[發(fā)明專利]量子信息處理系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680043930.2
• 申請日: 2016-07-29
• 公開（公告）號: CN107924490B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彼得·利克
• 申請（專利權(quán)）人: 牛津大學(xué)科技創(chuàng)新有限公司
• 主分類號: G06N10/20
• 分類號: G06N10/20
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 宋融冰

用于量子信息處理系統(tǒng)的構(gòu)件塊(1)包括具有在兩個超導(dǎo)電極(3、4)之間連接的約瑟夫森結(jié)(5)的超導(dǎo)量子位(2)。兩個超導(dǎo)電極(3、4)是同軸且共面的。構(gòu)件塊(1)還包括耦合到超導(dǎo)量子位(2)并且被布置成控制超導(dǎo)量子位(2)的狀態(tài)的控制線(6)，和/或耦合到超導(dǎo)量子位(2)并且被布置成測量超導(dǎo)量子位(2)的狀態(tài)的讀出元件(8)。控制線(6)和/或讀出元件(8)相對于兩個超導(dǎo)電極(3、4)被布置在平面外。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子信息處理系統(tǒng)和用于此類系統(tǒng)的構(gòu)件塊，特別地涉及用于量子信息處理系統(tǒng)的超導(dǎo)構(gòu)件塊。

背景技術(shù)

在量子計算機的超導(dǎo)電路實施方式中，量子計算的基本單元(量子位(量子比特))可以以多種不同的方式物理地實施。通常，一個或多個約瑟夫森結(jié)與電容器和/或電感器組合以形成高質(zhì)量非諧電路，其中的最低量化能級用作量子位。例如，稱為電荷量子位或傳輸子的通常實施的和成功的設(shè)計，在于它的與電容器并聯(lián)的單個約瑟夫森結(jié)的最簡單形式。量子位的兩個電極可以以多種方式布置；示例包括將電極共線地布置成近似于偶極天線的幾何結(jié)構(gòu)，或使用叉指電容器，或其中一個電極為十字形，并且另一個電極實現(xiàn)為共同接地平面。控制和測量電路系統(tǒng)通常使用與量子位集成在芯片上的平面電路系統(tǒng)，和/或使用其中嵌入量子位芯片的3D電磁波導(dǎo)管和腔實施。

量子信息處理系統(tǒng)的設(shè)計中的重要考慮是，使量子位的相干時間(必須保留以執(zhí)行量子計算的量子位的脆弱量子狀態(tài)的壽命)最大化。這需要對量子位的電磁環(huán)境進行高度的控制，需要將該量子位的電磁環(huán)境設(shè)計成使得量子位難于將其量子信息泄漏到該量子位的電磁環(huán)境中。實現(xiàn)此環(huán)境控制的通常實施的方法是將量子位嵌入到芯片上或3D中的高質(zhì)量電磁諧振器內(nèi)或?qū)⑺鼈儚婑詈系皆摳哔|(zhì)量電磁諧振器，該高質(zhì)量電磁諧振器具有不同于量子位頻率的諧振頻率，從而防止由于環(huán)境無法接受量子位頻率下的能量而造成的此能量泄漏。因為當(dāng)量子位改變其量子狀態(tài)時，諧振器經(jīng)歷可測量的頻移，所以稱為電路量子電動力學(xué)的此方法還提供方便的測量量子位的量子狀態(tài)的方法。

超導(dǎo)量子位的宏觀尺寸使其易于將控制信號耦合到量子位，使快速操作能夠相對容易地執(zhí)行。然而，量子位的超導(dǎo)電極的線性布置通常意指其強耦合到環(huán)境，特別是在經(jīng)常存在于環(huán)境中的量子位的尺寸比例上為均勻的電磁場。這樣的結(jié)果是，減少量子位的量子疊加狀態(tài)的相干時間，該相干時間期望盡可能長以便能夠使用量子位執(zhí)行量子計算。這是由于量子位在耦合到電磁場時易于輻射能量。

為了執(zhí)行任何有用的量子計算，必須實施由大量的量子位組成的架構(gòu)，該架構(gòu)具有量子位之間的耦合以及啟用量子位中的全部(或關(guān)鍵子集)的控制和讀出的布線。然而，如果此類架構(gòu)(例如在制造的芯片或電路板的表面上)使用平面內(nèi)耦合以及控制和讀出布線實施，則尺寸變得越來越難以在空間上容納必要的布線。這是由于以下基本事實：N個量子位的二維陣列的邊緣按照N的平方根擴展，使得例如對于M個量子位×M個量子位的正方排列(總計N＝M²個量子位)，需要將M²階的控制和讀出線穿過邊緣(在4M邊緣量子位之間)。這可阻礙實施具有2D量子位陣列的實際有用的規(guī)模的量子計算機。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供用于量子計算系統(tǒng)的改進的和可擴展的架構(gòu)。

當(dāng)從第一方面來看時，本發(fā)明提供用于量子信息處理系統(tǒng)的構(gòu)件塊，包括：

超導(dǎo)量子位，該超導(dǎo)量子位包括在兩個超導(dǎo)電極之間連接的約瑟夫森結(jié)，其中兩個超導(dǎo)電極是同軸且共面的；

控制線，該控制線耦合到超導(dǎo)量子位并且被布置成控制超導(dǎo)量子位的狀態(tài)；以及/或

讀出元件，該讀出元件耦合到超導(dǎo)量子位并且被布置成測量超導(dǎo)量子位的狀態(tài)；

其中將控制線和/或讀出元件相對于兩個超導(dǎo)電極布置在平面外。

當(dāng)從第二方面來看時，本發(fā)明提供量子信息處理系統(tǒng)，包括如本發(fā)明的第一方面所述的多個構(gòu)件塊；