超导装置中的磁通量控制的制作方法

本发明涉及超导装置中的磁通量控制。

背景技术：

量子计算是相对新的计算方法，其利用量子效应(例如基态叠加及纠缠)而比典型数字计算机更有效地执行某些计算。与呈位(例如，“1”或“0”)形式存储及操纵信息的数字计算机相比，量子计算系统可使用量子位来操纵信息。量子位可指实现多种状态(例如，处于“0”状态及“1”状态两者的数据)的叠加及/或处于多种状态的数据本身的叠加的量子装置。根据常规术语，量子系统中“0”及“1”状态的叠加可被表示为例如α│0>+β│1>。数字计算机的“0”及“1”状态分别类似于量子位的│0>及│1>基态。值│α│²表示量子位处于│0>状态的概率，而值│β│²表示量子位处于│1>基态的概率。

技术实现要素：

通常，在一些方面，本发明的主题可在以下方法中体现，所述方法包含：从第一装置生成偏压信号；及将所述偏压信号施加到第二装置，所述第一装置包含(a)超导迹线及(b)具有至少三个并联耦合的非线性电感器结的超导量子干涉装置(squid)，其中所述squid的第一端子电耦合到所述超导迹线的第一端且所述squid的第二端子电耦合到所述超导迹线的第二端以形成环路，其中从所述第一装置生成所述偏压信号包含：将第一时变磁通量φ1施加到所述squid的第一子环路；及将第二时变磁通量φ2施加到所述squid的第二子环路，其中施加所述第一时变磁通量φ1及所述第二时变磁通量φ2使得所述第一装置的超导相的值递增或递减达2π的非零整数倍n。

所述方法的实施方案可包含一或多个以下特征。例如，在一些实施方案中，输出状态包含通过所述第一装置的电流的有效相移。

在一些实施方案中，所述输出状态包含通过所述第一装置的有效通量。

在一些实施方案中，所述第一时变磁通量φ1的最大幅度及所述第二时变磁通量φ2的最大幅度中的每一者都小于通量量子φ0。

在一些实施方案中，所述第一时变磁通量φ1与所述通量量子φ0的比率φ1/φ0及所述第二时变磁通量φ2与所述通量量子φ0的比率φ2/φ0跟踪围绕通过所述第一装置的电流值是0所在的点的路径。在通过所述第一装置的所述电流是0所在的所述点处，所述比率φ1/φ0及所述比率φ2/φ0可例如近似等于1/3。当所述比率φ1/φ0及所述比率φ2/φ0沿着第一方向围绕通过所述第一装置的所述电流是0所在的所述点跟踪所述路径时所述整数倍n递增，或当所述比率φ1/φ0及所述比率φ2/φ0沿着与所述第一方向相反的第二方向跟踪所述路径时所述整数倍n递减。所述路径可为闭环路径。

在一些实施方案中，所述第一时变磁通量φ1与所述通量量子φ0的比率φ1/φ0及所述第二时变磁通量φ2与所述通量量子φ0的比率φ2/φ0跟踪经过通过所述第一装置的所述电流的有效相移是0所在的点的路径。所述路径可为闭环路径。

在一些实施方案中，施加所述第一时变磁通量及所述第二时变磁通量包含改变与所述squid的每一约瑟夫逊结相关联的相位达2π。

在一些实施方案中，所述方法包含将所述第一装置冷却到低于所述超导迹线中的超导材料的超导临界温度。

在一些实施方案中，按顺序施加所述第一时变磁通量φ1及所述第二时变磁通量φ2。所述第一时变磁通量φ1及所述第二时变磁通量φ2可在时间上重叠。

通常，在一些其它方面，本发明的主题可在以下装置中体现，所述装置包含：第一装置，其具有超导迹线及超导量子干涉装置(squid)，所述squid具有至少三个并联耦合的非线性电感器结，其中所述squid的第一端子电耦合到所述超导迹线的第一端且所述squid的第二端子电耦合到所述超导迹线的第二端以形成环路；及第二装置，其经布置在所述第一装置附近，其中所述第二装置的状态可由所述第一装置生成的偏压控制。

所述装置的实施方案可包含一或多个以下特征。例如，在一些实施方案中，所述第二装置是量子位。

在一些实施方案中，所述第二装置是量子位耦合器元件。

通常，在一些其它方面，本发明的主题可在以下系统中体现，所述系统包含：多个单元，其经布置成m行乘n列阵列，m是大于或等于1的整数，n是大于或等于2的整数，其中所述多个单元中的每一单元包含对应磁通量控制装置，其具有：超导迹线及超导量子干涉装置(squid)，所述squid具有至少三个并联耦合的非线性电感器结，其中所述squid的第一端子电耦合到所述超导迹线的第一端且所述squid的第二端子电耦合到所述超导迹线的第二端以形成环路。

所述系统的实施方案可包含一或多个以下特征。例如，在一些实施方案中，所述多个单元中的每一单元进一步包含对应第二装置，所述对应第二装置经定位在所述磁通量控制装置附近。

在一些实施方案中，对于所述多个单元中的每一单元，所述第二装置包含量子位。

在一些实施方案中，对于所述多个单元中的每一单元，所述第二装置包含量子位耦合器元件。

在一些实施方案中，所述系统进一步包含：m条第一控制线，其中所述m条第一控制线中的每条第一控制线沿着所述阵列的对应行延伸且可耦合到所述对应行内的每一磁通量控制装置；及n条第二控制线，其中所述n条控制线中的每条第二控制线沿着所述阵列的对应列延伸且可耦合到所述对应列内的每一磁通量控制装置。所述系统可进一步包含：行选择生成器，其经耦合到所述m条第一控制线，所述行选择生成器经配置以将唯一对应信号提供到所述m条第一控制线中的每条第一控制线；及列选择生成器，其经耦合到所述n条第二控制线，所述列选择生成器经配置以将唯一对应信号提供到所述n条第二控制线中的每条第二控制线。

通常，在一些其它方面，本发明的主题可在操作多级存储器装置的方法中体现，所述多级存储器装置包含：(a)超导迹线及(b)具有至少三个并联耦合的非线性电感器结的超导量子干涉装置(squid)，其中所述squid的第一端子电耦合到所述超导迹线的第一端且所述squid的第二端子电耦合到所述超导迹线的第二端以形成环路，所述方法包含：将第一时变磁通量φ1施加到所述squid的第一子环路且将第二时变磁通量φ2施加到所述squid的第二子环路以将所述多级存储器装置置于第一存储器状态。

所述方法的实施方案可包含一或多个以下特征。例如，在一些实施方案中，施加所述第一时变磁通量φ1及施加第二时变磁通量φ2引起所述多级存储器装置的输出状态改变达非零整数n。在一些实施方案中，所述方法包含将第三时变磁通量φ3施加到所述squid的所述第一子环路且将第四时变磁通量φ4施加到所述squid的所述第二子环路以将所述多级存储器装置置于第二存储器状态，其中所述第二存储器状态不同于所述第一存储器状态。

本文所描述的主题的特定实施方案可实现一或多个以下优点。例如，在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置能够耗散基本上很少的功率，且因此提供作为用于量子计算电路元件的控制装置的有利选项。例如，在某些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可比基于cmos或基于sfq的控制装置少耗散10³到10⁵倍的功率。因为所述磁通量控制装置的功率耗散及因此热量生成如此低，所以在某些实施方案中所述控制装置甚至可与所述量子计算电路元件布置在同一芯片上，而不会基本上增加本地芯片温度及/或不会引起转变到非所要能量状态。在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可作为逻辑“与”门来操作，其中仅当两个输入都符合预定准则时才生成高输出(例如，磁通量控制装置输出状态改变)，且如果所述输入中的任一者不符合预定准则，那么得到低输出(例如，磁通量控制装置输出状态不变)。可将多个磁通量控制装置布置成阵列或矩阵配置以为多个量子计算电路元件提供多路复用控制。在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可作为多级存储器装置来操作。

附图说明及具体实施方式中阐述一或多个实施方案的细节。根据具体实施方式、附图说明及权利要求书，其它特征及优点将是显而易见的。

附图说明

图1是说明磁通量控制装置及量子位的实例的示意图。

图2是说明可在磁通量控制装置中使用的超导量子干涉装置(squid)的实例的示意图。

图3a是说明施加到磁通量控制装置的第一子环路的第一时变磁通量信号及施加到磁通量控制装置的第二子环路的第二时变磁通量信号的实例的示意图。

图3b是说明在不同时间点图3的第一磁通量波形的幅度对第二磁通量波形的幅度的曲线图。

图4是说明由热图覆盖的通量量子φ0正规化的第一磁通量信号的幅度对通量量子φ0正规化的第二磁通量信号的幅度的曲线图，所述热图描绘有效临界电流i0e的幅度与通过磁通量控制装置的临界电流i0的幅度的比率。

图5是说明作为施加到磁通量控制装置的第一环路的磁通量(φl/φ0)及施加到磁通量控制装置的第二环路的磁通量(φr/φ0)的函数的通过磁通量控制装置的电流的相位的热图曲线图。

图6是说明磁通量控制装置的实例的示意图。

图7是说明磁通量控制元件的可控制矩阵阵列的实例的示意图。

图8是说明可由多级存储器建立的不同输出状态的实例的表。

具体实施方式

量子计算需要相干地处理存储在量子计算机的量子位(qubit)中的量子信息。超导量子计算是有希望的量子计算技术实施方案，其中量子计算电路元件部分地由超导材料形成。超导量子计算机通常是多级系统，其中两个最低能级用作计算基础。优选地，以低能量损耗及耗散操作量子电路元件(例如，量子计算电路元件)(例如，量子计算电路元件展现高质量因子q)。低能量损耗及耗散可有助于避免例如量子退相干及/或转变到其它非所要能量状态。

一个损耗及耗散源是由控制元件(例如量子位控制元件)生成的热量。量子位控制元件可具有不同功能。例如，在一些情况下，量子位控制元件提供控制信号(例如，通量偏压)以在量子位操作期间倾斜/扰动双阱势。在一些情况下，量子位控制元件提供控制信号以在量子位操作期间调整势阱之间的势垒的幅度或改变量子位的操作频率。额外控制功能也是可能的。控制元件的另一实例包含量子位耦合器控制元件，其提供例如控制信号以修改量子位与量子位耦合器元件之间的耦合强度。其它控制元件也是可能的。

通常，控制元件可为相对高的功率耗散及因此热量生成源。当此控制元件与超导量子计算电路元件(例如，量子位)布置在同一芯片上时，局部能量耗散级可能导致相对于低温(例如，约20mk)显著的发热，在所述低温下需要维持量子计算电路元件以实现超导性。高能量耗散及后续热量生成级因此可使难以实现装置被要求操作所处的低温。即使对于低功率替代品(例如单通量量子(sfq)数字逻辑装置)，功率耗散级仍可能太高。

本发明涉及能够耗散基本上很少的功率且因此提供有利选项作为用于量子计算电路元件的控制装置的磁通量控制装置。例如，在某些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可比基于cmos或基于sfq的控制装置少耗散10³到10⁵倍的功率。因此，因为磁通量控制装置的功率耗散及因此热量生成如此低，所以在某些实施方案中所述控制装置甚至可与量子计算电路元件布置在同一芯片上，而不会基本上增加本地芯片温度及/或不会引起转变到非所要能量状态。

改变磁通量控制装置的输出状态包含按顺序将多个单独时变输入信号(例如，磁通量信号φ1、φ2)施加到磁通量控制装置，其中时变输入信号符合预定准则。预定准则可包含引起磁通量控制装置的超导相位改变达2πn，其中n是非零整数。更具体来说，预定准则可包含施加输入信号(例如，磁通量信号，例如φ1及φ2)，使得输入信号与通量量子φ0的比率(例如，φ1/φ0及φ2/φ0)跟踪围绕临界点的路径，例如闭环路径。临界点可对应于通过所述装置的电流i是0所在的位置。例如，当φ1/φ0＝φ2/φ0≈1/3时会出现临界点。在一些实施方案中，预定准则可包含施加输入信号(例如，磁通量信号φ1及φ2)，使得输入信号与通量量子φ0的比率(例如，φ1/φ0及φ2/φ0)跟踪磁通量控制装置的电流i的有效相移是0所在的点的路径，例如闭环路径。

当经施加通量符合预定准则时，磁通量控制装置的输出状态改变。例如，通过磁通量控制装置的有效通量(与施加到磁通量控制装置的磁场不同)改变达通量量子φ0的非零整数n。相比之下，当经施加通量信号不符合预定准则时，磁通量控制装置的输出状态不变。例如，通过磁通量控制装置的有效通量不变。因此，在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可作为逻辑“与”门来操作，其中仅当两个输入都符合预定值时才生成高输出(例如，磁通量控制装置输出状态改变)，且如果所述输入中的任一者不符合预定准则，那么得到低输出(例如，磁通量控制装置输出状态不变)。可将多个磁通量控制装置布置成阵列或矩阵配置以为多个量子计算电路元件提供多路复用控制。

在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可作为多级存储器装置来操作。即，由于磁通量控制装置的输出状态(例如，有效通量或超导相)与n成比例，因此n的每次整数改变可对应于不同存储器状态。如从本发明将理解，磁通量控制装置的其它应用及优点也是可能的。

图1是说明磁通量控制装置100及第二装置150(例如量子位)的实例的示意图。控制装置100及第二装置150两者可经形成在电介质衬底上，例如硅或蓝宝石。在本实例中，第二装置150是包含布置成环路或环状结构的超导迹线114的两结量子位。超导迹线114在两个单独位置中耦合到对应非线性电感器结110、112。在本文中所揭示的实例中，非线性电感器结可包含约瑟夫逊结，其是由通过绝缘势垒分离的两个超导电极制成的量子力学装置。约瑟夫逊结的实例包含夹置在第一铝层与第二铝层之间的氧化铝层。超导迹线114可由能够实现超导性的材料形成。例如，迹线114可由铝或铌形成。第二装置150不限于图1中所展示的配置且可代替地包含其它设计，包含其它量子位设计。例如，在一些实施方案中，第二装置150包含相位量子位、电荷量子位或通量量子位。可使用的通量量子位的实例包含例如fluxmon量子位、gmon量子位或x-mon量子位。量子位可包含两个、三个、四个或其它数目个约瑟夫逊结。其它量子位配置也是可能的。第二装置150可包含除量子位以外的装置。例如，在一些实施方案中，第二装置150包含量子位耦合器元件。量子位耦合器元件可包含例如谐振器元件，例如超导谐振器元件。

第二装置150经布置在磁通量控制装置100附近，使得第二装置150暴露于由磁通量控制装置100生成的偏压信号。由磁通量控制装置100生成的偏压信号可包含由磁通量控制装置100生成的磁通量m。

磁通量控制装置100包含超导迹线102，其中超导迹线102的一端经连接到超导量子干涉装置(squid)104的第一端子106且超导迹线102的第二端经连接到squid104的第二端子108以形成环状结构或环路101。超导迹线102可由能够实现超导性的材料形成。例如，迹线102可由铝或铌形成。磁通量控制装置100的操作包含将磁通量控制装置100冷却到低于装置100中的超导材料的超导临界温度，且接着将多个输入信号(例如，时变磁通量信号)施加到squid104，使得在超导迹线102中生成电流i。行进通过超导迹线102的电流i产生磁通量m，所述磁通量m可感应地耦合到定位在磁通量控制装置105附近的第二装置150。

电流i可被表示为i≈nφ0/l，其中n是整数，l是环路的主要电感(例如，由超导迹线102及squid104形成的环路的电感)，且φ0是通量量子，其可被表示为h/2e，其中h是普朗克常数且e是电子上的电荷。

第二装置150的状态可由磁通量控制装置100生成的偏压信号控制。即，基于施加到squid104的特定磁通量信号，在某些实施方案中，可改变n的值且继而更改电流i或由装置100产生且由第二装置150接收的有效通量m(其中m可被表示为近似m≈nφ0)。因此，在一些实施方案中，磁通量控制装置100用作外部装置(例如第二装置150)的控制元件。例如，磁通量控制装置100可用于修改量子位势阱的倾斜度，基于n的值来修改量子位势阱势垒幅度的幅度，或改变量子位频率。

尽管第二装置150在所述实例中被展示为超导量子位，但是可代替地使用其它装置。例如，在一些实施方案中，由磁通量控制装置100生成的偏压信号可用于控制量子位耦合器元件。即，可更改由装置100生成的偏压(例如，磁通量或电流信号)以引起量子位耦合器元件的耦合强度的对应改变。替代地，可更改由装置100生成的偏压以引起量子位耦合器元件的频率的对应改变。

图2是说明可用作磁通量控制装置100中的元件104的squid200的实例的示意图。squid200是三结squid，这意味着squid200包含三个非线性电感器结210、220及230。非线性电感器结210、220及230在第一端子206及第二端子208处彼此直接并联电耦合。例如，非线性电感器结210、220及230可通过超导迹线202彼此并联电耦合。超导迹线202可由能够实现超导性的材料形成。例如，迹线202可由铝或铌形成。端子206等效于端子106且端子208等效于端子108，如图1中所展示。

通过以这种方式将结210、220及230耦合在一起，提供两个环路(子环路240及子环路250)。子环路240由通过非线性电感器结210、超导迹线202及非线性电感器结220的电流路径界定。子环路250由通过非线性电感器结220、超导迹线202及非线性电感器结230的电流路径界定。当squid200经耦合到超导体迹线(例如图1的实例中的迹线102)时，子环路240、250对应于由通过迹线102及squid200的电流路径界定的较大环的子环路。

本文中使用squid200作为元件104的实例来描述磁通量控制装置100的操作，但是其它squid设计也可用作元件104。例如，尽管squid200在图2中被说明为具有三个并联的非线性电感结，但可代替地使用具有三个以上非线性电感结的squid。在一些实施方案中，可代替地使用具有四个、五个、六个或其它数目个并联耦合的非线性电感器结的squid。在squid包含三个以上非线性电感器结/两个以上子环路的情况下，仍可通过将对应磁通量信号施加到每一子环路来改变磁通量控制装置的输出状态，其中磁通量信号符合预定准则，如本文中所解释。

在磁通量控制装置100的操作期间，分别将两个输入信号(例如，时变磁通量信号φl及φr)施加到squid200的子环路240及子环路250。可通过将单独电感器(例如，超导迹线)定位成与子环路240、250中的每一者相邻且提供通过电感器的电流以生成磁场来提供磁场。将时变通量施加到两个环路导致生成通过squid200的每一非线性电感器结的电流。通过结210的电流可被表示为i0sin(δ-2πφlφ0)，其中i0是通过所述结的临界电流(其值可由结制造工艺设置)，δ是跨所述装置的相差，且φ0是通量量子。通过结230的电流可被表示为i0sin(δ+2πφlφ0)。通过中心结220的电流可被表示为i0sin(δ)。

通过squid200的电流i(δ)(即，从端子208传递到端子206的电流)接着可被表示为通过每一非线性电感结的电流的组合或：

i(δ)＝i0sin(δ)+i0sin(δ+2πφlφ0)+i0sin(δ-2πφlφ0)

＝im{i0e^iδ(1+e^i2πφr/φ0+e^-i2πφl/φ0)

＝i0e(φr,φl)sin[δ+φ(φr,φl)]，

其中i0e是作为φr及φl的函数的squid200的有效临界电流，且φ是作为φr及φl的函数的电流i(δ)的有效相移。

前述方程式适用于其中子环路的电感为小(例如，其中磁通量控制装置的约瑟夫逊电感小于磁通量控制装置的环路电感l)的极限。图3a是说明施加到图2的squid200的第一子环路240的第一时变磁通量信号300(在图3a中被描绘为φl)及施加到图2的squid200的第二子环路250的第二时变磁通量信号302(在图3a中被描绘为φr)的实例波形的示意图。可通过根据预定准则更改第一时变磁通量信号300及第二时变磁通量信号302来改变磁通量控制装置100的输出状态。特定来说，可引起通过squid200的电流i的有效相移φ及因此超导相位改变达2πn，其中n是整数。如本文中所解释，通过磁通量装置的电流i也可被表示为i＝nφ0/l。由于有效相移φ每次改变达2π等效于n改变达1，因此与n成正比的电流i也会改变。即，改变有效相移达2π会改变通过磁通量控制装置的环路(其中，例如环路由迹线102及squid元件104界定)的有效通量达φ0，这改变环路电流达近似φ0/l。因此，可通过将输入信号施加到squid200以改变由与约瑟夫逊结相关联的相位达2π来实现n的整数改变。相比之下，当施加到第一子环路240及第二子环路250的信号(例如，磁通量信号)不符合预定准则时，磁通量控制装置的输出状态不变。

波形300及302是符合预定准则以改变电流i的相位的磁通量信号的实例。波形300及302分成四个单独时间段t＝1、2、3及4。在第一时间段t＝1期间，通量300及通量302两者的幅度具有相同初始值，例如两个通量都是零。在第二时间段t＝2期间，通量300的幅度线性地增加到最大值(例如通量量子φ0)，而通量302的幅度保持于其初始值。例如，通量302的幅度保持为零。在第三时间段t＝3期间，通量300的幅度开始线性地朝向最终值减小，而通量302的幅度开始线性地增加到最大值，例如φ0。在一些实施方案中，通量300的最终值可等于初始值(例如零)，但是其它最终值也是可能的。在第四时间段t＝4期间，通量300的幅度不变，而通量302的幅度开始线性地减小到最终值。例如，在一些实施方案中，通量302的最终值可等于初始值(例如零)，但是其它最终值也是可能的。

图3b是在图3a中所展示的不同时间段t＝1、2、3及4第一磁通量信号300的幅度(被描绘为φl)相对于第二磁通量信号302的幅度(被描绘为φr)的曲线图。如图3b中所说明，相对于彼此绘制的磁通量信号的幅度跟踪闭环路径，具有最大值φ0。通过以前述方式施加磁通量信号，跨磁通量控制装置的相位改变达2π，即，通过磁通量控制装置的有效通量改变达φ0。

可通过参考图4及5来理解经施加信号引起有效相移φ改变达2π所需的准则。图4是说明φ0正规化的第一磁通量波形300(在图4中被表示为φl)的幅度对φ0正规化的第二磁通量波形302(在图4中被表示为φr)的幅度且由热图覆盖的曲线图，所述热图描绘有效临界电流i0e的幅度与通过磁通量控制装置100的临界电流i0的比率。φl/φ0及φr/φ0的值跟踪围绕热图的闭环路径400。对于沿着闭环路径400的每一位置，比率i0e/i0由所述位置处的热图确定。为获得有效相移φ达2π的改变，经施加通量跟踪围绕热图上的临界点402的闭环路径。在本实例中，临界点402对应于比率i0e/i0等于0所在的位置。因此，当施加到squid200的第一子环路及第二子环路的磁通量完成围绕临界点402的闭环路径时，跨磁通量控制装置100的有效相移φ改变达2π，从而导致n改变达1。在本实例中，临界点402出现在近似等于1/3的值φl/φ0及φr/φ0处。出现临界点所处的值可取决于磁通量控制装置环路的电感(例如，由图1中所展示的迹线102及squid元件104确定)而改变。当施加磁通量使得以逆时针方式跟踪闭环路径400时，每次完整回转相位增加达2π。例如，如果再次重复图3a中所展示的重叠磁通量信号，那么跨磁通量装置的有效相移将增加达另一2π且n增加达2。

替代地，从图5可理解用于跨磁通量控制装置100实现2π相变及因此有效通量的整数改变达φ0的预定准则。图5是说明φ0正规化的第一磁通量波形300(在图5中被表示为φl)的幅度对φ0正规化的第二磁通量波形302(在图5中被表示为φr)的幅度且由热图覆盖的曲线图，所述热图描绘跨磁通量控制装置100的相移φ(φr、φl)(其中相移是以度表示)。φl/φ0及φr/φ0的值跟踪围绕热图的闭环路径500。对于沿着闭环路径500的每一位置，跨磁通量控制装置的有效相移由所述位置处的热图确定。为获得相移φ(φr、φl)达2π的改变，闭环路径穿过热图上的位置(例如，线502)，其中相位从负值到零到正值(或从正值到零到负值，这取决于跟踪路径的方向)。而且，当施加磁通量使得以逆时针方式跟踪闭环路径500时，每次完整回转有效相移增加达2π。

如图3a中所展示，波形可按顺序施加到squid200的每一子环路且可在时间上重叠。由φl/φ0及φr/φ0跟踪的特定轨迹对于实现2π相变并非至关重要，只要当将磁通量信号施加到squid200的子环路时符合预定准则即可。例如，磁通量波形300及302在图3中被展示为移相锯齿形图案。可代替地使用其它波形。例如，波形可具有正弦曲线或其它形状。在一些实施方案中，可使用逐步增加函数来获得第一波形及/或第二波形中从初始值到最大值的改变。替代地，在一些实施方案中，可使用逐步减小函数来获得第一波形及/或第二波形中从最大值到最终值的改变。在一些实施方案中，由第一波形实现的最大值不同于由第二波形实现的最大值。然而，为实现n改变达1，施加到squid200的每一子环路的通量的最大幅度(φl及φr)不应超过通量量子值φ0。在一些实施方案中，施加到squid200的每一子环路的通量的幅度可超过通量量子φ0，使得额外临界点被包围，从而导致n改变达大于1的整数。

在一些实施方案中，施加到squid200的第一子环路240的波形与施加到squid200的第二子环路250的波形不同。在一些实施方案中，第一波形及/或第二波形的初始值及/或最终值是非零。图3a中所展示的波形描绘从相对低初始值增加到较高最大值且返回到低最终值的通量的幅度。然而，在一些实施方案中，通量幅度的改变可被反转。例如，每一波形的通量幅度可从相对高初始值开始，减小到较低最小值，且接着增加到较高最终值。此类波形在施加到squid200时可导致图3b中所展示的三角形路径绕着竖直轴横向翻转。

第一波形的最大值与第二波形的最大值之间的相移也可改变，只要所述波形重叠以达到允许有效相移φ改变达2π的预定准则即可。例如，尽管图3a展示在第二波形302达到最大值之前第一波形300达到最大值，但可反转所述波形的施加，使得在第一波形300达到最大值之前第二波形302达到最大值。在这种情况下，由φl/φ0及φr/φ0跟踪的轨迹将沿与图3b中所展示相反的方向前进。即，由φl/φ0及φr/φ0跟踪的轨迹将以顺时针方式前进，而非如图3b中所展示般以逆时针方式围绕闭环路径前进。反转由φl/φ0及φr/φ0跟踪的轨迹引起有效相移φ每次减小达2π的整数倍。随着每次2π相位减小，值n减小达1。因此，n改变的符号取决于施加到squid子环路的磁通量的轨迹包围临界点的方向。n的绝对值由施加到磁通量控制装置的squid的输入信号引起有效相移增加或减小达2π的连续次数确定。例如，如果有效相移增加达6π，那么n＝3。在另一实例中，如果有效相移减小达6π，那么n＝-3。在另一实例中，如果有效相移增加达6π且随后减小达2π，那么n＝2。

为避免耦合到squid200的子环路的谐振频率，应将施加到每一子环路的通量与小于子环路的谐振频率的对应频率相关联(例如，在一些情况下squid子环路的谐振频率可在10ghz到50ghz的范围内)。在一些实施方案中，降低经施加通量信号的频率可降低所述装置的功率耗散。这是因为随着操作频率降低，由所述装置产生的电压减小。在较低电压下，通过磁通量控制装置的操作耗散的功率减小。

如关于图1所解释，通过磁通量装置100的电流i可被表示为i＝nφ0/l，其中l是超导迹线102的电感。为实现i中的甚至更精细改变，可通过将额外感应材料添加到装置100来增加超导迹线102的电感。图6是说明磁通量控制装置600的实例的示意图，其中通过添加超导迹线616的额外环路及耦合到迹线602的额外3结元件620(例如，3结squid，例如图2中所展示的squid200)来修改装置600的有效电感l。内含迹线602及squid604的装置600的第一部分与图1中所展示的装置100相同且与电感l1相关联。装置600的第二部分包含第二迹线616，且额外3结元件620与电感l2相关联并与迹线602耦合。通过添加迹线616及3结元件620，可获得输出电流的更精细电流控制。这是因为在上环路(迹线602及元件604)与下环路(迹线616及元件620)的共同导线之间共享下环路中的量化电流。因此，下环路中的量化电流i2＝n2φ0/l2在上环路中产生与共享导线互感m成正比的小通量mi2，接着通过更精细控制i＝n2φ0m/l1l2改变输出电流。以这种方式，磁通量装置实现对第二装置650(例如量子位或量子位耦合器元件)的更精细控制。

如本文中所解释，如果施加到squid200的通量不符合预定准则，那么n的值不变。例如，如果经施加通量未能跟踪围绕对应于电流i＝0的临界点的闭环路径，那么n的值将不变。替代地，如果经施加通量未能跟踪通过磁通量控制装置的相位在如本文中所描述的正值与负值之间转变所在的点的路径，那么n的值将不变。

用于改变磁通量控制装置的输出状态的工艺接近绝热。在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可比基于cmos或基于sfq的控制装置少耗散10³到10⁵倍的功率。因此，本发明的磁通量控制装置生成非常少的热量。此外，与其它量子位控制装置(例如基于sfq的控制装置)相比，本发明的磁通量控制装置不需要使用芯片上阻尼电阻器。因为磁通量控制装置的功率耗散及因此热量生成如此低，所以磁通量控制装置可与量子计算电路元件布置在同一芯片上或附近，而不会将本地芯片温度基本上增加到高于所要操作温度(例如，20mk)，不会导致转变到非所要能量状态或不会导致退相干。

本发明的磁通量控制装置(例如图1及6中所展示的装置)可用作用于将偏压施加到一或多个其它装置的控制元件，例如量子电路元件(例如，量子计算电路元件)。例如，在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可用于将特定偏压(例如，磁通量信号或电流信号)施加到超导量子位(例如，通量量子位、相位量子位或电荷量子位)。来自磁通量控制装置的偏压可用于将超导量子位初始化为特定所要状态，以将超导量子位的操作频率调整为预定频率，以倾斜/扰动由超导量子位展现的双阱势及/或调整由超导量子位展现的势阱之间的势垒的幅度。例如，通过将第一时变磁通量φ1施加到磁通量控制装置的squid元件的第一子环路且将第二时变磁通量φ2施加到squid的第二子环路(其中第一时变磁通量φ1及第二时变磁通量φ2符合如本文中所解释的预定准则)，由磁通量控制装置供应的偏压可改变达非零整数倍n。例如，由磁通量控制装置生成的磁通量信号或电流信号可递增或递减达通量量子φ0的非零整数倍n，从而导致量子位的状态(例如，操作频率)的改变。

在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置(例如图1及6中所展示的装置)可用于将特定偏压(例如，磁通量信号或电流信号)施加到超导量子位耦合元件。来自磁通量控制装置的偏压可用于增加或减小超导量子位耦合元件的耦合强度，使得可修改两个或更多个量子位之间的耦合程度。例如，通过将第一时变磁通量φ1施加到磁通量控制装置的squid元件的第一子环路且将第二时变磁通量φ2施加到squid的第二子环路(其中第一时变磁通量φ1及第二时变磁通量φ2符合如本文中所解释的预定准则)，由磁通量控制装置生成的磁通量信号或电流信号可递增或递减达通量量子φ0的非零整数倍n，从而导致超导量子位耦合元件的耦合强度的对应改变。替代地或另外，由磁通量控制装置生成的偏压可用于调谐量子位耦合器的频率。

根据本发明的磁通量控制装置需要至少两个输入信号(例如，squid的每一子环路一个)且仅在所述输入信号符合预定准则时才改变输出状态(例如，电流i或通量m)。在所有其它情况下，所述装置的输出状态不变。因此，在一些实施方案中，磁通量控制装置适合用作逻辑“与”门。即，只有当将具有必要预定准则的输入信号施加到squid的两个子环路时，所述装置的有效相移才改变达2π，使得通过所述装置的有效通量改变达通量量子φ0(例如，输出1)。在所有其它情况下(即，当仅施加具有必要时变幅度的一个磁通量信号时或当不施加具有必要时变幅度的磁通量信号时)，有效通量将不变(例如，输出0)。

在一些实施方案中，可组合多个磁通量控制装置与阵列中的对应电路元件(例如，量子电路元件)以提供电路元件(例如，量子电路元件)的可控制矩阵寻址。图7是说明磁通量控制装置的可控矩阵阵列700的实例的示意图。如图7中所展示，阵列700包含布置成行及列的多个单元702、704、706及708。每一单元702、704、706及708包含磁通量控制装置，例如本文中所描述的磁通量控制装置。例如，在一些实施方案中，磁通量控制装置包含耦合到具有三个并联耦合的非线性电感器结的squid的超导迹线。每一单元702、704、706及708还包含定位成与磁通量控制装置相邻的电路元件。电路元件可包含例如量子位及/或量子位耦合元件。其它电路元件也是可能的。

阵列700还包含多条竖直控制线(例如，控制线712、714)。每条竖直控制线沿着阵列700的对应列延伸且经定位在所述列内的每一单元旁边。例如，控制线712经定位在单元702及706旁边，而控制线714经布置在单元704及708旁边。竖直控制线可由超导迹线形成且与对应电感相关联。

阵列700还包含多条水平控制线(例如，控制线716、718)。每条水平控制线沿着阵列700的对应列延伸且经定位在列内的每一单元旁边。例如，控制线716经定位在单元702及704旁边，而控制线718经定位在单元706及708旁边。水平控制线可由超导迹线形成且与对应电感相关联。

竖直控制线(例如，线712、714)经耦合到(例如，电连接到)列选择生成器710。水平控制线(例如，线716、718)经耦合到(例如，电连接到)行选择生成器720。列选择生成器710及行选择生成器中的每一者包含经配置以生成施加到所述控制线的波形的电路(例如，电流源)。列选择生成器及行选择生成器可经配置以将唯一波形提供到所述生成器所耦合的每条控制线。例如，在一些实施方案中，列选择生成器可经编程以将唯一波形递送到每条竖直控制线，而行选择生成器可经编程以将唯一波形递送到每条水平控制线。

因此，鉴于i×j单元矩阵，其中每一单元包含电路元件(例如，量子电路元件，例如量子位或量子位耦合器元件)及对应磁通量控制装置，对电路元件进行寻址所需的连接器数是i+j。此外，所述矩阵中的每一单元的磁通量控制装置用于在对其它单元进行寻址时主动地维持电路元件的状态，因此防止串扰无意中改变未经寻址单元的状态。即，当将符合如本文中所描述的预定准则的输入信号供应到磁通量控制装置时，将磁通量控制装置置于持续输出状态(例如，磁通量控制装置生成持续电流)，所述持续输出状态不变，直到且除非再次施加符合预定准则的输入信号以改变输出状态。因此，不需要将输入信号的连续施加提供到单元以维持所要输出状态。此外，因为控制装置可主动地维持电路元件的状态，所以对所述阵列进行寻址所需的总功率耗散显著低于在必须对每一单元进行连续寻址以维持其状态的情况下所需的总功率耗散。

在一些实施方案中，本发明的磁通量控制装置可用作多级存储器装置。如本文中所解释，通过磁通量装置的电流i可被表示为i＝m/l，其中m是通过所述装置的超导环路的通量且可被表示为m＝nφ0。随着磁通量控制装置的有效相移的每次2π改变，整数值n改变达1，从而导致磁通量控制装置的输出状态(例如，电流i或磁通量m)的对应改变。除非磁通量控制装置的有效相移存在另一2π改变，否则所述装置的输出状态不变。因此，取决于n的值，可将磁通量控制装置置于各种不同输出或“存储器”状态。即，由控制装置生成的i的不同值(或不同磁通量m)可表示不同存储器状态，其中将维持每种存储器状态直到且除非将适当通量信号施加到磁通量控制装置以再次改变n。

图8是说明根据本发明的可由多级存储器基于磁通量控制装置建立的不同输出状态的实例的表。如图8中所展示，呈现磁通量控制装置(例如装置100)的四种不同输出状态。每种输出状态经映射到对应信息位。例如，可将多级存储器编程为处于四种不同存储器状态(例如分别对应于二进制值“00”、“01”、“10”及“11”的n、n+1、n+2及n+3)中的一者。

写入到多级存储器包含将磁通量信号施加到磁通量控制装置的squid元件，其中磁通量信号符合所述装置的有效相移改变为2π的整数倍所需的预定准则。从第一存储器状态n评估图8的表中所展示的有效相移改变例如，为将多级存储器的存储器状态从第一存储器状态改变为第二存储器状态(例如，从“00”改变为“01”)，将通量信号施加到所述装置以改变有效相移达2π。为将所述装置从第一存储器状态改变为第三存储器状态(例如，从“00”改变为“10”)，将通量信号施加到所述装置以改变相位达4π。为将所述装置从第一存储器状态改变为第四存储器状态(例如，从“00”改变为“11”)，将通量信号施加到所述装置以改变有效相移达6π。类似地，为将所述装置从第四存储器状态改变为第一存储器状态(例如，从“11”改变为“00”)，将通量信号施加到所述装置以改变有效相移达-6π。为将所述装置从第四存储器状态改变为第二存储器状态(例如，从“11”改变为“01”)，将通量信号施加到所述装置以改变有效相移达-4π。为将所述装置从第四存储器状态改变到第三存储器状态(例如，从“11”改变为“10”)，将通量信号施加到所述装置以改变有效相移达-2π。尽管与图8相关联的装置被表示为仅具有四种不同存储器状态，但是也可使用其它数目种存储器状态。在一些实施方案中，可基于哪个时间段可接受改变存储器装置的相位来界定存储器状态数的极限。

本说明书中所描述的量子主题及量子操作的实施方案可在合适量子电路或更一般来说量子计算系统中实施，包含本说明书中所揭示的结构及其结构等效物或一或多个其组合。术语“量子计算系统”可包含但不限于量子计算机、量子信息处理系统、量子密码系统、拓扑量子计算机或量子模拟器。

术语量子信息及量子数据是指由量子系统携带、保存或存储在量子系统中的信息或数据，其中最小非平凡系统是量子位，例如界定量子信息单位的系统。应理解，术语“量子位”涵盖在对应上下文中可适当地近似为两级系统的所有量子系统。此类量子系统可包含例如具有两级或更多级的多级系统。举例来说，此类系统可包含原子、电子、光子、离子或超导量子位。在一些实施方案中，计算基态被识别为具有基态及第一激发态，然而应理解，其中计算装置被识别为具有更高级激发态的其它设置也是可能的。应理解，量子存储器是可以高保真度及效率长时间存储量子数据的装置，例如光-物质界面，其中光用于传输且物质用于存储及保存量子数据的量子特征(例如叠加或量子相干性)。

量子电路元件(也被称为量子计算电路元件)包含用于执行量子处理操作的电路元件。即，量子电路元件经配置以使用量子力学现象(例如叠加及纠缠)来以非确定性方式对数据执行操作。某些量子电路元件(例如量子位)可经配置以呈一种以上状态同时表示及操作信息。超导量子电路元件的实例尤其包含例如量子lc振荡器、量子位(例如，通量量子位、相位量子位或电荷量子位)及超导量子干涉装置(squid)(例如，rf-squid或dc-squid)的电路元件。

相比之下，典型电路元件通常以确定性方式处理数据。典型电路元件可经配置以通过对数据执行基本算术、逻辑及/或输入/输出操作来共同实行计算机程序的指令，其中数据呈模拟或数字形式表示。在一些实施方案中，典型电路元件可用于通过电或电磁连接将数据传输到量子电路元件及/或从量子电路元件接收数据。典型电路元件的实例包含基于cmos电路的电路元件、快速单通量量子(rsfq)装置、可逆量子逻辑(rql)装置及ersfq装置，其是不使用偏压电阻器的rsfq的节能版本。

本文中所描述的量子电路元件及典型电路元件的制造可能需要沉积一或多种材料，例如超导体、电介质及/或金属。取决于选定材料，这些材料可使用沉积工艺来沉积，例如化学气相沉积、物理气相沉积(例如，蒸发或溅射)或外延技术以及其它沉积工艺。用于制造本文中所描述的电路元件的工艺可能需要在制造期间从装置移除一或多种材料。取决于要移除的材料，移除工艺可包含例如湿法蚀刻技术、干法蚀刻技术或剥离工艺。形成本文中所描述的电路元件的材料可使用已知光刻技术(例如，光刻或电子束光刻)来图案化。

在使用超导量子电路元件及/或典型超导电路元件(例如本文中所描述的电路元件)的量子计算系统的操作期间，在致冷器内将超导电路元件冷却到允许超导材料展现超导性质的温度。超导体(替代地超导)材料可被理解为在处于或低于超导临界温度下展现超导性质的材料。超导材料的实例包含铝(1.2开尔文的超导临界温度)及铌(9.3开尔文的超导临界温度)。

虽然本说明书内含许多特定实施方案细节，但是这些细节不应被解释为限制可主张内容的范围，而是应被解释为描述特定实施方案可能特有的特征。本说明书在单独实施方案的上下文中所描述的某些特征也可在单个实施方案中组合地实施。相反，在单个实施方案的上下文中所描述的各种特征也可在多个实施方案中单独地或以任何合适子组合实施。此外，尽管特征在上文可被描述为以某些组合起作用且甚至最初如此主张，但是在一些情况下来自所主张组合的一或多个特征可从上述组合剔除，且所主张组合可针对子组合或子组合的变动。

类似地，虽然附图说明中以特定顺序描绘操作，但是这不应被理解为要求以所展示的特定顺序或按顺序执行此类操作，或执行所有所说明操作以实现所要结果。例如，权利要求书中所列的动作可以不同顺序执行且仍实现所要结果。在某些情况下，多任务及并行处理可能是有利的。而且，上文所描述的实施方案中的各种组件的分离不应被理解为在所有实施方案中都需要此分离。

已描述数个实施方案。然而，将理解，可在不脱离本发明的精神及范围的情况下进行各种修改。因此，其它实施方案在所附权利要求书的范围内。