量子处理器中耦合量子位的系统和方法与流程
本披露内容总体上涉及用于量子计算、并且具体地用于在量子处理器中耦合量子位的系统、设备、方法和制品。
背景技术：
量子设备
量子设备是在其中可观察到量子力学效应的结构。量子设备包括在其中由量子力学效应主导电流传输的电路。这种设备包括其中电子自旋被用作资源的自旋电子装置以及超导电路。超导电路是包括超导设备的电路。超导设备是包括超导材料的设备。超导材料是在临界电流、磁场和温度之下没有电阻的材料。自旋和超导性均是量子力学现象。超导性是在提交本申请时本领域所熟知的物理现象。量子设备可以用于测量仪器、用在计算机械中等。
量子计算
量子计算和量子信息处理是活跃的研究领域并且定义了多类可销售产品。量子计算机是直接使用比如叠加、隧穿和纠缠等至少一种量子力学现象来执行数据运算的系统。量子计算机的元件是量子二进制数字，被称为量子位。量子计算机有望对某些类别的计算问题，比如模拟量子物理的计算问题提供指数级的加速。对于其他类别的问题有可能存在有用的加速。
量子计算的一个模型是绝热量子计算。例如，绝热量子计算可以适用于解决困难的优化问题。在例如发明名称为“adiabaticquantumcomputationwithsuperconductingqubits(具有超导量子位的绝热量子计算)”的美国专利7,135,701；和发明名称为“adiabaticquantumcomputationwithsuperconductingqubits(具有超导量子位的绝热量子计算)”的美国专利7,418,283中描述了关于绝热量子计算系统、方法和装置的进一步细节。
量子退火
量子退火是一种计算方法，所述计算方法可以用于找出系统的低能态，通常优选地所述系统的基态。在概念上与经典的模拟退火类似，所述方法所依赖的基本原理在于自然系统趋向于较低能态，因为较低能态更加稳定。虽然经典退火使用经典的热波动来将系统引导到低能态，但量子退火可以使用比如量子隧穿等量子效应作为离域来源以便比经典退火更精确和/或更快速地达到能量最小值。在量子退火中，可能存在热效应和其他噪声。最终低能态可以不是全局能量最小值。
绝热量子计算可以被视为量子退火的特例。在绝热量子计算中，系统理想地在整个绝热演化中开始并保持其基态。因此，本领域的技术人员还应了解的是量子退火系统和方法总体上可以在绝热量子计算机上实施。贯穿本申请，任何对量子退火的引用均旨在包含绝热量子计算，除非上下文中另有要求。
超导量子位
量子处理器可以是包括超导量子位的超导量子处理器。wending.和shumeikov.s.，“superconductingquantumcircuits，qubitsandcomputing(超导量子电路、量子位和计算)”(arxiv：cond-mat/0508729v1，2005)，提供了对用于量子信息处理的量子化超导电路的物理学和操作原理的引入。
耦合
耦合器(在本申请中也被称为耦合设备)可以在量子处理器中的量子位之间提供通信耦合。耦合可以在相邻和/或非相邻量子位之间。除非另外明确指出，否则如本文和权利要求中所使用的，术语耦合(couple)、耦合(couples)、耦合(coupling)和这种术语的变体意味着两个或更多个部件之间的直接或间接通信耦合或通信。部件可以包括例如系统、子系统、计算机、电路、集成电路、设备和/或量子处理器的量子位。集成电路(在本申请中也被称为ic、芯片和微芯片)是由包括例如电阻器、电容器、量子位和耦合器的电路和/或设备填充的材料(例如，硅)的晶圆。
相关技术的上述示例以及与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读本说明书和研究附图之后，相关领域的其他限制将对本领域的技术人员变得显而易见。
技术实现要素：
一种超导集成电路可以被概述为包括：第一超导量子位，所述第一超导量子位包括第一材料回路；第二超导量子位，所述第二超导量子位包括第二材料回路，所述第一材料回路和所述第二材料回路中的每一个在低于对应的临界温度的温度范围内超导；以及超导耦合器，所述超导耦合器包括复合约瑟夫逊结，所述复合约瑟夫逊结以电流方式通信地耦合至所述第一材料回路和所述第二材料回路中的每一个；第一约瑟夫逊电感，所述第一约瑟夫逊电感包括中断所述第一材料回路的第一约瑟夫逊结；以及第二约瑟夫逊电感，所述第二约瑟夫逊电感包括中断所述第二材料回路的第二约瑟夫逊结，其中，所述第一超导量子位至少部分地经由所述第一约瑟夫逊电感和所述第二约瑟夫逊电感通信地耦合至所述第二超导量子位。
一种量子处理器可以被概述为包括：第一量子位；第二量子位；以及耦合器，所述耦合器以电流方式耦合至所述第一量子位和所述第二量子位，其中，所述耦合器能够操作用于以电感方式通信地耦合所述第一量子位和所述第二量子位。所述第一量子位和所述第二量子位可以是超导通量量子位，并且所述耦合器可以是超导耦合器。
所述超导耦合器可以包括复合约瑟夫逊结，所述复合约瑟夫逊结以电流方式耦合至所述第一超导量子位和所述第二超导量子位；以及材料回路，所述材料回路在低于临界温度的温度范围内超导，所述回路包括：第一约瑟夫逊电感，所述第一约瑟夫逊电感包括第一约瑟夫逊结；以及第二约瑟夫逊电感，所述第二约瑟夫逊电感包括第二约瑟夫逊结，其中，所述第一超导量子位至少部分地经由所述第一约瑟夫逊电感和所述第二约瑟夫逊电感通信地耦合至所述第二超导量子位。
一种量子计算机可以被概述为包括：第一谐振电路，所述第一谐振电路包括第一电感；第一量子位，所述第一量子位以静电方式通信地耦合至所述第一谐振电路；第二谐振电路，所述第二谐振电路包括第二电感；以及第二量子位，所述第二量子位以静电方式通信地耦合至所述第二谐振电路，其中，所述第一谐振电路和所述第二谐振电路经由所述第一电感与所述第二电感之间的互感以电感方式通信地耦合。所述第一谐振电路可以是包括所述第一电感和第一电容的第一lc电路，并且所述第二谐振电路可以是包括所述第二电感和第二电容的第二lc电路。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的超导通量量子位。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的射频超导量子干涉设备(rf-squid)。所述第一量子位可以包括在低于临界温度的温度范围内超导的第一材料回路，所述第一材料回路被第一约瑟夫逊结中断，所述第一回路包括与所述第一约瑟夫逊结串联的第一量子位电感和与所述第一约瑟夫逊结并联的第一量子位电容；并且所述第二量子位可以包括在所述温度范围内超导的第二材料回路，所述第二材料回路被第二约瑟夫逊结中断，所述第二回路包括与所述第二约瑟夫逊结串联的第二量子位电感和与所述第二约瑟夫逊结并联的第二量子位电容。
一种量子处理器可以被概述为包括：第一lc电路；第一量子位，所述第一量子位经由第一电容通信地耦合至所述第一lc电路；第二lc电路；以及第二量子位，所述第二量子位经由第二电容通信地耦合至所述第二lc电路，所述第二lc电路经由互感通信地耦合至所述第一lc电路，其中，所述第一量子位以电容方式耦合至所述第二量子位。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的超导量子位。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的超导通量量子位。所述第一量子位可以通过yy耦合以电容方式通信地耦合至所述第二量子位。
所述量子处理器可以进一步包括接口，所述接口能够操作用于调谐所述第一量子位与所述第二量子位之间的耦合强度的符号和大小中的至少一个。
一种量子处理器可以被概述为包括：第一lc电路；第一量子位，所述第一量子位经由第一电容通信地耦合至所述第一lc电路；第二lc电路；以及第二量子位，所述第二量子位经由第二电容通信地耦合至所述第二lc电路，其中，所述第二lc电路经由第一互感以电感方式通信地耦合至所述第一量子位，并且所述第一lc电路经由第二互感以电感方式通信地耦合至所述第二量子位。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的超导量子位。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的超导通量量子位。所述第一量子位可以通过yz耦合通信地耦合至所述第二量子位。
所述量子处理器可以进一步包括接口，所述接口能够操作用于调谐所述第一量子位与所述第二量子位之间的耦合强度的符号和大小中的至少一个。
一种量子处理器可以被概述为包括：公共谐振器；第一lc电路；第二lc电路；第一量子位，所述第一量子位经由第一电容通信地耦合至所述第一lc电路，所述第一lc电路经由第一互感以电感方式通信地耦合至所述公共谐振器；以及第二量子位，所述第二量子位经由第二电容通信地耦合至所述第二lc电路，所述第二lc电路经由第二互感以电感方式通信地耦合至所述公共谐振器，其中，所述第一量子位和所述第二量子位各自经由所述公共谐振器彼此通信地耦合。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的超导量子位。所述第一量子位和所述第二量子位各自可以是对应的超导通量量子位。所述第一量子位可以以电容方式通信地耦合至所述第二量子位。
所述量子处理器可以进一步包括接口，所述接口能够操作用于调谐所述第一量子位与所述第二量子位之间的耦合强度的符号和大小中的至少一个。
所述量子处理器可以进一步包括：第三lc电路；第三量子位，所述第三量子位经由第三电容通信地耦合至所述第三lc电路，所述第三lc电路经由第三互感以电感方式通信地耦合至所述公共谐振器。所述第一量子位、所述第二量子位、和所述第三量子位各自可以是对应的超导量子位。所述第一量子位、所述第二量子位、和所述第三量子位各自可以是对应的超导通量量子位。所述第一量子位可以以电容方式通信地耦合至所述第二量子位，所述第二量子位可以以电容方式通信地耦合至所述第三量子位，并且所述第三量子位可以以电容方式通信地耦合至所述第一量子位。
所述量子处理器可以进一步包括：第一接口，所述第一接口能够操作用于调谐所述第一量子位与所述第二量子位之间的耦合强度的符号和大小中的至少一个；第二接口，所述第二接口能够操作用于调谐所述第二量子位与所述第三量子位之间的耦合强度的符号和大小中的至少一个；以及第三接口，所述第三接口能够操作用于调谐所述第三量子位与所述第一量子位之间的耦合强度的符号和大小中的至少一个。
一种电路可以被概述为包括：第一设备，所述第一设备包括：第一回路，所述第一回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一回路被第一约瑟夫逊结中断；以及第一设备电感，所述第一设备电感与所述第一约瑟夫逊结串联；以及第二设备，所述第二设备包括：第二回路，所述第二回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第二回路被第二约瑟夫逊结中断；以及第二设备电感，所述第二设备电感与所述第二约瑟夫逊结串联；耦合设备，所述耦合设备包括第三回路，所述第三回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第三回路被第三约瑟夫逊结中断，所述第三回路包括多个耦合电感，每个耦合电感与所述第三约瑟夫逊结串联，所述第三回路的一部分与所述第一回路的一部分共享以形成第一公共区段，其中，所述第二设备通过以下各项通信地耦合至所述第一设备：所述第一设备电感到所述多个耦合电感中的第一耦合电感的电感耦合；所述第二设备电感到所述多个耦合电感中的第二耦合电感的电感耦合；以及由所述第一公共区段产生的电流耦合。
所述第一设备和所述第二设备中的至少一个可以进一步包括第三设备电感，所述第二设备通过以下各项通信地耦合至所述第一设备：所述第三设备电感到所述多个耦合电感中的第三耦合电感的电感耦合。所述第三回路可以进一步包括第二公共区段，所述第二公共区段是与所述第二回路共有的，所述第二设备通过耦合通信地耦合至所述第一设备，所述耦合进一步包括由所述第二公共区段产生的电流耦合。所述第一设备和所述第二设备中的至少一个可以进一步包括第三设备电感，所述第二设备通过以下各项通信地耦合至所述第一设备：所述第三设备电感到所述多个耦合电感中的第三耦合电感的电感耦合。所述电路可以是集成电路。所述第一设备可以是第一量子位，并且所述第二设备可以是第二量子位。所述第一设备可以是超导通量量子位，并且所述第二设备可以是超导通量量子位。所述第一约瑟夫逊结、所述第二约瑟夫逊结和所述第三约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合约瑟夫逊结。所述第一约瑟夫逊结和所述第二约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合-复合约瑟夫逊结。所述第一设备电感、所述第二设备电感和所述多个耦合电感中的至少一个可以包括多个电感区段。
一种电路可以被概述为包括：第一设备，所述第一设备包括第一回路，所述第一回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一回路被第一约瑟夫逊结中断；以及第二设备，所述第二设备包括第二回路，所述第二回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第二回路被第二约瑟夫逊结中断；耦合设备，所述耦合设备包括第三回路，所述第三回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第三回路包括有序序列的区段，所述有序序列依次包括：与所述第一回路的区段共有的第一区段；被第三约瑟夫逊结中断的第二区段；与所述第二回路的区段共有的第三区段；以及被第四约瑟夫逊结中断的第四区段，其中，所述第二设备通过由所述第一区段和所述第二区段产生的电流耦合通信地耦合至所述第一设备。
所述第三约瑟夫逊结和所述第四约瑟夫逊结中的至少一个可以可操作为l调谐器。所述电路可以是集成电路。所述第一设备可以是第一量子位，并且所述第二设备可以是第二量子位。所述第一设备可以是超导通量量子位，并且所述第二设备可以是超导通量量子位。所述第一约瑟夫逊结、所述第二约瑟夫逊结、所述第三约瑟夫逊结和所述第四约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合约瑟夫逊结。所述第一约瑟夫逊结和所述第二约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合-复合约瑟夫逊结。所述第一设备电感、所述第二设备电感、所述第一耦合电感和所述第二耦合电感中的至少一个可以包括多个电感区段。
一种电路可以被概述为包括：第一设备，所述第一设备包括第一设备回路，所述第一设备回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一设备回路被第一约瑟夫逊结中断，所述第一设备回路包括第一设备电感；以及第二设备，所述第二设备包括第二设备回路，所述第二设备回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第二设备回路被第二约瑟夫逊结中断，所述第二设备回路包括第二设备电感；耦合设备，所述耦合设备包括：第一耦合回路，所述第一耦合回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一耦合回路被第三约瑟夫逊结中断，所述第一耦合回路包括：第一耦合电感；以及与所述第二设备回路的区段共有的第一区段，所述第二耦合回路包括：第二耦合电感；以及与所述第一设备回路的区段共有的第二区段，其中，所述第一耦合回路通过所述第一耦合电感和所述第一设备电感以电感方式通信地耦合至所述第一设备，所述第二耦合回路通过所述第二耦合电感和所述第二设备电感以电感方式通信地耦合至所述第二设备，所述第一耦合回路通过所述第一区段以电流方式通信地耦合至所述第二设备，并且所述第二耦合回路通过所述第二区段以电流方式通信地耦合至所述第一设备。
所述电路可以是集成电路。所述第一设备可以是量子位，并且所述第二设备可以是量子位。所述第一设备可以是超导通量量子位，并且所述第二设备可以是超导通量量子位。所述第一约瑟夫逊结、所述第二约瑟夫逊结和所述第三约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合约瑟夫逊结。所述第一约瑟夫逊结和所述第二约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合-复合约瑟夫逊结。所述第一设备电感、所述第二设备电感、所述第一耦合电感和所述第二耦合电感中的至少一个可以包括多个电感区段。
一种电路可以被概述为包括：第一设备，所述第一设备包括第一设备回路，所述第一设备回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一设备回路被第一约瑟夫逊结中断，所述第一设备回路包括第一设备电感；以及第二设备，所述第二设备包括第二设备回路，所述第二设备回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第二设备回路被第二约瑟夫逊结中断，所述第二设备回路包括第二设备电感；耦合设备，所述耦合设备包括：第一耦合回路，所述第一耦合回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一耦合回路包括有序序列的区段，所述有序序列依次包括：包括第一耦合电感的第一区段；被第三约瑟夫逊结中断的第二区段；包括第二耦合电感的第三区段；以及被第四约瑟夫逊结中断的第四区段，其中，所述第二设备通过由所述第一耦合电感和所述第二耦合电感产生的电感耦合通信地耦合至所述第一设备。
所述电路可以是集成电路。所述第一设备可以是量子位，并且所述第二设备可以是量子位。所述第一设备可以是超导通量量子位，并且所述第二设备可以是超导通量量子位。所述第一约瑟夫逊结、所述第二约瑟夫逊结和所述第三约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合约瑟夫逊结。所述第一约瑟夫逊结和所述第二约瑟夫逊结中的至少一个可以是复合-复合约瑟夫逊结。所述第一设备电感、所述第二设备电感、所述第一耦合电感和所述第二耦合电感中的至少一个可以包括多个电感区段。
一种电路可以被概述为包括：第一设备，所述第一设备包括第一设备回路，所述第一设备回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一设备回路被第一约瑟夫逊结中断，所述第一设备回路包括第一设备电感；以及第二设备，所述第二设备包括第二设备回路，所述第二设备回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第二设备回路被第二约瑟夫逊结中断，所述第二设备回路包括第二设备电感；耦合设备，所述耦合设备包括第一耦合回路，所述第一耦合回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一耦合回路被第三约瑟夫逊结中断，所述第一耦合回路包括第一耦合设备电感、第二耦合设备电感和第三耦合设备电感；以及第一接口，所述第一接口包括第一接口电感和第一电流源，所述第一接口能够操作用于通过所述第一接口电感到所述第一耦合电感的通信耦合向所述第一耦合回路提供通量偏置，其中，所述第一设备通过所述第一设备电感到所述第二耦合设备电感的通信耦合以及所述第二设备电感到所述第三耦合设备电感的通信耦合通信地耦合至所述第二设备。
所述第一设备和所述第二设备可以是超导通量量子位。所述第一约瑟夫逊结和所述第二约瑟夫逊结可以是复合约瑟夫逊结和复合-复合约瑟夫逊结之一。所述第三约瑟夫逊结可以是复合约瑟夫逊结和复合-复合约瑟夫逊结之一。
在以上实施方式中的各个实施方式中，所述电路可以包括第二接口，所述第二接口包括第二接口电感和第二电流源，所述第一设备回路包括第三设备电感，所述第二接口能够操作用于通过所述第二接口电感到所述第三设备电感的通信耦合向所述第一设备回路提供通量偏置；以及第三接口，所述第三接口包括第三接口电感和第三电流源，所述第二设备回路包括第四设备电感，所述第三接口能够操作用于通过所述第三接口电感到所述第四设备电感的通信耦合向所述第二设备回路提供通量偏置。
一种超导集成电路可以被概述为包括：叠层，所述叠层包括：上层，所述上层包括第一绕组，所述第一绕组包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一绕组包括第一电感；下层，所述下层在所述叠层中低于所述上层，所述下层包括第二绕组，所述第二绕组包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第二绕组包括第二电感；以及中间层，所述中间层位于所述叠层中的所述上层与所述下层之间，所述中间层包括第一设备回路，所述第一回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一设备回路包括第三电感和第四电感，其中，所述第一绕组通过所述第一电感和所述第三电感以电感方式耦合至所述设备回路，并且所述第二绕组通过所述第二电感和所述第四电感以电感方式耦合至所述第一设备回路。
在一些实施方式中，所述第一设备回路是第一超导通量量子位的回路。在一些实施方式中，所述第一绕组、所述第二绕组和所述设备回路中的至少一个包括铌。在一些实施方式中，所述第一绕组通过竖直互连通路(通孔)超导地电耦合至所述第二绕组。在一些实施方式中，所述第一绕组和所述第二绕组中的至少一个以电流方式通信地耦合至所述设备回路。在以上实施方式中的各个实施方式中，所述第一绕组和所述第二绕组中的至少一个为以下至少一项：以电流方式通信地耦合至第二设备回路以及以电感方式通信地耦合至第二设备回路。所述第二设备回路可以是第二超导通量量子位的回路。
一种电路可以被概述为包括：第一设备，所述第一设备包括第一回路，所述第一回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第一回路被第一约瑟夫逊结中断，并且第一主体l调谐器与所述第一约瑟夫逊结串联，所述第一回路包括第一耦合l调谐器；第二设备，所述第二设备包括第二回路，所述第二设备回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第二回路被第二约瑟夫逊结中断，并且第二主体设备l调谐器与所述第二约瑟夫逊结串联，所述第二回路包括第二耦合l调谐器；以及耦合设备，所述耦合设备包括第三回路，所述第三回路包括在低于对应的临界温度的温度范围内超导的材料，所述第三回路被第一电容和第二电容以及所述第一耦合l调谐器和所述第二耦合l调谐器中断，其中，所述第一设备以至少部分地通过调节所述第一主体l调谐器和所述第二主体l调谐器以及所述第一耦合l调谐器和所述第二耦合l调谐器中的至少一个而确定的耦合强度以电容方式通信地耦合至所述第二设备。
在一些实施方式中，所述第一回路和所述第二回路中的至少一个包括铌。在一些实施方式中，所述第一约瑟夫逊结和所述第二约瑟夫逊结中的至少一个是复合约瑟夫逊结和复合-复合约瑟夫逊结中的至少一个。
在以上实施方式中的各个实施方式中，所述第一主体l调谐器和所述第二主体l调谐器以及所述第一耦合l调谐器和所述第二耦合l调谐器中的至少一个是复合约瑟夫逊结和复合-复合约瑟夫逊结中的至少一个。所述耦合强度可以至少部分地通过向复合约瑟夫逊结和复合-复合约瑟夫逊结中的至少一个应用通量偏置来确定。所述耦合强度可以至少部分地通过使用以电感方式通信地耦合的接口应用通量偏置来确定。
附图说明
在附图中，相同的附图标记标识相似的元件或动作。元件在附图中的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，各种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元件被任意放大并定位以提高附图易读性。进一步地，所绘出的元件的特定形状不一定旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，而只是为了便于在附图中进行识别而选取的。
图1a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的具有jj-电流cjj耦合器的超导电路的一部分的示例实施方式。
图1b是示意图，展示了图1a的jj-电流cjj耦合器。
图2a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的超导通量量子位的示例实施方式。
图2b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的超导通量量子位的另一个示例实施方式。
图3是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括两个量子位和对称耦合器的电路的示例实施方式。
图4是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的超导量子处理器的部分400的示例实施方式。
图5是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的量子处理器的部分500的示例实施方式。
图6是曲线图，展示了示例双阱势能曲线600。
图7是根据本系统、设备、制品和方法的超导量子处理器的电路700的示例实施方式的示意图。
图8是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的具有yy耦合的电路的示例实施方式。
图9是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的具有yz耦合的电路的示例实施方式。
图10a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括具有zz耦合和yy耦合的量子位的超导电路的部分1000a的示例实施方式。
图10b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括具有zz耦合和yy耦合的量子位的超导电路的部分1000b的示例实施方式。
图11是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括部分电流耦合器的电路的一部分的示例实施方式。
图12a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电流耦合器的电路的一部分的示例实施方式。
图12b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电流耦合器的电路的一部分的另一个示例实施方式。
图12c是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电流耦合器的电路的一部分的又另一个示例实施方式。
图13是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括具有两个耦合回路的部分电流耦合器的电路的一部分的示例实施方式。
图14a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括部分电流耦合器的电路的一部分的另一个示例实施方式。
图14b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电感耦合器的电路的一部分的示例实施方式。
图15a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括超导量子位之间的电容耦合的电路的一部分。
图15b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括超导量子位之间的电容耦合和电感耦合的电路的一部分。
图16是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括双绕组耦合器的多层集成电路。
图17是示意图，展示了包括耦合器的通量偏置补偿的电路的一部分的示例实施方式。
图18是根据本系统、设备、制品和方法的示例混合计算系统的示意图，所述示例混合计算系统包括与模拟计算机通信地或可操作地耦合的经典数字计算机，所述经典数字计算机包括一个或多个数字处理器，并且所述模拟计算机例如采用具有一个或多个量子处理器的量子计算机的形式。
具体实施方式
在以下说明中，包括了一些具体细节以提供对各个披露实施例的全面理解。但是，相关领域的技术人员将认识到，实施例可以无需这些具体细节中的一个或多个来实践，或可以使用其他方法、部件、材料等来实践。在其他实例中，并未详细展示或说明与量子处理器(比如量子设备)、耦合器、以及包括微处理器和驱动电路系统的控制系统相关联的公知结构，以避免不必要地模糊对本方法的实施例的说明。贯穿本说明书及所附权利要求书，词语“元件”和“多个元件”用于涵盖但不限于与量子处理器相关联的所有这种结构、系统和设备、以及其相关可编程参数。
除非上下文中另有要求，否则贯穿本说明书和所附权利要求书，“包括”一词及其变体比如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”将以一种开放式的、包含性的意义来进行解释，即，解释为“包括，但不限于”。
贯穿本说明书提及的“一个实施例(oneembodiment)”、“实施例(anembodiment)”、“另一个实施例”、“一个示例(oneexample)”、“示例(anexample)”、“另一个示例”、“一个实施方式”、“另一个实施方式”等意指结合实施例、示例、或实施方式所描述的特定指示特征、结构、或特性包括在至少一个实施例、示例、或实施方式中。由此，在贯穿本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“另一个实施例”等不一定全都指同一个实施例、示例、或实施方式。此外，在一个或多个实施例、示例、或实施方式中，可以以任何合适的方式来组合特定特征、结构、或特性。
应当注意的是，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，除非内容另外明确指明，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”以及“所述(the)”均包括复数指示物。因此，例如，对包括“量子处理器”的问题解决系统的引用包括单个量子处理器或两个或更多个量子处理器。还应注意的是，术语“或”通常以包括“和/或”的意义使用，除非内容另外明确指明。
本文提供的小标题仅仅是为了方便，并不解释实施例的范围或含义。
参见下面参考图11对示例混合计算系统的描述。
电流耦合
可能期望减小超导集成电路中超导设备的大小。例如，可能期望减小超导集成电路中超导量子位(例如，超导通量量子位)的大小。较小超导量子位的益处可以是本征误差的减小，例如由背景磁化率引起的本征误差。更小的超导量子位的另一个益处可以是，持续电流的增加而产生的提高的能量标度。超导材料中的持续电流是没有电阻的电荷流。当电荷流过材料时通过使材料变成超导的，或当材料是超导的时通过改变材料周围的磁场，可以产生持续电流。
超导量子位可以通过超导耦合设备(在本申请中也被称为耦合器)通信地耦合至另一个超导量子位。耦合器的一个实施方式是包括复合约瑟夫逊结(cjj)的耦合器(在本申请中也被称为cjj耦合器)。复合约瑟夫逊结(cjj)结构是包括两条平行电流路径的约瑟夫逊结结构，所述两条平行电流路径中的每一条由超导材料形成，并且所述两条平行电流路径中的每一条被对应的约瑟夫逊结结构中断。在一些实施方式中，cjj的约瑟夫逊结结构中的至少一个是单个的约瑟夫逊结。在一些实施方式中，cjj的约瑟夫逊结结构中的至少一个是另一个cjj。应当理解，cjj的行为实际上可以模拟为单个的约瑟夫逊结。
在cjj耦合器的操作中，电感耦合可以发生在cjj耦合器的主体与量子位的主体之间。电感耦合(在本申请中也被称为磁耦合)是两个导体之间的耦合，所述两个导体被配置使得通过一个导体的电流变化通过电磁感应跨其他导体的两端感应出电压。
cjj耦合器的主体与两个量子位中的每个量子位的主体之间的电感耦合可以导致量子位以电感方式彼此通信地耦合。
在量子力学中，哈密尔顿算子(hamiltonian)是对应于系统能量(通常是系统的总能量)的运算子。当测量系统的能量时，哈密尔顿算子的谱是一组可能的结果。哈密尔顿算子与系统的时间演化密切相关。哈密尔顿算子可以是计算问题的哈密尔顿算子，并且在本申请中被称为问题哈密尔顿算子。
用于在包括超导通量量子位和超导耦合器的量子过程中指定问题哈密尔顿算子的能量标度至少部分取决于mafmip2，其中mafmm＝m1m2χafm，m1是第一量子位与耦合器的主体之间的互感，m2是第二量子位与耦合器的主体之间的互感，χafm是制成超导通量量子位和超导耦合器的超导材料的反铁磁性磁化率，并且ip是持续电流(参见以上定义)。磁化率是对材料的磁性质的测量。磁化率可以指示材料是被磁场吸引还是被磁场排斥。即使没有外部磁场，铁磁材料、亚铁磁材料和反铁磁性材料可以拥有永久磁化。
互感可以用初级和次级的电感如下表达：
其中0≤k≤1并且k是耦合常数。
通常期望尝试使给定初级变压器和次级变压器的互感实际上尽可能大。随着量子位的大小减小，实现足够大的耦合常数k值可能具有挑战性，并且因此实现足够大的互感m值可能具有挑战性。
实现k的更大值的一种方法是对耦合器与量子位之间的两个互感之一使用电流耦合(在本申请中也被称为电流连接)。电流连接是在已耦合的部件之间提供直流路径的耦合。
即使针对耦合器与量子位之间的两个互感之一具有电流连接，电感器通常常规地仍用于形成电流变压器的初级。随着量子位的缩小，实现互感m的期望值可能仍具有挑战性。
本申请描述了一种用于电流耦合的方法，其中变压器的初级电感被具有电感ljj＝φ0/2πic的约瑟夫逊结(jj)取代，其中φ0是超导磁通量量子，并且ic是临界电流。
约瑟夫逊结电感ljj可以比常规的电感器更紧凑。例如，典型的约瑟夫逊结的临界电流可以为大约20μa，并且约瑟夫逊结电感可以为大约16ph。由约瑟夫逊结形成的电感器的物理占用面积可以例如仅为大约2.5μm×2.5μm。
图1a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的具有jj-电流cjj耦合器的超导电路的一部分100的示例实施方式。部分100所属的超导电路包括至少两个超导量子位。超导量子位是在某一温度范围内超导的量子位，通常在低于制成量子位的材料的临界温度特性的温度范围内。每个超导量子位包括在某一温度范围内超导的材料回路，通常在低于材料(在本申请中也被称为超导材料)的临界温度特性的温度范围内。图1a展示了a)第一超导量子位的回路的第一部分102，和b)第二超导量子位的回路的第二部分104。
在图1a所展示的示例实施方式中，第一部分102在电路布局上竖直定向(即，第一部分102在图纸上上下延伸)，并且第二部分104在电路布局上水平定向(即，第二部分104跨图纸左右延伸)。图1a展示了其中两个超导量子位的回路在电路布局上彼此交叉的区域。在图1a的示例实施方式中，两个超导量子位的回路彼此垂直，并且以九十度或接近九十度的陡峭角度彼此交叉。在一些实施方式中，两个超导量子位的回路以小于九十度的角度彼此交叉。
在另一个实施方式中，两个超导量子位的回路彼此靠近而没有交叉。在又另一个实施方式中，两个超导量子位不会彼此靠近，并且通过远程耦合器耦合。
本领域技术人员还应了解的是，超导量子位的回路的至少一部分可以处于电路布局上的合适的取向，并且不限于竖直取向或水平取向。本领域技术人员还应了解的是，在电路布局上彼此交叉或彼此靠近或通过远程耦合器耦合的两个超导量子位的回路可以相对于彼此处于合适的取向，并且不限于垂直取向或正交取向。
jj-电流cjj耦合器106(还参见图1b中的单独图示)包括在节点110处连接至第一部分102并在节点112处连接至第二部分104的复合约瑟夫逊结(cjj)108。第一约瑟夫逊电感114包括a)节点110与节点116之间的第一部分102的区段，以及b)约瑟夫逊结118。
约瑟夫逊结(例如，图1的约瑟夫逊结118)可以表现为非线性电感，当电流通过所述非线性电感时，其积累(磁场)能量。相比于实际电感，约瑟夫逊结中的超电流不会产生磁场——累积的能量是约瑟夫逊能量。控制约瑟夫逊结的行为的基本方程式之一如下：
其中i(t)是通过约瑟夫逊结的电流、ic是结的“临界电流”、并且
结两端的电压v可以表达为：
其中φ0是磁通量量子。
常规电感l两端的电压v可以表达为：
通过类推的方法，约瑟夫逊电感可以定义为：
其中
第二约瑟夫逊电感120包括a)节点112与122之间的第二部分104的区段，以及b)约瑟夫逊结124。
虚线矩形126指示jj-电流cjj耦合器106与第一超导量子位的第一部分102的电感通信耦合。虚线矩形128指示jj-电流cjj耦合器106与第二超导量子位的第二部分104的电感通信耦合。在一个实施方式中，第一超导量子位与第二超导量子位之间的主耦合电感由第一约瑟夫逊电感114和第二约瑟夫逊电感120提供。
图1b是示意图，展示了图1a的jj-电流cjj耦合器106。jj-电流cjj耦合器106如上所描述。图1b所展示的与图1a所展示的相应结构相似或甚至相同的jj-电流cjj耦合器106的结构用与图1a中所使用的相同的附图标记来标记。
超导通量量子位
图2a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的超导通量量子位200a的示例实施方式。量子位200a包括回路202，所述回路包括在某一温度范围内超导的材料，通常在低于材料(在本申请中也被称为超导材料)的临界温度特性的温度范围内。回路202被约瑟夫逊结204中断。量子位200a进一步包括与约瑟夫逊结204并联的电容206，以及与约瑟夫逊结204和电容206的并联组合串联的电感208。在一些实施方式中，电容206是本征电容(在本申请中也被称为固有电容)。在操作中，通量210可以穿过回路202。
图2b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的超导通量量子位200b的另一个示例实施方式。量子位200b包括回路212，所述回路包括超导材料。回路212被复合约瑟夫逊结(cjj)214中断。量子位212进一步包括与cjj214并联的电容216，以及与cjj214和电容216的并联组合串联的电感218。在一些实施方式中，电容216是本征电容。cjj214包括两个约瑟夫逊结220和222的并联布置，每个约瑟夫逊结220、222分别与电感224和226串联。在操作中，通量228可以穿过cjj214。
对称远程耦合器
本申请描述了一种用于量子退火器中远程耦合的对称耦合器。量子退火器中量子位之间的远程耦合可能是有益的。远程耦合可以增加可以在量子退火器中本地表示的图的连接性，从而提高硬件结构适应可能本来无法适应的问题的能力。
在量子退火器中实施远程耦合器的一个挑战是，与本地耦合器相比，远程耦合器的主体的增加的电感和/或电容可以减小耦合器的能量标度。
耦合器可以至少部分地通过耦合强度来表征，在本申请中，所述耦合强度是指量子退火器中耦合的量子位之间的耦合强度。耦合可以取决于观察耦合的能量标度。
随着耦合器的能量标度减小，并且变得与量子退火器中耦合的量子位的能量标度相当，耦合器可以为隧穿提供另外的能量本征态。另外的能量本征态可以是在量子退火器中嵌入的计算问题的伊辛表示(在本申请中也被称为伊辛模型)中没有描述的本征态。伊辛模型可以包括表示自旋的磁偶极矩的离散变量，所述自旋可以处于两种状态之一(+1或-1)。自旋可以以图(例如晶格)的形式布置，从而允许每个自旋与图中其相邻的自旋相互作用。另外的能量本征态的存在可以不利地影响量子退火器的性能。例如，在存在另外的能量本征态的情况下，量子退火器可能不能为比如优化和/或采样等计算问题提供合适的解决方案。
对于远程耦合器来说，可能期望具有第一激发能量本征态，所述第一激发能量本征态具有比耦合的量子位的能量标度高得多的能量标度，例如，高一个数量级。
在常规的实施方式中，量子退火器中的耦合器通常提供相邻量子位或附近量子位之间的通信耦合。例如，在量子退火器的一个实施方式中，量子位是超导通量量子位，并且超导耦合器在几十微米的距离上操作。超导通量量子位通常是被一个或多个约瑟夫逊结中断的微米尺寸的超导材料回路，并且可操作为量子计算机(例如，量子退火器)中的量子位。虽然耦合器的常规实施方式通常可以使用集总元件电路模型来分析，但是使用传输线模型(在本申请中也被称为分布式电路模型)来分析远程耦合器可以是有利的。在集总元件电路模型中，电路的物理尺寸为使得耦合电路的两个元件的导体两端的电压没有变化的尺寸。类似地，通过耦合电路的两个元件的导体的电流没有变化。在分布式模型中，沿着导体和电路的元件的电压和电流可以变化。与集总元件电路模型不同，相变和/或渡越时间不能被忽视。
在本申请的各个附图中，电路通常根据集总元件电路模型来展示。例如，电感通常被展示为通过导体连接至一个或多个其他电路元件的电感器(在本申请中也被称为电感或集总元件电感)。应当理解的是，本申请的各个附图中的每个电路或至少一个等效电路可以根据对应的分布式模型或传输线模型来展示。
扩展耦合器以在间隔开超过几十微米的两个或更多个量子位之间提供通信耦合可能会具有挑战性。首先，耦合器的第一激发态的能量可以足够低以与耦合的量子位的状态的能量相当(例如，几ghz)，并且耦合器的存在可以干扰耦合的量子位的能谱。其次，如果相比于耦合的量子位中的一个量子位，耦合器的复合约瑟夫逊结(cjj)被定位成更靠近另个一个耦合的量子位，则耦合器是非对称的，并且相比于另一个耦合的量子位的能谱，更靠近的量子位的能谱可以示出受耦合器存在的影响更大。因此，在量子退火器中跨多个量子位维持至少近似均匀(相当)的能量标度可能会具有挑战性。
本申请描述了一种对称远程耦合器，其中cjj至少近似定位在沿着耦合器主体的长度的二分之一点处。在对称远程耦合器的一个示例中，cjj定位在沿着耦合器主体长度途径的45％与沿着耦合器主体长度途径的55％之间。对称远程耦合器的第一激发态的能量可以显著高于非对称远程耦合器的能量。非对称远程耦合器是这样一种耦合器，其中相比于耦合器主体的一端，cjj被定为成显著更靠近另一端。在非对称远程耦合器的一个示例中，cjj定位在沿着耦合器主体长度途径的小于或等于45％的点处，或定位在沿着耦合器主体长度途径的大于或等于55％的点处。
在一个实施方式中，对称远程耦合器的第一激发态的能量比非对称远程耦合器高大约70％。对称远程耦合器的第一激发态的较高能量的益处在于降低了耦合器的存在对耦合的量子位的能谱的影响。
图3是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括两个量子位302和304以及对称耦合器306的电路300的示例实施方式。在一个实施方式中，量子位302和304是超导通量量子位。在另一个实施方式中，量子位302和304是电荷量子位或混合电荷相位量子位或另一种合适类型的量子位。
量子位302包括在某一温度范围内超导的材料回路308。回路308被复合约瑟夫逊结(cjj)310中断。量子位302进一步包括与cjj310并联的电容312，以及与cjj310和电容312的并联组合串联的电感314。在一些实施方式中，电容312是本征电容。cjj310包括两个约瑟夫逊结316和318的并联布置，每个结分别与电感320和322串联。
量子位304包括在某一温度范围内超导的材料回路324。回路324被复合约瑟夫逊结(cjj)326中断。量子位304进一步包括与cjj326并联的电容328，以及与cjj326和电容328的并联组合串联的电感330。在一些实施方式中，电容328是cjj326的本征电容。cjj326包括两个约瑟夫逊结332和334的并联布置，每个结分别与电感336和338串联。
耦合器306包括约瑟夫逊结(jj)340以及电感342和344。在一个实施方式中，jj340是复合约瑟夫逊结。jj340可以放置在电感342与344之间至少约二分之一处。在图3所展示的示例中，jj340被放置在距电感342和344中的每个电感d/2距离处，其中d是导线长度，即电感342与电感344之间的距离。
量子位302的电感314和耦合器306的电感342形成互感346。量子位304的电感330和耦合器306的电感344形成互感348。互感346和互感348由图3中的虚线指示。
在量子退火器的一些实施方式中，量子位的至少子集中的量子位通过对称远程耦合器(比如图3的对称耦合器306)通信地耦合。在一些实施方式中，耦合器306是可调谐耦合器。可调谐耦合器的耦合强度可以例如经由接口(图3中未示出)被调谐。
在图3所展示的示例实施方式中，量子位302和304包括cjj(分别为310和326)。本领域技术人员还应了解的是，可以使用替代性的量子位实施方式。
在示例实施方式中，量子位与对称耦合器(比如图3的耦合器306)之间的互感(耦合强度)是40ph，导线长度d是600μm，耦合器的总电感是470ph，结临界电流是0.7μa，结中的能量与电感中的能量的比率是1.03，互感(耦合强度)是1.68ph，并且对于反铁磁性(afm)情况和铁磁性(fm)情况来说，耦合器的谐振频率是42.5ghz和50.9ghz。
c-耦合器
如果哈密尔顿算子由实埃尔米特矩阵给出，其中矩阵的所有非对角元素在标准基中都是非正的，则所述哈密尔顿算子在本申请中被称为“随机”哈密尔顿算子。否则，哈密尔顿算子被称为“非随机”哈密尔顿算子。hormozi等人，在“nonstoquastichamiltoniansandquantumannealingofanisingspinglass(伊辛自旋玻璃的非随机哈密尔顿算子和量子退火)”(arxiv.org/pdf/1609.06558，2017年5月)中描述了哈密尔顿算子复杂性在量子退火器性能中的作用。
具有非随机哈密尔顿算子的系统的特征是，系统可以在隧穿路径之间表现出随机方法无法有效模拟的相消干涉。两个波相遇时可能会发生干涉。当一个波的位移方向与另一个波的位移方向相反时，就会发生相消干涉。隧穿路径之间的相消干涉可以导致较低的隧穿振幅。
具有非随机哈密尔顿算子的量子系统无法被量子蒙特卡罗(qmc)方法——最先进的经典模拟方法有效地模拟。qmc方法被进一步描述，例如，在r.r.dossantos，“introductiontoquantummontecarlosimulationsforfermionicsystems(对费密系统的量子蒙特卡罗模拟的介绍)”，arxiv：cond-mat/0303551[cond-mat.str-el](2003)。有证据表明，非随机哈密尔顿算子可以提高量子退火的效率。
本申请描述了量子处理器的实施方式，所述量子处理器包括量子位和具有非随机哈密尔顿算子的耦合器，以在量子退火期间增强多量子位隧穿。这对于经由量子处理器使用量子退火来模拟费密系统或具有不同符号的隧穿振幅的一般量子隧穿问题可能是有用的。费密系统是包括费密子的系统。费密子是具有半整数自旋的颗粒(例如1/2、3/2等)。质子和中子是费密子的示例。
在量子退火中实现非随机哈密尔顿算子的一种方法是在复合约瑟夫逊结(cjj)回路中通过通量自由度使用高阶耦合。三个或更多个量子位之间的耦合在本申请中被称为高阶耦合。在量子退火中实现非随机哈密尔顿算子的另一种方法是使用足够短的退火时间(在本申请中也被称为退火时间)，以使系统进入非绝热状态。退火时间是量子退火操作的持续时间。
在包括通量量子位(在本申请中也被称为超导通量量子位)的量子处理器中，磁耦合可以在哈密尔顿算子中提供σzσz耦合项。σzσz耦合项是随机的。非随机哈密尔顿算子可以通过使用另一个自由度耦合量子位来工程化，例如，通过使用电荷或静电自由度来耦合量子位。在一个实施方式中，可以通过在量子位之间提供电容耦合使用电荷自由度来耦合量子位。
超导电荷量子位、相位量子位和混合电荷相位量子位可以具有电容通信耦合(参见例如，美国专利7,253,654“superconductingqubitshavingapluralityofcapacitivecouplings(具有多个电容耦合的超导量子位)”)。发明名称为“busarchitectureforquantumprocessing(用于量子处理的总线架构)”的美国专利7,613,765描述了量子位到超导总线的可控耦合，包括量子位以电容方式耦合至总线的状态。可调谐电容耦合可以用于在超导量子位之间耦合信息(参见例如，averin等人，《physicalreviewletters(物理评论快报)》91，05003[2003])。在发明名称为“physicalrealizationsofauniversaladiabaticquantumcomputer(通用绝热量子计算机的物理实现)”的美国专利8,234,103中描述了量子位之间用于提供通用绝热量子计算的架构的通信的方法。在发明名称为“universaladiabaticquantumcomputingwithsuperconductingqubits(具有超导量子位的通用绝热量子计算)”的美国专利申请us20150111754中描述了具有量子位对之间经由原位可调谐超导电容耦合器和原位可调谐超导电感耦合器进行的通信耦合的量子位处理器。
本申请描述了一种方法，其中磁性耦合的通量量子位的主体使用电容器另外地耦合，如以下参考图4详细描述的。比如图4中所示那些耦合电容器等耦合电容器可以引起量子位之间的σyσy耦合项。当通量量子位之间的反铁磁性(afm)耦合补充成对静电耦合时，可以引起非随机哈密尔顿算子。如果一个单量子位的隧穿振幅具有与另一个量子位的隧穿振幅相反的符号，则当成对静电耦合被铁磁性(fm)耦合补充时，可以实现非随机哈密尔顿算子。单量子位隧穿振幅的符号可以通过用微波辐射修整(dress)量子位来调谐，所述微波辐射与从量子位的第一激发态到其第二激发态的跃迁频率共振。
哈密尔顿算子的非随机性质可以通过测量多量子位系统中的破坏性量子推理来检测。
当前描述用于实现非随机哈密尔顿算子的方法可以放大到具有许多量子位(例如，超过50个量子位)的系统。本申请描述了在超导通量量子位网络中，如何利用包括稀疏电容耦合的实施方式来实现全交叉(all-to-all)(完全连接)静电σyσy耦合。在示例实施方式中，在八个量子位的量子位布置中，双向电容矩阵可以导致完全连接的电荷耦合矩阵。具有直接电容耦合的量子位可能比不具有直接耦合的量子位耦合得更强。
如以上所描述的，如果量子位之间还具有反铁磁性(afm)耦合，则以电容方式耦合的通量量子位的哈密尔顿算子可以是非随机的。在量子位还具有铁磁性(fm)耦合的情况下，如果单量子位隧穿振幅具有相反的符号，则以电容方式耦合的通量量子位的哈密尔顿算子可以是非随机的。
在一个实施方式中，单量子位(对于第i量子位，在本申请中也被称为δi)隧穿振幅的符号可以使用本申请中描述的系统和方法来调谐(例如，参见图6和图7以及伴随的描述)。
在一个实施方式中，可以在量子处理器中以磁性方式(以电感方式)通信地耦合的量子位对的至少一个子集中的量子位之间添加耦合电容器，以实现非随机哈密尔顿算子。非随机哈密尔顿算子可以引起多量子位隧穿和更远程量子位到量子位相关性，对于使用经典计算机模拟来说可能具有挑战性的效应。非随机量子退火器的一个益处在于，通过非随机量子退火器比通过随机量子退火器能更快地解决困难的伊辛问题。困难的伊辛问题是由伊辛模型表示的在计算上很难处理的问题。另一个益处是非随机量子退火器可以用于费密系统的模拟。
图4是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的超导量子处理器的部分400的示例实施方式。超导量子处理器的部分400包括量子位402和404(每个都经由包围量子位402和404的对应虚线矩形指示)。在一个实施方式中，量子位402和/或量子位404是超导通量量子位。在另一个实施方式中，量子位402和404是电荷量子位或混合电荷相位量子位或另一种合适类型的量子位。
量子位402包括复合约瑟夫逊结(cjj)406和电感408。cjj406包括约瑟夫逊结410和412、电感414和416以及电容418。在一些实施方式中，电容418是cjj406的本征电容。量子位404包括复合约瑟夫逊结(cjj)420和电感422。cjj420包括约瑟夫逊结424和426、电感428和430以及电容432。在一些实施方式中，电容432是cjj420的本征电容。
量子位402和404可以经由来自量子位402的电感408和量子位404的电感422附近的互感以磁性方式(以电感方式)通信地耦合。在一个实施方式中，可以使用比如图10a的可调耦合器1004等耦合设备来执行量子位402和404的电感通信耦合。在一个实施方式中，量子位402和404的电感通信耦合是可调谐的，并且耦合强度可以例如经由接口(图4中未示出)来调谐。
超导量子处理器的部分400包括耦合电容434。量子位402和404可以经由耦合电容434以电容方式通信地耦合。
在一个实施方式中，图4的耦合电容434具有大约400f的值，所述值可以远大于单量子位总电容。例如，第一量子位402的总电容可以至少部分地从电容418的值确定，并且第二量子位404的总电容可以至少部分地从电容432的值确定。当耦合电容434远大于单量子位总电容时，负载的电容接近单量子位总电容两倍的值。在这种方案中，耦合能量jy可能不会对单量子位总电容具有很强的依赖性。
在图7的描述之后，以下提供了对随机哈密尔顿算子和非随机哈密尔顿算子的描述以及用于有效隧穿振幅的表达。
c-分流
图5是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的量子处理器的部分500的示例实施方式。
超导量子处理器的部分500包括量子位502和504(每个量子位经由包围量子位502和504的对应虚线矩形指示)，在某些方面类似于量子位402和404(图4)。相比于图4的实施方式，量子位502另外包括电容536(在本申请中也被称为分流电容536)，并且量子位504另外包括电容538(在本申请中也被称为分流电容538)。在一个实施方式中，电容518和532是固有电容(在本申请中也被称为本征电容)，并且分流电容536和538是重叠电容。分流电容536和538可以有利地是比电容518和532更高品质的电容，并且可以分别提高量子位502和504的总电容的整体品质。更高品质的量子位电容可以导致提高的量子相干性，这可能是期望的。
电容器(具有电容的设备)的品质可以用品质因数来表示，所述品质因数被定义为电容器的电抗与电容器的等效串联电阻的比率。品质因数可以是频率相关的。品质因数可以是存储在电容器中的能量与作为热损耗耗散的能量的比率的度量。品质因数可以用于rf电路的设计。例如，可以使用高品质电容器来降低高频损耗。
量子位之间的电感和电容通信耦合可以是可调谐的耦合。在一个实施方式中，接口提供对耦合强度的符号和大小中的至少一个的调谐。在一个实施方式中，接口是经由所提供的通量偏置来调谐量子位之间的电感通信耦合的耦合强度。
微波辅助隧穿
本申请包括对用于调谐由双阱势(double-wellpotential)表征的量子位的有效隧穿振幅δeff的符号和/或大小的系统和方法的描述。双阱势是量子力学中许多感兴趣的四次势(quarticpotential)之一。由双阱势表征的量子位的一个示例是rf-squid量子位。对rf-squid量子位的描述，参见例如，m.h.s.amin等人，“josephson-phasequbitwithouttunneling(无隧穿的约瑟夫逊相位量子位)”，phys.rev.b(物理学评论b辑)67，100508(2003)，以及发明名称为“quantumlogicusingthreeenergylevels(使用三个能级的量子逻辑)”的美国专利6,943,368。
在一个实施方式中，改变对单量子位的有效隧穿振幅的贡献的符号和/或大小可以用于产生许多耦合量子位的系统的相消干涉和非随机哈密尔顿算子。在另一个实施方式中，包含电容耦合和在反铁磁性(afm)方案中的操作(如以上参考图4和图5所描述的)可以用于产生相消干涉和非随机哈密尔顿算子。
图6是曲线图，展示了示例双阱势能曲线600。双阱势能曲线600具有左手阱602和右手阱604。rf-squid可以具有由分别对应于量子位的四个最低能级ea、eb、ec、和ed的|a>、|b>、|c>、和|d>表示的(依次对应，其中|a>对应于最低能级)并且在图6中分别由606、608、608、和612指示的四种状态。
微波场可以和最低能级ea与最高能级ed之间的跃迁614共振，并且可以应用于量子位。微波场可以和第一激发态|b>与第二激发态|c>之间的跃迁616共振，并且还可以应用于相同的量子位。
应用以上所描述的微波场可以在量子位的双阱势的左手阱与右手阱之间(比如在图6的双阱势能曲线600的左手阱602与右手阱604之间)产生势垒上(over-barrier)拉比跃迁。拉比频率可以被定义为给定光场中给定原子跃迁经历的拉比周期的弧度频率。拉比周期可以被定义为在振荡驱动场存在的情况下，二级量子系统的周期性行为。rf-squid的左|l>状态和右|r>状态对量子位的计算状态进行编码。左手阱与右手阱之间的势垒下(under-barrier)量子隧穿也可能发生。
在一个实施方式中，可操作来产生势垒上拉比跃迁的系统包括具有到量子位的电感耦合和/或电容耦合的一个或多个ghz微波线。量子位可以是相干的低噪声量子位。系统可以用在小于一纳秒的标度上定时来控制以读出量子位。
第一激发态|b>与第二激发态|c>之间的拉比微波诱发的跃迁(在零去调谐处或负去调谐处)和/或基态|a>与第三激发态|d>之间的拉比跃迁(在正去调谐处)可以对量子位势能曲线的左手阱与右手阱之间的有效隧穿振幅产生至少一个另外的贡献。对有效隧穿振幅的另外的贡献可以具有与标准势垒下隧穿振幅δ的符号相反的符号。
通过如以上参考图6所描述的应用微波场来改变量子位的隧穿振幅的符号，可以导致相消干涉，并且针对以静电方式耦合的rf-squid量子位的系统产生非随机哈密尔顿算子。
本申请中描述的系统和方法的益处在于，以静电方式耦合的rf-squid量子位系统可以由比常规的rf-squid更高的能量标度表征。因此，量子计算可以在更高的温度下进行。
在一些实施方式中，势垒下量子隧穿起的作用不如势垒上隧穿重要，并且可以通过向量子电路引入分流电容来抑制。
具有较大电容的量子位通常具有较低的噪声水平，并且因此具有更高的量子相干性。
图7是根据本系统、设备、制品和方法的超导量子处理器的电路700的示例实施方式的示意图。电路700包括两个量子位702和704(每个量子位经由包围量子位702和704的对应虚线矩形指示)。在一个实施方式中，量子位702和704是超导通量量子位。
量子位702包括主体706、约瑟夫逊结708、电容710和电感712。在一个实施方式中，主体706包括超导材料回路。约瑟夫逊结708可以是包括彼此并联的两个约瑟夫逊结的复合约瑟夫逊结。在一个实施方式中，电容710是约瑟夫逊结708的固有电容。
量子位704包括主体714、约瑟夫逊结716、电容718和电感720。在一个实施方式中，主体714包括超导材料回路。约瑟夫逊结716可以是包括彼此并联的两个约瑟夫逊结的复合约瑟夫逊结。在一个实施方式中，电容718是约瑟夫逊结716的固有电容。
量子位702和704可以经由耦合电容器722和724以及lc电路726和728(每个lc电路经由包围量子位726和728的对应虚线矩形指示)以静电方式通信地耦合(在本申请中也被称为以电容方式通信地耦合)。lc电路726包括电容730和电感732。lc电路728包括电容734和电感736。在本申请中，lc电路726和728也可以被称为谐振器726和728，或谐振回路726和728。
lc电路726和728中的每个lc电路可以包括分别与每个电路的电容730和734并联耦合的对应的约瑟夫逊结(图7中未示出)。lc电路726和728中的每个lc电路可以包括对应的约瑟夫逊结，并且电容730和734可以是对应的约瑟夫逊结的本征电容。
由于电感732和736接近，lc电路726和728可以具有非零互感738。互感738可以在lc电路726与728之间提供电感通信耦合。以电感方式耦合的lc电路726和728可以形成双模谐振器740。电路700包括经由双模谐振器740(经由包围双模谐振器740的虚线矩形指示)以静电方式通信地耦合的两个量子位。
两个量子位702和704可以经由互感(图7中未示出)以磁性方式(以电感方式)通信地耦合。
具有磁耦合和静电耦合的两个通量量子位的哈密尔顿算子可以如下表达：
以上方程式中的哈密尔顿算子描述了具有xx、yy和zz耦合并且具有应用于量子位的偏置h1和h2的两个通量量子位。以上表达式对小的非零偏置有效。
如果哈密尔顿算子由实埃尔米特矩阵给出，并且如果存在矩阵的所有非对角元素都是非正(即负或等于零)的局部基，则所述哈密尔顿算子在本申请中被称为随机哈密尔顿算子。否则，哈密尔顿算子被称为非随机哈密尔顿算子，即，如果在所有局部基中，矩阵的一些非对角元素是正的，则所述哈密尔顿算子被称为非随机哈密尔顿算子。
如果并且仅当量子位中的至少一个量子位应用非零偏置时，双量子位哈密尔顿算子(例如，以上方程式中的哈密尔顿算子h)可以是非随机哈密尔顿算子。在一些实施方式中，非零偏置非常小。
在一个实施方式中，用于两个量子位的计算基具有如下四种状态：
|1>＝|l1，l2>
|2>＝|l1，r2>
|3>＝|r1，l2>
|4>＝|r1，r2>
在此基中，双量子位哈密尔顿算子可以被写为：
在反铁磁性(afm)情况下，具有大的正磁性耦合jz＞0，状态|2>和|3>可以具有最低的能量。两种状态之间的有效隧穿可以通过以下描述：
h23＝δeff(|2><3|+|3><2|)
其中有效隧穿振幅可以如下表达：
以上表达式可以能对小的非零偏置有效，例如当|h1|，|h2|＜＜|jz|时。
在下式的情况下，有效隧穿振幅可以是正的：
从而在正的xx耦合和yy耦合存在的情况下使哈密尔顿算子非随机。
如果δ1δ2＞0，则如果存在正的xx耦合jx＞0，或正的yy耦合jy＞0，或耦合的组合使得jx+jy＞0，则双量子位哈密尔顿算子可以是非随机的。图4展示了使用电容耦合的yy耦合的示例实施方式。例如，在图4中，yy耦合可以是正的，即jy＞0。非随机哈密顿量的开始可能在以下点处伴随着相消干涉：
在量子位之间的铁磁性(fm)耦合的情况下，具有：
jz＝-|jz|＜0
状态|1>和|4>可以具有最低能量。两种状态之间的有效隧穿可以通过以下描述：
h14＝δeff(|1><4|+|4><1|)
其中有效隧穿振幅可以如下表达：
如前所述，正的yy耦合可以例如通过两个量子位之间的电容耦合来提供。在不存在xx耦合的情况下，相消干涉其中δeff＝0可能发生在以下处：
jy＝-δ1δ2/|jz|
效应通常仅在隧穿振幅具有相反符号时才有可能，即δ1δ2＜0。
在一些实施方式中，可以通过向表示量子位的rf-squid应用微波辐射来改变量子位的单量子位隧穿振幅的符号。
在一些实施方式中，只有在对耦合量子位中的至少一个耦合量子位应用非零偏置的情况下，两个以电容方式耦合的量子位的哈密尔顿算子才可能是非随机的。
再次参考图6中描述的状态，本申请描述了用于改变比如通量量子位等量子位的隧穿振幅的符号的系统和方法。状态|b>与|c>之间的拉比微波诱发的跃迁(在负的零去调谐处)，或状态|a>与|d>之间的拉比跃迁(在正去调谐处)，可以在量子位的左状态与右状态之间产生另外的转移振幅，所述振幅具有与势垒下隧穿振幅相反的符号。
双阱量子位(例如，rf-squid)与微波场的相互作用可以通过哈密尔顿算子表达如下：
hmw＝fd(|a><d|+|d><a|)+fc(|b><c|+|c><b|)
其中fd和fc分别是驱动微波在频率ωd和ωc处的实振幅。
在本文所描述的示例实施方式中，微波波导以电感方式通信地耦合至量子位。在另一个实施方式中，微波波导以电容方式通信地耦合至量子位。
频率ωd接近a→d跃迁，并且频率ωc接近b→c跃迁。相关的去调谐可以如下表达：
heff＝-δeffσx
其中eg是经修整量子位(即被微波场的光子修整的量子位)的基态能量。
例如，在零去调谐处，δc＝0并且δd＝0，并且在足够强的b→c驱动下，其中fc2≥fd2+2δ|eg|，有效隧穿振幅可以将其符号改变为负，即δeff＜0。去调谐可能导致量子位脱离共振(即，微波频率与相应的能级之间存在差异)。去调谐可以提供另外程度的可调谐性。
经由磁性耦合的谐振器进行的静电耦合的符号可调谐性
本申请描述了一种用于量子位的符号可调谐静电耦合的方法。在一个实施方式中，量子位是通量量子位。每个量子位可以以电容方式通信地耦合至对应的lc电路(在本申请中也被称为谐振器)。进而，每个谐振器可以磁性耦合至另一个谐振器，所述耦合使得在操作中，磁性相互作用的符号可以改变。
在一个实施方式中，耦合的量子位可以与由耦合的lc电路形成的双模谐振器(在本申请中也被称为双模式谐振器)脱离共振。双模谐振器可以用作例如双可调谐谐振器。双模谐振器可以具有奇模谐振和偶模谐振。量子位可以经由谐振器有效地以电容方式通信地耦合，并且耦合的符号可以至少部分地由lc电路之间的磁性相互作用的符号来确定。
例如，以上所描述的技术可以提供通量量子位之间的符号可调谐σyσy(yy)耦合。量子位之间的符号可调谐静电耦合可以通过谐振器来介导。静电耦合常数的符号和大小(在本申请中也被称为耦合强度)可以至少部分地由与两个lc电路之间的互感成比例的磁性耦合常数来确定。互感可以通过磁性耦合器来调谐。通量量子位之间的有效静电耦合的符号和大小可以通过调谐两个lc电路的互感来调节。符号可调谐yy耦合可以用于在量子退火器中实施非随机哈密尔顿算子。
以上所描述的技术还可以用于谐振方案，其中量子位的频率可以与多模谐振器(在本申请中也被称为总线)的频率对齐。量子位的强选择性静电耦合可以通过调谐与总线共振的所选量子位来实施。
在一个实施方式中，静电耦合的符号是固定的。例如，静电耦合的符号可以是正的。
在另一个实施方式中，技术提供了量子位之间的可调谐σyσz(yz)耦合。第二量子位的主体(例如，超导材料回路)磁性耦合至lc电路，并且lc电路以静电方式附接至第一量子位。yz耦合器可以通过调谐lc电路与第二量子位的主体之间的互感来调谐。
在另一个实施方式中，以电容方式耦合至量子位的lc电路磁性耦合至公共谐振器。结果可以是通量量子位的一对一静电耦合、一对多静电耦合、多对一静电耦合和/或多对多静电耦合的实施方式。这种耦合的益处可以是在量子退火期间促进另外的隧穿路径。
由磁性耦合的lc电路形成的多模谐振器可以与形成通量量子位的高能级的rf-squid共振。rf-squid与多模谐振器之间的有效静电耦合可以在rf-squid中诱发势垒上跃迁。
再次参考图7，图7是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的超导量子处理器的电路700的示例实施方式。电路700可以包括yy耦合。电路700可以是电路的一部分。电路700可以是量子退火器或量子处理器中的电路或电路的一部分。
如以上所描述的，电路700包括两个量子位702和704。电路700还包括两个lc电路(在本申请中也被称为谐振器)726和728。谐振器726和728可以通过电感732和738之间的互感738(由虚线圆圈指示)以电感方式通信地耦合。
在一个实施方式中，量子位702和704是超导通量量子位。互感738可以是符号可调谐的互感。量子位702和704还可以例如通过符号可调谐耦合器(图7中未示出)以电感方式彼此通信地耦合。电感耦合可以通过具有耦合常数jz的项
通量量子位(比如图7的量子位702)的电荷可以由泡利矩阵(paulimatrix)σy表示。电荷可以以静电方式耦合至耦合谐振器(比如图7的谐振器722)上的电荷。
公共谐振器740(通过点划线框指示)可以由磁性耦合的谐振器722和724形成。在操作中，当公共谐振器的频率高于量子位的频率时，一个量子位上的电荷可能受其他量子位上的电荷的影响，并且两个量子位可以以静电方式彼此通信地耦合。
对于两个量子位，静电耦合可以通过具有至少通过以下表达式近似的耦合常数jy的项
其中假设耦合至量子位的谐振器的频率比量子位的隧穿振幅大至少一个数量级。在以上方程式中，第i个通量量子位具有电感li和电容ci。电感lti和电容cti表征相应的lc电路。lc电路之间的互感由符号可调谐的参数m12给出。
通量量子位之间的yy静电耦合可以是符号可调谐的。在一个实施方式中，接口用于调谐量子位之间的耦合强度的符号和/或大小。
图8是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的具有yz耦合的电路800的示例实施方式。电路800可以是电路的一部分。电路800可以是量子退火器或量子处理器中的电路或电路的一部分。
电路800包括两个量子位802和804(展示为包围在对应的虚线矩形中)。在一个实施方式中，量子位802和804是通量量子位。量子位802包括主体806、约瑟夫逊结808、电容810和电感812。在一个实施方式中，主体806包括在某一温度范围内超导的材料回路，通常在低于材料(在本申请中也被称为超导材料)的临界温度特性的温度范围内。在一个实施方式中，电容810是固有电容(在本申请中也被称为本征电容)。固有电容810可以是约瑟夫逊结808固有的电容。
量子位804包括主体814、约瑟夫逊结816、电容818和电感820。在一个实施方式中，主体814包括超导材料回路。在一个实施方式中，电容818是固有电容。固有电容818可以是约瑟夫逊结816固有的电容。
电路800还包括两个谐振器822和824(展示为包围在对应的虚线矩形中)。谐振器822包括电感826和电容828。谐振器824包括电感830和电容832。
量子位802经由电容器834以电容方式通信地耦合至谐振器824。量子位802经由量子位802的电感812与谐振器822的电感826之间的互感836(由点划线框指示)以电感方式通信地耦合至谐振器822。
量子位804经由电容器838以电容方式通信地耦合至谐振器822。量子位804经由量子位804的电感820与谐振器824的电感830之间的互感840(由点划线框指示)以电感方式通信地耦合至谐振器824。在一个实施方式中，可以使用比如图10a的可调谐耦合器1004等耦合设备来执行电感通信耦合。
在操作中，电路800可以在量子位802与804之间提供符号可调谐yz耦合。yz耦合可以通过项
图9是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的具有yy耦合的电路900的示例实施方式。电路900可以是电路的一部分。电路900可以是量子退火器或量子处理器中的电路或电路的一部分。
电路900包括四个量子位902、904、906、和908(展示为包围在对应的虚线矩形中)。在一个实施方式中，量子位902、904、906和908是通量量子位。在一个实施方式中，量子位902、904、906、和908是超导通量量子位。
量子位902包括主体910、约瑟夫逊结912、电容914和电感916。在一个实施方式中，主体910包括超导材料回路。在一个实施方式中，约瑟夫逊结912是复合约瑟夫逊结。在一个实施方式中，电容914是固有电容。固有电容914可以是约瑟夫逊结912固有的电容。
量子位904包括主体918、约瑟夫逊结920、电容922和电感924。在一个实施方式中，主体918包括超导材料回路。在一个实施方式中，约瑟夫逊结920是复合约瑟夫逊结。在一个实施方式中，电容922是固有电容。固有电容922可以是约瑟夫逊结920固有的电容。
量子位906包括主体926、约瑟夫逊结928、电容930和电感932。在一个实施方式中，主体926包括超导材料回路。在一个实施方式中，约瑟夫逊结928是复合约瑟夫逊结。在一个实施方式中，电容930是固有电容。固有电容930可以是约瑟夫逊结928固有的电容。
量子位908包括主体934、约瑟夫逊结936、电容938和电感940。在一个实施方式中，主体934包括超导材料回路。在一个实施方式中，约瑟夫逊结936是复合约瑟夫逊结。在一个实施方式中，电容938是固有电容。固有电容938可以是约瑟夫逊结936固有的电容。
本领域技术人员还应了解的是，具有yy耦合的电路可以包含四个量子位或少于四个量子位或多于四个量子位。
电路900还包括四个谐振器940、942、944、和946(展示为包围在对应的虚线矩形中)。谐振器940包括电感948和电容950。谐振器942包括电感952和电容954。谐振器944包括电感956和电容958。谐振器946包括电感960和电容962。
量子位902经由电容器964通信地耦合至谐振器940。量子位904经由电容器966通信地耦合至谐振器942。量子位906经由电容器968通信地耦合至谐振器944。量子位908经由电容器970通信地耦合至谐振器946。
电路900还包括被电容974和976以及电感978、980、982和984中断的回路972。回路972在本申请中也被称为公共谐振器。
谐振器940的电感948和电感978形成互感986(由图9中的虚线框指示)。谐振器942的电感952和电感980形成互感988(由图9中的虚线框指示)。谐振器944的电感956和电感982形成互感990(由图9中的虚线框指示)。谐振器946的电感960和电感984形成互感992(由图9中的虚线框指示)。
在一个实施方式中，可以使用比如图10a的可调谐耦合器1004等耦合设备来执行谐振器940、942、944和946中的每个谐振器以及公共谐振器972的对应的电感通信耦合。在一个实施方式中，量子位902、904、906和908中的每个量子位可以以电感方式通信地耦合至另一个量子位(比如量子位902、904、906和908中的另一个量子位)，例如通过使用比如图10a的可调谐耦合器1004等耦合设备。
电路900可以提供量子位902、904、906和908的yy耦合。电路900可以提供量子位902、904、906和908的符号可调谐的yy耦合和大小可调谐的yy耦合。电路900可以提供远程耦合。在一个实施方式中，电路900可以在谐振方案下操作，并且可以耦合所选的一对量子位。在另一个实施方式中，电路900以非谐振、非选择性方案操作，以耦合量子位。在一些实施方式中，电路900可以选择性地在谐振方案和非谐振方案下操作。
类似地，本申请中描述的系统和方法可以用于经由公共谐振器实施通量量子位的一对一yz耦合、一对多yz耦合、多对一yz耦合和多对多yz耦合。
利用yy耦合增强多量子位隧穿
在量子退火期间将非对角元素添加到哈密尔顿算子可以提高成功的可能性。在一些情况下，添加非对角元素可以导致非随机哈密尔顿算子。向哈密尔顿算子添加非对角元素可以包括向量子处理器添加yy耦合。
yy耦合可以为隧穿并且为系统在量子退火期间寻找低能态提供更多的机会。本申请包括用于将yy耦合并入到量子退火器(在本申请中也被称为量子处理器)的布局中的系统和方法。
超导通量量子位可以使用zz耦合以电感方式通信地耦合至另一个超导通量量子位，并且可以使用x自由度退火。zz耦合可以使用zz耦合设备来实施。在一些实施方式中，zz耦合设备(在本申请中也被称为zz耦合器)是可调谐的zz耦合设备。
超导通量量子位可以使用yy耦合以静电方式通信地耦合至另一个超导通量量子位。在一个实施方式中，可以通过在量子位的复合约瑟夫逊结的两端附接耦合电容器来引入yy耦合。
图10a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括具有zz耦合和yy耦合的量子位的超导电路的部分1000a的示例实施方式。超导电路的部分1000a包括电路元件1002和可调谐耦合器1004，所述电路元件包括一对以电容方式通信地耦合的量子位。可调谐耦合器1004可以是可调谐zz耦合器。
电路元件1002包括一对量子位1006和1008(展示为包围在对应的虚线矩形中)。量子位1006包括复合约瑟夫逊结(cjj)1010和量子位回路1012，所述量子位回路由在某一温度范围内超导的材料制成，通常在低于材料(在本申请中也被称为超导材料)的临界温度特性的温度范围内。cjj1010包括一对彼此并联的约瑟夫逊结1014和1016。量子位1008包括由超导材料制成的复合约瑟夫逊结(cjj)1018和量子位回路1020。cjj1018包括一对彼此并联的约瑟夫逊结1022和1024。量子位1006和1008通过电容1026和1028彼此以电容方式通信地耦合。
可调谐耦合器1004包括由超导材料制成的cjj1030、耦合器回路1032以及电感1034和1036。cjj1030包括一对彼此并联的约瑟夫逊结1038和1040。可调谐耦合器1004可以经由耦合器回路1032的线程由流过磁通量电感器(图10a中未示出)的电流产生的通量来调谐。可调谐耦合器1004在本申请中也被称为可控耦合器，并且可以通过如以上所描述的调谐来控制。
在量子处理器的一些实施方式中，当一对量子位彼此靠近和/或当一对量子位彼此物理交叉时，所述一对量子位可以彼此耦合。图10b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括具有zz耦合和yy耦合的量子位的超导电路的部分1000b的示例实施方式。部分1000b所属的超导电路包括至少两个超导量子位。超导量子位是在某一温度范围内超导的量子位，通常在低于制成量子位的材料的临界温度特性的温度范围内。每个超导量子位包括超导材料回路。图10b展示了a)第一超导量子位的回路的部分1042，和b)第二超导量子位的回路的部分1044。
在图10b所展示的示例实施方式中，部分1042在电路布局上竖直定向(即，部分1042在图纸上上下延伸)，并且部分1044在电路布局上水平定向(即，部分1044在图纸上左右延伸)。图10b展示了其中两个超导量子位的回路在电路布局上彼此交叉的区域。
在图10b所展示的示例中，部分1000b包括可调谐耦合器1046，所述可调谐耦合器在操作中提供两个量子位之间的电感通信耦合，所述两个量子位包括量子位的回路的部分1042和1044。可调谐耦合器包括超导材料的cjj1048和回路1050，所述超导材料具有与部分1042和1044分别所属的两个量子位中的每个量子位的互感1052和1054(由虚线矩形指示)。cjj1048包括分别彼此平行布置的一对约瑟夫逊结1056和1058。
在另一个实施方式中，两个超导量子位的回路彼此靠近而没有交叉。在又另一个实施方式中，两个超导量子位不会彼此靠近，并且通过远程耦合器耦合。
一部分1000b还包括yy电容耦合1060和1062。电容耦合1060包括在节点1066处电耦合至量子位1042且在节点1068处电耦合至量子位1044的电容1064。电容耦合1062包括在节点1072处电耦合至量子位1042且在节点1074处电耦合至量子位1044的电容1070。电容1064和1070可以在某一温度范围内分别超导性电耦合至量子位1042和1044。
在图10a和图10b所展示的示例实施方式中，电容1064电耦合至图纸上量子位1042右侧和量子位1044上侧的量子位1042和1044，并且电容1070电耦合至图纸上量子位1042左侧和量子位1044下侧的量子位1042和1044。在另一个实施方式中，电容1064电耦合至图纸上量子位1042左侧和量子位1044上侧的量子位1042和1044，并且电容1070电耦合至图纸上量子位1042右侧和量子位1044下侧的量子位1042和1044。在又另一个实施方式中，部分1000b包括如图10a和图10b所展示的四个电容到电容1064和1070以及电连接至量子位1042和1044的两个另外的电容，一个在图纸上的量子位1042的左侧和量子位1044的上侧，并且另一个在图纸上的量子位1042的右侧和量子位1044的下侧。
以上所描述的技术包括沿着量子位的长度分布提供电容通信耦合的yy耦合器(在本申请中也被称为yy耦合设备)，所述yy耦合器被布置为遵循向量子位提供电感通信耦合的zz耦合器的布局。
例如，比如图10a和图10b所展示的那些超导电路等超导电路可以用于在量子处理器中实施量子退火。电容性yy耦合可以为隧穿提供机会，并且增加用于耦合的量子位的多量子位隧穿的可能性。
本申请中描述的各个实施例和实施方式包括例如用于在量子位(比如超导量子处理器中的超导通量量子位)之间提供通信耦合的系统和方法。
部分电流耦合
超导设备(例如，超导量子位)可以通过超导耦合器(在本申请中也被称为耦合设备)通信地耦合至另一个超导设备。耦合器的一个实施方式是包括复合约瑟夫逊结(cjj)的耦合器(在本申请中也被称为cjj耦合器)。在cjj耦合器的操作中，电感耦合可以发生在cjj耦合器的主体与量子位的主体之间。cjj耦合器的主体与两个量子位中的每个量子位的主体之间的电感耦合可以导致量子位以电感方式彼此通信地耦合。
耦合器的另一个实施方式是包括耦合器的主体与量子位的主体之间的电流耦合的耦合器。具有电感耦合和电流耦合两者的耦合器在本申请中被称为部分电流耦合器。
部分电流耦合器的优点是，例如，当量子位的尺寸减小时，可以允许实现足够大的耦合常数值。
在2017年12月20日提交的发明名称为“systemsandmethodsforcouplingqubitsinaquantumprocessor(用于在量子处理器中耦合量子位的系统和方法)”的美国临时专利申请序列号62/608501中描述了电流耦合的示例实施方式。
量子位的示例是超导通量量子位。超导通量量子位的一个实施方式包括在某一温度范围内超导的材料回路，通常在低于材料(在本申请中也被称为超导材料)的临界温度特性的温度范围内。在操作中，磁通量可以穿过回路。所述回路可以被约瑟夫逊结中断。约瑟夫逊结可以是包括两个并行电流路径的复合约瑟夫逊结(cjj)，每个电流路径被对应的约瑟夫逊结中断。在操作中，磁通量可以穿过cjj。约瑟夫逊结可以是复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)，其中cjj中的每个约瑟夫逊结是对应的cjj。所述回路可以包括电感。量子位可以包括与约瑟夫逊结并联的电容。电容可以是约瑟夫逊结的本征电容。参见例如，用于对具有ccjj的量子位进行描述的发明名称为“systems，methodsandapparatusforactivecompensationofquantumprocessorelements(用于量子处理器元件的主动补偿的系统、方法和装置)”的国际pct专利申请公开号wo2010/028183a2。
常规耦合器技术的缺点在于对耦合器的控制可能具有有限精度。有限精度可以指问题保真度的有限精度，即量子处理器可以表示计算问题的保真度。有限精度可以导致本征控制误差(ice)。
有限精度可能至少部分是由于电路的不对称性。不对称性可能由制造期间的不完善性和/或变化引起，所述不完善性和/或变化可以导致一个耦合器具有不同于另一个耦合器的特性(在本申请中也被称为耦合器到耦合器不对称性)。不对称性还可能由量子位之间的耦合的差异引起(在本申请中也被称为耦合器到量子位不对称性)。本技术的各方面可以提高精度(例如，在耦合器中包括l调谐器)。
本技术的各方面可以提高耦合器的耦合强度。例如，可以通过使用电感耦合和电流耦合的组合来增加耦合强度。电感耦合在本申请中也被称为磁耦合。电感耦合可以通过并联两根导线来实现。电流耦合可以通过合并两条电流路径，例如通过在两个子电路中共享一段导线来实现。
在一个实施方式中，耦合器提供两个量子位之间的通信耦合。耦合器可以具有多个绕组。在一个实施方式中，耦合器是双绕组的。在本申请中，双绕组耦合器是指多层集成电路中的耦合器，其中耦合器回路包括两个区段，每个区段位于集成电路的不同竖直层中，一个区段位于包括量子位回路的层上方的层中，并且另一个区段位于包括量子位回路的层下方。参见图16和以下所附描述。
集成电路(在本申请中也被称为ic、芯片或微芯片)是在通常为硅的材料衬底上的一组电子电路。集成电路可以包括多个重叠层，每个层在制造期间通过光刻法来限定。一些层可以是介电层，其他层可以是金属层，并且其他层可以是通孔层(在本申请中也被称为接触层)。部件(例如，量子位和耦合器)可以由层的组合制成。
在一些实施例中，量子位包括多个绕组。例如，集成电路可以包括双绕组量子位和三绕组耦合器。
在一个实施方式中，部分电流耦合器包括磁性耦合至一个量子位的四个区段，电感性耦合至另一个量子位的三个区段，以及以电流方式耦合至另一个量子位的一个区段。
图11是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括部分电流耦合器1102的电路1100的一部分的示例实施方式。耦合器1102可以是双绕组耦合器。电路1100可以是集成电路。电路1100的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1100可以是超导电路。耦合器1102可以是超导耦合器。耦合器1102通信地耦合量子位1104和量子位1106。量子位1104和1106可以是超导量子位。量子位1104和1106可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括：a)rf-squid，所述rf-squid包括被单个约瑟夫逊结或复合结(其中所述单个约瑟夫逊结被两个并联的约瑟夫逊结取代)中断的超导回路，或复合-复合约瑟夫逊结；以及b)持续电流量子位，所述持续电流量子位包括被三个约瑟夫逊结中断的超导回路等。参见例如，mooij等人，1999，《science(科学)》，285，1036；以及orlando等人，1999，《物理学评论b辑》60，15398。超导量子位的其他示例可以在例如，在ii’ichev等人，2003.《phys.rev.lett.(物理评论快报)》91，097906；blatter等人，2001，《物理评论b辑》，63，174511和friedman等人，2000，《nature(自然)》406，43中找到。在另一个实施方式中，使用混合电荷相位量子位。
量子位1104包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1110中断的在某一温度范围内超导的材料回路1108。ccjj是复合约瑟夫逊结(cjj)，其中两个并联约瑟夫逊结中的每一个被对应的嵌套式cjj取代。在电路1100中，ccjj1110包括cjj1112和cjj1114。回路1108包括四个电感1116、1118、1120和1122。在一个实施方式中，回路1108包括铌。
量子位1106包括被包括cjj1128和cjj1130的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1126中断的在某一温度范围内超导的材料回路1124。回路1124包括三个电感1132、1134和1136。在一个实施方式中，回路1124包括铌。
耦合器1102包括被复合约瑟夫逊结1140中断的在某一温度范围内超导的材料回路1138。耦合器1102包括七个电感1142、1144、1146、1148、1150、1152和1154。通过将耦合器1102的电感1142、1144、1146和1148分别耦合至量子位1104的电感1116、1118、1120和1122，耦合器1102以电感方式通信地耦合至量子位1104。
通过将耦合器1102的电感1150、1152和1154分别耦合至量子位1106的电感1132、1134和1136，耦合器1102以电感方式通信地耦合至量子位1106。耦合器1102通过节点1156与1158之间的公共区段产生的电流耦合以电流方式通信地耦合至量子位1106。
电感1116、1118、1120、1122、1132、1134、1136、1142、1144、1146、1148、1150、1152和1154中的至少一个可以包括两个或更多个电感区段(在本申请中也被称为磁性区段)。
图12a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电流耦合器1202的电路1200a的一部分的示例实施方式。电路1200a可以是集成电路。电路1200a的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1200a可以是超导电路。耦合器1202可以是超导耦合器。耦合器1202通信地耦合量子位1204和量子位1206。量子位1204和1206可以是超导量子位。量子位1204和1206可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括以上参考图11所讨论的那些超导通量量子位。
量子位1204包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1210中断的在某一温度范围内超导的材料回路1208。ccjj1210包括cjj1212和cjj1214。在一个实施方式中，回路1208包括铌。
量子位1206包括被包括cjj1220和cjj1222的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1218中断的在某一温度范围内超导的材料回路1216。在一个实施方式中，回路1216包括铌。
量子位1204和量子位1206通过耦合器1202以电流方式通信地耦合。耦合器1202包括在量子位1204与量子位1206之间分别由节点1228与1230以及1232与1234之间的公共区段1224和1226产生的电流耦合。节点1228与1232之间的区段1236在本申请中也被称为短路棒。节点1230与1234之间的区段1238被复合约瑟夫逊结(cjj)1240中断。在一些实施方式中，cjj1240被单个约瑟夫逊结取代。当cjj1240被单个约瑟夫逊结取代时，耦合器1202可以是固定耦合器(即，不可调谐的)。
在一个实施方式中，短路棒(比如图12a的短路棒1236)被约瑟夫逊结中断。取代短路棒的约瑟夫逊结可以以类似于量子位l调谐器(比如m.w.johnson等人，ascalablecontrolsystemforasuperconductingadiabaticquantumoptimizationprocessor(用于超导绝热量子优化处理器的可扩展控制系统)，arxiv：0907.3757v2，2010)的方式操作。
图12b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电流耦合器1202的电路1200b的一部分的另一个示例实施方式。如在图12a中使用的相同的附图标记在图12b中用于表示相同或相似的元件。电路1200b的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1200b可以是超导电路。耦合器1202可以是超导耦合器。耦合器1202通信地耦合量子位1204和量子位1206。量子位1204和1206可以是超导量子位。量子位1204和1206可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括以上参考图1所讨论的那些超导通量量子位。
量子位1204包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1210中断的在某一温度范围内超导的材料回路1208。ccjj1210包括cjj1212和cjj1214。在一个实施方式中，回路1208包括铌。
量子位1206包括被包括cjj1220和cjj1222的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1218中断的在某一温度范围内超导的材料回路1216。在一个实施方式中，回路1216包括铌。
量子位1204和量子位1206通过耦合器1202以电流方式通信地耦合。耦合器1202包括在量子位1204与量子位1206之间分别由节点1228与1230以及1232与1234之间的公共区段1224和1226产生的电流耦合。节点1228与1232之间的区段1236在本申请中也被称为短路棒。节点1230与1234之间的区段1238被复合约瑟夫逊结(cjj)1240中断。在一些实施方式中，cjj1240被单个约瑟夫逊结取代。当cjj1240被单个约瑟夫逊结取代时，耦合器1202可以是固定耦合器(即，不可调谐的)。在图12b的实施方式中，耦合器1202的区段1236被约瑟夫逊结1242中断。
图12c是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电流耦合器1202的电路1200c的一部分的另一个示例实施方式。在图12c中，相同的附图标记用于表示与图12b中相同或相似的元件。电路1200c的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1200c可以是超导电路。耦合器1202可以是超导耦合器。耦合器1202通信地耦合量子位1204和量子位1206。量子位1204和1206可以是超导量子位。量子位1204和1206可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括以上参考图1所讨论的那些超导通量量子位。
量子位1204包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1210中断的在某一温度范围内超导的材料回路1208。ccjj1210包括cjj1212和cjj1214。在一个实施方式中，回路1208包括铌。
量子位1206包括被包括cjj1220和cjj1222的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1218中断的在某一温度范围内超导的材料回路1216。在一个实施方式中，回路1216包括铌。
量子位1204和量子位1206通过耦合器1202以电流方式通信地耦合。耦合器1202包括量子位1204与量子位1206之间的由两个耦合1244和1246的链产生的电流耦合。耦合1244包括与回路1208的公共区段、被复合约瑟夫逊结1240a中断的区段1238a、与耦合1246共有的区段1248以及被约瑟夫逊结1242a中断的区段1236a。耦合1246包括与回路1216的公共区段、被复合约瑟夫逊结1240b中断的区段1238b、与耦合1244共有的区段1248以及被约瑟夫逊结1242b中断的区段1236b。在一些实施方式中，cjj1240a和cjj1240b中的至少一个被单个约瑟夫逊结取代。
在另一个实施方式中，一对量子位通过包括一对耦合的耦合器通信地耦合。所述一对耦合中的每个耦合在本申请中也被称为耦合器。所述一对耦合中的每个耦合可以是部分电流耦合，即，可以在所述一对量子位之间提供至少部分电流的耦合。所述一对量子位的第一量子位以至少类似于所述一对量子位的第二量子位耦合至所述一对耦合的第二耦合的方式耦合至所述一对耦合的第一耦合，例如通过电感耦合。第一量子位以至少类似于第二量子位耦合至第一耦合的方式耦合至第二耦合，例如通过电流耦合。
先前段落中描述的实施方式的益处是耦合器可以包括比常规耦合器更对称的电感耦合和电流耦合的组合。
在又另一个实施方式中，一对量子位通过包括多于两个耦合的耦合器通信地耦合。
图13是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括具有两个耦合回路的部分电流耦合器1302的电路1300的一部分的示例实施方式。耦合器1302在图13中由虚线指示。
电路1300可以是集成电路。电路1300的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1300可以是超导电路。耦合器1302可以是超导耦合器。耦合器1302通信地耦合量子位1304和量子位1306。量子位1304和1306可以是超导量子位。量子位1304和1306可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括以上参考图11所讨论的那些超导通量量子位。
量子位1304包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1310中断的在某一温度范围内超导的材料回路1308。ccjj1310包括cjj1312和cjj1314。量子位1304包括电感1316。在一个实施方式中，回路1308包括铌。
量子位1306包括被包括cjj1322和cjj1324的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1320中断的在某一温度范围内超导的材料回路1318。量子位1306包括电感1326。在一个实施方式中，回路1318包括铌。
量子位1304和量子位1306通过耦合器1302部分以电流方式通信地耦合。耦合器1302包括耦合1328和另一个耦合1330。耦合器1302以及耦合1328和1330在图13中由虚线指示。
在一个实施方式中，耦合1328和1330至少相对于彼此近似平衡。在本申请中，术语“至少近似平衡”是指存在可以应用于至少一个耦合器(比如耦合器1302)附近的电路1300的空间变换，其中耦合可以被映射以使得量子位1304和1306的作用被互换。在另一个实施方式中，耦合1328和1330相对于彼此不平衡。
在一个实施方式中，耦合1328和1330的耦合强度至少近似相同。在一些实施方式中，耦合1328和1330的耦合强度在彼此耦合强度的+/-20％内。耦合1328和1330中的每个耦合包括电感元件和电流元件。
耦合1328包括电感1332和cjj1334。耦合1328在节点1336和1338处以电流方式通信地耦合至量子位1306。耦合1328通过耦合1328的电感1332和量子位1304的电感1316以电感方式通信地耦合至量子位1304。
耦合1330包括电感1340和cjj1342。耦合1330在节点1344和1346处以电流方式通信地耦合至量子位1304。耦合1330通过耦合1330的电感1340和量子位1306的电感1326以电感方式通信地耦合至量子位1306。
在一些实施方式中，cjj1334和cjj1342中的至少一个被单个约瑟夫逊结取代。
在又另一个实施方式中，耦合器包括l调谐器(定义如下)，以及到量子位的单个电流耦合，以及到量子位的两个或更多个电感耦合。
在一些实施方式中，电路包括具有多于两个耦合的部分电流耦合器，每个耦合具有被约瑟夫逊结中断的在某一温度范围内超导的材料回路，并且以电感方式耦合至一个量子位并且以电流方式耦合支另一个量子位。在一些实施方式中，电路包括具有两个或更多个耦合的部分电流耦合器，所述两个或更多个耦合提供多于两个量子位之间的通信耦合。
在一些实施方式中，数模转换器(dac)用于控制l调谐器和/或部分电流耦合器的一个或多个耦合。在一些实施方式中，单个dac用于控制耦合器和部分电流耦合器的耦合。所述dac可以是以电感方式耦合的dac。
随着量子位间耦合强度的调节，耦合器的磁化率以及其以电感方式加载量子位的程度可以改变。例如，这可能导致量子位电感将依赖于表示量子处理器上编程的计算问题的哈密尔顿算子中的耦合项。
为了克服所得问题相关的量子位间不平衡，一种方法是以与量子位电感串联的方式添加另一个复合约瑟夫逊结(cjj)，其中另外的cjj包括更大的结。此结构在本申请中被称为l调谐器。另外的cjj的约瑟夫逊电感可以通过应用通量偏置来修改。例如，通量偏置可以通过片上通量dac来应用。在本申请中，dac也被称为通量存储设备。
图14a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括部分电流耦合器1402a的电路1400a的一部分的另一个示例实施方式。电路1400a可以是集成电路。电路1400的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1400a可以是超导电路。耦合器1402a可以是超导耦合器。耦合器1402a通信地耦合量子位1404和量子位1406。量子位1404和1406可以是超导量子位。量子位1404和1406可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括以上参考图11所讨论的那些超导通量量子位。
量子位1404包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1410中断的在某一温度范围内超导的材料回路1408。ccjj1410包括cjj1412和cjj1414。回路1408包括三个电感1416、1418和1420。在一个实施方式中，回路1408包括铌。
量子位1406包括被包括cjj1426和cjj1428的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1424中断的在某一温度范围内超导的材料回路1422。回路1422包括三个电感1430、1432和1434。在一个实施方式中，回路1422包括铌。
耦合器1402a包括被复合约瑟夫逊结1438中断的在某一温度范围内超导的材料回路1436。耦合器1402a包括六个电感1440、1442、1444、1446、1448、和1450。通过将耦合器1402a的电感4140、1442和1444分别耦合至量子位1404的电感1416、1418和1420，耦合器1402a以电感方式通信地耦合至量子位1404。耦合器1402a通过节点1452与1454之间的公共区段产生的电流耦合通信地耦合至量子位1404。
通过将耦合器1402a的电感1446、1448和1450分别耦合至量子位1406的电感1430、1432和1434，耦合器1402a以电感方式通信地耦合至量子位1406。耦合器1402a通过节点1456与1458之间的公共区段产生的电流耦合通信地耦合至量子位1406。
本申请中描述的系统和方法的益处包括对耦合器控制的较高精度，以及电流循环的断裂，即通过约瑟夫逊结或绝缘体使超导材料回路断裂。电流循环可能对控制提出了挑战，并且可能是现有技术的缺点。例如，完全电流耦合器可以限于在被选择来避免生成不期望的电流循环(被约瑟夫逊结或绝缘体断裂的超导材料回路)的架构中通信地耦合的量子位。在一些实施方式中，完全电流耦合器可以限于采用树形架构通信地耦合的量子位(在本申请中也被称为非循环连通图)。
图14b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括电感耦合器1402b的电路1400b的一部分的示例实施方式。在图14b中，相同的附图标记用于表示与图14a中相同或相似的元件。电路1400b可以是集成电路。电路1400的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1400b可以是超导电路。耦合器1402b可以是超导耦合器。耦合器1402b通信地耦合量子位1404和量子位1406。量子位1404和1406可以是超导量子位。量子位1404和1406可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括以上参考图11所讨论的那些超导通量量子位。
量子位1404包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1410中断的在某一温度范围内超导的材料回路1408。ccjj1410包括cjj1412和cjj1414。回路1408包括四个电感1416、1418、1420和1460。在一个实施方式中，回路1408包括铌。
量子位1406包括被包括cjj1426和cjj1428的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1424中断的在某一温度范围内超导的材料回路1422。回路1422包括四个电感1430、1432、1434和1462。在一个实施方式中，回路1422包括铌。
耦合器1402b包括被复合约瑟夫逊结1438中断的在某一温度范围内超导的材料回路1436。耦合器1402b包括八个电感1440、1442、1444、1446、1448、1450、1464和1466。通过将耦合器1402b的电感1440、1442、1444和1464分别耦合至量子位1404的电感1416、1418、1420和1460，耦合器1402b以电感方式通信地耦合至量子位1404。
通过将耦合器1402b的电感1446、1448、1450和1466分别耦合至量子位1406的电感1430、1432、1434和1462，耦合器1402b以电感方式通信地耦合至量子位1406。
耦合器1402b包括有序序列的区段，所述有序序列的区段包括：包括耦合电感1440、1442、1444和1464的区段、被复合约瑟夫逊结438中断的区段、包括耦合电感1446、1448、1450和1466的区段以及被单个约瑟夫逊结1468中断的区段。
图15a是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括超导量子位1504与1506之间的电容耦合1502的电路1500a的一部分。
量子位1504包括在某一温度范围内超导的材料回路1508，回路1508被复合约瑟夫逊结(cjj)1510中断。cjj1510包括两条并行电流路径，每条路径都被约瑟夫逊结中断。在一些实施方式中，cjj1510是包括两条并行电流路径的复合-复合约瑟夫逊结，每条路径都被约瑟夫逊结中断，所述约瑟夫逊结中的至少一个是cjj。
回路1508包括l调谐器1512。在一个实施方式中，l调谐器1512包括cjj。回路1508包括约瑟夫逊结结构1514。在一个实施方式中，约瑟夫逊结结构包括cjj。在一个实施方式中，约瑟夫逊结结构1514可以作为l调谐器操作。在一个实施方式中，回路1508包括铌。
量子位1506包括被复合约瑟夫逊结(cjj)1518中断的在某一温度范围内超导的材料回路1516。cjj1518包括两条并行电流路径，每条路径都被约瑟夫逊结中断。在一些实施方式中，cjj1518是包括两条并行电流路径的复合-复合约瑟夫逊结，每条路径都被约瑟夫逊结中断，所述约瑟夫逊结中的至少一个是cjj。
回路1516包括l调谐器1520。在一个实施方式中，l调谐器1520包括cjj。回路1516包括约瑟夫逊结结构1522。在一个实施方式中，约瑟夫逊结结构包括cjj。在一个实施方式中，约瑟夫逊结结构1522可以作为l调谐器操作。在一个实施方式中，回路1516包括铌。
量子位1504与1506之间的电容耦合1502包括电容1524和电容1526。在操作中，电容耦合1502的耦合强度可以通过改变应用于l调谐器1512和1520以及约瑟夫逊结结构1514和1522中的至少一个的通量偏置来调节。电容耦合1502可以作为量子位1504与1506之间的可调谐耦合器操作。通量偏置可以通过电感接口(图15a中未示出)应用于l调谐器1512和1520以及约瑟夫逊结结构1514和1522中的至少一个。
图15b是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括超导量子位1504与1506之间的电容耦合1502和电感耦合1528的电路1500b的一部分。与图15a相同的附图标记用于图15b中相似的部件。电路1500b包括电路1500a和另外的耦合器1528。
耦合器1528包括被复合约瑟夫逊结(cjj)1532中断的在某一温度范围内超导的材料回路1530。cjj1532包括两条并行电流路径，每条路径都被约瑟夫逊结中断。在一些实施方式中，cjj1532是包括两条并行电流路径的复合-复合约瑟夫逊结，每条路径都被约瑟夫逊结中断，所述约瑟夫逊结中的至少一个是cjj。
耦合器1528通过耦合器1528的电感1534和量子位1504的电感1536以电感方式通信地耦合至量子位1504。耦合器1528通过耦合器1528的电感1538和量子位1504的电感1540以电感方式通信地耦合至量子位1506。
图16是示意图，展示了根据本系统、设备、制品和方法的包括双绕组耦合器1602的多层集成电路1600a。双绕组耦合器1602包括两个绕组1602-1和1602-2。电路1600a包括三层——上层1604、中间层1606和下层1608。双绕组耦合器1602包括上层1604中的电感1610和下层1608中的电感1612。
双绕组耦合器1602以电感方式耦合至设备回路1614。例如，设备回路1614可以是量子位的元件。设备回路1614包括电感1616和1618。绕组1602-1通过电感1610和1618以电感方式通信地耦合至设备回路1614。绕组1602-2通过电感1612和1616以电感方式通信地耦合至设备回路1614。设备回路1614可以是量子位的一部分，例如，超导通量量子位的一部分。
绕组1602-1通过竖直互连通路(通孔)1620电耦合至绕组1602-2。
双绕组耦合器1602还可以以电流方式通信地耦合至设备回路1614(图16中未示出电流耦合)。双绕组耦合器1602还可以以电感方式和/或以电流方式通信地耦合至第二设备的回路(图16中未示出)。双绕组耦合器1602可以在设备回路1614所属的设备与第二设备之间提供电感通信耦合和/或电流通信耦合。
虽然上文的描述是指量子位的电感耦合和电流耦合，但是所述技术可以用于耦合其他类型的设备，例如超导量子干涉设备(squid)、量子通量参变器(qfp)设备和比如数模转换器(dac)等通量存储设备。
耦合器中的通量偏移补偿
耦合器主体(例如，本申请中描述的耦合器之一)中的通量偏移可以将失真引入到问题哈密尔顿算子中，并对量子退火器的性能产生不利影响。例如，通量偏移可以限制量子退火器中耦合器的可实现的操作精度。
本申请描述了一种可操作用于在耦合器主体中应用通量偏置补偿的接口。
图17是示意图，展示了包括耦合器1702的通量偏置补偿的电路1700的一部分的示例实施方式。电路1700可以是集成电路。电路1700的元件可以包括在某一温度范围内超导的一种或多种材料。电路1700可以是超导电路。耦合器1702可以是超导耦合器。耦合器1702可以通信地耦合量子位1704和量子位1706。量子位1704和1706可以是超导量子位。量子位1704和1706可以是超导通量量子位。可以使用的超导通量量子位的示例包括以上参考图11所讨论的那些超导通量量子位。
量子位1704包括被复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1710中断的在某一温度范围内超导的材料回路1708。ccjj1710包括cjj1712和cjj1714。回路1708包括两个电感1716和1718。在一个实施方式中，回路1708包括铌。
电路1700包括接口1720，所述接口在操作中可以向量子位1704的回路1708提供通量偏置。接口1720包括在某一温度范围内超导的材料回路1722、电感1724和电流源1726。
量子位1706包括被包括cjj1732和cjj1734的复合-复合约瑟夫逊结(ccjj)1730中断的在某一温度范围内超导的材料回路1728。回路1728包括两个电感1736和1738。在一个实施方式中，回路1728包括铌。
电路1700包括接口1740，所述接口在操作中可以向量子位1706的回路1728提供通量偏置。接口1740包括在某一温度范围内超导的材料回路1742、电感1744和电流源1746。
耦合器1702包括被复合约瑟夫逊结1750和三个电感1752、1754和1756中断的在某一温度范围内超导的材料回路1748。
耦合器1702可以通过电感1754和1718以电感方式通信地耦合至量子位1704。耦合器1702可以通过电感1756和1738以电感方式通信地耦合至量子位1706。
电路1700包括接口1758，所述接口在操作中可以向耦合器1702的回路1748提供通量偏置。接口1758包括在某一温度范围内超导的材料回路1760、电感1762和电流源1744。
耦合器1702与量子位1704和1706之间的耦合可以使用电感耦合(也称为磁性耦合)、电流耦合或电感耦合和电流耦合的组合来实施。接口1758(在本申请中也被称为通量偏置补偿器)与耦合器1702的回路1748之间的耦合可以使用电感耦合、电流耦合或电感耦合和电流耦合的组合来实施。
数模转换器(dac)可以用于控制耦合器的通量偏置补偿。
包括量子处理器的混合计算系统
图18展示了包括耦合至模拟计算机1804的数字计算机1802的混合计算系统1800。在一些实施方式中，模拟计算机1804是量子计算机，并且数字计算机1802是经典计算机。
示例性数字计算机1802包括数字处理器(比如一个或多个中央处理器单元1806)，所述数字处理器可以用于执行本系统和方法中描述的经典数字处理任务。相关领域的技术人员将认识到，当被正确地配置或编程以形成专用机器时，和/或当被通信地耦合以控制模拟计算机(例如，量子计算机)时，可以使用其他数字计算机配置来实践本系统和方法，所述其他数字计算机配置包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程消费者电子产品、个人计算机(“pc”)、网络pc、微型计算机、大型计算机等。
在本文中有时将以单数形式提及数字计算机1802，但这不旨在限制应用单个数字计算机。还可以在分布式计算环境中实践本系统和方法，其中，任务或多组指令由通过通信网络链接的远程处理设备进行或执行。在分布式计算环境中，计算机可读指令和/或处理器可读指令(有时称为程序模块)、应用程序和/或数据可以存储在本地存储器存储设备和远程存储器存储设备(例如，非暂态计算机可读介质和/或处理器可读介质)中。
数字计算机1802可以包括至少一个或多个数字处理器(例如，一个或多个中央处理器单元1806)、一个或多个系统存储器1808、以及将包括系统存储器1808的各种系统部件耦合至中央处理器单元1806的一个或多个系统总线1810。
数字处理器可以是任何逻辑处理单元，比如具有一个或多个核的一个或多个中央处理单元(“cpu”)、图形处理单元(“gpu”)、数字信号处理器(“dsp”)、专用集成电路(“asic”)、现场可编程门阵列(“fpga”)、可编程逻辑控制器(plc)等。
数字计算机1802可以包括用户输入/输出子系统1812。在一些实施方式中，用户输入/输出子系统包括一个或多个用户输入/输出部件，比如显示器1814、鼠标1816、和/或键盘1818。系统总线1810可以采用任何已知的总线结构或架构，包括具有存储器控制器的存储器总线、外围总线和局部总线。系统存储器1808可以包括：非易失性存储器，例如只读存储器(“rom”)、静态随机存取存储器(“sram”)、闪存nand中的一个或多个；以及易失性存储器，例如随机存取存储器(“ram”)(未示出)，所有这些存储器都是非暂态计算机可读和/或处理器可读介质的示例。
可以形成rom的一部分的基本输入/输出系统(“bios”)1820包含比如在启动期间帮助在数字计算机1802内的元件之间传送信息的基本例程。
数字计算机1802还可以包括其他非易失性存储器1822。非易失性存储器1822可以采取各种形式，包括：用于从硬盘进行读取和对其进行写入的硬盘驱动器、用于从可移除光盘进行读取和对其进行写入的光盘驱动器和/或用于从磁盘进行读取和对其进行写入的磁盘驱动器，所有这些元件都是非暂态计算机可读或处理器可读介质的示例。光盘可以是cd-rom或dvd，而磁盘可以是磁软盘或软磁盘。非易失性存储器1822可以经由系统总线1810与数字处理器通信并且可以包括耦合至系统总线1810的适当接口或控制器1824。非易失性存储器1822可以充当用于数字计算机1802的计算机可读指令和/或处理器可读指令、数据结构、或其他数据(也被称为程序模块)的非暂态长期存储设备。
尽管数字计算机1802已经被描述为采用硬盘、光盘和/或磁盘，但相关领域的技术人员将认识到，可以采用其他类型的非易失性计算机可读介质，比如磁带盒、闪存卡、闪存、rom、智能卡等，所有这些元件都是非暂态计算机可读介质或处理器可读介质的进一步示例。相关领域的技术人员将认识到，一些计算机架构合并了易失性存储器和非易失性存储器。例如，易失性存储器中的数据可以被缓存到非易失性存储器或采用集成电路来提供非易失性存储器的固态盘。一些计算机将传统地存储在磁盘上的数据置于存储器中。而且，传统地被视为易失性的一些介质可以具有非易失性的形式，例如双列直插式存储器模块的非易失性双列直插式存储器模块变体。
各种计算机可读指令和/或处理器可读指令集(也被称为程序模块)、应用程序和/或数据可以被存储在系统存储器1808中。例如，系统存储器1808可以存储操作系统1826、服务器指令1828、计算指令1830和/或运行时指令1832。
虽然在图18中示出为存储在系统存储器1808中，但是程序模块和其他数据可以存储在其他地方，包括非易失性存储器1822中或一个或多个其他非暂态计算机可读介质和/或处理器可读介质中。
模拟计算机1804可以设置在隔离环境(未示出)中。例如，在模拟计算机1804是量子计算机的情况下，环境屏蔽量子计算机的内部元件免受热量、磁场等的影响。模拟计算机1804包括一个或多个模拟处理器，比如(多个)量子处理器1834。
量子处理器包括可编程元件，比如量子位、耦合器和其他设备。在一个实施方式中，量子位是超导通量量子位。所述量子位是经由读出系统1836读出的。这些结果可以被馈送到用于数字计算机1802的各种计算机可读指令和/或处理器可读指令集。模拟计算机1804可以包括量子位控制系统1838和耦合器控制系统1840。耦合器控制系统1840可以提供对量子位之间的通信耦合的控制，比如本申请中描述的电感通信耦合和电容通信耦合。
在一些实施例中，混合计算机1800用于在量子处理器1834上实施量子退火。
在一些实施方式中，数字计算机1802可以使用到至少一个客户端计算机系统的逻辑连接在联网环境中操作。在一些实施方式中，数字计算机1802经由逻辑连接耦合至至少一个数据库系统。可以使用任何数字通信手段形成这些逻辑连接，例如，通过网络，比如局域网(“lan”)或包括例如互联网的广域网(“wan”)。联网环境可以包括有线的或无线的企业范围的计算机网络、内联网、外联网、和/或互联网。其他实施例可以包括其他类型的通信网络，比如电信网络、蜂窝网络、寻呼网络和其他移动网络。经由逻辑连接发送或接收的信息可以或者可以不被加密。当在lan联网环境中使用时，数字计算机1802可以通过适配器或网络接口卡(“nic”)(通信地连接至系统总线1810)连接至lan。当在wan联网环境中使用时，数字计算机1802可以包括用于在wan上建立通信的接口和调制解调器(未示出)或比如nic等设备。可以另外或可替代地采用非联网通信。
根据本系统和设备的一些实施例，量子处理器(比如图18的量子处理器1834)可以被设计成执行量子退火和/或绝热量子计算。和与问题哈密尔顿算子成比例的第一项以及与离域哈密尔顿算子成比例的第二项之和成比例的演化哈密尔顿算子被构造如下：
he∝a(t)hp+b(t)hd
其中，he是演化哈密尔顿算子，hp是问题哈密尔顿算子，hd是离域哈密尔顿算子，并且a(t)、b(t)是可以控制演化速率并且通常处于[0，1]范围内的系数。
在一些实施方式中，对问题哈密顿算子应用时变包络函数。合适的离域哈密尔顿算子由下式给出：
其中，n表示量子位数量，
常见问题哈密尔顿算子包括与对角单量子位项成比例的第一分量以及与对角多量子位项成比例的第二分量，并且可以是以下形式：
其中，n表示量子位数量，
此处，
贯穿本说明书，除非上下文另有规定，否则术语“问题哈密尔顿算子”和“最终哈密尔顿算子”被可互换地使用。量子处理器的某些状态在能量上是优选的，或者简单地在问题哈密尔顿算子上是优选的。这些状态包括基态，但可以包括激发态。
可以用各种不同的方式在物理上实现哈密顿算子(比如在以上两个方程式中分别为hd和hp)。通过实施超导量子位而实现具体的示例。
超导量子位的示例包括超导通量量子位、超导电荷量子位等。在超导通量量子位中，约瑟夫逊能量占主导或等于充电能量。在电荷量子位中，情况是相反的。可以使用的通量量子位的示例包括rf-squid(包括被一个约瑟夫逊结中断的超导回路)、持续电流量子位(包括被三个约瑟夫逊结中断的超导回路)等。参见，在bocko等人，1997，《ieeetrans.onappl.supercond.(ieee应用超导性汇刊)》，7，3638；friedman等人，2000《自然》406，43；以及harris等人，2010，《物理学评论b辑》81，134510中的rf-squid量子位的示例；或在mooij等人，1999，《科学》，285，1036；以及orlando等人，1999，《物理学评论b辑》60，15398中的持续电流量子位的示例。另外，还可以使用混合电荷相位量子位，其中，能量是相等的。可以在以下文档中找到超导量子位的进一步细节：makhlin等人，2001，《rev.mod.phys.(现代物理评论)》，73，357；devoret等人，2004，arxiv：cond-mat/0411174；zagoskin和blais，2007，《physicsincanada(加拿大物理学)》，63，215；clarke和wilhelm，2008，《自然》，453，1031；martinis，2009，《quantuminf.process.(量子信息处理)》，8，81；以及devoret和schoelkopf，2013，《科学》，339，1169。在一些实施例中，量子位和耦合器由片上电路系统控制。可以在以下美国专利中找到片上控制电路系统的示例：7,876,248；7,843,209；8,018,244；8,098,179；8,169,231；以及8,786,476。在例如美国专利7,533,068、8,008,942、8,195,596、8,190,548以及8,421,053中描述了可以与本系统和装置结合使用的示例性量子处理器的进一步细节和实施方式。
以上描述的(多种)方法、(多个)过程、或(多种)技术可以通过存储在一个或多个非暂态处理器可读介质上的一系列处理器可读指令来实施。以上描述的(多种)方法、(多个)过程、或(多种)技术方法的一些示例部分地是由专用设备比如绝热量子计算机或量子退火器、或对绝热量子计算机或量子退火器进行编程或以其他方式控制其操作的系统(例如包括至少一个数字处理器的计算机)来执行。以上描述的(多种)方法、(多个)过程、或(多种)技术可以包括各种动作，但本领域技术人员应了解的是，在替代性示例中可以省略某些动作，和/或可以添加附加动作。本领域技术人员还应了解的是，所展示的动作顺序是仅出于示例性目的而示出的并且可以在替代性示例中改变。上文所描述的(多种)方法、(多个)过程、或(多种)技术的示例性动作或操作中的一些被迭代地执行。可以在每次迭代期间、在多次迭代之后、或在所有迭代结束时执行上文所描述的(多种)方法、(多个)过程、或(多种)技术中的一些动作。
对所展示实施例的以上描述(包括摘要中所描述的内容)并非旨在作为穷尽性的或将实施例限于所披露的确切形式。尽管为了说明的目的在本文中描述了具体实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将会认识到的，可以在不脱离本披露内容的精神与范围的情况下做出各种等效修改。本文中提供的对各个实施例的教导可以应用于其他模拟处理器，不一定是以上总体描述的示例性量子处理器。
以上所描述的各个实施例可以被组合以提供进一步的实施例。在不与本文的具体教导和定义不一致的程度上，本说明书中提及的和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请通过引用以其全文并入本文，包括：发明名称为“systems，methods，andapparatusforqubitstatereadout(用于量子位状态读出的系统、方法和装置)”的国际pct专利申请公开号wo2009039634a1；发明名称为“superconductingfluxqubitreadout(超导通量量子位读出)”的国际pct专利申请公开号wo2012064974a2；发明名称为“frequencymultiplexedresonatorinputand/oroutputforasuperconductingdevice(用于超导设备的频率复用谐振器输入和/或输出)”的国际pct专利申请公开号wo2016183213a1；发明名称为“superconductingquantumprocessorandmethodofoperatingsame(超导量子处理器及其操作方法)”的美国专利申请序列号16/029026；发明名称为“systemsandmethodsforcouplingqubitsinaquantumprocessor(用于在量子处理器中耦合量子位的系统和方法)”的美国临时专利申请序列号62/608501以及发明名称为“systemsandmethodsforcouplingqubitsinaquantumprocessor(用于在量子处理器中耦合量子位的系统和方法)”的美国临时专利申请序列号62/693305。如果需要，可以修改实施例的各方面以采用各种专利、申请、和公开的系统、电路、和概念来提供另外的实施例。
鉴于上述详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中披露的具体实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及此权利要求有权获得的等效物的整个范围。因此，权利要求不受本披露内容的限制。
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