用于量子位状态读出的系统、方法以及装置的制作方法

专利名称：用于量子位状态读出的系统、方法以及装置的制作方法
技术领域：
本系统、方法以及装置涉及在读出计算量子位状态时使用锁存量子位。
背景技术：
在1936年由Alan Turing描述的图灵机是一种理论上的计算系统。能够有效地 模拟任何其他图灵机的一台图灵机被称为通用图灵机(UTM)。丘奇-图灵理论陈述了任何 实际的计算模型或者具有一个UTM的等效运算能力或者具有其运算能力的一个子集。一台量子计算机是利用一种或者多种量子效应进行计算的任何物理系统。能够有 效地模拟任何其他量子计算机的一台量子计算机被称为通用量子计算机(UQC)。1981年Richard P. Feynman提出可以使用量子计算机比一台UTM更加有效地求解 某些计算问题，并且因此推翻了丘奇-图灵理论。例如，参见Feynman R. P. , "Simulating Physics with Computers，，，International Journal of Theoretical Physics, Vol. 21 (1982)pp. 467-488。例如，Feynman指出一台量子计算机能够被用于模拟某些其他 量子系统，从而允许所模拟的量子系统与使用一台UTM所可能的情况相比成指数级地更快 地计算某些特性。量子计算的涂径对于量子计算机的设计及运作存在几种通用的途径。这种途径之一是量子计算 的“电路模型”。在这种途径中，通过多个逻辑门序列对量子位起作用，这些逻辑门序列是 一种算法的已编排的代表。电路模型量子计算机对实际的实现方式有几种严重的障碍。 在该电路模型中，所要求的是多个量子位在比单一门时间长得多的时间周期上保持相干。 这种要求的出现是因为电路模型量子计算机要求被统称为量子误差校正的运作来进行运 算。在没有电路模型量子计算机的这些量子位能够在单一门时间的1000倍数量级的时 间周期上保持量子相干时，就不能够进行量子误差校正。大量研究工作一直集中于开发 具有足以形成电路模型量子计算机的基本信息单元的相干性的量子位。例如，参见Shor， P. W. "Introduction toQuantum Algorithms", arXiv. org :quant-ph/0005003(2001), PP. 1-27。本领域仍然受阻于不能够使量子位的相干性提高到用于设计并运行实际电路模 型量子计算机的可接受的水准。量子计算的另一个途径涉及将多个耦合的量子系统的一个系统的自然物理演算 用作一个计算系统。该途径并不是关键性地利用量子门与量子电路。相反，从一个已知的初 始化哈密尔顿算子开始，它取决于多个耦合的量子系统的一种系统的被引导的物理演算， 其中有待解决的问题已按该系统的哈密尔顿算子进行编码，这样使得耦合的量子系统的该系统的最终状态包含了与有待解决的问题的答案相关的信息。该途径并不要求长的量子位 相干时间。此类途径的实例包括绝热量子计算、群集-状态量子计算、单向量子计算、量子 退火及经典退火，并且在如 arXiv. org :quant-ph/0201031 (2002)，ppl-16，Farhi，Ε.等人 的"Quantum Adiabatic Evolution Algorithmsversus Simulated Annealing，，中进行了 说明。量子位如前所述，量子位能被用作用于量子计算机的基本信息单元。如同在UTM中的位 一样，量子位可以指至少两个完全不同的量值；一个量子位可以指在其中存储信息的一个 实际的物理装置，并且它还可以指从其物理装置抽象出的信息单位本身。量子位的实例包 括量子粒子、原子、电子、光子、离子、等等。量子位推广了一个经典数字位的概念。一个经典的信息存储装置能够对两个离散 的状态进行编码，这两种离散的状态典型地被标记为“0”和“1”。这两个离散的状态在物理 上由该经典的信息存储装置的两个不同的并可区别的物理状态来代表，如磁 场、电流或电 压的方向或强度，其中对该位的状态进行编码的量值根据经典物理学的定律来表现。一个 量子位也包含两个离散的物理状态，它们也可被标记为“0”和“ 1 ”。这两个离散状态在物 理上是由量子信息存储装置的两个不同的并可区别的物理状态来代表，如磁场、电流或者 电压的方向或强度，其中对该位的状态进行编码的量值根据量子物理学的定律来表现。如 果存储这些状态的物理量值按量子力学方式来表现，则该装置能够额外地被置于一种0和 1的叠加中。这就是说，该量子位能够同时存在于“0”和“1”的状态中，并且因此能够对两 个状态同时进行计算。总之，N个量子位能够处于2N个状态的叠加之中。量子算法利用了 这种叠加特性来加速某些计算。在标准的标记法中，一个量子位的基本状态被称为|0>与I 1>状态。在量子计算的 过程中，一个量子位的状态总体上是多个基础状态的一种叠加，这样该量子位具有占据|0> 基础状态的一个非零概率以及占据11>基础状态的一个同时的非零概率。在数学上，多个 基础状态的叠加是指该量子位的整体状态(它用|Ψ>来代表)具有的形式，其中a和b分 别是对应于概率Ial 2与|b I 2的系数。系数a和b各自具有实部与虚部，这就允许该量子 位的相位被表征出。一个量子位的量子性质在很大程度上是从其在多个基础状态的一种相 干叠加中存在并且使该量子位的状态具有一个相位的能力中衍生出来的。当一个量子位与 脱散源充分地隔离开时，该量子位将保持这种作为多个基础状态的一种相干叠加而存在的 能力。为了使用一个量子位来完成一个计算，对该量子位的状态进行测量(S卩，读出)。 典型地，当进行该量子位的测量时，该量子位的量子性质暂时瓦解并且多个基础状态的叠 加缩减为Io>基础状态或11>基础状态，并因此重新获得它与一个常规位的相似性。这种 量子位在它瓦解以后的实际状态直接取决于在该读出运作之前的概率Ial 2和Ib I 2。超导量子位人们在考虑将多种不同的硬件和软件途径用于量子计算机中。一种硬件途径使用 了超导材料(如铝或者铌)形成的集成电路。设计和制造超导集成电路所涉技术和工艺与 用于常规集成电路的技术和工艺相似。超导量子位是可以包括在一个超导集成电路中的一种类型的超导装置。例如，典型的超导量子位具有可拓展性的优点，并且总体上根据物理性能而被分类，用于对信息进 行编码的这些物理性能包括(例如)电荷与相位装置、相位或通量装置、混合装置、等等。 根据用于对信息进行编码的物理性能，超导量子位可以被分为几个类别。例如它们可以 分成电荷装置、通量装置和相位装置，例如如在Makhlin等人的2001，Reviews of Modern Physics 73，pp. 357-400中所讨论的。电荷装置在该装置的电荷状态中对信息进行存储并 操作，其中的基本电荷由称为库珀对的电子对构成。一个库珀对具有2e的电荷并且由两个 电子构成，这两个电子由(例如)一个声子相互作用连接在一起。例如，参见Nielsen and Chuang, QuantumComputation and Quantum Information, Cambridge University Press, Cambridge (2000), pp. 343-345。通量装置在与通过该装置的某个部分的磁通量相关的一个 变量内存储信息。相位装置在与该相位装置的两个区域之间的超导相位差相关的一个变量 内存储信息。近来已经开发了使用两种或更多种电荷、通量与相位自由度的混合装置。例 如，参见美国专利号6，838，694和美 国专利申请号7，335，909。可使用的通量量子位的实例包括rf-SQUID，它们包括由一个约瑟夫逊结或一个复 合结(其中一个单独的约瑟夫逊结由两个并联的约瑟夫逊结取代)间断的一个超导环路； 或者持续电流量子位，这些持续电流量子位包括由三个约瑟夫逊结间断的一个超导环路； 以及类似的量子位。例如，参见Mooij等人的1999，Science 285，1036和Orlando等人的 1999，Phys. Rev. B 60，15398。例如，超导量子位的其他实例可以在Il'ichev等人的2003， Phys. Rev. Lett. 91，097906、Blatter 等人的 2001，Phys. Rev. B 63，174511 和 Friedman 等 人的2000，Nature 406,43中找到。此外，还可以使用混合电荷-相位量子位。这些量子位可以包括一个对应的局部偏置器件。这些局部偏置器件可以包括与一 个超导量子位接近的一个金属环路，该金属环路为该量子位提供一个外部通量偏置。该局 部偏置器件也可以包括多个约瑟夫逊结。在量子处理器中的每个超导量子位可以具有一个 对应的局部偏置器件，或者可以存在少于量子位的局部偏置器件。在某些实施方案中，可以 使用基于电荷的读出和局部偏置器件。这个或这些读出装置可以包括多个dc-SQUID磁强 计，各自电感性地连接到一个拓扑结构内的一个不同的量子位上。该读出装置可以提供一 个电压或电流。包括由至少一个约瑟夫逊结间断的一个超导材料环路的这些dc-SQUID磁 强计在本领域中是人们熟知的。量子处理器一个计算机处理器可以采取一种模拟处理器的形式，例如一种量子处理器(如一 种超导量子处理器)。一个超导量子处理器可以包括多个量子位以及多个相关联的局部偏 置器件，例如两个或更多个超导量子位。可与本系统、方法及装置一起使用的示例性的量子 处理器的进一步细节和实施方案被描述于美国专利公开号2006-0225165、美国专利申请序 列号 12/013，192、于 2007 年 11 月 8 日提交的发明名称为“Systems，Devices and Methods for AnalogProcessing”的美国临时专利申请序列号60/986，554、以及于2008年3月26 日提交的发明名称为 “Systems，Devices，And Methods ForAnalog Processing” 的美国临 时专利申请序列号61/039，710之中。一个超导量子处理器可以包括多个耦合器件，这些耦合器件可以操作以便选择性 地耦合对应的量子位对。超导耦合器件的实例包括rf-SQUID和dc-SQUID，这些装置通过通 量将多个量子位耦合到一起。SQUID包括由一个约瑟夫逊结(一个rf-SQUID)或两个约瑟夫逊结(一个dc-SQUID)间断的一个超导环路。这些耦合器件也许能够同时铁磁性地及反 铁磁性地耦合，这取决于在该互连拓扑结构内如何使用该耦合器件。在通量耦合的情况中， 铁磁耦合意味着并联通量在能量上是有利的，而反铁磁耦合意味着反并联通量在能量上是 有利的。可替代地，也可以使用基于电荷的耦合器件。其他耦合器件可在如美国专利公开 号2006-0147154以及美国专利申请序列号12/017,995中找到。例如，这些耦合器件的对 应耦合强度可以在零与一个最大值之间调谐，以便在量子位之间提供铁磁或反铁磁耦合。量子通量参变器量子通量参变器(QFP)是一种在结构上类似于复合rf-SQUID的超导约瑟夫逊 结器件。然而，名称“量子通量参变器”包括约瑟夫逊结器件的运行和结构二者，而不仅 单独是结构。例如，参见 Hioe 禾口 Goto 的 Quantum Flux Parametron-A Single Quantum FluxSuperconducting Logic Device, World Scientific Publishing Co.Pte. Ltd., Singap0re(1991)，pp. 23-41。可以通过QFP器件产生一条具体的势能曲线。这条势能曲线 可以类似于“W”，其中该中央峰或“屏障”在高度上是可调节的，而在该中央峰每一侧上的这 两个阱的独立的深度也是可调节的。在超导电路中，QFP可以被实施为一个磁性的基于通 量的逻辑器件。因此，可以将QFP器件用于实现超导移位寄存器、超 导存储器阵列、超导加 法器、超导触发器、以及其他基于逻辑的电路。从量子力学的角度看，有可能对该中央屏障的高度足够缓慢地进行调节以使得该 系统不被激发到超出所希望的基态。这是在量子系统中绝热演进的一个实例。因此，尽管 现有的阻尼QFP器件被设计用于高切换速度(大于约20GHz)的运行，但是本系统、方法以 及装置提供无阻尼类似QFP的器件用于在超导电路中使用，在这些超导电路中散热必须得 到控制。本系统、方法以及装置的运行将总体上绝热地进行控制。遍及本说明书和所附权
利要求的其余部分，术语“绝热”、“绝热地”和“绝热频率”被用于说明频率f，它满足其中L是环路电感，并且C是约瑟夫逊结的电容。本领域的普通技术人员将理解 对于在此说明的大多数的示例性电路而言，切换速度将是小于约20GHz的。锁存量子位在美国专利申请序列号12/109,847中说明了使用超导量子位作为锁存器件的系 统、方法以及装置。简言之，这些器件代表了超导量子位电路的一种新颖的应用。一个超导 量子位本身可以类似于一个无阻尼类似QFP的器件并且当得到适当控制时可以用于产生 许多类似的基于逻辑的电路。本系统、方法以及装置说明了锁存量子位在读出超导量子处 理器中的至少一个部件的状态中的应用。

发明内容
至少一个实施方案可以被概括为一个超导读出系统，该系统包括一个计算量子 位；用于测量该计算量子位的一种状态的一个测量器件；以及一个第一锁存量子位，该第 一锁存量子位包括由一个第一闭合的超导电流路径形成的一个量子位环路，该路径包括 在该量子位环路中相互串联耦连的至少两个超导电感器；使该量子位环路间断的一个裂隙 结环路或复合的约瑟夫逊结，该复合的约瑟夫逊结由一个第二闭合的超导电流路径形成，该路径包括在该复合的约瑟夫逊结中相互串联耦连的并且关于该量子位环路相互并联地 耦连的至少两个约瑟夫逊结；以及一个第一时钟信号输入结构，该结构被配置为将多个时 钟信号通信性耦连到该约瑟夫逊结上；其中该计算量子位以及该测量器件中的至少一个被 通信性耦连到该第一锁存量子位上，这样使该第一锁存量子位介导在该计算量子位与该测 量器件之间的通信性耦连。该计算量子位可以是一个超导量子位，例如一个超导通量量子位、超导电荷量子 位、超导相位量子位、或超导混合量子位。该测量器件可以包括一个磁强计。在该第一锁存 量子位与该计算量子位以及该测量器件中的至少一个之间的通信性耦连可以包括电感性 耦连。该第一时钟信号输入结构可以被配置为耦连处于大致绝热的频率的一个时钟信号。 该绝热的频率可以是低于约20GHz。一个大致恒定的时钟信号可以被施加到该第一锁存量 子位的复合的约瑟夫逊结上并且将在该复合的约瑟夫逊结中的至少两个约瑟夫逊结的参 数选择为使得被耦连到该第一锁存量子位的量子位环路上的一个信号产生一个具有更大 幅值的对应的信号，该对应的信号是从该第一锁存量子位的量子位环路上进行耦连的。该 超导读出系统可以进一步包括与该第一锁存量子位串联地处于通信性耦连的至少一个第 二锁存量子位，其中该计算量子位以及该测量器件各自被通信性耦连到该第一和第二锁存 量子位中的至少一个上，这样使该第一和第二锁存量子位介导在该计算量子位与该测量器 件之间的通信性耦连。该第一以及至少第二锁存量子位可以各自被通信性 耦连到一个对应 的绝热时钟信号线上。至少一个实施方案可以被概括为一个超导读出系统，该系统包括多个计算量子 位；一个测量器件，该测量器件用于测量这些计算量子位中至少一个的状态；以及一个移 位寄存器，该移位寄存器包括多个单独的寄存器，其中至少一个寄存器被通信性耦连到每 个计算量子位上并且至少一个寄存器被通信性耦连到该测量器件上。这些计算量子位中的至少一个可以是一个超导量子位，例如一个超导通量量子 位、超导电荷量子位、超导相位量子位、或超导混合量子位。该测量器件可以包括一个磁强 计。该移位寄存器可以包括一个超导移位寄存器。在包括一个超导移位寄存器的多个实施 方案中，该超导移位寄存器可以包括一个基于通量的超导移位寄存器，它包括一组管理锁 存量子位，每个管理锁存量子位被通信性耦连以便接收管理时钟信号；一个第一组伪锁存 量子位，该第一组伪锁存量子位中的每个伪锁存量子位被通信性耦连以便接收多个第一伪 时钟信号；以及一个第二组伪锁存量子位，该第二组伪锁存量子位中的每个伪锁存量子位 被通信性耦连以便接收多个第二伪时钟信号，其中对于该组管理锁存量子位中每对顺序的 管理锁存量子位而言，来自该第一组锁存量子位的一个对应的伪锁存量子位以及来自该第 二组伪锁存量子位的一个对应的伪锁存量子位被定位为对于在这对顺序的管理锁存量子 位的这些管理锁存量子位之间的通量进行耦连；其中在该基于通量的超导移位寄存器中的 一个第一管理锁存量子位被耦连为以便接收来自第一计算量子位的一个第一输入信号并 且在该基于通量的超导移位寄存器中的一个第二管理锁存量子位被耦连为以便接收来自 第二计算量子位的一个第二输入信号。在该基于通量的超导移位寄存器中的一个第三管 理锁存量子位可以被耦连为以便向该测量器件发送一个输出信号。这些管理时钟信号、第 一伪时钟信号、以及第二伪时钟信号各自可以是处于一个大致绝热的频率上。该超导读出 系统可以进一步包括至少一个介导锁存量子位，该量子位在该第一计算量子位与该第一管理锁存量子位之间串联地进行通信性耦连，这样使得该至少一个介导锁存量子位介导在该 第一计算量子位与该第一管理锁存量子位之间的通信性耦连。每个介导锁存量子位可以被 通信性耦连以便接收一个大致绝热时钟信号。该超导读出系统可以进一步包括至少一个介 导锁存量子位，该量子位在该第三管理锁存量子位与该测量器件之间串联地进行通信性耦 连，这样使得该至少一个介导锁存量子位介导在该第三管理锁存量子位与该测量器件之间 的通信性耦连，其中该至少一个介导锁存量子位被通信性耦连以便接收一个大致绝热时钟 信号。至少一个实施方案可以被概括为一种读出计算量子位的状态的方法，该方法包 括将来自该计算量子位的一种状态信号耦连到一个第一锁存量子位上；将一个第一时钟 信号耦连到该第一锁存量子位中的一个复合的约瑟夫逊结上；并且使用该第一时钟信号来 控制在该计算量子位与该第一锁存量子位之间的状态信号的耦连。该方法可以进一步包括将来自该第一锁存量子位的状态信号耦连到一个测量器 件上；并且使用该第一时钟信号来控制在该第一锁存量子位与该测量器件之间的状态信号 的耦连。至少一个实施方案可以被概括为一种读出多个计算量子位中每个计算量子位的 状态的方法， 该方法包括将来自每个计算量子位的一个对应的信号耦连到一个移位寄存 器中的对应的寄存器中；使这些信号沿着该移位寄存器移位；并且将来自该移位寄存器中 的至少一个寄存器的这些信号耦连到至少一个测量器件上。在一些实施方案中，该移位寄 存器可以包括一个超导移位寄存器。将来自每个计算量子位的一个对应的信号耦连到一个超导移位寄存器的对应的 移位寄存器中可以包括将这些信号耦连到包括多个锁存量子位的一个基于通量的超导移 位寄存器中的多个对应的寄存器中。该方法可以进一步包括通过至少一个介导锁存量子位 介导来自这些计算量子位中的至少一个的信号到该超导移位寄存器中的对应的移位寄存 器中的耦连。该方法可以进一步包括通过至少一个介导锁存量子位介导来自这些寄存器的 至少一个的信号到该测量器件中的耦连。该耦连和移位可以包括将一组时钟信号脉冲施加 到在该超导移位寄存器中的这些寄存器上。


在这些附图中，相同的参考数字标识出相似的元件或者动作。附图中元件的尺寸 和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，不同元件的形状以及角度不一定按比例绘制，并 且这些元件中的一些被任意地放大和定位以提高附图的易读性。另外，所绘出的这些元件 的特定形状并非旨在传递与这些特定元件的实际形状有关的任何信息，而只是为了方便在 图中识别而选取。图IA是能够被实施为一个超导通量量子位的超导电路的示意图。图IB是同样能够被实施为一个超导通量量子位的替代的超导电路的示意图。图2是示出了能够由一个超导通量量子位产生的势能曲线的近拟图。图3是作为一个锁存量子位运行的超导通量量子位的实施方案的示意图。图4是代表锁存量子位的一个实施方案的运行的近似图。图5是一个读出系统的实施方案的示意图，其中锁存量子位被用于介导在计算量子位与dc-SQUID磁强计之间的耦连。图6是使用锁存量子位作为其基本逻辑元件的一个基于通量的超导移位寄存器的实施方案的示意图。图7是使用基于通量的超导移位寄存器的一个读出系统的实施方案的示意图，该 基于通量的超导移位寄存器包括锁存量子位以读出多个计算量子位的状态。图8是一个读出系统的实施方案的示意图，该系统通过使用包括锁存量子位的基 于通量的超导移位寄存器可以读出多个计算量子位的状态。
具体实施例方式在以下说明中，列举了某些特定的细节以便提供对不同的所披露的实施方案的全 面理解。然而，相关技术领域中的技术人员应认识到，可以在没有一个或多个这些特定细节 的情况下，或者在具有其他的方法、组件、材料等的情况下实践这些实施方案。在其他的情 况下，与模拟处理器(如量子处理器、量子器件、耦合器件以及包括微处理器与驱动电路的 控制系统)相关联的公知结构没有被详细地示出或者说明，以避免不必要地混淆这些实施 方案的说明。除非上下文另有要求，在整个说明书和所附的权利要求书中，“包括”一词及其多 种变体(例如，“包括了”和“包括着”)将以一种开放式的和包含性的意义来进行解释，即， 如“包括，但不限于”。遍及本说明书提到的“一种实施方案”或“一个实施方案”意味着与该实施方案相 关联地描述的一个具体的指示特征、结构或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，贯穿 本说明书在不同地方出现的短语“在一种实施方案中”、“在一个实施方案中”并不一定全部 是指同一个实施方案。另外，该特定特征、结构或者特性能够以任何适当的方式结合在一个 或者多个实施方式中。如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，单数形式的“一个”和“该”包括复 数对象，除非文中另外明确指明。还应注意，术语“或者”一词总体上所使用的意义包括“和 /或”，除非文中另外明确指明。在此给出的小标题以及摘要只是为了方便起见，而并非解释这些实施方案的范围含意。此外，某些图在此描绘了不同的电压和电流波形。为了理解多个实施方案的运行 的目的这些波形旨在是展示性的，而并非旨在按比例绘出和/或就形状、幅值、占空比、频 率、失真、或其他特性而言精确地和准确地描绘出波形的行为。本系统、方法以及装置说明了用于读出超导量子处理器中的至少一个部件的状态 的技术。这些技术实现了多种读出系统，这些结合了超导锁存量子位。被读出的超导量子 处理器的至少一个部件可以包括一个超导量子位。本系统、方法以及装置通过降低一种隔 离的读出操作对量子处理器其余部分的影响而代表了超过用于读出超导量子处理中的量 子位状态的现有技术的一种改进。用于读出超导量子处理器中的量子位的状态的许多现有技术包括直接测量量 子位的状态。例如，一个磁强计(如dc-SQUID)可以被用于直接测量超导通量量子位 的状态。然而，取决于量子位状态的直接测量的多种读出方案可以导致“读出性破坏(readoutdestruction) ”，由此观测量子位状态的物理性动作就影响了量子处理器中的其 他量子位的经典状态。读出性破坏的问题在本领域是为人熟知的。此类直接测量技术的 一个另外的缺点是测量器件中的噪声可以不经意地被耦连到量子位中。在dc-SQUID被直 接耦连到一个超导量子位上的情况下，在正在进行测量时、或者甚至在这两个器件之间的 耦连仍有效而没有正在进行测量时，噪声可以从dc-SQUID传递到超导量子位上。此外， dc-SQUID本身可以很大程度上易于受噪声影响并且不会是嘈杂环境中在其中存储一个小 信号的一种理想的器件。如所讨论的，量子计算的基本单元是量子位。超导量子位可以采取多种形式，包括 超导通量量子位。一个超导通量量子位能够以一种超导环路的形式被实现，该超导环路包 含被称为约瑟夫逊结的至少一个开关器件。于是，一个量子处理器可以包括任何数目的此 类超导环路和约瑟夫逊结。图IA是能够被实施为超导通量量子位的基本电路100的示意 图。电路100包括一个第一超导环路101，该第一超导环路被一个第二超导环路102间断， 该第二超导环路本身被两个约瑟夫逊结111和112间断。超导环路101在下文被称为“量 子位环路”，而超导环路102被称为“复合的约瑟夫逊结”或者“CJJ”。本领域的普通技术 人员将理解可以绘制出电路100的一个rf-SQUID近似图，其中CJJ 102和约瑟夫逊结111 和112全部被一个约瑟夫逊结所取代，或者类似地任何数目的约瑟夫逊结可以被用在CJJ 102之中。 在运行中，电路100的超导通量量子位可以通过电感性耦连与其他器件进行通 信。例如，图IB是能够被实施为超导通量量子位的另一个电路150的示意图。注意图IB代 表了一个单一量子位系统并且未示出与其他量子位的通信(尽管是可能的)。在电路150 中，量子位环路151包含一个电感器161并且被电感性地耦连到一个信号线上。类似地，CJJ 152也被电感性地耦连到一个分离的信号线上。电路150中的耦连方案可以被用于控制超 导通量量子位的能量并建立一个特定的势能曲线。图2是一个近似图，示出了能够由电路 150产生的势能曲线的总体形状。一个关键性特征在于，屏障201的高度通过到CJJ 152上 的电感性耦连是可控制的。类似地，两个阱(211和212)在屏障201每一侧上的相对深度 通过到量子位环路151上的电感性耦连是可控制的。图IB中示出的电路150可以被用作一个超导通量量子位，但是它还类似于一个 量子通量参变器(QFP)的实施方案。作为一个计算元件，超导通量量子位的结构(图IA 和图IB所示)可以作为“计算量子位”进行操作。为了本系统、方法以及装置的目的，术 语“计算量子位”被用来指一种量子位结构，该结构在量子处理器中被用作计算元件。艮口， 一个计算量子位是根据计算的算法从一个初始状态演化到一个最终状态。作为一个逻辑 器件，超导通量量子位可以作为锁存量子位来运行，如2007年4月25日提交的名称为 "Adiabatic Superconducting Qubit Logic Devices And Methods”禾Ij
列号60/913，980以及美国专利申请序列号12/109，847中所概述的。经典电路中锁存的概 念是粗略地类似于在此说明的非经典锁存。贯穿本说明书以及所附权利要求，“锁存”一个 磁信号是指加载一个瞬时信号、保留该瞬时信号而无论源信号的微扰或演进如何、以及连 续地输出该瞬时信号直到锁存被淬灭(quench)的过程。因此，术语“锁存量子位”在此用 于表示实现这个过程的一个器件，而术语“计算量子位”在此用于表示被演化为进行量子计 算的一个量子位。
图IA和图IB中所示的超导通量量子位的总体结构可以被实施为一个计算量子位或一个锁存量子位。然而，一个计算量子位的设计参数可以与一个锁存量子位的设计参数 不同，这样使得设计用于计算操作的一个量子位结构可能不适用于锁存操作并且设计用于 锁存操作的一个量子位结构可能不适用于计算操作。在此处描述的不同的实施方案中，一 个计算量子位可以在结构上和参数上被设计为专门执行计算操作。类似地，一个锁存量子 位可以在结构上和参数上被设计为专门执行锁存操作。与计算量子位相比较，锁存量子位 的这些参数可以总体上包括多个更大的约瑟夫逊结、在CJJ中的更小的环路、以及一个更 大β max。计算量子位的这些参数可以被设计为协助量子隧道作用以及实现叠加态，然而锁 存量子位的这些参数可以被设计为协助在多个状态之间的隔离。图3是作为锁存量子位300进行操作的一个超导通量量子位的实施方案的示意 图。类似于图IA和图1B，锁存量子位300的电路包括一个量子位环路301和一个裂隙结 环路或CJJ 302，其中CJJ 302包括两个约瑟夫逊结311和312。为了与输入和输出信号线 电感性耦连以对应地传送输入和输出信号的目的，锁存量子位300进一步包括两个超导电 感器361和362。在这个实施方案中，CJJ 302自身被配置为电感性耦连到一个时钟信号线 上。在时钟信号线上的时钟信号控制着锁存量子位300的运行。贯穿本说明书和所附权利 要求，术语“时钟”和“时钟信号”被经常地用于指一种周期脉冲的可控制信号。然而，本领 域的普通技术人员将理解脉冲的可控制信号可以通过电路或其他媒介(例如光)中的其他 信号或器件来实施，并且这些脉冲不必是周期性的。因此，术语“时钟”和“时钟信号”在此 是在其最宽泛的意义上使用并且意味着包括管理脉冲的可控制序列脉冲的所有方式。图3中示出的锁存量子位300的示意图旨在是展示性的并且用作一个实施方案的 实例。本领域的普通技术人员将理解可以对该电路做出许多变更以适应多种具体的系统要 求。例如，量子位环路301可以具有一个替代的形状(如正方形或矩形)，到信号线上的耦 连可以通过一个可替代的方式发生，如通过电流耦连；在量子位环路301上可以存在多于 或少于两个耦连位置；与CJJ 302中的两个约瑟夫逊结相比可以存在更多或更少的约瑟夫 逊结；并且还可以将多个约瑟夫逊结插入量子位环路301之中。所有此类变更针对于实施 该锁存量子位的具体系统都是特定的，而根据本系统、方法以及装置作为锁存量子位的超 导通量量子位的运行所依据的总原理实质上保持不变。图4示出了代表锁存量子位300的采样操作的近似图。在图4中示出了三个同时 发生的信号时钟信号、输入信号、以及输出信号。在这个实施方案中，当时钟信号上升时， 锁存量子位在那一时刻加载输入信号、保持那个瞬时信号、并且在时钟脉冲的持续时间内 将它传输到输出端。例如，在图4中的点A处，在信号输入为高时时钟脉冲上升。因此，高 信号被锁存量子位“锁存”并且在时钟脉冲的持续时间内被保持。当高信号被保持时，该高 信号出现在锁存量子位的信号输出端。即，当时钟脉冲向上升高时该锁存量子位保持在它 初始接收的信号上。即使输入信号继续演化，当时钟脉冲向上升高时锁存量子位有效地获 取输入信号的一个图像，并且这就是被锁存并传输到输出端上的信号。在图4中，在第一时 钟脉冲仍为高时，输入信号在点C处下降，但输出信号保留高，因为它是正在被锁存量子位 保持的信号。输出信号随着时钟脉冲下降而结束，并且在时钟保持不活动时没有信号传输。 在点B处，时钟脉冲再次上升，这次是在输入信号为低时。因此，一个低信号被锁存量子位 锁存并且连续地输出直到时钟脉冲再次下降。
图4中示出的多个近似图代表了锁存量子位的操作的一个展示性的实施方案。在 其他实施方案中，在锁存量子位中的锁存可以被时钟脉冲中的一个向下的移动触发。虽然 该锁存的定时是受时钟频率的支配，而触发锁存的精确的方式取决于由时钟脉冲所覆盖的 幅值范围以及施加在锁存量子位上的信号偏值。时钟脉冲可以被用于改变该系统的势能曲 线的形状。当系统的势能曲线类似于一个抛物线的或“U”形的形状时，施加在锁存量子位 上的输入信号即被“淬灭”。当系统的势能曲线类似于如图2所示的“W”的形状时，施加于 锁存量子位的输入信号即被“锁存”。时钟脉冲可以被用于升高系统的势能曲线中的一个屏 障(如图2中的屏障201)，由此产生“W”形的势能曲线并触发该锁存。 发生锁存是因为锁存量子位的基态是与外部场对齐的，并且绝热屏障的升高将该 系统保持在基态中。因此，在本系统、方法以及装置中所说明的锁存量子位的操作中受控制 的绝热演进是令人希望的。这意味着在许多系统中时钟信号应该以低于约20GHz的频率工 作。在这个频率范围中工作所具有的益处在于，它允许系统的状态得到稳定而无需在约瑟 夫逊结上结合分流电阻。锁存量子位产生了小于单一的通量量子(SFQ)器件的热量并且因 此对于在毫开尔文温度下工作并对热噪声高度敏感的系统是一种有用的逻辑器件。锁存量子位保持在时钟信号脉动并建立势能曲线中的屏障时加载的瞬时输入信 号。然而，实际上，该锁存信号可以受到在屏障保持时(即，在时钟脉冲持续时间内)发生 的输入信号中波动的轻微影响。例如，由于器件内部以及与其他附近器件的串扰可能发生 这些作用。在将超导通量量子位作为锁存量子位操作时必须考虑这些串扰的作用。本系统、方法以及装置说明了锁存量子位在读出至少一个部件量子位的状态中的 应用。锁存量子位能够以一种安静的、非破坏性的方式协助计算量子位的读出，该方式降低 或消除从测量系统到计算量子位的过度的噪声耦连。在一个实施方案中，一个锁存量子位 可以被用于介导在计算量子位与测量器件之间的耦连。图5是读出系统500的实施方案的示意图，其中锁存量子位501被用于介导在计 算量子位502与dc-SQUID磁强计503之间的耦连。本领域的普通技术人员将理解一个锁 存量子位可以类似地被用于介导在许多不同类型的超导量子位与测量器件之间的耦连。通 过与图3相比较，在图5中计算量子位502将信号输入提供到锁存量子位501的左侧上，并 且磁强计503接收来自锁存量子位501右侧的信号输出。来自计算量子位502的到锁存量 子位501中的信号输入可以引发锁存量子位501的量子位环路中的一个循环电流。正是这 个循环电流最终可以作为计算量子位502的状态的代表由磁强计503测出。本领域的普通 技术人员将理解在图5所示的实施方案中使用的“左至右”信号传播旨在仅用于展示性目 的。输入到锁存量子位的以及从其输出的这些信号可以被定位在围绕该锁存量子位本体的 任何位置上。在图5所示的实施方案中，当时钟信号在时钟信号线上脉动时锁存量子位501 对计算量子位502的瞬时状态进行锁存。在计算量子位502的状态被锁存量子位501锁存 时，一个信号从锁存量子位501传输到进行读出操作的磁强计503上。因此，磁强计503在 计算量子位502的状态已被锁存之后通过测量来自锁存量子位501的一个信号间接地读出 计算量子位502的状态。使用至少一个锁存量子位来介导在计算量子位与状态测量器件之 间的耦连提供了在计算量子位与测量器件之间的一个隔离水平。这种隔离可以降低从测量 器件到计算量子位中的噪声耦连。该隔离水平可以通过增加介导读出系统中的锁存量子位 的数目而增加。例如，在计算量子位502与磁强计503之间的耦连可以被相互串联耦连的多个锁存量子位介导。本领域的普通技术人员将理解，取决于系统中所希望的隔离水平，可 以将任何数目的锁存量子位串联耦连在一起以介导在计算量子位与测量器件之间的耦连。美国专利公开2006-0248618说明了一种类似的技术，该技术通过将一个第一量 子位状态传输到一个第二量子位并且然后从该第二量子位读出所传输的状态来读出该第 一量子位的状态。然而，专用的锁存量子位在读出如本系统、方法以及装置所述的专用的计 算量子位的状态上的实现方式可以实现美国专利公开2006-0248618中未看到的多个额外 的优点。通过将计算和锁存操作分开这样可以不要求一个单独 的量子位来执行这两种操 作，计算量子位的参数可以被更好地设计为用于执行计算操作并且锁存量子位的参数可以 被更好地设计为用于执行锁存(以及读出)操作。例如，与专用的计算量子位相比，一个专 用的锁存量子位可以被设计为在其势能曲线中实现一个较高的中央屏障。这个高的中央屏 障可以允许一个锁存的经典状态在相对长的时间段内存储而不会显著衰减并且可以用于 降低在读出操作过程中噪声的影响。在此处描述的这些不同的实施方案中，与计算量子位 相比一个锁存量子位总体上在对抗噪声以及读出的反向作用方面更鲁棒。专用的锁存量子位的实现方式的另一个优势在于，在一些实施方案中，图5所示 的读出系统500可以被用于放大从计算量子位502耦连到磁强计503上的一个通量信号。 在读出之前将来自计算量子位502的信号放大可以帮助更好地解析该信号并且使该读出 信号在对抗噪声时更鲁棒。在读出系统500的一个实施方案中，施加到锁存量子位501的 CJJ上的时钟信号可以是近似于恒定的，例如，具有约Oo或更大的一个值。在这种方案中， 锁存量子位501可以起到通量放大器的作用。取决于包括锁存量子位501的器件的这些参 数(例如像约瑟夫逊结的临界电流以及它们的电感)，在锁存量子位501的量子位环路中感 应的循环电流可以变得大于来自计算量子位502的输入信号。由于正是在锁存量子位501 的量子位环路中的这个循环电流最终可以由磁强计503来测量，所以来自计算量子位502 的信号可以有效地被放大。本领域的普通技术人员将理解放大的水平可以通过相应地选择 包括锁存量子位501的不同器件的这些设计参数而被控制。在一些实施方案中，如果在计算量子位502与锁存量子位501之间的互感M乘以 锁存量子位501的磁化率X是大于1，那么可以实现通过锁存量子位501从计算量子位502 耦连到磁强计503的通量信号的正放大。这就是说，锁存量子位501可以实现正通量放大， 如果MX 彡 1。在多个类似的实施方案中，一个锁存量子位可以被用作超导系统(例如像超导量 子处理器)中的不同部件之间的一个可调谐的变换器。因此，锁存量子位501可以介导在 计算量子位502与磁强计503之间的耦连，并且在这样做时可以控制从计算量子位502耦 连到磁强计503上的信号的幅值。在其他实施方案中，本系统、方法以及装置说明了使用锁存量子位来读出多个计 算量子位的状态。在此类实施方案中，使用一组锁存量子位来建造一个基于通量的超导移 位寄存器可以是有利的。于是该多个计算量子位可以被锁存到移位寄存器上，在该移位寄 存器中计算量子位信号可以被移位到用于读出的单一测量器件上。图6是使用锁存量子位作为其基本逻辑元件的基于通量的超导移位寄存器600的 实施方案的示意图。在美国专利申请序列号12/109,847中说明了锁存量子位的一种实现方式。基于通量的超导移位寄存器600的结构包括安排在一个链条上的多个锁存量子位， 这样使得每个锁存量子位被配置为通信性(即电感性地)耦连到至少一个相邻的锁存量子 位上。具体而言，除了链条的起始和结尾处外，在链条上的每个锁存量子位被耦连到链条中 的两个其他锁存量子位上。位于链条的起始和结尾处的锁存量子位可以各自仅被耦连到一 个其他的锁存量子位上。通过在图6中绘出作为一条直的水平线的移位寄存器600，本领域 的普通技术人员将理解这些器件的几何布局可以采取任何形式以适应实现该器件或这些 器件的具体系统的要求。本领域的普通技术人员将理解可以类似地实施多个耦连的锁存量 子位的两维布局(如箱体或蛇形的“S”图案)。本领域的普通技术人员将理解通过相应地按比例缩放图6所示的器件可以建造 任何解决方案的一个类似的移位寄存器。图6所示的实施方案使用多个锁存量子位601、 602和603以便各自管理以离散磁通量量子的形式到达/来自至少一个器件上的一个位信 息，同时锁存量子位611、612、621和622被用作“伪锁存量子位”用于在移位寄存器600自 身之内的信号隔离以及通信。因为锁存量子位601、602和603最终被用于实施和管理信号， 所以它们在此被称作“管理锁存量子位”。本领域中的普通技术人员将会理解，术语“管理 器”、“进行管理”、“管理”以及类似词语在本文中用来包含但不限于生成、经管、存储、运算 和传递这些数据信号的所有方式。因此，术语“管理锁存量子位”在此被用于表示一个锁存 量子位，它被耦连到另一个器件上并由此管理到达/来自该器件的一个数据信号。在移位寄存器600中的每个锁存量子位以类似于图3的锁存量子位300的方式运 行。这就是说，在移位寄存器600中的每个锁存量子位被耦连到一个输入信号、一个输出信 号、以及一个时钟信号上。在这个实施方案中，移位寄存器600具有三个不同的时钟信号 线，如图6中的时钟A、时钟B、以及时钟C所示。当对应的时钟信号脉动以便在势能曲线中 建立一个屏障时，由每个器件将一个输入信号加载和锁存，并且在时钟脉冲的持续时间段 内保留该锁存的信号。在移位寄存器600中，一个输入信号通过这些单独的锁存量子位从 左向右按照以下顺序传播:601、611、621、602、612、622、603。图6所示的示例性移位寄存器600是由七个锁存量子位实现的作为管理锁存量 子位的锁存量子位601、602和603、以及用于在移位寄存器600自身内部的通信的作为伪锁 存量子位的锁存量子位611、612、621和622。在这个实施方案中，这些伪锁存量子位可以被 用于使这些管理锁存量子位信号彼此隔离。锁存量子位601、602和603是管理锁存量子位 并且各自被用于管理到达/来自至少一个器件的信号。然而，由于这些器件运行的本质，是 在这些管理锁存量子位之间一定水平的隔离可以是令人希望的。一个锁存量子位(如图6 中所示的锁存量子位中任一个)可以保持一个信号直到由对应的时钟脉冲专门将它淬灭。 此外，不同于标准逻辑门，在相邻的锁存量子位之间的信号传输不是在一个优选的方向上 偏置的。取决于时钟脉冲的同步作用，在给定的锁存量子位中锁存的一个信号可以向后行 进的方式正如向前一样(即，在图6中右至左与左至右一样)。实施其中至少两个伪锁存量 子位将每对连续管理锁存量子位分开的一种系统允许这些管理锁存量子位得到充分隔离， 这样使时钟脉冲的一个特意的序列仅允许输入信号向前传播(即，图6中左至右)。这个实 施方案确保了至少一层淬灭的锁存量子位可以将相邻的管理锁存量子位分开并因此停止 逻辑信号的反向耦连。使用了三个时钟信号线，因为锁存量子位是二端器件。因此，在移位 寄存器600中的相邻的锁存量子位是在不同的相位启动的并且逻辑信号是从一个有源器件传播到下一个相邻的被启动的器件上。如果图6中的锁存量子位的序列(即601、611、 621、602、612、622、603)是作为 AdminO、lDumO、2DumO、Adminl、lDuml、2Duml、以及 Admin2 被 读出，那么这些时钟信号被耦连移位寄存器600上，这样使AdminO，Adminl，以及Admin2全 部被耦联到一个第一时钟线(时钟A)上；lDumO和lDuml 二者都被耦连到一个第二时钟线 (时钟B)上；并且2DumO和2Duml 二者都被耦连到一个第三时钟线(时钟C)上。因此，处 于通信性(例如电感性地)耦连的锁存量子位的这一行中同一个相对位置中的锁存量子位 被全部耦连到同一个时钟信号线上。例如，所有管理锁存量子位被耦连到一个时钟信号线 上，在其左侧上耦连到一个管理锁存量子位上的所有伪锁存量子位被耦连到一个第二时钟 信号线上，并且在其右侧上耦连到一个管理锁存量子位上的所有伪锁存量子位被耦连到一 个第三时钟信号线上。如先前所陈述的，例如，如果每个时钟信号以绝热的频率运行，那么 根据本系统、方法以及装置，跨越每个约瑟夫逊结的分流电阻可以被省略。此外，虽然图6 示出的所有通信性耦连都是电感性耦连，但是本领域的普通技术人员将理解通信性耦连的 替代方式(如电耦连)可以(适当时)被替代地用于在具体的应用中。在一些实施方案中，一个输入信号仅在如果它与进入一个器件中的时钟脉冲一致 时针对这个给定的锁存量子进行管理。例如，如果一个高输入信号被耦连到锁存量子位601 之中，那么只有当时钟A脉动以便在势能曲线中建立一个屏障时该信号才会被锁存量子位 601锁存。现在，如果时钟B在时钟A的脉冲过程中脉动(即，在时钟A返回到淬灭的状态 之前)，那么锁存量子位611将锁存来自锁存量子位601的信号。类似地，如果时钟C在时 钟B的脉冲过程中脉动(即，在时钟B返回到淬灭的状态之前)，那么锁存量子位621将锁 存来自锁存量子位611的信号。图6所示的基于通量的超导移位寄存器的实施方案是展示性的并且仅被用作锁 存量子位可以在其中实施为移位寄存器的一种方式的实例。本领域的普通技术人员将理解 实施了不同数目的伪锁存量子位和/或不同数目的时钟信号线的任何系统都在具体系统 中可以是有利的。本系统、方法以及装置说明了基于通量的超导移位寄存器(如图6的移位寄存器 600)在读出多个计算量子位中的每个计算量子位的状态时的一个具体的实现方式。图7是使用基于通量的超导移位寄存器701的读出系统700的实施方案的示意 图，该寄存器包括多个锁存量子位以读出多个计算量子位中的每个计算量子位的状态。移 位寄存器701的操作是与图6的移位寄存器600的操作非常类似的，除了数据信号是通过 计算量子位721和722输入到移位寄存器701中，这与通过一个单一信号输入线相反。在 移位寄存器701中，当在时钟A中存在一个脉冲时，管理锁存量子位711锁存计算量子位 721的状态。类似地，当在时钟B中存在一个脉冲时，管理锁存量子位712锁存计算量子位 722的状态。通过如对于图6中的移位寄存器600所描述的时钟信号A-C的受控的脉动， 计算量子位721和722的状态可以沿着移位寄存器701转移到管理锁存量子位713上，其 中这些信号被一个测量器件(如磁强计731)读出。因此，读出系统700允许两个计算量子 位(721和722)通过一个单一测量器件(磁强计731)读出。本领域的普通技术人员将理 解一个类似的移位寄存器设计可以被应用于读出任何数目的计算量子位的状态。通过一种 包括多个锁存量子位的基于通量的超导移位寄存器来执行计算量子位的读出，本系统、方 法以及装置可以降低所要求的外部信号线的数目来运行一个超导处理器。因此，多个测量可以由一个单一器件(如磁强计731)来执行，而不是具有对应于每个单独的计算量子位的 一个对应的测量器件。在图5中，介导锁存量子位501提供了在计算量子位502与磁强计503之间的隔 离水平。如先前所讨论的，这种隔离水平可以通过将串联的额外的介导锁存量子位插入在 计算量子位502与磁强计503之间而得到增加。类似地，在一些实施方案中，将锁存量子位 与这些包括基于通量的超导移位寄存器的锁存量子位隔离可以是有利的。图8是一个读出系统800的另一个实施方案的示意图，该系统通过使用一种包括 多个锁存量子位的基于通量的超导移位寄存器可以读出多个计算量子位中的每个计算量 子位的状态。移位寄存器801以一种类似于图7的移位寄存器701的方式操作，但是读出 系统800包括多个介导锁存量子位841-843，这些介导锁存量子位并不包括在读出系统700 之中。介导锁存量子位841可以被用于介导在计算量子位821与移位寄存器801之间的耦 连。类似地，介导锁存量子位842可以被用于介导在计算量子位822与移位寄存器801之 间的耦连。此外，介导锁存量子位843可以被用于介导在移位寄存器801与一个测量器件 (如磁强计831)之间的耦连。在读出系统800中，多个介导锁存量子位841-843全部受同 一个时钟信号线“时钟D”控制。因此，当在时钟信号线时钟D上的时钟信号脉动时这些计 算量子位的状态被锁存，并且这些状态可以然后以类似于用于图6中的移位寄存器600说 明的方式通过移位寄存器801来传播。在本实施方案中，在时钟信号线时钟D上的一个脉 冲还锁存了来自移位寄存器801中的锁存量子位851的一个信号或状态并且将该信号或状 态传输到磁强计831上用于读出。本领域的普通技术人员将理解，在一些实施方案中，在一 个读出系统中使用不同数目的实在信号线可以是有利的。例如，在一些实施方案中，通过其 自身对应的时钟信号控制每个介导锁存量子位可以是有利的，或者通过同一个时钟信号控 制具体多组的介导锁存量子位可以是有利的。本领域的普通技术人员还将理解，以很大程度上与图5所述相同的方式，任何数 目的介导锁存量子位可以彼此串联地耦合以进一步增加在移位寄存器与计算量子位或测 量器件之间的隔离。在使用耦连到一起的多锁存量子位来介导给定的耦连的多个实施方案 中，将更大数目的时钟信号线结合到系统中可以是有用的。此外，多个介导锁存量子位(如 介导锁存量子位841-843)各自可以用于以类似于用于图5的介导锁存量子位501描述的 方式放大由一个对应的计算量子位输出的这个或这些信号。对所展示的实施方案的以上说明(包括在摘要中所描述的)并非旨在是穷尽的或 者把这些实施方案限定到所披露的确切的形式。虽然为了解说的目的在此描述了具体的实 施方案和实例，但是正如相关领域的技术人员将会认识到的，无须偏离本披露的精神和范 围即可以做出不同的等效修改。在此提供的不同实施方案的传授内容可以应用到多种超 导读出系统、方法以及装置上，不必一定是以上总体性描述的示例性读出系统、方法以及装 置。可将上述不同的实施方案进行组合以提供多个进一步的实施方案。本说明书中 提到的和/或在申请数据单中列出的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、 外国专利、外国专利申请以及非专利公开文件均通过引用、以它们的全文结合在此，它们包 括但不限于2007 年 9 月 24 日提交的名为 “Systems，Methods, andApparatus for Qubit State Readout”的美国临时专利申请序列号60/974，743 ；美国专利号6，838，694 ；美国专利号7，335，909 ；美国专利公开号2006-0225165 ；美国专利申请序列号12/013，192 ；2007 $ 11 月 8 HJI^W^^J "Systems, Devices and Methods for AnalogProcessing” 国临时专利申请序列号60/986，554 ；美国专利公开号2006-0147154 ；美国专利申请序列号 12/017，995 ；美国专利申请序列号12/109, 847 ；以及美国专利公开号2006-0248618。如有 必要，对这些实施方案的各个方面可以进行修改，以利用不同的专利、申请和公开文件中的 系统、电路及概念来提供更进一步的实施方案。 鉴于以上的详细说明，对这些实施方案可做出这些或其他的改变。总之，在以下权 利要求中，所使用的术语不应当解释为将权利要求限制为本说明书和这些权利要求所披露 的特定实施方案，而是应当解释为包括所有可能的实施方案，连同这些权利要求有权获得 的所有的等效物的全部范围。因此，这些权利要求并不限于本披露。
权利要求
一种超导读出系统，包括一个计算量子位；一个测量器件，该测量器件用于测量该计算量子位的一种状态；一个第一锁存量子位，该第一锁存量子位包括由超导材料的环路形成的一个量子位环路以及使该量子位环路间断的一个复合的约瑟夫逊结，其中该复合的约瑟夫逊结是由一个超导材料的闭合环路形成的，该闭合环路被至少两个约瑟夫逊结间断；以及一个第一时钟信号输入结构，该结构被配置为将多个时钟信号通信性耦连到该第一锁存量子位的复合的约瑟夫逊结上；其中该计算量子位与该测量器件中的至少一个被配置为通信性地耦连到该第一锁存量子位上，这样使该第一锁存量子位介导在该计算量子位与该测量器件之间的通信性耦连。
2.如权利要求1所述的超导读出系统，其中该计算量子位是选自下组的一个超导量子 位，该组的构成为一个超导通量量子位、一个超导电荷量子位、一个超导相位量子位、以及 一个超导混合量子位。
3.如权利要求1所述的超导读出系统，其中该测量器件包括一个磁强计。
4.如权利要求1所述的超导读出系统，其中在该第一锁存量子位与该计算量子位以及 该测量器件中的至少一个之间的通信性耦连包括电感性耦连。
5.如权利要求1所述的超导读出系统，其中该第一时钟信号输入结构被配置为在一个 大致绝热的频率上耦连一个时钟信号。
6.如权利要求5所述的超导读出系统，其中该绝热的频率是低于约20GHz。
7.如权利要求1所述的超导读出系统，其中一个大致恒定的时钟信号被施加到该第 一锁存量子位的复合的约瑟夫逊结上并且将该复合的约瑟夫逊结中的至少两个约瑟夫逊 结的参数选择为使得被耦连到该第一锁存量子位的量子位环路上的一个信号产生一个具 有更大幅值的对应的信号，该对应的信号是从该第一锁存量子位的量子位环路上进行耦连 的。
8.如权利要求1所述的超导读出系统，进一步包括至少一个额外的锁存量子位，该量 子位被配置为与该第一锁存量子位串联地通信性耦连，其中该计算量子位被配置为通信性 耦连到该第一锁存量子位上并且该测量器件被配置为通信性耦连到该至少一个额外的锁 存量子位上，这样使该第一锁存量子位以及该至少一个额外的锁存量子位二者介导在该计 算量子位与该测量器件之间的通信性耦连。
9.如权利要求8所述的超导读出系统，其中该第一锁存量子位以及该至少一个额外的 锁存量子位各自被配置为通信性耦连到一个对应的绝热时钟信号线上。
10.一种超导读出系统，包括多个计算量子位；一个测量器件，该测量器件用于测量这些计算量子位中的至少一个的一种状态；以及一个移位寄存器，该移位寄存器包括多个单独的寄存器，其中至少一个寄存器被配置 为通信性耦连到每个计算量子位上，并且至少一个寄存器被配置为通信性耦连到该测量器 件上。
11.如权利要求10所述的超导读出系统，其中这些计算量子位中的至少一个是选自下组的一个超导量子位，该组的构成为一个超导通量量子位、一个超导电荷量子位、一个超 导相位量子位、以及一个超导混合量子位。
12.如权利要求10所述的超导读出系统，其中该测量器件包括一个磁强计。
13.如权利要求10所述的超导读出系统，其中该移位寄存器包括一个超导移位寄存
14.如权利要求13所述的超导读出系统，其中该超导移位寄存器包括一个基于通量的 超导移位寄存器，该超导读出系统包括一组管理锁存量子位，每个管理锁存量子位被配置为通过通信性耦连来接收多个管理 时钟信号；一个第一组伪锁存量子位，在该第一组伪锁存量子位中的每个伪锁存量子位被配置为 通过通信性耦连来接收多个第一伪时钟信号；以及一个第二组伪锁存量子位，该第二组伪锁存量子位的每个伪锁存量子位被配置为通过 通信性耦连来接收多个第二伪时钟信号，其中对于在该组管理锁存量子位中的每对顺序的 管理锁存量子位而言，来自该第一组锁存量子位的一个对应的伪锁存量子位以及来自该第 二组伪锁存量子位的一个对应的伪锁存量子位被定位为对在这对顺序的管理锁存量子位 的管理锁存量子位之间的通量进行耦连；其中在该基于通量的超导移位寄存器中的一个第一管理锁存量子位被配置为接收来 自一个第一计算量子位的一个第一输入信号，并且在该基于通量的超导移位寄存器中的一 个第二管理锁存量子位被配置为接收来自一个第二计算量子位的一个第二输入信号。
15.如权利要求14所述的超导读出系统，其中在该基于通量的超导移位寄存器中的一 个第三管理锁存量子位被配置为向该测量器件发送一个输出信号。
16.如权利要求14所述的超导读出系统，其中这些管理时钟信号、第一伪时钟信号、以 及第二伪时钟信号各自是处于一个大致绝热的频率上。
17.如权利要求14所述的超导读出系统，进一步包括至少一个介导锁存量子位，该介 导锁存量子位被配置为在该第一计算量子位与该第一管理锁存量子位之间串联地进行通 信性耦连，这样使得该至少一个介导锁存量子位被配置为在该第一计算量子位与该第一管 理锁存量子位之间介导一个通信性耦连。
18.如权利要求17所述的超导读出系统，其中每个介导锁存量子位被配置为通过通信 性耦连来接收一个大致绝热的时钟信号。
19.如权利要求15所述的超导读出系统，进一步包括至少一个介导锁存量子位，该量 子位被配置为在该第三管理锁存量子位与该测量器件之间串联地进行通信性耦连，这样使 得该至少一个介导锁存量子位被配置为在该第三管理锁存量子位与该测量器件之间介导 一个通信性耦连，其中该至少一个介导锁存量子位被配置为通过通信性耦连来接收一个大 致绝热的时钟信号。
20.读出一个计算量子位的一种状态的方法，该方法包括将来自该计算量子位的一种状态信号耦连到一个第一锁存量子位上；将一个第一时钟信号耦连到该第一锁存量子位中的一个复合的约瑟夫逊结上；使用该第一时钟信号来控制在该计算量子位与该第一锁存量子位之间的状态信号的 耦连；将来自该第一锁存量子位的状态信号耦连到一个测量器件上；并且使用该第一时钟信号来控制在该第一锁存量子位与该测量器件之间的状态信号的耦连。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括将来自该第一锁存量子位的状态信号耦连到一组串联耦连的锁存量子位上，其中该组 包括至少一个锁存量子位并且该组中的每个锁存量子位被耦连到一个对应的时钟信号线 上；使用在这些对应的时钟信号线上的时钟信号以便通过该组锁存量子位控制该状态信 号的传播；将来自该组锁存量子位中的一个最后的锁存量子位的状态信号耦连到一个测量器件 上；并且使用一个对应于该最后锁存量子位的时钟信号来控制在该最后锁存量子位与该测量 器件之间的耦连。
22.—种读出多个计算量子位中的每个计算量子位的状态的方法，该方法包括 将来自每个计算量子位的一个对应的信号耦连到一个移位寄存器中的一个对应的寄存器中；使在该移位寄存器内的多个相邻的寄存器之间的这些信号移位；并且将来自该移位寄存器中的至少一个寄存器的这些信号耦连到至少一个测量器件上。
23.如权利要求22所述的方法，其中将来自每个计算量子位的一个对应的信号耦连到 一个移位寄存器中的对应的寄存器中包括将这些信号耦连到一个超导移位寄存器的多个 对应的移位寄存器中。
24.如权利要求23所述的方法，其中将来自每个计算量子位的一个对应的信号耦连到 一个超导移位寄存器的一个对应的移位寄存器中包括将这些信号耦连到包括多个锁存量 子位的一个基于通量的超导移位寄存器中的多个对应的寄存器中。
25.如权利要求22所述的方法，进一步包括通过至少一个介导锁存量子位介导来自这 些计算量子位中的至少一个到该移位寄存器中的对应的移位寄存器的信号耦连。
26.如权利要求25所述的方法，其中介导该耦连包括对该至少一个介导锁存量子位施 加一组时钟信号脉冲。
27.如权利要求22所述的方法，进一步包括通过至少一个介导锁存量子位介导来自这 些寄存器的至少一个到该测量器件的信号耦连。
28.如权利要求27所述的方法，其中介导该耦连包括对该至少一个介导锁存量子位施 加一组时钟信号脉冲。
29.如权利要求22所述的方法，其中该耦连以及移位包括对在该移位寄存器中的这些 寄存器施加一组时钟信号脉冲。
全文摘要
一种超导读出系统，包括一个计算量子位；一个测量器件，用于测量该计算量子位的一种状态；以及一个锁存量子位，该锁存量子位介导在该计算量子位与该测量器件之间的通信性耦连。该锁存量子位包括一个量子位环路，该量子位环路包括相互串联耦连的至少两个超导电感器；使该量子位环路间断的一个复合的约瑟夫逊结，该量子位环路包括在该复合的约瑟夫逊结中相互串联耦连并且相对于该闭合环路相互并联地耦连的至少两个约瑟夫逊结；以及一个第一时钟信号输入结构，用于将多个时钟信号耦合到该复合的约瑟夫逊结上。
文档编号G06N99/00GK101868802SQ200880117254
公开日2010年10月20日 申请日期2008年9月23日 优先权日2007年9月24日
发明者安德鲁·J·伯克利 申请人:D-波系统公司