CN109494218B - 双面超导量子芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导量子芯片，基板正面布线量子比特单元和微波信号控制线，基板背面布线微波信号读取线。采用数据传输量子比特为介质，可实现5个或者4个量子比特为一组，与版图上其他量子比特组信息交互。采用激光打孔或者反应离子刻蚀方法，在衬底上烧制通孔，填充微波信号传输介质，保证正反面的量子信号传输。该方案解决了单面布线量子位集成度不足，可明显提高超导量子芯片的比特集成数量。
Description
技术领域
本发明涉及超导量子芯片领域，具体地，涉及超导量子芯片，特别是基于通孔结构的集成化量子计算芯片的布线设计。
背景技术
随着现代科技对计算能力需求的急剧增长，量子计算渐入公众视野。量子计算的实现之路必须途径大规模量子比特的制备工艺。例如超导量子比特、离子阱、自旋电子和光量子等，这些不同类型的量子比特各有优缺点。在扩展性方面超导量子比特具有显著的优势，主要原因是超导量子比特的制备工艺与传统半导体工艺兼容。
目前，超导量子芯片均选取了单面布局的方案。例如IBMQ云量子计算芯片设计方案等。一种是采用环绕式，多个量子比特围绕中心二分之一波长谐振腔分布，每个量子比特分别通过电容与谐振腔耦合。这种设计方式使得任意两个量子比特之间能够耦合，缺点是继续增加位数浪费芯片面积。另一种是采用线型排列式，每个量子比特仅与相邻的量子位耦合，一字排开，可扩展性更好，但是算法执行难度高。
例如单面布线基于Xmon结构量子电路最大集成设计。Xmon量子比特属于一种电荷量子比特，采用总线制结构，可增加集成度。选用版图尺寸为1厘米×1厘米时，所设计集成量子比特最大数量为14位，可计算出量子比特集成密度为14位/cm2。
而随着量子计算的应用逐渐加深，更多量子位的量子芯片受到关注。类似于经典计算机中的晶体管数量，量子比特位数决定了量子计算机的计算能力和应用前景。如何在相同尺寸版图中使集成位数增加，集成密度增大是量子芯片设计的重要任务。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双面超导量子芯片布线方法。
根据本发明提供的一种双面超导量子芯片，包括基板，其中，所述基板包括A面、B面；
量子信号通过A面和B面周期分布的通孔互连；
A面的通孔连接一个叉指电容，以耦合量子比特的十字电容。
优选地，所述A面主要由第一模块单元2和第二模块单元3周期排列构成；第一模块单元2和第二模块单元3之间通过第一谐振腔4进行信息交互；
所述第一模块单元2主要由第一量子比特单元8、第二量子比特单元9、第三量子比特单元10、第四量子比特单元11、第五量子比特单元12以及一个数据交换比特13组成；第一模块单元2内的量子比特单元由第二谐振腔14耦合，通过第一数据交换比特单元13进行信息交换；
所述第二模块单元3主要由第六量子比特单元15、第七量子比特单元16、第八量子比特单元17、第九量子比特单元18构成，通过第二数据交换比特单元19、第三数据交换比特单元20实现信息交换。
优选地，所述第一量子比特单元8、第二量子比特单元9、第三量子比特单元10、第四量子比特单元11、第五量子比特单元12、第六量子比特单元15、第七量子比特单元16、第八量子比特单元17均为同一类型量子比特单元，主要由位于A面的XY控制位和Z控制位组成；十字电容，包含计算所需要的约瑟夫森结；
第九量子比特单元18为版图中心量子比特单元，包含两个通孔，通过十字电容分别与B面相应控制和读取位相连。
优选地，所述B面的通孔和A面的通孔对应；主要由第三模块单元6和第四模块单元7周期排列构成量子比特芯片B面；
所述第三模块单元6主要由3组并排设计的第一读取单元21、第二读取单元22、第三读取单元23组成；所述第一读取单元21主要由第一信号输入位24、第二信号输出位25、第一耦合谐振腔26、第二耦合谐振腔27、第三耦合谐振腔28、第四耦合谐振腔29构成，第一信号输入位24、第二信号输出位25之间由信号传输线连接；第一耦合谐振腔26、第二耦合谐振腔27、第三耦合谐振腔28、第四耦合谐振腔29由对应的通孔和A面的十字电容相连，读取相应量子位的量子态信息；第二读取单元22读取8量子位信息，第三读取单元23读取6量子位信息；
所述第四模块单元7主要由第一控制位30、第二控制位31、第三控制位32、第四控制位33组成，第一控制位30与第二控制位31，以及第三控制位32与第四控制位33分别通过微波连接线和通孔与A面相应十字电容连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可增加量子比特数量集成。在硅片或者蓝宝石衬底上制作通孔。填充金属介质，制作可通过微波信号的传输线。双面布线方式既有助于合理利用空间，又能增加耦合的灵活性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为双面超导量子比特A面设计图；
图2为双面超导量子比特B面设计图；
图3为A面量子比特第一模块单元的结构示意图；
图4为A面量子比特第二模块单元的结构示意图；
图5、图6、图7为B面设计图细节，分别为读取模块单元、输入输出读取线、中心量子比特量子态控制线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
量子芯片基片材料可以是硅片、宝石片或者其他，采用激光打孔或者反应离子刻蚀技术，在硅片或者蓝宝石衬底上制作通孔。通孔内部通过电子束蒸发沉积等技术填充金属铝或其他介质，制作可通过微波信号的传输线。在本发明的芯片基板A面和B面中，所述A面模块单元1由5个量子比特和一个数据交换比特组成。比特模块内部量子比特通过谐振腔实现耦合，通过数据交换量子比特与其他模块实现信息交换。所述A面模块单元2由4个量子比特构成，包含1个位于版图中心的量子比特和3个量子比特，通过2个数据交换量子比特与其他模块量子比特实现信息交换。所述非版图中心量子比特均为同一类型量子比特，由一个十字电容构成，位于A面的XY控制线和Z控制线对其量子态进行控制。十字电容上包含一个通孔，通过微波信号线与B面读取控制线相连。所述数据交换量子比特与非版图中心量子比特为同类型量子比特。由一个十字电容构成，不包含通孔和控制位，主要用于数据传输。所述版图中心量子比特，十字电容附近包含两个通孔。两个通孔分别与B面的控制线和读取线相连。所述超导量子比特芯片B面的读取模块单元由3组并排设计的组成读取线周期排列构成。所述B面读取线由信号输入控制，信号输出控制以及谐振腔构成。信号通过输入控制位输入，通过输出控制位输出。每一个谐振腔通过通孔和A面相应量子比特耦合。所述B面版图中心量子比特控制线由XY控制线和Z控制线组成，经过通孔与A面量子比特相连。
接下来进行更为具体的说明。本发明提供的基于通孔结构的双面超导量子比特的布线方案，包括：
所述双面超导量子比特芯片主要由A面和B面组成。A面和B面微波信号由A面通孔1相连，所述A面通孔1均连接一个叉指电容，用于耦合十字电容。
所述超导量子比特芯片A面包含量子态控制线和计算单元，主要由第一模块单元2和第二模块单元3周期排列构成。第一模块单元2和第二模块单元3之间通过第一谐振腔4进行信息交互。
所述超导量子比特芯片B面包含读取单元和中间比特控制单元。B面通孔5和A面通孔1对应，其他通孔以次类推。第三模块单元6和第四模块单元7周期排列构成量子比特芯片B面。
所述第一模块单元2主要由第一量子比特单元8、第二量子比特单元9、第三量子比特单元10、第四量子比特单元11、第五量子比特单元12和一个数据交换比特13组成。第一模块单元2内的量子比特单元由第二谐振腔14耦合，通过第一数据交换比特单元13与其他模块比特信息交换。
所述第二模块单元3主要由第六量子比特单元15、第七量子比特单元16、第八量子比特单元17、第九量子比特单元18构成，通过第二数据交换比特单元19、第三数据交换比特单元20与其他模块量子比特实现信息交换。量子比特之间由谐振腔耦合。
所述第一量子比特单元8、第二量子比特单元9、第三量子比特单元10、第四量子比特单元11、第五量子比特单元12、第六量子比特单元15、第七量子比特单元16、第八量子比特单元17均为同一类型量子比特单元，主要由位于A面的XY控制位和Z控制位组成。十字电容，包含计算所需要的约瑟夫森结。
第九量子比特单元18为版图中心量子比特单元，包含两个通孔，通过十字电容分别与B面相应控制和读取位相连。
所述超导量子比特芯片B面的第三模块单元6主要由3组并排设计的第一读取单元21、第二读取单元22、第三读取单元23组成。
所述第一读取单元21主要由第一信号输入位24、第二信号输出位25、第一耦合谐振腔26、第二耦合谐振腔27、第三耦合谐振腔28、第四耦合谐振腔29构成，第一信号输入位24、第二信号输出位25之间由信号传输线连接。第一耦合谐振腔26、第二耦合谐振腔27、第三耦合谐振腔28、第四耦合谐振腔29由对应的通孔和A面的十字电容相连，读取相应量子位的量子态信息。
第二读取单元22、第三读取单元23与第一读取单元21结构类似。第二读取单元22可读取8量子位信息，第三读取单元23可读取6量子位信息。
所述B面第四模块单元7主要由第一控制位30、第二控制位31、第三控制位32、第四控制位33组成，第一控制位30与第二控制位31，以及第三控制位32与第四控制位33分别通过微波连接线和通孔与A面相应十字电容连接。
上述双面超导量子比特芯片设计的掩模版可经过紫外曝光，在光刻胶上形成图案。采取电子束蒸发技术沉积薄膜，通过剥离技术形成量子电路。经过电子束曝光系统制作约瑟夫森结，最后形成量子芯片。
所述双面超导量子比特芯片方案，版图尺寸为1厘米×1厘米时，可设计的有效量子比特数量36位。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (3)
1.一种双面超导量子芯片，其特征在于，包括基板，其中，所述基板包括A面、B面；
量子信号通过A面和B面周期分布的通孔互连；
A面的通孔连接一个叉指电容，以耦合量子比特的十字电容；
所述B面的通孔和A面的通孔对应；主要由第三模块单元(6)和第四模块单元(7)周期排列构成量子比特芯片B面；
所述第三模块单元(6)主要由3组并排设计的第一读取单元(21)、第二读取单元(22)、第三读取单元(23)组成；所述第一读取单元(21)主要由第一信号输入位(24)、第二信号输出位(25)、第一耦合谐振腔(26)、第二耦合谐振腔(27)、第三耦合谐振腔(28)、第四耦合谐振腔(29)构成，第一信号输入位(24)、第二信号输出位(25)之间由信号传输线连接；第一耦合谐振腔(26)、第二耦合谐振腔(27)、第三耦合谐振腔(28)、第四耦合谐振腔(29)由对应的通孔和A面的十字电容相连，读取相应量子位的量子态信息；第二读取单元(22)读取8量子位信息，第三读取单元(23)读取6量子位信息；
所述第四模块单元(7)主要由第一控制位(30)、第二控制位(31)、第三控制位(32)、第四控制位(33)组成，第一控制位(30)与第二控制位(31)，以及第三控制位(32)与第四控制位(33)分别通过微波连接线和通孔与A面相应十字电容连接。
2.根据权利要求1所述的双面超导量子芯片，其特征在于，所述A面主要由第一模块单元(2)和第二模块单元(3)周期排列构成；第一模块单元(2)和第二模块单元(3)之间通过第一谐振腔(4)进行信息交互；
所述第一模块单元(2)主要由第一量子比特单元(8)、第二量子比特单元(9)、第三量子比特单元(10)、第四量子比特单元(11)、第五量子比特单元(12)以及一个第一数据交换比特单元(13)组成；第一模块单元(2)内的量子比特单元由第二谐振腔(14)耦合，通过第一数据交换比特单元(13)进行信息交换；
所述第二模块单元(3)主要由第六量子比特单元(15)、第七量子比特单元(16)、第八量子比特单元(17)、第九量子比特单元(18)构成，通过第二数据交换比特单元(19)、第三数据交换比特单元(20)实现信息交换。
3.根据权利要求2所述的双面超导量子芯片，其特征在于，所述第一量子比特单元(8)、第二量子比特单元(9)、第三量子比特单元(10)、第四量子比特单元(11)、第五量子比特单元(12)、第六量子比特单元(15)、第七量子比特单元(16)、第八量子比特单元(17)均为同一类型量子比特单元，主要由位于A面的XY控制位和Z控制位组成；十字电容，包含计算所需要的约瑟夫森结；
第九量子比特单元(18)为版图中心量子比特单元，包含两个通孔，通过十字电容分别与B面相应控制和读取位相连。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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