[發(fā)明專利]一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)及操作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011202959.5
• 申請(qǐng)日: 2020-11-02
• 公開（公告）號(hào): CN112331693B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 燕飛;儲(chǔ)繼;劉松;俞大鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳市福田區(qū)南科大量子技術(shù)與工程研究院;南方科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H10N69/00
• 分類號(hào): H10N69/00;G06N10/20;G06N10/40
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 冀志華

1.一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：

若干可調(diào)耦合器以及若干量子比特；

所述量子比特與所述可調(diào)耦合器交替排布，且所述可調(diào)耦合器的靜態(tài)頻率、相鄰的所述量子比特以及與同一所述可調(diào)耦合器相鄰的各所述量子比特的頻率均處于不同頻帶中；

各所述量子比特均設(shè)置有單獨(dú)的微波驅(qū)動(dòng)線XY，各所述可調(diào)耦合器均設(shè)置有單獨(dú)的磁通偏置線Z，通過在微波驅(qū)動(dòng)線XY上或磁通偏置線Z上施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單比特門、兩比特門或多比特受控相位門；

其中，所述可調(diào)耦合器與量子比特的比例為1:2、1:3、1:4或1：N，且任意兩個(gè)相互耦合的所述量子比特的頻率差遠(yuǎn)大于二者之間的直接耦合強(qiáng)度，即滿足色散關(guān)系。

2.如權(quán)利要求1所述的一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子比特采用不可調(diào)頻的Transmon結(jié)構(gòu)，所述Transmon結(jié)構(gòu)由一個(gè)約瑟夫森結(jié)和一個(gè)電容并聯(lián)而成。

3.如權(quán)利要求2所述的一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電容的典型范圍為70-100fF,所述約瑟夫森結(jié)的臨界電流典型值為20nA。

4.如權(quán)利要求1所述的一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述可調(diào)耦合器的靜態(tài)偏置頻率典型范圍為7-9GHz；所述量子比特的頻率典型范圍為5-7GHz；所述量子比特與所述可調(diào)耦合器之間直接耦合強(qiáng)度典型范圍為80-120MHz,所述量子比特間耦合強(qiáng)度典型范圍為5-10MHz。

5.如權(quán)利要求1所述的一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，任意相鄰的、與同一所述可調(diào)耦合器存在直接耦合的兩量子比特之間的耦合強(qiáng)度g_ij滿足如下關(guān)系：

g_ij≈0.5g_icg_jc(1/(ω_c-idle-ω_i)+1/(ω_c-idle-ω_j))

其中，g_ic表示第i個(gè)量子比特與可調(diào)耦合器之間的耦合強(qiáng)度；g_jc表示第j個(gè)量子比特與可調(diào)耦合器之間的耦合強(qiáng)度；ω_i、ω_j、ω_c分別表示第i個(gè)量子比特、第j個(gè)量子比特和可調(diào)耦合器的頻率；ω_c-idle表示不加磁通調(diào)制信號(hào)時(shí)，可調(diào)耦合器的靜態(tài)頻率。

6.一種采用如權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)的操作方法，其特征在于包括以下步驟：

1)對(duì)超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到該超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)中基本操作單元的哈密頓量；

2)基于步驟1)得到的基本操作單元的哈密頓量對(duì)應(yīng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，確定該能級(jí)結(jié)構(gòu)下對(duì)基本操作單元操作的方法，以實(shí)現(xiàn)單比特門和多比特受控相位門。

7.如權(quán)利要求6所述的一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)的操作方法，其特征在于：所述步驟1)中，所述基本操作單元由N個(gè)量子比特和一個(gè)可調(diào)耦合器構(gòu)成，而N個(gè)量子比特通過一個(gè)可調(diào)耦合器耦合的哈密頓量表示為：

其中，ω_i、α_i分別表示第i個(gè)量子比特的頻率和非諧；ω_c、α_c分別表示可調(diào)耦合器的頻率和非諧；g_ic表示第i個(gè)量子比特與可調(diào)耦合器之間的耦合強(qiáng)度；g_ij表示第i個(gè)量子比特和第j個(gè)量子比特之間的耦合強(qiáng)度；+表示厄密共軛；為約化普朗克常數(shù)。

8.如權(quán)利要求6所述的一種易拓展的、高保真度的超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)的操作方法，其特征在于，所述步驟2)中，單比特門的操作方法為：

在微波驅(qū)動(dòng)線XY上施加一個(gè)與對(duì)應(yīng)量子比特共振的微波脈沖，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的激發(fā)，并通過改變微波脈沖的振幅、時(shí)間、相位，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)在布洛赫球上的任意翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)任意的單比特門；

多比特門的操作方法為：

在磁通偏置線Z上施加磁通調(diào)制脈沖信號(hào)，使得所述可調(diào)耦合器的頻率與所述量子比特的頻率差遠(yuǎn)大于兩者之間的耦合強(qiáng)度，即|ω_i-ω_c|＞＞_ic時(shí)，兩兩所述量子比特之間的ZZ耦合強(qiáng)度χ小于10kHz，關(guān)閉受控相位門；

在磁通偏置線Z上施加磁通調(diào)制脈沖信號(hào)，使得所述可調(diào)耦合器的頻率被調(diào)制到接近或低于其中一個(gè)量子比特的頻率時(shí)，所述量子比特之間的ZZ耦合強(qiáng)度χ大于10MHz，打開受控相位門，實(shí)現(xiàn)受控相位的積累，然后通過控制磁通調(diào)制脈沖信號(hào)的時(shí)間和振幅，對(duì)受控相位的積累∫χ(t)dt的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)特定的受控相位門。