本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
本发明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，本发明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，本发明提供量子信息处理系统，包括如本发明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。
本发明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，例如如本发明第二方面所述。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。
本发明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式提供。在优选的实施例中，控制线与量子位的两个超导电极同轴地布置。除此之外或另选地，控制线包括同轴电缆，例如具有与量子位的同轴电极匹配或类似的几何结构。此布置使控制线能够以直接的方式耦合到量子位，并且从多量子位系统中的多个量子位中高度选择性地控制单个量子位。
在另一个实施例中，控制线包括磁通量控制线。此类磁通量控制线优选地包括具有电短接端部的同轴线，其中同轴线具有(例如以使同轴电缆中的电流能够在附近的量子位中产生磁通量的方式)连接到外接地导体的中心导体。例如在量子位为频率可调的实施例中，这允许控制线控制量子位的频率。
控制线被布置成以任何合适和期望的方式控制量子位的状态。优选地，控制线被布置成用电磁辐射例如用微波来辐射量子位。在优选的实施例中，控制线被布置成将电磁辐射例如微波的脉冲施加到量子位。可改变电磁辐射的脉冲的长度、相位和/或幅度以实施通用单个量子位控制。因此优选地，控制线被布置成提供量子位的量子状态的通用控制。
构件块的读出元件可以以任何合适和期望的方式提供。在优选的实施例中，读出元件包括耦合到超导量子位(例如与量子位的两个超导电极同轴地布置)的(例如微波)谐振器。微波谐振器可包括集总元件微波谐振器，例如具有与量子位相同的几何结构并且不同之处仅在于使用线性电感器代替约瑟夫森结。因此，在特别优选的实施例中，两个超导电极、控制线和/或读出元件同轴地布置。除此之外或另选地，读出元件包括同轴电缆，例如具有与量子位的同轴电极匹配或类似的几何结构。此布置使读出元件能够以直接的方式耦合到量子位，并且从多量子位系统中的多个量子位中执行对单个量子位的高度选择性的测量。
读出元件被布置成以任何合适和期望的方式测量量子位的状态。在优选的实施例中(当读出元件包括同轴电缆和微波读出谐振器时)，读出元件的同轴电缆被布置成测量读出微波谐振器(其耦合到量子位)的响应，例如在某个频率下，可从该响应推断出量子位的状态。
在构件块的一个实施例中，控制线和读出元件可被形成为单个元件，即组合到同一元件中，优选地包括同轴电缆和同轴读出谐振器，该单个原件被布置用于单个量子位控制和测量两者，例如其中将同轴电缆布置在读出谐振器后面。
在量子信息处理系统中，优选地，每个控制线和/或读出元件仅耦合到单个量子位，即优选地在量子位与其相关联的控制线和/或读出元件之间存在一对一的关系。可提供量子信息处理系统，使得并非所有的量子位都具有相关联的控制线和/或读出元件，例如以实施特定的量子计算架构诸如表面代码。
在量子信息处理系统中，多个构件块中的每个可以以任何合适和期望的方式耦合到多个构件块中的其它构件块中的一个或多个。在优选的实施例中，多个构件块中的一个或多个并且优选地全部耦合到离其最近的其它构件块。将构件块耦合到其最近的一个或多个邻居构件块有助于提供简单的可扩展的架构，该架构能够实现容错量子计算方案诸如表面代码。
优选地，耦合包括邻近的量子位的外电极之间的电容，例如其电容可通过改变量子位电极的几何结构和/或间距进行调节。优选地，量子信息处理系统进一步包括一个或多个另外的超导量子位，该一个或多个另外的超导量子位可以以任何合适和期望的方式(诸如经由邻近的量子位的外电极之间的电容)连接到构件块中的一个或多个。例如，另外的超导量子位可连接或不可连接到控制线和/或读出元件。
量子信息处理系统中的多个构件块可以以任何合适和期望的方式布置。在优选的实施例中，构件块被布置成例如规则的阵列。阵列的类型可取决于每个构件块可期望耦合到的其它构件块的数量。例如阵列可包括正方阵列(即其中量子位被布置成行和列)，在该情况下，每个量子位可耦合到多至四个其它量子位(假设例如仅使用最近的相邻耦合)。在另一个实施例中，阵列可包括三角阵列，在该情况下，每个量子位可耦合到多至六个其它量子位(假设例如仅使用最近的相邻耦合)。在另一个实施例中，阵列可包括六角阵列，在该情况下，每个量子位可耦合到多至三个其它量子位(假设例如仅使用最近的相邻耦合)。其它几何结构可按照合适和期望的方式使用。
量子信息处理系统中的多个量子位可设置在单个平面(即超导电极的平面)中。然而还设想以下实施例，其中提供量子位的多个平面，例如堆叠在彼此的顶部上使得量子位的平面平行。
量子信息处理系统可包括任何合适和期望数量的量子位。在一个实施例中，量子信息处理系统包括10个或更多个量子位，例如20个或更多个量子位，例如50个或更多个量子位，例如100个或更多个量子位。
在一个实施例中，量子信息处理系统包括处理电路系统，该处理电路系统被布置成操作多个量子位中的一个或多个，例如操纵一个或多个量子位的状态。优选地，处理电路系统被布置成贯穿系统中的量子位阵列实施一个或多个(例如高保真度单个量子位和双量子位)量子逻辑门。还优选地，处理电路系统被布置成实施对阵列中的量子位的至少一个子集的高保真度单发量子位测量。还优选地，处理电路系统被布置成实施一个或多个纠错方案，例如使用反馈算法。这使量子信息处理系统能够执行有用的量子计算。
附图说明
现将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的用于量子信息处理系统的构件块；
图2示出了如图1所示的构件块的组；
图3和图4示出了如图1所示的构件块的阵列；以及
图5示出了根据本发明的进一步的实施例的用于量子信息处理系统的构
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的用于量子信息处理系统的构件块1。构件块1包括超导量子位2，该超导量子位2具有两个超导电极3、4和两个超导电极3、4之间的约瑟夫森结5。两个超导电极3、4被布置为由同轴且共面的圆形外超导电极4包围的圆形内超导电极3。约瑟夫森结5被布置成在两个超导电极3、4之间径向延伸。可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以形成超导量子位2。
为了控制超导量子位2的量子状态，控制线6与超导量子位2同轴地设置。控制线6被布置成用微波辐射超导量子位2以便设定超导量子位2的状态。
在超导量子位2的另一侧上设置有读出谐振器7和读出线8，该读出谐振器7和读出线8中的两者也都与超导量子位2同轴地布置。读出谐振器7被布置成以其谐振频率取决于超导量子位2的状态的方式耦合到超导量子位2。读出线8被布置成辐射谐振器7并且经由反射的微波信号测量谐振器7的频移并且因此测量超导量子位2的状态。
图2示意性地示出了布置成直线的如图1所示的构件块1中的三个的组10。超导量子位2全部位于同一平面中，并且因此可形成在同一基底上。谐振器7可形成在同一基底的背侧上，或形成在单独的基底上。如将参考图4所示，但图2中未示出，每个超导量子位2的外超导电极4经由电容器连接到最近的相邻量子位2的外超导电极4。
图3示意性地示出了布置成正方阵列的如图1所示的构件块1中的九个的组20。超导量子位2同一平面中，并且因此可形成在同一基底上。谐振器7可形成在同一基底的背侧上，或形成在单独的基底上。如将参考图4所示，但图3中未示出，每个超导量子位2的外超导电极4经由电容器连接到最近的相邻量子位2的外超导电极4。
图4示意性地示出了图3所示的构件块1的平面图。如图可见，构件块1被布置成正方阵列，其中每个超导量子位2的外超导电极4经由电容器9连接到最近的相邻超导量子位2的外超导电极4。
此外，为了实施包括如图1至图4所示的构件块1的量子信息处理系统，该系统将包括多个标准控制电子器件(未示出)，例如连接到同轴电缆中的每个的端部，例如包括控制线6和读出线8以及将必要的部件保持在超导温度下所需的合适的冷却系统(未示出)。
例如，在操作中将量子信息处理系统10或量子信息处理系统20提供作为量子计算机的一部分。控制线6将微波辐射的脉冲施加到它们各自的超导量子位2，该微波辐射的脉冲的长度、相位和/或幅度用于控制超导量子位2的状态，即量子位的状态，并且执行单个量子位操作。多量子位(例如双量子位)量子逻辑操作以任何期望的方式(例如通过将适当的微波脉冲施加到控制线6、利用量子位之间的电容耦合或以其它方式耦合)实施。超导量子位2的量子状态因此通过一系列的量子逻辑门操纵，以使用量子信息处理系统10或量子信息处理系统20执行计算。
一旦已执行计算，读出谐振器7用于测量它们各自的超导量子位2的状态，例如通过测量施加到读出线8的微波信号的幅度和/或相位，该读出线8在它们的谐振频率附近辐射读出谐振器7，该谐振频率取决于它们各自的超导量子位2的状态。然后超导量子位2在已执行计算之后的状态可用于确定计算的结果。
图5示意性地示出了根据本发明的进一步的实施例的用于量子信息处理系统的构件块21。此实施例的构件块21类似于图1至图4所示的构件块，即它包括具有两个超导电极23、24的超导量子位22，该超导电极23、24被布置为由同轴且共面的圆形外超导电极24包围的圆形内超导电极23。
不同之处在于，超导量子位22包括在两个超导电极23、24之间径向延伸的两个约瑟夫森结25、26。这使超导量子位22通量可调，即其过渡频率可通过改变穿过超导量子位22的两个电极之间的两个空间的磁通量进行调整。
控制线27与超导量子位22同轴地设置，并且能够将磁通量控制提供给超导量子位22。读出谐振器28和读出线29设置在超导量子位22的相对侧上，并且读出线29还用作用于实施单个量子位控制的控制线，在图1所示的实施例中该单个量子位控制使用控制线6实现。
与参考图1至图4所示的构件块类似，图5的构件块21被布置为构件块的阵列的一部分以形成量子信息处理系统。
图5所示的构件块21(作为量子信息处理系统的一部分)的操作类似于图1至图4中所示的构件块，即控制线27被布置成通过将磁通量施加到超导量子位22以设定超导量子位的量子状态。然后，使用读出谐振器28和读出线29操纵并且随后测量构件块21(连同量子信息处理系统中的其它元件)的状态。
因此应当理解，因为超导量子位的超导电极不沿着单一方向，所以与具有线性几何结构的超导量子位相比，本发明的构件块和量子信息处理系统有助于显著地减弱构件块对均匀的电磁场的电磁耦合。因此，构件块与电磁环境有效隔离，这有助于增加量子位的相干时间。
还应当理解，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线和读出元件相对于超导量子位的两个超导电极的平面布置在平面外，包括多个构件块的信息处理系统的拓扑能够以与构件块(量子位)的数量相同的方式进行扩展。