超出截止波导内的量子电路的制作方法
【专利说明】超出截止波导内的量子电路
【背景技术】
[0001] 本发明涉及应用于量子信息处理的量子电子电路，更具体地，涉及用于通过将超 导电路嵌入到超出截止波导（waveguide-beyond-cutoff (WBC))内来实现并操作这种器件 的系统和方法。
[0002] 用于量子信息处理的电子量子电路必须充分地与电磁（EM)环境隔离，以便其量 子相干性可以持续有用的时间长度，但仍然可以与外界进行交互，因此可以对其进行控制 和测量。通常在超导量子电路器件中实现的物理尺寸和耦合强度有助于（favor)越过隔离 与外部环境进行强相互作用，所以它们趋向于直接控制和测量，但难以与周围EM环境中的 不可控的自由度隔离。之前已经开发出一些方法来提高感兴趣的量子自由度的可达到的隔 离度，诸如利用电路汉密尔顿函数（Hamiltonian)中的对称性以及根据电荷和通量设计本 征态能量谱。
[0003] 具有跃迀频率ω的量子电子电路散失能量到环境中（由导纳Υ(ω)描述），其速 率为：
[0004] Kq= 1/Τ ! ( ω ) = Re [Υ ( ω ) ] /Cq (等式 I)
[0005] 其中，Υ(ω)是如量子电路的模式所见的在频率ω处的导纳J1是能量衰减时间， Cq是该模式的特征电容。应用于量子信息处理的量子电路的设计和开发中的一个重要目标 是该弛豫率的最小化。用于实现该目标的一个工具涉及通过线性谐振器将非线性量子电路 (量子位）耦合到环境。这种方法（其称为电路量子电动力学，或电路QED)在过去十年中 已经出现，其成为超导量子电路的设计和操作的标准范例。环境阻抗的过滤行为促进在足 够远离谐振器频率的频率处的更久的相干。其还有助于更稳定的器件操作，因为环境模式 的波动也被过滤。进一步地，线性谐振模式用作一种允许非线性电路的状态的投射量子测 量的机制。
[0006] 在电路QED几何形状中，量子位仍可能经由偏谐振（off-resonant)或经由谐振 器模式的弥散能量弛豫而散失能量到环境中，该过程被称为珀赛尔（Purcell)效应弛豫。 该效应针对量子电路弛豫率提出的限制由以下项设置：量子电路频率及其能级谱的非谐性 度；谐振器频率（包括可能的虚假更高模式）以及它们之间的耦合。
[0007] 在电路QED中，量子位状态的测量通过利用量子位和谐振器之间的耦合来实现： 量子位的激励引起腔频率的位状态相关的拉动。逆效应（其中，腔光子数的波动拉动量子 位频率）导致量子位的退相过程，该退相过程可以将量子位相位相干时间T2抑制为低于由 能量弛豫设置的为2?\的限制。最小化该纯退相机制和其它纯退相机制是超导量子电路的 第二个设计目标。
【发明内容】
[0008] -种示例性量子信息处理系统，其包括：波导，其具有孔；非线性量子电路，其设 置在所述波导中；以及电磁控制信号源，其耦合到所述孔。
[0009] 另外的示例性实施例包括一种量子电路系统，其包括：超导波导，其具有孔；稀释 制冷机，其热耦合到所述波导；超导电路，其设置在所述波导中；以及电磁场源，其耦合到 所述孔。
[0010]另外的示例性实施例包括一种量子信息处理系统，其包括：隐失波导滤波器；超 导电路，其设置在所述隐失波导滤波器内；多个孔，其在所述波导上；以及电磁场源，其连 接到所述孔。
[0011] 另外的示例性实施例包括一种量子信息处理系统，其包括：超导隐失波导滤波器； 量子电路，其设置在所述超导隐失波导滤波器内；多个孔，其耦合到所述隐失波导滤波器； 以及多个电磁场源，其耦合到所述多个孔。
[0012] 另外的示例性实施例包括一种量子电路系统，其包括：超导波导，其具有孔；非线 性超导量子电路，其设置在所述超导波导中；以及电磁场源，其耦合到所述孔。
[0013] 进一步的示例性实施例包括一种量子信息处理方法，其包括：将非线性量子电路 放置在具有孔的波导中；以及将电磁场源耦合到所述孔。
[0014] 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要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特 征，请参考说明书和附图。
【附图说明】
[0015] 在说明书结尾处的权利要求中具体地指出并清楚地要求保护被视为本发明的主 题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它特征和优点将显而易见，其中：
[0016] 图1示出了示例性量子电路系统的示意图；
[0017] 图2不出了图1的量子电路系统的等效电路的不意图；以及
[0018] 图3示出了用于操作根据示例性实施例的量子电路的总体方法。
【具体实施方式】
[0019] 在示例性实施例中，本文中描述的系统和方法在波导传输线的否则为空的内部体 积内嵌入非线性量子电路。波导以截止波长或截止频率来表征，低于截止波长或高于截止 频率时，EM信号可以沿着波导传播；但是高于截止波长或低于截止频率时，波导内的场是 隐失的（evanescent)并随着沿波导传播轴的距离以指数级衰减。在示例性实施例中，量子 电路工作在低于波导的截止频率的频率。隐失的波导则用作理想滤波器，其完全消除与外 部环境的相互作用。以这种方式，其没有像在电路QED中一样通过由光子引起的退相而添 加退相通道。
[0020] 在示例性实施例中，本文中描述的系统和方法通过将量子电路嵌入隐失模式波导 内来消除退相机制并显著减少珀赛尔效应。在低于截止波导截止频率的频率处，外部EM环 境被很好地过滤。进一步地，不存在这样的辅助模式：其耦合到量子电路，使杂散光子占据 或通过而生成退相过程。
[0021] 为了实现量子电路的控制和测量，通过波导壁中的孔（其接近量子电路的位置） 来引入EM信号。施加到孔的频率低于截止的信号产生隐失场（evanescent fields)，所述 隐失场不沿波导传播但耦合到量子电路。
[0022] 在示例性实施例中，本文中描述的系统和方法在超出截止波导布置中实现量子电 路，除一些其它益处外，这产生较低的能量弛豫率和退相干率。在示例性实施例中，将量子 电路嵌入到波导的截面内，选择截面的横向尺寸，以至于波导截止频率（波导进行传输的 最低频率）大于量子电路的跃迀频率。
[0023] 可以通过标准的光刻微细加工技术来生产量子电路。可以通过加工诸如铝、铜或 它们的合金之类的块体（bulk)金属或块体超导体来生产波导。可以通过同轴馈线将EM信 号传送到孔。
[0024] 图1示出了示例性量子电路系统100的示意图。系统100是实现量子电路的WBC的 示例性实现。在示例性实施例中，系统100包括量子电路11〇(其可以是Transmon超导量子 位），量子电路110包括被导线（在其中点处由单个约瑟夫森结（Josephson junction) 112 中断）分开的两个容性衬垫111。在该示例中，将量子电路111通过光刻法构图在蓝宝石衬 底113上。将量子电路110固定在波导120的截面内，并通过隐失场（通过驱动同轴馈线 130在波导120内感应所述隐失场）来控制量子电路110。
[0025] 图2示出了图1的量子电路系统100的等效电路200的示意图。通过波导120的 长度和尺寸来确定如由量子电路110看到的描述WBC的串联电感Ls和并联电感Lp的值。 电容Ci和Cc通过以下项确定：同轴馈线130的几何形状，以及当同轴馈线130被外部源驱 动时，同轴馈线130在波导120内部产生的隐失场的分布（profile)。通过量子电路110的 几何形状和制造参数来确定量子电路参数Cq和Lp这样，可以知道，等效电路200使能对 WBC设计建模。在示例性实施例中，波导可以具有任何几何横截面，其包括但不限于矩形、圆 形、椭圆形或任何其它适合的形状。
[0026] 因为在ω〈ω。的情况下波导的阻抗的实部是〇,所以存储在量子位中的能量和信 息不能逸出（escape)到环境中。因此，对于一阶，量子电路完全从其环境中解耦合。该观测 与电路QED架构形成对比，在电路QED架构中，在特定量子位-谐振器失谐量（detuning)处 的珀赛尔效应的抑制仅与谐振器的品质因数成比例（因为这设置了消散环境被谐振器过 滤的强烈程度）。进一步地，因为量子电路110不像在电路QED中一样被强耦合到谐振器模 式，所以腔引起的退相所基于的物理机制也被移除。虽然WBC120的截面（其中设置量子电 路110)具有有限的长度从而将基本上具备谐振模式，但是这种谐振被限于那些由WBC120 支持的模式和频率，而且必须具有处于或高于截止频率的频率。
[0027] 因为WBC提供无模式环境，所以波导设计的固有简单的几何形状也消除由于外壳 的谐振模式中的光子数波动而产生的退相干。
[0028] 实现WBC 120的侧壁121中的小孔131 (接近量子电路110的物理位置），以向量 子电路110传送控制信号。孔131可以被同轴馈线130 (例如，同轴传输线或同轴传输线的 中心导体）穿透。在其它示例性实施例中，孔131可以用作到另一个波导的孔耦合器。从 孔131，将控制信号通过由控制信号在WBC 120的壁内部产生的隐失场而耦合到量子电路 110。在示例性实施例中，波导120可以包括多个孔。
[0029] 仍旧参考图1和图2,现在将结构描述为系统100的具体物理实现。可以知道，在 其它示例性实施例中设想许多其它类型的物理实现。在所述示例中，量子电路110是嵌入 从（超导）铝合金6061加工的波导（即，WBC 120)的12cm (厘米）截面内的单结Transmon 型超导量子电路（偶极天线111被构图在蓝宝石上的铝薄膜上或硅衬底113上，并在其中 点处由单个约瑟夫逊结112中断）。WBC 120的横向内部尺寸是4mm(毫米）X 7mm(毫米）， 而且WBC 120具有的截止频率是f_c = 21. 4GHz (千兆赫）。量子电路110具有的工作频率 在8-lOGHz (千兆赫）范围内。WBC 120的宽壁（目卩，侧壁121)被外径为0.086英寸（0.218 厘米）的同轴电缆（即，同轴馈线130)穿透，同轴电缆的外层导体与侧壁121良好接触。中 心导体伸入到WBC 120中。可以将整个WBC 120放置在稀释制冷机上，以便在处于或接近 IOmK(毫开）的温度下进行测试和表征。
[0030] WBC 120不支持传播以任何低于ω。的频率振荡的EM场，并且这种场沿着WBC 120 的纵轴101以指数级衰减。再参考图2的等效截面200,所述示例中的WBC 120的12cm(厘 米）截面用作纯感性Π 截面（pi-section)滤波器，其中，有效串联电感Ls随着正被