具有通过金属部件热化的共振腔的超导量子电路的制作方法

具有通过金属部件热化的共振腔的超导量子电路的制作方法
【专利摘要】一种量子电子电路器件，包括具有内部共振腔的壳、被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位以及非超导金属材料，所述非超导金属材料被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位并且连续地延伸到所述壳的外部。
【专利说明】具有通过金属部件热化的共振腔的超导量子电路
[0001]联邦研究声明
[0002]本发明是在由美国陆军授予的合同号W911NF-10-1-0324的政府支持下进行的。政府对本发明具有一定权利。

【技术领域】
[0003]本发明涉及人工(例如，人造)量子力学系统，并且更具体地，涉及适合于在低温(cryogenic)温度下操作的超导量子电路和器件。

【背景技术】
[0004]包括约瑟夫森结(Josephson junction)的超导量子电路目前正在被追捧作为量子计算机的信息存储构件块(也就是，量子比特或者量子位)。朝向此目标的基本挑战是发展量子相干持续足够长以能够在误差率低于量子纠错所需的边界的情况下进行控制和测量的器件。
[0005]典型的超导量子位是用沉积在硅或者蓝宝石的绝缘衬底上的铝薄膜制造。常见的已知设计，在文献中已知为“电路QED”，涉及将量子位电路电容或者电感耦合到辅助高品质因子(Q)微波频率共振器。此共振器可以扮演多种角色:它可以过滤量子位模式看到的电磁环境；它可以由在其共振频率处或接近其共振频率的信号供能以便产生量子位的状态的测量；或者，在多量子位器件中，它可以促进一个量子位到另一个量子位的耦合。
[0006]与量子位相似，可从薄膜形成共振器，并且可以具有集总元件或者传输线段几何形状。电路QED系统也可基于三维(3D)腔、在其中放置有在其上构图有量子位的整个芯片的共振结构。2D比对3D电路系统的主要区别特征为，通过用与量子位本身相同或者相似工艺构图的主体上平面的结构(尽管共振器模式的物理场，如同量子位模式，可具有三维的结构)，形成模式边界。在3D电路QED系统中，该边界具有大体上可比较的长度尺度的全部三个空间维度中的特征和长度尺度。虽然2D电路QED系统包括被构图在芯片上的共振器，该芯片与器件的其它元件一起被包封在导电或者超导外壳中，而3D电路QED系统采用外壳自身的本征模式作为共振器。3D电路QED系统因而通过在衬底上构图的实施共振模式的平面电路的缺乏而被区别开。
[0007]在已知的3D电路QED器件中，共振器为超导的。超导共振器能够达到比正常金属共振器高得多的品质因子。超导共振器还可以作为用于量子位的磁屏蔽。然而，当超导器件经历在低温温度下的到超导状态的跃迁时，腔壁的热导率受到几个数量级的抑制。进一步冷却芯片和量子位变得困难，导致量子位到所希望的操作温度的不充足的热化(thermalization)。
[0008]不考虑几何形状或设计，为了操作作为信息存储量子比特的系统，必须能够产生和维持编码为逻辑“O”和逻辑“I”的量子电路本征态的任意叠加。对此的一个要求为，可得到的热能必须比状态之间的能量分离少得多，kT〈〈hf，其中，h为普朗克常数，f为编码O和I的电路本征态之间的跃迁频率，T为量子位环境的温度，并且k为玻耳兹曼常数。为了进入铝基器件的超导状态，此温度需要约处于或低于1.2K。然而，此温度对于操作为可靠的量子电路而言是不足的，因为典型的量子位跃迁频率在4到IOGHz范围，大体对应为0.2K到 0.5K。
[0009]为此，超导量子位器件的操作作和测量通常在约20mK或以下进行。用以达到此温度的典型系统为稀释制冷机，尽管诸如绝热去磁制冷机的其它系统也是常见的。不考虑系统的特殊性，制冷机在其最低温度阶段提供处于希望的操作温度的热储器(thermalreservoir) 0量子位器件被机械和热锚定到此热储器。因为已知3D电路QED器件是基于铝腔，归因于体(bulk)超导体的热阻抗，量子位芯片本身可不与该储器良好热接触。即使在制冷系统的最低温度阶段下将器件机械地连接到储器时，这也可以发生，因为在所希望的操作温度下腔的超导壁在量子位芯片(在这些壁的内部)和热储器之间设置热阻抗。因此在已知器件中获得量子位到所希望的操作温度的适宜热化是很困难的。


【发明内容】

[0010]示例性实施例包括一种量子电子电路器件，所述器件包括具有内部共振腔的壳、被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位和非超导金属材料，所述非超导金属材料被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位并且连续地延伸到所述壳的外部。
[0011]另外的实施例包括一种量子电阻电路系统，所述系统包括具有内部共振腔的壳、被设置在所述内部共振腔之内的量子位、由稀释制冷机或者其它制冷系统提供并热耦合到所述腔壳的低于约20mK的低温热储(thermal reservoir),以及非超导金属材料,所述非超导金属材料被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位和芯片并且连续地延伸到所述壳的外部。
[0012]另外的实施例包括一种量子电子电路器件，所述器件包括具有内部共振腔的超导壳、被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位和非超导金属材料，所述非超导金属材料被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位并且连续地延伸到所述壳的外部。
[0013]另外的实施例包括一种量子电子电路系统，所述系统包括具有内部共振腔的超导壳、被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位、被热耦合到所述共振器的低于约20mK的低温热储，以及非超导金属材料，所述非超导金属材料被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位和芯片并且连续地延伸到所述壳的外部。
[0014]进一步的示例性实施例包括一种量子电子电路器件，所述器件包括具有内部共振腔的非超导金属壳，所述内部共振腔具有在其多数或者全部内部边界上的超导材料的薄层，以及被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位，其中，所述非超导金属壳被机械或者热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位并且连续地延伸到所述壳的外部。
[0015]通过本发明的技术实现另外的特征和优点。本发明的其它实施例和方面在本文中被详细描述并且被视为本发明要求保护的一部分。为了更好的理解本发明的优点和特征，请参考说明书和附图。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]在说明书结论处的权利要求中具体地指出并清楚地要求保护被视为是本发明的主题。从下述详细描述并结合附图，本发明的上述和其它特征、优点将显而易见。附图:
[0017]图1示出在组装状态下的示例性量子电子电路器件；
[0018]图2示出在非组装状态下的图2的示例性量子电子电路器件；
[0019]图3示出根据示例性实施例的量子位的实例；以及
[0020]图4不出不例性量子电子电路系统。

【具体实施方式】
[0021]在示例性实施例中，本文描述的系统和方法实施包括在共振器之内的量子位系统的量子电子电路。在用于在本文中进一步描述的有效量子位操作所需要的低温温度下，将量子电子电路充分地热化。在示例性实施例中，共振器为金属材料，该金属材料例如但不限制于为无氧高热导率(OFHC)铜(Cu)。应当理解，在本文描述的低温温度下，杂质可以干扰金属材料的热和电导率。因而，通过在铜材料中的氧杂质的内含而形成的氧化铜可以干扰热和电导率。例如，诸如OFHC Cu的高纯度金属已经降低了氧含量，从而增强在量子电子电路操作的低温温度下的热和电导率。
[0022]图1示出在组装状态的示例性量子电子电路器件100。图2示出在非组装状态的图2的示例性量子电子电路器件。器件包括壳105，壳105包括第一半壳106和第二半壳107。如本文所述，第一和第二半106、107为具有对于低温来温度说足够的热和电导率的金属材料，金属材料例如可为但不限制于OFHC Cu和钛(Ti)。如本文所述，已知的3D电路QED器件由超导材料制成，该超导材料提供对外部磁场的良好磁屏蔽并且抑制腔里面的磁场。超导共振器还允许腔外壳的电磁本征模式的高品质因子(Q)，而正常金属腔受在低温度下金属的有限表面电阻率的限制。对于矩形OFHC铜腔，此限制为约Q= 10000，而超导铝腔可以达到至少为几百万的Q。此模式的品质因子很重要，因为如果它不够高的话，量子电子电路到它的耦合可以产生量子位的损耗通道。在示例性实施例中，如本文进一步所述，在近似10000的Q的限制对于长寿命量子相干来说，足够。当第一半腔110和第二半腔115以组装状态组合在一起时，在壳105内部限定腔(共振器)。组装状态意味着两个半腔110、115组合在一起以通过机械和电接触的方式固定第一半壳106与第二半壳107，其中在腔内固定芯片130,而形成单个共振体积(resonant volume)。器件100进一步包括一个或者多个在腔外壳中的允许电磁场从外部源施加到腔的孔。在本实施例中，这些孔与同轴连接器120、125相匹配，同轴连接器120、125耦合到壳105并被配置为当被连接到外部电磁场源时在腔内提供电磁场。通过此种方式，连接器120、125作为器件的电磁场源。外部场源可以包括但是不限制于生成信号的微波电子设备。
[0023]在示例性实施例中，器件100进一步包括被设置在壳105之内并且在由壳围着的腔110、115之内的量子位130。在本文描述的实例中，量子位130包括约瑟夫森结135。图3不出作为超导transmon型量子位的量子位130的实例。量子位130包括蓝宝石衬底(可用包括硅的其它衬底)131和两个通过短线134连接的薄膜铝电容衬垫132、133，该短线134被单约瑟夫森结135中断。可以使用标准平板印刷技术利用双角度蒸发方法(double-angle evaporation process)制造量子位130。如本文所述,应当理解,可以实施其它类型的超导量子位，包括但不限制于相位量子位(phase qubit)、fluxonium量子位、容性分流通量量子位(capacitively shunted flux qubit)或者任何其它稱合到3D腔模式的超导量子位设计。进一步，应当理解，可以实施不基于约瑟夫森结而是基于除了别的之外的量子点、纳米线、非线性薄膜或者电子或者核自旋或者其集合的其它类型的量子位。
[0024]量子位130可以被视为带有相关联的偶极子力矩矢量的偶极子。其与壳105的腔的相互作用的强度主要由在量子位130的位置处的偶极子力矩矢量与电场矢量的点乘确定。这样，可以使用相对于感兴趣的模式的电场分布的量子位130位置和取向的调整，来调整量子位-腔耦合的强度。故此，通过在腔模式和量子位130之间的强耦合，腔可以支持多个电磁模式。在示例性实施例中，通过连接器120、125而连接的电磁场源被配置为用以在腔之内诱导场，该场产生量子位130的本征态的测量。另外，电磁场源被配置为用以诱导本征态之间的跃迁。故此，量子位130具有相关的跃迁频率，该跃迁频率能够使得量子位130在被施加的电磁场诱导时在本征态之间跃迁。
[0025]在示例性实施例中，第一半壳106进一步包括凹穴140、145，量子位130附着在凹穴之中。通过此种方式，量子位130被凹陷，从而在器件100被组装时，它具有余隙(clearance)。此外，以这样的方式形成两个半腔110、115,在各自的半壳106、107中形成的每个腔的深度和形状为彼此间大体相同，通过机械和电接触设置半壳106、107以及由此的半腔110、115产生组装状态下的沿对称轴被二分的腔，此对称符合凹穴140、145容纳芯片的要求。如本文所述，在组装状态中，将量子位130设置在所得到的内部腔中。在示例性实施例中，通过量子位芯片或者衬底131与在凹穴140、145的位置处的壳的机械和热接触，将量子位130机械和热耦合到壳105。可以进一步通过任何合适的耦合材料将量子位130耦合到壳，该耦合材料在操作温度下产生可靠的热和机械接触。如本文所述，可以将整个器件100冷却到合适的低温温度。本文所描述的在壳105和量子位130之间的热耦合允许量子位达到希望的低温操作温度。
[0026]如本文所述，壳105是由体OFHC铜加工而成。沿着对称面，第一半壳106和第二半壳107将具有导电壁的腔(通过第一半腔110和第二半腔115)分开。选择分开面以便耦合到量子位并被用以控制和测量量子位的本征模式不包括跨该分开面的表面电流。对于相关本征模式，在通过半腔110、115形成的腔的内壁上流动的表面电流垂直于这样的面，在该面处半壳106、107在组装状态下接触。
[0027]在示例性实施例中描述的OFHC铜腔具有被测量为在IOmK下约10000的品质因子，与归因于铜的有限表面电导率的已知限制相一致。如本文进一步所述，量子位130被设置在第一半壳106上的凹穴140、145中，并且在壳105中围住的体积中心。第二半壳107被封闭在量子位130的顶上。图4不出不例性的量子电子电路系统400。图4不出第一半壳106和第二半壳107包括孔150，通过该孔150诸如但是不限于螺丝的适合的紧固件155将器件100机械地固定到金属部分405，该金属部分405与提供本文所述低温温度的稀释制冷机或者相似设备的最低温度阶段相关联。附加的孔151可以被包括在第一半壳106和第二半壳107上，以便在将壳105附着到金属部分405之前，组装第一半壳106和第二半壳107。金属部分405包括用以接收紧固件155的孔410。第一半壳106和第二半壳107的紧固产生在量子位130和壳105之间的连续金属接触。当在IOmK下测量时，器件100产生多达95微秒的量子相干时间T2*。
[0028]在示例性实施例中，可以在半腔110、115中作为诸如铝的超导材料的薄层(?I微米)镀敷非超导表面。通过此种方式，因为半壳106、107仍大多是OHFC铜，半腔110、115仍被良好地热化平衡到稀释制冷机的温度，并且超导材料的薄层足够薄，不会有大的热阻抗。通过半腔110、115的镀敷，大的多的品质因子Q= 10000是可能的。应当理解，除了镀敷之外的其它方法也可能用以产生超导材料的薄层。还应当理解，采用诸如金的非超导材料的其它镀敷可能足以获得高于Q?10000的品质因子。
[0029]从器件100和系统400能得出其它若干观察。第一，电磁模式占据主要由用在壳105之内的腔限定的自由空间(除量子位衬底131以外)构成的区域。可以用通过麦克斯韦方程和/或用电磁仿真的分析处理，来预测和理解包括但不限制于本征模式频率、品质因子和物理场构造的腔的物理性质。例如，测量表明直到为27GHz的最大特征频率，模式被完全控制。仅理解并可预测的占据自由空间的模式的存在意味着在系统之内可能的损耗源远比平面几何形状中的可能的损耗源更受限。通过将量子位130放在腔的里面，除电磁场模式以外，还可以调整与量子位相关联的电磁场的分布和位置。应当理解，必须进行对量子位电容的几何形状的恰当的修改，以获得对于量子位本征模式和量子位-腔耦合都合适的电容。
[0030]在示例性实施例中，如本文所述,通过量子位电路到腔壁的电容实施量子位130到半腔115的耦合。通过用连接器120、125将电磁场施加到腔以及观测反射的或者发送的信号，进行量子位130的测量，该信号的振幅和相位受量子位130的本征态影响。在示例性实施例中，应当理解，不存在量子位到电磁场连接器的直接耦合，或者此种耦合比通过腔的基本模式的耦合弱得多。换而言之，不存在有意义的量子位电路到电磁场连接器120、125的直接电容或者电感。通过附着有量子位的共振腔110、115的本征模式调解和过滤量子位与壳105外的电磁环境的所有互相作用。
[0031]如本文所述，共振器提供带有传导壁的三维空体积。体积支持耦合到量子位130的电磁场本征模式。通过在所需的操作温度下被热化正常金属部分直接接触量子位130。金属部分的实施克服使用超导部分形成共振器的热导率损耗的问题。在低于跃迁温度的温度下的超导体的热导率可以比在相同温度下的高纯度正常金属的热导率小很多个数量级。
[0032]在示例性实施例中，器件100可以通过从正常金属(排除量子位衬底131和量子位130)整个构造壳105，实施热化所需的正常金属部分。在其它实施例中，量子位绝缘衬底131可以被机械地接触，并由此热耦合到仅为较小的正常金属部分，此较小的正常金属部分进入另外的超导3D腔，并且此正常金属部分在希望的操作温度下进而热耦合到储器。此外，可以从正常金属整个产生壳105，并且随后在其内壁上(除了在其中附着芯片的凹穴140、145处的芯片位置外)涂覆超导材料的薄膜。通过此种方式，主要用超导表面将腔110、115结合，而在140、145处的在芯片和壳之间的接触点仍是正常金属，并且在希望的操作温度下在量子位芯片131和储器之间形成连续的正常金属线路。金属直接在量子位衬底131上的实施解决了量子位和量子位衬底的热化问题，而无需消除具有主要超导的腔时的特定特性。该特性包括实现高得多的本征腔品质因子(例如，已测的铝腔的Q高达440万)的可能性和屏蔽量子位与来自外部产生的磁场的变化。不考虑实施方式，正常金属形成在已知和希望的操作温度下将芯片连接到储器的不中断路径。
[0033]本文所使用的术语仅用于描述特定的实施例，不旨在限制本发明。如本文所用的单数形式“一”、“一个”、“所述”也旨在包括复数形式，除非文中另有明确说明。要进一步理解，在本说明书中使用的用语“包括”和/或“包含”详述所述特征、整数(integers)、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一个或者多个其它特征、整数、步骤、操作、元素部件和/或其组。
[0034]下面权利要求中的相应的结构、材料、作用及所有装置或步骤加上功能元件的等价物，均旨在包括用于与其它具体要求保护的要求权利的元素相结合执行功能的任何结构、材料或者作用。已经介绍的本发明的描述用于说明和描述目的，并非旨在穷尽的或限制于所公开形式的发明。在不脱离本发明的范围和精神下的很多修改和变化对本领域技术人员将是显而易见的。选取和描述实施例以便最佳解释本发明的原理和实际应用，以及使得本领域技术人员理解本发明针对所想到的适于特定应用的各种修改的各种实施例。
[0035]本文描绘的流程图仅为一个实例。可以在不脱离本发明的精神的条件下，存在对本文中的图或者步骤(或者操作)的多种变化。例如，可以用不同的顺序进行步骤，或者添力口、删除或者修改步骤。所有的这些变化都被视为所要求保护的发明的一部分。
[0036]已经描述了本发明的优选实施例，要理解，本领域技术人员，现在或者将来，可以进行落入所附权利要求保护范围之内的各种改进和提高。这些权利要求将解释为对前述本发明提供合适保护。
【权利要求】
1.一种量子电子电路器件，包括: 具有内部共振腔的壳； 被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位；以及 非超导金属材料，其被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位，并且连续地延伸到所述壳的外部。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述壳包括第一半壳和第二半壳。
3.根据权利要求2的器件，其中，所述第一半壳包括第一半腔并且所述第二半壳包括第二半腔。
4.根据权利要求3的器件，其中，通过所述第一半腔和所述第二半腔形成所述共振腔。
5.根据权利要求1的器件，其中所述量子位被设置在衬底上。
6.根据权利要求5的器件，还进一步包括被设置在所述第一半壳和第二半壳中的至少一个上的凹穴。
7.根据权利要求6的器件，其中，所述衬底被设置在所述凹穴中，并且被机械和电耦合到所述非超导金属材料。
8.根据权利要求 1的器件，进一步包括在所述壳中的孔，所述孔被配置为耦合到电磁场源或者源连接器。
9.根据权利要I的器件，其中，所述非超导金属材料为在低温温度下的良好热导体。
10.根据权利要求1的器件，其中，所述壳至少部分地为所述非超导金属材料。
11.一种量子电子电路系统，所述系统包括: 具有内部共振腔的壳； 被设置在所述共振腔的体积之内的量子位； 制冷系统，其提供热储到所述腔壳并被热耦合到所述腔壳；以及非超导金属材料，其被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位，并且连续地延伸到所述壳的外部。
12.根据权利要求11的系统，其中，所述壳包括第一半壳和第二半壳。
13.根据权利要求12的系统，其中，所述第一半壳包括第一半腔并且所述第二半壳包括第二半腔。
14.根据权利要求13的系统，其中，通过所述第一半腔和所述第二半腔形成所述共振腔。
15.根据权利要求11的系统，其中，所述量子位被设置在衬底上。
16.根据权利要求15的系统，进一步包括被设置在所述第一半壳和第二半壳中的至少一个上的凹穴。
17.根据权利要16的系统，其中，所述衬底被设置在所述凹穴中并被机械和电耦合到所述非超导金属材料。
18.根据权利要求1的器件，进一步包括在所述壳中的孔，所述孔被配置为耦合到电磁场源或者源连接器。
19.根据权利要求11的系统，其中，所述非超导金属材料为在低温温度下的良好热导体。
20.根据权利要求11的系统，其中，所述壳至少部分地为所述非超导金属材料。
21.一种量子电子电路器件，包括: 具有内部共振腔的超导壳； 被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位；以及 非超导金属材料，被机械和热耦合到所述内部共振腔之内的所述量子位，并且连续地延伸到所述壳的外部。
22.—种量子电子电路系统，所述系统包括: 具有内部共振腔的超导壳； 被设置在所述内部共振腔的体积之内的量子位； 制冷系统，提供热储到所述腔壳并被热耦合到所述腔壳；以及非超导金属材料，被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位，并且连续地延伸到所述壳的外部。
23.一种量子电子电路器件，所述器件包括: 具有内部共振腔的非超导金属壳，所述内部共振腔具有超导材料的层；以及 被设置在所述内部共振腔的体积之中的量子位， 其中，所述非超导金属壳被机械和热耦合到在所述内部共振腔之内的所述量子位，并且连续地延伸到所述壳的外部。
【文档编号】G11C11/44GK104081464SQ201280068373
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2012年1月31日
【发明者】S·波莱托, C·T·里格蒂, M·斯蒂芬 申请人:国际商业机器公司