及/或读出元件，该读出元件耦合到超导量子位并且被布置成测量超导量子位的状态；其中将控制线和/或读出元件相对于两个超导电极布置在平面外。当从第二方面来看时，本专利技术提供量子信息处理系统，包括如本专利技术的第一方面所述的多个构件块；其中多个构件块中的超导量子位中的至少一些(并且优选地全部)耦合到多个构件块中的超导量子位中的其它超导量子位中的一个或多个。本专利技术涉及将超导量子位提供作为基本构件块的量子信息处理系统。超导量子位由在两个同轴且共面的超导电极之间连接的约瑟夫森结形成，即约瑟夫森结的弱链接，例如在两个同轴且共面的超导电极之间提供绝缘材料的屏障。与这些电极之间的电容组合的约瑟夫森结实施电荷量子位或传输子(在约瑟夫森能量远大于与电容相关联的充电能量的情况下)。优选地控制线耦合到超导量子位，该控制线被布置成(例如通过将量子位暴露于受控的幅度和相位的微波脉冲)控制各个量子位的量子状态。此控制线还可用于多量子位系统中的多量子位操作的实施方式，例如如本专利技术第二方面所述。读出元件也优选地耦合到超导量子位，例如在量子计算期间或之后、在量子算法的实施方式中或为了获悉量子计算的结果，该读出元件被布置成测量超导量子位的量子状态。将控制线和/或读出元件相对于量子位的两个超导电极的平面布置在平面外，即这些元件设置在不位于与两个超导电极相同的平面中的位置处。本专利技术还延伸到包括多个构件块的量子信息处理系统，其中每个构件块(即电磁地)耦合到系统中的其它构件块中的至少一个。申请人已认识到，因为量子位的电极不沿着单一方向，即它们是同轴的，例如具有圆形对称性，所以与具有线性几何结构的量子位相比，通过提供用于其中超导量子位具有同轴电极的量子信息处理系统的构件块，这有助于显著地减弱量子位对均匀的电磁场的电磁耦合。量子位可耦合到在量子位的位置处具有同轴分量或基本的场梯度的电磁场；然而，这些场不太可能自然地存在于量子位的环境中。因此，将量子位与电磁环境有效地隔离，从有助于增加量子位的相干时间。此外，因为具有同轴电极的量子位的远场辐射在大于量子位的尺寸的距离处非常快速地减弱，所以除了如上所述与电磁环境隔离之外，量子位仅非常弱地耦合到系统中的其它电磁物体例如其它量子位(如果有的话)。此电磁隔离又有助于增加量子位的相干时间，以及改进构建大规模多量子位系统的实际性。这与带有通常具有大偶极矩的线性构造的常规量子位进行比较，并且在距量子位的远距离处提供显著得多的电磁场。申请人还已认识到，通过提供用于量子信息处理系统的构件块，在该量子信息处理系统中将控制和读出元件相对于量子位的两个超导电极的平面布置在平面外，包括多个构件块的量子信息处理系统的拓扑能够以与构件块的数量相同的方式进行扩展。这是因为尽管将多个耦合提供给量子位，但由于将控制和读出元件相对于量子位的电极布置在平面外，所以不需要在电极的平面中为它们提供任何空间。应当理解，对于常规量子计算系统(例如使用平面内几何结构实施的)这是不可能的，因为所有组件和连接必须设置在同一平面中，这由于系统具有超过若干个量子位而变得越来越困难。量子位的两个超导电极可以以任何合适和期望的同轴且共面的构造进行布置。在优选的实施例中，量子位的两个超导电极是径向对称的，即圆形的。因为在电极取向比其它方向更多的电极的平面中没有方向，所以两个电极的此构造甚至进一步有助于减弱量子位对环境的电磁耦合。两个同轴超导电极的外部可包括接地平面，例如当系统包括多个量子位时与其它量子位共享。超导电极可为连续的，例如在圆形中。然而，在一个实施例中，两个电极的外部是不连续的，例如在(单个)点处。因此在量子位的外环电极中可存在小间隙。这有助于防止两个超导电极之间的持续循环电流和捕获的磁通量。量子位可以以任何合适和期望的方式形成。在优选的实施例中，在低损耗电介质基底诸如蓝宝石或硅上使用低损耗超导材料诸如铝的微制造来形成量子位(即包括两个超导电极和弱链接)。在一个实施例中，量子位被布置成频率可调的，例如通过合并在两个超导电极之间并联连接的两个约瑟夫森结和控制磁通量的平面外的控制线，该磁通量穿过由超导电极和约瑟夫森结封闭的间隙。此实施例使能够实施需要频率可调量子位的控制操作。构件块的控制线可以以任何合适和期望的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于量子信息处理系统的构件块，包括：超导量子位，所述超导量子位包括在两个超导电极之间连接的约瑟夫森结，其中所述两个超导电极是同轴且共面的；控制线，所述控制线耦合到所述超导量子位并且被布置成控制所述超导量子位的状态；以及/或读出元件，所述读出元件耦合到所述超导量子位并且被布置成测量所述超导量子位的所述状态；其中将所述控制线和/或所述读出元件相对于所述两个超导电极布置在平面外。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.04 GB 1513774.81.一种用于量子信息处理系统的构件块，包括：超导量子位，所述超导量子位包括在两个超导电极之间连接的约瑟夫森结，其中所述两个超导电极是同轴且共面的；控制线，所述控制线耦合到所述超导量子位并且被布置成控制所述超导量子位的状态；以及/或读出元件，所述读出元件耦合到所述超导量子位并且被布置成测量所述超导量子位的所述状态；其中将所述控制线和/或所述读出元件相对于所述两个超导电极布置在平面外。2.根据权利要求1所述的构件块，其中所述两个超导电极的所述外部包括接地平面。3.根据权利要求1或权利要求2所述的构件块，其中所述超导量子位的所述两个超导电极是径向对称的。4.根据前述权利要求中任一项所述的构件块，其中所述超导量子位被布置成频率可调的。5.根据前述权利要求中任一项所述的构件块，其中所述控制线与所述超导量子位的所述两个超导电极同轴地布置。6.根据前述权利要求中任一项所述的构件块，其中所述控制线包括磁通量控制线。7.根据前述权利要求中任一项所述的构件块，其中所述控制线被布置成提供所述超导量子位的所述量子状态的通用控制。8.根据前述权利要求中任一项所述的构件块，其中所述控制线被布置成用电磁辐射以辐射所述超导量子位。9.根据前述权利要求中任一项所述的构件块，其中所述控制线被布置成将电磁辐射的脉冲施加到所述超导量子位。10.根据前述权利要求中任一项所述的构件块，其中所述读出元件与所述超导量子位的所述两个超导电极同轴地布置。11....

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·利克，
申请(专利权)人：牛津大学科技创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB