CN109685216A - 一种量子计算机 - Google Patents

Abstract

一种量子计算机，包括：准一维布局的超导量子比特阵列、操控电路与读取电路；其中，超导量子比特阵列包括：两个或两个以上呈网链状排列的网状单元；操控电路，与超导量子比特间通过微波传输线进行耦合，用于通过预设方式操控超导量子比特；读取电路，由读取用共平面超导微波谐振腔耦合于一路微波信号线，与外电路连接，用于，采用频分复用方式读取超导量子比特的量子态。本发明实施例降低了量子计算机的硬件资源消耗。

Description

一种量子计算机

技术领域

本文涉及但不限于计算机技术，尤指一种量子计算机。

背景技术

量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。相比传统计算机，量子计算机在解决一些特定问题时运算效率可大幅提高，因而受到广泛关注。超导量子芯片可以利用现有的半导体工艺技术实现大规模的集成，同时，超导量子比特在相互作用控制、选择性操作以及纠错等进行量子计算所需要的关键性指标方面展现出较其他物理体系更为优越的性能，是最有希望实现量子计算机的平台之一。

一般而言，量子计算机主要包括超导量子芯片和用于芯片控制和测量的硬件系统，硬件系统主要包括各种微波频段的信号发生器和配备微波传输线的稀释制冷机。量子计算机的关键技术是对超导量子芯片上量子比特状态的精密操控和准确测量，超导量子比特的本征能量处于吉赫兹(GHz)的微波波段，实现量子门操作和量子态的读取需要对超导量子比特施加特定相位、幅度和持续时间的脉冲微波信号，故而超导量子计算机需要大量GHz微波频段的信号源和GHz采样率的任意波形信号调制。另外，超导量子比特需要保持在毫开尔文的温度下降低热噪声以长时间的维持超导量子比特的相干状态，一般选择使用稀释制冷机为超导量子芯片提供低温环境。稀释制冷机需要配备微波传输线，将室温制备的微波信号传递给处于低温状态的超导量子比特。

硬件资源可能成为限制量子计算机发展的一个瓶颈。一方面，GHz频段的信号发生器和GHz采样率的任意波形发生器均属于比较昂贵的电子设备；另一方面，受稀释制冷机制冷功率和可用空间的限制，用于传递微波信号的同轴电缆路数也不可能非常大(一般为10-100路)，因此，随着量子比特数目的增加，量子计算机对硬件资源的需求可能超出实际情况。

以下通过一个常见的超导量子比特设计方案对硬件资源的需求，对量子计算机规模化发展产生的可能限制进行示例说明。目前常见的超导量子芯片中，每个超导量子比特一般会预留两个端口分别用于施加微波脉冲信号和直流脉冲偏置实现对目标量子态的XY控制和Z控制，进而实现完备的单量子比特逻辑门和双量子比特逻辑门。将这些量子比特逻辑门操作按照特定的时序排列起来即可以实现各种量子算法和完成通用量子计算任务。下面简单分析相关技术中对于单个超导量子比特读取和操控所需的硬件资源。XY控制信号一般是特定频率、强度、相位和包络的微波脉冲信号，生成这样的脉冲需要一路GHz信号源、GHz采样率任意波形发生器的两个模拟信号端口、混频器、微波开关等设备和元件。Z控制信号理想情况下是一个直流脉冲，但是为了实现高保真度量子操作，需要考虑到线路的时间响应，实际输出的脉冲信号一般是一个比较复杂的波形，需要任意波形发生器的一个模拟信号端口生成该信号。同时，对超导量子比特量子态的读取需要借助与之耦合的微波谐振腔进行非破坏性测量，需要一路GHz信号源和GHz采样率任意波形发生器的两个模拟信号端口。所以，每个超导量子比特需要两路GHz信号源、任意波形发生器的五个模拟信号端口和一个数字信号端口用于量子态操控和读取，以及至少四条稀释制冷机内的微波传输线用作信号传输。可以预见，随着超导量子比特数目的增多，量子计算机所需的硬件资源将线性增长，硬件成本的增长会成为限制量子计算机发展的瓶颈。因此，如何设计实现低成本量子比特测控方案和合理的量子芯片是实现可扩展大规模量子计算机时需要解决的问题。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种量子计算机，能够降低量子计算机的物理资源消耗。

本发明实施例提供了一种量子计算机，包括：准一维布局的超导量子比特阵列、操控电路与读取电路；其中，

超导量子比特阵列包括：两个或两个以上呈网链状排列的网状单元；

操控电路，通过微波传输线与超导量子比特进行耦合，用于通过预设方式操控超导量子比特；

读取电路，由读取用共平面超导微波谐振腔耦合于一路微波信号线，与外电路连接，用于，采用频分复用方式读取超导量子比特的量子态。

可选的，所述操控电路具体用于：

基于所述微波传输线，对超导量子比特采用时分复用方式进行操控；

其中，所述采用时分复用方式进行操控的脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器、IQ混频器和微波脉冲开关阵列制备获得的微波脉冲，所述微波脉冲开关阵列的开关数与所述超导量子比特开关数相同。

可选的，所述操控电路具体用于：

基于所述微波传输线，对超导量子比特采用一线多用方式进行操控。

其中，所述采用一线多用方式进行操控的脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器和IQ混频器产生的与超导量子比特数相同的，经过频率调制的微波脉冲。

可选的，所述操控电路还用于：将由微波信号源、任意波形发生器和IQ混频器产生的、与超导量子比特个数匹配的多个微波脉冲信号，经由一条微波传输线送达超导量子比特芯片，通过集成在超导量子比特芯片上的功分器后分别施加到各个超导量子比特。

可选的，所述微波传输线采用交叉布线方式设置，通过空气桥(air bridge)跨越交叉点。

可选的，所述超导量子比特由

基于金属薄膜制备的非线性电感元件约瑟夫森结、结电容和金属岛电容组成。

可选的，所述操控电路具体用于通过微波脉冲进行读取、激发和/或调制超导量子比特；

其中，所述微波脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器和微波开关制备获得的脉冲。

可选的，所述网状单元间通过本征频率可调节的双约瑟夫森结量子比特互联。

可选的，所述网状单元内的每个超导量子比特耦合到同一个互联用共平面超导微波谐振腔，所述互联用共平面超导微波谐振腔用于网状单元内超导量子比特的互联；每个超导量子比特各自耦合于一个读取用共平面超导微波谐振腔，所述读取用共平面超导微波谐振腔耦合于读取用共平面微波传输线，所述读取用共平面微波传输线连接于外部电路，用于超导量子比特量子态的读取。

可选的，所述的互联用超导量子比特设置有独立的磁通量控制线，用于进行超导量子比特本征频率调节。

可选的，每个所述网状单元内包含n个超导量子比特，所述n个超导量子比特包括共享型超导量子比特和非共享型超导量子比特；相邻网状单元之间共享m个共享型超导量子比特；其中，所述共享型超导量子比特用于网状单元间互联，m和n为自然数，n>m≥2。

可选的，所述网状单元内的非互联超导量子比特的频率固定。

可选的，所述读取电路具体用于：

读取用共平面超导微波谐振腔共振频率以预设频率依次错开，同时读取超导量子比特的所述量子态；

其中，所述读取用共平面超导微波谐振腔共振频率分布范围位于量子放大器有效放大带宽内，并以悬挂形式耦合于读取用微波传输线。

与相关技术相比，本申请技术方案包括：准一维布局超导量子比特阵列、操控电路和读取电路；其中，超导量子比特阵列包括：两个或两个以上呈网链状排列的网状单元；操控电路，通过微波传输线与超导量子比特进行耦合，用于通过预设方式操控超导量子比特；读取电路，由读取用共平面超导微波谐振腔耦合于一路微波信号线，与外电路连接，用于，采用频分复用方式读取超导量子比特的量子态。本发明实施例降低了量子计算机的硬件资源消耗和硬件成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例量子计算机的结构框图；

图2为本发明应用示例一维网链结构布局的量子芯片结构示意图；

图3为本发明应用示例超导量子比特芯片示意图；

图4为空气桥的电子显微像图；

附图标记为：101-超导量子比特；201-读取用共平面超导微波谐振腔；202-操控量子比特用微波传输线；203-量子比特位置；204-调节双约瑟夫森结量子比特频率的磁通微波传输线；205-量子比特状态读取耦合端口；206-量子比特互联耦合端口；207-点焊用金属电极；208-互联用共平面超导微波谐振腔；209-微波传输线交叉布线所采用的“空气桥(airbridge)；210-读取用微波传输线；301-空气桥(air bridge)；O-本征频率固定的单约瑟夫森结量子比特；★-本征频率可调节的双约瑟夫森结量子比特。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为本发明实施例量子计算机的结构框图，如图1所示，包括：准一维布局的超导量子比特阵列、操控电路与读取电路；其中，

超导量子比特阵列包括：两个或两个以上呈网链状排列的网状单元；

操控电路，通过微波传输线与超导量子比特进行耦合，用于通过预设方式操控超导量子比特；

读取电路，由读取用共平面超导微波谐振腔耦合于一路微波信号线，与外电路连接，用于，采用频分复用方式读取超导量子比特的量子态。

可选的，本发明实施例操控电路具体用于：

基于所述微波传输线，对超导量子比特采用时分复用方式进行操控；

其中，所述采用时分复用方式进行操控的脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器、IQ混频器和微波脉冲开关阵列制备获得的微波脉冲，所述微波脉冲开关阵列的开关数与所述超导量子比特数相同。

可选的，本发明实施例微波脉冲开关阵列中的开关可以是射频(RF)开关。

可选的，本发明实施例操控电路具体用于：

基于所述微波传输线，对超导量子比特采用一线多用方式进行操控。

其中，所述采用一线多用方式进行操控的脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器和IQ混频器产生的与超导量子比特数相同的，经过频率调制的微波脉冲。

需要说明的是，IQ混频器为本领域技术人员公知的电路结构，在此不做赘述。此外，读取电路、操控电路中，信号发生器后连接有DC隔断器；

可选的，所述操控电路还用于：将由微波信号源、任意波形发生器和IQ混频器产生的、与超导量子比特个数匹配的多个微波脉冲信号，经由一条微波传输线送达超导量子比特芯片，通过集成在超导量子比特芯片上的功分器后分别施加到各个超导量子比特。

可选的，本发明实施例微波传输线采用交叉布线方式设置，通过空气桥(airbridge)跨越交叉点。

可选的，本发明实施例超导量子比特包括：

由基于金属薄膜制备的非线性电感元件约瑟夫森结、结电容和金属岛电容组成。

可选的，本发明实施例操控电路具体用于通过微波脉冲进行读取、激发和/或调制超导量子比特；

其中，所述微波脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器和微波开关制备获得的脉冲。

需要说明的是，所述通过微波脉冲进行调制包括：通过微波脉冲的波形和相位调整，进行所述超导量子比特的轴旋转。

可选的，本发明实施例网状单元间通过本征频率可调节的双约瑟夫森结量子比特互联。

可选的，本发明实施例网状单元内的每个超导量子比特耦合到同一个互联用共平面超导微波谐振腔，所述互联用共平面超导微波谐振腔用于网状单元内超导量子比特的互联；每个超导量子比特各自耦合于一个读取用共平面超导微波谐振腔，所述读取用共平面超导微波谐振腔耦合于读取用共平面微波传输线，所述读取用共平面微波传输线连接于外部电路，用于超导量子比特量子态的读取。

可选的，本发明实施例所述的互联用共享型超导量子比特设置有独立的磁通量控制线，用于进行超导量子比特本征频率调节。

可选的，本发明实施例每个所述网状单元内包含n个超导量子比特，所述n个超导量子比特包括共享型超导量子比特和非共享型超导量子比特；相邻网状单元之间共享m个共享型超导量子比特；其中，所述共享型超导量子比特用于网状单元间互联，m和n为自然数，n>m≥2。

可选的，本发明实施例网状单元内的非互联超导量子比特的频率固定。

可选的，本发明实施例读取电路具体用于：

读取用共平面超导微波谐振腔共振频率以预设频率依次错开，同时读取超导量子比特的所述量子态；

其中，所述读取用共平面超导微波谐振腔共振频率分布范围位于量子放大器有效放大带宽内，并以悬挂形式耦合于读取用微波传输线。

与相关技术相比，本申请技术方案包括：准一维布局超导量子比特阵列、操控电路和读取电路；其中，超导量子比特阵列包括：两个或两个以上呈网链式排列的网状单元；操控电路，与超导量子比特间通过一路微波传输线进行操控连接，用于通过预设方式操控超导量子比特；读取电路，由读取用共平面超导微波谐振腔耦合于一路微波信号线，与外电路连接，用于，采用频分复用方式读取超导量子比特的量子态。本发明实施例降低了量子计算机的硬件资源消耗和硬件成本。

以下通过应用示例对本发明实施例方法进行清楚详细的说明，应用示例仅用于陈述本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

应用示例

本发明应用示例提出的量子计算机，能够降低量子计算机的硬件资源消耗，降低设计成本；一方面，本发明应用示例设计可提高量子芯片上微波传输线布线密度，避免层间布线方式，可降低器件制备难度和提高布线互连的可靠性；另一方面，本发明应用示例可减少用于量子比特信息读取和逻辑门操作的微波信号源、任意波形发生器和微波传输线等物理资源的占用量，有效降低大规模超导量子比特完全控制的单位造价。以下通过示例对本发明应用示例量子计算机的设计进行说明：

本发明应用示例采用准一维的网链结构布局超导量子比特，对所有超导量子比特设置一路操控用微波传输线；其中，准一维的网链结构包括：两个或两个以上呈网链式排列的网状单元。本发明应用示例除互联用超导量子比特，其余超导量子比特均固定频率；通过设计非破坏测量线路的参数和微波脉冲信号，采用“频分复用”方式，使用一路微波信号线对所有超导量子比特的量子态进行同时读取；采用“时分复用”或“一线多用”方式，在降低物理资源占用量的同时，实现了多超导量子比特的完全操控。

本发明应用示例，上述基于准一维的网链结构的可扩展超导量子比特芯片布线可实现芯片上所有超导量子比特的完全操控和读取。对于相同数目的超导量子比特，上述设计减少了用于超导量子比特信息读取和逻辑门操作的微波信号源、任意波形发生器和微波传输线等物理资源，降低了超导量子比特操控和读取用微波设备的电路成本。本发明应用示例，量子态读取电路可以只需一路微波传输线，一路吉赫兹(GHz)微波信号源和GHz采样率任意波形发生器的两路模拟信号端口；如采用“一线多用”方式，多超导量子比特完全操控电路也只需一路微波传输线至芯片，一路GHz微波信号源和GHz量级采样率任意波形发生器的两路模拟信号端口(对任意波形发生器采样率的要求取决于量子比特本征频率差值范围)。与相关技术相比，本发明实施例采用的读取和操控方式，降低了单位超导量子比特物理资源的占有量。基于上述分析可知，随着芯片上超导量子比特数目的增加，上述设计对降低硬件成本的作用会愈发显著，降低了单位超导量子比特物理资源的占有量。

本发明应用示例超导量子芯片布线与测量设计中，超导量子比特的量子态读取可以为量子非破坏性测量；微波脉冲可以通过调节其波形和相位实现对超导量子比特的任意轴旋转；微波脉冲可以通过预设波形进行调制，有效降低超导量子比特高能级激发概率。

本发明应用示例，微波传输线布局以及微波信号源、任意波形发生器输出信号资源分配可根据超导量子比特总数而进行调整。在本发明一可选应用示例中，采用准一维网链结构布局超导量子比特；图2为本发明应用示例量子芯片结构示意图，如图2所示，图中每个O或★代表一个超导量子比特，超导量子比特由基于金属薄膜的电容和约瑟夫森结非线性电感元件构成，O代表本征频率固定的单约瑟夫森结量子比特，★代表本征频率可调节的双约瑟夫森结量子比特。每个网状单元内包含n个超导量子比特，相邻网络之间共享m(n>m≥2)个★型超导量子比特用于网状单元间互联。本发明应用示例，对于互联用★类型超导量子比特，设置单独的磁通量控制线用于超导量子比特本征频率调节；网状单元内其余的O型超导量子比特频率固定，无需设置磁通量控制线，因此，减少了超导量子比特控制线总数，避免了器件芯片上的微波信号交叉影响；微波传输线终端连接于金属电极207，使用点焊方式将金属电极连接于外部电路。微波传输线可交叉布线，采用空气桥“air bridge”方式跨越交叉点；采用交叉布线方式，可有效提高传输线布线密度；参见图2，本发明应用示例准一维网链结构上下两侧区域可用来排布点焊用金属电极；原则上金属电极排布区域面积不受限制，可以分布大量金属电极，使得大规模超导量子比特平面内布线连接成为可能。对于超导量子比特二维布局方式，因平面内布线区域受限，只能采用层间布线方式，因此极大地增加了器件制备的难度和降低布线互连的可靠性。本发明应用示例布线方式降低了器件制备的难度，提升了布线互联的可靠性。

图3为本发明应用示例超导量子比特芯片示意图，如图3所示，包含两个网状单元，每个网状单元包含8个超导量子比特，网状单元间共享两个互联超导量子比特。201为读取用共平面超导微波谐振腔，用于进行量子态测量；202为操控量子比特用微波传输线，用于耦合芯片外电路，进行超导量子比特的激发；203显示超导量子比特在芯片上的位置；204为调节双约瑟夫森结量子比特频率的磁通微波传输线；205为量子比特状态读取耦合端口；206为量子比特互联耦合端口；207为金属电极，用于点焊连接微波传输线至芯片外电路；208为互联用共平面超导微波谐振腔；209为为微波传输线交叉布线所采用的“airbridge”；210为读取用微波传输线，用于耦合芯片外电路，进行超导量子比特量子态读取；本发明应用示例采用网链结构布局超导量子比特，网状单元内的每个超导量子比特耦合到同一个共平面超导微波谐振腔208，用于网状单元内量子比特的互联；同一网状单元内的每个超导量子比特各自耦合于一个共平面超导微波谐振腔201，并进一步耦合于共平面微波传输线210，通过点焊金属电极207到外部电路，用于超导量子比特量子态的读取；使用微波信号源、任意波形发生器和微波开关制备微波脉冲用于超导量子比特读取和激发。采用频分复用方式，使用一路微波信号线实现对所有量子比特的量子态同时读取；采用时分复用或一线多用方式，实现多量子比特的完全操控。量子比特芯片放置在稀释制冷机低温冷盘上，冷却到10毫开尔文度(mK)左右的低温进行测量。

本发明应用示例采用频分复用方式，使用一路微波信号线实现对所有超导量子比特的量子态同时读取。读取用共平面超导微波谐振腔共振频率以一定频率依次错开(如以5～10MHz频率依次错开)；其中，共平面超导微波谐振腔共振频率分布范围位于量子放大器有效放大带宽内，并以挂钩(Hanger)形式悬挂于读取用微波传输线，用于超导量子比特量子态的同时读取；参见图1，超导量子比特读取用微波电路采用微波信号源作为IQ混频器的局部(Local)信号，任意波形发生器的模拟信号端口输出不同调制频率的I信号和Q信号，微波脉冲开关用于净化微波脉冲。对于n个超导量子比特，需要n个对应的读取用谐振腔共振频率。使用IQ混频器，采用调制边带的方法，从任意波形发生器模拟信号端口输出n个相互叠加的MHz频率的I、Q调制信号，制备出n个经过I、Q频率调制的目标频率的GHz微波脉冲信号，用于所有量子比特量子态同时读取。在最基本的情况下，量子态读取电路只需一路微波传输线，一路GHz微波信号源和GHz采样率任意波形发生器的两路模拟信号端口。

本发明应用示例采用时分复用或一线多用方式进行多量子比特的完全操控；时分复用或一线多用方式可以使用较少的物理资源占用量实现多量子比特的完全操控。参见图1，对于时分复用方式，微波脉冲的制备方法和读取用脉冲的制备方法基本相同，但引入微波脉冲开关阵列，微波脉冲开关数目和超导量子比特的数目相同。对于n个超导量子比特，使用IQ混频器，采用调制边带的方法，从任意波形发生器模拟信号端口输出n个相互叠加的MHz频率的I、Q调制信号，制备出n个经过I、Q频率调制的目标频率的GHz微波脉冲信号，经由微波脉冲开关单独控制微波信号和超导量子比特的联通与否，通过n条微波传输线送达目标超导量子比特，从而共享同一微波信号制备硬件系统实现多个超导量子比特的操控。微波脉冲开关所需的控制信号为高速数字信号，相比模拟信号成本大大降低，采用本发明应用示例方式，实现n个超导量子比特的操控，需要一路GHz微波信号源，GHz量级采样率任意波形发生器的两路模拟信号端口和n个数字信号端口(用于微波脉冲开关)，以及n条微波传输线以传送微波脉冲到目标超导量子比特。上述应用示例方法可以分别对每个超导量子比特进行独立的操控，用于目标超导量子比特的激发脉冲，不会对其他量子比特产生干扰，但需要n条独立的微波传输线传送微波脉冲到目标超导量子比特。

本发明应用示例也可以采用“一线多用”方式对多量子比特进行操控，参见图1，微波脉冲的制备方法和读取用脉冲制备方法基本相同，将由微波信号源、任意波形发生器和IQ混频器产生的n个经过I、Q频率调制的目标频率的GHz微波脉冲信号(用于n个超导量子比特)，经由一条微波传输线送达超导量子比特芯片，经过集成在芯片上的功分器后分别施加到各个超导量子比特。本发明应用示例上述方式无需使用微波脉冲开关阵列，但用于目标量子比特的激发脉冲会对其他超导量子比特产生干扰，由于超导量子比特的本征频率各不相同，上述失谐情况下的目标超导量子比特激发脉冲只会对其他超导量子比特产生一个沿“Z”轴旋转的扰动，这种扰动可以在后续的处理过程中，通过标准的单量子比特逻辑门操作而校正。

以下通过具体实例，对上述实施例部分内容进行说明；本发明实施例采用“频分复用”方式，使用微波信号源的一个信号输出端口，任意波形发生器的2个模拟信号端口和1个数字信号端口(用于微波脉冲开关信号)，1个IQ混频器和1个微波脉冲开关就可以制备复杂的微波脉冲序列，完成14个量子比特的同时读取。需要说明的是，使用的微波信号源的信号输出端口个数，任意波形发生器的模拟信号端口和数字信号端口的个数，以及IQ混频器和微波脉冲开关的个数，可以由本领域技术人员根据相关技术中已有的理论和读取的量子比特数进行分析调整。本发明实施例采用“时分复用”方式，使用微波信号源的一个信号输出端口，任意波形发生器的2个模拟信号端口和16个数字信号端口(其中2个用于磁通量调控)，1个IQ混频器，14个微波脉冲开关和14个微波传输线(由室温到10mK)就可以制备微波脉冲序列，完成14个量子比特的独立完全操控。需要说明的是，使用的微波信号源的信号输出端口个数，任意波形发生器的模拟信号端口和数字信号端口的个数，IQ混频器的个数和微波传输线的条数，可以由本领域技术人员根据相关技术中已有的理论以及独立控制的量子比特数进行分析调整。本发明实施例如果采用“一线多用”方式，则只需要微波信号源的一个信号输出端口，任意波形发生器的2个模拟信号端口和2个数字信号端口(用于磁通量调控)，1个IQ混频器，1个微波脉冲开关和1条微波传输线(由室温到10mK)就可以制备微波脉冲序列，完成14个量子比特的完全操控。需要说明的是，使用的微波信号源的信号输出端口个数，任意波形发生器的模拟信号端口和数字信号端口的个数，IQ混频器的个数，和微波传输线的条数，可以由本领域技术人员根据相关技术中已有的理论根据独立控制的量子比特数进行分析调整。

本发明应用示例，在超导量子比特数目相同情况下，本发明应用示例使用的信号源、任意波形发生器、IQ混频器和微波传输线等物理资源大大降低。考虑到具有高采样率的任意波形发生器的采样频率，模拟信号端口输出的调制频率通常在1GHz以内，所以允许的不同超导量子比特的本征频率差值范围在2GHz内，而相关技术中的量子比特制备技术条件可以满足此要求。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的每个模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种量子计算机，其特征在于，包括：准一维布局的超导量子比特阵列、操控电路与读取电路；其中，

超导量子比特阵列包括：两个或两个以上呈网链状排列的网状单元；

操控电路，通过微波传输线与超导量子比特进行耦合，用于通过预设方式操控超导量子比特；

读取电路，由读取用共平面超导微波谐振腔耦合于一路微波信号线，与外电路连接，用于，采用频分复用方式读取超导量子比特的量子态。

2.根据权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，所述操控电路具体用于：

基于所述操控用微波传输线，对超导量子比特采用时分复用方式进行操控；

其中，所述采用时分复用方式进行操控的脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器、IQ混频器和微波脉冲开关阵列制备获得的微波脉冲，所述微波脉冲开关阵列的开关数与所述超导量子比特开关数相同。

3.根据权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，所述操控电路具体用于：

基于所述操控用微波传输线，对超导量子比特采用一线多用方式进行操控；

其中，所述采用一线多用方式进行操控的脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器和IQ混频器产生的与超导量子比特路数相同的，经过频率调制的微波脉冲。

4.根据权利要求3所述的量子计算机，其特征在于，所述操控电路还用于：将由微波信号源、任意波形发生器和IQ混频器产生的、与超导量子比特个数匹配的多个微波脉冲信号，经由一条微波传输线送达超导量子比特芯片，通过集成在超导量子比特芯片上的功分器后分别施加到各个超导量子比特。

5.根据权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，所述微波传输线采用交叉布线方式设置，通过空气桥air bridge跨越交叉点。

6.根据权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，所述超导量子比特由：

基于金属薄膜制备的非线性电感元件约瑟夫森结、结电容和金属岛电容组成。

7.根据权利要求1～6任一项所述的量子计算机，其特征在于，所述操控电路具体用于通过微波脉冲进行读取、激发和/或调制超导量子比特；

其中，所述微波脉冲包括：由微波信号源、任意波形发生器和微波开关制备获得的脉冲。

8.根据权利要求1～6任一项所述的量子计算机，其特征在于，所述网状单元间通过本征频率可调节的双约瑟夫森结量子比特互联。

9.根据权利要求1～6任一项所述的量子计算机，其特征在于，所述网状单元内的每个超导量子比特耦合到同一个互联用共平面超导微波谐振腔，所述互联用共平面超导微波谐振腔用于网状单元内超导量子比特的互联；每个超导量子比特各自耦合于一个读取用共平面超导微波谐振腔，所述读取用共平面超导微波谐振腔耦合于读取用共平面微波传输线，所述读取用共平面微波传输线连接于外部电路，用于超导量子比特量子态的读取。

10.根据权利要求9所述的量子计算机，其特征在于，所述的互联用超导量子比特设置有独立的磁通量控制线，用于进行超导量子比特本征频率调节。

11.根据权利要求1～6任一项所述的量子计算机，其特征在于，每个所述网状单元内包含n个超导量子比特，所述n个超导量子比特包括共享型超导量子比特和非共享型超导量子比特；相邻网状单元之间共享m个共享型超导量子比特；其中，所述共享型超导量子比特用于网状单元间互联，m和n为自然数，n>m≥2。

12.根据权利要求1～6任一项所述的量子计算机，其特征在于，所述网状单元内的非互联超导量子比特的频率固定。

13.根据权利要求1～6任一项所述的量子计算机，其特征在于，所述读取电路具体用于：

读取用共平面超导微波谐振腔共振频率以预设频率依次错开，同时读取超导量子比特的所述量子态；

其中，所述读取用共平面超导微波谐振腔共振频率分布范围位于量子放大器有效放大带宽内，并以悬挂形式耦合于读取用微波传输线。