[發(fā)明專(zhuān)利]超導(dǎo)量子比特控制裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011638203.5
• 申請(qǐng)日: 2020-12-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114764617A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 駱彥行;李政宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華為技術(shù)有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06N10/00
• 分類(lèi)號(hào): G06N10/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本申請(qǐng)公開(kāi)了一種量子比特控制裝置，應(yīng)用于量子計(jì)算領(lǐng)域，該裝置包括位于第二溫區(qū)的第一耦合裝置、第二耦合裝置、至少一個(gè)信號(hào)提取裝置以及量子芯片；第一耦合裝置，用于從第一傳輸介質(zhì)接收多個(gè)不同頻率的混頻控制信號(hào)，并發(fā)送給信號(hào)提取裝置；第二耦合裝置，用于從第二傳輸介質(zhì)接收本振信號(hào)，并發(fā)送給信號(hào)提取裝置，其中，混頻控制信號(hào)和本振信號(hào)在第一溫區(qū)生成，第一溫區(qū)的溫度高于第二溫區(qū)；而信號(hào)提取裝置對(duì)接收的混頻控制信號(hào)和本振信號(hào)濾波，并對(duì)濾波后控制信號(hào)和濾波后本振信號(hào)進(jìn)行下變頻，恢復(fù)出控制信號(hào)，用于對(duì)量子芯片中的量子比特進(jìn)行操控。本實(shí)施例可以降低對(duì)超導(dǎo)量子芯片的熱量傳遞，同時(shí)降低在超導(dǎo)量子芯片上的布線難度。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及一種量子計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超導(dǎo)量子比特的控制裝置。

背景技術(shù)

量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備，其特殊之處在于，量子態(tài)的疊加特性使得大規(guī)模“并行”計(jì)算成為可能，據(jù)此可以設(shè)計(jì)出特殊的量子算法，使得對(duì)某些問(wèn)題的求解可以得到指數(shù)級(jí)的加速，從而解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在短時(shí)內(nèi)難以求得的問(wèn)題。比如大數(shù)的質(zhì)因子分解、組合優(yōu)化問(wèn)題等。隨著理論研究的進(jìn)展，不斷有新的量子算法被提出，用以加速求解不同的問(wèn)題。

量子計(jì)算機(jī)的基本單元是量子比特，各量子算法就是在不同數(shù)量的量子比特上進(jìn)行不同的量子操作。量子比特就好比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的半導(dǎo)體邏輯門(mén)，量子比特?cái)?shù)目越多，其并行加速能力就越強(qiáng)，對(duì)于相同的問(wèn)題其求解速度就越快。量子比特的構(gòu)建有多種物理體系均可實(shí)現(xiàn)，比如超導(dǎo)電路、離子阱、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、拓?fù)淞孔佑?jì)算等，其中，超導(dǎo)電路是其中比較熱門(mén)的一種體系。

超導(dǎo)量子計(jì)算的基本單元是超導(dǎo)量子芯片，其需要工作在超低溫環(huán)境(～10mK級(jí)別)，超低溫可以有效降低環(huán)境噪聲帶來(lái)的影響，因此低溫制冷技術(shù)是超導(dǎo)量子計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的制冷設(shè)備是(無(wú)液氦)稀釋制冷機(jī)，其有采用分級(jí)制冷技術(shù)，在極低溫區(qū)利用氦元素在的相變吸熱進(jìn)行進(jìn)一步的制冷，使得最低溫區(qū)可以降溫到10mK級(jí)別。圖1展示了常見(jiàn)稀釋制冷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，在最低溫區(qū)的冷盤(pán)需要達(dá)到20mK以下的溫度，量子芯片通常位于圖1所示的樣品室中。

為了操控量子芯片上的量子比特，需要有電信號(hào)可以通入最底層的樣品室，這些控制信號(hào)所走的信號(hào)線會(huì)逐層通過(guò)不同的冷盤(pán)(參見(jiàn)圖1的信號(hào)線纜示意)，在每個(gè)冷盤(pán)處進(jìn)行衰減并降溫，以減少對(duì)樣品室內(nèi)芯片的傳熱，控制信號(hào)線的熱傳導(dǎo)是整個(gè)冷盤(pán)的最大輸入熱源。而目前的方案中，每個(gè)量子比特均需要至少一根控制信號(hào)線，如果考慮可調(diào)耦合則還需要額外兩根信號(hào)線，所以，在現(xiàn)有的稀釋制冷機(jī)結(jié)構(gòu)下，其可支持的超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量是有上限的。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，使得某個(gè)冷盤(pán)上經(jīng)受的熱傳導(dǎo)功率大于其制冷功率時(shí)，量子比特?cái)?shù)目就無(wú)法再增長(zhǎng)了，因此，減少實(shí)際線纜用數(shù)，或者減低單根線纜傳熱功率，就是測(cè)控系統(tǒng)很快即將面臨的問(wèn)題。

另一方面，超導(dǎo)量子比特芯片當(dāng)比特?cái)?shù)規(guī)模增長(zhǎng)的時(shí)候，還會(huì)面臨一個(gè)布線的問(wèn)題。具體而言，每個(gè)超導(dǎo)量子比特都需要獨(dú)立的控制信號(hào)，目前常見(jiàn)的芯片結(jié)構(gòu)中，平均每比特需要3～4個(gè)控制線。該控制線一端臨近超導(dǎo)比特，一端則連到芯片的邊緣，在邊緣處放大為一個(gè)較大的導(dǎo)電區(qū)域，該區(qū)域?qū)⒂米餍酒屯獠侩娐愤B接引線的壓焊盤(pán)。單一壓焊盤(pán)的尺寸通常在50um～500um級(jí)別，且布局在芯片的最邊緣。大規(guī)模超導(dǎo)量子比特的連接并非僅是單鏈?zhǔn)降模瑢?shí)際上，目前采用更多的是二維平面分布的，比如圖2左邊所示的四方形晶格排列，每個(gè)超導(dǎo)比特將和上下左右的四個(gè)比特相連。在此類(lèi)二維排布結(jié)構(gòu)中，當(dāng)芯片尺寸增加時(shí)，比特區(qū)域可容納的超導(dǎo)比特?cái)?shù)量是呈平方增長(zhǎng)的(正比于面積)，但引線用的壓焊區(qū)域的數(shù)量?jī)H呈一次方增長(zhǎng)(正比于周長(zhǎng))。考慮到芯片面積存在極限，不可能任意大，則這一矛盾就會(huì)反過(guò)來(lái)限制單個(gè)芯片可容納的最大比特?cái)?shù)。可以預(yù)見(jiàn)，當(dāng)比特?cái)?shù)出現(xiàn)大規(guī)模增加時(shí)，控制線在芯片上的壓焊區(qū)域布局會(huì)出現(xiàn)空間不足的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本專(zhuān)利技術(shù)提出一種新的超導(dǎo)量子比特控制裝置，可以有效降低線纜對(duì)芯片的熱傳導(dǎo)功率，并減少芯片上壓焊區(qū)域的數(shù)量，從而提升單個(gè)芯片可容納量子比特的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容。

發(fā)明內(nèi)容