本发明专利技术涉及一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构及操作方法，其特征在于包括：若干可调耦合器以及若干量子比特；所述量子比特与所述可调耦合器交替排布，且所述可调耦合器的静态频率、相邻的所述量子比特以及与同一所述可调耦合器相邻的各所述量子比特的频率均处于不同频带中；各所述量子比特均设置有单独的微波驱动线XY，各所述可调耦合器均设置有单独的磁通偏置线Z，通过在微波驱动线XY上或磁通偏置线Z上施加驱动信号，实现单比特门、两比特门或多比特受控相位门。本发明专利技术可以广泛应用于超导量子计算领域。于超导量子计算领域。于超导量子计算领域。
【技术实现步骤摘要】
phase或C-phase)、将相邻量子比特调制共振状态实现量子态的交换门(包括SWAP，iSWAP，bSWAP和他们的部分交换变种)。这种方案的优点是：结构简单、两比特门操作速度快。缺点是：可调频量子比特受磁通噪声影响，退相干时间差、磁通串扰严重、寄生耦合严重。
[0013]2、不可调频的量子比特近邻排布。相邻量子比特之间直接耦合。两比特门通过特定的强微波驱动实现，主要包括交叉共振驱动门(Cross-resonance或CR)、高能级辅助的C-phase门。优势：不可调频的量子比特具备更长的退相干时间；芯片结构简单，控制线路简单(和单比特门共用驱动线)。劣势：寄生相互作用严重；门操作速度慢；串扰问题严重。
[0014]3、可调频的量子比特与一个公共的微波谐振腔耦合。与近邻耦合不同，量子比特之间利用谐振腔进行虚光子交换，耦合强度与谐振腔的频率相关。量子比特之间不存在直接耦合(或耦合可忽略)。两比特门操作过程与方案1相似。优点：结构相对简单，两比特门速度快。缺点：拓展性受限(每个谐振腔可耦合的量子比特数有限)，量子比特退相干时间较短。
[0015]4、不可调频的量子比特通过公共的可调谐振腔耦合。量子比特之间不存在直接耦合(或耦合可忽略)。通过对耦合器的频率进行特定的参数调制，可以实现特定比特之间的量子态交换。优点：布线简单，量子比特退相干时间长，没有串扰问题。缺点：虽然使用耦合器解决部分寄生耦合问题，但哈密顿量中有很多不共振(off-resonant)的高阶耦合项，在强调制下，这些耦合项会显著影响门操作保真度，从而限制了门操作的速度。<br/>[0016]5、可调频的量子比特与可调频的耦合器交替排布。量子比特之间存在弱的直接耦合，同时通过可调耦合器间接耦合。两比特门方案：将相邻量子比特调制到共振状态，通过调制耦合器的频率实现量子比特净耦合的开关，构造SWAP门。优点：门操作速度快；可以消除系统中的寄生耦合问题，理论保真度高；保真度受波形失真影响较小。缺点：磁通串扰问题严重，量子比特退相干差。
技术实现思路
[0017]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构及操作方法，其具有易拓展和高保真度特点，解决了传统超导量子芯片中，寄生耦合严重、控制信号串扰严重、控制线路复杂、绝热门操作速度慢等问题。
[0018]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0019]本专利技术的第一个方面，是提供一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其包括：若干可调耦合器以及若干量子比特；所述量子比特与所述可调耦合器交替排布，且所述可调耦合器的静态频率、相邻的所述量子比特以及与同一所述可调耦合器相邻的各所述量子比特的频率均处于不同频带中；各所述量子比特均设置有单独的微波驱动线XY，各所述可调耦合器均设置有单独的磁通偏置线Z，通过在微波驱动线XY上或磁通偏置线Z上施加驱动信号，实现单比特门、两比特门或多比特受控相位门。
[0020]进一步地，所述量子比特采用不可调频的Transmon结构，所述Transmon结构由一个约瑟夫森结和一个电容并联而成。
[0021]进一步地，所述电容的典型范围为70-100fF，所述约瑟夫森结的临界电流典型值为20nA。
[0022]进一步地，所述可调耦合器的静态偏置频率典型范围为7-9GHz；所述量子比特的
频率典型范围为5-7GHz；所述量子比特与所述可调耦合器之间的直接耦合强度典型范围为80-120MHz，所述量子比特间的耦合强度典型范围为5-10MHz。
[0023]进一步地，任意相邻的、与同一所述可调耦合器存在直接耦合的两量子比特之间的耦合强度g
ij
满足如下关系：
[0024]g
ij
≈0.5g
ic
g
jc
(1/(ω
c-idle-ω
i
)+1/(ω
c-idle-ωj))
[0025]其中，g
ic
表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g
jc
表示第j个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；ω
i
、ω
j
、ω
c
分别表示第i个量子比特、第j个量子比特和可调耦合器的频率；ω
c-idle
表示不加磁通调制信号时，可调耦合器的静态频率。
[0026]本专利技术的第二个方面，是提供一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构的操作方法，其包括以下步骤：
[0027]1)对超导量子芯片结构进行分析，得到该超导量子芯片结构中基本操作单元的哈密顿量；
[0028]2)基于步骤1)得到的基本操作单元的哈密顿量对应的能级结构，确定该能级结构下对基本操作单元操作的方法，以实现单比特门和多比特受控相位门。
[0029]进一步地，所述步骤1)中，所述基本操作单元由N个量子比特和一个可调耦合器构成，而N个量子比特通过一个可调耦合器耦合的哈密顿量表示为：
[0030][0031][0032]其中，ω
i
、α
i
分别表示第i个量子比特的频率和非谐；ω
c
、α
c
分别表示可调耦合器的频率和非谐；g
ic
表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g
ij
表示第i个量子比特和第j个量子比特之间的耦合强度；+表示厄密共轭；为约化普朗克常数。
[0033]进一步地，所述步骤2)中，单比特门的操作方法为：
[0034]在微波驱动线XY上施加一个与对应量子比特共振的微波脉冲，实现量子态的激发，并通过改变微波脉冲的振幅、时间、相位，实现量子态在布洛赫球上的任意翻转，实现任意的单比特门；
[0035]多比特门的操作方法为：
[0036]在磁通偏置线Z上施加磁通调制脉冲信号，使得所述可调耦合器的频率与所述量子比特的频率差远大于两者之间的耦合强度，即|ω
i-ω
c
|>>g
ic
时，两所述量子比特之间的ZZ耦合强度χ小于10kHz，关闭受控相位门；
[0037]在磁通偏置线Z上施加磁通调制脉冲信号，使得所述可调耦合器的频率被调制到接近或低于其中一个量子比特的频率时，所述量子比特之间的ZZ耦合强度χ大于10MHz，打开受控相位门，实现受控相位的积累，然后通过控制磁通调制脉冲信号的时间和振幅，对受控相位的积累∫χ(t)dt的大小进行调节，实现特定的受控相位门。
[0038]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0039]1、寄生耦合更小。本专利技术在量子比特之间引入可调耦合器，可以有效消除传统结构(量子比特直接耦合)中的寄生耦合问题。
[0040]2、量子比特退相干时间更长。本专利技术中量子比特的频率是固定的，不可调频的量子比特避免了磁通噪声对量子比特寿命的影响。而且由于量子比特的频率不可调，与本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，包括：若干可调耦合器以及若干量子比特；所述量子比特与所述可调耦合器交替排布，且所述可调耦合器的静态频率、相邻的所述量子比特以及与同一所述可调耦合器相邻的各所述量子比特的频率均处于不同频带中；各所述量子比特均设置有单独的微波驱动线XY，各所述可调耦合器均设置有单独的磁通偏置线Z，通过在微波驱动线XY上或磁通偏置线Z上施加驱动信号，实现单比特门、两比特门或多比特受控相位门。2.如权利要求1所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，所述量子比特采用不可调频的Transmon结构，所述Transmon结构由一个约瑟夫森结和一个电容并联而成。3.如权利要求2所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，所述电容的典型范围为70-100fF，所述约瑟夫森结的临界电流典型值为20nA。4.如权利要求1所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，所述可调耦合器的静态偏置频率典型范围为7-9GHz；所述量子比特的频率典型范围为5-7GHz；所述量子比特与所述可调耦合器之间直接耦合强度典型范围为80-120MHz，所述量子比特间耦合强度典型范围为5-10MHz。5.如权利要求1所述的一种易拓展的、高保真度的超导量子芯片结构，其特征在于，任意相邻的、与同一所述可调耦合器存在直接耦合的两量子比特之间的耦合强度g
ij
满足如下关系：g
ij
≈0.5g
ic
g
jc
(1/(ω
c-idle-ω
i
)+1/(ω
c-idle-ω
j
))其中，g
ic
表示第i个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；g
jc
表示第j个量子比特与可调耦合器之间的耦合强度；ω
i
、ω
j
、ω
c
分别表示第i个量子比特、第j个量子比特和可调耦合器的频率；ω
c-idle
表示不加磁通...
【专利技术属性】
技术研发人员：燕飞，储继，刘松，俞大鹏，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：
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