CN107851876A - 用于使用局部谐振器来耦合量子位的架构 - Google Patents

Abstract

一种技术涉及超导微波腔。柱体阵列在腔(100)中具有不同的高度，并且该阵列支持局部微波模式。柱体阵列包括较低谐振频率柱体(20)和较高谐振频率柱体(10)。较高谐振频率柱体(10)被布置在较低谐振频率柱体(20)的周围。在腔中(100)，第一板(25)与第二板(30)相对。较低谐振频率柱体(20)的一端被定位在第二板(30)上，以便被电连接到第二板(30)。该阵列中较低谐振频率柱体(20)的另一端是开放的，以便不形成与第一板(25)的电连接。量子位(40)被连接到柱体阵列中的较低谐振频率柱体(20)，使得每个量子位(40)都被物理地连接到柱体阵列中的较低谐振频率柱体(20)中的一个或两个较低谐振频率柱体(20)。

Description

用于使用局部谐振器来耦合量子位的架构

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在智力高级研究项目活动(IARPA)资助的合同号：W911NF-10-1-0324下得到政府支持而完成的。政府对本发明具有特定权利。

技术领域

本发明涉及超导技术，并且更具体地涉及一种用于形成谐振器阵列的超导腔的架构。

背景技术

量子计算采用被称为量子位(qubit)的谐振结构来存储信息，并且采用谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)来读出和操纵量子位。迄今为止，主要焦点在于提高量子位的寿命，以便在信息丢失之前允许执行计算(即操纵和读出)以对量子位进行退相干(decoherence)。目前，量子位相干时间可以高达100微秒，并正在努力提高相干时间。超导3D腔可以通过将两个金属件与排列并构成腔壁的凹穴紧密配合(mate)而制成。腔可以由铜制成，这将所有谐振模式的品质因数限制到大约10,000，因为铜即使在稀释制冷机温度下仍然是普通金属。取决于各种清洁、加工和材料特性，相同种类的铝制腔产生范围从1至5千万的品质因数。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种超导微波腔。腔包括不同高度的柱体阵列，该柱体阵列包括较低谐振频率的柱体和较高谐振频率的柱体。阵列中的每个柱体支持局部微波模式。较高谐振频率柱体被布置在较低谐振频率柱体的周围。腔包括第一板和与第一板相对的第二板。柱体阵列中的较低谐振频率柱体的一端被定位在第二板上，以便被电连接到第二板。柱体阵列中的较低谐振频率柱体的另一端是开放的，从而不形成与第一板的电连接。量子位被连接到柱体阵列中的较低谐振频率柱体，使得每个量子位都被物理地连接到柱体阵列中的较低谐振频率柱体中的一个或两个较低谐振频率柱体。

根据一个实施例，提供了一种配置超导微波腔的方法。该方法包括提供不同高度的柱体阵列。柱体阵列包括较低谐振频率柱体和较高谐振频率柱体，每个柱体都支持局部微波模式。较高谐振频率柱体被布置在较低谐振频率柱体的周围。该方法包括配置与第二板相对的第一板，以及将柱体阵列中的较低谐振频率柱体的一端定位在第二板上，以便被电连接到第二板。所述方法包括将柱体阵列中的较低谐振频率柱体的另一端定位成开放的，以便不形成与顶板的电连接，以及将量子位连接到柱体阵列中的较低谐振频率柱体，使得每个量子位都被物理地连接到柱体阵列中的一个或两个较低谐振频率柱体。

根据一个实施例，提供了一种超导微波腔。所述腔包括外壳，外壳包括：由侧壁连接的顶板和底板，以及包括外壳内部的较低谐振频率柱体和较高谐振频率柱体的柱体阵列。此外，腔包括被连接到较低谐振频率柱体的量子位，使得每个量子位都被物理地连接到柱体阵列中的较低谐振频率柱体中的一个或两个较低谐振频率柱体。较低谐振频率柱体的一端被定位在底板上，以便被电连接到底板，而较低谐振频率柱体的另一端是开放的，以便不形成与顶板的电连接。较高谐振频率柱体在两端短路，使得较高谐振频率柱体的第一端与顶板短接，第二端与底板短接。顶板包括分别在较低谐振频率柱体之上的端口，端口被配置为耦合到、驱动和测量量子位。

附加特征和优点通过本发明的技术来实现。本发明的其他实施例和方面在本文中被详细描述，并且被认为是要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，参考说明书和附图。

附图说明

在说明书的结尾处的权利要求书中被特别指出并清楚地要求保护被认为是本发明的主题。通过结合附图从以下的详细描述，本发明的上述以及其他特征和优点变得显而易见，其中：

图1A图示了根据实施例的不包括量子位和侧壁的超导微波谐振腔的透视图；

图1B图示了根据实施例的不包括可移除的顶板的超导微波谐振腔的顶视图；

图2是根据实施例的超导微波谐振腔的概念图，图示了与较低谐振频率柱体相关联的电场的计算；

图3A和图3B是根据实施例的超导微波谐振腔的各个方面的概念图，其中：

图3A图示了较高谐振频率柱体、较低谐振频率柱体和量子位的小节距(pitch)量子位阵列的模型；

图3B是仅示出不具有较低和较高谐振频率柱体的量子位布置的缩略图；

图4是根据实施例的示例超导微波谐振腔的截面图，图示了位于较低谐振频率柱体上方的输入端口；

图5是根据实施例的超导微波谐振腔的缩略图；

图6是根据实施例的超导微波谐振腔的缩略图，图示了垂直地附接到较低谐振频率柱体的量子位；

图7是根据实施例的超导微波谐振腔的缩略图，图示了较低谐振频率柱体与给定量子位的耦合强度由较低谐振频率柱体之间的柱体到柱体间隔来控制；

图8图示了根据实施例的超导微波谐振腔的一个实现的细节；

图9A图示了用于表面码纠错方案的量子位的正方形阵列的一部分；

图9B图示了在图9A中所示的格栅(lattice)的基于谐振器的实现；

图10图示了根据实施例的图9B的量子位-谐振器网络可以使用本公开的特征来实现；以及

图11是图示了根据实施例对超导微波腔进行配置的方法的流程图。

具体实施方式

根据实施例，已经开发了超导微波谐振腔的新型3D架构，其允许容易地耦合多个量子位，保持较长的相干时间，减小量子位足迹(footprint)(例如高达100倍)，并且适合于传统加工或微加工。

图1A描绘了超导微波谐振腔100的透视图(没有示出量子位40)，而图1B描绘了根据实施例的腔100的顶视图(移除了可移除的顶板25)。谐振腔100包括作为谐振器(例如λ/2谐振器)的高谐振频率柱体10(以条纹显示)和作为谐振器(例如λ/4谐振器)的较低谐振频率柱体20(以点显示)。高谐振频率和较低谐振频率网络模式仅用于说明目的。腔100示出了可移除的顶板25和底板30，但是在图1A和图1B中未示出侧壁。在图2中示出了侧壁35。可移除的顶板25、底板30、高谐振频率柱体10，较低谐振频率柱体20和侧壁35均由超导材料(比如铌、铝、铌钛、镀锡铜、氮化钛镀铜、氮化钛、氮化铌和钽)制成。在一种情况下，材料可以是非超导材料，比如铜。

实施例提供了一种超导微波谐振腔结构100，其包括两个不同频率的同轴谐振器柱体10和20的穿插阵列。λ/4谐振器柱体20的阵列具有各种较低谐振频率，以用控制和读出音(tone)来寻址各个量子位40。λ/2谐振器柱体10的阵列具有较高谐振频率，并且用于阻止微波模式在腔100中长距离传播。在本文中使用术语较高谐振频率和较低谐振频率。应注意的是，所有的较高/高谐振频率柱体10具有比较低/低谐振频率柱体20的谐振频率更高的谐振频率。

3D量子位40被悬置(suspend)在较低谐振频率柱体20之间。例如，量子位40可通过柱体20中支撑量子位40的狭槽而被保持。在一个实现中，量子位芯片40的每一端都安置在较低谐振频率柱体20中的切割出的狭槽的底部上，并用铟来保持就位。因为较低谐振频率柱体20只有一个维度需要与辐射波长相当，所以量子位密度可以比标准3D架构大得多。一个标准的3D腔谐振器是一个盒子，其两个维度与波长相当，并且一个维度短(或者具有半径与波长相当的圆柱形腔)。然而，根据实施例，对于较低谐振频率柱体20，(只有)高度必须与波长相当。因此，与标准3D架构对照而言，量子位密度在实施例中可以更紧，并且在实施例中柱体到柱体间隔可以是任意的。

较低谐振频率(谐振器)柱体20和/或较高谐振频率柱体10可以是同轴柱体(例如，比如同轴线缆)。此外，在这个腔100中的量子位40(例如，三维transmon量子位)可以具有较长的相干时间。量子位的相干时间用T₂表示。量子位的弛豫时间由T₁表示。在一个实现中，高频和较低频谐振器柱体10和20可以由超导材料构成。在另一个实现中，高频和较低频谐振器柱体10和20可以由诸如铜之类的普通金属(例如，非超导材料)构成。

较低谐振频率柱体20被局部耦合到量子位40。高谐振频率柱体10阻挡两个或多个单独的较低谐振频率柱体20之间的耦合。高谐振频率柱体10将每个较低谐振频率柱体20保持在其自己的模式(即，每个较低谐振频率柱体20具有其自己的较低谐振频率)。高谐振频率柱体10阻止较低谐振频率柱体20谐振到附近的较低谐振频率柱体20。特别地，高谐振频率柱体10防止较低谐振频率柱体20耦合到任何/所有的其他较低频率柱体20。除了隔离每个较低谐振频率柱体20的谐振频率避免耦合到另一个较低谐振频率柱体20，高谐振频率柱体10连接到(并机械地支撑)顶板25和底板30。

根据实施例，图2是腔100的概念图，其图示了与较低谐振频率柱体20(λ/4)中的一个相关联的电场(由箭头示出)的计算，其示出了较低谐振频率柱体20(λ/4)的模式局部化。图2是该3D架构的特殊实现的呈现。在图2中，每个较低谐振频率柱体20形成可以被耦合到量子位40(为了清楚起见在图2中未示出)的谐振器。量子位40可以被放置在较低谐振频率柱体20之间，并且每个量子位40只强耦合到量子位40紧邻的较低谐振频率柱体20的模式。

如上所指出，短的较低谐振频率柱体20的一端短接到基板30，而短的较低谐振频率柱体20的另一端在自由空间中开放(即，在腔100中开放)。这些较低谐振频率柱体20(形成λ/4谐振器)并且具有由大约c/4d的给定的较低谐振频率，其中c是光速，并且d是较低谐振频率柱体20的高度。较长谐振频率柱体10使两端短接到封闭腔100的基板30和顶板25。这些板25和30在同轴谐振器中起到屏蔽的概念作用。在实施例内，长的较高谐振频率柱体10(形成λ/2谐振器)具有由c/2h给定的较高谐振频率，其中h是腔100的高度。假定短的较低谐振频率柱体20是至少腔一半的高度，长的较高谐振频率柱体10相应地具有比短的较低谐振频率柱体20更高的谐振频率。高谐振频率柱体10保持短的较低谐振频率柱体20的模式良好地局部化，从而允许个体量子位40的可寻址性。理论上，这个特定的较低谐振频率柱体20的模式(谐振频率)的局部化显示了针对图2中的这个特定的较低谐振频率柱体20的电场箭头的局部化。

图3A和图3B图示了根据实施例的腔100中的各个方面的概念图。图3A图示了较高谐振频率柱体10、较低谐振频率柱体20和连接到较低谐振频率柱体20的量子位40的小节距量子位阵列的模型。图3B是仅示出量子位40的布置的缩略图，其没有到较低谐振频率柱体20也没有较高谐振频率柱体10的附接。

注意，只有较高谐振频率柱体10的高度和较低谐振频率柱体20的高度控制它们相应的谐振频率。因此，可以任意选择较高谐振频率柱体10和较低谐振频率柱体20的直径和间隔以便于制造，以控制耦合到量子位40的模式中的电场大小，和/或对设备进行缩放。图3示出了(柱体10和柱体20的)柱体阵列中的量子位40。在图3A中，还可以在每个量子位40下方加工出额外的圆柱形谐振器305以用于读出和控制。圆柱形谐振器305延伸穿过底板30，几乎到达量子位40处。为了读出和控制，圆柱形谐振器305允许指向其上方的个体量子位40的微波脉冲，并且谐振器305频率的测量相应地只测量其上方的量子位40的状态。特别地，在量子位(谐振)频率施加的微波脉冲/音调将操纵特定的(在对应的圆柱形谐振器305上方的)量子位40，而接近于圆柱形谐振器305的谐振频率施加的微波脉冲将测量量子位40。

圆柱形谐振器305具有向上延伸穿过圆柱形谐振器305的中部的销。该销靠近量子位40，但不接触量子位40。每个销和/或圆柱形谐振器305可以被电容地耦合到量子位40。在一个实现中，从量子位40到销的距离可以大约是量子位40的尺寸的1/10。圆柱形谐振器305和销可以由诸如铝和铌之类的超导材料制成。在另一种情况下，圆柱形谐振器305和销可以由铜制成。在一种情况下，销可以用腔边缘上的绝缘栓来固定。示例的实现将是超小型的推入式(SMP)连接器的中心销。

为简单起见，在图3B中未示出圆柱形谐振器305。虽然为了简洁起见未示出，但是较低谐振频率柱体20将被定位在每个量子位40的末端，使得每个量子位40在每个末端处被连接(附接和接触)到两个较低谐振频率柱体20。也就是说，量子位40的一个水平端连接到较低谐振频率柱体20，另一个水平端连接到不同的较低谐振频率柱体20。注意，将量子位40沿较低谐振频率柱体20垂直向上移动增加了量子位40与所附接的较低谐振频率柱体20的耦合。相反地，将量子位40沿较低谐振频率柱体垂直向下移动降低了量子位40与所附接的(两个)较低谐振频率柱体20的耦合。

图4是根据实施例的示例腔100的截面图，其中较低谐振频率柱体20上方的输入端口405可以被选择性地耦合到(较低谐振频率柱体20的)相应模式。图4描绘了输入端口405，其单独地耦合其自身的较低频率谐振器柱体20，输入端口405被布置在顶板25中。可以通过以本领域技术人员了解的任何方式来修改输入端口405，从而控制外部品质因数Q_e测量的耦合强度。输入端口405中的每一个是到个体微波圆柱体连接器410的入口(在顶板25中)，输入端口405位于相应的较低谐振频率柱体20上方。最左侧的输入端口405被图示为截面图，其示出在输入端口405内的较大的扩展420。

个体微波圆柱体连接器410被电容地耦合到个体较低谐振频率柱体20。在图4中，请注意，一些量子位40延伸进入和离开该图的页面以与另一个较低谐振频率柱体20连接。

在图4中，较高谐振频率柱体10被实现为腔100的侧壁35。当使用5个或更少的较低谐振频率柱体20时，侧壁35操作来对较低谐振频率柱体20的模式进行局部化。例如，侧壁35(操作为较高谐振频率柱体10)防止较低谐振频率柱体20耦合到其他谐振频率柱体20。

图5图示了根据实施例的腔100的缩略图。图5为了便于说明而仅示出了具有单个量子位40的示例，但是应当理解，本示例也适用于多个量子位40。图5示出了可以将量子位40平行地添加到较低谐振频率柱体20。平行定位显示出量子位40的长度(最长方向)在腔中垂直地指向。根据实施例，图6是示出了量子位40的缩略图，取决于耦合强度需求和/或几何约束，量子位40在场梯度最大的尖端处垂直于较低谐振频率柱体20。特别地，图6是仅示出较低谐振频率柱体20的示例实施例，而较高谐振频率柱体10如图4中所讨论地在腔100的侧壁中实现。

根据实施例，腔100的参数可以被容易地调整。例如，图7是腔100的缩略图，其图示了较低谐振频率柱体20到给定量子位40(未示出)的耦合强度是由较低谐振频率柱体20之间的柱体到柱体间隔A来控制，其控制谐振模式中的电场强度。柱体到柱体间隔A应小于最短柱体(例如，小于较低谐振频率柱体20的长度)的长度。量子位和谐振器之间的耦合强度通常被量化为谐振器电场和量子位的有效偶极矩的点积，影响量子位的存在扰动谐振频率的程度。

作为另一个参数，(较低谐振频率柱体20的)谐振模式的外部品质因数由较低谐振频率柱体20的顶部与输入端口405之间的间隙G来控制。间隙G越大，外部品质因数就越大。如本领域技术人员所理解的，外部品质因数是谐振频率与谐振器通过耦合到环境而损失能量的速率的比率；因此，较大的外部品质因数对应较弱的外部耦合强度。谐振模式的谐振频率由较低谐振频率柱体20的长度L控制。

较低谐振频率柱体20的谐振频率的隔离由较高谐振频率(λ/2)柱体10的谐振频率来控制。

图7示出了包括顶板25、底板30和侧壁35的外壳，在一个实现中，顶板25、底板30和侧壁35中的每一个都由超导材料制成。尽管为了简单起见，量子位40未被示出连接到较低谐振频率柱体20，并且圆柱形谐振器305没有被示出直接在量子位40下面对齐(如图3A、图4和图8中所示)，但是应该理解是存在的。尽管为了清楚起见而省略，但应理解，顶板25包括直接在较低谐振频率柱体20上方的输入端口405(如图4所示)。

图8图示了根据实施例的超导微波谐振腔100的一个实现的细节。仅示出了超导微波谐振器腔100的缩略部分。如本文所讨论的，每个量子位40被附接到两个较低谐振频率(λ/4)柱体20，而较高谐振频率(λ/2)柱体10被定位在较低谐振频率(λ/4)柱体20的周围。图8以在底板30中的圆柱形孔850内部的剖视图示出底板30。量子位40是具有在衬底810上形成的transmon 805的芯片。衬底810可以是蓝宝石、硅等。附接到或形成在衬底810上的可以是精密加工的微带谐振器815(即，读出谐振器)，用于被定位于圆柱形孔850正上方的量子位40的读出。衬底810的一部分向下延伸到圆柱形孔850中，并且该部分包含精密加工的微带谐振器815。衬底810的另一部分在圆柱形孔850的上方(而不是在圆柱形孔850中)，并且该部分包含transmon 805。精密加工的微带谐振器815的作用与圆柱形谐振器305中的中央段相同。

transmon 805是一种超导电荷量子位，其被设计为具有对电荷噪声的降低的灵敏度。它的名称是术语——传输线分流等离子体振荡量子位的缩写。通过增加约瑟夫森能量与充电能量的比率，该transmon实现了其对电荷噪声的降低的灵敏度。在图8的量子位40中明确示出了transmon 805。应当理解，transmon 805在其他附图中存在于其他量子位40中，尽管在其他附图中为了清楚起见已经省略了transmon805的明确标识。

尽管图8仅示出了延伸到单个圆柱形孔中的单个量子位40，但是可以理解，大量的量子位40分别延伸到它们自己的个体圆柱形孔850中。

在容错量子计算的环境中，可以利用实施例来实现量子纠错方案，比如表面码。在现有技术中，表面码量子纠错方案需要将每个量子位耦合到其四个最近邻居的量子位的能力，如图9A中所图示。在这个范例中，使用“数据”量子位905(垂直线图案)来执行期望的计算，而点式案的“附属”量子位910和水平图案的“附属”量子位920与数据量子位905纠缠，以便分别检测位和相位翻转错误。图9B是用于实现所需连接性的现有技术方法，其涉及将每个数据量子位905耦合到两个“总线”谐振器925，每个“总线”谐振器925对连接到它的四个量子位之间的交互进行调解。注意，每个量子位在这个配置中有效地具有六个最近的邻居(即，其他三个量子位被耦合到两个总线谐振器925中的每一个)，但是它只需要耦合到其中的四个。可以在美国专利申请US20140264283中找到关于这种布置的进一步细节。

图9A示出了用于表面码纠错方案的量子位的正方形阵列的一部分。如上所指出，垂直线图案的量子位905表示数据量子位。点式图案的量子位910和水平线图案的量子位920表示用于检查四个的周围的数据量子位的X/Z校验的附属量子位。线930连接可以与纠缠操作耦合的量子位对。正方形950表示单个校验检查“元格”(plaquette)，其中数字指示在附属量子位920(中心)与四个的周围的数据量子位905之间的纠缠操作的顺序(order)。在正常操作期间，该周期的操作同时运行在每个元格950上(应当理解还有其他的元格950)。示例的纠缠操作是受控非(CNOT)门，当且仅当“控制”量子位处于|1>状态时，受控非(CNOT)门翻转“目标”量子位的状态；在这里，这个操作用这样的线段来表示，线段一端有用来指示控制量子位的实线圈，线段另一端有用来指示目标量子位的圈叉。图9B图示了在图9A中所示的格栅的基于谐振器的实现。在图9B中，每个量子位都耦合到最近的两个总线谐振器925，这里以粗线(或矩形)示出。正方形再次突出显示单个元格950，其包括经由两个总线925被耦合到全体四个数据量子位905的中央附属量子位920。

在给出以此方式耦合的量子位网络的情况下，通过同时在每个5量子位的元格950上重复运行以下一组操作来实现纠错：

1)准备处于|0>状态的附属。迄今为止，这通常是通过等待量子位在自身上弛豫来完成的，但是具有高精确度测量和反馈，也可能简单地测量量子位的状态并且然后在需要时施加控制脉冲以将其返回到|0>状态。

2)用其四个邻近的数据量子位纠缠附属。对于超导量子位，纠缠门的示例包括交叉谐振和谐振器诱导的相位门。一半的附属(即，取决于实施细节是“点式图案”或“水平”的)应该在纠缠门之前或之后向其应用Hadamard逻辑门。

3)测量附属的状态。在此文档中，假定每个量子位还被耦合到第三谐振器，每个量子位的状态可以通过第三谐振器读出。(注意，本文讨论的实施例与为每个量子位添加读出谐振器相兼容)。

4)确定最可能的一组错误。预计这一步涉及使用经典的图匹配算法。然而这些细节超出了本文的范围。

5)根据需要应用纠正。根据需要调整量子位控制脉冲以纠正从上一步推断出的错误。

6)假定单个量子位和两个量子位(纠缠)门的精确度高于某个阈值，已经示出根据其上运行该算法的电路尺寸(即，量子位的数量)来强抑制未校正错误率。请注意，该算法仅仅允许通过一组不完美的物理量子位来构建容错“逻辑”量子位。在这样的系统上执行逻辑操作的可能方法超出了本文档的范围。

根据实施例，图10图示了图9B的精确的量子位-谐振器网络可以通过使用本公开的特征来实现，其中λ/4谐振器20充当用以耦合相邻量子位40的总线。对应于图10中的虚线框1050内的网络，已制造和表征包含五个λ/4谐振器20和四个量子位40的概念验证设备。所测量的量子位和谐振器参数位于基于过往测量和模拟的预期范围内，从而使得该实施例如预期那样工作。请注意，图6中的概念验证设备省略了λ/2谐振器10，这是由于外壳的铝制侧壁35执行了相同功能，即对模式进行局部化以减少串扰。然而，在另一种实现中，任何较大的设备都可能需要λ/2谐振器10。

返回图10，该示意图示出了如何使用本公开来实现适用于量子纠错的量子位-谐振器网络。λ/4谐振器20用以将量子位40耦合在一起的总线谐振器，而λ/2谐振器10用以减少串扰。量子位被描绘为数据量子位40A、附属量子位40B(用于X校验检查)和附属量子位40C(用于Z校验检查)。

虽然图6中的概念验证设备可能太小以至于不能用表面码来示范纠错，但是它能够被用来示范X和Z校验检查操作，X和Z校验检查操作然后被用于完整的纠错示范。在现有技术中报道了在2D共面架构中的超导量子位设备上执行单个校验检查操作的细节。类似的示范能够使用图6中的概念验证设备来执行。

注意，这里所描述的示例应用只是可以如何使用本公开来执行量子纠错的一个示例。对于实现现存或还没有设计出来的其他纠错方案，以及对于其他目的来说，它可能也是有用的。

图11图示了根据实施例对超导微波腔100进行配置的方法。

在框1105处，提供了不同高度的柱体阵列，并且柱体阵列中的每个柱体支持局部微波模式，其中柱体阵列包括较低谐振频率柱体20和较高谐振频率柱体10。

在框1110处，第一板(例如，顶板25)被配置成与第二板(例如，底板30)相对。

在框1115处，柱体阵列中的较低谐振频率柱体20的一端被定位在第二板30上，以便被电连接到第二板30。

在框1120处，柱体阵列中的较低谐振频率柱体20的另一端将是开放的，以便不形成与第一板25的电连接。

在框1125处，量子位40被连接到柱体阵列中的较低谐振频率柱体20，使得柱体阵列中的一个或两个较低谐振频率柱体20被物理地连接到每个量子位40。在一个实现中，每个较低谐振频率柱体20被配置为被电容地耦合到量子位40，量子位40被连接到该特定的较低谐振频率柱体20。

第一板25包括分别在柱体阵列中的每个较低谐振频率柱体20上方的端口405，并且端口405被配置为耦合到、驱动和测量量子位40。

较高谐振频率柱体10在两端上被短接，使得较高谐振频率柱体10的第一端被短接到第一板25，而第二端被短接到第二板30。较高谐振频率柱体10被配置成为柱体阵列中的较低谐振频率柱体20提供模式局部化。

量子位40是晶体中的杂质中心、超导量子位、半导体自旋量子位和光俘获离子中的至少一个。

在一种情况下，量子位40在同一格栅上有不同类型。

每个量子位40分别包含其自己的读出谐振器(例如，微带谐振器815)。读出谐振器(微带谐振器815)延伸到穿过第二板30形成的圆柱形谐振器305中，并且圆柱形谐振器305被分别定位在每个量子位40的下方以容纳读出谐振器815。可以参考图3A和图8。

在一个实现中，柱体阵列形成正方形的格栅。在另一个实现中，柱体阵列形成三角形的格栅。

根据实施例如图6和图10中所示，量子位40的格栅被配置为执行量子纠错码。

柱体阵列使用标准加工技术、标准微加工技术和3D打印中的至少一种来制造。

对应于支持从0.75GHz至150GHz的谐振模式，柱体阵列具有在长度在0.5mm和100mm之间的高度。柱体阵列中的较低谐振频率柱体20之间的间隔距离(例如，距离A)小于较低谐振频率柱体20的高度(例如，长度L)。应当注意，较高谐振频率柱体10的高度大于较低谐振频率柱体20的高度。

附图中的流程图和框图图示了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框都可以表示包括用于实现(一个或多个)指定逻辑功能的一个或多个可执行指令的指令的模块、段或部分。在一些替代实现中，框中指出的功能可以不按照附图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。还要注意的是，框图和/或流程图中的每个框，以及框图和/或流程图中的框的组合可以由基于专用硬件的系统来执行，该系统执行指定功能或动作或者实施专用硬件和计算机指令的组合。

Claims (25)

1.一种超导微波腔，包括：

不同高度的柱体阵列，所述柱体阵列中的每个柱体支持局部微波模式，其中所述柱体阵列包括较低谐振频率柱体和较高谐振频率柱体，所述较高谐振频率柱体被布置在所述较低谐振频率柱体的周围；

第一板；以及

与所述第一板相对的第二板；

其中所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体的一端被定位在所述第二板上，以便被电连接到所述第二板；

其中所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体的另一端是开放的，以便不形成与所述第一板的电连接；以及

其中量子位被连接到所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体，使得所述量子位中的每个量子位被物理地连接到所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体中的一个或两个较低谐振频率柱体。

2.根据权利要求1所述的腔，其中所述第一板包括分别在所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体上方的端口，所述端口被配置成耦合到、驱动和测量所述量子位。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述较高谐振频率柱体在两端上被短接，使得所述较高谐振频率柱体的第一端被短接到所述第一板，并且第二端被短接到所述第二板。

4.根据权利要求3所述的腔，其中所述较高谐振频率柱体被配置成为所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体提供模式局部化。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述量子位是以下各项中的至少一项：超导量子位、半导体自旋量子位、光俘获离子以及晶体中的杂质中心。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述量子位在同一格栅上具有不同的类型。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述量子位中的每个量子位分别包含其自己的读出谐振器。

8.根据权利要求7所述的腔，其中所述读出谐振器延伸到穿过所述第二板形成的圆柱形谐振器中，所述圆柱体谐振器分别被定位在所述量子位中的每个量子位之下以容纳所述读出谐振器。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述柱体阵列形成正方形格栅。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的腔，其中所述柱体阵列形成三角形格栅。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述量子位的格栅被配置成执行量子错误校正码。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述柱体阵列使用标准加工技术、标准微加工技术和3D打印中的至少一种来制造。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，对应于支持从0.75GHz到150GHz的谐振模式，具有不同高度的所述柱体阵列具有在0.5mm和100mm之间的长度。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的腔，其中所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体之间的间隔距离小于所述较低谐振频率柱体的高度。

15.一种配置超导微波腔的方法，所述方法包括：

提供不同高度的柱体阵列，所述柱体阵列各自支持局部微波模式，其中所述柱体阵列包括较低谐振频率柱体和较高谐振频率柱体，所述较高谐振频率柱体被布置在所述较低谐振频率柱体的周围；

将第一板配置成与第二板相对；

将所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体的一端定位在所述第二板上，以便被电连接到所述第二板；

将所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体的另一端定位成开放的，以便不形成与所述第一板的电连接；以及

将量子位连接到所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体，使得所述量子位中的每个量子位被物理地连接到所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体中的一个或两个较低谐振频率柱体。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一板包括分别在所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体上方的端口，所述端口被配置成耦合到、驱动和测量所述量子位。

17.根据权利要求15或16中的任一项所述的方法，其中所述较高谐振频率柱体在两端上被短接，使得所述较高谐振频率柱体的第一端被短接到所述第一板，并且第二端被短接到所述第二板。

18.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其中所述较高谐振频率柱体被配置成为所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体提供模式局部化。

19.根据权利要求15至18中的任一项所述的方法，其中所述量子位是以下各项中的至少一项：超导量子位、半导体自旋量子位、光俘获离子以及晶体中的杂质中心。

20.根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，其中所述量子位在同一格栅上具有不同的类型。

21.一种超导微波腔，包括：

外壳，所述外壳包括由侧壁连接的顶板和底板；

柱体阵列，所述柱体阵列包括在所述外壳内部的较低谐振频率柱体和较高谐振频率柱体；以及

量子位，所述量子位被连接到所述较低谐振频率柱体，使得所述量子位中的每个量子位被物理地连接到所述柱体阵列中的所述较低谐振频率柱体中的一个或两个较低谐振频率柱体；

其中所述较低谐振频率柱体的一端被定位在所述底板上，以便被电连接到所述底板，而所述较低谐振频率柱体的另一端是开放的，以便不形成与所述顶板的电连接；

其中所述较高谐振频率柱体在两端上被短接，使得所述较高谐振频率柱体的第一端被短接到所述顶板，以及第二端被短接到所述底板；以及

其中所述顶板包括分别在所述较低谐振频率柱体上方的端口，所述端口被配置成耦合到、驱动和测量所述量子位。

22.根据权利要求21所述的腔，其中所述较高谐振频率柱体被布置在所述较低谐振频率柱体的周围。

23.根据权利要求21或22中的任一项所述的腔，其中所述量子位中的每个量子位分别包含其自己的读出谐振器。

24.根据权利要求23所述的腔，其中所述读出谐振器延伸到穿过所述底板形成的圆柱形谐振器中，所述圆柱体谐振器分别被定位在所述量子位中的每个量子位之下以容纳所述读出谐振器。

25.根据权利要求21至24中的任一项所述的腔，其中所述顶板、所述底板和所述侧壁由超导材料制成。