CN109196797B - 用光学频率光子读出微波频率量子位的量子态的方法和系统 - Google Patents

Abstract

技术涉及读取耦合到微波谐振器的量子位。微波谐振器频率的微波信号输入到耦合到量子位的微波谐振器。来自微波谐振器的微波读出信号输出到微波到光学转换器。微波读出信号包括量子位的量子位状态。微波到光学转换器被配置为将微波读出信号转换为光学信号。响应于光信号由微波输出到光转换器，确定量子位处于预定义的量子位状态。响应于没有光信号由微波输出到光转换器，确定量子位不在预定义的量子位状态。

Description

用光学频率光子读出微波频率量子位的量子态的方法和系统

技术领域

本发明涉及光电装置，更具体地，涉及用光学频率光子读出微波频率量子位(qubit)的量子态。

背景技术

在称为电路量子电动力学的一种方法中，量子计算采用称为量子位的非线性超导装置以操纵和存储微波频率的量子信息，以及谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)以读出并促进量子位之间的相互作用。作为一个示例，每个超导量子位可以包括一个或多个约瑟夫森结，所述约瑟夫森结由与所述结并联的电容器分流。量子位电容耦合到2D或3D微波腔。与量子位相关联的电磁能存储在约瑟夫森结中以及形成量子位的电容和电感元件中。

在一个示例中，为了读出量子位状态，将微波信号施加到微波读出(readout)腔，该微波读出腔以对应于量子位状态A的腔频率耦合到量子位。透射(或反射)的微波信号经过多个隔热阶段和需要阻止或降低噪声并提高信噪比的低噪声放大器。在室温下测量微波信号。高微波信号表明量子位处于状态A。微波读出提供用于控制的稳定的信号幅度，可使用覆盖大部分微波频率范围的商用现货(COTS)硬件。但是，微波读出信号必须与热噪声隔离，并在增加最小噪声的情况下被放大。

诸如超导量子位的量子系统对电磁噪声非常敏感，特别是在微波和红外域中。为了保护这些来自微波和红外噪声的量子系统，应用了几层滤波，衰减和隔离。特别感兴趣的是在输入和输出(I/O)线(也称为传输线)上采用的保护层，其连接到量子系统，并且分别将输入和输出信号传送到量子系统和从量子系统传送输入和输出信号。在超导量子位的情况下，这些I/O线(传输线)通常是微波同轴线或波导。为了阻挡或衰减传播或泄漏到这些传输线中的噪声使用的一些技术或组件是衰减器，循环器，隔离器，低通微波滤波器，带通微波滤波器和基于有损吸收材料的红外滤波器。然而，这些噪声隔离组件和微波信号放大技术需要大量额外的微波硬件和成本。

因此，在现有技术中需要解决上述问题。

发明内容

从第一方面看，本发明提供一种读取分别耦合到N个微波谐振器的N个量子位的方法，该方法包括：将处于N个微波谐振器频率的N个微波输入读出信号输入到分别耦合N个量子位的N个微波谐振器，其中N是整数，其中N个微波谐振器频率的一个各自对应于N个微波谐振器的一个；将N个微波输出读出信号从N个微波谐振器输出到N个微波到光学转换器，N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态，其中N个微波到光学转换器配置成将N个微波输出读出信号转换到N个光学信号，其中N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个；响应于由N个微波到光学转换器输出N个光学信号的任何一个，确定N个量子位的相应一些是在预定义的量子位状态；和响应于N个微波到光学转换器没有任何一个输出光学信号，确定N个量子位的相应一些不在预定义的量子位状态。

优选地，本发明提供一种方法，其中N＝1。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于读取N个量子位的系统，该系统包括：耦合到N个量子位的N个微波谐振器，N个微波谐振器被配置为在N个微波谐振器频率接收N个微波输入读出信号并输出N个微波输出读出信号，其中N是整数；和N个微波到光学转换器，被配置为从N个微波谐振器接收N个微波输出读出信号，N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态，其中N个微波到光学转换器被配置为将N个微波输出读出信号转换为N个光学信号，其中N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个，其中N个量子位的一些被分别定义为当N个光学信号的相应一些由N个微波到光学转换器的相应一些输出时是在预定义的量子位状态，其中N个量子位的相应一些被定义为当N个微波到光学转换器的相应一些没有输出N个光学信号的相应一些时，不在预定义的量子位状态。

优选地，本发明提供一种系统，其中N＝1。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于读取一个或多个量子位的系统，该读出系统包括：一个或多个微波波导；一个或多个光波导；和一个或多个微波到光学转换器，被配置为经由一个或多个波导接收与一个或多个量子位对应的一个或多个微波读出信号，其中，一个或多个微波到光学转换器被配置为经由一个或多个光波导输出用于在预定义的量子位状态的一个或多个量子位的一个或多个光学信号，其中一个或多个微波到光学转换器被配置为不输出用于不在预定义量子位状态的一个或多个量子位的光学信号。

根据一个或多个实施例，提供了一种读取耦合到微波谐振器的量子位的方法。该方法包括在微波谐振器频率将微波信号输入到耦合到量子位的微波谐振器，并将微波读出信号从微波谐振器输出到微波到光学转换器。此外，微波读出信号包括量子位的量子位状态，并且微波到光学转换器被配置为将微波读出信号转换为光学信号。此外，该方法包括响应于光学信号被微波到光学转换器输出，确定量子位是在预定义的量子位状态，以及响应于N个微波到光学转换器没有任何一个输出光学信号，确定量子位不在预定义的量子位状态。

根据一个或多个实施例，提供了一种读取分别耦合到N个微波谐振器的N个量子位的方法。该方法包括在N个微波谐振器频率将N个微波输入读出信号输入到分别耦合N个量子位的N个微波谐振器，其中N是整数，并且其中N个微波谐振器频率的一个各自对应于N个微波谐振器的一个。该方法包括将N个微波输出读出信号从N个微波谐振器输出到N个微波到光学转换器。N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态。N个微波到光学转换器被配置为将N个微波输出读出信号转换为N个光学信号，并且N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个。此外，该方法包括响应于由N个微波到光学转换器输出N个光学信号的任何一个，确定N个量子位的相应一些是在预定义的量子位状态，以及响应于N个微波到光学转换器没有任何一个输出任何光学信号，确定N个量子位的相应一些不在预定义的量子位状态。

根据一个或多个实施例，提供了一种用于读取量子位的系统。该系统包括耦合到量子位的微波谐振器，所述微波谐振器被配置为在微波谐振器频率接收微波信号并输出微波读出信号，微波读出信号包括量子位的量子位状态，所述系统包括微波到光学转换器，其被配置为从微波谐振器接收微波读出信号。微波到光学转换器被配置为将微波读出信号转换为光学信号，并且当光学信号由微波到光学转换器输出时，量子位被定义为是在预定义的量子位状态。当微波到光学转换器没有输出光信号时，量子位被定义为不在预定义的量子位状态。

根据一个或多个实施例，提供了一种用于读取N个量子位的系统。该系统包括耦合到N个量子位的N个微波谐振器，并且N个微波谐振器被配置为在N个微波谐振器频率接收N个微波输入读出信号并输出N个微波输出读出信号，其中N是整数。N个微波到光学转换器被配置为从N个微波谐振器接收N个微波输出读出信号，以及N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态。N个微波到光学转换器被配置为将N个微波输出读出信号转换为N个光学信号。其中N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个，N个量子位的一些被分别定义为当N个光学信号的相应一些由N个微波到光学转换器的相应一些输出时是在预定义的量子位状态。N个量子位的相应一些被定义为当N个微波到光学转换器的相应一些没有输出N个光学信号的相应一些时，不在预定义的量子位状态。

根据一个或多个实施例，提供了一种用于读取一个或多个量子位的读出系统。所述读出系统包括一个或多个微波波导，一个或多个光波导，以及一个或多个微波到光学转换器，其被配置为经由一个或多个波导接收对应于一个或多个量子位的一个或多个微波读出信号。一个或多个微波到光学转换器被配置为经由一个或多个光学波导输出用于处于预定义的量子位状态一个或多个量子位的一个或多个光学信号。一个或多个微波到光学转换器被配置为不输出不处于预定义的量子位状态的一个或多个量子位的光学信号。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，附图中：

图1A是根据一个或多个实施例的用于测量量子系统的架构/微波和光学装置(量子位读出系统)的示意图。

图1B是描绘根据一个或多个实施例的读出架构/微波和光学装置的示例操作的流程图。

图2是根据一个或多个实施例的用于测量量子系统的架构/微波和光学装置的示意图。

图3是根据一个或多个实施例的用于测量量子系统的架构/微波和光学装置的示意图。

图4是根据一个或多个实施例的用于测量量子系统的架构/微波和光学装置的示意图。

图5是根据一个或多个实施例的读取耦合到微波读出谐振器的量子位的方法的流程图。

图6是根据一个或多个实施例的读取分别耦合到N个微波读出谐振器的N个量子位的方法的流程图。

图7是示出根据一个或多个实施例的每量子位的传统的读出与使用每量子位的微波到光学转换的读出的图表。

图8是示出根据一个或多个实施例的用于N个量子位读出的硬件要求的比较的图表。

具体实施方式

这里参考相关附图描述了各种实施例。在不脱离本文件的范围的情况下，可以设计替代实施例。注意，在以下描述和附图中，在元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方，下方，相邻等)。除非另有说明，否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且不旨在限制这方面。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，在层“B”上方形成层“A”的引用包括其中一个或多个中间层(例如，层“C”)在层“A”和层“B”之间的情况，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被中间层改变。

一个或多个实施例包括通过将微波读出信号转换为光学光子以读出量子位的量子态的装置和方法。在室温检验员经由光纤通过接收具有量子位状态信息的光学光子测量(通过光子测量装置)量子位状态。

在现有技术的系统中，讨论了典型的微波控制和读出设置。用于读出单个量子位的典型硬件开销需要3个隔离器，1到2个循环器，2个放大器，同轴电缆以及所有组件的良好热化。每量子位的体积(体积/量子位)约为0.001立方米(m3)，以及每量子位的重量(重量/量子位)约为1千克(kg)。现有技术的读出设置是不可扩展的，例如，举例来说，不能扩展到100个量子位，因为用于100个量子位的整个读出设置不适合当前现有技术的稀释冰箱。现有技术的微波读出需要大量硬件：占地面积大，质量大，以及热质量大。

实施例提供了更小和更轻的读出系统，其具有光纤的输出链不具有大的热质量。一个或多个实施例提供用于100个量子位或更多的可扩展解决方案。在一个或多个实施例中，用于量子位的N(N>1是整数)数量可以使用多路复用。

现在转向附图，图1A是根据一个或多个实施例的架构/微波和光学装置100(量子位读出系统)的示意图，并且示出了量子系统的测量。图1A示出了量子系统在反射中的测量，但是应当理解，可以在量子系统在传输中工作时进行测量。当读出谐振器在传输中工作时，输入和输出信号不共享相同的传输线，并且不失一般性，输入信号进入一条传输线，输出信号离开另一条传输线。当读出谐振器在反射中工作时，输入和输出信号二者都共享如图1A中所描述的相同的传输线。

读出架构/微波和光学装置100是用于使用微波到光学转换的微波量子位读出。架构/微波和光学设备100利用微波量子位读出装置60中的微波到光学转换器50。

读出架构/微波和光学装置100包括量子系统70，其是微波量子位72和微波读出谐振器74。在一个示例中，量子系统70可以是超导量子系统以及微波量子位72可以是超导量子位。在一个示例中，微波读出谐振器74可以实现为二维(2D)微波腔或三维(3D)微波腔。

微波读出谐振器74被设计成读取(即探测)微波量子位72的状态。在一个实现中，微波量子位72可以是包括约瑟夫森结的超导传输量子位(transmon qubit)。在一个实现中，微波量子位72可以电容耦合到微波读出谐振器74。对于微波读出谐振器有各种设计。微波读出谐振器74的示例可以包括电感器和电容器，共面波导谐振器，共面带状线谐振器，集总元件谐振器，3D波导腔，和/或圆柱形腔。注意，虽然微波量子位72可以是用于解释目的的传输量子位电路，但是应该理解，微波量子位72并不意味着受限并且适用于不是传输量子位电路的其他超导量子位电路。

尽管在该示例中描绘了一个量子位72和一个读出谐振器74，但是量子系统70可以包括/表示一个或多个量子位72和一个或多个微波读出谐振器74，其中每个量子位72耦合到其自己的微波读出谐振器74。

读出装置60包括微波循环器80，微波到光学转换器50和终止点30。读出系统100包括作为微波波导1,71和81的传输线以及在微波到光学转换器50的输入和输出侧上的光波导2和4。读出装置60和量子系统70两者都在冰箱150中，冰箱150冷却到用于获得低热噪声的预定温度，并且如果需要的话，还有超导性。虚线下方的元件保持为包括波导(即传输线)的预定温度。在一个实施方式中，冰箱150可以将温度保持在约10毫开尔文(mK)的预定温度，这是用于抑制热激发和噪声的典型温度。冰箱150可以是稀释冰箱，其在10mK阶段维持读出装置60，量子系统70和相关波导。读出装置60可以由超导材料制成，当冷却到预定温度时，超导材料根据超导原理工作。而且，量子系统70可以由超导材料制成。

微波循环器80经由传输线71连接到量子系统70。微波信号发生器20经由传输线1将输入微波信号21传输到循环器80。

输入微波信号21被输入到循环器80的一个端口或由循环器80的一个端口接收，并且输入微波信号21在逆时针(即，沿箭头方向)旋转之后通过下一个端口输出。循环器80示出为具有三个端口。该例子示出了循环器80，其第一端口连接到量子系统70的输入/输出。循环器80的第二端口连接到微波到光学转换器50的微波输入。循环器80的第三端口连接到微波信号发生器20。

微波信号发生器20(或连接到微波量子位的另一信号发生器(未示出))被配置为在微波量子位72的量子位谐振频率(fq)处产生微波信号(未示出)，并且该量子位信号(fq)被输入到量子系统70。输入量子位谐振频率信号初始化，操纵，激发或控制量子位72。每个量子位状态产生唯一的读出谐振器谐振。为了测量或推断超导量子位72的状态，输入读出信号21由微波信号发生器20或不同的发生器在读出谐振器74的读出谐振频率(fr)产生。输入读出信号21被发送到量子系统70。输入读出信号21通过循环器80在谐振(或接近读出谐振器74的谐振)输入到读出谐振器74，从而激发读出谐振器74。读出谐振器74在读出谐振频率(fr)产生(或谐振)输出读出信号11。在与量子位72分散地相互作用之后，离开读出谐振器74的输出读出信号11携带关于量子位72状态的(量子)信息，即，量子位72是否处于基态，激发态和/或这两个状态的叠加。该量子位信息或以输出微波读出信号11的相位和/或幅度编码。输出读出信号11是谐振器读出信号，其从传输线71上的读出谐振器74输出到循环器80以及然后到传输线81上的微波到光学转换器50。循环器80设计成(旋转地)将谐振器输出读出信号11引导到微波到光学转换器50。谐振器输出读出信号11是微波信号处于(或接近)读出谐振器74的读出谐振频率(fr)的微波信号。

同时，光学信号发生器22(例如，光泵)被配置为以光泵频率(fp)产生光学泵浦信号23。光学信号发生器22将传输线2上的光学泵浦信号23传输到微波到光学转换器50。同时，光学信号发生器24被配置为以输入光学信号频率(fio)产生输入光学信号25。光学信号发生器24将输入光学信号25发送到微波到光学转换器50。

微波到光学转换器50被配置为(同时)接收具有量子位72的量子位状态的输出读出信号11和光学泵浦信号23。输入光学信号25是可选的，其可以用于表征或偏置微波到光学转换器50。微波到光学转换器50将频率为foo的输出微波读出信号11转换成输出光学信号27。输出光学信号27通过传输线4(在输出侧)从微波到光学转换器50传输到光学光子探测器26。输出光学信号27包含量子位72的量子位状态的信息，以及光学光子检测器26被配置为通过检测输出光学信号27中的光学光子来读取/提取量子位状态。光学光子检测器26可以被冷却至低温，例如4开尔文(即，位于4K阶段)。

剩余的光学泵浦信号(optical pump signal)23被转储到光学转储器(opticaldump)28。光学转储器或光束转储器是设计用于吸收高能光束内的光子或其他粒子的能量的装置。剩余输出读出信号11在终止点30处终止。终止点30可以是50欧姆负载，并且终止点被冷却到预定温度，例如10mK。在一个实施方式中，终止点30可以是电阻器。

根据实施例，在微波到光学转换装置50内，使用来自光学泵浦信号23的功率，包含量子位状态信息的微波输出读出信号11被转换为光学信号(例如，频率大约等于(≈)193太赫兹(THz))。应注意，光泵频率(fp)＝输出微波信号频率(fr)+从微波信号(foo)转换而来的输出光学信号频率。

图1B是描绘根据一个或多个实施例的读出架构/微波和光学装置100的示例操作的流程图150。在该示例中，量子位状态A(可互换地称为量子状态A)可以对应于激发态。

在框152处，微波输入读出信号21被输入到读出谐振器74，使得读出谐振器74输出包含量子位72的量子位状态信息的微波输出读出信号11。在一个实现中，微波输入信号21处于读出谐振器频率(fr)。

在判定框154处，根据量子位72是否处于量子位状态A，流程可以具有两个不同的操作。如果“否”，则量子位72不处于量子位状态A，则在块156处微波输出读出信号11为零或低。低微波输出读出信号11被定义为低于用于微波到光学转换器50转换成光学信号的预定阈值的预定义值。在一个实施方式中，低微波输出读出信号11对于微波到光学转换器50来说太小而对于光学转换不能识别和/或利用。

在框158处，来自读出谐振器74的微波输出读出信号11进入微波到光学转换器50。由于微波输出读出信号11低(或低于预定阈值)，在框160处，没有微波信号被微波到光学转换器50转换。因此，在框162处，光子检测器26没有检测到光学信号，因此，没有检测(通过光子检测器26)确认量子位72不处于量子位状态A。

或者，在判定框154，流程分支到框164，因为“是”，量子位72处于量子位状态A。在框164，来自读出谐振器74的微波输出读出信号11进入微波到光学转换器50。

在框166处，微波到光学转换器50将微波输出读出信号11转换为包含量子位状态的输出光学信号27。

在框168处，光学光子检测器26检测输出光学信号27，并且光学光子探测器26对输出光学信号27的这种检测(至少一个光学光子)证实了量子位72是处于状态A。在一种实现中，量子位状态包含在光子数或光功率中(并且不一定在相位或幅度中)。是否检测到光学信号(即状态A中的是)或未检测到光学信号确定量子位72处于状态A。

图2是架构/微波和光学装置100(量子位读出系统)的示意图，并且示出了根据一个或多个实施例的量子系统的测量。相同的元件包括在图1和2中，以及它们的描述不再重复，但在本文此前已经讨论过。

图2包括微波到光学转换器50并提供更多细节。在该示例中，微波到光学转换器50表示为光学机械微波到光学转换装置。光学机械微波到光学转换装置50包括压电光学机械振荡器/谐振器205。压电光学机械振荡器205包括压电材料，该压电材料基于微波输出读出信号11结合光学泵浦信号23和输入光学信号25振荡(即，移动)。光学机械微波到光学转换装置50将微波输出读出信号11转换成输出光学信号27，以便由光学光子检测器26进行检测。在一个实施例中，光学机械振荡器不必是压电的。在一个实施例中，光学机械振荡器可以是光子晶体光束腔或介电膜光学机械腔。

例如，使用来自光机械微波到光学转换装置50中的光学泵浦信号23的功率将包含量子位状态信息的微波输出读出信号11转换为输出光学信号27(作为大约(≈)193太赫兹(THz)的光学频率)。在光机械微波到光转换装置50中，微波输出读出信号11通过机械振动光学谐振器205来调制光学频率，并使用来自光泵22的光学泵浦信号23被转换为输出光学信号27。

图3是架构/微波和光学装置100(量子位读出系统)的示意图，并且示出了根据一个或多个实施例的量子系统的测量。包括相同的元件。相同的元件包括在图1和3中，以及它们的描述不再重复，但在本文此前已经讨论过。

图3提供了微波到光学转换器50的进一步细节。在该示例中，微波到光学转换器50表示为电光微波到光学转换器。电光微波到光学转换器50包括光学读出耦合谐振器310(λ')，电光装置305(f)和光学泵浦耦合谐振器315(λ)。光学读出耦合谐振器310(λ')耦合到电光学装置305(f)，并且光学泵浦耦合谐振器315(λ)也耦合到电光学装置305(f)。

在该示例中，光学读出耦合谐振器310(λ')具有对应于(或匹配)输出光学信号27的输出光学频率foo的波长λ'。电光学装置305(f)具有自由光谱范围频率(f)，其对应于(或匹配)微波输出读出信号11的读出谐振器频率fr。另外，光学泵浦耦合谐振器315(λ)具有对应于(或匹配)光学泵浦信号23的泵浦频率fp的波长λ。电光装置305包含f处的微波谐振器和由电光材料制成的光学谐振器，当从微波谐振器f施加微波光子时，其光学谐振频率改变。

例如，使用来自电光微波到光学转换装置50中的光学泵信号23的功率，将包含量子位状态信息的微波输出读出信号11转换为输出光学信号27(例如，频率≈193THz)。电光微波到光学转换装置50使用电光效应进行转换，这允许微波信号调制光频率。当光学泵浦信号23和微波信号11进入电光装置305时，微波输出读出信号11被转换为输出光学信号27。

图4是架构/微波和光学装置100(量子位读出系统)的示意图，并且示出了根据一个或多个实施例的量子系统的测量。在图4中，读出系统100被配置用于多个量子位的多路读出。相同的元件包括在图1，图3和图4中。它们的描述不再重复，但在此之前本文已经讨论过。

图4包括多个电光微波到光学转换器50_1到50_N，每个分别包括其自己的光学读出耦合谐振器310(λ1'-λN')，它自己的电光装置305(f1-fN)，以及它自己的光学泵浦耦合谐振器315(λ1-λN)。每个相应的光学读出耦合谐振器310(λ1'-λN')耦合到其相应的电光装置305(f1-fN)，并且每个光学泵耦合谐振器315(λ1-λN)也耦合到其自己的电光装置305(f1-fN)。N是表示特定元素的最后数字的整数。

在该示例中，光学读出耦合谐振器310(λ1'-λN')具有分别对应于(或匹配)输出光学信号27的输出光学频率foo1-fooN的波长λ1'-λN'(或频率)。在使用光学泵浦信号23将输入微波信号11转换成输出光学信号27之后，每个各自的光学读出耦合谐振器310发射输出光学信号27的光。微波输出读出信号11的读出谐振器频率fr1-frN被多路复用并传输到微波波导71,81上的各个电光装置305(f1-f2)。因此，电光装置305(f1-f2))具有对应于(或匹配)微波输出读出信号11的读出谐振器频率fr1-frN的频率(f1-f2)。

此外，存在光学泵浦信号23的多个泵浦频率fp1-fpN。因此，光学泵浦耦合谐振器315(λ1-λN)分别具有对应于(或匹配)光学泵浦信号23的泵浦频率fp1-fpN的波长λ1-λN(或频率)。

微波量子系统70包括N-量子位72和N-微波读出谐振器74。每个N-量子位72耦合到其自己的一个N-微波读出谐振器74。N-微波读出谐振器74中的每一个被设计为读取(即，探测)其相应的一个N-量子位72的状态。N-量子位72的一个可操作地耦合到N-读出谐振器74中的一个。

包含分别针对每个N-量子位72的多个量子位状态的信息的多个多路复用微波输出读出信号11进入微波-光学转换装置50_1-50_N。每个微波-到-光转换装置50_1-50_N具有稍微不同的频率(f1-fN)，其被设计为从每个N-量子位72选择性地转换每个微波输出读出信号11(具有相应的频率fr1-frN)。该设置允许通过将相应的多路复用微波输出读出信号11(具有相应的读出频率fr1-frN)经由相应的微波到光学转换器50_1-50_N转换为光学波导4和N光子探测器(输出侧)上的多路复用输出光学信号27，同时为每个N量子位72读出多个量子位状态。应当理解，每个标记1-N意味着与每个对应的元件，信号，频率，波长，装置等相关联。

图5是根据一个或多个实施例的读取耦合到微波读出谐振器74的量子位72的方法的流程图500。可以参考图1A，1B，2,3,4,7和/或8。

在框505处，将微波谐振器频率的微波输入读出信号21输入到耦合到量子位72的微波读出谐振器74。

在框510，微波读出信号11从微波读出谐振器74输出到微波到光学转换器50，并且微波读出信号11包括量子位72的量子位状态的信息，其中微波到光学转换器50被配置为将微波读出信号转换为光学信号。

在框515，响应于光学信号27由微波到光学转换器50输出，确定量子位72处于预定义的量子位状态。在框520处，响应于微波到光学转换器50没有输出光学信号，确定量子位72不处于预定义的量子位状态。

确定量子位72处于预定义的量子位状态包括通过微波到光学转换器50将微波读出信号11转换为光学信号27。微波到光学转换器50被配置为输出光学信号27。

光子检测器26检测从微波到光学转换器50的光学信号27中的(至少一个光学光子)。光子检测器26检测光学信号用于确定量子位处于预定义的量子位状态中。响应于光子检测器26检测不到从微波到光学转换器50输出的光学信号，利用没有光学信号的检测来确定量子位72不处于预定义的量子位状态。光子检测器没有检测到光学信号，因为微波读出信号11低于微波到光学转换器50的阈值，从而使微波到光学转换器不输出光学信号。

在一个实现中，读取光子检测器26的操作员在框525和530中进行确定。在一个实现中，具有处理器，计算机实现的指令和存储器的计算机可以连接到光子检测器26，并且计算机被配置为识别光子检测器26对光学信号27的检测，使得计算机可以在框525和530中进行确定。

微波到光学转换器50是选自由电-光装置(图3和4)，光-机械装置(图1)，光-电压-电装置(图2)，磁-光装置或可以将量子微波信号转换为光学信号的任何装置组成的组的装置。

微波读出谐振器74是微波腔(例如，1D，2D或3D微波读出腔)。

微波谐振器74，量子位72和微波到光学转换器50被冷却到预定温度，该温度远低于热噪声温度。

图6是根据一个或多个实施例的读取分别耦合到N个微波谐振器74(例如，1到N个微波读出谐振器)的N个量子位72的方法的流程图600。可以参考图1A、1B、2、3、4、5、7和/或8。

在框605，处于N个不同微波谐振器频率的N个微波输入读出信号21被输入到分别耦合N个量子位72的N个微波读出谐振器74，其中N是整数，其中N个微波谐振器频率中的每一个各自对应于N个微波谐振器74中的一个。N个不同的微波谐振器频率一对一地对应于N个微波谐振器74。

在框610处，N个微波读出信号11(例如，1到N个微波读出信号可以在波导71和81上被多路复用)分别从N个微波谐振器74到N个微波到光学转换器50_1-50_N输出，以及N个微波读出信号11各自包括N个量子位的每个的量子位状态的信息，其中N个微波到光学转换器50被配置为将N个微波读出信号11转换成N个光学信号27(例如，光波导4上的1到N个光学信号)。N个微波读出信号11中的一个各自对应于N个量子位72中的一个。

在框615，响应于由N个微波向光学转换器50_1-50_N输出N个光学信号27中的任何一个，确定N个量子位72中的相应的一些处于预定义的量子位状态。

在框620处，响应于N个微波到光学转换器50_1-50_N中没有任何一个输出光学信号，确定N个量子位72中的相应的一些不在预定义的量子位状态。

N个微波到光学转换器50_1-50_N被配置为将N个输出光学信号27多路复用成光学线路4上的多光学信号输出，到达N个光子探测器。

一个或多个微波波导71,81耦合到微波到光学转换器50到微波谐振器74。一个或多个光波导2,4耦合到微波到光学转换器50。一个或多个微波循环器80连接微波谐振器74和微波到光学转换器50。

应当理解，读出装置70和/或读出装置70中的任何装置可以在芯片上实现，例如，作为集成电路。应当理解，微波到光学转换器50和/或微波到光学转换器50中的任何装置可以在芯片上实现，例如，作为集成电路。

出于说明目的而非限制，示于图7和8中的表格帮助读者理解根据一个或多个实施例的硬件开销的减少和硬件需求的减少。

图7是示出根据一个或多个实施例的每量子位的传统的读出与使用每量子位的微波到光学转换的读出的图表700。图表700示出了标题为硬件要求，每量子位设置的物理覆盖区，缩放以及对良好信噪比(SNR)的要求的4行。

为了读取每个量子位，传统的微波读出具有比使用实施例的微波到光学转换的光学读出更大的硬件要求。

图8是示出根据一个或多个实施例的N个量子位读出的硬件要求的比较的图表800。图表800示出了5行，标题为读出驱动线，隔离器，循环器，量子放大器和泵浦线。

图8示出了根据一个或多个实施例的传统的读出，传统多路复用读出和光学读出与多路复用之间的比较。为了读取N量子位读出(其中N是整数)，在实施例中具有用于N个量子位的多路复用的光学读出需要比传统读出或传统多路复用读出更少的硬件装置。

通过利用例如一个或多个微波到光学转换器，技术效果和益处包括改进的量子位读出系统和方法。技术益处提供了一种新颖的结构和方法，其通过光纤使用光学光子读出其信号处于微波频率的量子位的量子态。此外，实施例提供了重微波成分量的显著减少，因此与现有技术相比，允许以更少的硬件要求放大微波量子位。另外，实施例公开了在更热和电隔离的环境中读出微波量子位的量子态，其中读出电缆在冷的阶段终止。

下面将参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但是并不旨在穷举或限制于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择这里使用的术语是为了最好地解释实施例的原理，实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域普通技术人员能够理解本文公开的实施例。

Claims (25)

1.一种读取分别耦合到N个微波谐振器的N个量子位的方法，所述方法包括：

将处于N个微波谐振器频率的N个微波输入读出信号输入到分别耦合N个量子位的N个微波谐振器，其中N是整数，其中N个微波谐振器频率的一个各自对应于N个微波谐振器的一个；

将N个微波输出读出信号从N个微波谐振器输出到N个微波到光学转换器，N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态，其中N个微波到光学转换器配置成将N个微波输出读出信号转换到N个光学信号，其中N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个；

响应于由N个微波到光学转换器输出N个光学信号的任何一个，确定N个量子位的相应一些是在预定义的量子位状态；和

响应于N个微波到光学转换器没有任何一个输出光学信号，确定N个量子位的相应一些不在预定义的量子位状态。

2.如权利要求1所述的方法，其中N＝1。

3.如权利要求2所述的方法，其中确定量子位是在预定义的量子位状态包括通过微波到光学转换器将微波读出信号转换为光学信号。

4.如权利要求3所述的方法，还包括通过微波到光学转换器输出光学信号。

5.如权利要求4所述的方法，还包括由光子检测器检测来自微波到光学转换器的光学信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中利用由光子检测器检测光学信号来确定量子位是在预定义的量子位状态。

7.如权利要求6所述的方法，其中响应于光子检测器没有检测到从微波到光学转换器输出的光学信号，利用无光学信号的检测来确定量子位不在预定义的量子位状态。

8.如权利要求7所述的方法，其中光子检测器没有检测到光学信号，因为微波读出信号低于用于微波到光学转换器的阈值，从而使微波到光学转换器不输出光学信号。

9.如权利要求2至8中任一项所述的方法，其中所述微波到光学转换器是选自电光装置、光机械装置、光电压电装置和磁光装置组成的组的装置。

10.如权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，所述微波谐振器是微波腔。

11.如权利要求2至8中任一项所述的方法，其中将所述微波谐振器，量子位和微波到光学转换器冷却到预定义温度。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述预定义温度范围从0.01至0.1开尔文。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述N个微波到光学转换器被配置为将所述N个光学信号多路复用成在光学线路上输出的单个光学信号。

14.一种用于读取N个量子位的系统，所述系统包括：

耦合到N个量子位的N个微波谐振器，N个微波谐振器被配置为在N个微波谐振器频率接收N个微波输入读出信号并输出N个微波输出读出信号，其中N是整数；和

N个微波到光学转换器，被配置为从N个微波谐振器接收N个微波输出读出信号，N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态，其中N个微波到光学转换器被配置为将N个微波输出读出信号转换为N个光学信号，其中N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个，其中N个量子位中的一些被分别定义为当N个光学信号的相应一些由N个微波到光学转换器的相应一些输出时是在预定义的量子位状态，其中N个量子位的相应一些被定义为当N个微波到光学转换器的相应一些没有输出N个光学信号的相应一些时，不在预定义的量子位状态。

15.如权利要求14所述的系统，其中N＝1。

16.如权利要求15所述的系统，还包括一个或多个微波波导，其将微波到光学转换器耦合到微波谐振器。

17.如权利要求15或16所述的系统，还包括耦合到微波到光学转换器的一个或多个光波导。

18.如权利要求15或16所述的系统，还包括光子检测器，所述光子检测器被配置为通过检测一个或多个光学光子来检测光学信号。

19.如权利要求15或16所述的系统，其中所述微波到光学转换器是选自电光装置、光机械装置、光电压电装置和磁光装置组成的组的装置。

20.如权利要求15或16所述的系统，其中，所述微波谐振器是微波腔。

21.如权利要求15或16所述的系统，其中所述微波谐振器，量子位和微波到光学转换器被冷却到预定义温度。

22.如权利要求21所述的系统，其中所述预定义温度范围为从0.01至0.1开尔文。

23.如权利要求15或16所述的系统，还包括将微波谐振器和微波连接到光学转换器的循环器。

24.一种用于读取一个或多个量子位的读出系统，所述读出系统包括：

一个或多个微波波导；

一个或多个光波导；和

一个或多个微波到光学转换器，被配置为经由一个或多个波导接收与一个或多个量子位对应的一个或多个微波读出信号，其中，一个或多个微波到光学转换器被配置为经由一个或多个光波导输出用于在预定义的量子位状态的一个或多个量子位的一个或多个光学信号，其中一个或多个微波到光学转换器被配置为不输出用于不在预定义量子位状态的一个或多个量子位的光学信号。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述一个或多个微波波导，所述一个或多个光学波导以及所述一个或多个微波到光学转换器被设定为范围从0.01到0.1开尔文的预定义温度。

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