CN110288092A - 一种超导量子比特的长寿命存储装置及其存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导量子比特的长寿命存储装置及其存储方法。本发明采用高品质因数的三维椭球射频超导薄膜腔，相对于目前所用的矩形腔，有较大优势：品质因数高达10¹⁰；并将超导量子比特与超导腔进行耦合，将超导量子比特的退相干时间提高到百毫秒～秒量级，从而为实现对量子比特的操控、测量以及量子存储扫清障碍；本发明将有利于得到长寿命的超导量子比特，对于量子计算，量子存储，量子信息以及量子通讯等各方面都具有重要意义；本发明首次将三维椭球射频超导薄膜腔应用在超导量子计算中，将成熟的超导腔技术与新兴的超导量子计算相结合，把超导量子计算向前推进一步。

Description

一种超导量子比特的长寿命存储装置及其存储方法

技术领域

本发明涉及超导量子计算，具体涉及一种超导量子比特的长寿命存储装置及其存储方法。

背景技术

量子比特作为量子计算的基本单元，其物理实现的方式主要包括核磁共振，离子阱，半导体量子点，光量子及超导量子电路等。作为一种固态宏观量子电路，超导量子电路采用超导量子比特为基本单元，超导量子比特以超导约瑟夫森结为代表，其制备工艺与半导体相兼容，工艺成熟，易于集成，具有较强的相互耦合强度与可扩展性，非常有希望成为量子计算的物理实现。制约超导量子计算最主要的因素是超导量子比特的退相干时间较短，近年来，随着各种技术的发展及研究的深入，超导量子比特的相干时间大幅延长，已经达到ms量级。

在超导量子计算中，超导腔(包括二维与三维)是对量子比特进行读取、操纵与耦合的主要途径。耶鲁大学首先对平面传输子(transmon)量子比特进行了升级，提出了三维传输子(3D transmon)量子比特。三维传输子与平面传输子最大的不同在于用三维谐振腔取代平面谐振腔作为量子计算的谐振结构，从而大大减小了介质(主要是指超导量子比特)在谐振电路中所占的比例。电磁场能量主要存储在真空中，减小了介质损耗所占的比例，从而使退相干时间增加。在三维谐振腔的内部可以实现多种模式的共存，工作在不同模式下的超导量子比特可以同时实现读取与存储。而量子比特的态中包含部分光子态，不同量子比特通过同一腔的光子态相互耦合，形成量子态的纠缠。因此基于三维谐振腔的超导量子计算成为世界上各大实验室的重要选择。

超导量子计算最大的限制因素是超导量子比特的退相干时间。现有技术采用矩形腔存储超导量子比特，矩形腔包括两个半腔，先将量子比特放置于一个半腔中，然后扣上另一个半腔，两个半腔采用机械方式压在一起形成矩形腔，中间连接处依靠螺钉压紧密封，所产生微波损耗大。同时现有矩形腔结构及加工未经优化，因此其品质因数仅在10⁶量级，在现有矩形腔的腔形设计及后处理条件下，品质因数进一步提高的可能性不大。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种超导量子比特的长寿命存储装置及其存储方法，将超导量子比特的退相干时间提高到秒量级，实现对超导量子比特更有效的测量以及操控，并同时解决限制超导量子比特的存储问题。

本发明的一个目的在于提出一种超导量子比特的长寿命存储装置。

本发明的超导量子比特的长寿命存储装置包括：三维椭球射频超导薄膜腔、管道、安装介质、密封板和耦合天线；其中，两个完全相同的半碗椭球，焊接在一起形成一个椭球腔，椭球腔内部为椭球体形状，在椭球腔上开设有通孔，通孔位于垂直于椭球腔的赤道面的中心轴上，在通孔处安装有管道，管道位于椭球腔外并垂直于椭球腔的赤道面，管道的端口安装有密封板密封，在管道的内表面和椭球腔的内壁表面蒸镀有与其致密结合且均匀分布的超导薄膜，椭球腔和超导薄膜构成三维椭球射频超导薄膜腔；安装介质的一端具有安装槽，超导量子比特固定在安装槽中；固定有超导量子比特的安装介质和耦合天线的一端固定在密封板上；安装介质和耦合天线的另一端进入管道，安装介质的安装槽一端穿过三维椭球射频超导薄膜腔的通孔，伸入至三维椭球射频超导薄膜腔的内部，安装介质的安装槽位于三维椭球射频超导薄膜腔的赤道面的中心；耦合天线连接微波功率源，耦合天线的方向平行于与椭球腔的赤道面垂直的中心轴；微波功率源通过耦合天线在三维椭球射频超导薄膜腔内激励出电磁场，此时赤道面的电场最强，磁场最弱；超导量子比特位于赤道面的中心，超导量子比特与电磁场进行耦合，交换能量；三维椭球射频超导薄膜腔移动至稀释制冷机，在低温环境下通过耦合天线测量超导量子比特在电磁场中的状态，得到退相干时间。

三维椭球射频超导薄膜腔的谐振频率为2.6～6.5GHz之间，椭球腔的长轴长度为82～206mm；短轴长度为23～58mm。三维椭球射频超导薄膜腔的谐振频率与其尺寸有关，谐振频率与短轴长度乘积的二倍为光速。通孔的直径为26～78mm。椭球腔采用易于加工成型焊接并能够镀膜的金属，采用铌、铜和铝中的一种；椭球腔的壁厚为1～3m。超导薄膜为单层膜或多层膜，厚度在微米量级，采用铌、铌三锡、二硼化镁和氮化铌中的一种或多种。三维椭球射频超导薄膜腔的品质因数可以由原来矩形腔的10⁶提高到10¹⁰，有四个量级的提高。

安装板采用开口法兰，用来固定安装介质和耦合天线，同时对管道进行密封。

安装介质采用电磁损耗小的材料，如蓝宝石、陶瓷和金钢石中的一种。安装介质的形状为长圆柱体，在长圆柱体的一端设置安装槽。

耦合天线连接微波功率源的馈入功率为10^-25W～10^-22W。微波功率源的频率与三维椭球射频超导薄膜腔的谐振频率一致，采用2.6GHz～10GHz，分别对应不同的尺寸的三维椭球射频超导薄膜腔。功率源通过耦合天线将功率馈入至三维椭球射频超导薄膜腔中，耦合天线与安装介质安装在同一安装板上。微波功率源的功率一部分馈入了腔中，另一部分反射，反射功率也可以经由该耦合天线由矢量网络分析仪等仪器读出；馈入功率在单微波光子数这个级别。

在三维椭球射频超导薄膜腔上，位于垂直于椭球体的赤道面的中心轴的两端，均开设有通孔，一端的通孔作为放入超导量子比特的耦合口，另一端的通孔可作为与下一级三维椭球射频超导薄膜腔进行级联的连接口，从而形成多级三维椭球射频超导薄膜腔级联，以实现多个超导量子比特的耦合。

本量子比特的存储装置在使用时，三维椭球射频超导薄膜腔需要在稀释制冷机中的温度降低至10～20mK。

本发明的另一个目的在于提供一种超导量子比特的长寿命存储方法。

本发明的超导量子比特的长寿命存储方法，包括以下步骤：

1)制备三维椭球射频超导薄膜腔：

a)冲压成形两个完全相同的半碗椭球，采用电子束焊接将两个半碗椭球焊接在一起，形成一个椭球腔，椭球腔为内部具有椭球体形状的空腔；

b)在椭球腔上开设通孔，通孔位于垂直于椭球体的赤道面的中心轴上；

c)在通孔处通过电子束焊接的方式，将管道焊接在椭球腔外，管道垂直于赤道面的中心轴；

d)对椭球腔的内壁表面进行处理，以得到平坦且无杂质的椭球腔内壁表面；

e)对管道的内表面和椭球腔的内壁表面进行加热，加热温度为200～800℃，在管道的内表面和椭球腔的内壁表面蒸镀或者溅射超导薄膜，使其与椭球腔致密结合且均匀分布，椭球腔和超导薄膜构成三维椭球射频超导薄膜腔；

2)制备超导量子比特；

3)制备安装介质：

安装介质采用电磁损耗小的材料，在安装介质的一端开设安装槽；

4)将超导量子比特固定在安装槽中；

5)安装介质与耦合天线的一端安装在密封板上；

6)安装介质与耦合天线的另一端进入管道，安装介质的安装槽一端穿过三维椭球射频超导薄膜腔的通孔，伸入至三维椭球射频超导薄膜腔的内部，安装介质的安装槽位于三维椭球射频超导薄膜腔的赤道面的中心，密封板与管道的端口焊接密封；

7)耦合天线连接微波功率源，耦合天线的方向平行于与椭球腔的赤道面垂直的中心轴；

8)微波功率源通过耦合天线在三维椭球射频超导薄膜腔内激励出电磁场，此时赤道面的电场最强，磁场最弱；

9)超导量子比特位于赤道面的中心，超导量子比特与电磁场进行耦合，交换能量；

10)将三维椭球射频超导薄膜腔移动至稀释制冷机中，安装连接好低温微波测试线路；

11)在低温环境下进行测试，通过耦合天线测量超导量子比特在电磁场中的状态，利用矢量网络分析仪测量计算出超导量子比特的退相干时间。

在步骤1)的d)中，处理方法采用机械抛光、化学抛光及电化学抛光中的一种或多种组合。

在步骤11)中，低温环境为10～20mK。

本发明的优点：

本发明采用高品质因数的三维椭球射频超导薄膜腔，相对于目前所用的矩形腔，有较大优势：品质因数高达10¹⁰；并将超导量子比特与超导腔进行耦合，将超导量子比特的退相干时间提高到百毫秒～秒量级，从而为实现对量子比特的操控、测量以及量子存储扫清障碍；本发明将有利于得到长寿命的超导量子比特，对于量子计算，量子存储，量子信息以及量子通讯等各方面都具有重要意义；本发明首次将三维椭球射频超导薄膜腔应用在超导量子计算中，将成熟的超导腔技术与新兴的超导量子计算相结合，把超导量子计算向前推进一步。

附图说明

图1为本发明的超导量子比特的长寿命存储装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的超导量子比特的长寿命存储方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的超导量子比特的长寿命存储装置包括：三维椭球射频超导薄膜腔1、管道2、密封板3、安装介质4和耦合天线5；其中，两个完全相同的半碗椭球，焊接在一起形成一个椭球腔，椭球腔内部为椭球体形状，在椭球腔上开设有通孔，通孔位于垂直于椭球腔的赤道面的中心轴上，在通孔处安装有管道2，管道2位于椭球腔外并垂直于椭球腔的赤道面，管道2的端口由密封板3密封，在管道2的内表面和椭球腔的内壁表面蒸镀有与其致密结合且均匀分布的超导薄膜，椭球腔和超导薄膜构成三维椭球射频超导薄膜腔1；安装介质4的一端具有安装槽，超导量子比特固定在安装槽中；固定有超导量子比特的安装介质4和耦合天线5的一端固定在密封板3上；安装介质4和耦合天线5的另一端进入管道2，从三维椭球射频超导薄膜腔1的通孔，从而将安装介质4的安装槽一端以及耦合天线5伸入至三维椭球射频超导薄膜腔1的内部；耦合天线5连接微波功率源，耦合天线5的方向平行于与椭球腔的赤道面垂直的中心轴。

在本实施例中，三维椭球射频超导薄膜腔1的基底采用铜，超导薄膜采用铌；安装介质4采用蓝宝石棒；超导量子比特为Al/Al₂O₃/Al结构；三维椭球射频超导薄膜腔1的频率为1.3GHz，椭球腔的长轴为206mm，短轴为58mm，通孔的直径为78mm。

本实施例的超导量子比特的长寿命存储方法，包括以下步骤：

1)制备三维椭球射频超导薄膜腔1：

a)冲压成形两个完全相同的半碗椭球，材料为铜，采用电子束焊接将两个半碗椭球焊接在一起，形成一个椭球腔，椭球腔内部具有椭球体形状的空腔，椭球腔的壁厚为1～3m；

b)在椭球腔上开设通孔，通孔位于垂直于椭球体的赤道面的中心轴上；

c)在通孔处通过电子束焊接的方式，将管道2焊接在椭球腔外，管道2垂直于赤道面的中心轴；

d)对椭球腔的内壁表面进行处理，表面处理的方式包括机械抛光、化学抛光及电化学抛光，以得到平坦且无杂质的椭球腔内壁表面；

e)对管道2的内表面和椭球腔的内壁表面进行加热，加热温度为200～800℃，在管道2的内表面和椭球腔的内壁表面蒸镀铌三锡Nb₃Sn形成超导薄膜，使其与椭球腔致密结合且均匀分布，椭球腔和超导薄膜构成三维椭球射频超导薄膜腔1；

2)利用电子束蒸发设备，采用斜蒸发法蒸镀Al/Al₂O₃/Al，制备超导量子比特；

3)制备安装介质4：

安装介质4采用蓝宝石棒，在蓝宝石棒的一端开设安装槽；

4)将超导量子比特固定在安装槽中；

5)将安装介质4和耦合天线5的一端固定在密封板3上；

6)安装介质4和耦合天线5的另一端进入管道2，安装介质4通过三维椭球射频超导薄膜腔1的通孔，伸入至三维椭球射频超导薄膜腔1的内部，装介质4的安装槽位于赤道面的中心，管道2的端口与密封板3通过电子束进行焊接；

7)耦合天线5连接微波功率源，耦合天线5的方向平行于与椭球腔的赤道面垂直的中心轴；

8)微波功率源通过耦合天线5在三维椭球射频超导薄膜腔1内激励出电磁场，此时赤道面的电场最强，磁场最弱；

9)从而超导量子比特位于赤道面的中心，超导量子比特与电磁场进行耦合，吸收电磁场能量；

10)将三维椭球射频超导薄膜腔1移动至稀释制冷机中，安装连接好低温微波测试线路；

11)在10mK量级的温度进行测试，通过耦合天线5测量超导量子比特在电磁场中的状态，利用矢量网络分析仪测量计算出超导量子比特的退相干时间。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种超导量子比特的长寿命存储装置，其特征在于，所述长寿命存储装置包括：三维椭球射频超导薄膜腔、管道、安装介质、密封板和耦合天线；其中，两个完全相同的半碗椭球，焊接在一起形成一个椭球腔，椭球腔内部为椭球体形状，在椭球腔上开设有通孔，通孔位于垂直于椭球腔的赤道面的中心轴上，在通孔处安装有管道，管道位于椭球腔外并垂直于椭球腔的赤道面，管道的端口安装有密封板密封，在管道的内表面和椭球腔的内壁表面蒸镀有与其致密结合且均匀分布的超导薄膜，椭球腔和超导薄膜构成三维椭球射频超导薄膜腔；安装介质的一端具有安装槽，超导量子比特固定在安装槽中；固定有超导量子比特的安装介质和耦合天线的一端固定在密封板上；安装介质和耦合天线的另一端进入管道，安装介质的安装槽一端穿过三维椭球射频超导薄膜腔的通孔，伸入至三维椭球射频超导薄膜腔的内部，安装介质的安装槽位于三维椭球射频超导薄膜腔的赤道面的中心；耦合天线连接微波功率源，耦合天线的方向平行于与椭球腔的赤道面垂直的中心轴；微波功率源通过耦合天线在三维椭球射频超导薄膜腔内激励出电磁场，此时赤道面的电场最强，磁场最弱；超导量子比特位于赤道面的中心，超导量子比特与电磁场进行耦合，交换能量；三维椭球射频超导薄膜腔移动至稀释制冷机，在低温环境下通过耦合天线测量超导量子比特在电磁场中的状态，得到退相干时间。

2.如权利要求1所述的长寿命存储装置，其特征在于，所述三维椭球射频超导薄膜腔的谐振频率为2.6～6.5GHz之间，椭球腔的长轴长度为82～206mm；短轴长度为23～58mm。

3.如权利要求1所述的长寿命存储装置，其特征在于，所述三维椭球射频超导薄膜腔的谐振频率与其尺寸有关，谐振频率与短轴长度乘积的二倍为光速。

4.如权利要求1所述的长寿命存储装置，其特征在于，所述通孔的直径为26～78mm。

5.如权利要求1所述的长寿命存储装置，其特征在于，所述椭球腔采用易于加工成型焊接并能够镀膜的金属。

6.如权利要求1所述的长寿命存储装置，其特征在于，所述超导薄膜为单层膜或多层膜，采用铌、铌三锡、二硼化镁和氮化铌中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的长寿命存储装置，其特征在于，所述安装板采用开口法兰。

8.如权利要求1所述的长寿命存储装置，其特征在于，所述微波功率源的频率与三维椭球射频超导薄膜腔的谐振频率一致，采用2.6GHz～10GHz，分别对应不同的尺寸的三维椭球射频超导薄膜腔。

9.一种超导量子比特的长寿命存储方法，其特征在于，所述长寿命存储方法包括以下步骤：1)制备三维椭球射频超导薄膜腔：

a)冲压成形两个完全相同的半碗椭球，采用电子束焊接将两个半碗椭球焊接在一起，形成一个椭球腔，椭球腔为内部具有椭球体形状的空腔；

b)在椭球腔上开设通孔，通孔位于垂直于椭球体的赤道面的中心轴上；

c)在通孔处通过电子束焊接的方式，将管道焊接在椭球腔外，管道垂直于赤道面的中心轴；

d)对椭球腔的内壁表面进行处理，以得到平坦且无杂质的椭球腔内壁表面；

e)对管道的内表面和椭球腔的内壁表面进行加热，加热温度为200～800℃，在管道的内表面和椭球腔的内壁表面蒸镀或者溅射超导薄膜，使其与椭球腔致密结合且均匀分布，椭球腔和超导薄膜构成三维椭球射频超导薄膜腔；

2)制备超导量子比特；

3)制备安装介质：

安装介质采用电磁损耗小的材料，在安装介质的一端开设安装槽；

4)将超导量子比特固定在安装槽中；

5)安装介质与耦合天线的一端安装在密封板上；

6)安装介质与耦合天线的另一端进入管道，安装介质的安装槽一端穿过三维椭球射频超导薄膜腔的通孔，伸入至三维椭球射频超导薄膜腔的内部，安装介质的安装槽位于三维椭球射频超导薄膜腔的赤道面的中心，密封板与管道的端口焊接密封；

7)耦合天线连接微波功率源，耦合天线的方向平行于与椭球腔的赤道面垂直的中心轴；

8)微波功率源通过耦合天线在三维椭球射频超导薄膜腔内激励出电磁场，此时赤道面的电场最强，磁场最弱；

9)超导量子比特位于赤道面的中心，超导量子比特与电磁场进行耦合，交换能量；

10)将三维椭球射频超导薄膜腔移动至稀释制冷机中，安装连接好低温微波测试线路；

11)在低温环境下进行测试，通过耦合天线测量超导量子比特在电磁场中的状态，利用矢量网络分析仪测量计算出超导量子比特的退相干时间。

10.如权利要求9所述的长寿命存储方法，其特征在于，在步骤11)中，低温环境为10～20mK。