量子电子电路及量子电子装置的制作方法

总体而言，本实用新型涉及量子计算技术。特别地，本实用新型涉及控制量子比特状态的技术，量子比特(qubits)还称为量子比特(quantumbits)。

背景技术：

已经变得普遍的是，在量子计算中，使用术语“量子比特”不仅表示基本信息单元而且表示用于存储一个量子比特信息的信息存储元件。作为示例，可以考虑具有一个或多个量子比特的超导存储器电路(即，量子比特大小的信息存储元件)。在这种示例中，量子比特是非谐振子(anharmonicoscillator)，例如传输子(transmon)，并且它可以耦合到临近的读出谐振器，以便于读出存储在其中的量子比特的状态。

为了实现量子计算机，最基本的是，量子比特的状态能够用耦合到其上的控制信号控制。控制通常涉及将控制信号注入足够接近量子比特、耦合器或线性谐振器的控制信号线，以使得控制信号可以与量子比特的状态相互作用。控制信号可以以足够接近量子比特或一些相关联的电路元件的谐振频率的频率到达。可选地，控制信号可以包括dc脉冲，其产生强度足以偏置包括在量子比特或相关联的电路元件中的squid的磁通量。

量子计算装置只能够在极低的温度(远低于1开尔文)下运行，为此该装置必须在先进的低温恒温器的内部。进出低温恒温器的每条信号线构成热负荷，该热负荷让实现并维持需要的低温更困难。此外，信号线需要辅助装置如控制电子、放大器、滤波器等等，这涉及昂贵的先进技术、占用大量空间、并增加了布置的整体复杂性。随着量子计算装置中的量子比特的数量的增加，这些问题变得越来越严重。

技术实现要素：

目的是，提供一种布置和方法，其利用控制电路以控制量子比特状态，该控制电路较现有技术没有那么复杂。另一个目的是，提供一种用于控制量子比特的状态的布置和方法，相较于先前已知的解决方案，其减少了信号线和控制设备的数量。另一个目的是，布置和方法与不同类型的量子比特和不同种类的受控自由度兼容。另一个目的是，使得能够保持控制场的校准自由度的数量次线性地依赖于量子比特或量子比特耦合器的数量。还有一个进一步的目的是，使得能够构建量子计算装置，其中控制线的数量增长慢于由这些控制线控制的量子比特的数量。

本实用新型的目的通过利用多条控制线的叠加控制实现，使得可以通过使用适当选择的控制线的组合来处理选择的一个或多个量子比特。

根据第一方面，提供了一种量子电子电路，其包括多个量子电路元件、多条控制信号线和控制信号线与量子电路元件之间的信号耦合。信号耦合用于将至少一些控制信号线与至少一些量子电路元件耦合。控制信号线至少包括控制信号线的第一子集和控制信号线的第二子集。信号耦合被布置成将量子电路元件的至少一个子组中的每一个与第一子集的相应控制信号线和第二子集的相应的控制信号线耦合。这使得能够利用相互叠加的控制信号来叠加控制子组的单个量子电路元件的状态，所述相互叠加的控制信号通过第一子集的相应的控制信号线和第二子集的相应的控制信号线传输。

根据第一方面的实施例，多个量子电路元件包括第一、第二、第三和第四量子电路元件。然后，信号耦合被布置成将第一子集的第一控制信号线与第一和第二量子电路元件耦合，并且将第一子集的第二控制信号线与第三和第四量子电路元件耦合。然后，信号耦合还被布置成将第二子集的第一控制信号线与第一和第三量子电路元件耦合，并且将第二子集的第二控制信号线与第二和第四量子电路元件耦合。

根据第一方面的实施例，信号耦合被布置成将第一子集的第一控制信号线与包括第一和第二量子电路元件的量子电路元件的第一子组耦合。然后，信号耦合还被布置成将所述第一子集的第二控制信号线与包括第三和第四量子电路元件的量子电路元件的第二子组耦合。然后，信号耦合被进一步布置成将第二子集的每条控制信号线仅耦合到第一子组的仅一个量子电路元件和第二子组的仅一个量子电路元件。

根据第一方面的实施例，信号耦合被布置成将所述第一子集的每条控制信号线与量子电路元件的相应的子组耦合，并且所述第二子集的每条控制信号线与每个子组的仅一个量子电路元件耦合。

根据第一方面的实施例，除了控制信号线的第一和第二子集之外，多条控制信号线包括控制信号线的至少一个另外的子集。然后，在每个所述子集内，信号耦合被布置成将每个单独的控制信号线耦合到量子电路元件的相应的子组。然后，在这些子集之间，信号耦合还被布置成将每个子组的量子电路元件中的至多一个耦合到属于不同子集的任何控制信号线。

根据第一方面的实施例，至少一些量子电路元件是量子比特。

根据第一方面的实施例，至少一些量子电路元件是谐振器，存在从该谐振器到另外的谐振器的另外的耦合。

根据第二方面，提供了一种量子电子装置，其包括至少一个上述种类的量子电子电路和多信道控制信号源，所述多信道控制信号源被配置成选择性地将控制信号传输到多条控制信号线。

根据第二方面的实施例，多信道控制信号源被配置成，通过将相互叠加的控制信号传输通过控制信号线来控制多个量子电路元件中的单独一个的状态，多个量子电路元件中的单独一个通过信号耦合而与所述控制信号线耦合。

根据第二方面的实施例，多信道控制信号源被配置成，通过将时分复用的相互叠加的控制信号传输通过控制信号线来控制多个量子电路元件中的单独一个的状态，多个量子电路元件中的单独一个通过信号耦合而与所述控制信号线耦合。

根据第二方面的实施例，多信道控制信号源被配置成，通过将频分复用的相互叠加的控制信号传输通过控制信号线来控制多个量子电路元件中的单独一个的状态，多个量子电路元件中的单独一个通过信号耦合而与所述控制信号线耦合。

附图说明

附图被包括以提供本实用新型的进一步理解并构成本说明书的一部分，其示出了本实用新型的实施例并与说明书一起帮助解释本实用新型的原理。在附图中：

图1示出了量子比特的矩形阵列和控制线，其中控制信号被施加到两条控制线；

图2示出了量子比特的矩形阵列和控制线，其中控制信号被施加到三条控制线；

图3示出了量子比特的六边形阵列和控制线，其中控制信号被施加到三条控制线；

图4示出了梯度的量子比特，其具有两条临近的控制线；

图5示出了x形的量子比特，其具有两条临近的控制线；

图6示出了用作混合器的x形的非线性谐振器，其用于附接到其上的线性谐振器的双音驱动，其具有两条临近的控制线；

图7示出了用作混合器的x形的非线性谐振器，其用于附接到其上的量子比特的双音驱动，其具有两条临近的控制线；并且

图8示出了一种方法；

图9示出了用于叠加控制至少一个量子电路元件的方法。

具体实施方式

贯穿本文，术语“量子电路元件”是指，为了参与量子计算，能够取得并维持可检测的量子机械状态的任何电路元件、或电路元件的任何组合。此外，该术语是指能够在同一电路中使用的任何电路元件、或电路元件的任何组合，以进一步耦合到能够取得并维持可检测的量子力学状态的电路元件或从其耦合。量子电路元件的示例包括但不限于量子比特、耦合器、不是量子比特但能够在与量子比特相同的电路中使用的谐振器、能够在与量子比特相同的电路中使用的混合器、和超导量子干涉器(squid，superconductingquantuminterferencedevices)。

术语“量子电子电路”不仅限于电子量子电路，还包括例如被捕获的离子、原子等，如本领域技术人员已知的。

图1示出了包括多个量子电路元件和多条控制信号线的量子电子电路。量子电路元件示意性地示出为圆圈；量子电路元件101被选出作为示例。控制信号线示意性地示出为直线，其在相交处具有小的半圆形部分，强调在相交处示出为垂直线的控制信号线不与示出为水平线的控制信号线连接。目的是通过一条控制信号线传输的控制信号不会耦合至另一条控制信号线，除非为此目的设置专用耦合。

在图1的电路中，控制信号线和量子电路元件之间存在信号耦合。信号耦合是指量子电子电路的一部分，其中信号能够并且旨在引起控制信号线和量子电路元件之间的能量交换。因此，上述信号耦合可以描述为存在用于将至少一些控制信号线与至少一些量子电路元件耦合。

简单地使控制信号线足够靠近量子电路元件到其例如在构建它们二者的共同基板的表面上应当产生信号耦合，可以产生信号耦合。另外或可选地，信号耦合可以包括专用耦合元件，如在量子电子技术领域中众所周知的。

多条控制信号线包括控制信号线的第一子集102和控制信号线的第二子集103，所述第一子集102在图1中示出为垂直线，所述第二子集103在图1中示出为水平线。上述信号耦合被布置为将量子电路元件的至少子组中的每一个与第一子集102的相应的控制信号线和第二子集103的相应的控制信号线耦合。在图1中，假设每条垂直控制信号线在该垂直控制信号线的紧接右侧的垂直列中与每个量子电路元件具有信号耦合。类似地，假设每条水平控制信号线在该水平控制信号线紧接上方的水平行中与每个量子电路元件具有信号耦合。从控制信号线到所有其他量子电路元件的较大距离意味着在它们之间不存在规模明显的信号耦合。

根据量子比特的数量以及量子比特和控制信号线的相应布置，子集中的控制信号线的数量可以是任意数量。在一些实施例中，甚至仅单个控制信号线可以被认为形成其自己的子集。

量子电路元件和控制信号线的这种相互布置，使得能够利用通过相应的控制信号线传输的相互叠加的控制信号来叠加地控制单个量子电路元件的状态。相互叠加的控制信号并不一定仅指线性可加性，而是总体而言，控制信号对特定量子比特的作用可以以本文描述的方式累加。

作为示例，在图1中考虑了示出为第一子集102的较粗的垂直线和第二子集103的较粗的水平线的成对控制信号线。单独地，传输通过选择的垂直控制信号线的控制信号太弱，没有正确地调谐，和/或除此以外不能有效地控制与其具有信号耦合的任何量子电路元件的状态。类似地，单独地，传输通过选择的水平控制信号线的控制信号太弱，没有正确地调谐，和/或除此以外不能有效地控制与其具有信号耦合的任何量子电路元件的状态。然而，与选择的垂直控制信号线和选择的水平控制信号线都具有信号耦合的量子电路元件受到传输通过所述选择的控制信号线的两个控制信号的同时作用。两个控制信号的作用在此量子电路元件上累加；因此，将其状态指定为“叠加”控制。

在图1中，在圆圈内部以x标记的量子电路元件恰好与选择的控制信号线之一具有信号耦合。这些量子电路元件可以描述为受到干扰，但是不受传输通过选择的控制信号线之一的控制信号的明显影响。用实心黑色圆圈标记的量子电路元件与两个所述选择的控制信号线都具有信号耦合，其将适当地受到传输通过相应的两条控制线的控制信号的叠加作用的影响。用纯白色圆圈标记的量子电路元件可以描述为空闲的。

图2示出了相同的量子电子电路，此时具有选择的两条垂直控制信号线，同时具有一条水平控制信号线。通过两条选择的垂直控制信号线和通过选择的水平控制信号线的控制信号的传输，导致叠加地控制图2中用实心黑色圆圈标记的两个单独的量子电路元件的状态。总共有8个量子电路元件，在图2中每一个均在圆圈内部以x标记，其恰好与选择的控制信号线之一具有信号耦合。就像在图1中，传输通过仅一条控制信号线的控制信号的作用太弱，没有正确地调谐，和/或除此以外不能对这些量子电路元件的状态提供任何实质性的控制；它们仅被干扰。有一些方法可以以局部方式处理这种干扰，而不会影响其余部分或电路和多路复用策略。

控制信号线和量子电路元件之间的关系和耦合可以使用图2中的参考指示符例如以以下方式描述。多个量子电路元件包括第一量子电路元件201、第二量子电路元件202、第三量子电路元件203和第四量子电路元件204。存在有第一子集的第一控制信号线211和第一子集的第二控制信号线212。类似地，存在有第二子集的第一控制信号线221和第二子集的第二控制信号线222。信号耦合被布置成将第一子集的第一控制信号线211与第一量子电路元件201和第二量子电路元件202耦合，并且将所述第一子集的第二控制信号线212与第三量子电路元件203和第四量子电路元件204耦合。另外，所述信号耦合被布置成将第二子集的第一控制信号线221与第一量子电路元件201和第三量子电路元件203耦合，并且将第二子集的第二控制信号线222与第二量子电路元件202和第四量子电路元件204耦合。

另一种描述量子电路元件的矩阵、控制信号线和耦合的方法如下。信号耦合被布置成将第一子集的第一控制信号线211与量子电路元件的第一子组耦合，所述量子电路元件的第一子组包括第一量子电路元件201和第二量子电路元件202。信号耦合还被布置成将第一子集的第二信号线212与量子电路元件的第二子组耦合，所述量子电路元件的第二子组包括第三量子电路元件203和第四量子电路元件204。信号耦合被布置成将第二子集的每条控制信号线耦合到第一子组201、202的仅一个量子电路元件和第二子组203、204的仅一个量子电路元件。

最后提到的定义可以概括为，信号耦合被布置成将第一子集的每条控制信号线与量子电路元件的相应的子组耦合，并且将第二子集的每条控制信号线与每个这种子组的仅一个量子电路元件耦合。

量子电路元件的叠加控制的原理可以用两个子集以上的控制信号线来实现。图3示出了一种可选方案，其中例如在共同基板的表面上，量子电路元件构成六边形图案。除了控制信号线的第一和第二子集之外，多条控制信号线包括控制信号线的至少一个另外的子集。这里，控制信号线的三个子集中的每一个均包括相互平行的控制信号线，并且子集相对于彼此以60度的间隔定向。图3中的加粗线示出了通过第一子集的控制信号线301、第二子集的控制信号线302和第三子集的控制信号线303的控制信号的同时传输。

类似于图1和图2，同样在图3的实施例中，在控制信号线的每个子集内，信号耦合被布置成将每个单独的控制信号线耦合到相应的量子电路元件的子组。在子集之间，信号耦合被布置成将每个子组的量子电路元件中的至多一个耦合到属于不同子集的任何控制信号线。

图3中用于量子电路元件的图形符号也与图1和图2中相同。没有控制信号甚至部分地耦合到其上的量子电路元件用实心白色圆圈标记。用带x的圆圈标记这样的量子电路元件：其与传输控制信号的控制信号线具有一些耦合，但不足以影响量子电路元件的状态。用黑色圆圈标记这样的量子电路元件：其与同时传输控制信号的多条控制信号线具有足够的耦合，导致对这种量子电路元件的叠加控制。使用控制信号线的三个或更多不同的子集可以有助于确保由仅一个(或仅少数)控制信号线引起的控制信号耦合与由所有这些控制信号线引起的控制信号耦合之间的更好的分辨率，其预期效果是对其耦合到的量子电路元件的叠加控制。使用控制信号线的三个或更多不同的子集的优点还可能涉及被干扰的量子比特的较小干扰，和/或减少的独立控制线的数量。

另一种能够可替换地或另外用于以多于两个子集实现控制信号线的方法是，并非所有量子电路元件都需要能够通过一个子集处理。即，所有图1、图2和图3的共同特征是，在控制信号线的每个单独的子集中，可以找到与任意选择的一个量子电路元件具有耦合的一条控制信号线。如上所述，这不是必要条件；例如，在图1和图2可以定义，顶部两条水平控制信号线属于一个子集，底部两条水平控制信号线属于另一个子集。为了实现叠加控制，只需要确保可以利用来自两个或更多子集的选择的控制信号线同时处理待应用叠加控制的那些量子电路元件中的每一个。

图1和图2中示出的方法，其中需要恰好通过两条控制信号线同时传输的控制信号，用于任何期望的量子电路元件的叠加控制，是指如果量子电路元件的数量为n²，则控制信号线的数量是2n。试图构造越来越大的量子计算装置意味着n变得越来越大，但是控制信号线的数量(2n)相对于n的增长慢于作为n的函数的量子电路元件的数量(n²)。因此，前面提到的目的之一显然已经实现。在图3示出的方法中，如果量子电路元件构成规则六边形图案，其每边具有n个量子电路元件(图3中n＝3)，则可以证明实现了相同的目的：量子电路元件的总数为2[n+∑(n+i)]-1，其中总和“∑(n+i)”中的总和指数i从零到n-2。作为n的函数，这个表达式的增长明显快于控制信号线的总数3(2n-1)。不过，应该注意的是，同样在图3的六边形网格中，可以仅用控制信号线的两个子集来控制所有的量子比特，这两个子集在数量上甚至比图3示出的三个子集更多。

已经存在的用于制造量子电子电路的制造方法使得，在大多数情况下，量子电路元件和控制信号线构成基本上二维的结构，即它们基本上位于单个平面上，通常位于基板的平坦表面上。这不是必要条件，而结构也可以是基本上三维的，这给予了选择量子电路元件阵列的拓扑的甚至更多的自由，并且提供了使得控制信号线足够接近它们以提供信号耦合的方式。使控制线的数量增长慢于由这些控制线控制的量子比特的数量的目的也可以在三维的结构中实现。例如，如果量子电路元件构成一个规则的三维立方阵列，在其每边上具有n个量子电路元件，则量子电路元件的数量为n³，其作为n的函数增长快于控制信号线的数量3n²。在该示例中，可以假设穿过量子电路元件的立方阵列的控制信号线是直的，并且布置成三个子集，每个子集均沿着三个相互正交的坐标轴之一定向。同样，在该示例中，对于期望的量子电路元件的叠加控制，可以假设通过从三个子集中的每一个中选择的一个控制信号线传输同时控制信号。期望的的量子电路元件是最接近这三条控制信号线相遇的地方的量子电路元件。

同样，量子电路元件的严格规则布置(具有恒定的相互间隔和恒定的相互方向)不是必要条件。利用叠加控制来控制其状态的量子电路元件可被布置成对于一些原因有利的任何几何形状，例如涉及它们的制造方法和/或在操作期间它们期望的相互作用或需要的无相互作用。同样，不需要量子电子装置中的所有量子电路元件都包含在叠加控制方案中，可以有其他具有例如它们自己的专用、单独的控制信号线的量子电路元件。

因为传输通过一组选择的控制信号线的控制信号仅对一个或仅对一些量子电路元件造成叠加控制作用，为了利用量子电子装置的全部量子处理能力，可能需要执行时分复用。这意味着在不同时刻选择不同的量子电路元件(和/或不同的子组)用于叠加控制。本文稍后将更详细地考虑时分复用的方面。时分复用的应用不排除在控制量子电路元件中的其他形式的多路复用，例如使用不同频率的控制信号的频分复用。

控制信号对量子电路元件的作用可以称为控制场。控制信号可以如何影响量子电路元件的状态的示例包括但不限于由于信号电荷偏置量子比特而产生的电场、由于信号磁场通量偏置squid而产生的磁场。在控制场的校准自由度的数量应当最多为量子电路元件的数量的多项式的意义上，控制操作的校准优选地是可缩放的。否则，对于大量的量子电路元件，校准可能变得过于复杂或不可行。

图4至图7示出了量子电路元件和其与控制信号线的耦合的非限制性示例。在这些图中，假设量子电子装置的组件在绝缘基板的表面上形成，表面的大面积覆盖有一层导电材料，当装置冷却到量子电路元件正常运行需要的温度时，该材料就变成了超导的。这些图形中的阴影部分表示已经移除导电材料层的区域。

图4中示出的量子电路元件是梯度的量子比特，其中没有导电材料的区域是方形环401。两个约瑟夫逊结402和403对角地桥接方形环401的相对的角。两个共面波导靠近方形环401的相应侧面定位，每个共面波导均包括中心导体404或405，该中心导体404或405通过没有导电材料的带状区域406、407、408或409与周围的导电平面分离。这种结构使得能够通过利用合适的控制信号以磁场通量偏置来偏置梯度的量子比特。控制线(其部分为图4中示出的共面波导)如何从量子电路元件进一步延伸并不重要；假设其结构和位置使得能够通过它们二者同时传输控制信号以用于量子电路元件的叠加控制就已足够。

图5中示出的量子电路元件是一个x形量子比特，其中没有导电材料的区域是x形环501。约瑟夫逊结502在x分支之一的外端桥接该环。控制信号线的外观与图4的外观相似：两个共面波导靠经x形环501的分支的相应外端定位。这些分支不包括约瑟夫逊结502所在的分支。该结构使得能够利用传输通过控制信号线的合适的控制信号来电荷偏置x形量子比特，控制信号线的相应部分由两个共面波导构成。

图6中示出的量子电路元件包括这样的结构：其类似于图5中的结构，具有无导电材料的x形环601和在一个分支的外端桥接该环的约瑟夫逊结602。控制信号线显示为靠近其他三个分支中两个的外端的共面波导段。靠近剩余分支的外端是另外的无导电材料的纵向环603。在该结构中，具有约瑟夫逊结602的x形环601构成非线性谐振器，谐振器可用作混合器，其用于由无导电材料的纵向环603构成的线性谐振器的双音驱动。该结构使得能够利用传输通过控制信号线的合适的控制信号来电荷偏置x形非线性谐振器，控制信号线的相应部分由两个共面波导构成。

图7中示出的量子电路元件包括这样的结构，其类似于图5和图6中的结构，具有无导电材料的x形环701和在一个分支的外端桥接该环的约瑟夫逊结702。控制信号线显示为靠近其他三个分支中两个的外端的共面波导段。靠近剩余分支的外端是另外的无导电材料的x形环703，其中另外的约瑟夫逊结704在其一个分支的外端桥接该环。在该结构中，具有其约瑟夫逊结702的左x形环701构成非线性谐振器，该谐振器可用作混合器，用于通过无导电材料的右x形环703构成的量子比特的双音驱动，右x形环703具有其约瑟夫逊结704。该结构使得能够利用传输通过控制信号线的合适的控制信号来电荷偏置左x形非线性谐振器，控制信号线的相应部分由两个共面波导构成。

图8示出了包括一个或多个量子电子电路801的量子电子装置，量子电子电路801继而可以包括任意数量的上述种类的量子电路元件，其中至少一些量子电路元件被配置为用于通过两个或多条控制信号线的叠加控制。量子电子装置包括多信道控制信号源802，其被配置成选择性地将控制信号传输到多条控制信号线803，多条控制信号线803将多信道控制信号源802连接到量子电子电路801。特别地，多信道控制信号源802在传输控制信号时选择性地应用可以包括同时传输一些控制信号，用于叠加控制量子电路元件，从控制信号线到该量子电路元件存在信号耦合，该控制信号线由多信道控制信号源802利用来传输同时控制信号。多信道控制信号源802在传输控制信号时的选择性地应用还可以包括时间、频率或其他数量的多路复用，使得这种多路复用将独立于彼此地影响量子电路元件的状态的控制信号和/或同时控制信号的组合彼此分离。

另外的一组信号线804将量子电子电路801连接到另外的功能块805，该功能块805至少执行来自量子电子电路801的输出信号的收集。在功能块805中还可以对收集的输出信号进行至少一些进一步的分析。设置控制站806，用于控制多信道信号源802的操作，并且用于提供最终处理输出，最终处理输出表示由来自量子电子电路801的输出信号携带的信息内容。

图9示出了用于叠加控制至少一个量子电路元件的方法。步骤901表示形成用于通过至少两个控制信号线同时传输的控制信号，并且选择控制信号将传输通过的控制信号线。控制信号线的选择基于决定哪一个量子电路元件的状态被控制信号影响。步骤902、903和904表示通过选择的控制信号线的控制信号的同时传输。步骤905通常表示利用所讨论的量子电路元件的结果状态用于量子计算中的任何目的所有可能的方法。

本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本实用新型的基本思想可以通过各种方式实现。因此，本实用新型及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。