量子位状态复制的制作方法

专利名称：量子位状态复制的制作方法
技术领域：
本方法与系统涉及量子计算的领域，并且具体涉及超导装置。
背景技术：
1982年，Richard Feynman |是出 一种可控制的量子系统可以比 常头见计算4几更为有效i也用于才莫拟其4也量子系统。参阅Feynman, 1982, /wfcm /7o/7(3/ Jbwr冊/ q/'77zec irWca/P/^as/cs 21 ， pp. 467-488。 现在该可控制的量子系统被普遍地称为量子计算才几，并且人们致力 于开发一种可以用于^t拟量子系统或者运行专门的量子算法的通 用量子计算才几。具体地说，对于某一量子系统状态的一个4莫型进行 求解一般涉及对该量子系统的哈密尔顿算子的微分方程进行求解。 David Deutsch观察到 一种量子系统可以用来达到时间的节省，后来 证明在某些计算中可以有指数性的时间节省。如果有一个问题，该 问题是以代表该量子系统的哈密尔顿算子的一个方程形式来建立 的模型，该系统的状态可以4是供关于对该方程的解的信息。参阅 I)eutsch， 1985, /VoceeJ/"gs q/7/ e Ao少g/5V cz'e/y o/Z^om^o" A 400, pp. 97—117。
该量子计算技术中的 一个局限是对于可以支持量子计算的系 统的鉴别。如以下的l殳落中所详述，类似于经典的凄t字计算^L中的 一个"位"的一个量子位是作为存储量子信息的基础。然而，量子 位必须能够将相干量子状态保持得足够长以进行量子计算。失去相 干量子状态被称为脱散。另外，需要读出量子位的状态的技术以确 定一个量子计算的结果。理想地，这种读出^L制在一次读出才喿作之 前不会将脱散引入该量子计算系统。
当其基本构成单元，即量子位， 一皮以井禺连在一起的方式为一个 量子位的量子状态影响着每一个与其耦连的量子位的量子状态，一 个量子计算机的计算能力提高了。这种形式的耦连包括被称为牵连 的作用。量子计算技术中的另 一个限制在于对能够用于可控制地牵 连多个量子位的状态而不引入一个显著的脱散源的方法的鉴别。
l.量子计算的途径
设计和运行一个量子计算4几有几种一^:的途径。 一个一皮称为 "电路模型量子计算"的途径是基于其中对量子位(非常类似于位) 施加逻辑门的一种才莫型，并且可以编程为4吏用量子逻辑进行计算。 这种量子计算模型要求具有长相干时间的量子位。人们作出了努力 开发可以实现量子逻辑功能的牢靠的量子位。例如参阅Shor的 2001， arXiv.org:q丽t-ph/0005003。然而，在本领域中尚未令人满意 地实现在量子系统中将量子位的脱散降低为至使在量子系统中存 储的量子信息被破坏以前能够进行多个计算。
被称为"热辅助绝热量子计算，，的另一种量子计算的途径涉及 找出一个量子位的阵列的最低能量配置。该途径并不严格使用量子 门和量子电路。取而代之的是，它使用经典的效应，并且在一些情 况下4吏用量子效应，以使乂人一种已知的初始口合密尔顿算子开始才喿"人 相互作用的量子位的一个系统的状态，乂人而^f吏终末状态代表有关物
理系统的哈密尔顿算子。在该过程中对于这些量子位不严4各要求量
子相干。此类途径的一个实例是绝热量子计算。例如参见Farhi等 的2001, Science 292, pp. 472—476。
2.量子位
一个量子位，也称为量子比特，是常规数字位的量子机制类似 物。耳又代于一个凄t字位中只对两个离散的状态(譬如一个位中的"0" 和"1")进行编码， 一个量子位还可被置于"0"和'T'的重叠中， 即，该量子位可以同时存在于"0"和'T，的两种状态中，并且从 而可以同时对两个状态进行一种量子计算。这样， 一个保持纯离散 状态(0或1)的量子位;波称为处于一种经典状态，而保持状态的 重叠的一个量子位被称为处于一种量子状态。总之，N个量子位可 以处于2N个状态的重叠之中。各个量子算法利用该重叠特性来加速 某些计算。
在标准的符号表示法中， 一个量子位的基本状态被称为|0〉和 |1〉状态。在量子计算的过程中，总体上， 一个量子位的状态是基
态的一种重叠，从而该量子位具有占据该io〉基态的一个非零概率和
同时占据该ll〉基态的一个非零概率。数学上，基态的重叠是指该量
子位的整体状态，这用，〉表示，具有l"-"^〉 +丰〉的形式，其中a 和b分别是对应于基于测量结果获得alO〉或ll〉的一既率la卩和lb卩的系 数。系凄ta和b各有实部和虚部。 一个量子位的量子性的本质4艮大 程度上是从其存在于基态的相干重叠的能力中衍生出。只要系数a 和b的幅^直和相位不受外部环i竟的影响， 一个量子〗立即处于相千的 重叠中。当一个量子位充分地与脱散源相隔离时，该量子位将保持 作为各个基态的相干重叠而存在的这种能力。
为了使用一个量子位来完成一个计算，该量子位的状态被测量 (例如读出)。典型地，当进行了该量子位测量时，该量子位的量 子实质被临时地丢弃并且该基态的重叠瓦解为|0〉基态或| 1〉基态，从 而重新获得与一个常失见位的相似性。该量子位在其瓦解以后的实际
状态直接取决于读出操作前的概率M2和ibi2。对于量子位的更多信
息,总体上参阅Nielsen and Chuang， 2000, ^m"fww Com/ w加/o" "wt/
(2冊"fww/"yb削a"'ow, Cambridge University Press， Cambridge, pp.
344一345
3.超导量子位
有许多不同的可以用于构成量子计算才几的才支术。 一种实施方案 使用超导材料。超导量子位具有可拓展性的优点。使用超导量子位 实现大规模量子计算机的可能性大有前景，因为制造超导量子位所 涉及的技术和工艺类似于用于常规硅基计算机的那样技术和工艺， 对于它们已经存在基础设施和技术秘密。为了实现这样一种计算 才儿，Shnirman等的1997， P/^sz'"Le"eAs 79， 2371-2374 才是出一种超导量子计算才几，该超导量子计算枳J吏用Josephson结以 产生所要求的量子效应。
才艮据用于对信息进行编码的物理特性，可以将超导量子位分成 几个类别。量子位的一种总体的划分是将它们分成电荷器件和相位 器4牛，^口在Makhlin等的2001,尺ev/ews o/Mocfer" P/yAS7'ra 73, pp. 357-401中对于量子位所讨i仑的那样。
一个超导量子位典型地特征是两种不同类型的能量即充电能 量Ee,和Josephson能量Ej。在一个给定的超导量子位中这样能量 类型的每个的幅值取决于该量子位的物理参数。例如， 一个超导量 子位的充电能量是该量子位的部件(例如量子位结)的充电能量的 一个函凄t。而一个量子位结的充电能量又定义为e2/ (2C),其中C
是该结的电容。 一个超导量子位的Josephson能量是该量子位中的 部件(例如量子位结)的Josephson能量的一个函数。而一个量子 结(例如Josephson结)的能量又与该量子4立结的临界电流相关。 确切;也-说， 一个量子4立结的Josephson能量与该结的临界电流Ic成
比例并且满足关系式Ej二( A/2e)Ic,在此力是普朗克常量除以2兀。 一个超导量子位的总Josephson能量与总充电能量之比可以用于3十 超导量子位进行分类。例如，在一个分类方案中，当一个给定的超 导量子位的总充电能量远大于该量子位的总Josephson能量时，该 量子位就被认为是一个电荷量子位。并且当一个给定的超导量子位 的总、Josephson奇fe量远大于it量子^f立的总、充电奇fe量i亥量子4立，尤一皮i人 为是一个相位量子位。如在本文中所使用的，评估两个能量项的情 况下术语"远大于，，是指一个能量项可以在比第二个能量项大两倍 至大二十倍。
在基于量子位的量子系统中，相位和电荷是共辄变量。这就是 i兌，确定该相4立的 一种4交高的准确性导致电荷中的4交大的不确定 性，并且反之亦然。电荷量子位-f皮称为是以电荷基础(或者体系) 运行，在此该电荷的值是更加局部化的，而相位量子位是以相位基 石出运4亍，在此相位的j直是更力。局部^匕的。
电荷量子位用该装置的电荷状态存储和操纵信息，其中的基本 电荷由一种净皮称为库伯对的电子对所构成。 一个库伯对具有2e的 电荷，其中e是基本电荷单位，并且由两电子构成，这两个电子由 一个声子相互作用4jt接在一起。例如，参阅Nielson和Chuang的 2000， ^wa/^w附Co附/ w加z力awt/ gwa"fww //^/brm加'o", Cambridge University Press，Cambridge,pp. 343-345。
另 一方面，相位量子位用该量子位的相位或通量状态来存储信 息。相4立量子^立包4舌由一个Josephson结间断的一个超导环i 各。相 位量子位还可以进一步地区别为通量量子位或者"纯相位"量子位。
通量量子位的特征是可以捕捉单位通量①0 = Ac/2e的数量级的大通 量的相对大的超导环3各。参见Bocko等的1997， IEEE Trans. Appl. Superconduct. 7 3638。另一方面，"纯相位"量子位的特征在于小的 电感并且在磁性上是不活跃的。 一个"纯相位"量子位以跨间断该超 导环路的一个Josephson结的相位降的形式存储信息。例如参见 k)ffe等的1999,Nature 398， 679。
另 一类量子位是混合量子位。混合量子位既使用电荷自由度也 使用相位自由度来控制信息。混合量子位的一些实例-说明于 6,838,694号美国专利和美国专利公开2005-0082519号中，这两个 专利均通过引用全文结合在此。
4.超导通量器件
用超导量子位构成一种量子计算机的建议是Bocko等著的 1997,Zfi"i^S1 7hms"a"/o/xs" ow y4/ p/zW 5V/perccwt/wc"W(y 7,p. 3638 以及Makhlin等的2001, Wev/ew o/Tkfooferw尸/7jw'os 73 ， p. 357—400。 自那时起，以后已经有了许多个这方面的"i殳计。 一个此类i殳计是稳、 恒电流量子位。该稳恒电流量子位是一种通量量子位的形式，这意 p未着它可以存储单位通量①。=/zc/2e的lt量级的通量。参阅Mooij 等的1999，Science 285,1036; ,口 Orlando等的1999, 尸/ jwos 7^v/ewB60，15398。如在图6中所示，该稳、恒电流量子4立包4舌由 串联的三个小电容Josephson结(在图6中指代为"X")间断的厚的 超导才才津牛的一个环^各。该超导环i 各可以环绕一个施力。石兹通量/00, 其中0。是该超导通量量子/2/2e，在此/2是普朗克常量。系数/的值 可以由一个外部的磁偏置来控制并且通常保持在略小于0.5的值。 由图6中aEj的指代的一个Josephson结的临界电流值被设计为小于 其^也两个Josephson结的临界电^K直Ej，这两个Josephson结4主4主具 有同样的或者非常相似的临界电流(其值在图6中各用E;指代)。
典型地，a在0 < a < 1的范围内。可以将该稳、恒电流量子位构成为 ^吏该超导材冲+环^各包围一个小的面积(例如一个小于IO平方孩吏米 的面禾口、)。
该稳恒电流量子位是充分公知的并且已经表明具有长的相干 时间。例长口，参阅Orlando等；以及Il，ichev等的2003， 尸/2;^/cs "ev/ew丄e"e^ 91， 097906。某些其4也类型的通量电子4立包4舌由多 于或少于三个Josephson结的超导材料环^各。例如，参阅Blatter等 的2001,尸/zjwcsB 63， 174511;禾口 Friedman等的2000， 淑騰406, 43 。
在系统t哈密而顿算子中说明两个超导通量量子位的耦连相互 作用的符号可以用作对量子位耦连类型进行分类的基础。根据这样 一个分类方案，有两种耦连类型，即铁磁的和反铁磁的。
通量量子位典型地是经过它们各自的万兹通量相互作用。就是在 一个第一超导通量量子<立中的一个通量变<匕爿夸会引起与该第一超 导通量量子位耦连的一个第二超导通量量子位中通量的变化。在铁 磁耦连中，有利的是在能量方面对第一超导通量量子位中的通量变 化产生与该第一通量量子位耦连的一个第二超导通量量子位中的 一种类似变化。例如，当两个量子位铁磁地耦连时，在该第一超导 通量量子位中通量的增加将引起该第二超导通量量子位中通量的 增加。因为流通的环^各电流在一个通量量子位的超导环^各中产生通 量，铁磁的耦连还可以意味着在一个量子位中流通的电流将在另一 个量子4立中产生沿相同方向;危动的电;虎。
在反铁磁情况下，在能量方面有利的是对第一超导通量量子位 中的通量变化产生与该第一通量量子位耦连的一个第二超导通量 量子位中的一种类似却相反的变化。例如，在一个超导通量量子位 中通量的增加导致反铁^t地耦连装置中的通量减少。类似地，在一
个第 一 通量量子4立中沿 一 个方向流通的电济u在反4失》兹i也寿禺连到该 第 一量子^立的通量量子^f立中引起一个沿相反方向流动的电流，因为 在能量方面这是更加有利的。能量方面有利是指包括这些耦连的量 子位的系统倾向处于一种特定的耦连配置(因为在该特定配置中该 耦连系统的总能量低于在其他配置中的总能量)。
在两个耦连在一起的通量装置的哈密尔顿算子中，C7z(8)C7z代表 具有表明该耦连的强度的一种前因子的变量的两个装置之间的 "XZ"耦连。当J〉0时，该耦连是反铁磁的，具有一个较高的J意味 着是一种强的反铁磁耦连。当J〈0时，该耦连是铁磁的，具有一 个较低的J意味着一种强的铁磁耦连。当J-O时，没有耦连。这 样，切换■/的符号将耦连的类型从铁磁的切换到反铁磁的或者相反 地切换。
5.量子位测量技术
总体上，量子位测量是基于该量子位可以处于一种量子状态的 假定进行的。然而，可以约束量子位只保持经典的状态，并且然后 在该受约束的状态进行测量。不论测量是依赖于要受测量的量子位 在一种量子状态的假定还是依赖于该量子位已经受约束于一种经 典的状态的假定，在所属技术领域中都缺乏可以在同 一 电路中测量 大量的量子位方法和结构。通常， 一个量子位的读出^i4勾要求一定 量的电路板空间，以及至少一个控制导线以操作该机构。传统上， 对于一个电路中的每个附加的量子位都要使用一个附加的读出机 构以及至少一根附加的控制线。当存在大量的量子位时，这在电路 设计上产生了一个问题，因为空间限制使得在一个电路中布置量子 位非常复杂。还有，存在附加的控制导线对于在电路中寻找所有导 线的一种有效布线方面产生了一个问题。在一个有大量量子位的阵 列中，由于面积上的和进入该阵列内部的布线路径上的限制，读出 该阵列内部的量子位会是挑战性的。
在上面4是到的Il，ichev等提出了一种通过将该通量量子位弱耦 连到一个i皆4展回3各(tank circuit)来读出 一个通量量子4立的方法。 当该量子位为测量准备好时，将该量子位带到与该谐振回^各谐振， 从而使该量子位的状态与该谐振回路的状态耦连。然后将该谐振回 路与该量子位退耦。尽管在不读出时这种方法通过该谐振回^各减少 该量子位的消散，但是这种方法对一个量子电路中的较大数量的量 子位是不可拓展的，因为每个量子位都有一个单个的谐振回路是不 可行的。
测量一个通量量子位的一种方式是通过使用一种电感地耦连 到该通量量子位的超导量子干涉装置，或SQUID。 一个SQUID包 括由至少一个Josephson结间断的一个超导环^各。在SQUID的该超 导环^各中流过的电流可以4姿几个不同的方式进4亍偏置。两个在受偏 转的方式上不同的两个SQUID实例是dc-SQUID和rf-SQUID。因 为通量器件经过其》兹通量相互作用，可以用一个SQUID-型装置可 用于将通量量子位耦连在一起，如同Majer等在2003 , arXiv.org:cond-mat/0308192中才是出的方案。当用于测量一个通量量 子位的状态时，读出SQUID的超导电流，因为该超导电流耳又决于 该量子位的状态。如此，测量SQUID电流可以确定耦连该SQUID 的量子位的状态。然而，SQUID的缺点是它们在一个电路板或者芯 片上占据相当大的表面积。对于较大数量的量子位，每个量子位具 有一个SQUID变4寻笨重并且碎4费空间。
Patemostro等在2005 ， Physical Review A 71 ， 042311,(以下 的"Paternostro")揭示了通过一种总线系统经一种多量子位耦连传 送一个量子位的量子状态的方法。Patemostro量子光学和SQUID相 结合以产生在其上可以进行量子运算的一种自旋链的网络。然而， 包括一个总线以将所有的量子位耦连在一起可能在系统中引起增 加的p喿音干护L。
6.先有才支术
鉴于上述的缺点，在所属技术领域中存在一种需要来提供用于 有效地读出 一个阵列中的量子位，尤其是在该阵列内部的量子位， 的经典状态的系统和方法。

发明内容
在一个实施方案中，提供了将一个第 一量子位的一个经典状态 复制到一个第二量子位的方法。该方法包括将该第二量子位初始化 为一个初始的经典状态。该第二量子位具有一种势能的能量配置，
该势能的能量配置包括具有一个第一势能最小值的第一势阱和具 有一个第二势能最小值的第二势阱。该初始的经典状态位于该第一
势阱中。在该方法中将该第一势阱的第一势能最小值调节到一个高 于该第二势阱的第二势能最小值的一个第三势能最小值。该方法还 包括在一个时间长度？内将该第一量子位与该第二量子位进行耦连。
在另一个实施方案中，提供了将一个第一量子位的一个经典状
态复制到一个第二量子位的方法。该第一量子位的特征是一种势能 的能量配置，该势能的能量配置包括一个第一隧道效应壁垒，并且 该第二量子位的特征是一种势能的能量配置，该势能的能量配置包 括一个第二隧道效应壁垒。该方法包括降低该第二隧道效应壁垒、 在一个时间长度^上耦连第一量子位与该第二量子位，并且提高该 第二隧道#文应壁垒。
在又一个实施方案中，提供了读出一个量子位阵列中的一个量 子位的一种经典的状态的方法。该阵列包括周边的量子位和内部的 量子位。该方法包括将具有一个相关联的读出装置的一个周边的量 子位的一个经典状态初始化，向该周边的量子位复制一个内部量子 ^立的 一个经典的爿大态，并且通过读出该周边量子^f立的经典状态而读 出该内部的量子位的经典状态。通过具有一个耦连强度的一个耦连 装置将该周边的量子位耦连到该内部的量子位。此外，该耦连强度 可以在一个最小耦连强度与一个预定的耦连强度之间进行调节。
在又一个实施方案中，提供了将一个第一量子位装置的一种经 典状态复制到一个第二量子位装置的方法。该方法包括用于将该第 一量子装置耦连到该第二量子装置的装置、用于调节该第一量子位 装置的一个隧道效应壁垒和该第二量子位装置的一个隧道效应壁 垒中至少之一的装置、和用于调节该第一量子位装置和该第二量子 位装置的至少之一的势能的能量配置的对称性的装置。
在又一个实施方案中，提供了将一个第一量子位的一种经典的 状态复制到一个第二量子位的系统。该第一量子位的特征是一种势 能的能量配置，该势能的能量配置包括一个第一隧道效应壁垒，并 且该第二量子位的特征是一种势能的能量配置，该势能的能量配置
包4舌一个第二隧道效应壁垒。该系统包4舌一个第 一壁垒调节^^莫件、 一个耦连模件和一个第二壁垒调节模件。该第 一壁垒调节模件包括 用于降低该第二隧道效应壁垒的指令。该耦连才莫件包括将该第一量 子位耦连到该第二量子位的指令。该第二壁垒调节模件包括提高该 第二隧道效应壁垒的指令。
在又一个实施方案中，提供了一种存储用于将一个第一量子位
初始^fb到一种初始的经典^i犬态的可4丸4于指令的计算才几可读々某体。在 该实施方案中，该第一量子位具有一种势能的能量配置，该势能的 能量配置包括具有一个第一势能最小值的第一势阱和具有一个第 二势能最小值的第二势阱，并且该初始的经典状态是位于该第一势 阱中。在该可计算机读的々某体还存储用于将该第 一势阱的第 一势能 最小值调节到一个高于该第二势阱的第二势能最小值的一个第三 势能最小值的可执行的指令。该计算机可读的媒体还存储用于在一个时间长度Z中将该第一量子位与该第二量子位耦连的可执行的指令。


图1A示出 一个rf-SQUID的两种流通电流状态。
图1B示出图1A中的rf-SQUID的能量形态。
图1C示出根据先有技术的一种裂隙结通量量子位。
图2示出根据本发明的方法和系统的一个实施方案的两个通量 量子位和一个耦连装置。
图3A示出根据本发明的方法和系统的一个实施方案的铁磁状
态复制所涉序列步骤。
图3B示出才艮据本发明的方法和系统的一个实施方案的4失》兹状 态复制所涉的图3A的步骤之后的序列步骤。
图4A示出根据本发明的方法和系统的一个实施方案的绝热状 态复制所涉的序列步骤。
图4B示出根据本发明的方法和系统的一个实施方案的绝热复 制所涉的图4的步骤之后的序列步骤。
图5示出才艮据本发明的方法和系统的一个实施方案的带有在周 边的读出装置的耦连的通量量子位的一个阵列。
图6示出根据先有技术的一个稳恒电流量子位。
具体实施例方式
如以下将进一步详细说明的那样，本发明的方法和系统提供了
用于将一个第一量子位的经典状态到一个第二量子位的复制。在一 些实施方案中，使该第一和第二量子位耦连并且调整第二量子位的 逸出概率。在其他的实施方案中，将该第二量子位的隧道效应壁垒 初始化到一个高的值然后降低、将这些量子位耦连，并且然后才是高 第二量子隧道效应壁垒以复制该第 一量子位的状态。
本发明的方法和系统还可以4是供用于读出 一个量子位阵列的 状态。本发明的方法和系统还提供用于读出 一个量子位的阵列的状 态。在一些实施方案中，该阵列可以是二维的，对阵列外周边的量 子位使用所属领域公知的技术读出。然后使用4艮据本发明的方法和 系统将与该周边量子位相邻的量子位的状态复制至'J该阵列的外周 边上对应的相邻量子位。 一旦复制以后，使用所属领域7>知的纟支术 读出该状态，由此提供一种用于读出该阵列内部的量子位的状态的 机制。在一些情况下，该过程继续到深入该阵列内部的量子位直到 读出整个阵列为止。该阵列内部量子位的读出可以进行多次以提高 测量的精度。
量子位，譬如通量量子位，起二层系统的作用。这就是i兌，一
个量子位有保持信息的两个截然不同的状态。例如，示于图1A中 的一个可以用作一个通量量子^立的rf-SQUID IOOA。该rf-SQUID IOOA包4舌由一个Jos印hson结101间断的主超导环^各103。 rf-SQUID 100A的两个截然不同的状态是绕该环^各流通的电流的两个方向， 分别如箭头102-0和102-1所示。rf-SQUID 100A既可以处于其中 电流只在该超导环^各中沿 一个方向流动的 一个经典状态，或处于其 中电流同时在该超导环^各中沿两个方向都流动的状态的 一 种量子 重叠。图lB示出rf-SQUID 100A的对应的能量图。该势能的能量 形态100B是一种双稳态势能，具有两个最小值160-0和160-1和一
个能量壁垒140。在一些情况下，最小值160-O和160-1可以退化， 这是指它们可以具有相同的能量。在其他的情况下，最小值160-0 和160-1是不退化的。当该最小值是退化时，该能量形态被称为对 称的。图1A中的电流方向102-0和102-1分别地对应于图1B中的 最小值的势阱160-0和160-1。然而，该特定的对应性是随机的。 ^吏用这种只于应性，具有3于应于图1A的电流102-0的经典爿大态的一 个量子位一皮称为位于左势阱中，即图1B中的阱160-0。类似地，具 有对应于图1A的电流102-1的经典状态的一个量子位称为4立于右 势阱中，即图1B中的阱160-1。
量子位100A的状态可以乂人一个最小^直到另一个最小值才几才成;也 穿过能量壁垒140。这种隧道效应的频率耳又决于该壁垒的高度。如 果该壁垒高，较少发生隧道效应。如果该壁垒^氐，隧道效应发生4交 频繁。当隧道效应发生得少或者根本不发生(高壁垒)时，该量子 位^皮称为是在该经典的状态中。当该隧道效应比例高U氐壁垒)时， 就说该量子位处于量子状态。当一个量子位保持一种经典状态时， 就意。未着该量子位的状态全部位于一个阱中并且不处于两个阱的 一种重叠中。
能量形态100B可以通过改变rf-SQUID 100A的偏置参lt来调 整。例如调整该量子4立的Josephson能量可以改变能量壁垒140的 高度。为了能够调整结101的Josephson能量可以用一个称为裂隙 结的'J 、环^各中的两个Josephson结替代单个的结101 。 一个裂隙结通 量量子4立100C的实例示于图1C中。它包4舌两个Josephson结101-1 和101-2,这两个结形成主环路103之外的一个小超导环路104。调 整该裂隙结的小环^各104的万兹通量改变该裂隙结的有效Josephson 能量。还可以在整个Josephson结101上施加一个一黄向的(平面内) 箱f通量来调整结101的该Josephson能量。阱160-0和160-1的势能 最小值可以通过调节施加于主环^各103上的石兹通量①x的幅值;波此
相对地被改变。为了进行这样一种调节，可以通过一个在量子位 IOOC附近的感性偏置环^各(图中未示出)施加磁场通量。在主环
^各103中流通的电流所产生的》兹矩强度可以通过改变Josephson结 101的Josephson能量来进行调整，这是使用诸如上文中说明的那些 方法来进行。这些特征允许rf-SQUID 100C的性能中能够有较大的
灵活性。
将一个通量量子位装置初始化是指将该量子位置于一种已知 的状态，例如〗吏用在所属4页i或内的/^知的初始^f匕方法。这通常是在 涉及该量子位的一个量子运算开始以前进4亍。为了将一个 rf-SQUID,譬如在图1A中所示的100A,初始4匕到一种经典的状态， 该量子位的状态纟皮局限于其势阱(例如，阱160-0或者阱160-1) 之一。达到这一点的一个方式是使得该能量形态是高度非退化的。 例如，如此要使得该量子位初始化到势阱160-1，就将势阱160-0 的能量最小值提高于一个稍低于能量壁垒140的高度的值，从而使 得阱160-0相比阱160-1"浅"。调节施加于该量子位的超导环路的通 量值可以提高阱160-0的能量最小值。可以使阱160-0只稍低于能 量壁垒140。如在此所使用的，在一些情况下，术语"稍低"是指阱 160-0的势能最小值的值是在能量壁垒140的值的百分之八十到百 分之九十之内。在这样一种不稳定的状态下，具有将会发生隧道效 应并且将会〗吏该量子位的状态处于阱160-1的4交高的概率。应当指 出，在这样一种情景下，阱160-1的势能比能量壁垒140的势能低 得多，从而在阱160-1之外不会发生隧道效应。 一旦rf-SQUID 100A 状态已经局限于阱160-1,就将阱160-0降^f氐到大约其原来的值。
读出类似于rf-SQUID 100A的通量量子位的方法是所属领域内 公知的。然而至今提出的读出方案只能用于小数量的量子位，并且 是不可拓展的。如果在一个电路中存在大量的量子位，空间和布线 约束将使得这些方案无效。因为优选的是能够读出一个量子计算机
或者量子处理器中的任何量子位的状态，所以希望其中每个量子位 都有一个相关联的读出装置的系统。
本发明的方法和系统的 一 个特征是没有对于 一 组量子位中的 状态待测量的所有量子位的每一个量子位都必须有一个读出装置 的要求。如果这些量子位的状态是经典的，如前文所说它们可以通
过提高在该量子位的两个状态之间隧道效应壁垒140来达到，于是
没有读出装置的量子位的状态可以复制到具有读出装置的量子位。 这样一种4支术不违背量子"非复制"定律，该定律爿见定不能够准确地 复制一种量子状态。因为该量子位处于一种经典的状态，这是指它 不是一种两个状态的重叠，所以完全没有阻止复制该状态的物理障 碍。才艮据本发明的方法和系统的各个方面包括从一个量子位到另一 个量子位感性地复制该经典状态的两个技术。
铁万兹状态复制
图2示出两个rf-SQUID通量量子位201和203和一个rf-SQUID 耦连装置202，该耦连装置可以铁磁地或者反铁》兹地耦连该两个量 子位，或者将该耦连调整到4妄近于零。可以4吏用其他的感性耦连装 置，譬如使用dc-SQUID或者通量变换器替代rf-SQUID 202,只要 该装置仍然满足本文所iJt明的井禹连装置的属性。津禹连装置202可以 提供可调整的耦连，并且可以包括一个裂隙结。类似地，可以使用 其他类型的通量量子位，譬如Orlando等著的1999， Physics Review B 60, 15398所说明的稳恒电流量子位来取代rf-SQUID 201和203, 该文献通过引用全文结合在此。量子位201和203可以各包括带有 一个裂隙结的 一个rf-SQUID。
用于将量子位201的经典状态复制到量子位203的4失-磁状态复 制方法示于图3A和3B中，其中图3B的步-骤顺序;也3艮随图3A的 步骤。图3A和3B示出量子位201和203的能量形态和这些量子位 在该方法的不同点的状态。这两个量子^f立201和203能量形态都是 一种双稳态的势能，该双稳态的势能包括两个势能最小值阱(图3A 和3B的每个势能图解中示出的左阱和右阱)。
步各聚301。步冬聚301示出这些量子^立的初始条件，这通常在一 个计算或者进化结束处。量子位的状态是未知的，并且因此该量子
位的状态在这两个量子位的通量形态的两个最小值中都用未填充 的圓圈来代表。在该最小值之间的能量壁垒140可低得足以也可以 不低得足以允许该最小值之间的量子隧道效应。量子位201和203 可以是退化的，也可以是近于退化的。
任选步骤302。当要将量子位201的状态复制到量子位203时， 可以将这两个量子位的能量壁垒140都^是高到一个足以阻止量子隧 道效应发生的值，有效地将该量子位的状态投影到该经典的基本状 态之一。这在图中示于步骤302。如果在步骤301结束时该能量壁 垒已经高得足以防止隧道步文应，就可以略去步备聚302。在图3A和 3B中使用的黑圆圏表示将一个量子位的状态局限到一个单个的阱 中。从而在步骤302中的量子位201中的黑圓圈表示该量子位的状 态局限于右阱中。在本发明的方法的步骤302的图示中选4奪局限于 右阱中而不是局限于左阱是任意的，并且只用于演示目的。在实际 中，该量子位的状态所局限的是那个阱的身份将取决于在步骤301 以前在该量子位上进f^的量子运算或者时间的演进。 -提高一个量子 位的能量壁垒140可以通过调整该量子卩立的Josephson能量来达到， 例如使用前文已经说明的任何技术。在步骤302中量子位203中有 格子的圓圏表明量子位203的状态位于这些阱之一当中，但是它在 哪个阱中却不是重要的。
步骤303。在任选步專聚302中4是高了能量壁垒140以后，量子 位201或203与其他的装置之间的任<可耦连都一皮降低到零或者4妾近 零，以便防止可能改变该量子位的状态的进一步的相互作用。将耦
连降低到零或者4妄近零可以与抬高能量壁垒140同时进行。这样，
可以同时地进行步骤302和303。在量子位201与203之间可以有 初始的铁磁耦连，并且它是在步骤303中唯一没有被降低到零(或 者4妻近零)的耦连。在步-骤303，量子卩立203 一皮〗壬意初始^i到这些 阱之一。如前文所-说明，这可以通过4台高该势阱之一乂人而3夺该量子 位的状态局限到具有较低的势能的另 一个阱中。该提高步骤在图3 A 中没有示出。如在图3A中所示，量子位203的状态-故初始化到左 阱，但是这个选4奪是任意的。该量子位本可以初始化到右阱中。
步骤304。在步骤304中，量子位203初始化到其中的阱的势 能最小值被提高。在此例中是提高左阱。换言之，左阱的最小值势 能被提高以使量子位203的双稳态势具有一个浅阱(左)和一个深 阱(右)。将左阱中的最小值势能提高到一个接近却又低于能量壁 垒高度140的值增加了量子位203将通过隧道效应穿过该壁垒从左 阱进入右阱的概率。然而从右阱到左阱的隧道作用是纟及不可能的。 改变该阱的深度可以通过调整通过该量子位的超导环;洛的》兹通量 来达到。在步骤304中，如果将量子位203初始化到右阱，于是就 应提高右阱的势能最小值。
任选步骤305。在步骤305中，如果不是已经存在耦连就在量 子位201与量子位203之间引入一个强的孝失》兹耦连330。耦连330 的引入可以通过4姿通量子4立201与量子4立203之间的一个辜禺连装 置，譬如图2中的rf-SQUID耦连装置202。在一些情况下， 一个强 耦连可以定义为耦连装置202能够达到的一种最高势能的耦连强 度，并且一个强铁磁耦连可以定义为一种在所耦连的系统的哈密尔 顿算子中等效于J = -1的耦连强度，在此J是该量子位耦连项的前 因子。在步專聚305以前于量子^f立201与量子^立203之间已经存在一 个铁磁的耦连的情况下，例如在耦连装置202已经接通的情况下， 可以略去步骤305。当在这些量子位之间施加一个铁》兹耦连的时，
在能量上有利的是这两个量子位的状态相同。因为量子位201的能
量壁垒高，量子位201不能够改变状态。然而，量子位203的状态 通过铁石兹耦连330受量子位201的状态的严重影响。
步骤306。在图示的实例中，量子位201的状态处于右阱中， 而量子位203的状态处于浅的左阱中。因此，量子位203将通过隧 道穿过该能量壁垒进入4交低的右阱以降4氐该耦连系统的能量，如在 步骤306中所示。这是因为铁磁的耦连330使得将两个量子位保持 到相同的状态在能量上更有利。因为由于其高隧道效应壁垒，隧道 效应不能够发生在量子位201中，只有量子^f立203能够改变其状态 以便与量子位201的状态匹配。另一方面，如果量子位201的状态 处于左阱(图中未示出)，量子位203不会穿隧道，而是相反地以 大的概率留在左阱中(图中未示出)。在此情况下有一个小的概率 量子位203还会穿隧道。为了消除因错误的隧道效应引起的复制错 误，可以进行多次复制运算并且求出均值。
任选步骤307。在任选步骤307中去掉铁磁耦连330。作为替 代方案，也可以不去掉铁磁耦连330,在此情况下省略步骤307。
步骤308。在步骤308中量子位203的左阱的最小值被降低(例 如，降^氐到其原来的值)。这由通过一个量子〗立203的环3各偏置》兹 通量来达到。^v而，在步-骤308结束时，量子^f立203的状态与量子 位201的状态相同。量子位201的经典状态已经被复制到量子位 203。完成步骤304和308的时间间隔(就是说，才是高和降低该势 的过程) 一皮称为翻转时间。所属领域才支术人员将理解适当的翻转时 间的选4奪可以不同。在一些情况下，翻转时间可以在约lns与800jis
之间，例如在10)LlS。
以阐述的方式，列举几个耦连强度的实例。量子位201和203 是rf-SQUID，每个都具有25)am x 25jum的一个环i 各尺寸、50pH的
环路电感值，并且都以一个15)dA的临界电流为特征。耦连装置202 是一个rf-SQUID、具有环3各尺寸是25|um x 25|um、环;咯电感是 50pH,并且临界电流为5.5nA。量子位201与耦连装置202之间的 互感约为3pH并且它们之间的间隔是约1)dm。量子位203与耦连装 置202之间的互感约3pH并且其间的间隔约为1 |um 。
令施加于这两个量子位的超导环3各的》兹通量〗呆持在0()/2,这里 O(,是磁通量的量子。当将该量子位偏置于此量值时，在其经典状态 之间流通的电流的差^直约为26pA。 4妻通并且偏置井禹连器202以在 这些量子位之间提供铁》兹的耦连。当切换一个量子位(譬如201 ) 的状态时，这在量子位201与耦连装置202之间产生一个反铁磁的 耦连。由于量子位201切换状态造成该耦连器中流通的电流的变化 约为7pA。这对应于在该耦连器中0.038①o的一个通量变化。类似 地，由于反铁》兹的耦连在该耦连装置中的通量变化在另一个量子位 (203 )产生约0.01①。的通量变化。尽管这些量子位是反铁磁地耦 连到该耦连装置，由该耦连装置介导的该量子位-量子位耦连在性质 上是铁磁的。该耦连为足够强以使在足够低的温度(<100mK)下 该复制操作的状态复制精确度大于99.999%。如果需要，该自旋复 制运算可以进行多次以提高总的复制精确度。
绝热的状态复制
图4A和4B示出了用于绝热地将一个量子位的经典状态复制 到另一个量子位(譬如在图2中从量子位201复制到量子位203 ) 的本方法和系统的一个实施方案，其中图4B中所示的步漆聚顺序;t也 跟随图4A中所示的步骤。这两个量子位的能量形态都是一种双稳 态的势能，类似于图1B中所示双稳态的，并且可以是也可以不是 退4匕的。
步-骤401。步-骤401示出该量子位的初始条4牛，这通常是在一 个计算或者进化结束处。在步骤401中不要求该量子位的状态是已 知的。这样，量子位201和203的状态由图4A中这两个量子位的 双稳态势能的两个最小值中的未填满的圆圈代表。在该最小值之间 的能量壁垒可以是或可以不是低得足以允许在该最小值之间的隧 道效应。
任选步骤402。如果要将量子位201的状态复制进量子位203 中，^!夸这两个量子位的能量壁垒都4是高到足以阻止量子隧道效应发 生的值，有效地将该量子位的状态投影到该经典的基本状态之一。 这在图中示于步骤402。如果该能量壁垒已经高得足以防止隧道效 应，就可以略去步骤402。步骤402中量子位201中的黑圓圏表示 量子位201的状态局限于右阱中。该选4奪是任意的，并且只用于阐 述的目的。在实际中，量子位201的状态将耳又决于在步骤401以前 在该量子位上进行的量子运算或者时间进化。提高每个量子位的能 量壁垒140可以通过调整量子位201和203的Josephson能量来达 到。在图4A中量子位203局限于左阱，^旦是这个选4奪只用于阐述 的目的，实际上，在步骤402结束时量子位203的状态可以在这两 个阱的4壬一个中。这两个量子位都用等于半个通量量子(例如该量 子位在其回滞区域中，就是"i兌在该区域中量子位的通量偏置的改变 不引起其经典状态的改变)的一个通量进4亍偏置，并且在整个过程 中都4呆持该偏置。在才是高该壁垒以后，将量子位201或者203与其 他的装置之间的任何耦连被降低到零(或者接近于零)。将对一个 外部的装置的耦连降低到零(或者接近于零)和提高该能量壁垒可 以同时i也进ff。在一些情况下，在量子^立201与203之间可以有初 始的铁磁耦连，并且这是唯一不降低到零(或者接近于零)的耦连。
步骤403。在步骤403中绝热地降低量子位203的能量壁垒以 将该量子位从经典的状态带入到量子状态。降低该通量壁垒高度可
以通过调整横向于量子位203的》兹场或者通过调整该量子位的 Josephson能量来达到。完成步骤403所需要的最短时间量是足以保 证不会"i秀导所不希望的隧道效应结果所需要的时间量。所属领域技 术人员将会理解完成步骤403所需要的时间将会是不同的。例如， 在一些情况下可以在约lns与lms之间，例如IOOilis。该壁垒的高 度可一皮减至零或4妻近于零。 一旦一皮带入该量子状态就可以发生该量 子4立的势阱之间的隧道步丈应。
步骤404。在步骤404中在量子位201与量子位203之间引入 一个强的《失》兹井禹连430。在一些情况下， 一个强4失^兹一禹连可以定义 一种在所耦连的系统的哈密尔顿算子中等效于J = -1的耦连强度， 其中J是该量子位耦连项的前因子。在步骤404以前量子位201与 量子位203之间不存在耦连的情况下，步骤404包括接通耦连装置 202。在步骤404以前于量子位201与量子位203之间已经存在一 个4失》兹耦连(耦连装置已经4妾通)的情况下，可以略去步每聚404。 当施加一个《失》兹耦连时，这两个量子位的状态相同在能量上是有利 的。因为量子位201的能量壁垒140高，量子位201不能够改变状 态。然而因为量子位203的能量壁垒^^,量子位203的状态有可能 从一个阱穿隧道到另一个阱。这样，如果量子位203的状态在左阱 中(并且量子位201的状态在右阱中，如在图4A的步骤404中所 示)，该耦连将引起该量子位穿隧道到右阱中。在步骤404如果量 子位203的状态处于右阱(图中未示出)，不会发生隧道效应，这 是因为该量子位已经处于能量上有利的状态。如果量子位的状态在 左阱中(图中未示出)，该方法以类似的方式起作用，由不是已经 在左阱中的量子^立203的状态通过隧道岁文应进入左阱(图中未示出) 中。
步骤405。在步骤405中，示出由于铁》兹的耦连430，量子位 203已经一皮局限于与量子位201相同的状态。
步骤406。在步4緊406中，将量子位203的能量壁垒绝热地返 回一个降低所允许的量子效应量的能级，这样将该量子位从该量子 状态返回到该经典的状态。这防止了量子位203通过隧道效应走出 步骤405结束时的状态。还有，如果希望可以去掉铁^磁的耦连430。 完成步骤406所占用的时间要长得足以不引起所不希望的隧道效应 事件，并且可以是与步骤403相同的数量级。
步骤407。在步骤407中，量子位203回到该经典的状态并且 具有与量子位201相同的状态。在整个复制>^喿作(步骤401至407 ) 过程中在这两个量子位上都保持半个通量量子的一种通量偏置。为 了使该复制操作能够成功，该通量偏置在一定的容差范围内，并且 可以等于乂人量子位201耦连到量子位203的通量。例如，如果所耦 连的通量是O.OIO(,，该量子位通量偏置的精确度可以高于±0.010)0。
一个通量量子位阵列的读出
图5示出一个通量量子位510的一个二维阵列200。在该阵列 内部的通量量子位510用B标记并且通过耦连装置520耦连到四个 最近的邻居。在该阵列的周边上的通量量子卩立510用A标i己并且耳又 决于该量子位处于一个角落上还是在一个边纟彖上而一皮耦连到两个 或者三个相邻的量子位。尽管在图中没有示出，每个量子位510还 可以通过在该阵列中对角地对齐的附加耦连装置耦连到其四个次 近邻居量子位中的一个或者多个。在常ML的量子位阵列中，每个量 子位都具有一个可以测量各量子位的状态的相关耳关的读出装置。然 而如果该阵列大，每个量子位都有一个读出装置可以4艮快地变得笨 重。即使如图5中所示的4x4阵列，每个量子位有一个读出装置都 会成为一种复杂的设计问题，尤其是对于在该阵列内部的量子位 (B )。即使在将该量子位连在一起的耦连装置被用作读出装置的情 况下，这种设计复杂性还是高得令人所不希望。
根据本方法和系统的 一个方面是对系统500应用铁磁的状态复 制或者绝热的状态复制。通过将内部的量子位(B)的经典状态复 制到周边的量子位(A)，可以读出该内部的量子位(B)而没有与 之相关if关的专用读出装置。在以下将一个周边的量子位(A)定义 为具有一个相关联的读出装置的量子位。如在图5中所示，周边的 量子位(A)通常处于该量子位阵列的周边。然而作为本文中4吏用 的术"i吾，并不绝对要求周边的量子〗立(A)处于该阵列的周边。如 此， 一个内部的量子^立(B)在以下^皮定义为在该阵列中的没有一 个相关联的读出装置的量子位。从而没有一个相关if关的读出装置的 量子位就是一个内部的量子位(B),即使它位于该阵列的周边。读 出装置540可以围绕周边布置以降低该阵列的复杂性。
作为一个实例，量子位510-2 (B)的状态可以一皮复制到量子位— 510-1 (A)，并且然后通过读出装置540-1之一读出。l禺连装置520 能够铁磁地将量子位耦连在一起并且能够关闭该耦连。耦连装置 520还能够反铁磁地将两个量子位耦连在一起。耦连装置520可以 类似于本文中说明的耦连装置202。耦连装置520的耦连强度可以 是可控地可调整的。这些通量量子位510可以是rf-SQUID，稳恒电 流量子位，或者用以其通量状态存储信息的任何其他类型的量子 位。各种读出装置是所属4支术领i或内爿^知的，譬如dc-SQUID。
以下说明读出内部的量子位510-2(B )的经典状态的一种方法。 在一些情况下可以关闭井禺连到量子4立510-2的阵歹'J 500中的所有井禺 连装置520。这确〗呆其他量子位的状态不与量子位510-2的状态混 淆。作为替代方案，耦连到量子位510-2的耦连装置520可以接通 并且与量子位510-2井禹连的量子^立的状态全部是已知的。在此情况 下，即使量子位510-2的状态与其他量子位的状态混淆，也可以确 定量子位510-2的状态如何，这是因为所有其他的状态都是已知的。
首先通过读出装540-1之一读出相邻量子位，例如量子位510-1 的状态，这是一个周边的量子位。这种读出可以进行多于一次，或 者甚至是多次，以提高测量的精确度。 一旦得到了量子位510-1的 信息，就可以将该量子位的状态初始化到一个任意的状态。接着， 用复制装置520-1将量子位510-2的经典状态复制到量子位510-1。 前面已经对图2中所示的系统说明了用于经典状态复制的技术，特 别是用于铁磁状态复制(图3)和绝热状态复制(图4)的技术。 这些技术可以按相同的方式用于图5的阵列中的量子位。 一旦完成 了复制，量子位510-1将具有与量子位510-2相同的状态。然后通 过读出装置540-1之一读出量子位510-1的状态，从而有效地读出 量子位510-2的状态。量子位510-2的状态可以,皮复制到量子位 510-1并且读出多次以增加测量^r确度。
量子位510-2不限于将其状态复制到量子位510-1。量子位 510-2的状态可以被复制到它所耦连的任何量子位，只要它耦连的 量子位的状态或是已知的(例如，已经被读出)或者是不需要的， 从而不会丢失信息。量子位510-2的状态可以被复制并且沿任何方 向传播直到抵达一个周边的量子位，在该周边的量子位处测量该状 态。所复制的量子位510-2^氐达一个周边的量子位所^^的^各径可以 是尽可能最短的^各径。例如，复制量子4立510-2的最短的鴻4至既可 以是左边的量子位(量子位510-1)也可以是顶部的量子位，因为 这两者都是周边的量子位。量子位510-2右边的量子位和底部的量 子4立也是内部的量子4立，,人而在此情况下该到一个周边的量子^立的 路径较长。
读出装置540可以置于该二维阵列的所有侧面并且对于在该阵 列的周边的每个量子位都有一个读出装置，如在图5中所示，也可 以只置于该阵列的一些侧面上。例如可以有读出装置540-1和540-3 而没有540-2和540-4。作为替代方案，在该阵列的周边可以只有
一个读出装置。可供使用的读出装置的数量影响从要复制的量子位 到具有一个读出装置一个周边的量子位的路径以及关断对不要复 制的量子位的耦连的必要性。这^f叚定在该复制^^径上中的所有量子 位都是已知的，或者是不需要的。
图5示出一个4x4阵列，但是该概念易于拓展到较大的阵列尺
度。较大阵列的读出过程与对一个4x4所说明的类似。就是说，首
先读出周边的量子位然后复位其状态。接着将内部的量子位的状态 复制到周边的量子位并且按以上"^兌明的方法读出。并不要求在读出 任何内部量子位以前要读出所有的周边量子位。全部所要求的只是 在使用 一个给定的周边的量子位读出 一个内部量子之前读出该周 边量子位的状态。从而有可能在读出每个周边的量子位之前读出一 些内部的量子位。复制和读出操作可以进行多次以提高测量精确 度。例如，同样的复制和读出才喿作可以进行两次、四次、五次、五
次以上、或者100;欠以上。
在状态复制的过程中，量子位之间的耦连装置可以将这些量子 位铁磁地耦连在一起，从而使进行复制的量子位的状态与被复制的 量子位的状态相同。作为替代方案，在状态复制的过程中，量子位 之间的耦连装置可以将该量子位H磁地或反4失》兹地耦连在一起。反 铁磁地耦连的效果是进行复制的量子位的状态与被复制的量子位 的状态相反。在一些使用反铁磁复制的情况下，被复制量子位与正 在被读出的周边的量子位之间可以有偶数个反4失^兹的状态复制操 作，从而使得周边的量子位的状态与受复制的量子位的状态相同。 作为替代方案，如果有奇数个反铁磁的复制，于是周边的量子位将 与受复制的量子位有相反的状态，并且被读出的状态与受复制的量 子位的状态相反的事实可以在后处理中补偿。
装置设计和参数
对于图2的系统提出了适用于状态复制的根据本方法和系统的
装置设计和参数。量子位201和203可以是rf-SQUID,也可以是稳 恒电流量子J立。在一些情况下，量子卩立201和203可以具有约5|um2 与100000fim2之间的王不^各面禾口、。侈'W口量子4立201禾口 203的3不3各区i或 可以是正方形并且具有25jamx25)Lim ( 625|am2 )的尺度。对于一个 这样尺寸的量子位，环^各电感是约50pH。量子位201和203的临 》f电流可以在约O.lnA与300laA之间，例如15pA。在一些'lt况下， 量子^立201和203的临界电流、环^各电感和环^各面积可以^妻近却不 相同。
在量子^立201禾口 203中Josephson纟吉的Josephson奇fe量并且因ot匕 该临界电流可以是可调整的。可调整的Josephson能量的可以通过 用形成一 个也称为裂隙结的环;洛的两个平^^环^各来^^夺单个的 Joscphson结来实现。 一个裂隙结通量量子4立的实例示于图1C中。 当这些量子位具有一个裂隙结时，通过该裂隙结调整该通量改变该 裂隙结的有效Josephson能量，这也改变临界电流。调整该Josephson 结还具有改变一个量子位中的能量壁垒的高度的作用。可调整的 Josephson能量还可以通过经该结施力口一个平面内》兹场来达到。
在一些情况下，耦连装置202可以具有约5|^112和1000jLim2之 间的环路面积。例如，耦连装置202可以是一个rf-SQUID,有一个 尺寸为25|umx25|Lim ( 625|am2 )的正方形环^各区域，和一个约50pH 的环路电感。在一些情况下，耦连装置202的临界电流可以在约1 pA 与10)aA之间，例如约5.5pA。耦连装置202可以具有一个裂隙结 并且其Josephson能量可以是可调整的。
在一些情况下，量子^立201和203与复制装置202之间的互感 可以在0.5pH与20pH之间，例如3pH。该互感由该装置的几4可状 态与其间的距离决定。在一些情况下，每个量子位201和203与耦 连装置202之间的间隔可以在约0.1 pm与10fim之间，例i口 1 jum。
不论是量子位201的环路还是量子位203的环路都可以重迭耦连装 置202的环路的一部分。例如， 一个装置的一个环^各中的导线的一 个部分可以置于另一个装置的一个环路中的导线的一个部分之上 (在另一个层上)。在该装置之间没有电连接。重迭导线增加两个 装置之间的互感，并且从而增加耦连强度。
在一些情况下，系统200和/或500工作的温度在约lmK与4K 之间。例如，系统200和/或500工作的温度在约500mK,这4妻近 于宏XC量子隧道效应交越温度。
反铁磁状态复制
以上i^明的一个量子的经典状态向另 一个量子位的复制的实 施方案涉及该量子位之间的4失》兹井禺连。然而对于所属4^或^支术人员 清楚的是在方法和系统中量子位可以反铁^i地耦连在一起。在本文 中这样的耦连被称为反铁磁的状态耦连。然而使用了 "反铁磁耦连" 的术语，应将其理解为不是照搬地复制经典的状态。相反使用反铁 磁的状态复制方法原量子位的状态复制其中的目标量子位采取了 与原量子位相反的一种状态。反铁磁的状态复制的技术类似于对铁 》兹的状态复制所i兌明的冲支术，不同的是在量子位之间的耦连是反4失 箱f的而不是H磁的，并且目标量子位具有与原量子4立的状态相反的 状态。在一些情况下， 一个给定阵列中的一些成对的量子位是《失^兹 地耦连的，而另一些成对量子4立是反4失万兹;t也津馬连的。在这才羊的拓朴 结构中全部所要求的就是正确地记录在原量子位与目标量子位之 间的耦连类型，从而在读出时可以作出判断是否要反转该目标量子 位的状态以实现原量子位状态的表述。
结^r和引用的参考文献
所属领域技术人员将会清楚，可以结合以上说明的各种实施方 案以冲是供进一步的实施方案。如果需要，本系统、方法和装置的各 个方面可以进^S奮改，以一夸不同专利、申^青和7>开的系统、方法、 装置和概念用于冲是供本方法和系统的进一步的实施方案。如在本文
中所使用，术语"大约，，是指在所陈述的值大约土5到20%的范围。 此外，装置201、 202和203的制造细节中的变量是在本发明的范 畴内。可以依据以上说明对本系统、方法和装置进行这些改变和其 他的改变。总之，在所附权利要求书中所使用的术语不应当被解释 为将本发明限制在说明书和权利要求书中所揭示的特定实施方案， 而是应当解释为包括这些权利要求有权获得所有可能的实施方案 连同全部的等效物范围。因此，本发明不限于本4皮露，而是相反地 其范围完全i也由所附4又利要求来确定。
权利要求
1.将一个第一量子位的一个经典的状态复制到一个第二量子位的一种方法，包括将该第二量子位初始化为一个初始的经典状态，其中该第二量子位具有一种势能的能量配置，该势能的能量配置包括具有一个第一势能最小值的一个第一势阱和具有一个第二势能最小值的一个第二势阱，并且该初始的经典状态位于该第一势阱中；将该第一势阱的第一势能最小值调节到高于该第二势阱的第二势能最小值的一个第三势阱；和将该第一量子位与该第二量子位耦连一个时间长度t。
2. 如权利要求1的方法，其中，该耦连步骤包括铁磁地耦连该第 一量子位与该第二量子位。
3. 如权利要求1的方法，其中，该耦连步各聚包括反《失^t地耦连该 第一量子位与该第二量子位。
4. 如权利要求1的方法，其中，该第一量子位具有一种势能的能 量配置，该势能的能量配置包括一个第一隧道效应壁垒，并且 该第二量子位的势能的能量配置包括一个第二隧道效应壁垒；该方法进一 步包4舌在该初始<匕步备聚之前才是高该第 一 隧道3^文应壁垒和该第二隧道步文应壁垒中的至少一个。
5. 如权利要求4的方法，其中，该第三势能最小值至少稍低于该 第二隧道效应壁垒。
6. 如权利要求4的方法，其中，该提高步骤包括对该第一量子位和该第二量子位的至少 一 个施加 一 个 一黄向的f兹场。
7. 如权利要求4的方法，其中，该提高步骤包括调整该第一量子 ^立和该第二量子4立的至少一个的Josephson能量。
8， 如权利要求1的方法，进一步包括在该耦连步骤之后将该第一 势阱从该第三势能最小值调节回接近该第一势能最小值。
9. 如权利要求1的方法，进一步包括在该初始化步骤之前将该第 一量子位与耦连到该第一量子位的一个装置之间的一个耦连 强度降低到大约为零。
10. 如权利要求1的方法，进一步包括在该初始化步骤之前将该第 二量子位与耦连到该第二量子位的一个装置之间的一个耦连 强度降低到大约为零。
11. 如权利要求1的方法，其中，该第一势能最小值大约等于该第 二势能最小值。
12. 如权利要求1的方法，其中，在该初始化、调节和耦连步骤的 过程中该第一量子位的一种势能的能量配置是一种双稳态势能。
13. 如权利要求1的方法，其中，该时间长度/是在约lps与100|us 之间。
14. 》口^又利要求1的方法，其中，该时间长度f是大于约lns。
15. 如权利要求1的方法，其中，该耦连步骤导致与该第一量子位 的该经典状态相匹配的该第二量子^立的一个纟冬末经典状态。
16. 如权利要求15的方法，其中，该终末经典状态是通过从该初始经典状态由 一个隧道效应达到该终末经典状态而实现的。
17. 如权利要求1的方法，其中，该第二量子位包括一个超导环路， 并且其中该调节步骤包括调整通过该超导环^各的一种通量偏置。
18. 如权利要求l的方法，其中，第二量子位包括一个超导环路， 并且其中该初始化步骤包括调整通过该超导环^各的一个通量而^f吏该第二量子位的 一 个状态穿隧道到该初始经典状态。
19. 如权利要求l的方法，其中，该耦连步骤包括将该第一量子位与该第二量子位之间的一个耦连的一种 耦连强度从一个最小值提高到一个预定值；并且将该耦连强度从该预定值降低到约该最小值。
20. 如权利要求19的方法，其中，该耦连强度的最小值是约为零， 并且该耦连强度的该预定值是该耦连的一个最大耦连强度。
21. 如权利要求19的方法，其中，该耦连强度的该预定值是大于 该耦连的一个最大耦连强度的一半。
22. 如权利要求19的方法，进一步包括将该耦连强度在该预定值 保持该时间长度"
23. 如权利要求l的方法，其中，该耦连步骤包括将该第一量子位与该第二量子位之间的一种耦连4妻通时 间长度G和关断该耦连。
24. 如权利要求1的方法，其中，该耦连步骤是用一种rf-SQUID来进行。
25. 如权利要求1的方法，其中，该第一量子位和该第二量子位各 自包括一个rf-SQUID。
26. 如权利要求1的方法，其中，该第一量子位和该第二量子位各 自包括一个裂隙结。
27. 将一个第一量子位的一种经典状态复制到一个第二量子位的 一种方法，其中该第一量子位的特征在于一种势能的能量配 置，该势能的能量配置包括一个第一隧道效应壁垒，并且该第 二量子位的特征在于一种势能的能量配置，该势能的能量配置 包4舌一个第二隧道效应壁垒；该方法包4舌降^f氐该第二隧道步支应壁垒；^夸该第一量子4立和该第二量子<立井禹连一个时间长度？；和 才是高该第二隧道效应壁垒。
28. 如权利要求27的方法，其中，在该降低、耦连和提高步骤的 至少一个的过程中，该第一量子位和该第二量子位的至少一个 的 一种通量偏置^f皮维持在一个通量量子的大约 一半。
29. 如权利要求28的方法，其中，该通量偏置具有大约等于从该 第一量子位到该第二量子位所耦连的一个通量的量值的一种容差。
30. 如权利要求27的方法，其中，在该降低、耦连和提高的步骤 的至少一个的过程中，该第一量子位的一种通量偏置是在该第 一量子位的一个回滞区中。
31. 如权利要求27的方法，其中，绝热地进行该降低和提高步骤 的至少一个。
32. 如—又利要求27的方法，其中，该耦连步艰《包括「4失-磁地耦连该 第一量子位和该第二量子位。
33. 如权利要求27的方法，其中，该耦连步骤包括反铁磁地耦连 该第一量子位和该第二量子位。
34. 如权利要求27的方法，进一步包括在该降低步骤以前提高该 第 一 隧道*丈应壁垒一口该第二隧道步丈应壁垒的至少 一个。
35. 如权利要求27的方法，进一步包括在该降低步骤以前将该第 一量子位与耦连到该第一量子位的一个装置之间的一种耦连 强度降低到约为零。
36. 如权利要求27的方法，进一步包括在该降低步骤以前将该第 二量子位与耦连到该第二量子位的一个装置之间的一种耦连 强度降低到约为零。
37. 如权利要求27的方法，其中，该第一量子位的势能的能量配 置是一种双稳态势能，并且该第二量子位的势能的能量配置是 一种双稳态势能。
38. 如斥又利要求37的方法，其中，该第一量子位和该第二量子位 的至少 一个的该双稳态势能包括两个近于退化的能量级别。
39. 如权利要求27的方法，其中，该提高的步骤包括向该第一量 子^立和该第二量子〗立的至少一个施加一个一黄向的石兹场。
40. 如权利要求27的方法，其中，该第二量子位具有一种经典的 状态，并且其中该提高的步骤包括阻止该第二量子位的该经典 状态发生隧道效应。
41. 如权利要求27的方法，其中，该降低步骤的 一个时间长度^ 是大于约1^is。
42. 如权利要求27的方法，其中，该降低步骤的一个时间长度f2 是在约100ns与lms之间。
43. 如权利要求27的方法，其中，在该降低步骤和该提高步骤的 至少一个的期间中该第二量子位不穿隧道。
44. 如权利要求27的方法，其中，该提高步骤的一个时间长度^ 是大于约lps。
45. 如权利要求27的方法，其中，该提高步骤的一个时间长度^ 是在约100ns与lms之间。
46. 如权利要求27的方法，其中，该第二量子位包括一个裂隙结 并且其中该降低步骤和该冲是高步骤各自包括调整在该裂隙结 中的一个通量。
47. 如权利要求27的方法，其中，该耦连步骤包括将该第一量子位与该第二量子位之间的一个耦连强度从 一个最小耦连强度提高到一个预定的耦连强度；将该耦连强度在该预定的耦连强度上维持该时间长度r，并且将该耦连强度从该预定的耦连强度降低到该最小值耦连强度。
48. 如权利要求47的方法，其中，该最小值耦连强度是约为零并 且该预定的耦连强度是该耦连的一个最大耦连强度。
49. 如权利要求47的方法，其中，该预定的耦连强度大于该耦连 的一种最大耦连强度的一半。
50. 如权利要求47的方法，进一步包括将该耦连强度在该预定的 耦连强度上维持该时间长度/。
51. 如权利要求27的方法，其中，该耦连步骤包括^寻该第一量子位与该第二量子〗立之间的一个井禹连冲妻通该 时间长度？；并且关闭^亥井禹连。
52. 如权利要求27的方法，其中，该耦连步骤是用一种rf-SQUID进行。
53. 如权利要求27的方法，其中，该时间长度f是在约Iilis与lOOps之间。
54. 如权利要求27的方法，其中，该时间长度r是大于约1 ns。
55. 如权利要求27的方法，其中，该第一量子位和该第二量子位 各自包括一个rf-SQUID。
56. 如权利要求27的方法，其中，该耦连步骤包括经过该第二隧 道效应壁垒穿隧道，4吏得该第二量子位的 一个终末经典状态与 该第一量子4立的该经典卩犬态相匹配。
57. 用于读出一个量子位阵列中的一个量子位的一种经典的状态 的一种方法，该阵列包括多个周边量子位和多个内部量子位， 该方法包括将一个周边量子位的一个经典状态初始化，其中该周边 量子位具有一个相关联的读出装置；将一个内部量子位的一个经典的状态复制到该周边量子位；通过读出该周边量子位的该经典状态来读出该内部量子 4立的该经典状态；其中通过具有一种耦连强度的 一个耦连装置将该周边量 子位耦连到该内部量子位，该耦连强度在一个最小值耦连强度 与一个预定的l馬连强度之间可以调节。
58. 如权利要求57的方法，其中，该最小值耦连强度是约为零并 且该预定的耦连强度是该耦连的一个最大耦连强度。
59. 如权利要求57的方法，其中，该预定的耦连强度大于该耦连 的一种最大耦连强度的一半。
60. 如权利要求57的方法，进一步包括对于多个内部量子位的每 个重复该初始化、复制和内部量子位的读出的步骤。
61. 如权利要求57的方法，其中，该初始化步骤包括将该周边的 量子位初始化到 一个任意的经典状态。
62.如权利要求57的方法，其中，该周边量子位包括一个超导环 3各，并且其中该初始^匕步—骤包^舌调整穿过该超导环i 各的一个通量以使该周边量子位的 一 个状态穿隧道到 一 个任意的经典状态。
63. 如权利要求57的方法，其中，该耦连装置铁磁地将该内部量 子位耦连到该周边量子位，并且其中该复制步骤包括经由该铁 -磁耦连将该内部量子位的该经典状态复制到该周边量子位。
64. 如权利要求57的方法，其中，该耦连装置反铁石兹地将该内部 的量子位耦连到该周边的量子位，并且其中该复制的步骤包括 经由该反4失》兹井禺连将该内部的量子 <立的该经典状态复制到该周边量子位。
65. 如权利要求57的方法，其中，该周边量子位的特征在于一种 势能的能量配置，该势能的能量配置包括一个隧道效应壁垒， 并且其中该复制步骤包括降^氐该隧道-文应壁垒；^等该内部量子4立和该周边量子4立井禺连该时间长度并且 才是高该隧道效应壁垒。
66. 如权利要求65的方法，其中，该降低和提高步骤的至少一个 是绝热地进4亍。
67. 如权利要求65的方法，进一步包括在该复制步骤期间将该内 部量子位和该周边量子位的至少一个的一个通量偏置维持在 一个通量量子的约一半。
68. 如权利要求57的方法，其中，该周边量子位不与该内部量子 位相邻，并且该复制步骤包括将该内部量子位的该经典的状态 复制到位于该内部量子位与该周边量子位之间的至少 一 个居 间的量子位。
69. 如^L利要求57的方法，其中，该初始4匕、复制和内部的量子 位的读出步骤进行一次以上。
70. 如权利要求57的方法，其中，该阵列是一个二维的通量量子 〃f立的阵列。
71. 如^又利要求57的方法，其中，该井禺连装置净皮配置为用于可控: 制地铁》兹或者反4失》兹地将该内部量子位耦连到该周边量子位。
72. 如权利要求57的方法，其中，该内部量子位、该周边量子位 和该耦连装置的至少一个包括一个rf-SQUID。
73. 如权利要求57的方法，其中，该内部的量子位和该周边的量 子位的至少 一个包i舌一 个裂隙结。
74. 如权利要求57的方法，其中，该初始化步骤包括将该周边量子位初始化到一种初始的 经典状态；该周边量子位的特征在于一种势能的能量配置，该势能 的能量配置包括具有一个第一势能最小值的一个第一势阱和 具有一个第二势能最小值的一个第二势阱；该初始经典状态^立于该第一势阱中；并且 该复制步骤包括将该第一势能最小值调节到高于该第二势能最小值 的一个第三势能最小值；并且将该内部量子位和该周边量子位耦连一个时间长度
75. 将一个第一量子位装置的一种经典状态复制到一个第二量子位装置的一种方法，该方法包4舌用于将该第一量子位装置与该第二量子装置相耦连的装置；用于对该第一量子位装置的一个隧道效应壁垒和该第二 量子^立装置的一个隧道效应壁垒的至少之一进^亍调节的装置；和用于对该第一量子位装置和该第二量子位装置的至少之 一的势能配置的对称性进行调节的装置。
76. 如权利要求75的方法，其中，该用于调节隧道效应壁垒的装 置包括用于对该第 一量子位装置和该第二量子位装置的至少 之一的一种Josephson能量进4于调节的装置。
77. 如权利要求75的方法，其中，该用于调节该隧道效应壁垒的 装置包括用于对横向于该第一量子位装置和该第二量子位装 置的至少之一的一种》兹场偏置进4于调整的装置。
78. 如权利要求75的方法，其中，该调节势能配置的对称性的装 置包括用于对该第一量子位装置和该第二量子位装置的一种 通量偏置进^"调整的装置。
79. 如权利要求75的方法，其中，该用于耦连的装置包括用于调 整该耦连装置的一种耦连强度的装置。
80. 用于将一个第一量子位的一种经典状态复制到一个第二量子 位的一种系统，其中该第一量子位的特征在于一种势能的能量 配置，该势能的能量配置包4舌一个第一隧道^:应壁垒，该第二量子位的特征在于一种势能的能量配置，该势能的能量配置包4舌一个第二隧道效应壁垒；该系统包4舌一个第一壁垒调节才莫件，包括用于降低该第二隧道效应 壁垒的指令；一个耦连模件，包括用于将该第一量子位耦连到该第二 量子位的指令；和一个第二壁垒调节才莫件，包括提高该第二隧道效应壁垒 的指令。
81. 如权利要求57的系统，其中，该第一壁垒调节模件和该第二 壁垒调节模件包括一个单个的模件。
82. 如权利要求57的系统，进一步包括一个通量模件，该通量模 件包括在该复制过程的至少 一个部分的期间中将该第 一量子 位和该第二量子位的至少一个的一种通量偏置维持在一个通 量量子的约一半的指令。
83. —种存储可执行指令的计算机可读媒体，用于^务一个第一量子位初始^匕到一种初始的经典状态，其中 该第一量子位具有一种势能的能量配置，该势能的能量配置包 括具有一个第一势能最小值的一个第一势阱和具有一个第二 势能最小值的一个第二势阱，并且该初始的经典状态位于该第 一势阱中；将该第一势阱的该第一势能最小值调节到高于该第二势 阱的该第二势能最小值的一个第三势阱；和将该第 一量子位与 一个第二量子位耦连一个时间长度L
全文摘要
提供了用于将一个源量子位的经典状态复制到一个目标量子位的系统和方法。这些技术可以用于读出一个量子位矩阵的状态。
文档编号H01L39/22GK101176110SQ200680016776
公开日2008年5月7日 申请日期2006年4月26日 优先权日2005年4月26日
发明者安德鲁·J·伯克利 申请人:D-波系统公司