可扩展的超导量子比特结构的制作方法

本公开属于量子计算技术领域，涉及一种可扩展的超导量子比特结构。

背景技术：

由于晶体管芯片的尺寸越来越小、逐渐接近极限，传统经典计算机的运算性能也逐渐到达峰值。量子计算机作为一种潜在的替代现有经典计算机的方案，其原理及相关算法在上个世纪就已经被大量研究，在大质数因子分解、全局搜索等数学问题上，量子计算都具有原则性上的求解速度优势。科学家现在已经建立起不同的量子体系，并实现了一些简单的量子算法，其中超导量子计算是最有前景的量子计算体系。

在量子计算系统中，最重要的就是实现高保真度的单量子比特门、双量子比特cz门。在超导量子计算系统中，单量子比特门在现有的xmon设计中已经可以达到99.5％以上的保真度，已经达到很多量子算法的要求。然而在现有的多量子比特体系中，固定耦合强度的相邻量子比特很难完全关断彼此间的耦合，因此这些多量子比特系统的cz门保真度受到了一定的限制。

更进一步的，现有的量子计算中涉及的多量子比特体系在应用过程中，提出了兼顾高保真度和高扩展性的要求。

因此，有必要提出一种新的超导量子比特结构，在提高量子计算的精度的基础上，进一步提高了超导量子比特结构的扩展性，促进超导量子计算的应用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种可扩展的超导量子比特结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种可扩展的超导量子比特结构，包括：超导量子比特线路，包含：至少一个约瑟夫森结结构，该约瑟夫森结结构为一个约瑟夫森结、两个或多个约瑟夫森结、或者约瑟夫森结与辅助线路构成的组合；以及与约瑟夫森结直接相连的电容和电感；以及一耦合器线路，用于调节与耦合器相连的超导量子比特之间的耦合强度，且该耦合强度可调至接近或等于零；其中，与约瑟夫森结直接相连的电容为多个，超导量子比特通过多个电容形成的分支结构与其它电路进行耦合。

在本公开的一些实施例中，其他电路为如下电路中的一种或几种：读取线路、控制线路、或超导量子比特线路。

在本公开的一些实施例中，控制线路用于调节约瑟夫森结的参数，该控制线路连接电源，该电源为电流源或电压源。

在本公开的一些实施例中，当超导量子比特线路包含多个约瑟夫森结时，每个约瑟夫森结具有单独的控制线路，或者每个约瑟夫森结具有多个控制线路，或者多个约瑟夫森结共用一个控制线路，或者多个约瑟夫森结与多个控制线路任意搭配使用。

在本公开的一些实施例中，可扩展的超导量子比特结构可向左或向右扩展附加结构，该扩展的附加结构为：只包含超导量子比特线路的结构，或者只包含耦合器线路的结构，或者超导量子比特与耦合器的任意组合线路结构。

在本公开的一些实施例中，与耦合器相连的超导量子比特与耦合器的连接关系如下：一个耦合器与两个或多个超导量子比特连接，或者多个耦合器与多个超导量子比特连接，且该超导量子比特通过电容与耦合器实现连接。

在本公开的一些实施例中，耦合器线路为一环路，该环路包含一第二约瑟夫森结，该第二约瑟夫森结连接在与耦合器相连的超导量子比特线路中的电容处，该环路还包含与耦合器相连的超导量子比特线路中的电感，且电感之间接地。

在本公开的一些实施例中，通过多个电容形成的分支结构与超导量子比特进行耦合的其它线路之间位于相同或不同的平面上；和/或，通过多个电容形成的分支结构与超导量子比特进行耦合的其它线路与超导量子比特位于相同或不同的基板上。

在本公开的一些实施例中，超导量子比特线路和耦合器线路中所有线路的连接为超导连接；可选的，采用导线实现线路的连接，该导线的材料为超导材料；优选的，该超导材料为铝。

在本公开的一些实施例中，约瑟夫森结为隧道结、微桥结、点接触、或者其他呈现约瑟夫森效应的结构或器件。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的可扩展的超导量子比特结构，具有以下有益效果：

利用耦合器线路调节与耦合器相连的超导量子比特之间的耦合强度，且该耦合强度可调至接近或等于零，能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，提高双量子比特cz门的保真度，并且超导量子比特通过多个电容形成的分支结构与其它电路进行耦合，在提高量子计算的精度的基础上，进一步提高了超导量子比特结构的扩展性，促进超导量子计算的应用。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的可扩展的超导量子比特结构示意图。

【符号说明】

c11，c12，c13，c21，c22，c23-电容；j1，j2，j3-约瑟夫森结；

t1，t11，t12，t13，t14，t21，t22，t23，t24-接入点；

l1，l2-电感。

具体实施方式

本公开提供了一种可扩展的超导量子比特结构，利用耦合器线路调节与耦合器相连的超导量子比特之间的耦合强度，且该耦合强度可调至接近或等于零，能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，提高双量子比特cz门的保真度，并且超导量子比特通过多个电容形成的分支结构与其它电路进行耦合，在提高量子计算的精度的基础上，进一步提高了超导量子比特结构的扩展性，促进超导量子计算的应用。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，权利要求书和说明书中的“多个”的含义表示数量为两个或两个以上。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种可扩展的超导量子比特结构。

图1为根据本公开一实施例所示的可扩展的超导量子比特结构示意图。

参照图1所示，本公开的可扩展的超导量子比特结构，包括：

多个超导量子比特线路，每个超导量子比特线路包含：至少一个约瑟夫森结结构，该约瑟夫森结结构为一个约瑟夫森结、或多个约瑟夫森结、或者约瑟夫森结与辅助线路构成的组合；以及与约瑟夫森结直接相连的电容和电感；

以及一耦合器线路，用于调节与耦合器相连的超导量子比特之间的耦合强度，且该耦合强度可调至接近或等于零；

其中，与约瑟夫森结直接相连的电容为多个，超导量子比特通过多个电容形成的分支结构与其它电路进行耦合。

本实施例中以可扩展的超导量子比特结构包括2个超导量子比特线路进行示例；其中，每个超导量子比特线路以结构相同进行示意，在每个超导量子比特线路中，以包含1个约瑟夫森结结构，且该约瑟夫森结结构为1个约瑟夫森结，以及与该约瑟夫森结直接相连的3个电容和1个电感进行示例。

在本公开的一些实施例中，与耦合器相连的超导量子比特与耦合器的连接关系如下：一个耦合器与两个或多个超导量子比特连接，或者多个耦合器与多个超导量子比特连接，且该超导量子比特通过电容与耦合器实现连接。

需要说明的是，在其它实施例中，超导量子比特线路、耦合器线路、约瑟夫森结结构、约瑟夫森结、电容、以及电感的个数可根据实际情况进行适应性设置，不限制其具体个数，且每个超导量子比特线路之间的结构可以相同，也可以不同。

本实施例中，以一个耦合器与两个超导量子比特以电容实现连接进行示例，参照图1所示，本实施例的可扩展的超导量子比特结构，包括：两个超导量子比特线路，其中一个超导量子比特线路包含：约瑟夫森结j1，以及与该约瑟夫森结j1直接相连的3个电容c11、c12、c13和电感l1，另一个超导量子比特线路包含：约瑟夫森结j2，以及与该约瑟夫森结j2直接相连的3个电容c21、c22、c23和电感l2；以及耦合器线路，与上述两个超导量子比特线路相连，用于调节与耦合器相连的超导量子比特之间的耦合强度，且该耦合强度可调至接近或等于零。

参照图1所示，本实施例中，该耦合器线路为一环路，该环路包含：约瑟夫森结j3和与耦合器相连的超导量子比特线路中的电感l1和电感l2，其中，该约瑟夫森结j3连接在与耦合器相连的超导量子比特线路中的电容c13和电容c23处，如图1中的接入点t13和t23所示；电感l1和电感l2之间接地，如图1中的接入点t1所示。

两个超导量子比特通过约瑟夫森结j3形成电感耦合，通过调节约瑟夫森结j3与电感l1、电感l2和地形成的耦合环路的磁通量，实现对约瑟夫森结j3的等效电感的调节，从而调节两个超导量子比特之间的耦合强度，且能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，提高双量子比特cz门的保真度，从而提高量子计算的精度。

需要说明的是，耦合器线路不局限于本实施例所示的结构，还可以其他能够实现上述功能的结构。

在本公开的一些实施例中，超导量子比特通过多个电容形成的分支结构与其它电路进行耦合，其他电路为如下电路中的一种或几种：读取线路、控制线路、或超导量子比特线路。

参照图1所示，本实施例的可扩展的超导量子比特结构中，其中一个超导量子比特(左边的量子比特)通过包含电容c11的支路与其他电路进行耦合，其他电路可以连接于接入点t11上；或者通过包含电容c12的支路与其他电路进行耦合，其他电路可以连接于接入点t12上；或者通过约瑟夫森结j1与其他电路进行耦合，其他电路可以连接于接入点t14上；另一个超导量子比特(右边的量子比特)通过包含电容c21的支路与其他电路进行耦合，其他电路可以连接于接入点t21上；或者通过包含电容c22的支路与其他电路进行耦合，其他电路可以连接于接入点t22上；或者通过约瑟夫森结j2与其他电路进行耦合，其他电路可以连接于接入点t24上。

在本公开的一些实施例中，控制线路用于调节约瑟夫森结的参数，该控制线路连接电源，该电源为电流源或电压源。

在本公开的一些实施例中，当超导量子比特线路包含多个约瑟夫森结时，每个约瑟夫森结具有单独的控制线路，或者每个约瑟夫森结具有多个控制线路，或者多个约瑟夫森结共用一个控制线路，或者多个约瑟夫森结与多个控制线路任意搭配使用。

在本公开的一些实施例中，通过多个电容形成的分支结构与超导量子比特进行耦合的其它线路之间位于相同或不同的平面上；和/或，通过多个电容形成的分支结构与超导量子比特进行耦合的其它线路与超导量子比特位于相同或不同的基板上。

该可扩展的超导量子比特结构不仅具有高精度，还具有很好的可扩展性。

在本公开的一些实施例中，可扩展的超导量子比特结构可向左或向右扩展附加结构，该扩展的附加结构为：只包含超导量子比特线路的结构，或者只包含耦合器线路的结构，或者超导量子比特与耦合器的任意组合线路结构。需要说明的是，向左或向右的扩展没有数量限制。

参照图1可知，可通过接入点t11、t12、t14、t21、t22、t24实现该可扩展的超导量子比特结构的二维扩展或者与其他电路的耦合，该可扩展的超导量子比特结构具有良好的高扩展性。

本实施例中，超导量子比特线路和耦合器线路中所有线路的连接为超导连接；可选的，采用导线实现线路的连接，该导线的材料为超导材料；优选的，该超导材料为铝。

需要说明的是，超导量子比特线路和耦合器线路中的材料可以是同一种材料或不同的材料，可以是同时制备或先后制备。

本实施例中，约瑟夫森结为隧道结、微桥结、点接触、或者其他呈现约瑟夫森效应的结构或器件。

本实施例中，所有线路可制备在单层基板上，或两层基板上，或多层基板上，优选的，线路基板为蓝宝石或者为硅材料。

综上所述，本公开提供了一种可扩展的超导量子比特结构，利用耦合器线路调节与耦合器相连的超导量子比特之间的耦合强度，且该耦合强度可调至接近或等于零，能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，提高双量子比特cz门的保真度，并且超导量子比特通过多个电容形成的分支结构与其它电路进行耦合，在提高量子计算的精度的基础上，进一步提高了超导量子比特结构的扩展性，促进超导量子计算的应用。

需要说明的是，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。