一种超导电路、量子芯片及量子计算机的制作方法

1.本技术属于量子计算技术领域，特别涉及一种超导电路、量子芯片及量子计算机。


背景技术：

2.量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处理信息能力较强、应用范围较广等。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。目前，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现在最有前景的量子计算体系。
3.在量子计算体系中，最重要的就是实现保真度的量子比特门。量子芯片包括若干个量子比特以及相邻量子比特之间的可调耦合，其中，量子比特和可调耦合均为具有物理尺寸的电子器件，其物理尺寸通过电路设计确定。但是在现有技术中在对集成有多量子比特的量子芯片进行电路设计时，未考虑到量子比特间以及量子比特与可调耦合间的残留耦合，使得电路设计与量子芯片物理结构存在差异，造成在量子芯片实际测量中，不能将量子比特的参数调控到目标量子比特门所需要的目标参数，从而降低量子比特门的保真度。因此，如何优化量子芯片的电路设计，修正实际制造的量子芯片与理论电路设计的差异，提高量子比特门的保真度是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种超导电路、量子芯片及量子计算机，以解决现有技术中的缺陷和不足，本技术可以对量子芯片的电路设计进行优化，以修正实际制造的量子芯片与理论电路设计的差异，提高量子比特门的保真度。
5.为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种超导电路，所述超导电路包括：
6.量子比特电路；
7.可调耦合器电路，设置于两个所述量子比特电路之间，分别与两个所述量子比特电路耦合连接，用于调节相邻的两个所述量子比特电路之间的相互作用强度；
8.第一连接电路，设置于所述量子比特电路和所述可调耦合器电路之间；
9.第二连接电路，分别与两个所述量子比特电路连接。
10.可选的，所述量子比特电路和所述可调耦合器电路的组成元件相同。
11.可选的，所述量子比特电路包括超导量子干涉仪、第一电容、第二电容、以及第三电容；
12.所述第一电容的第一极连接所述超导量子干涉仪的第一极，所述第一电容的第二极连接所述超导量子干涉仪的第二极；
13.所述第二电容的第一极连接所述超导量子干涉仪的第一极，所述第二电容的第二极连接地；
14.所述第三电容的第一极连接所述超导量子干涉仪的第二极，所述第三电容的第二
极连接地。
15.可选的，所述第二连接电路包括第四电容和第五电容。
16.可选的，所述第四电容的第一极和第二极分别连接相邻的两个所述量子比特电路中超导量子干涉仪的第一极；
17.所述第五电容的第一极和第二极分别连接相邻的两个所述量子比特电路中超导量子干涉仪的第二极。
18.可选的，所述第一连接电路包括第六电容、第七电容、第八电容以及第九电容；
19.所述第六电容的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第一极，所述第六电容的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第一极；
20.所述第七电容的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第一极，所述第七电容的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第二极；
21.所述第八电容的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第二极；所述第八电容的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第一极；
22.所述第九电容的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第二极，所述第九电容的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第二极。
23.可选的，所述超导量子干涉仪包括两个并联的约瑟夫森结。
24.可选的，还包括读取电路，所述读取电路耦合连接所述量子比特电路。
25.第二方面，本技术提供了一种量子芯片，所述量子芯片上至少形成有如第一方面所述的超导电路。
26.第三方面，本技术提供了一种量子计算机，所述量子计算机至少设置有如第二方面所述的量子芯片以及与所述量子芯片连接的测控装置。
27.与现有技术相比，本技术提供的一种超导电路、量子芯片及量子计算机，具有以下有益效果：所述超导电路包括量子比特电路、可调耦合器电路、第一连接电路以及第二连接电路，其中，所述可调耦合器电路设置于两个所述量子比特电路之间，分别与两个所述量子比特电路耦合连接，用于调节相邻的两个所述量子比特电路之间的相互作用强度，所述第一连接电路设置于所述量子比特电路和所述可调耦合器电路之间，所述第二连接电路，分别与两个所述量子比特电路连接。本技术提供的超导电路考虑到了量子比特间以及量子比特与可调耦合间的残留耦合，修正了实际制造的量子芯片与理论电路设计的差异，提高了量子比特门的保真度。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本技术一实施例提供的一种超导电路的结构示意图；
30.图2是本技术一实施例提供的又一种超导电路的结构示意图。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实施例对本技术提出的一种超导电路、量子芯片及量子计算机作进一步详细说明。根据下面说明，本技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本技术实施例的目的。
32.在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
33.根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。
34.超导电路是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法。由于超导电路的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，电路的设计定制的可控性强。同时，得益于现有的成熟集成电路工艺，基于超导电路设计的量子芯片还具有难以比拟的可扩展性。但是目前在对集成有多量子比特的量子芯片进行电路设计时，未考虑到量子比特间以及量子比特与可调耦合间的残留耦合，使得电路设计与量子芯片物理结构存在差异，造成在量子芯片实际测量中，不能将量子比特的参数调控到目标量子比特门所需要的目标参数，从而降低量子比特门的保真度。本技术的核心思想在于提供一种超导电路，在设计超导电路的时，将量子比特间以及量子比特与可调耦合间的残留耦合等效为相应的电子元件，以修正实际制造的量子芯片与理论电路设计的差异，提高量子比特门的保真度。
35.为此，本实施例提供一种超导电路，请参阅图1，所述超导电路包括量子比特、可调耦合器电路、第一连接电路以及第二连接电路。其中，所述可调耦合器电路设置于两个所述量子比特电路之间，分别与两个所述量子比特电路耦合连接，用于调节相邻的两个所述量子比特电路之间的相互作用强度；所述第一连接电路设置于所述量子比特电路和所述可调耦合器电路之间；所述第二连接电路分别与两个所述量子比特电路连接。
36.本实施例提供的超导电路设计，出于对所述量子比特与所述可调耦合间的残留耦合的考虑，在所述第一连接电路中设置了等效的电子器件，用于修正该残留耦合；同时，出于对两个所述量子比特间的残留耦合的考虑，在所述第二连接电路中设置了等效的电子器件，用于修正该残留耦合，以减小实际制造的量子芯片与理论电路设计的差异，提高量子比特门的保真度。
37.示例性的，所述量子比特电路和所述可调耦合器电路的组成元件相同，且各个组成元件的连接关系也相同，但是所述量子比特电路和所述可调耦合器电路在所述超导电路中所实现的功能不同。
38.具体的，所述量子比特电路包括超导量子干涉仪、第一电容c1、第二电容c2、以及第三电容c3。其中，所述第一电容c1的第一极连接所述超导量子干涉仪的第一极，所述第一电容c1的第二极连接所述超导量子干涉仪的第二极；所述第二电容c2的第一极连接所述超导量子干涉仪的第一极，所述第二电容c2的第二极连接地；所述第三电容c3的第一极连接所述超导量子干涉仪的第二极，所述第三电容c3的第二极连接地。具体的，所述超导量子干涉仪包括两个并联的约瑟夫森结。
39.上述对应位于图1中左侧的量子比特电路的具体描述。另外，由图示知，与该量子比特电路相邻的且位于图1中右侧的量子比特电路包括超导量子干涉仪、第一电容c1、第二电容c2、以及第三电容c3；位于两个量子比特电路中间的所述可调耦合器电路包括超导量子干涉仪、第一电容c1、第二电容c2、以及第三电容c3，且它们之间的连接关系均同上。
40.可见，本实施例提供的超导电路中的所述量子比特电路和所述可调耦合器电路均为双岛结构，即所述量子比特电路和所述可调耦合器电路的约瑟夫森结的两端不直接接地，通过电容耦合接地，减少了噪声和干扰。
41.示例性的，所述第二连接电路包括第四电容c4和第五电容c5。具体的，所述第四电容c4的第一极和第二极分别连接相邻的两个所述量子比特电路中超导量子干涉仪的第一极；所述第五电容c5的第一极和第二极分别连接相邻的两个所述量子比特电路中超导量子干涉仪的第二极。
42.示例性的，所述第一连接电路包括第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8以及第九电容c9。其中，所述第六电容c6的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第一极，所述第六电容c6的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第一极；所述第七电容c7的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第一极，所述第七电容c7的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第二极；所述第八电容c8的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第二极；所述第八电容c8的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第一极；所述第九电容c9的第一极连接所述量子比特电路中量子超导干涉仪的第二极，所述第九电容c9的第二极连接所述可调耦合器电路中量子超导干涉仪的第二极。
43.上述对应位于图1中左侧的量子比特电路与所述可调耦合器电路间的第一连接电路的具体描述。另外，由图示知，位于图1中右侧的量子比特电路与所述可调耦合器电路间的第一连接电路包括第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8以及第九电容c9，且它们之间的连接关系均同上。不难理解的是，图示中的标示1、2、3、4、5、6均表示连接节点。
44.需要说明的是，本实施例中，以上所述第一电容、所述第二电容、
……
、以及第九电容均可以是多个电容元件串联、并联，或者部分串联部分并联后的等效电容，其中，电容元件的数量和电连接关系可以根据需求确定。
45.本实施例中具体通过在所述第一连接电路中设置所述第四电容以及所述第五电容表征所述量子比特与所述可调耦合间的空间耦合，并通过在所述第二连接电路中设置所述第六电容、所述第七电容、所述第八电容以及所述第九电容表征两个所述量子比特间的空间耦合，以减小实际制造的量子芯片与理论电路设计的差异，使得对实际制造的量子芯片进行测试时，两个耦合的量子比特的有效耦合量随着可调耦合器频率的频率变化产生的变化范围包括耦合强度0点(即两个所述量子比特不发生相互作用)，从而实现在需要量子比特间的有效耦合时，可以精确控制量子比特间的耦合量，而在不需要量子比特间的耦合时，可以完成消除量子比特间的无效耦合，从而提高单量子比特门以及双量子比特门的保真度。
46.示例性的，请参阅图2，所述超导电路还包括读取电路，所述读取电路耦合连接所述量子比特电路，用于读取调控后的所述量子比特电路的量子态。具体的，所述读取电路包括一极接地的第十电容c
10
，以及与所述第十电容c
10
并联的电感。
47.示例性的，所述读取电路与所述量子比特电路通过电容耦合连接，本实施例中，每个量子比特电路的一端均通过一电容c
qr
与一所述读取电路的一端耦合连接，多个读取电路的另一端与一共同的读取信号传输线(transitionline)耦合，读取信号传输线通过与每个量子比特电路对应的读取电路获取量子态信息。不难理解的是，图示中的标示a、b、c、d、e、f、g均表示连接节点。
48.另外，需要说明的是，以上标号如c1等全部标号仅代表元件名称相同，不代表表示性能参数相同，例如，在一测试需求中，量子比特电路中的第一电容c1与可调耦合器电路中的第一电容c1的电容参数均不相同。
49.基于同一申请构思，本实施例还提供一种量子芯片，所述量子芯片上至少形成有如上所述的超导电路。
50.基于同一申请构思，本实施例又提供一种量子计算机，所述量子计算机至少设置有如上所述的量子芯片以及与所述量子芯片连接的测控装置。
51.综上所述，本技术提供的一种超导电路、量子芯片及量子计算机，具有以下优点：所述超导电路包括量子比特电路、可调耦合器电路、第一连接电路以及第二连接电路，其中，所述可调耦合器电路设置于两个所述量子比特电路之间，分别与两个所述量子比特电路耦合连接，用于调节相邻的两个所述量子比特电路之间的相互作用强度，所述第一连接电路设置于所述量子比特电路和所述可调耦合器电路之间，所述第二连接电路，分别与两个所述量子比特电路连接。本技术提供的超导电路考虑到了量子比特间以及量子比特与可调耦合间的残留耦合，修正了实际制造的量子芯片与理论电路设计的差异，提高了量子比特门的保真度。
52.上述描述仅是对本技术较佳实施例的描述，并非对本技术范围的任何限定，本技术领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。