[發明專利]一種基于多模式諧振腔的全連通架構量子芯片

有效

• 申請號: 201910758271.6
• 申請日: 2019-08-16
• 公開（公告）號: CN112397862B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 王浩華;劉武新;李賀康;郭秋江;崔靜;董航;任文慧;宋超;孫曉曉;王震;許凱;張鵬飛;張敘
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01P3/12
• 分類號: H01P3/12;H01P7/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種基于多模式諧振腔的全連通架構量子芯片，該芯片包括一個公共的微波諧振腔和20個以上的超導量子比特；所述公共的微波諧振腔具有n階諧振模，公共的微波諧振腔同時與超過20個超導量子比特耦合；所述超導量子比特之間通過n階諧振模相互作用，實現超導量子比特的信息傳遞和邏輯門操作；所有超導量子比特均具有控制和讀取電路，包括獨立的或與其相鄰比特共用的微波控制線；獨立的磁通量控制線和獨立的讀取諧振腔。本發明使用微波諧振腔的n階模式實現比特間的耦合，突破了諧振腔的物理尺寸上限，解決了其限制量子比特擴展數目的問題。并且本發明能夠減小比特間的信號串擾，提升比特的控制精度，對于推進量子計算具有重要意義。

技術領域

本發明涉及超導量子芯片領域，尤其涉及一種基于多模式諧振腔的全連通架構量子芯片。

背景技術

量子芯片的發展是量子計算的發展中重要的一環。量子比特是量子芯片的基本單元，增加量子比特數目是量子芯片發展的一個核心方向。當量子芯片中的量子比特數目超過兩個后，需要考慮量子比特間的耦合形式。使用一個基頻與量子比特頻率相近的諧振腔耦合多個量子比特是耦合技術方案中的一種，如文獻【Phys.Rev.Lett.119.180511】中提到的，我們稱這種量子芯片設計架構為“全連通架構”。具體的例子：諧振腔的基頻在5.5GHz，量子比特的最高頻率在5.8GHz，且量子比特的頻率可向下調節，將兩個或多個量子比特的頻率調節至諧振腔的基頻或與基頻的差為同一值(200MHz以內)時，任意量子比特間可實現通過諧振腔的耦合，利用這種耦合可以交換量子比特的狀態信息，實現量子邏輯門，生成多量子比特糾纏態。

在非全連通架構的超導量子比特芯片上，兩個不具有直接耦合的量子比特間無法直接交換狀態信息。因此在這兩個量子比特間實現量子邏輯門操作時只能借助有直接耦合的量子比特來逐一傳遞相互作用，過程更為復雜，在相同相干時間條件下性能不如在全連通架構下的實現。

現有全連通技術使用的都是微波諧振腔的基頻，基頻的大小與諧振腔的物理尺寸(長度)呈反比。量子比特的頻率設計在4-6GHz以內時，對應的諧振腔長度為一個有限值(12mm左右)，而量子比特在諧振腔周圍形成耦合時，需要占據一定的物理尺寸，因此這種使用基頻的長度有限的諧振腔可耦合的量子比特數目就為有限值(就目前已經發表的文獻而言，最大比特數目在20個左右)。這限制了利用諧振腔耦合的量子比特數目的提升，且最近鄰的量子比特間信號串擾大。同時比特的控制、讀取線路擁擠，也會影響控制和讀取的精度。

發明內容

本發明目的在于針對現有技術的不足，提出一種基于多模式諧振腔的全連通架構量子芯片。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于多模式諧振腔的全連通架構量子芯片，其特征在于，該芯片包括一個公共的微波諧振腔和若干個超導量子比特；

所述公共的微波諧振腔具有n階諧振模，其中，n＝2，公共的微波諧振腔同時與超過20個超導量子比特耦合；采用共平面微波傳輸線實現的公共的微波諧振腔長度l計算公式如下：

其中，f為公共的微波諧振腔頻率，c是真空中的光速，n表示公共的微波諧振腔中諧振模階數，∈_r是共平面微波傳輸線的襯底的相對介電常數；超導量子比特與公共的微波諧振腔耦合充分利用公共的微波諧振腔長度，均勻分散在公共的微波諧振腔的各個分支上；

所述超導量子比特之間通過n階諧振模相互作用，實現超導量子比特的信息傳遞和量子邏輯門操作；

所有超導量子比特均具有控制和讀取電路，包括：獨立的或者與其相鄰比特共用的共平面微波控制線，用于超導量子比特初態的制備；獨立的磁通量控制線，用于獨立調節每個超導量子比特的頻率；獨立的讀取諧振腔，用于讀取每個超導量子比特的狀態。