CN101095245B - 耦连方法和信息处理结构 - Google Patents

Abstract

提供了一种结构，包括(i)一个第一信息器件、(ii)一个第二信息器件、(iii)一个第一耦连元件和(iv)一个第二耦连元件。该第一信息器件具有相互电联通的至少一个第一叶和一个第二叶。该第二信息器件具有相互电联通的至少一个第一叶和一个第二叶。该第一耦连元件将该第一信息器件的第一叶感应性地耦连到该第二信息器件的第一叶。该第二耦连元件将该第一信息器件的第一叶感应性地耦连到该第二信息器件的第二叶。

Description

耦连方法和信息处理结构

相关申请的交叉参考 

本申请要求2004年12月30日提交的美国专利申请60/640,420号的优先权。 

技术领域

本发明涉及量子计算的领域并且涉及超导装置的领域。

背景技术

1982年，Richard Feynman提出使用一种可控制的量子系统可以比常规计算机更为有效地模拟其他量子系统。参阅Feynman，1982，International Journal of Theoretical Physics 21，pp.467-488。现在该可控制的量子系统被普遍地称为量子计算机，并且人们致力于开发一种可以用于模拟量子系统或者运行专门的量子算法的通用量子计算机。具体地说，对于某一量子系统的行为的一个模型进行求解一般涉及对该量子系统的哈密尔顿算子的微分方程进行求解。DavidDeutsch观察到一种量子系统可以用来达到时间的节省，后来证明在某些计算中可以有指数性的时间节省。如果有一个问题，该问题是以代表该量子系统的哈密尔顿算子的一个方程形式来建立的模型，该系统的行为可以提供关于对该方程的解的信息。参阅Deutsch，1985，Proceedings of the Royal Society of London A 400，pp.97-117。

该量子计算技术中的一个局限是可以支持量子计算的系统的鉴别。进行量子计算的基础是一个单元，以下称之为一个信息器件。各种信息器件可以具有多个实施方案，但是必须满足几个要求。一个要求是该信息器件必须可化简为一种量子的两层面系统，这是指它必须能够具有可用于计算的两个可区别开的量子状态。该信息器件还必须能够产生量子效应，譬如牵连和迭加，如下文所说明。总之，存储在一个信息器件中的量子信息可以是相干的，然而不是必须相干的。一种具备相干性的器件具有一种在毫秒或者毫秒以上数量级的长时间段上持续没有显著蜕变的量子状态。一种信息器件的非限制性的实例是一个量子位，也叫做一个量子比特。一个量子位类似于经典的(数字)计算机中的一个比特，并且是一种要求相干性的信息器件。在本文中失去相干性被称为脱散。

一个量子计算机的计算能力随着其基本构成模块，信息器件，以一种可控制的方式耦连在一起而增加，该耦连的方式为使一个信息器件的量子状态影响与之耦连的每一个信息器件的量子状态。这种耦连形式被称为牵连。量子计算技术的另一个限制在于鉴别方法，该鉴别方法能够用于可控制地牵连各个信息器件的状态而不引入一个显著的脱散源。

2.1量子计算的途径

设计和运行一个量子计算机有几种一般的途径。一个已经提出的途径是电路模型量子计算。电路模型量子计算要求长的量子相干，从而在支持这样一种途径的量子计算机中使用的信息器件的类型是量子位，该量子位在定义上应当理想地具有长的相干时间。电路模型量子计算所依据的前提是这些量子位可以受逻辑门的作用并且，类似于多个比特，可以使用量子逻辑编程以进行计算。已经进行了研究从而开发可以编程以便执行量子逻辑功能的量子位。例 如参阅Shor的2001，arXiv.org：quant-ph/0005003。然而，在本领域中尚未成功地实现将量子位的脱散降低为至使在量子位中所存储的信息被摧毁以前能够进行多个计算。

被称为优化量子计算的另一种量子计算的途径涉及使用一种信息器件的系统来模拟一个量子系统。该途径不对量子门和量子电路进行苛刻的应用。取而代之的是，它依赖于量子效应从一种已知的初始的哈密尔顿算子开始操纵一种相互作用信息器件系统的状态从而使终末状态代表有关物理系统的哈密尔顿算子。在该过程中不要求量子相干，从而一般的信息器件，并且不只是量子位，可以用作计算的构成模块。此类途径的实例是绝热量子计算和模拟的退火，它们说明于Farhi等的2002，arXiv.org：quant-ph/0201031中。

2.2量子位

如前文所述，一种可能的信息器件是一种量子位，也称为量子比特。尽管类似于经典计算机中的一个数字位，一个量子位比一个数字位有高得多的计算潜力。不同于譬如在一个数字位中发现的只用两个离散的状态的“0”和“1”，一个量子位可被置于“0”和“1”的迭加中。就是说，该量子位可以同时处于“0”和“1”的状态，并且从而可以同时对两个状态进行一种量子计算。总之，N个量子位可以处于2^N个状态的迭加之中。各个量子算法利用该迭加特性来加速某些计算。

以标准的符号，一个量子位的基本状态称为|0＞和|1＞状态。在量子计算的过程中，总体上，一个量子位的状态是基态的一种迭加，从而该量子位具有占据该|0＞基态的非零概率和占据该|1＞基态的同时的非零概率。数学上，基态的迭加是指该量子位的整体状态，这用|Ψ＞表示，具有|Ψ＞＝a|0＞+b|1＞的形式，其中a和b分别是对应于 概率|a|²和|b|²的系数。系数a和b各有实部和虚部，这使得能够表征出该量子位的相位。一个量子位的量子性的本质很大程度上是从其存在于基态的相干迭加的能力而衍生出，并且是由于该量子位具有一个相位的状态。当一个量子位允分地与脱散源隔离时，该量子位将保持作为各个基状的相干迭加而存在的这种能力。

为了使用一个量子位来完成一个计算，测量(例如读出)该量子位的状态。典型地，当该量子位被测量时，该量子位的量子性被临时地丢失并且该基态的迭加崩溃到或为|0＞基态或为|1＞基态，从而重新获得与一个常规比特的相似性。该量子位在其崩溃以后的实际状态取决于直接在该读出运作前的概率|a|²和|b|²。

信息器件可以具有以上对量子位说明的所有物理特性。这就是说，一个信息器件的量子状态可以是各基态的一种迭加，并且可以用公式|Ψ＞＝a|0＞+b|1＞阐述，其中a和b分别是对应于概率|a|²和|b|²的系数。当测量时该信息器件的量子状态也崩溃到一种基态。然而如在节2.1中的说明，信息器件没有对量子相干性的严格要求，这与量子位相反。

2.3超导信息器件

有多个不同的可以用于构成量子计算机的技术。一种实施方案使用超导材料。用超导信息器件构成的量子计算机具有可拓展性的优点。使用超导信息器件实现大规模量子计算机的可能性大有前景，因为制造超导信息器件所涉及的技术和工艺类似于用于常规计算机的那样技术和工艺，对于常规的计算机已经存在一个确立了的制造装置的基础设施和技术秘密。这些已知的制造技术(例如化学汽相淀积、等离子加强的化学汽相淀积等等)，例如说明于Van Zant的2000，Microchip Fabrication，Fourth Edition，McGraw-Hill，New York；Levinson的2001，Principles of Lithography，The InternationalSociety for Optical Engineering，Bellingham Washington；Madou的2002，Fundamentals of Microfabrication，Second Edition，CRC PressLLC，Boca Raton，Florida；和Choudhury的1997，Handbook ofMicrolithography，Micromachining and Microfabrication Volume 1：Microlithography，The International Society for Optical Engineering，Bellingham Washington中。Shnirman等的1997，Physics ReviewLetters 79，2371-2374提出使用超导信息器件的超导量子计算机的实施方案旨在实现这样一种计算机，该超导信息器件包括Josephson结以产生该要求的量子效率。

根据用于对信息进行编码的物理特性，超导信息器件可以分成几个类属。信息器件的一种总体的划分是将它们分成电荷器件和相位器件，如在Makhlin等的2001，Reviews of Modern Physics 73，pp.357-401中对于量子位所讨论的那样。电荷器件用该装置的电荷状态存储和操纵信息，其中基本电荷由一种称为库伯对的电子对构成。一个库伯对具有2e的电荷并且由两电子构成，这两个电子由一个光子相互作用键接在一起。例如，参阅Nielson和Chuang的2000，Quantum Computatin and Quantum Information，CambridgeUniversity Press，Cambridge，pp.343-345。另一方面，相位器件或者说通量器件是在器件的相位或通量状态中存储信息。最近，已经开发了既可以使用电荷自由度也可以使用相位自由度控制信息的混合器件。混合器件的一些实例阐述于授与Esteve等的美国专利6,838,694 B2号以及Amin等的美国专利专利申请公开号2005/0082519。

2.4超导通量器件

超导通量器件的设计说明于Bocko等著的1997，IEEETransactions on Applied Superconductivity7，p.3638以及Makhlin等的2001，Review of Modern Physics 73，p.357。多个其他的超导通量器件设计已经有说明，包括稳恒电流量子位。参阅Mooij等的1999，Science 285，1036；和Orlando等的1999，Physics Review B 60，15398。该稳恒电流量子位由一个由三个Josephson结间断的厚的超导材料的环路构成。一个Josephson结的临界电流值被设计为小于其他两个Josephson结的临界电流值，这两个Josephson结往往具有同样的或者非常相似的临界电流。可以将该稳恒电流量子位构成为使该超导材料环路包围一个小的面积(例如一个大致1平方微米的面积)。

该稳恒电流量子位具有10毫微米(ns)至100ns之间的相干时间。例如，参阅Orlando等的1999，Physics Review B 60，15398，和Il’ichev等的2003，Physics Review Letters 91，097906。某些其他类型的通量器件包括由多于或少于三个Josephson结间断的超导材料环路。例如，参阅Blatter等的2001，Physics Review B 63，174511；和Friedman等的2000，Nature 406，43。

梯度计通量器件是对均匀磁场不灵敏的一种特殊类型的通量器件。就是说，一个在梯度通量器件整体上均匀的磁场将不影响该装置的量子状态。一种梯度计装置的实例在授与Daalmans等的美国专利4,937,525中有说明。下文更详细地说明梯度计通量器件。

2.5信息器件耦连

不论用什么类型的信息器件来构成一个量子计算机，都希望该量子计算机的信息器件以一种可控制的方式相互作用。这种在一个 量子计算机的信息器件之间的相互作用被称为耦连。根据实施方案，可以使用不同的耦连方法。而且，可以使用一种系统哈密尔顿算子描述一个量子计算机的信息器件的状态以及该信息器件之间的相互作用。

在将两个基于通量的超导信息器件耦连在一起的情况下，在该系统哈密尔顿算子中的耦连相互作用的符号确定了包括这两个装置的该系统的能量形态(energy landscape)。总体上，在两个基于通量的超导信息器件之间的耦连要么是铁磁的要么是反铁磁的，因为通量器件典型地是通过其相应的磁通量相互作用。这就是说，在一个信息器件中的通量变化将影响与之耦连的另一个信息器件的通量变化。在铁磁耦连的情况下，在能量上有利的是一个第一信息器件的通量变化产生与该第一信息器件耦连的一个第二信息器件中的类似的通量变化。例如，当它们铁磁地耦连时，在该第一信息器件中的通量增加会引起在第二信息器件中的通量增加。在反铁磁的情况下，该耦连会引起对受耦连的装置的相反的效应(例如，在第一装置中通量增加导致第二受耦连的装置中的通量减少)因为这在能量上是更有利的。能量上有利是指该量子系统优选处于一种特定的配置中，因为在该特定配置的情况下能量低于其他配置的情况。

一种灵活的耦连方案提供了在信息器件之间改变耦连强度、关闭这些器件之间的耦连和/或转换这些器件之间的耦连的符号的能力。转换该耦连的符号是指在两个信息器件之间的耦连的类型从铁磁转换为反铁磁，或者相反的转换。在电路模型量子计算中转换耦连的符号对于构成特定的逻辑门是有用的，譬如在Plourde等的arXiv.org：quant-ph/0406049中的CNOT门。在优化量子计算中转换耦连的符号对于向一个量子计算机的信息器件栅格映射要由该量子计算机求解的问题给予较大的灵活性。其中，术语信息器件栅格 是指一台量子计算机中的一组信息器件，其中在该组中的每个信息器件者可控制地耦连到该组中至少一个其他的信息器件上。

在两个耦连在一起的通量信息器件的一个哈密尔顿算子表达式中， 

代表两个装置之间的“西格玛z”耦连，以一个变量J为前因子指示该耦连的强度。如果J＞0，则该耦连是反铁磁的，以较高的J表示较强的反铁磁的耦连。如果J＜0，则该耦连是铁磁的，以较低的J表示较强的铁磁的耦连。如果J＝0，就没有耦连。这样，转换J的符号就转换耦连的类型。在一种两层面系统的一般情况下，铁磁的耦连意味着能量上有利的是具有平行的通量，而反铁磁的耦连意味着能量上有利有具有反平行的通量。铁磁和反铁磁耦连的一个实例是在它们的相应的环路中有循环电流的两个通量器件之间的耦连。

在铁磁的耦连的情况下，在一个第一信息器件中的顺时针的超导电流将使在一个铁磁耦连到该第一器件的一个第二信息器件中引起的一个顺时针的超导电流在能量上比一个逆时针的超导电流更有利。相反地，在铁磁的耦连的情况下，在该第一信息器件中的一个逆时针的超导电流在该第二器件中引起一个逆时针的超导电流在能量上比一个顺时针的超导电流更有利。另一方面，在反铁磁的耦连的情况下，在该第一信息器件中的一个顺时针的超导电流在该第二反铁磁耦连的器件引起一个逆时针的超导电流在能量上比一个顺时针的超导电流更有利。而且，在反铁磁耦连的情况下，在该第一信息器件中的一个逆时针的超导电流在该第二器件中造成一个顺时针的超导电流会在能量上比一个逆时针的超导电流更有利。

超导信息器件可在一种直接的方式(例如无任何中介装置)进行感应性耦连，然而这种耦连典型地是不可控制的，这意味着不便 于改变该耦连的强度。对通量器件进行耦连的一个方式是通过一个超导量子干涉器件，或者说SQUID。

SQUID是一种灵敏的磁强计，这意味着它可检测出磁通量中的小的变化。例如，参阅授与Amin等的美国专利6,627,916号。一个SQUID包括由至少一个Josephson结间断的超导环路。在SQUID的该超导环路中流过的电流可以按几个不同的方式中的任一方式进行偏置。例如，可以通过一个紧密靠近SQUID安置的一个感应性的通量来偏置该电流。在另一个实例中，该电流可以使用连接到该SQUID的电线产生的一个电流偏置来进行偏置。两个受偏置的方式不同的SQUID的实例是dc-SQUIDs(电流或者通量偏置的)和rf-SQUIDs(通量偏置的)。SQUID还能够以一种可控制的方式产生通量。因为通量器件经过其磁通量相互作用，可以用一个SQUID-型装置来调节该耦连，如同在Majer等在2003，arXiv.org：cond-mat/0308192中该提出的方案。

Mooij等在1999，Science 285，1036中提出一种能够转换两个通量器件之间的耦连类型的耦连设计。然而Mooij的缺点是所转换的不是铁磁的和反铁磁的耦连型。相反地是完成在 

与 

耦连之间的转换。另外，在Mooij中不能够完全地关断该耦连。

在Clarke et al.，2002，Physica Scripta等的T102，173中提出将感应性的SQUID或者说INSQUID作为另一种耦连器件。INSQUID耦连可以转换耦连的类型，但仍然不是在铁磁和反铁磁耦连之间转换。有可能关断该INSQUID耦连，然而这难于达到。

在Filippov等的2003，IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity13，1005中提出一种可调的通量变换器。Filippov等的可调的变换器依赖于所使用的装置的梯度计性质。该变换器本 身也是梯度计性质的，并且通过将复合结与可变耦连相结合达到该可调整性。从而可以将该变换器偏置从而将一个通量器件与一个磁强计或者另一个器件进行耦连或者退耦连。然而，所需要的大增益产生了该变换器的梯度计环路平衡不准确的问题。这导致在保持特定的耦连强度时的不准确性。另外，该变换器相当大(150μm×150μm)并且因此在具有大量装置的系统中行不通。最后，该变换器是双稳态的，或者说具有两个能量最小值，这对于将通量器件耦连在一起是不可取的。

Cosmelli et al等的2004，arXiv.org：cond-mat/0403690中考虑了另一种梯度计通量变换器。在Cosmelli等的文中，该梯度计式的每个臂都耦连到一个毗邻的装置，并且该可调整的元件是中央支腿中的一个单独的复合结。Plourde等的2004，Physical Review B 70，140501中说明了又一种rf-SQUID耦合器。在Plourde等的文献中，该耦连通过一种电流偏置的dc-SQUID进行调解。可以调整该dc-SQUID以转换耦连的符号。然而，此类系统制造成本高昂并且在调节耦连的强度或者符号时不能提供允分的灵活性。

在Levitov等的2001，arXiv.org：cond-mat/0108266和Butcher的2002，Graduate Thesis，Delft University of Technology中提出了用与两个通量器件电连接的一个Josephson结将这些通量器件耦连在一起。这两个参考文献都示出一种单个的大型Josephson结将一串三个Josephson结通量器件耦连在一起。然而，这两个参考文献没有适当地使该耦连能够运行。还有，在这些参考文献中提出的耦连类型总是“开”并且不能够被关断。

2.6现有技术

如以上所说明所指出，存在着将超导信息器件耦连在一起的器件。然而，在该领域中希望有所改进，以便实现成本有效的量子计算。因此，在所属领域中存在一种需求来提供对超导信息器件之间的耦连提供更多的控制。所希望的耦连是能够允许改变该超导信息器件之间的耦连的强度或者符号的自由度，以及在希望时彻底关断该耦连的能力。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种结构，包括一个第一和一个第二通量器件以及一个第一和一个第二耦连元件。该第一通量器件具有相互电联通的至少一个第一叶和一个第二叶。该第二通量器件具有相互电联通的至少一个第一叶和一个第二叶。该第一耦连元件感应性地该将第一通量器件的第一叶耦连到该第二通量器件的第一叶。该第二耦连元件感应性地将该第一通量器件的第一叶耦连到该第二通量器件的第二叶。该第一和第二耦连元件相互间没有电联通。该第一和第二耦连元件各具有一个0.5与2之间的无量纲的感应值。在某些实施方案中，该第一通量器件和该第二通量器件是梯度计式的通量器件。

在某些实施方案中，该第一通量器件的至少第一和第二叶和该第二通量器件的至少第一和第二叶各保持一个不同的循环电流配置。在某些实施方案中，该第一耦连元件或者该第二耦连元件铁磁地或者反铁磁地将该第一通量器件耦连到该第二通量器件。在一个实施方案中，该第一耦连元件没有耦连强度而该第二耦连元件有一个有限的耦连强度。

在某些实施方案中，该结构进一步包括一个开关，该开关相对于该第一和第二通量器件的尺度和配置为使该开关可以建立一种状态，其中该第一和第二耦连元件均没有耦连强度。在某些实施方案中，该结构进一步包括一个开关，该开关相对于该第一和第二通量器件的尺度和配置为使该开关可以在于其中该第一和第二耦连元件均具有一个有限的耦连强度的一种第一状态与该第一和第二耦连元件两者都完全没有耦连强度的一种第二状态之间变换。

在某些实施方案中，该第一耦连元件、该第二耦连元件，或者该第一耦连元件和该第二耦连元件二者均包括一个dc-SQUID。在某些实施方案中，该第一耦连元件、该第二耦连元件，或者该第一耦连元件和该第二耦连元件二者均包括一个rf-SQUID。在某些实施方案中，该结构进一步包括该对该第一耦连元件、该第二耦连元件，或者对该第一和第二耦连元件两者进行可控制地调整的装置。在某些实施方案中，该开关包括调整该第一和第二耦连元件的装置，从而使该第一和第二通量器件不相互感应性地耦连。在某些实施方案中，该第一和第二通量器件是超导的。在某些实施方案中，该第一和第二耦连元件的无量纲的感应值是在0.5与1.5之间。在其他的实施方案中，该第一和第二耦连元件的无量纲的感应值大致为1。

在某些实施方案中，该结构进一步包括多个通量器件，该多个通量器件包括该第一和第二通量器件。此类实施方案进一步包括多个耦连器件。在该多个耦连器件的每个或者多个耦连器件包括多个耦连元件。此外，该多个耦连器件中的一个第一耦连器件包括上述的第一和第二耦连元件。在某些实施方案中，该结构进一步包括一个第二耦连器件，该第二耦连器件包括第三和第四耦连元件以及包括第一和第二叶的一个第三通量器件。其中类实施方案中，该第三耦连元件将该第一通量器件的第一叶耦连到该第三通量器件的第 一叶，并且，该第四耦连元件将该第一通量器件的第二叶与该第三通量器件的第一叶耦连。

在某些实施方案中，该多个通量器件中的一个或者多个通量器件通过该多个耦连器件的不同的耦连器件被耦连到两个、三个或者四个通量器件上。在某些实施方案中，一个要求解的问题的哈密尔顿算子可被映射到该多个通量器件上。

本发明的另一个方面提供了一种装置，包括一个第一和一个第二信息器件以及一个耦连器件，该耦连器件包括一个或者多个耦连元件。该耦连器件被配置为感应性地将该第一和第二信息器件耦连在一起。该耦连器件进一步配置为以一种可控制的方式在该第一和第二信息器件的铁磁耦连与反铁磁耦连之间以一种可控的方式转换该感应性耦连。该耦连器件中的每个耦连元件都有一个在0.5与2之间的无量纲的感应值。在某些实施方案中，该一个或者多个耦连元件由相互电绝缘的两个耦连元件构成。在某些实施方案中，该耦连器件进一步包括一个开关，用于以可控制的方式在该第一和第二信息器件的铁磁耦连与反铁磁耦连之间转换该感应性的耦连。该开关包括用于同时地引起以下情况的装置：(a)在该一个或者多个耦连元件中的一个第一耦连元件从(i)一个第一状态，在其中该第一耦连元件完全没有耦连强度，转入(ii)一个第二状态，在其中该第一耦连元件具有一种耦连强度，和(b)在该一个或者多个耦连元件中的一个第二耦连元件从(i)一个第三状态，在其中该第二耦连元件具有一个耦连强度，转入(ii)一个第四状态，在其中该第二耦连元件没有耦连强度。

在某些实施方案中，该第一和第二信息器件是梯度计通量器件。在某些实施方案中，该一个或者多个耦连元件的所有或者部分中的每个耦连元件都包括一个dc-SQUID。在某些实施方案中，该 一个或者多个耦连元件的所有或者部分中的每个耦连元件都包括一个rf-SQUID。在某些实施方案中，该耦连器件包括用于调整该第一与第二信息器件之间的感应性耦连的开和关的装置。在某些实施方案中，该耦连器件包括用于调整该第一与第二信息器件之间的感应性耦连的耦连强度的装置。

本发明的又一个技术方面提供了一种对两个信息器件之间的耦连进行转换的方法。其中此类实施方案中，该两个信息器件由一种耦连器件相互耦连，该耦连器件包括多个耦连元件。在该方法中，该耦连器件中的一个第一耦连元件被关断。该第一耦连元件将该两个信息器件的第一个的第一叶与该两个信息器件的第二个的第一叶进行耦连。该耦连器件的一个第二耦连元件被关断。该第二耦连元件将该两个信息器件的第一个的第一叶与该第二信息器件的第二叶进行耦连。该第一耦连元件初始为开，而该第二耦连元件初始为关。该第一和第二耦连元件相互间不电联通。这两个耦连元件均具有在0.5与2之间的一个无量纲的感应值。

在某些实施方案中，将该第一耦连元件的关断的步骤取消了该第一和第二信息器件之间的一个第一耦连。此外，将该第二耦连元件的开通的步骤在该息装置之间引入了一个第二耦连。在某些实施方案中，该第一耦连是铁磁的而该第二耦连是反铁磁的。在其他的实施方案中，该第一耦连是反铁磁的而该第二耦连是铁磁的。

本发明的再一个方面提供了在一个第一和一个第二信息器件之间取消一个耦连的方法。该第一和第二信息器件由包括多个耦连元件的一个耦连器件相互耦连。在该方法中，该耦连器件中的一个第一耦连元件被调整。该第一耦连元件将该第一信息器件的第一叶与该第二信息器件的第一叶进行耦连。一个第二耦连元件被调整。该第二耦连元件将该第一信息器件的第一叶与该第二信息器件的 第二叶进行耦连。通过调整该第二耦连元件而产生的耦连取消了通过调整该第一耦连元件所产生的耦连。该第一和第二耦连元件相互间不电联通。这两个耦连元件都具有在0.5与2之间的一个无量纲的感应值。

在某些实施方案中，该第一耦连元件是一种dc-SQUID而调整该第一耦连或者调整该第二耦连包括调整一个电流偏置或者一个通量偏置。在某些实施方案中，该第一耦连元件是一种rf-SQUID，并且调整该第一耦连或者调整该第二耦连包括调整一个通量偏置。在某些实施方案中，该第二耦连元件是一种dc-SQUID，而调整该第一耦连或者调整该第二耦连包括调整一个电流偏置或者一个通量偏置。在某些实施方案中，该第二耦连元件是一种rf-SQUID，而调整该第一耦连或者调整该第二耦连包括调整一个通量偏置。在某些实施方案中，该第一耦连元件以铁磁方式将该第一和第二信息器件耦连在一起，并且该第二耦连元件以反铁磁方式将该第一和第二信息器件耦连在一起。

本发明的再一个方面提供了一种结构，包括一种第一和第二通量器件以及一种第一SQUID耦连器，该耦连器感应性地耦连的至该第一和第二通量器件上。该第一SQUID耦连器被配置为在该第一和第二通量器件之间提供铁磁的或者反铁磁的耦连。该SQUID耦连器具有在0.5与2之间的一个感应值。在某些实施方案中，该第一通量器件包括由一个第一Josephson结间断的一个超导材料的第一环路，并且该第二通量器件包括由一个第二Josephson结间断的一个超导材料的第二环路。在某些实施方案中，该第一SQUID耦连器是一种rf-SQUID耦连器。在某些实施方案中，该rf-SQUID耦连器具有在0.7与1之间的一个无量纲的感应值。在某些实施方案中，该装置进一步包括一个磁开关，用于向该rf-SQUID耦连器施加一个磁场。该磁场的场强决定在该第一和第二通量器件之间的 一种感应性的耦连是铁磁的还是反铁磁的。在某些实施方案中，该磁场具有一个接近于零的通量，并且该第一和第二通量器件之间的感应性耦连是反铁磁的。在某些实施方案中，该磁场具有一个接近于π的通量，并且该第一与第二通量器件之间的感应性耦连是铁磁的。在某些实施方案中，该rf-SQUID耦连器是单稳态的。在某些实施方案中，该结构进一步包括一个偏置开关，该偏置开关配置为用接近数个量子的一个通量对该rf-SQUID耦连器进行偏置。

在某些实施方案中，该第一SQUID耦连器是一种dc-SQUID耦连器。该dc-SQUID耦连器被配置为在第一与第二通量器件之间提供铁磁耦连或者反铁磁耦连。在某些实施方案中，该dc-SQUID耦连器是对称的并且由一个通量偏置装置和电流偏置装置来调整。在某些实施方案中，该dc-SQUID耦连器是不对称的并且由一个通量偏置装置进行调整。在某些实施方案中，该结构进一步包括多个通量器件，该多个通量器件包括该第一和第二通量器件以及多个SQUID耦连器。每个SQUID耦连器都感应性地耦连至该多个通量器件中的一对不同的通量器件，并且该多个SQUID耦连器包括前述的第一SQUID耦连器。每个SQUID耦连器都具有在0.5与2之间的一个无量纲的感应值。在某些实施方案中，该多个SQUID耦连器中的每个SQUID耦连器均被配置为在其对应的一对通量器件之间提供铁磁的或者反铁磁的耦连。

本发明的另一个方面提出一种结构，包括一个第一和第二通量器件，其中有一个第一耦连器电耦连到每个通量器件上。该第一耦连器包括多个Josephson结并且配置为在该通量器件之间提供铁磁的或者反铁磁的耦连。在某些实施方案中，该第一和第二通量器件各自包括在一个超导环路中的三个Josephson结。

在某些实施方案中，该第一耦连器包括在一个超导环路中的三个Josephson结以及可以调整通过该超导环路的通量的一个外部的通量偏置。在某些实施方案中，该第一通量器件是跨该第一耦连器的一个第一Josephson结进行电连接，并且该第二通量器件是跨该第一耦连器的一个第二Josephson结进行电连接。可以调整该外部的通量偏置以便在该第一和第二通量器件之间提供零耦连并且可以将该耦连从铁磁调整为反铁磁，并且反之亦然。

在某些实施方案中，该第一耦连器包括一个第一电线与一个第二电线之间的一个第一交叉、该第一电线与一个第三电线之间的一个第二交叉、该第二电线与一个第四电线之间的一个第三交叉和该电线与该第四电线之间的一个第四交叉。每个电线包括一个Josephson结并且该第二和第三电线相互跨越而不形成电接触。每个交叉进一步与一个电流偏置处于电联通。在某些实施方案中，调整该第二和第三电流偏置以提供与第一和第四电流偏置所提供的电流相反的电流，并且在该第一和第二通量器件之间的耦连是铁磁的。在其他的实施方案中，该第三和第四电流偏置被调整为提供与由第一和第二电流偏置所提供的电流相反的电流并且在该第一与第二通量器件之间的耦连是反铁磁的。在某些实施方案中，由每个电流偏置所提供的电流的幅值是相等。

在某些实施方案中，该结构进一步包括多个通量器件，其中该多个通量器件包括该第一和第二通量器件。该结构还包括多个耦连器，该多个耦连器包括该第一耦连器，其中每个耦连器电耦连到该多个通量器件中不同的一对通量器件。每个此类耦连器包括多个Josephson结。在某些实施方案中，该多个耦连器中的每个耦连器被配置为在其相应的一对通量器件之间提供铁磁的或反铁磁的耦连。

附图说明

图1A示出根据本发明的一个实施方案的一种双耦连方案中的两个信息器件。

图1B和1C示出根据本发明的各个实施方案的耦连器件或者耦连元件。

图2示出根据本发明的另一个实施方案的一种双耦连方案中的两个信息器件。

图3示出使用一种根据本发明的一个实施方案的双耦连方案相互耦连在一起的信息器件的一个二维阵列。

图4示出使用一种根据本发明的另一个实施方案的双耦连方案相互耦连在一起的信息器件的一个二维阵列。

图5示出根据本发明的一个实施方案使用了一个rf-SQUID的在通量器件之间的可调的耦连。

图6示出根据本发明的一个实施方案施加的一个rf-SQUID的总通量相对外部通量的图表。

图7示出根据本发明的另一个实施方案使用一个dc-SQUID的在通量器件之间的可调整的耦连。

图8根据本发明的一个实施方案的用于一个dc-SQUID的标准化的外部电流偏置对比外部通量偏置的一个图表。

图9示出根据本发明的一个实施方案使用直接Josephson结耦连的信息器件之间的一种可调的耦连。

图10示出根据本发明的一个实施方案使用直接Josephson结耦连的信息器件之间的另一种可调的耦连。

图11示出根据本发明的一个实施方案的一种制造方法。

在这些附图的全部几个视图中相同的标号均表示对应的部分。

具体实施方式

根据本发明提供了用于耦连信息器件的耦连器件。此类耦连器件能够在一种开(耦连的)状态与一种关(退耦的)状态之间调整该信息器件的耦连。该耦连的状态既可以是铁磁的(负的)也可以是反铁磁的(正的)。可以通过多种方式中的任何一种来控制该耦连器件，包括通过一种磁通量源或者一种电流源，从而可以实现以上说明的耦连体系。根据本发明，一种包括多个信息器件和耦连器件的集成电路可以用于计算对优化问题的解或者逼近优化问题的解。例如，参阅美国专利申请公开号2006/0225165，题为AnalogProcessor with Quantum Devices”2004年12月23日提交。

根据本发明，一个信息器件包括由一个或者多个Josephson结间断的一个超导环路。一个信息器件能够存储二进制的信息。在本发明的某些实施方案中，该信息器件是能够存储和处理二进制量子信息的的通量器件。如以上说明，通量器件是所属领域内允分公知的。在本发明的某些实施方案中，信息器件和通量器件包括相同的部件。

根据本发明的某些实施方案的耦连器件以开和关的状态起作用，独立于它们所耦连的信息器件的特性。根据本发明的某些实施方案的通量器件以相同于通量量子位的方式存储二进制信息，但是不同于通量量子位之处在于它们不需要在长的时间段相干地存储 量子信息。取消对长相干时间的需要降低了对器件制造的限制并且提高了芯片的产出。

根据本发明，这些耦连器件在一个温度范围上工作。为了使相干时间最大化，超导装置频繁地运作在一种超低温的环境中，范围在约5毫凱尔文(mK)至约70mK。这样的低温降低了来自环境的噪音并且因此有助于量子信息的相干存储和处理。在本发明的某些实施方案中，由多个信息器件和耦连器件构成的一个或者多个集成电路(例如10个或者更多的信息器件和相关联的耦连器件，等等)是在高于通常运行常规超导装置的(约5mK至约70mK)的温度下运作。例如，在某些实施方案中，该一个或者多个集成电路是在从约5mK到约4K的范围的环境中运作。当该信息器件在该温度范围内运作时，存在各种量子效应，譬如不相干的量子隧道效应，并且对计算起作用。该一个或者多个集成电路的运作温度低于构成该集成电路的信息器件和耦连器的超导金属的临界温度。例如铝或者铌可以用于此类集成电路中。这些元件分别具有约1.2K和9.3K的临界温度。在本发明的某些实施方案中，在一个或者多个集成电路中的该信息器件和/或耦连器是用不同的超导材料制造，并且该最高工作温度由用具有最低的临界温度的材料所制造的信息器件和/或耦连器件来决定。

根据本发明，详细地说明了用于这些超导通量器件的可控制耦连的新颖的结构和方法。在本发明的某些实施方案中，使用了两个超导量子干涉器件(SQUID)以一种可调整的方式将两个通量器件耦连，该方式允许转换耦连符号。该耦连符号决定了该耦连是否为铁磁的还是反铁磁的。在本发明的一个方面，提出了包括多个信息器件的通量器件阵列(例如10个或者更多个信息器件，等等)，其中该多个信息器件的全部或者一部分由一个可调整的耦连器件耦连到该多个信息器件中的至少一个其他的信息器件上。在本发明的 一个方面中，表明了如何运作此类耦连器件以转换耦连符号，并且在希望时，完全地关断该耦连，

在本发明的一个实施方案中，使用了一个耦连器SQUID来耦连两个rf-SQUID。在这样一种安排中，由该耦连器SQUID耦连的rf-SQUID起信息器件的作用并被称为通量器件rf-SQUIDS。该耦连器SQUID既可以是一种dc-SQUID或是一种rf-SQUID。在本发明的一个实施方案中，一个耦连器rf-SQUID是一种单稳态的rf-SQUID或者一种双稳态的-SQUID。在本发明的一个实施方案中，一个耦连器dc-SQUID是一种对称的dc-SQUID或者一种非对称的dc-SQUID。

在本发明的一个实施方案中，使用了一种具有多个Josephson的结的耦连器件对两个通量器件进行电耦连。该耦连器件在该通量器件之间提供铁磁的耦连或提供反铁磁的耦连，并且进一步被配置为决定该通量器件之间的耦连强度。在某些实施方案中，该耦连器件由一个外部的通量偏置来调整并且包括由三个Josephson结间断的一个超导环路。在某些实施方案中，该耦连器件包括以跨线设计安排的并且由四个外部的电流偏置调整的四个Josephson结。

一个梯度计式的通量器件是对施加于该装置表面积上的均匀磁场不灵敏的一种信息器件。一个梯度通量器件包括由一个或者多个Josephson结间断的至少一个超导材料的环路。在该梯度计式的通量器件中的至少一个环路可以包括一个或者多个叶。一个给定的环路中的每个叶相对于该环路中的相邻的叶被翻转从而在该环路中流过的超导电流将在一个叶中沿一个方向而在另一个叶中沿相反的方向循环。在一个梯度计式的通量器件中的每个叶可以与其他的叶处于电联通，这指得是电流可以从一个叶流到另一个叶。穿过一个超导环路的磁场将感应出沿一个方向流动电流，该方向取决于 磁场的方向。在一个梯度计式的通量器件的每个环路都正好具有两个叶以形成一个叶对、并且这些叶对彼此相对被翻转的情况下，一个均匀地跨过该通量器件的磁场将作用在每个叶对的两个叶上以此在每个叶对中感应出相同方向的循环电路。在每个叶对的每个叶中产生的电流彼此相反并且因而抵消，结果是没有总电流。反之，一个不均匀的或者不对称的磁场会在一个叶对的一个叶上感应较强的电流，从而所生成的稳恒电流不抵消，造成一个净总循环电流。在一个梯度计式的通量器件具有偶数个叶的情况下，由一个均匀磁场引起的电流也如以上所说明的那样相互抵消。当一个有奇数个叶的通量器件暴露于一个均匀磁场的情况下，则需要一个或者多个外部的磁场偏置以便抵消掉所有的电流。在本发明的一个实施方案中，将具有偶数个叶的一个梯度计式的通量器件用作信息器件。

在本发明的某些实施方案中，每个信息器件都具有上述的梯度计配置。一个梯度计式的配置对于控制信息器件之间的耦连并降低跨该集成电路的噪音灵敏度是有用的。在本发明的某些实施方案中，该多个信息器件中的每个信息器件的每个叶均制造在一个超导芯片的同一个层上。在本发明的某些实施方案中的，每个叶制造在一个超导芯片的同一层上，但是该交叉区(这些叶彼此相对被翻转的区域)是制造在另一个层上，这可以用于平衡这些叶的感应值。在本发明的某些实施方案中，每个叶制造在分开的层中使得每个信息器件的一个叶制造在一个超导芯片的一个层上，而另一个叶制造在该芯片的一个不同的层上。根据本发明的一个实施方案，梯度计式的信息器件是在一个在约5mK与4K之间的温度环境中运作。该集成电路的工作温度低于构成该集成电路的超导体的临界温度。

图1A示出使用耦连器件110耦连两个超导信息器件的本发明的一个实施方案。在图1中，耦连器件110包括两个相互不电联通的耦连元件110-1和110-2。该新颖类型的耦连，包括如图1和2 中所示的两个耦连元件，在本文中称为双耦连方案。在某些实施方案中，信息器件101和102是通量器件，并且可以具有相同的结构和尺寸。在本发明的某些实施方案中，尽管信息器件101和102具有类似的结构和尺寸，由于制造的不完善性它们不是等同的。在本发明的某些实施方案中，信息器件101和102是梯度计式通量器件。在根据本发明的某些实施方案中，可以使用其他类型的信息器件101和102。图1A中的信息器件101和102示出一种梯度计式的通量器件的实施方案，其中每个器件具有包括两个叶的一个环路(信息器件101中的叶101-1和101-2，以及信息器件102中的叶102-1和102-2)。信息器件101和102只有一个环路因为图1中这些叶的角落在图1中它们相遇之处没有电连接。如在图1中所示，在信息器件101中的环路和在信息器件102的环路是被一个Josephson结120间断，这由一个X表示。每个环路中的Josephson结的位置可以在单个芯片上逐信息器件不同和在各芯片之间不同。在本发明的某些实施方案中，这些信息器件包括一个以上的Josephson结。

信息器件101和102由对角地置于通量器件101和102之间的耦连器件110耦连，如在图1A中所示。耦连器件110在信息器件101与102之间施加一个感应性的耦连。在本发明某些实施方案中，耦连器件110包括多个SQUID，譬如dc-SQUID或者rf-SQUID。在耦连器件110内部的每个元件(例如rf-SQUID或者dc-SQUID)可以相互独立地运作。

使用这两个元件110-1和110-2，可以有控制地耦连信息器件101和102。当耦连器件110包括dc-SQUID时，可以通过向相应的耦连元件(其中是每个相应的耦连dc-SQUID)施加一个偏置电流或者通过在相应的耦连元件环路中改变磁通量来得到可控制的耦连。当耦连器件110包括rf-SQUID时，可以通过改变每一相应的耦连元件的SQUID环路中的磁通量实现可控制的耦连。在某些实 施方案中，在耦连器件110中的一个耦连元件是一个dc-SQUID而另一个耦连元件是一个rf-SQUID。其中类施方案中，可控制的耦连是通过施加一个偏置电流或者通过改变该dc-SQUID的磁通量并且通过在该rf-SQUID的SQUID环路内改变磁通量来实现。

根据本发明某些实施方案的示例性耦连元件110示于图1B和1C中。在图1B中，一个示例性耦连元件110包括一个rf-SQUID，后者包括一个由Josephson结110-B间断的超导材料的环路110-A。在所示的实施方案中，可控制的耦连通过控制穿过该rf-SQUID的磁通量来实现。图1B的耦连器件进一步包括一个用于使磁通量穿过环路110-A的一个通量偏置源110-C。在某些实施方案中，通量偏置源110-C包括一个金属环路，该金属环路被放置为使之感应性地耦连到超导环路110-A上。该耦连元件的耦连状态可以通过改变通量偏置源110-C中的电流来控制。当一个电流施加到通量偏置源110-C时，产生一个穿过超导环路110-A的磁场。在某些实施方案中，该磁通量可以用于控制图1B的耦连元件110的耦连状态。在某些实施方案中，可用于控制图1B的耦连元件110的磁通量是在少至约-10*Φ₀到多至约+10*Φ₀的范围，其中Φ₀是该通量的量子。控制图1B的耦连元件110所要求的磁通量取决于该器件的特性，譬如超导环路110-A的尺寸和Josephson结110-B的特性。在某些实施方案中，超导环路110-A具有从约1平方微米到约10,000平方微米的尺寸范围。在某些实施方案中，Josephson结110-B具有约0.1微米到约50微米的尺寸范围。在某些实施方案中，超导环路110-A用铌制造。在某些实施方案中，超导环路110-A用铝制造。在某些实施方案中，超导环路110-A用制造在一个硅衬片上的超导体制造。

图1C示出根据本发明的另一种耦连元件110。图1C的耦连元件110包括一个DC-SQUID，该DC-SQUID包括由两个Josephson 结110-B1和110-B2间断的一个超导材料环路110-A。图1C的耦连元件110进一步包括两个偏置引线110-C1和110-C2用于经耦连元件110施加一个偏置电流。在某些实施方案中，图1C的耦连元件110的特性与图1B的耦连元件110的特性基本相同。Josephson结110-B1和110-B2可以与Josephson结110-B尺寸相同也可以不同。图1C的耦连元件110可以通过施加一个跨引线110-C1和110-C2偏置电流来控制，并且还类似于图1B的110-C通过一个通量偏置(这在图中未示出)来控制。

在本发明某些实施方案中，对于控制本发明的dc-SQUID的耦连有用的偏置电流的幅值是在约1个微微安(pA)至约10毫安(mA)的范围。Josephson结110-B1和110-B2的一个特性是其临界电流。一个Josephson结的临界电流是超过该值时该结开始击穿库伯对的电流幅值。一个Josephson结的临界电流还被定义为跨该结的电阻上升的并且相反地低于它时该结是超导的且具有近于零的电阻的最低电流。在本发明某些实施方案中，所施加的该偏置电流低于Josephson结110-B1和110-B2的临界电流。

图1的每个耦连元件110都具有一个无量纲的感应值，即β＝2πLI_c/Φ₀，其中L是该元件的感应值，I_c是该元件的临界电流，而Φ₀是通量量子。该无量纲的感应值还可以写成β＝L/L_j，其中L_j＝Φ₀/2πI_c称为Josephson感应值。该无量纲的感应值决定了该耦连元件110是否为单稳态(β＜1)或双稳态(β＞1)。单稳态指得是耦连元件110的势能只有一个最小量，而双稳态指得是该势能有两个最小量。为了耦连的目的，在本发明中优选耦连元件110不是双稳态的。然而，β越低，耦连强度就越低，从而β不应当是远低于1。在本发明某些实施方案中，耦连元件110的无量纲的感应值在0.5至2之间。在本发明某些实施方案中，耦连元件110的感应值与其 Josephson感应值在相同的数量级，在意味着该无量纲的感应值大致是一。

参见图1A，在本发明的一个实施方案中，耦连器件110是足够紧密地接近信息器件101的叶101-2以便耦连到该叶上。耦连元件110-1紧密地接近信息器件102的叶102-1而耦连元件110-2紧密地接近信息器件102的叶102-2。其中，当该元件或者器件(例如SQUID或者SQUID的环路)的距离为使得两个元件或者器件之间的耦连强度不可忽略时，该元件或者器件即处于相互紧密地接近。如果使用常规的测量装置可以测出时就认为一个耦连强度是不可忽略的。在图1A中，耦连器件110被耦连到信息器件101的相同的叶上然而耦连到信息器件102的不同的叶。在本发明某些实施方案中，耦连器件110的耦连元件与信息器件的各个叶之间的耦连都是反铁磁的。然而，并不要求此类耦连都是反铁磁的。在某些实施方案中，信息器件101和102之间的耦连既可以是铁磁的也可以是反铁磁的。

如以上所述，在某些实施方案中，信息器件101和102是梯度计式的通量器件。在某些实施方案中，如在图1A中所示的可以用于量子计算结构中的梯度计通量器件在每个叶中具有两个配置。以图1A为参照，这些配置对应于绕每个叶循环的顺时针130和逆时针140的电流。  当存在时，顺时针130或者逆时针140电流将会流动的方向示于图1A中绘出的信息器件的每个叶中。然而，此类电流方向的图示并不应解释为意味着此类电流总存在于这些叶中。

图1A中的信息器件101和102在每个叶中具有不同的电流配置，因为这些信息器件是用一个超导材料的环路制造。例如，在信息器件101中，叶101-1可以具有顺时针循环的电流130而叶101-2具有逆时针循环的电流140，或反之亦然。相反地，例如，在信息 器件101中，叶101-1可以具有逆时针循环的电流140而叶101-2具有顺时针循环的电流130。这对信息器件102也适用。从而，通过使用耦连元件110，信息器件101的叶101-2可以被耦连到信息器件102的一个叶上，该叶既可以有相同的也可以有相反的循环电流方向。取决于耦连的电流方向是相同的还是相反的，可以实现铁磁的或者反铁磁的耦连。例如，考虑叶101-2具有一个顺时针130循环的电流配置而从而叶101-1具有逆时针140循环的电流的情况。此外，在某些实施方案中，叶102-1具有顺时针130循环的电流而叶102-2具有逆时针140循环的电流。从而，当打开耦连元件110-1同时关闭耦连元件110-2时，信息器件101铁磁地耦连到信息器件102。另一方面，当耦连元件110-2是开同时耦连元件110-1是关时，于是通量器件101反铁磁地耦连到信息器件102。从而，以此方式，转换耦连元件110-1和110-2的开/关状态可以进行信息器件101和102的耦连类型在反铁磁的耦连与铁磁的耦连之间的转换，并且反之亦然。

在以上的实例中，耦连器件110中的耦连元件也可以通过这样的一种方式来偏置：耦连元件110-1提供反铁磁的耦连并且耦连元件110-2提供铁磁的耦连。在本发明某些实施方案中，耦连装置110可以被偏置为使得这两个元件都要么只提供铁磁的耦连，要么只提供反铁磁的耦连。

在一些优选的实施方案中，当两个耦连元件110-1和110-2均为关时，信息器件101和102相互不耦连。信息器件101和102可以共享通过他们的叶上的某些通量，然而由直线1-1’和2-2’所表示的图1中信息器件的总体正交性防止了它们之间的耦连。例如，信息器件101中的叶101-2可以被直接感应性地耦连到叶102-1和102-2。该耦连的强度与r^-2大致成正比，其中r是叶间距离。此处，两个叶之间的叶间距离被定义为两个叶的中心之间的距离。当将耦 连装置110的耦连强度设置为零时，叶101-2将被反铁磁地耦连到信息器件102的这两个叶上。然而，假定信息器件101和102的物理参数相同，这两个耦连在强度上相等并且因此相互抵消而得出零的净耦连强度。但是，由于信息器件101和102物理参数上的差异(例如，装置制造时的不完善性引起的差异)，信息器件101-2和与通量器件102的一个叶之间的耦连可能稍强于叶101-2与信息器件102的其他叶之间的耦连。因此在器件101与102之间可能存在一个可感觉到的残余耦连。可以通过将装置101和102间隔得更远些，由此增加r使该残余耦连变得较小。

当两个耦连元件110-1和110-2均为开时，也可能有耦连抵消。其中情况下，耦连器件110将促进铁磁的和反铁磁的耦连。可以调整这些耦连使它们具有相等的强度并且因此可以抵消掉。调整一个耦连包括个别调整这些耦连元件，在本发明某些实施方案中该耦连元件可以是SQUID。当通量器件不是正好相同(例如，由于制造上的不完善性)时该调整也可以起作用。当这些耦连不是正好相等的情况下，在该通量器件之间可能存在小的残余耦连。在本发明某些实施方案中，该耦连器件110以这样的一致方式进行偏置从而抵消系统中的所有残余耦连，并且因此使信息器件101和102完全退耦。换言之，耦连器件110的强度可以调整为从而抵消以上说明的残余耦连。

还可以为了并非耦连抵消的原因使耦连元件110-1和110-2为开。在本发明某些实施方案中，当两个耦连元件均为开时，可以用一个耦连元件耦连信息器件101和102，同时可以用另一个耦连元件引起一个局部的磁场，可以用该局部的磁场偏置该信息器件之一。在本发明某些实施方案中，还可以用耦连器件110读出一个它与之耦连的信息器件的状态。

在本发明某些实施方案中，信息器件101和102之间的耦连强度可以调整。就是说，通过改变耦连元件110-1或110-2之一的偏置条件，可以调节信息器件101与102之间的铁磁的或者反铁磁的耦连的强度。在系统100的该哈密尔顿算子中， 

代表信息器件101与102之间的“西格玛z”耦连而J是一个前因子，表明信息器件101与102之间相互作用的强度。当J＞0时，信息器件101与102之间的耦连是反铁磁的，具有较高的J意味着一个较强的反铁磁的耦连。当J＜0时，通量器件101与102之间的耦连是铁磁的，具有较低的J意味着较强的铁磁的耦连。当J＝0时，耦连器件110不提供信息器件101与102之间的附加的耦连。在本发明某些实施方案中，通过适当的调整耦连器件110使耦连器件的耦连强度可以从J＝1至J＝-1连续地或者近似连接地改变。

耦连元件110-1和110-2还可以感应性地相互耦连。然而，对于系统100的运作这种耦连是可忽略的。在本发明某些实施方案中，耦连元件110-1和110-2被制造为使它们之间的感应性的耦连最小化。

图2示出本发明的另一个实施方案。在根据图2的某些实施方案中，系统200的信息器件201和202是通量器件。事实上，在图2中，信息器件201和202被描述成梯度计通量器件并且按一种规则的栅格图案安排而不是按图1的对角图案安排。信息器件201和202两者都有两个叶，该两个叶各持一种循环的电流配置和至少一个Josephson结220。当存在时，顺时针130或逆时针140电流将会流动的方向示于图2中绘出的信息器件的每个叶中。然而，此类电流的方向的图示不应解释为意味着此类电流总存在于这些叶中。

信息器件201和202与图1的信息器件的区别在于信息器件201和202不是用一个连续的环路制造。取而代之的是，在两个信 息器件201和202中，包括至少一个Josephson结220的一个中央支腿连接在一个环路的两个对置的点上。从而，在信息器件201中，没有对叶201-1中的电流相对于叶201-2的方向加以限制。类似地，在信息器件202中，没有对叶202-1中的电流相对于叶202-2的方向加以限制。相反，在信息器件101和102的各个叶中，电流只能够在其两个叶中沿相反的方向流动。在本发明某些实施方案中，每个信息器件(201和202)的中央支腿都包括一个dc-SQUID，后者包括两个Josephson结。

在根据图2的本发明的一个优选的实施方案中，信息器件201和202具有在其对应叶中沿相反的方向流动的电流。就是说，每个信息器件都有在其两个叶中相反的电流，这可以用于代表该信息器件的本征状态，或者说量子状态。因为系统200的物理状态具有这种形式的电流，可以对此类信息器件可采用一种双耦连方案，如以下所说明。

耦连元件110-1和110-2将通量器件201和202耦连在一起。系统200的运作等同于图1中所示的系统的运作。就是说，当叶202-1和202-2具有相反的电流配置时，可以将叶201-2铁磁地或者反铁磁地耦连到通量器件202。这通过转换耦连元件110-1和110-2开或关来进行，如上文参照图1所说明。

可以理解，在上述的双耦连方案中可以使用不同于通量器件101或者通量器件201的通量器件。在本发明的一个优选的实施方案中，该双耦连方案中使用的信息器件的类型是一种梯度计式的通量器件。在本发明某些实施方案中，该双耦连方案中使用的信息器件是另一种类型的通量器件。还可以理解耦连元件110-1和110-2的形状不限于在图1和2中所绘的形状。

图3示出信息器件101和102的一个二维(2D)阵列300的集成电路示意图，这些信息器件用以上参照图1说明的双耦连方案耦连到其最近的邻居。阵列300是图1的系统100的一种扩展。阵列300中的信息器件101和102被绘成为梯度计通量器件，然而同样也可以使用其他的通量器件。在该阵列内部的每个器件都耦连到四个相邻的器件。根据本发明，通过将不同的耦连元件转换开或关，可以将阵列300中的一个装置铁磁地或者反铁磁地耦连到其邻居中的任何一个上。在本发明某些实施方案中，一个要求解的问题的哈密尔顿算子可以映射到该器件的阵列上。因此阵列300可以模拟该哈密尔顿算子并且提供关于该问题的信息或者对该问题的解。在本发明某些实施方案中，阵列300被设计为只求解一个哈密尔顿算子。

图4示出用以上结合图2说明的双耦连方案耦连在一起的信息器件的一个2D阵列400。阵列400是图2所示的系统的一种扩展并且以相同的方式运作。阵列400中的每个装置都可以铁磁地或者反铁磁地耦连到其所有的四个最近的相邻装置上。

可以理解，尽管阵列300和400是采用上述双耦连方案的信息器件的2D阵列的特定实施方案，其他类型的阵列也是可能的。例如，在本发明的一个实施方案中，可以有对三个最近的邻居的双耦连的信息器件的一个2D阵列。在本发明某些实施方案中，被耦连的邻居的数量大于四。在本发明某些实施方案中，该阵列是一种线性阵列并且每个信息器件都耦连到其两个最近的邻居上。在某些实施方案中，信息器件的2D阵列，譬如在图3和4中所示的那些，包括十个与一万个之间的器件，五十个以上的器件、100个以上的器件，或者少于两千个器件。

可调通量变换器

在本发明的一个方面中，用于铁磁地或者反铁磁地耦连信息器件的耦连器件只包括一个耦连元件。具体地，一个单稳态的rf-SQUID或者一个dc-SQUID可以调配两个相邻的信息器件之间的一种感应性的耦连。SQUID的灵敏度对外部通量的非同凡响的依从性使之有可能连续地将感应的耦连从反铁磁的调整到铁磁的。尤其是，对于适当的参数，该感应的铁磁的耦连可以大到足以克服该信息器件之间任何可能的直接反铁磁的感应性耦连。在本发明某些实施方案中，用一个单个的rf-SQUID或者一个单个的dc-SQUID将两个信息器件耦连在一起，其方式是允许该耦连的类型可以从铁磁的转换成反铁磁的，反之亦然。在本发明某些实施方案中，该信息器件是通量器件，譬如rf-SQUID或者稳恒电流量子位。

图5示出三个rf-SQUID 510-a、510-b和510-c。每个rf-SQUID都由被一个Josephson结(由该环路中的X表示)所间断的一个超导材料环路构成。为了方便，这些rf-SQUID按一个排绘出。在图5中，rf-SQUID 510-b是一种可控耦连开关并且布置在rf-SQUID510-a与rf-SQUID 510-c之间。在本发明的一个实施方案中，rf-SQUID 510-b可以由一个用于控制rf-SQUID510-a与510-c之间的耦连相互作用的总耦连开关或者耦连器件所替代。一个总耦连开关的实例是一种通量变换器。这些rf-SQUID感应性地相互耦连。在本发明某些实施方案中，rf-SQUID 510-a和510-c被用作信息器件。这些rf-SQUID 510有循环超导电流以及相关联的通量，该通量可以用其方向加以标记，譬如↓和↑。

在本发明的实施方案中，rf-SQUID 510-b是单稳态的，意味着该rf-SQUID的势能只有一个最小值。这可以或通过用小于由rf-SQUID 510-b的Josephson结所限定的一个临界值的一个无量纲 的感应值以接近于整数个量子的一个通量对rf-SQUID 510-b进行偏置来达到，或对于任何通量偏置通过使rf-SQUID 510-b让该无量纲的感应值在1左右或者小于1来达到。该无量纲的感应值定义为β_b＝4e²L_bE_b(其中， 

；按照SI单位，β＝2πLI_c/Φ₀)，其中L_b是感应值并且E_b是rf-SQUID 510-b的Josephson能量。该无量纲的感应值的取值可以通过降低E_b同时保持rf-SQUID 510-b的环路的面积并且因此保持可察觉的感应性耦连来达到。当在一个耦连到其上的装置上产生一个可测出的效果时就认为该感应性的耦连是可察觉的。在本发明某些实施方案中，rf-SQUID 510-b的环路面积的范围在约1平方微米到约10,000平方微米。降低E_b对应于降低rf-SQUID 51-b的临界电流。例如，降低临界电流可以通过在制造时降低其临界电流密度来达到，或者通过降低rf-SQUID的Josephson结的交叉面积来达到。在某些实施方案中，rf-SQUID的临界电流在约1pA与约10mA之间。当需要时，可以跨该rf-SQUID510-b中的Josephson结安置一个旁路电容在将rf-SQUID保持在该通量系统中。

在本发明的一个实施方案中，rf-SQUID 510-b具有一个略小于一的无量纲的感应值以确保单稳态性和一种强耦连。在本发明的一个实施方案中，rf-SQUID 510-b具有在0.5与2之间的一个无量纲的感应值。在本发明的一个实施方案中，rf-SQUIDs 510-a和510-c具有在大于1却小于2的无量纲的感应值。

图6示出模拟一个rf-SQUID譬如rf-SQUID 510-b的总通量相对于所施加的外部通量(φ_b ⁰对φ_b ^x)的一个图表600。此类图表在下文中称为S-曲线。图6的轴线用无量纲的相位单位φ表示，并且是按照所施加的磁通量表达为φ＝2π*(Φ/Φ₀)，式中Φ是施加的外部通量或者取决于图6的相应的轴线的总通量。该外部通量施加在该 rf-SQUID环路上，并且在该总通量与外部通量之差是由rf-SQUID中的电流表示。例如，曲线610对应于感应值是零的(β_b＝0)情况，并且是对一个开放环路所期望的一条45度线。

图6中的曲线620代表其中rf-SQUID 510-b的感应值显著小于1(β_b＜＜1)但是不是零的情况。如果通量器件510-a从↑翻转到↓，于是，由于SQUID 510-a与510-b之间的互感，这有效地增加rf-SQUID 510-b的外部通量。对于接近于零的一个外部通量，该S-曲线具有小于一的斜率，从而该增加部分地由沿↓方向的rf-SQUID510-b的自通量部分地屏蔽。从而，其中类情况下，rf-SQUID 510-b起一种对于通量器件510-c的↑-偏置的作用。从而其中情况下rf-SQUID 510-b在rf-SQUID 510-a与510-c之间提供反铁磁的耦连。相反，当rf-SQUID 510-b的外部通量接近于Φ₀/2时，rf-SQUID 510-b的物理特性以相反的方式起作用。这里，该S-曲线具有大于1的斜率(参见图6的曲线620)，从而该自通量完全不屏蔽而是实际上与外部通量中的增加相协作。从而，rf-SQUID 510-b的符号改变成铁磁的。

在本发明的一个实施方案中，一个rf-SQUID耦连器被配置为通过向rf-SQUID耦连器施加一个外部的磁场来提供铁磁的或者反铁磁的耦连。在本发明的一个实施方案中，该外部的磁场具有一个接近于零的通量并且该耦连是反铁磁的。在本发明的一个实施方案中，该磁场具有一个接近于Φ₀/2的通量并且该耦连是铁磁的。在本发明的一个实施方案中，一个通量偏置器件感应性地耦连到该rf-SQUID耦连器上并且该通量偏置器件提供上述的外部磁场。在本发明某些实施方案中，约为-5*Φ₀与约+5*Φ₀之间的一个磁场被施加到该耦连器件，精确度是±0.2*Φ₀或更低的值，其中Φ₀是通量量子而Φ₀＝2.067×10^-15韦伯(Wb)。

图7示出由dc-SQUID 710-b耦连的两个信息器件710-a和710-c。如图7中所示的信息器件710-a和710-c是rf-SQUID，但是它们可以是任何其他的基于通量的信息器件。Dc-SQUID 710-b包括在一个超导环路中的两个Josephson结，有两个端子711位于在这些结之间。尽管图5的rf-SQUID耦连器510-b只有一个通量偏置，图7的dc-SQUID耦连器710-b可以是通量偏置的或者是电流偏置的。可以通过经端子711向dc-SQUID 710-b施加一个电流来提供电流偏置。可以通过紧密接近dc-SQUID的环路的一个感应电流环路来施加通量偏置。

适当的电流和通量偏置的调整可以调解由dc-SQUID 710-b提供的耦连以便可控制地调整该耦连的强度、关断该耦连，或者转换该耦连的符号。考虑对dc-SQUID 710-b的外部电流偏置用I_b表示并且外部的通量偏置用φ_b ^X表示的情况。而且β_b远小于1(然而，该情况可以延伸到较高的β_b值)。如果该dc-SQUID是对称的，意味关它具有相同的或者近于相同的Josephson结，该dc-SQUID可以提供铁磁的耦连，条件是 ${\cos }^2({\mathrm{\&phi;}}_b^X/2)<|I_b/{2I}_c|<\left|\cos ({\mathrm{\&phi;}}_b^X/2)\right|,$ 其中I_c是dc-SQUID 710-b中的Josephson结的临界电流。如果该通量偏置是零，就没有可以提供铁磁的耦连的电流偏置值。当  ${\cos }^2({\mathrm{\&phi;}}_b^X/2)>|I_b/{2I}_c|$ 时达到反铁磁的耦连。当 ${\cos }^2({\mathrm{\&phi;}}_b^X/2)=|I_b/{2I}_c|$ 时，该耦连等于零。因此，对于一个对称的dc-SQUID，电流偏置和通量偏置都需要，以便转换该耦连的符号。

图8示出在对称的dc-SQUID情况下β_b的限度远小于一时对应于以上计算的不等式的图表。水平轴是外部的通量偏置φ_b ^X，而竖直轴是标准化的外部电流偏置I_b/2I_c。曲线801是下限cos²(φ_b ^X/2)，而曲线802是上限cos(φ_b ^X/2)。从而在曲线801内部的区域代表将 提供反铁磁的耦连的通量和电流偏置的范围，以紧接近原点的区域具有最强的反铁磁的耦连。曲线801本身代表得出零耦连的通量和电流偏置的轮廓。由曲线801和802界定的区域代表会提供铁磁的耦连的通量和电流偏置的范围。当通量和电流偏置离开曲线801而移向曲线802，该铁磁的耦连就变得更强。然而，一旦该偏置达到曲线802本身，该Josephson结就转换到电压状态并且该铁磁的耦连变得不稳定。因此，对dc-SQUID耦连器的偏置不应当超过曲线802之外。可以看到，对于铁磁的耦连需要一种非零的通量偏置(φ_b ^X≠0)。

对于一个不对称的dc-SQUID，不需要电流偏置来调整该耦连的强度和符号，因为只用通量偏置就可以转换该耦连的符号。例如，当dc-SQUID中的一个Josephson结被短路时(例如其Josephson能量是无限大)，于是该dc-SQUID基本上是一个rf-SQUID，前文已经表明该rf-SQUID具有不使用电流偏置转换该耦连的符号的能力。在本发明某些实施方案中，dc-SQUID耦连器710-b是对称的并且既有一个电流偏置也有通量偏置。在本发明某些实施方案中，dc-SQUID耦连器710-b是非对称的并且只有一个通量偏置。在本发明某些实施方案中，dc-SQUID耦连器710-b也被配置为读出信息器件710-a和710-c中任何一个的状态。

在本发明的一个实施方案中，dc-SQUID 710-b具有略小于一的一个无量纲的感应值以确保单稳态性和一种强耦连。在本发明的一个实施方案中，dc-SQUID 710-b具有在0.5与2之间的一个无量纲的感应值。

在本发明某些实施方案中，当图5或者7之一中的耦连器件(rf-SQUID 510-b或者dc-SQUID 710-b)被关断时，这些信息器件(510-a与510-c，或者710-a与710-c)之间不存在耦连。在本发 明某些实施方案中，当耦连器件被关断时在该信息器件之间还有直接的感应性的耦连。其中情况下，可以用一个通量偏置器件或者电流偏置器件将该耦连器件调整到特定的值以此将该直接感应的耦连抵消为零。

在本发明某些实施方案中，一个信息器件的阵列使用可调的通量变换器，譬如rf-SQUID 510-b或者dc-SQUID 710-b，作耦连器件。在本发明的一个实施方案中，该信息器件阵列是二维的并且在该阵列内部的每个器件都用rf-SQUID或者dc-SQUID耦连器耦连到其四个最近的相邻通量器件上。在本发明的一个实施方案中，该信息器件的阵列是一个一维的链，具有置于每个器件之间的该rf-SQUID或者dc-SQUID耦连器。可以理解，该信息器件的阵列和其对应的耦连器的其他安排是可能的。

直接的Josephson结耦连

在本发明的一个方面，电耦连到两个信息器件一个或者多个Josephson结(例如感应性地耦连或者电容性地耦连)能够可调整地将两个信息器件耦连到一起。该可调的耦连可将该耦连的符号从铁磁的转换到反铁磁的，并且反之亦然。在本发明某些实施方案中，用电连接的Josephson结将多个信息器件耦连在一起。

图9示出使用此类直接Josephson结耦连的一个系统900。信息器件901和902是在一个超导环路中包括三个Josephson结的通量器件，但是不必限制于这样一种结构。耦连器件910包括安排在一种交叉环路设计中的四个Josephson结，该设计将通量器件910和902电连接在一起。耦连器件910还包括四个可以为该耦连器件提供一种电流偏置的电线911。在耦连器件911中的Josephson结在尺寸上比通量器件901和902的Josephson结大。在本发明的一个 实施方案中，没有穿过该耦连器件910的磁通量，这意味着耦连器件910的交叉电线被制造为几乎相互叠放，但是在不同层上。

令电线911中的外部电流偏置对于电线911-1、911-2、911-3和911-4分别表示为I₁、I₂、I₃和I₄。对于这些电线911有广泛范围的可调整性，但是在作为一种耦连器件的耦连器910的运作过程中，该四个电线中的电流的总和必须等于零。电流可以流过耦连器件(911-1到911-4或者相反，911-2到911-3或者反之)的交叉电线或者或者流过耦连装置(911-1到911-2或者反之，911-3到911-4或者反之)的水平电线。取决于这些电线如何被偏置，既可以产生铁磁的耦连也可以产生反铁磁的耦连。流经该交叉电线的电流产生一种反铁磁的耦连，而流经该水平电线的电流产生一种铁磁的耦连。

产生两组有用的电流配置。第一组是I₁＝-I₂＝-I₃＝I₄＝I，其中I是在零与耦连器件910中的Josephson结的临界电流之间的一个任意电流值。I的幅值决定了耦连的强度。当以此方式偏置时，没有电流经过这些交叉电线，而是，相反地，电流经过这些水平电线。在该电流配置的情况下，铁磁的相互作用对反铁磁的相互作用占优势，并且因此通量器件901和902被铁磁性地耦连。该第二配置是I₁＝I₂＝-I₃＝-I₄＝I。在该情况中，电流经过这些交叉电线但是不流经这些水平电线。这在通量器件901和902之间产生一种净反铁磁的耦连。从而，通过电线911的适当的电流偏置，耦连装910可以调解在通量器件901和902之间的耦连的符号的转换。

在本发明某些实施方案中，不是在电线911中的所有电流偏置都必须具有相同的幅值，但是必须保持正确的符号。如果电流偏置的幅值接近但是不在幅值上相等，电流将既在交叉电线中也在水平电线中流动，既产生一种铁磁耦连成分也产生一种反铁磁的耦连成 分。然而，该电流偏置的符号将确保耦连器件将具有一个对电流的流向的主导优势，并且因此一种耦连将在强度上对其他的耦连占优势。在本发明某些实施方案中，电线911的电流偏置可以通过适当调整各个偏置来调整该耦连强度。在本发明某些实施方案中，可以选择电线911的电流偏置以提供两个信息器件之间的零耦连。

图10示出一个系统1000，该系统包括直接Josephson结耦连的另一个实施方案。在图10中，方框1001和1002代表信息器件并且可以具有多种不同的结构。例如，一种信息器件1001和/或1002的一个实施方案是图9中所示的该三Josephson结通量器件901(和902)。

耦连器件1010包括电连接到这两个信息器件1001和1002的一个超导环路中的三个Josephson结1010-1、1010-2和1010-3。通过适当的调整，耦连器件1010在信息器件之间既可以提供铁磁的耦连也可提供反铁磁的耦连。耦连器件1010经其超导环路由一个外部的通量偏置φ_b ^X偏置。当使用耦连器件1010时信息器件之间相互作用的哈密尔顿算子是

$H_{\mathrm{int}}=\frac{E_2\cos {\mathrm{\&phi;}}_b^x}{{4e}^2{E}_1{E}_3}{I}_a{I}_c---\left(25\right)$

式中E_j是Josephson结1010-1(E₁)、1010-2(E₂)、或者1010-3(E₃)的Josephson能量，I_a是通量器件1001的临界电流，并且I_b是通量器件1002的临界电流。因此，取决于该外部的通量偏置的值，该相互作用的符号可以被从正转换到负或者反之。这等同于从反铁磁的转换到铁磁的并且反之。还有，该耦连相互作用的幅值可以通过调整该外部的通量偏置来进行调整并且对于某些偏置的值可以使之为零。当 $\left|\mathrm{co}{s}^{{\mathrm{\&phi;}}_b^X}\right|=1$ 时该耦连强度是最大的，这对应于φ_b ^X 是π的整数倍。当 ${\cos }^{{\mathrm{\&phi;}}_b^X}=0$ 时该耦连强度是零，这对应于φ_b ^X为或π/2或3π/2的倍数。

在本发明的某些实施方案中，使用多个直接的Josephson结耦连器件将多个信息器件耦连在一起。此类器件的实例是图9中的器件910和图10中的器件1010。在本发明的某些实施方案中，两个耦连器件910和1010均用在同一电路中。在本发明的某些实施方案中，该多个通量器件包括一个二维栅格，该二维栅格具有用直接的Josephson结耦连器件耦连到其最近的邻居的通量器件。在其他的实施方案中，该多个通量器件包括一条一维的链，该一维链具有用直接的Josephson结耦连器件耦连到其最近的邻居的通量器件。

耦连器件制造中的变例

可以理解有许多制造本发明的各种实施方案的方式。这些制造方法在所属技术领域中是充分公知的。

可以用于本发明的一个特定的制造实施方案是使用两个层制造一个耦连器件的概念。通常，一个耦连器件的超导环路，譬如图5的rf-SQUID 510-b和图7的dc-SQUID 710-b是制造在一个超导芯片的一个单一的层上。就是说，该超导环路只包含在电路的一个层上。用该方式制造的超导环路可在芯片上占据一个相当量的可供使用的表面积(真实的资源)，其中区域处不能够放置其他电线或者器件。还有，这样一个设计不是完全有利的，因为在该超导环路与芯片的周围元件之间存在寄生电容。从而，需要将周围元件放置得离开该超导环路，这就在芯片上占据了更多的可供使用的表面积(真实的资源)。为了应对这些缺点，在本发明某些实施方案中，一个耦连器件的一段超导环路被制造在芯片上的一个分开的层上。例如，rf-SQUID 510-b被制造为使之包括耦连的到SQUIDS 510-a 和510-c的芯片的一个第一层上的两个小的开放环路。这些开放的环路由两个微条电线相互连接，一个在该开放环路的同一层上，而另一个在由通路连接到该第一层的一个第二层上，从而产生一个将SQUIDs 510-a和5109-c耦连在一起的一个连续的闭合环路。一个Josephson结存在于这些条中的一个上。在某些实施方案中，这两个微条被制造为一个直接在另一个之上。在某些实施方案中，该第二层是一个芯片的底板。在某些实施方案中，多个耦连器件用这种方式制造，以每个耦连器件中的一个开放环路占据一个层，而每个耦连器件中的另一个开放环路占据该多个耦连器件中的另一个层。

当以此方式制造该耦连器件时，减少了在芯片上由该耦连器件占据的可供使用的表面积(真实的资源)，因为已经有效竖直地转变了该耦连器件的超导环路。这样，在该芯片上可以放置更多的装置。该制造方法不妨碍将得出的耦连器件按本发明所阐述的方式来运作。还有，该配置减少了耦连器件中由超导环路产生的寄生电容。以下详细说明的是dcSQUID和rf-SQUID可以协助在两个rf-SQUID通量器件之间的耦连的解析实例。

实例1-通过一个rf-SQUID变换器的通量器件的可调耦连

图5示出可以如何地通过在rf-SQUID的经典势能处开始的一种解析来模拟三个rf-SQUID 510-a、510-b和510-c的动态特性，包括该耦连符号的可调整性。在本实例中，a、b、c-SQUID或者a、b和c分别表示rf-SQUID 510-a、510-b和510-c。下文中，在本实例中的a、b和c作为上标、下标，或者由一个连字符与一个值或者项连接，表示一个关于rf-SQUID 510-a、510-b和510-c的值。联系到这些rf-SQUID的各个值和数量包括但是不限于：

L，rf-SQUID感应值；

B，无量纲的SQUID感应值(按照SI单位，定义为等于2πLI_c/Φ₀，当 

时这变成4e²LE)；

C，该rf-SQUID的电容；

I_c，该rf-SQUID的临界电流；

E，该rf-SQUID Josephson能量(定义为 

)；

I_j，rf-SQUID 510-j的电流，其中j＝a，b，或c；

Φ_j，rf-SQUID 510-j的通量，其中j＝a，b，或c；

φ_j，无量纲的通量，其中j＝a，b，或c；

，施加于rf-SQUID 510-j的无量纲的外部通量‘X’，其中j＝a，b，或c；

φ_tot，一个rf-SQUID的总通量，

M_ij，互感，其中i、j＝a，b，或者c等等。

如在图5中所示，考虑三个rf-SQUID 510-a、510-b，和510-c。该rf-SQUID510-a和510-c是被退化性偏置的通量器件，而510-brf-SQUID中一个耦连元件，可以通过一个外部的通量偏置(未示出)来调整。为了得到信息器件510-a和510-c之间的间接耦连，考虑以下的势能就足够了：

$U=-E_a\cos {\mathrm{\&phi;}}_a-E_b\cos {\mathrm{\&phi;}}_b-E_c\cos {\mathrm{\&phi;}}_c+\frac{1}{{8e}^2}{(\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&phi;}}-\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&phi;}}^x})}^T{\mathrm{IL}}^{-1}(\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&phi;}}-\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&phi;}}^x}),---\left(1\right)$

连同感应值矩阵

$\mathrm{IL}=\left(\begin{array}{ccc}{L}_a& -M_{\mathrm{ab}}& 0\\ -M_{\mathrm{ab}}& L_b& -M_{\mathrm{bc}}\\ 0& -M_{\mathrm{bc}}& L_c\end{array}\right).---\left(2\right)$

就是说，直接的反铁磁的感应性510-a至510-0c耦连被假定为很小。例如，这可以通过使用上文说明的梯度计信息器件来达到。然而，只要M_ac是很小的，一个相互作用项M_acI_aI_c就可以加到下面的最后结果(9)。根据各种环路所起的作用，如上文所说明，在某些实施方案中该通量偏置被选取为

$\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&phi;}}^x}=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}+(M_{\mathrm{ab}}/L_b)({\mathrm{\&phi;}}_b^0-{\mathrm{\&phi;}}_b^x)\\ {\mathrm{\&phi;}}_b^x\\ \mathrm{\&pi;}+(M_{\mathrm{bc}}/L_b)({\mathrm{\&phi;}}_b^0-{\mathrm{\&phi;}}_b^x)\end{array}\right).---\left(3\right)$

式中， 

一个具有元件φ_a ^X、φ_b ^X和φ_c ^X的列向量。从而，φ_a，c ^X外部地补偿了环路510-b耦连进该a-和c-SQUID的屏蔽通量。对于φ_b ⁰的定义，参阅下面公式(6)。

如果该b-SQUID要起一种被动的耦连器的作用而不引入附加的自由度，该b-SQUID就不应当是双稳态的。因此，在有一个rf-SQUID起耦连器作用的本发明的实施方案中，该rf-SQUID优选地是单稳态的。单稳态性既可以通过以接近于整数个量子(φ_b ^X小)的一个通量来偏置该rf-SQUID而达到，也可以对于任何通量偏置 通过使rf-SQUID成为该无量纲的感应值小于一而达到。就是说，βb≡4e²L_bE_b＜1(其中，按照SI单位 

；β＝2πLI_c/Φ₀)。这一无量纲的感应值可以通过降低E_b同时保持b-环路的面积并且因此保持可感觉的感应性耦连来达到。在制造的过程中降低该Josephson结的临界电流密度，或者降低rf-SQUID中的Josephson结的截面积对应于降低rf-SQUID的临界电流。在某些实施方案中跨rf-SQUID510-b的Josephson结安置一个旁路电容以便将该b-SQUID保持在该通量范围中。下面的计算在两个情况的每一个中都是有效的，并且其相对优点在下文中讨论。另外，甚至具有一个惟一的势能最小值的一个SQUID也会有受激励的状态，对应于等离子振荡。尽管这些在现有的半经典分析的范围以外，如果要将b-SQUID保持为被动的，对应的激励能量应当不同于在a-和c-装置中的任何过渡过程。

通过M扩展的进程。无需提出M/L的范围是远小于1(比如，远处的环路)是最实际的，这导致一种透明的结果，这可以在通常情况下指导数值性的研究。b-调解的a-c耦连预期是O(M²)，从而该结相位将被写为

${\mathrm{\&phi;}}_j={\mathrm{\&phi;}}_j^0+{\mathrm{\&chi;}}_j+{\mathrm{\&xi;}}_j+O\left(M^3\right),---\left(4\right)$

并且可以通过解出平衡条件 ${\&dtri;}_{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&phi;}}}=0$ 来确定。在前导级中，这些仅仅是一个被隔离的rf-SQUID的静态的相位，

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_j\sin {\mathrm{\&phi;}}_j^0+{\mathrm{\&phi;}}_j^0-\mathrm{\&pi;}=0& (j=a,c),---\left(5\right)\end{array}$

${\mathrm{\&beta;}}_b\sin {\mathrm{\&phi;}}_b^0+{\mathrm{\&phi;}}_b^0-{\mathrm{\&phi;}}_b^x=0,---\left(6\right)$

其中φ_a，c ⁰-π可以具有两个符号之一。对于相同的级需要反转的感应矩阵

${\mathrm{IL}}^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}1/L_a+M_{\mathrm{ab}}^2/L_a^2{L}_b& M_{\mathrm{ab}}/L_a{L}_b& M_{\mathrm{ab}}{M}_{\mathrm{bc}}/L_a{L}_b{L}_c\\ M_{\mathrm{ab}}/L_a{L}_b& 1/L_b+M_{\mathrm{ab}}^2/L_a{L}_b^2+M_{\mathrm{bc}}^2/L_b^2{L}_c& M_{\mathrm{bc}}/L_b{L}_c\\ M_{\mathrm{ab}}{M}_{\mathrm{bc}}/L_a{L}_b{L}_c& M_{\mathrm{bc}}/L_b{L}_c& 1/L_c+M_{\mathrm{bc}}^2/L_b{L}_c^2\end{array}\right)+O\left(M^3\right)---\left(7\right)$

使用(7)一致地导致一种显著的抵消，如下文所说明。

在O(M)中，可以发现由于在(3)中的 

的特殊选择，χ_a，c＝0，而b-环路捡出了相邻环路的屏蔽通量，具有一个反映其灵敏度的前因子：

$\mathrm{\&chi;b}={[1+{\mathrm{\&beta;}}_b\cos {\mathrm{\&phi;}}_b^0]}^{-1}[\frac{M_{\mathrm{ab}}}{L_a}(\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&phi;}}_a^0)+\frac{M_{\mathrm{bc}}}{L_c}(\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&phi;}}_c^0)].---\left(8\right)$

计算O(M²)中的ξ_j是不必要的。因为在U的一个最小值附近扩展，ξ_j对相关的级不起作用。

所有剩下的就是将(3)-(8)代入(1)中的U。因为，例如(φ_a ⁰-π)²不取决于通量器件状态，所以保留为

$U=\mathrm{const}+\frac{M_{\mathrm{ab}}{M}_{\mathrm{bc}}}{{4e}^2{L}_a{L}_b{L}_c}\frac{{\mathrm{\&beta;}}_b\cos {\mathrm{\&phi;}}_b^0}{1+{\mathrm{\&beta;}}_b\cos {\mathrm{\&phi;}}_b^0}({\mathrm{\&phi;}}_a^0-\mathrm{\&pi;})({\mathrm{\&phi;}}_c^0-\mathrm{\&pi;}).---\left(9\right)$

第一个因子包括几何上预计的互感的乘积。最后的两个因子∝I_aI_c，或者在量子计算项中的σ_a ^zσ_c ^z。该第二个因子是：

$\frac{{\mathrm{\&beta;}}_b\cos {\mathrm{\&phi;}}_b^0}{1+{\mathrm{\&beta;}}_b\cos {\mathrm{\&phi;}}_b^0}\&ap;\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_b\cos {\mathrm{\&phi;}}_b^x,& {\mathrm{\&beta;}}_b<<1,\\ 1,& {\mathrm{\&beta;}}_b>>1,\end{array}\right.\end{array}---\left(10\right)$

从而，对于小的φ_b ^X，该耦连是反铁磁的，但是随着φ_b ^X→π(只对β_b＜1能够得到)它将符号改变成铁磁的。

图6示出一个图表600，该图表600对比所施加的外部通量模拟一个rf-SQUID譬如510-b的总通量(Φ_tot对Φ_x曲线)，也称为S-曲线。该外部的通量被施加到该rf-SQUID的环路上，并且该总通量与外部的通量之间的差是由rf-SQUID中的电流产生。图表600的曲线610、620、630可以通过用φ_b ⁰项中的φ_b ^X和β_b来绘制方程6而产生。曲线610对应于β_b＝0的情况，并且对于一个开放环路预期为一个45度的线。

方程9和10模拟的行为和总体上的耦连机制具有一种透明解释。考虑β_b＜＜1的曲线620，作为自由的b-SQUID的S-曲线φ_b ⁰(φ_b ^X)的一个实例。如果a-装置从↑翻转到↓，于是由于互感-M_ab＜0这有效地增加φ_b ^X。对于在φ_b ^X轴上接近零的小φ_b ^X，所述S-曲线具有小于一(＜1)的斜率，从而该增加得到由于沿↓方向的b-环路的自通量的部分屏蔽。依次地，通过-M_bc＜0，后者对于c-环路起一种↑-偏置的作用，其中优选↑状态，例如相反于a-装置的状态。这还解释了由在(10)中β_b＞＞1的情况例举的单位的约束，因为最大的反铁磁的响应对β_b→∞是完善的屏蔽。这对应于一个不间断的超导环路。然而，接近 ${\mathrm{\&phi;}}_b^X=\mathrm{\&pi;}$ 该论点沿相反的方向起作用。这里，该S曲线具有大于一(＞1)的斜率，从而，不同地，该自通量完全不屏蔽，而是实际上是与外部通量的增加进行协作。从而该耦连将符号改变为铁磁。

随着β_b从下方(β_b＜1)逼近一，S-曲线的斜率在π处均无限制地增加(一个双稳态的前兆)，允许该铁磁的耦连能够很大。这对应于(10)的分母为零。这表示为图表600的曲线630。另一方面，在实践中永远不能实现该发散，因为对于任何有限的M′，要处理的是S-曲线上的有限的差，而不是斜率。应当注意，该该屏蔽电流是能量对于外部通量的导数，感应的耦连强度与SQUID带结构的有限差的二阶导数成比例。潜在的大铁磁的耦连使之能够克服穿过M_ac的任何残余的直接的反铁磁的耦连。因为(10)表示大的-β_b范围是相当不灵活的，并且对于βb＜＜1该耦连强度受小屏蔽通量的限制，该情况β_b≤1在本发明的某些实施方案中是优选的。

在β大于一时该rf-SQUID是双稳态的。这对应于图表600中曲线640的情况。该亚稳定状态消失在施加的通量的某个水准、以及该rf-SQUID过渡的状态中。如以上所指出，在本发明某些实施方案中将一个双稳态的rf-SQUID用作一种通量器件。

在某些实施方案中，该a-和c-SQUID被置于一个大的b-环路的内部，这改变M_ab和M_bc两者的符号，从而(9)是标量。该设计修改使之更清楚该b-loop最多是一个通量变换器，以一个Josephson结提供可调整性。而且，最终结果(9)只微不足道地取决于该a-和c-装置的特性，特别地是通过将a-和c-装置耦连进该b-SQUID的通量。因此，归纳到其他类型的通量器件应当是明显的。

本发明的一个方面是不需要耦连器SQUID 510-b与外部线路的电耦连。这对于限制脱散可能是有利的。

实例2-通量器件通过一个dc-SQUID变换器的可调耦连

本实例分析图7中所示的配置，特别是与dc-SQUID 710-b耦连的两个rf-SQUID通量器件710-a和710-c的配置。在本实例中，a、b、c-SQUID或者a、b和c分别表示rf-SQUID 710-a、dc-SQUID710-b，和rf-SQUID 710-c。以下，本实例中a、b和c作为上标、下标，或者由一个连字符与一个值或者项相关联，表示一个关于rf-SQUID 710-a、dc-SQUID 710-b和rf-SQUID 710-c的值。联系到这些SQUID的值和量包括：

L，该SQUID感应值；

β无量纲的SQUID感应值(按照SI单位，定义为等于2πLI_c/Φ₀，当 时这变成4e²LE)；

C，该SQUID的电容；

I_c，该SQUID的临界电流；

E，该SQUID Josephson能量(定义为是 )；

I_j，SQUID 710-j的电流，其中j＝a、b₁、b₂或者c；

Φ_j，SQUID 510-j的通量，其中j＝a、b₁、b₂或者c；

φ_j，无量纲的通量；

施加到rf-SQUID 710-j的无量纲的外部的通量‘X’；

φ_tot，一个SQUID的总通，等等。

在图7中，dc-SQUID 710-b具有两个臂，每个臂都有其自己的Josephson结。dc-SQUID的左臂和右臂分别标记为b₁和b₂，并且在一起它们承载一个固定的偏置电流I_b。

忽略在a-SQUID与c-SQUID之间的互感，该系统的线圈对线圈的感应值矩阵是

$\left(\begin{array}{cccc}{L}_a& -M_{\mathrm{ab}1}& -M_{\mathrm{ab}2}& 0\\ {-M}_{\mathrm{ab}1}& L_{b1}& M_{b12}& -M_{b1c}\\ {-M}_{\mathrm{ab}2}& M_{b12}& L_{b2}& -M_{b2c}\\ 0& {-M}_{b1c}& {-M}_{b2c}& L_c\end{array}\right)---\left(11\right)$

其中L_j代表各个环路的感应值并且M_ij代表环路i与j之间的互感。然而，I_b2＝I_b1+I_b，从而与从属于该环路的三个向量有关的通量电流是

$\mathrm{\&Phi;}-{\widetilde{\mathrm{\&Phi;}}}^x=\stackrel{\&OverBar;}{L}I---\left(12\right)$

${\widetilde{\mathrm{\&Phi;}}}^x={\mathrm{\&Phi;}}^x+{(-M_{\mathrm{ab}2},{\tilde{L}}_{b2},-M_{b2c})}^T---\left(13\right)$

Φ＝(Φ_a，Φ_b，Φ_c)^T              (14)

其中

(15)

I＝(I_a，I_b1，I_c)^T

$\stackrel{\&OverBar;}{L}=\left(\begin{array}{ccc}{L}_a& -M_{\mathrm{ab}}& 0\\ -M_{\mathrm{ab}}& L_b& {-M}_{\mathrm{bc}}\\ 0& -M_{\mathrm{bc}}& L_c\end{array}\right)---\left(16\right)$

M_bc＝M_b1c+M_b2c  M_ab＝M_ab1+M_ab2    (17)

$\begin{array}{ccc}{\tilde{L}}_{b2}=L_{b2}+M_{b12}& {\tilde{L}}_{b1}=L_{b1}+M_{b12}& L_b={\tilde{L}}_{b1}+{\tilde{L}}_{b2}---\left(18\right)\end{array}$

另一方面，该四个Josephson结相位都是独立的动态变量。

在决定系统700的电路方程中，它们中的四个是Josephson关系式 ${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&phi;}}}_j=2e{Q}_j/C_j,$ 其中Q_j是电荷，C_j电容，而 

相位导数，其中j＝a、b₁、b₂和c。另外四个方程表达电流守恒 ${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_j=-2e\&PartialD;H/\&PartialD;{\mathrm{\&phi;}}_j$ 从而系统700的总哈密尔顿算子是

$H=\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}[\frac{Q_j^2}{{2C}_j}-E_j\cos {\mathrm{\&phi;}}_j]+\frac{1}{2}(\mathrm{\&Phi;}-{\widetilde{\mathrm{\&Phi;}}}^x){\stackrel{\&OverBar;}{L}}^{-1}(\mathrm{\&Phi;}-{\widetilde{\mathrm{\&Phi;}}}^x)+\frac{I_b}{2e}{\mathrm{\&phi;}}_{b2}---\left(19\right)$

其中j＝a、b₁、b₂、和c。H在两个dc-SQUID臂中实际上是对称的。H只是结相位和电荷的函数，而非对称地选择I_b1作为环路电流只是一种临时约定。就是说，分别地将方程(19)的最后两项指定为“磁的”和“偏置”能量是有些任意的。将L^-1求解到一个常数，可以将方程(19)写成

$H=\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}[\frac{Q_j^2}{{2C}_j}-E_j\cos {\mathrm{\&phi;}}_j]+\frac{1}{2}(\mathrm{\&Phi;}-{\widetilde{\mathrm{\&Phi;}}}^x){\stackrel{\&OverBar;}{L}}^{-1}(\mathrm{\&Phi;}-{\widetilde{\mathrm{\&Phi;}}}^x)+H_b---\left(20\right)$

其中H_b是系统感应值和相位的复函数。

从这里起，该分析是对rf-SQUID情况的归纳，仍然以方程(4)的形式写相位并且将H_b扩展到相同的级。a-和c-装置应当在简并时是有效的，这意味着它们自己的外部通量应当补偿I_b。在O(M⁰)中，该静态的相位遵从用于被隔离装置的标准方程：

${\mathrm{\&beta;}}_j\sin {\mathrm{\&phi;}}_j^0+{\mathrm{\&phi;}}_j^0-\mathrm{\&pi;}=0---\left(21\right)$

${\mathrm{\&beta;}}_{b1}\sin {\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0+{\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0+{\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0-{\mathrm{\&phi;}}_b^x-2e{I}_b{\tilde{L}}_{b2}=0---\left(22\right)$

${\mathrm{\&beta;}}_{b2}\sin {\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0+{\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0+{\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0-{\mathrm{\&phi;}}_b^x+2e{I}_b{\tilde{L}}_{b1}=0---\left(23\right)$

其中，β_a(c)＝4e²L_a(c)E_a(c)是标准的，但应注意该定义β_bj＝4e²L_bE_bj(j＝1，2)涉及b-SQUID的全环路感应值而不是个别臂的感应值。

类似于rf-SQUID的情况，在U的M-展开式中最好不分析ξ_j，并且可以看到它们作用的抵消(到此级)，因为它要围绕一个势能最小值展开。利用进一步的抵消并且去掉所有不取决于该通量器件状态的项，得出

$U=\mathrm{const}+\frac{M_{\mathrm{ab}}{M}_{\mathrm{bc}}}{{4e}^2{L}_a{L}_b{L}_c}\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{b1}{\mathrm{\&beta;}}_{b2}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0}{{\mathrm{\&beta;}}_{b1}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0+{\mathrm{\&beta;}}_{b2}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0+{\mathrm{\&beta;}}_{b1}{\mathrm{\&beta;}}_{b2}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0}({\mathrm{\&phi;}}_a^0-\mathrm{\&pi;})({\mathrm{\&phi;}}_c^0-\mathrm{\&pi;})---\left(24\right)$

其中如方程(22)和(23)中所给出的全部的可成立性都是来自对φ_b1(2) ⁰对(φ_b ^X，I_b)的依从性。对于一种简单的一致性检验，取I_b→0，有E_b2→∞。于是式(23)表示φ_b2 ⁰＝0同时式(22)化简为  ${\mathrm{\&beta;}}_{b1}\sin {\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0+{\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0-{\mathrm{\&phi;}}_b^x=0,$ 并且式(24)中大的分数变成 ${\mathrm{\&beta;}}_{b1}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0/[1+{\mathrm{\&beta;}}_{b1}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0],$ 这正是rf-SQUID耦连的结果。

另一个情况是具有可忽略的屏蔽作用的对称的dc-SQUID，对之式(22)和(23)化简为 ${\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0+{\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0={\mathrm{\&phi;}}_b^x$ 并且 ${2I}_c\cos ({\mathrm{\&phi;}}_b^x/2)\sin ({\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0-{\mathrm{\&phi;}}_b^x/2)=I_b.$ 即使其中情况下，对于 ${\cos }^2({\mathrm{\&phi;}}_b^X/2)<|I_b/{2I}_c|<\left|\cos ({\mathrm{\&phi;}}_b^X/2)\right|$ 也可以有铁磁的耦连。尽管因此而需要一个非零的通量偏置，I_b的可成立性足以改变该耦连的符号。

该系统有几个显著的特征。为了达到铁磁的耦连，需要非零的通量偏置和电流偏置，式(24)中的分母总是正的，而cosφ_b1 ⁰和cosφ_b2 ⁰决不会同时变成负的。在对称的dc-SQUID的情况下，需要一个电流偏置是显而易见的，因为对于I_b＝0就有 ${\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0={\mathrm{\&phi;}}_{b2}^0,$ 并且对于任何的φ_b ^x都有 ${\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0\&le;\mathrm{\&pi;}/2$ 的一个静止状态。这不能够再进一步的普遍化，因为不对称的dc-SQUID含有rf-SQUID作为一个特殊情况，并且后者可以无任何电流偏置地调解铁磁的耦连。对一个通量偏置的需要对 于具有任意屏蔽的对称的装置还是易于证明的，该任意屏蔽有 ${\mathrm{\&phi;}}_b^x=0$ 时 ${\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0=-{\mathrm{\&phi;}}_{b1}^0.$ 然而，总体上，方程(22)和(23)表示在两个dc-SQUID臂之间的感应值不平衡可以与非零的φ_b ^x起同样的作用。

最后，以上的分析只表明方程(20)的势能部分能使经典情况下的可调整的耦连能够进行。这就是说，有可能存在这样的器件，它们处于其有效性范围之外却仍然是适用的耦连器，只要该转换器保持为被动的，例如限于其最低的能量状态/能带。参阅Averin等的2003，Physical Review Letters 91，057003。对于量子分析，以上推演的相互作用的、偏置的哈密尔顿算子可以直接被用作一个起点。还有，该M-扩展的方法应当还是将该问题化简为退耦的、偏置的dc-SQUID。

实例3-一种rf-SQUID的细节和制造

在本发明某些实施方案中，使用了包括一个超导环路的一种rf-SQUID，该超导环路包括一个电感器并且由一个单个的Josephson结间断，从而如在图11中所示该电感器和Josephson结并联。对于一个给定的制造工艺，该Josephson结由其临界电流I_C，即它可以承载而无任何消散的电流量，决定参数。于是rf-SQUID设计由I_CL乘积决定参数，其中L是感应值，或者由其无量纲的感应值2πLI_C/Φ₀，其中Φ₀是通量量子。

该rf-SQUID的行为是以它对耦连到SQUID的电感器中的外部施加的通量的响应而言来进行描述。对于一个给定的施加的通量，在SQUID中感应出一个循环电流，该电流对应于该SQUID的一个特定的通量状态。对于大于1的无量纲感应值，该rf-SQUID可以是多稳态的，意味着对于外部施加的通量的一个特定的值，可以有一个以上的rf-SQUID的稳定通量状态。

许多应用要求通量经过一个变换器耦连到rf-SQUID的电感器之中。该变换器如何能有效地耦连通量是一种设计约束，并且通过该约束通常将有一些置于SQUID感应值上的约束。一种特定的应用一般还会将该SQUID的允许无量纲感应值约束到通常为1或者1以下。这两个约束确定了结临界电流的允许范围。

dc(两个结)和rf(一个结)SQUID的现代制造法典型地用一种全耐熔的金属多层集成电路工艺中进行，例如，由Fritzsch等的1999，Suprerconducting Science & Technology，Vol.12，pp.880-882所说明。一种典型的制造工艺包括一种制造Josephson结的Nb/AlO_x/Nb三重层、一个用譬如SiO₂材料制造的介电绝缘层，该SiO₂可以借助于rf-磁控管溅射来沉积，和一个用于布线的附加金属化层。该金属化层典型地是用dc-磁控管溅射沉积的Nb。该Nb/AlO_x/Nb三重层可以用dc-磁控管溅射沉积，参数选择的方式为能得到无应力的铌。可以通过沉积在基底Nb层上一个薄铝层的氧化(例如，有70埃的厚度)在基底Nb层上生长处该AlO_x层。

图11示出一个样本布局。在该布局中，X代表Josephson结1106。该结区域的确定可以通过一种选择性的铌隔离工艺(SNIP)来进行。例如，参见Shoji等的1982，Applied Physics Letters 41，1097。层1102代表用作下布线层的结三重层的基底电极。层1110代表上布线层。方块1108表示由该Josephson结所占居的区域，该结是由该三重层所形成并且与上布线层1110接触。区域1104代表一个通路：层1102与1110之间的一个直接连接。该SQUID的感应值由下布线层1102与上布线层1110上连接形成的环路构成。该感应值必须典型地以某种方式计算，或者用解析公式或者用三维电磁模拟软件。该结的临界电流将与其面积和特定制造工艺的临界电流密度成比例。

Claims (46)

1.一种用于耦连信息器件的装置，包括：

一个第一信息器件；

一个第二信息器件；和

一个耦连器件，其中

该耦连器件被配置为将该第一信息器件和第二信息器件感应性地耦连在一起；和

该耦连器件被进一步配置为以一个可控制的方式在铁磁耦连与反铁磁耦连之间转换该第一信息器件与第二信息器件之间的耦连。

2.根据权利要求1所述的装置，其中该耦连器件包括一个或者多个相互不电联通的耦连元件。

3.根据权利要求2所述的装置，进一步包括：

一个开关，该开关用于以一种可控制的方式在铁磁耦连与反铁磁耦连之间调整该第一信息器件与该第二信息器件之间的耦连。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，该一个或者多个耦连元件中的全部或者部分耦连元件中的每个耦连元件都包括一个dc-SQUID。

5.根据权利要求2所述的装置，其中，该一个或者多个耦连元件中的全部或者部分耦连元件中的每个耦连元件都包括一个rf-SQUID。

6.根据权利要求1所述的装置，其中该第一信息器件和该第二信息器件中的至少一个是一种梯度计式的通量器件。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，该耦连器件包括一个开关，该开关用于在一个开状态与一个关状态之间调整该第一信息器件与该第二信息器件之间的感应性的耦连，在该开状态中该耦连器件在该第一信息器件与该第二信息器件之间提供一个感应性的耦连，而在该关状态中该耦连器件在该第一信息器件与该第二信息器件之间不提供感应性耦连。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，该耦连器件包括一个开关，该开关用于调整该第一信息器件与该第二信息器件之间的感应性的耦连的耦连强度。

9.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一信息器件是一个第一通量器件；

所述第二信息器件是一个第二通量器件；和

所述耦连器件是一个感应性地耦连到该第一通量器件并且耦连到该第二通量器件的第一SQUID耦连器；以及

该第一SQUID耦连器由一个磁场偏置。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，该第一SQUID耦连器是一种rf-SQUID耦连器。

11.根据权利要求10所述的装置，进一步包括：

一个开关，该开关被配置为向该rf-SQUID耦连器施加该磁场，其中该磁场的强度决定了该第一通量器件与该第二通量器件之间的一个感应性的耦连是否为铁磁的、反铁磁的和零耦合中的至少一个。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，该磁场有一个大约为零的通量，具有大约±0.1*Φ₀或者更小值的一种精确度，并且在该第一通量器件与第二通量器件之间的感应性的耦连是反铁磁的，其中Φ₀是通量的量子。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，该磁场有一个大约为零的通量，有大约±0.01*Φ₀或者更小值的一种精确度，并且在该第一通量器件与第二通量器件之间的感应性的耦连是反铁磁的，其中Φ₀是通量的量子。

14.根据权利要求11所述的装置，其中，该磁场有一个大约Φ₀/2的通量，有大约±0.2*Φ₀或者更小值的一种精确度，并且在该第一通量器件与第二通量器件之间的感应性的耦连是铁磁的，其中Φ₀是通量的量子。

15.根据权利要求10所述的装置，其中，该rf-SQUID耦连器是单稳态的。

16.根据权利要求10所述的装置，进一步包括：

一个磁通量偏置源，该磁通量偏置源被配置为以接近整数个量子的一个通量对该rf-SQUID耦连器进行偏置。

17.根据权利要求9所述的装置，其中该第一和第二通量器件是双稳态的。

18.根据权利要求9所述的装置，其中，

该第一通量器件包括由一个第一至少一个Josephson结间断的、超导材料的一个第一环路；并且

该第二通量器件包括由一个第二至少一个Josephson结间断的、超导材料的一个第二环路。

19.根据权利要求9所述的装置，其中该第一SQUID耦连器是一种dc-SQUID耦连器。

20.根据权利要求19所述的装置，其中该dc-SQUID耦连器是对称的。

21.根据权利要求19所述的装置，其中该dc-SQUID耦连器是由一个磁场偏置器件和一个电流偏置器件中的至少一个进行调整。

22.根据权利要求19所述的装置，其中该dc-SQUID耦连器非对称的。

23.根据权利要求19所述的装置，其中该dc-SQUID耦连器是由一个磁场偏置装置进行调整。

24.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：

多个通量器件，该多个通量器件包括该第一通量器件和 该第二通量器件；和

多个SQUID耦连器，其中在该多个SQUID耦连器中的每个SQUID耦连器都被配置为感应性地地耦连到该多个通量器件中的一对相应的通量器件上，并且其中该多个SQUID耦连器包括该第一SQUID耦连器。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，该多个SQUID耦连器中的每个SQUID耦连器都被配置为可以被调整为提供该多个

通量器件中每一对相应的通量器件之间的铁磁的或者反铁磁的耦连。

26.根据权利要求9所述的装置，其中该第一通量器件和该第二通量器件是通量的量子位。

27.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一信息器件是一个第一通量器件；

所述第二信息器件是一个第二通量器件；和

所述耦连器件电耦连到该第一通量器件和该第二通

量器件并且包括由至少一个Josephson结间断的一个超导材料的环路。

28.根据权利要求27所述的装置，其中该第一通量器件和该第二通量器件各自包括由至少两个Josephson结间断的一个超导环路。

29.根据权利要求27所述的装置，其中该耦连器件包括由一个第一Josephson结、一个第二Josephson结和一个第三Josephson结间断的一个超导环路；和

一个外部的通量偏置，该外部的通量偏置被配置为调整通过该超导环路的通量。

30.根据权利要求29所述的装置，其中该第一通量器件跨该第一Josephson结进行电连接并且该第二通量器件跨该第二Josephson结进行电连接。

31.根据权利要求29所述的装置，其中该外部的通量偏置能够将该第一通量器件与该第二通量器件之间的该感应性的耦连调整为铁磁的、反铁磁的、和零耦连中的至少一种。

32.根据权利要求27所述的装置，进一步包括：

多个通量器件，该多个通量器件包括该第一通量器件和该第二通量器件；和

多个耦连器，每个耦连器电耦连到该多个通量器件中的一对不同的通量器件上，该多个耦连器包括该耦连器件。

33.根据权利要求32所述的装置，其中，该多个耦连器中的每个耦连器被配置为能够调整为在该多个通量器件中的对应的一对通量器件之间提供铁磁的耦连和反铁磁的耦连中的至少一种。

34.根据权利要求1所述的装置，其中该耦连器件具有大于0.5和小于2的一个无量纲的感应值。

35.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一信息器件是一个第一通量器件；

所述第二信息器件是一个第二通量器件；和

所述耦连器件包括一个第一耦连元件和一个第二耦连元件，其中

该第一通量器件包括相互处于电联通的至少一个第一叶和一个第二叶；

该第二通量器件包括相互处于电联通的至少一个第一叶和一个第二叶；

该第一耦连元件感应性地将该第一通量器件的该第一叶耦连到该第二通量器件的该第一叶；

该第二耦连元件感应性地将该第一通量器件的该第一叶耦连到该第二通量器件的该第二叶；并且

该第一和第二耦连元件相互不处于电联通。

36.根据权利要求35所述的装置，其中该第一通量器件和该第二通量器件是梯度计式通量器件。

37.根据权利要求35所述的装置，其中，

该第一通量器件的第一叶保持一个循环超导电流，该循环超导电流具有一个循环方向与保持在该第一通量器件的第二叶中的一个超导电流的循环方向相反；并且

该第二通量器件的第一叶保持一个循环超导电流，该循环超导电流具有一个循环方向与保持在该第二通量器件的第二叶中的一个超导电流的循环方向相反。

38.根据权利要求35所述的装置，其中

所述第一耦连元件在该第一通量器件与该第二通量器件之间没有耦连强度；

所述第二耦连元件在该第一通量器件与该第二通量器件之间具有一个有限的耦连强度。

39.根据权利要求35所述的装置，进一步包括：

一个耦连控制系统，其相对于该第一通量器件和该第二通量器件所规定的尺寸为使该第一耦连元件在该第一通量器件和该第二通量器件之间具有以下至少一种情况：无耦连强度，铁磁耦连强度和反铁磁耦连强度。

40.根据权利要求39所述的装置，其中该耦连控制系统包括以下至少一个：一个磁通量偏置源和一个电流偏置源，其中该磁通量偏置源被配置为对该第一耦连元件和该第二耦连元件施加一个偏置。

41.根据权利要求35所述的装置，其中该第一耦连元件和该第二耦连元件中的至少一个包括一个dc-SQUID。

42.根据权利要求35所述的装置，其中该第一耦连元件和该第二耦连元件中的至少一个包括一个rf-SQUID。

43.根据权利要求35所述的装置，其中该第一通量器件和该第二通量器件是超导的。

44.根据权利要求35所述的装置，进一步包括：

多个通量器件，该多个通量器件包括该第一通量器件和该第二通量器件；和

多个耦连器件，该多个耦连器件包括该耦连器件，并且其中该多个耦连器件中的至少一个耦连器件包括多个耦连元件。

45.根据权利要求44所述的装置，其中该装置被配置为使一个要求解的问题的哈密尔顿算子可以映射到该多个通量器件上。

46.根据权利要求44所述的装置，其中该多个通量器件被设计为只求解一个哈密尔顿算子。

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