CN100339867C - 隔离昆比特与环境的方法及结构 - Google Patents

Abstract

一种耦合昆比特的方法(和结构)包括将昆比特放置于传输线附近，大约在对应于预先确定频率下的波节的位置处。

Description

隔离昆比特与环境的方法及结构

技术领域

本发明一般地涉及量子计算机。更特别地，涉及一种方法和结构，其把昆比特(qubit)放置在控制及读出传输线上昆比特基本工作频率的波节处，以便使这些控制及读出功能所引起的脱散达到最小。

背景技术

许多实体，包括本申请的受让人，处于设计、研发和建立使用物理系统的量子力学状态来表示计算机的逻辑状态的计算机的过程中。这种计算机称作“量子计算机”并且这种计算机中的逻辑门称作“昆比特(qubit)”。

量子计算机能够比任何可想象的经典计算机更快速得多地解决某些类型问题。例如，这些任务如搜索、加密，以及检索大型数据库以获得多维最优化问题，例如著名“旅行推销员”问题的最优解，在量子计算机上将快上几个数量级。

性能上的这种急剧提高的原因是，在普通经典计算机中，计算机的逻辑状态由“0”和“1”，或换句话说，物理系统的经典状态来表示。因此，经典计算机中的基本逻辑门保存单个位的信息。相反地，昆比特同时保存多个位的信息。

形成昆比特的基础问题是，使环境对昆比特的量子力学状态的影响达到最小。该影响类似于常规电路，例如基本逻辑门中的噪声，因为足够的噪声将引起常规逻辑门触发新的且可能未知的状态。

小尺寸、涉及量子力学，以及多种可能状态(例如，多个位的信息)所有联合导致昆比特对“噪声”例如温度和杂散磁场特别敏感。

部分解决办法是在非常冷的温度，典型地低于0.1K下操作昆比特。这样，昆比特经受的热噪声减少。

并且，昆比特本身通常设计成具有非常小的内部耗散。这样，昆比特与环境热噪声的直接耦合达到最小。

环境中的噪声引起“脱散”或者昆比特信号的幅度或宽度的减小。因此，必须使脱散达到最小，以便形成制造量子计算机所需的高质量昆比特。

第二种类型的脱散当电路或信号施加到昆比特时发生。昆比特可以设计成与环境完全隔离。但是，除非其状态可以使用外电路来修改或测量，昆比特将没有用。

修改昆比特状态和测量状态的最普通方法是通过使用电信号。遗憾的是，这些电信号的源和测量电路也固有地具有热和量子噪声，并且该噪声将使昆比特脱散。因此，这些信号与昆比特的耦合通常设计成弱的，以便使由控制和读出电路引起的脱散达到最小。

迄今为止，昆比特的该固有脱散问题还没有令人满意的解决办法。

发明内容

考虑到常规系统的前述及其他典型问题、缺点和不利，本发明的一种典型特征在于提供一种解决昆比特中的固有脱散问题的方法和结构。

本发明的另一种典型特征在于提供一种耦合昆比特并以使固有脱散问题达到最小的方式控制昆比特或读出昆比特状态的方法。

本发明的另一种典型特征在于，为了使控制和读出传输线和电路的脱散达到最小，提供一种相对于常规耦合方法加强了与昆比特的耦合的方法。

为了实现上面的典型特征及其他，在本发明的第一典型方面，这里所描述的是一种耦合昆比特的方法，包括将昆比特放置于传输线附近，在对应于昆比特基本工作频率处的控制参数下的波节的位置。

根据本发明的第二典型方面，同时这里所描述的是一种电路，包括具有基本工作频率的昆比特和与昆比特的操作相关的至少一根传输线，其中昆比特放置在传输线附近，在基本工作频率处的控制参数下的波节。

根据本发明的第三典型方面，同时这里所描述的是一种电路，包括至少一个昆比特和以使该至少一个昆比特的脱散达到最小的方式来耦合该至少一个昆比特的装置，其中所述以使所述至少一个昆比特的脱散达到最小的方式包括将所述昆比特放置于传输线附近，在对应于预先确定频率下的波节的位置。

根据本发明的第四典型方面，同时这里所描述的是一种形成昆比特电路的方法，包括提供用于控制昆比特和读出昆比特状态之一种操作的传输线，以及将昆比特放置于至少一根所述传输线附近，在对应于与昆比特基本操作相关的预先确定频率下的波节的位置处。

根据本发明的第五典型方面，同时这里所描述的是一种隔离昆比特与其环境的方法，包括将昆比特放置于使昆比特的脱散达到最小的沿着传输线的位置处，其中所述位置是指将所述昆比特放置于所述传输线附近、在对应于预先确定频率下的波节的位置。

因此，本发明提供一种使得例如由昆比特的控制和读出功能引起的脱散达到最小的方法和电路。通过提供一种使昆比特基本工作频率处的噪声达到最小的耦合昆比特的方法，它也提供一种方法，其中用于控制和读出功能的与昆比特的耦合可以提高。

附图说明

前述和其他目的、方面和优点将通过参考附图从本发明的典型实施方案的下面详细描述中更好地明白，其中：

图1显示根据本发明的原理耦合昆比特的一种典型结构100；

图2说明使用具有短路端的超导微带传输线来耦合基于电流的昆比特的第二典型结构200；

图3说明使用具有开路端的超导微带传输线来耦合基于电压的昆比特的第三典型结构300；以及

图4说明这里所描述的技术的典型基本流程图400。

具体实施方式

现在参考附图，更特别地图1-4，本发明提供一种方法，使昆比特与环境在对于引起昆比特中脱散具有最大影响的频率(例如频率F01)下退耦合，而同时在大多数其他频率，例如昆比特在其上工作和测量的频率下耦合昆比特。

对于昆比特，来自环境的噪声通常将作为频率的函数而变化。在昆比特的正常操作中，两种特定频率下的环境噪声是重要的。最重要的频率(例如，使昆比特脱散最大的噪声)是称作“F01”频率的昆比特的基本工作频率下的噪声。

换句话说，F01是“0”(例如，最低能态)和“1”(例如，昆比特的第二低能态)之间的频差。但是，本发明不应当看作局限于F01频率，因为一些昆比特设计工作于其他频率，例如“F12”。因此，本发明包括更广泛概念，其中细节可以从一种昆比特设计到另一种各不相同，并且频率“F01”在这里为了讨论而示范性地使用。

根据脱散的第二重要频率是典型地称作“dc”的零频率附近的噪声。

当前已知一种减小零频率噪声(例如，dc)下由环境引起的脱散的策略。该策略是在“简并点”下操作昆比特。简并点有点类似特性曲线的局部最小值。在这一点上，环境中的小变化不在工作点处产生第一阶变化。

类似地，当昆比特设计成在简并点工作时，dc噪声电平的小变化不改变昆比特的基本工作频率，因此不使昆比特脱散。该效果类似于在平衡点操作昆比特。当在简并点工作时，测量的昆比特结合将大大增加，因为有效dc或非常低频率的噪声被减少。

但是，遗憾的是，频率F01下的噪声不在简并点处减小。因此，即使昆比特在其一个简并点处工作，脱散仍然是一个问题，并归因于频率F01下的噪声。

本发明解决例如频率F01下该噪声的这种问题。因此，由上面讨论看来，本发明可以描述为，在对于引起昆比特中脱散具有最大影响的频率，例如F01下，将昆比特与环境退耦合，而仍然允许昆比特在大部分其他频率，例如昆比特在其上工作和测量的频率下耦合。

该结果通过调节昆比特与传送线，通常地超导传输线的耦合来实现。通过调节传输线的长度和两端的端接法，本发明因此示教将频率(例如，F01)的电流或电压波节布置于沿着传输线的特定位置，并且昆比特放置于该波节位置处。

应当注意到，波节是传输线上信号为零的点。波腹是信号最高的点。电压波节是传输线上的电流波腹，反之亦然。

如本领域中众所周知的，波节可以取决于所期望的是电压还是电流波节，通过使用开路或短路端接传输线的末端来实施。优选地，将避免有电阻端接的使用，因为这种有电阻端接会是噪声，并且该噪声将耦合到昆比特。

图1显示说明该基本概念的第一典型结构100。昆比特101放置在连接到电路103的传输线102附近。为了控制或读出昆比特的状态，传输线102提供耦合到昆比特101的功能。昆比特101典型地将具有一根或多根这种传输线，一些用于控制输入而一些用于读出昆比特的状态。为了简单起见，仅一根传输线102在图1中显示。

示范的传输线102是共面带状线，其将用来传递来自控制电路103的电流，使得电流的磁通量将用作昆比特101的控制输入的一种。如图1中所示，昆比特101放置在传输线102的波节附近，理想地将精确地位于波节位置处。在理解这里的讨论并整体地接受它之后，并且在考虑马上描述的另外典型结构之后，对于本领域技术人员，其他传输线结构将容易想到。

图1中所示的电阻元件104打算用来表示控制电路103的噪声方面及其具有传输线设计成与之匹配的特征输出阻抗(例如50Ω)方面。

因此，在思路上传输线102典型地将以本领域众所周知的许多参数来设计。例如，图1中所示的共面带状线将具有与电路103输出阻抗(例如，50Ω)相匹配的长度和线间距，以及提供电流容量的厚度和宽度。传输线102的材料典型地将是超导材料，例如铝或铌。例如，典型传输线设计成工作于2GHz，这是昆比特F01频率的典型值，并且具有大约1cm的典型长度。

通常地，昆比特将具有比传输线的长度更小的物理尺寸(例如，100μm)，并且如上所述，它将放置于沿着传输线的电流或电压波节处。在图1中示范显示的当前结构原型中，昆比特101放置于离传输线102大约2、30或100μm，取决于涉及三种昆比特传输线的哪种。应当认识到，昆比特和传输线之间的距离是用来确定耦合度的一个参数。

有多种昆比特设计当前由全世界的多个团体使用许多方法在研发。根据本发明的概念，使用磁通量或电流工作的昆比特将放置于该昆比特的F01频率下的电流波节处。类似地，使用电压工作的昆比特将放置于频率F0下1的电压波节处。

为了说明得更多一点，作为非限制性例子，图1显示放置于离超导传输线的短路端1/4波长(F01频率下)处的流量昆比特101。在四分之一波长点，频率F01下没有电流。并且该点处该频率下的阻抗非常高，理想地无穷大。

换句话说，理论上，昆比特101在至关紧要的F01频率下与该电路103的电噪声完全退耦合。同时，昆比特仍然可以工作，因为控制信号可以被选择而排斥F01频率下的分量。

相同方法可以用于减小用来测量昆比特状态的电路的噪声。这里，在F01频率下测量电路(例如，前置放大器)的噪声将大大地使昆比特脱散。在大多数情况下，测量频率不是F01，而是在更低得多的频率。因此，测量可以执行，而同时保护昆比特不受昆比特的F01频率噪声的影响。

遗憾的是，在“现实世界”中，昆比特不能在尺寸上减小到界限于波节的理论点尺寸。因此，有些关注的一个附加参数涉及下面的事实，昆比特虽然尺寸小，但并不是无穷小。本发明者已发现，该不可避免的少量耦合可以作为昆比特尺寸与传输线长度之比的函数而减到最小。在图1的典型结构中，因此，该比值可以是大约1cm与100μm之比。

在这一点上，应当再次注意到，图1中所示的典型流量昆比特101仅打算用于说明目的。其他类型的昆比特将受益于本发明的概念，因为一般的昆比特固有地受到特定频率，例如F01下的脱散问题的影响。

图2和3显示进一步说明本发明概念的传输线的另外非限制性可选结构200、300。

图2的典型结构200显示具有超导微带线202的基于电流的昆比特201。该微带由两个超导层203、204形成，其中超导层204在包含昆比特201的层和超导层203下面形成平面。应当注意，电流波节205放置于离微带线202的短路端207的1/4波长位置206处。电流源208表示包括噪声的偏置电路的电流源，并且电阻器209表示包括噪声的电流源的输出阻抗。

图3的典型结构300显示具有超导微带线302的基于电压的昆比特。电压波节303放置于离微带线302的开路端305的1/4波长位置304处。

图4显示实施本发明的基本概念的典型流程图400。在步骤400中，昆比特的适当特征频率被确定。如上面示范性讨论的，该特征频率可以是频率F01。

在步骤402中，设计者确定所设计的昆比特耦合电路是基于磁性/电流原理还是基于电压原理，并且在步骤403中，设计传输线。

在步骤404中，根据耦合是基于电流的还是基于电压的，昆比特被放置于传输线上电流波节或电压波节处。

最后，在步骤405中，其余耦合电路，如果有的话，由设计者类似地解决。

本领域技术人员将容易明白，图4中所示的典型设计过程仅是用于说明，因为设计者典型地或多或少同步地考虑所有这些步骤，连同该流程图中没有覆盖的设计的其他方面。

使用这里所举例描述的方法，并结合在简并点操作昆比特，将使得昆比特不具有由与环境的耦合引起的一阶脱散损耗。同时，昆比特仍然可以使用相同的传输线集来操作和测量。

因此，总括的说，本发明提供一种使环境对昆比特的量子力学状态的影响达到最小并使由昆比特的控制和读出电路引起的脱散达到最小的方法。

虽然本发明已根据典型实施方案而描述，本领域技术人员应当认识到，本发明可以用附加权利要求书的本质和范围内的修改形式来实现。

此外，应当注意，申请人的意图是包括所有权利要求元素的等价物，即使在执行过程中随后变更。

Claims (26)

1.一种耦合昆比特的方法，所述方法包括：

将所述昆比特放置于传输线附近，在对应于预先确定频率下的波节的位置。

2.根据权利要求1的方法，其中所述预先确定频率包括所述昆比特的基本工作频率。

3.根据权利要求1的方法，还包括：

提供用于控制所述昆比特和读出所述昆比特的状态之一种操作的所述传输线。

4.根据权利要求1的方法，其中所述预先确定频率包括频率F01，它是所述昆比特的最低能态和所述昆比特的第二低能态之间的频差。

5.根据权利要求1的方法，其中所述波节放置于离至少一根所述传输线的一端在所述预先确定频率下的1/4波长位置处。

6.根据权利要求1的方法，其中所述波节通过形成至少一根所述传输线上的短路端和所述至少一根传输线上的开路端之一种来产生。

7.根据权利要求1的方法，其中至少一根所述传输线包括超导材料。

8.根据权利要求1的方法，其中至少一根所述传输线包括共面带状线和微带线中之一种。

9.根据权利要求1的方法，其中所述昆比特包括电流偏置的昆比特，并且所述波节包括电流波节。

10.根据权利要求1的方法，其中所述昆比特包括电压偏置的昆比特，并且所述波节包括电压波节。

11.根据权利要求1的方法，其中所述传输线的输入阻抗与提供控制所述昆比特和读出所述昆比特的状态的一种操作的电路的输出阻抗匹配。

12.根据权利要求1的方法，还包括：

调节所述昆比特的尺寸与所述传输线的长度之比值。

13.一种电路，包括：

具有基本工作频率的昆比特；以及

与所述昆比特的工作有关的至少一根传输线，其中所述昆比特放置于所述传输线附近，在所述基本工作频率的控制参数下的波节处。

14.根据权利要求13的电路，其中所述基本工作频率包括频率F01，它是所述昆比特的最低能态和所述昆比特的第二低能态之间的频差。

15.根据权利要求13的电路，其中所述波节放置于离所述至少一根传输线的一端在所述基本工作频率下的1/4波长位置处。

16.根据权利要求13的电路，其中所述波节由所述至少一根传输线上的短路端和所述至少一根传输线上的开路端之一种来产生。

17.根据权利要求13的电路，其中所述至少一根传输线包括超导材料。

18.根据权利要求13的电路，其中所述至少一根传输线包括共面带状线和微带线之一种。

19.根据权利要求13的电路，其中所述昆比特包括电流偏置的昆比特并且所述波节包括电流波节。

20.根据权利要求13的电路，其中所述昆比特包括电压偏置的昆比特并且所述波节包括电压波节。

21.根据权利要求13的电路，其中所述传输线的输入阻抗与提供控制所述昆比特和读出所述昆比特的状态之一种操作的电路的输出阻抗匹配。

22.根据权利要求13的电路，还包括：

连接到所述传输线以提供用于偏置所述昆比特的电流和电压之一种的电流源和电压源之一种。

23.一种电路，包括：

至少一个昆比特；以及

以使所述至少一个昆比特的脱散达到最小的方式来耦合所述至少一个昆比特的装置，其中所述以使所述至少一个昆比特的脱散达到最小的方式包括将所述昆比特放置于传输线附近，在对应于预先确定频率下的波节的位置。

24.一种形成昆比特电路的方法，所述方法包括：

提供用于控制所述昆比特和读出所述昆比特的状态之一种操作的传输线；以及

将所述昆比特放置于至少一根所述传输线附近，在对应于与所述昆比特基本操作相关的预先确定频率下的波节的位置处。

25.一种将隔离昆比特与其环境的方法，所述方法包括：

将所述昆比特放置于沿着传输线的使所述昆比特的脱散达到最小的位置处，其中所述位置是指将所述昆比特放置于所述传输线附近、在对应于预先确定频率下的波节的位置。

26.根据权利要求25的方法，其中所述位置包括所述昆比特的特征频率处的波节。

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