CN110383303A - 量子位设备和量子位系统 - Google Patents
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Abstract
一种传输子量子位，其包括：平行板电容器，所述平行板电容器包括第一板(202)和第二板(203)，其中所述第一板与所述第二板的至少一部分相对地安置，其中所述第一板与所述第二板通过非线性电感元件(304)连接；以及电容(205)，所述电容形成于所述第一板与所述第二板之间，其中所述第一板和所述第二板被配置成形成真空间隙电容器。
Description
技术领域
本发明涉及一种量子位(qubit)设备和量子位系统，且更具体地说，一种传输子(transmon)量子位和一种传输子量子位(qubit)系统。
背景技术
经典计算机使用0和1(开/关)的二进位来执行计算任务。另一方面，量子计算机使用量子机械的定理，其中使用量子机械叠加原理，量子位可同时为0和1。此类量子处理器允许执行超出最好的可想象到的经典计算机的能力的计算。主要的工程设计障碍为以下事实：在量子状态中存储的量子信息非常易受不想要的和不受控制的环境影响的影响，被称为退相干。对这些处理器执行量子计算和量子模拟需要许多经典控制线路来操纵、耦合(纠缠)、传送和读出以量子位存储的量子信息。组合这两者，从而防止退相干，同时保持足够控制，是有挑战性的。冷却至毫开(miliKelvin)温度的超导量子电路展示在相干性与对控制线路的可接取性之间的极其好的平衡，使用洁净室制造技术，其与工程设计电路的多功能性组合使其成为用于可调式量子计算和模拟的快速发展领域。
对于限于0和1的量子位(qubit)(计算子空间)，量子位需要为在单个激发量子处的非谐振子，像天然原子一样。用于使用超导电路的量子计算机的建造块的一个候选者是传输子量子位。传输子量子位是被设计成具有对电荷噪声减小的敏感性的一类超导电荷量子位。传输子量子位通过显著增大约瑟夫森能量(Josephson energy)对充电能量的比率来达成其对电荷噪声减小的敏感性。这是通过使用大的分路电容器来实现。所述结果是大致独立于偏移电荷的能级间距。减小的电荷敏感性的代价是减小的非谐性，但对于适当的充电能量，其仍然足够用于传输子表现为量子位，使得其激发可个别地由经典微波控制脉冲来解决。
图1示意性地展示根据先前技术的传输子量子位系统。图1a展示根据先前技术的传输子量子位系统的电路，其可与有差异的单个库珀对盒(CPB)的电路相同，所述CPB由通过两个约瑟夫森接头耦合的两个超导岛组成。到地面的耦合可为纯电容性的。两个约瑟夫森接头的使用允许通过穿透由两个约瑟夫森接头形成的超导回路的外部磁通量调谐有效约瑟夫森能量。约瑟夫森接头提供非耗散性、非线性电感元件，其甚至在单个量子激发下仍保持非线性，使得量子位总体表现类似于天然原子。因此，传输子量子位也被称作人工原子。
图1b和1c展示根据先前技术的传输子量子位系统的光学和SEM图像。传输子量子位装置定位于共平面波导(CPW)内部。当接头和超导回路的大小可非常类似于CPB装置时，归因于岛和交叉指结构(超导岛1和2)的大的大小，岛间电容Cs可急剧增大。需要大Cs来达成对电荷噪声的减小的敏感性。这电容可通过比较大的电容Cg和C'g与接地面和传输线谐振器的中心接脚匹配，以便保持充分耦合到微波谐振器，以便通过将微波载频调和脉冲施加到微波谐振器来操纵和读出量子位的状态。量子位的频率通过约瑟夫森能量和电荷能量设定，电荷能量是通过量子位的总电容(包含其在周围电路和电路元件内的电容性嵌入)来设定。充电能量确定量子位的非谐性。这非谐性允许具体地解决量子位的不同激发能级，这在量子计算应用中是重要的，以保持处于意义明确的计算基础(0和1，或更大)中。
以下论文：10.1007/s11128-009-0100-6，提供关于“量子位和传输子量子位”的另外背景。
根据先前技术的这个传输子量子位系统的缺点为交叉指结构(超导岛1和2)的大的大小，因为量子计算机需要多个量子位，且交叉指结构(超导岛1和2)大，约290μm。此外，需要增加传输子量子位的相干时间。
本发明的目标因此是提供一种具有减小的大小的传输子量子位和传输子量子位系统。本发明的另一目标是增加传输子量子位和传输子量子位系统的相干时间。本发明的又一目标是将传输子量子位状态耦合到机械状态，用于更复杂的量子计算。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种传输子量子位，其包括：平行板电容器，所述平行板电容器包括第一板和第二板，其中所述第一板与所述第二板的至少一部分相对地安置，其中所述第一板与所述第二板通过非线性电感元件连接；以及电容，所述电容形成于所述第一板与所述第二板之间，其中所述第一板和所述第二板被配置成形成真空间隙电容器。
有利地，通过应用本发明，传输子量子位的大小显著减小，且传输子量子位相干时间可通过允许减小电介质中的电场来增加。此外，因为所述场界限于第一板与第二板之间，所以量子位对其附近环境的敏感性减小。又一优势在于，将量子位连接到多个其它电路元件，可减小这些其它元件的杂散耦合。
有利地，传输子量子位相干时间可增加，因为失去相干性可归因于较差的介电性界面，且真空具有良好的介电性电荷稳定性。量子位的相干时间主要地限于在介电性容积中的电场和穿过电介质-超导体与电介质-真空界面的电场的介电性损失。因为电场仅在真空间隙之间的两个板之间，所以量子位对电介质的曝露可显著减少。
在另一实施方式中，所述非线性电感元件包括以下装置中的至少一个：约瑟夫森接头；超导性量子干涉装置(SQUID)；直流超导量子干涉装置(DC SQUID)；隧道接头装置，其包括在每一侧上具有超导体的绝缘体；超导体-正常-超导体接头装置，其中所述正常段是约瑟夫森接头弱连结；以及超导体-半导体-超导体装置，其包括超导体近邻纳米线或2DEG或石墨烯或碳纳米管或1D或2D纳米材料。有利地，这些装置可展现AC约瑟夫森效应。
根据另一方面，本发明提供一种包括传输子量子位的系统，进一步包括电容性耦合到所述第一板和所述第二板中的至少一个的传输线路。
有利地，所述传输子量子位可由所述传输线路或传输线路谐振器控制。所述传输线路允许通过将微波载频调和脉冲施加到所述传输线路或传输线路谐振器来操纵和读出。量子应用中的量子位需要同时耦合到各种电路元件，像通量线路控制量子位的频率、微波驱动线路激发量子位、微波谐振器读出量子位状态和将两个量子位耦合在一起的微波谐振器(耦合总线)一样。将所有这些元件耦合到量子位而不招致不想要的交叉耦合是困难的，且在进一步大小减小的情况下，变得甚至更困难。因为电场界限于两个板之间，所以耦合多个其它电路元件较容易。尤其如果通过使用接地屏蔽件(像具有盖的CPW一样，所述盖连接两个接地，使得传输线路(谐振器)完全地与电路的其余部分隔离)小心地屏蔽其它电路元件。
在实施方式中，第一和第二板中的一个连接到电路接地。这配置有利地增强量子位在电路内的电容性嵌入，由此暗示想要的电容矩阵的工程设计。
在又一个实施方式中，所述系统进一步包括电容性耦合到所述第一板和所述第二板中的至少一个的电路接地。这配置有利地增强通过控制量子位与周围电路的电容性嵌入来控制量子位耦合到各种电路元件的能力。
根据另一方面，本发明提供一种包括所述传输子量子位的量子存储器，其中所述第一板和所述第二板中的一个包括第一子板和第二子板，且所述第一子板电容性耦合到所述第二子板，其中所述第一子板连接到电路接地且连接到所述非线性电感性元件，且所述第二子板被配置成接收DC电压，且所述第二子板与所述第一子板和所述第二子板中的另一个之间的电容性耦合的电容比所述第一子板与所述第一子板和所述第二子板中的另一个之间的电容性耦合的电容大；其中所述第二子板和所述第一子板和所述第二子板中的另一个中的至少一个被配置成在操作状态中表现为机械谐振器；其中传输子量子位谐振耦合到所述机械谐振器的机械谐振，且传输子量子位状态可转移到机械状态。
所述量子存储器有利地增强其中可存储量子信息而无因退相干的损失的时间。此外，因为所述机械状态是谐波，所以其允许不同协议保护量子信息不受退相干影响，被称为误差保护。一个这样的示例是所谓的cat码，其允许保护在谐波振荡器中的量子状态信息。所述量子存储器进一步有利地增强其中可存储量子信息而无因退相干的损失的时间。传输子量子位的典型相干时间在10-200毫秒之间变化。机械谐振器典型地展示更长得多的相干时间，甚至高达许多分钟。像在经典计算机中一样，存储器是处理器可含有的重要特征，其中重要的差异在于，量子信息不能被复制，并且只可以被传送。本发明允许可控制地将量子位的量子状态转移成机械状态，由此增大量子信息的寿命。此外，因为机械状态是谐波，与量子位非谐性相反，其允许不同的误差校正和检测协议来保护量子信息免受不可用于量子位的退相干。一个这样的示例是所谓的cat码，其允许保护在谐波振荡器中的量子状态信息。
在所附权利要求书中公开另外实施方式。
附图说明
下文将仅通过示例参看附图来描述本发明的实施方式，所述附图在本质上是示意性的且因此未必按比例绘制。此外，在图中的相似参考标号与相似元件有关。
图1示意性地展示根据先前技术的传输子量子位系统。
图2A示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位。
图2B示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位。
图2C示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位。
图2D示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位。
图2E示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位。
图3A示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统。
图3B示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统。
图3C示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统。
图4示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统。
图5示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统。
图6a示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统的俯视图。
图6b示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统的侧视图。
图7示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统。
图8展示实现传输子量子位的实验结果。
具体实施方式
图2A、2B、2C、2D示意性地展示根据本发明的各种传输子量子位。这里，单独地展示传输子量子位，而无其到其它电路元件(例如，传输线路谐振器、控制线路、电路接地)的连接。因此，应理解，这里省略传输子的电容性嵌入。
图2A展示根据本发明的实施方式的传输子量子位。传输子量子位201或传输子量子位装置包括平行板电容器，其包括第一板202和第二板203。第一板202与第二板203的至少一部分相对地安置。第一板202与第二板203通过非线性电感元件204连接。此外，电容205形成于第一板202与第二板203之间。
第一板202可安置于第一层处，第二板203可安置于并非第一层的第二层处。第一板202或/和第二板203也可具有任一其它形状。任选地，第一板202和第二板203中的至少一个可提供有切口(这里未展示)，例如，任意形状的洞。这可改善第一板202和第二板203中的至少一个的结构刚度，或可改善装置的机械特征，或可改善传输子量子位201的质量。洞、狭缝和其它结构的应用可更改传输子量子位201的刚性、挠性或机械和电容性性质。并且，第一板202，或/和第二板203未必需要为平坦的，且因此，可弯曲或具有支撑结构以支撑第一板202或/和第二板203。
第一板202可由第二板203完全或部分地覆盖，替代地，第二板203可由第一板202完全或部分地覆盖。第一板202可被安置，使得第一板202的主要表面至少实质上与第二板203的主表面的至少一部分平行。第一板202或/和第二板203可相关于衬底表面(图2A中未描绘)平行、垂直或按任一角度安置。
有利地，与交叉指结构(图1的超导岛1和2)相比，传输子量子位201的大小显著地减小。另一优势在于，量子位的电场界限于小的受良好控制的容积内，由此使电路周围环境的要求不太受约束，且因此减小对不受控制和不想要的环境影响的传输子量子位敏感性。本发明的另一优势是通过减小位于有损电介质中的电场或其它难以控制因素，传输子量子位和传输子量子位系统的相干时间的增加。另一优势在于，可简化量子位到其它电路元件的连接，而不诱发那些元件之间的不想要的和不受控制的耦合。
第一板202或/和第二板203可从薄(大致10nm到若干微米厚)NbTiN制造。除了NbTiN之外，也可使用其它超导材料，例如，铝、钼、铼、铌、铌-钛、铟、钛、钒、高Tc超导体或超导材料的组合。也可使用非平凡拓扑超导体。超导材料可包括以上提到的材料，但不限于那些材料。在使用的光刻和制造技术的限制内，可自由地选择两个板的厚度。厚度可控制量子位的机械和电容性性质，且针对刚性或挠性来设计。并且，所述板之间的距离可随意选择，自10nm到若干微米有变化，取决于确定两个板之间的电容，其中应理解，较小间隙导致较小量子位。
第一板202与第二板203可直接或通过非线性电感元件204间接连接。当第一板202间接连接到非线性电感元件204时，应理解，第一板202首先连接到额外元件，且所述额外元件连接到非线性电感元件204。同理适用于非线性电感元件204与第二板203之间的间接连接。第一板202与第二板203可电连接，或通过非线性电感元件电流连接。
根据实施方式，第一板202和第二板203被配置成形成真空间隙电容器。有利地，传输子量子位相干时间可增加，因为失去相干性可归因于较差的介电性界面，且真空具有良好的介电性电荷稳定性。量子位的相干时间主要地限于在介电性容积中的电场和穿过电介质-超导体与电介质-真空界面的电场的介电性损失。因为电场仅界限于真空间隙之间的两个板之间，所以量子位对电介质的曝露可显著减少。
根据实施方式，传输子量子位201可进一步包括在第一板202与第二板203之间的介电层206(见图2D)。介电层206可至少部分位于第一板202与第二板203之间。第一板202与第二板203之间的容积可至少部分由介电层206填充。介电层206的存在的优势是，与真空的介电常数相比，其可具有较高介电常数，因此增大第一板202与第二板203之间的电容。使用介电层的优势是，可甚至进一步减小量子位的大小。在这个实施方式中的介电层的性质对于量子位的相干时间是重要的。两个板之间的介电层的另一优势是，可进一步简化制造，且由此制造更受控制，使得可达成最优材料性质，例如，通过允许制造完全位于真空腔中，而不在量子位的制造期间将电路曝露于不想要的气体。举例而言，原子层沉积(ALD)的后续使用可提供在单个制造遍次中围住电介质的两个板。
在图2A中，非线性电感元件204是约瑟夫森接头。
在图2B中，非线性电感元件207是包括平行的两个约瑟夫森接头的超导量子干涉装置(SQUID)，或直流超导量子干涉装置(DC SQUID)，由此允许通过施加外部磁场(例如，通过通量线路或外部场)来控制量子位频率。通过组合2A与2B，允许量子位频率的进一步控制，因为可控制DC超导量子干涉装置的不对称性，由此创造量子位频率对通量线路上的噪声不敏感的可控制通量偏压点(df/dphi)。DC通量回路的定向可与所述板的定向相等或不同，以便允许磁通量的容易制造或施加。
在图2C中，非线性电感元件208是超导体-半导体-超导体装置。这个装置可包括超导体近邻纳米线或2DEG或石墨烯或碳纳米管或1D或2D纳米材料。举例来说，氮化硼、二硫化钼(MoS2)或任何其它1D或2D(范德瓦尔)材料。
非线性电感元件可进一步包括以下装置中的至少一个：约瑟夫森接头；超导量子干涉装置，SQUID 207；直流超导量子干涉装置，DC SQUID 207；隧道接头装置，其包括在每一侧上具有超导体的绝缘体；超导体-正常-超导体接头装置，其中所述正常段是约瑟夫森接头弱连结；以及超导体-半导体-超导体装置，其包括超导体近邻纳米线或2DEG或石墨烯或碳纳米管或1D或2D纳米材料。
对于图2A到2C，还有根据本发明的其它传输子量子位，所述传输子量子位可进一步包括在第一板202与第二板203之间的介电层206。
图2E示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位。图2E是包括第一板212、第二板213的传输子量子位的SEM俯视图。第一板212与第二板213的至少一部分相对地(在这个情况中，在上方)安置。第一板212与第二板213通过非线性电感器元件214连接。图2E展示传输子量子位直径为约30μm，有利地，小于图1的交叉指结构(超导岛1和2)。图2E展示所述板未必平坦，且可扩充有支撑结构、平面、支柱，或弯曲。这允许容易的制造、结构和机械支撑，并获得恰当的电容性性质。
在实施方式中，第一板202和第二板203中的至少一个可提供有切口，例如，任意形状的洞。这可改善第一板和第二板中的至少一个的结构刚度，或可改善装置的机械特征，或可改善传输子量子位的质量。
图3A示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统300。
图3A的系统300包含类似于图2A的传输子量子位的传输子量子位。在图2B、2C、2D中的至少一个中描绘的传输子量子位在这里也可适用。所述系统进一步包括传输线路309。传输线路309可电容性地耦合到第一板302和第二板303中的至少一个。传输线路309可通过第一电容312电容性地耦合到第一板302。传输线路309可通过第二电容313电容性地耦合到第二板303。归因于所述元件的形状或/和位置，第一电容312可与第二电容313不同。传输子关于电路接地和传输线路的电容性嵌入确定量子位与传输线路的耦合强度。具体地说，归因于在传输线路上施加电压，可通过使用电容矩阵(其由传输子量子位在其电路周围环境中的电容性嵌入来确定)评估跨非线性电感性元件的电压来确定耦合。
根据实施方式，形成于第一板302与第二板303之间的电容305可比第一电容312或/和第二电容313或第一电容312与第二电容313的总和大。传输线路309可为传输线路谐振器。所述传输线路谐振器实现电路内的量子位状态的读出、传送和操纵。
图3A的系统300进一步包括电路接地310。电路接地310可电容性地耦合到第一板302和第二板303中的至少一个。电路接地310可通过第三电容314电容性地耦合到第一板302。电路接地310可通过第四电容315电容性地耦合到第二板303。归因于所述元件的形状或/和位置，第三电容314可与第四电容315不同。
根据实施方式，形成于第一板302与第二板303之间的电容305可比第三电容314或/和第四电容315或第三电容314与第四电容315的总和大。根据实施方式，形成于第一板302与第二板303之间的电容305可比第一电容312或/和第二电容313或/和第三电容314或/和第四电容315或这些电容的总和大。这配置有利地增强通过工程设计各种电容而对量子位耦合到传输线路或传输线路谐振器的控制。任选地，电路接地310可为传输线路。
图3B示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统320。系统320类似于图3A的系统300，除了第二板303连接到电路接地310之外。这配置有利地增强传输子量子位的电容性嵌入的简单性，且因此可控制地工程设计其到例如传输线路谐振器的其它电路元件的耦合。
图3C示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统340。系统340类似于图3A的系统300，除了第一板302连接到电路接地310之外。类似于3B，这配置有利地增强电容性嵌入的简单性。
图4示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统400。图4示意性地展示包括传输子量子位401的系统400的俯视图。系统400类似于图3B的系统320，差异在于元件的形状。在图4中，第一板402对应于在图片的中心的虚线区域。第二板与电路接地一起由403表示。第一板402的一部分在第二板403的部分之上。第一板402与第二板403通过非线性电感元件404连接。在图4中，非线性电感元件404包括两个约瑟夫森接头，从而形成超导量子干涉装置(SQUID)。图4进一步展示传输线路409。如在图4中所描绘，传输线路409为传输线路谐振器409。根据实施方式，第一板402和第二板403中的至少一个位于传输线路谐振器409的波腹处或附近。这配置有利地增强传输子量子位401与传输线路谐振器409之间的耦合，且演示所述板未必是平坦的，因为这里，顶板由位于另一平面的层中的结构支撑。
根据实施方式，传输线路409包括以下中的至少一个：通量偏压线路；读出谐振器；耦合总线；开路传输线路；微波驱动线路；以及DC栅极电极。
图5示意性地展示根据本发明的实施方式的传输子量子位系统500。图5示意性地展示包括传输子量子位501的系统500的俯视图。系统500类似于图4的系统400，差异在于，量子位501耦合到多个传输线路509a、509b、509c。如在图5中所描绘，传输线路509a、509b、509c为传输线路谐振器509a、509b、509c。根据实施方式，传输线路509a、509b、509c包括以下中的至少一个：通量偏压线路；读出谐振器；耦合总线；开路传输线路；微波驱动线路；以及DC栅极电极。所述传输线路允许通过将微波载频调和脉冲施加到所述传输线路或传输线路谐振器来操纵和读出。量子应用中的量子位需要同时耦合到各种电路元件，像通量线路控制量子位的频率、微波驱动线路激发量子位、微波谐振器读出量子位状态和将两个量子位耦合在一起的微波谐振器(耦合总线)一样。将所有这些元件耦合到量子位而不招致不想要的交叉耦合是困难的，且在进一步大小减小的情况下，这变得甚至更困难。因为电场界限于两个板之间，所以耦合多个其它电路元件较容易。尤其如果通过使用接地屏蔽件(像具有盖的CPW一样，所述盖连接两个接地，使得传输线路(谐振器)完全地与电路的其余部分隔离)特别小心地屏蔽其它电路元件。
图6a和6b示意性地展示根据本发明的实施方式的量子存储器600。图6a示意性地展示包括传输子量子位601的系统600的俯视图。图6类似于图4的系统400，差异在于，第二板603包括两个子板：第一子板603a和第二子板603b。第一子板603a电容性地耦合到第二子板603b。第一子板603a连接到电路接地且连接到非线性电感性元件604。第二子板603b可被配置成接收DC电压。第二子板603b与第一子板602之间的电容性耦合的电容比第一子板603a与第一板602之间的电容性耦合的电容大。在实施方式中，第一板602和第二板603中的一个(在图6a中，它是第二板603)的第一子板603a和第二子板603b中的至少一个安置到第一板602和第二板603中的另一个(在图6a中，它是第一板602)的至少一部分。在实施方式中，第二子板603b以及第一板602和第二板603中的一个(在图6a中，它是第一板602)中的至少一个被配置成在操作状态中表现为机械谐振器。在实施方式中，传输子量子位谐振耦合到机械谐振器的机械谐振，且传输子量子位状态可转移到机械状态。图6a进一步展示类似于图4、5的传输线路509、409的传输线路609。
在图6a中，第二子板603b可充当调谐元件，其被配置成调整第一板602与第二板603之间的电容，和传输子量子位601的频率。更具体地说，第二子板603b可充当调谐元件，其被配置成调整第一板602与第二子板603b之间的电容。在实施方式中，可耦合到传输子量子位601的调谐元件603b、609被配置成调整第一板602与第二板603之间的电容，和传输子量子位601的频率。
在实施方式中，调谐元件609为传输线路，其耦合到第一板602和第二板603中的一个且被配置成改变第一板602与第二板603之间的电容，或通过电容性耦合改变平行板电容器的介电常数。
通过使用DC栅极电压供应由真空间隙分开的两个板之间的静态电压，人们可改变量子位电容，由此改变其频率。能够调谐两个板之间的间隙是有利的，因为其去除使用DC超导量子干涉装置和伴随的通量线路或磁场以能够调谐量子位的频率的必要性。一个优势是，在单独的栅极上分配电压比在多个线路上分配电流容易得多，而不会招致不想要的交叉耦合或串扰。同理尤其适用于在短时间间隔中使用快速脉冲改变量子位频率。这将实现简化在例如表面代码量子计算架构中使用的传输子阵列中的频率可调谐性互连的可能性。另一优势在于，DC栅极的电容性环境可小心地加以控制，由此界限其所得电场。从芯片上的流动电流发出的磁场自然地更加扩展，且因此更可能创造与各种其它电路元件的交叉耦合和串扰。
调谐量子位频率的不同方式是使用如在图2中显示的分开的板之间的电介质。如果使用其介电常数取决于例如供应的DC栅极电压的电介质，例如，作为氧化锶钛(STO)材料，那么两个板之间的电容改变，由此调谐量子位的频率。并且，这个方法避免了DC超导量子干涉装置使传输子的频率可调谐的必要性。
像在经典处理器中一样，临时存储器存储(像在随机存取存储器(RAM)中一样)是量子处理器中的重要元件。然而，一个重要的差异在于，根据量子机械学的法则，没有量子信息可被复制，由此仅使量子信息传送有可能。然而，因为传输子量子位的相干时间典型地在20微秒到100微秒之间变化，所以存储临时量子状态的方式是重要的。举例来说，在通过量子信息通道或连结建立远程连接时，在可通过所述连结传送需要传送的量子位前，所述量子位应安全地存储，直到建立跨量子信息通道的纠缠。通过将传输子谐振耦合到机械谐振器，本公开的发明允许此特征，所述机械谐振器可由被允许移动(由此形成机械谐振，其典型地在2MHz到200MHz之间)的板中的一个或两个形成。此类机械谐振器典型地具有优异的相干时间，有时高达许多分钟(10分钟)。将传输子的量子状态转移到机械谐振器的要求需要传输子与机械谐振器之间的强耦合。这是通过在两个板之间施加DC栅极电压来达成。这导致以下效应：传输子上的栅极电压是通过机械谐振频率来调制，由此耦合机械谐振器与传输子。如果传输子量子位的过渡频率足够强，那么它的频谱将根据声子数显示分裂，也被称作福柯态(Fock state)。这个数目分裂在传输子量子位与微波谐振器之间良好地建立，并允许将量子信息从传输子量子位传送到谐振器的不同方法。一个示例是使用声子或光子数选择性量子位脉冲，其取决于谐振器的状态(从离子陷落实验和超导电路实验熟知)，改变量子位的状态。将量子位状态转移到机械谐振器的状态的另一示例是使用称为薛定谔猫态(《科学》342,607(2013))的机械谐振器的大叠加状态。通过使用微波脉冲，通过创造偶数或奇数薛定谔猫态将量子位的状态转移到机械谐振器。
与先前提到的先前技术相比，揭露的发明的一个优势是，在这个实施方式中，可通过改变DC栅极电压接通和切断传输子量子位与机械谐振器之间的耦合。由此，可将量子存储器与其量子位完全分开，从而避免由耦合的传输子量子位产生的机械谐振器中的不想要的伪非线性。在先前提到的先前技术中，这种伪非线性必须被使用从这种非线性去除所述效应的微波脉冲(被称为SNAP脉冲)积极地抵消。
图6b示意性地展示系统600的侧视图。
图7示意性地展示根据本发明的实施方式的量子存储器700。图7示意性地展示系统700的侧视图。图7类似于图6b的系统600，差异在于与第二子板703b串联连接的反射性低通滤波器770，其中所述反射性低通滤波器的截止频率低于100MHz。
对于所有实施方式，适用于第一板的一切也可适用于传输子量子位的第二板。第一板与第二板之间的电容可大于传输子量子位与包括传输线路、电路接地的周围元件之间的所有电容中的任何者或总和。传输线路可为传输线路谐振器。传输线路包括以下中的至少一个：通量偏压线路；读出谐振器；耦合总线；开路传输线路；微波驱动线路；以及DC栅极电极。传输线路可由以下装置中的至少一个替换：包括中心导体和接地面的共平面波导谐振器；半波共平面波导谐振器；四分之一波共平面波导谐振器；槽式谐振器；环形谐振器；微带谐振器；以及集总元件谐振器、带状线或特别小心地避免交叉耦合的其它特殊传输线路或传输线路谐振器，例如，跨连接接地面的CPW的空运线，或跨CPW的完全盖以避免任何不想要的伪耦合。跨CPW的此盖电流连接到量子位的板中的一个(如果它连接到电路接地)是可能的。因而，消除了电路组件之间任何不想要的杂散耦合。如果元件A连接到元件B，那么元件A可直接连接到元件B，或通过元件C间接连接到元件B。元件A可电或电流连接到元件B。如果元件A耦合到元件B，那么元件A可直接耦合到元件B，或通过元件C间接耦合到元件B。传输线路可接收AC或/和DC信号。传输子量子位可为可调谐传输子量子位。电路接地可为AC或/和DC接地。第一板和第二板中的至少一个可提供有切口，例如，任意形状的洞。在所有实施方式中，所述板可为平坦的或非平坦的，且可具有支撑结构、支柱。根据本发明的传输子量子位可在低温下测量或/和控制。
图8展示实现传输子量子位的本发明人的实验结果。图8展示真空拉比分裂(Rabisplitting)。图8a展示在单载频调反射测量中作为通量的函数的频谱响应，用曲线表示为|S11|。蓝色虚线指示裸(未耦合)空腔频率ω1，和从接地状态|g>到第一激发状态|e>到第二激发状态|f>的传输子的过渡频率。红线展示如从全频谱拟合的耦合系统的混杂的状态过渡。绿线指示使用针对相同电路参数的旋转波近似法(RWA)的修整过的状态过渡。图9b展示线切，其展示具有ω1的量子位过渡的真空Rabi分裂，导致Delta_VRS＝2pi x 1.19GHz的分隔，其为约281线宽的分隔。c展示在通量量子一半(反甜点)的频谱的特写，在所述通量量子一半处，量子位频率最小。在那里，我们观测到电路朝向裸空腔ω1的频谱响应的离散过渡。我们怀疑这暗示量子位与谐振器的退耦(归因于热充填的量子位)。另外，我们观测到与g<->f过渡的小的避开的交叉。
本发明改善根据先前技术的传输子量子位系统。根据先前技术的传输子量子位系统的第一个缺点为交叉指结构(超导岛1和2)的大的大小，因为量子计算机需要多个量子位，且交叉指结构(超导岛1和2)大，约290μm。此外，允许此类平面定义的传输子场的电场杂散到在量子位下的介电性衬底内，和到在量子位上方的真空内。因此，此类量子位对电场位于的介电容积内部和介电界面的介电损失敏感。本发明增大了传输子量子位的相干时间，因此避免了电介质中的电场的不必要的局部化。
并且，归因于缺乏根据先前技术的传输子量子位系统的场的界限，其对与在其周围的电路元件的不想要的杂散耦合敏感，从而导致与其它电路元件或不受控制的环境影响的杂散耦合。又一因素是，单个量子位典型地需要耦合到大量电路元件，同时避免每一电路元件直接相互耦合。本发明提供一种具有减小的大小的传输子量子位和传输子量子位系统。此外，本发明将电场界限于小的良好控制的容积内，由此使电路周围的要求不太受约束。并且，本发明通过减小位于有损电介质中的电场或其它难以控制因素增加传输子量子位和传输子量子位系统的相干时间。并且，本发明简化量子位到其它电路元件的连接，而不诱发那些元件之间的不想要的和不受控制的耦合。并且，本发明将传输子量子位状态耦合到机械状态，用于更复杂的量子计算，和量子位的量子状态在长相干时间机械状态中的临时存储。此外，因为机械状态是谐波，所以量子位状态到机械状态的转移允许其它程序保护量子信息以免退相干。
在所述图的前述描述中，本发明已参考其具体实施方式来描述。然而，将明显的是，在不脱离如在所附权利要求书中总结的本发明的范围的情况下，可对其进行各种修改和改变。
此外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情形或材料适用于本发明的教导。因此，希望本发明不限于公开的特定实施方式，而是本发明将包含属于随附权利要求书的范围的所有实施方式。
明确地说，可进行本发明的各种方面的具体特征的组合。通过添加关于本发明的另一方面描述的特征，可进一步有利地增强本发明的方面。
应理解，本发明只受到随附的权利要求书和其技术等效内容限制。在本文件中和在其权利要求书中，动词“包括(to comprise)”和它的动词变化按其非限制性意义使用以意味着，包含跟在所述词后的项目，而不排除未具体提到的项目。此外，用不定冠词“一(a或an)”对元件的提及并不排除存在一个以上所述元件的可能性，除非上下文清晰地要求存在一个且仅有一个所述元件。不定冠词“一(a或an)”因此通常意味着“至少一个”。
Claims (22)
1.一种传输子量子位，包括：
平行板电容器，所述平行板电容器包括第一板(202)和第二板(203)，其中所述第一板与所述第二板的至少一部分相对地安置，其中所述第一板与所述第二板通过非线性电感元件(304)连接，以及
形成于所述第一板与所述第二板之间的电容(205)；
其中所述第一板和所述第二板被配置成形成真空间隙电容器。
2.根据权利要求1所述的传输子量子位，进一步包括在所述第一板与所述第二板之间的介电层(206)。
3.根据权利要求1所述的传输子量子位，其中所述非线性电感元件包括以下装置中的至少一个：
约瑟夫森接头；
超导量子干涉装置SQUID(207)；
直流超导量子干涉装置DC SQUID(207)；
隧道接头装置，所述隧道接头装置包括在每一侧上具有超导体的绝缘体；
超导体-正常-超导体接头装置，其中所述正常段是约瑟夫森接头弱连结；以及
超导体-半导体-超导体装置(208)，所述装置包括超导体近邻纳米线或2DEG或石墨烯或碳纳米管或1D或2D纳米材料。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的传输子量子位，其中所述第一板和所述第二板中的至少一个提供有切口。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的传输子量子位，进一步包括支撑元件，所述支撑元件被配置成接纳所述第一板(202)和所述第二板(203)中的至少一个。
6.一种包括根据权利要求1到5中任一项所述的传输子量子位的系统，进一步包括电容性耦合到所述第一板和所述第二板中的至少一个的传输线路(309)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述传输线路按第一电容(312)电容性耦合到所述第一板，且按第二电容(313)电容性耦合到所述第二板，其中所述第一电容与所述第二电容不同。
8.根据权利要求7所述的系统，其中形成于所述第一板与所述第二板之间的所述电容(305)大于所述第一电容或/和所述第二电容。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的系统，其中所述第一板和所述第二板中的一个连接到电路接地(310)。
10.根据权利要求7到8中任一项所述的系统，进一步包括电容性耦合到所述第一板和所述第二板中的至少一个的电路接地(310)。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述电路接地按第三电容(314)电容性耦合到所述第一板，且按第四电容(315)电容性耦合到所述第二板，其中所述第三电容与所述第四电容不同。
12.根据权利要求11所述的系统，其中形成于所述第一板与所述第二板之间的所述电容(305)大于所述第一电容或/和所述第二电容或/和所述第三电容或/和所述第四电容。
13.根据权利要求6到12中任一项所述的系统，其中所述传输线路是传输线路谐振器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一板和所述第二板中的至少一个位于所述传输线路谐振器的波腹处或附近。
15.根据权利要求6到14中任一项所述的系统，其中所述传输线路包括以下中的一个：
通量偏压线路；
读出谐振器；
耦合总线；
开路传输线路；
微波驱动线路；以及
DC栅极电极。
16.根据权利要求6到15中任一项所述的系统，进一步包括：
第二传输(509b、509c)线路，所述第二传输线路耦合到所述第一板和所述第二板。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二传输线路包括以下中的一个：
通量偏压线路；
读出谐振器；耦合总线；
开路传输线路；
微波驱动线路；以及
DC栅极电极。
18.根据权利要求6到17中任一项所述的系统，进一步包括：
调谐元件(603b)，所述调谐元件被配置成调整所述第一板(602)与所述第二板(603)之间的所述电容，和所述传输子量子位的频率。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述调谐元件为传输线路，所述传输线路耦合到所述第一板和所述第二板中的一个且被配置成通过电容性耦合改变所述第一板与所述第二板之间的电容，或通过电容性耦合改变平行板电容器的介电常数。
20.根据权利要求6到19中任一项所述的系统，其中所述传输线路由以下装置中的至少一个替换：
包括中心导体和接地面的共平面波导谐振器；
半波共平面波导谐振器；
四分之一波共平面波导谐振器；
槽式谐振器；
环形谐振器；
微带谐振器；
集总元件谐振器；
任意波共平面波导谐振器；
带状谐振器；以及
由连接到电路接地的传导性盖覆盖的共平面波导谐振器。
21.一种量子存储器，其包括根据权利要求1到3中任一项所述的传输子量子位，其中所述第一板和所述第二板中的一个(603)包括第一子板(603a)和第二子板(603b)，且所述第一子板电容性地耦合到所述第二子板，
其中所述第一子板连接到电路接地且连接到所述非线性电感性元件，且
所述第二子板被配置成接收DC电压，且在所述第二子板(603b)与所述第一板和所述第二板中的另一个(602)之间的电容性耦合的相关联的电容大于所述第一子板(603a)与所述第一板和所述第二板中的另一个(602)之间的电容性耦合的相关联的电容；
其中所述第二子板以及所述第一板和所述第二板中的另一个中的至少一个被配置成在操作状态中表现为机械谐振器；
其中传输子量子位谐振耦合到所述机械谐振器的机械谐振，且传输子量子位状态可从所述传输子量子位状态转移到机械状态。
22.根据权利要求21所述的量子位存储器，进一步包括与所述第二子板串联连接的反射性低通滤波器(770)，其中所述反射性低通滤波器的截止频率低于100MHz。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
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