CN110476175A - 用于超导量子比特的集成驱动和读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例涉及集成驱动和读出电路组件。定向耦合器配置为连接到量子比特谐振器系统。双工器耦合到定向耦合器。微波信号组合器耦合到双工器。

Description

用于超导量子比特的集成驱动和读出电路

技术领域

本发明一般涉及超导电子装置，更具体地，涉及用于超导量子比特的集成驱动和读出电路。

背景技术

量子计算机的基本元素是量子比特(quantum bit)，其被称为“量子比特(qubit)”。与表示0和1的经典比特相反，量子比特也能够表示两个状态的量子叠加。这些状态可以在量子物理定律中形式化为处于两个状态的概率。因此，可以在量子物理定律中操纵和观察状态。

在腔(cavity)量子电动力学中，量子计算采用非线性超导装置(即，量子比特)来操纵和存储微波频率的量子信息，以及采用谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)读出并促进量子比特间的相互作用。作为一个示例，每个超导量子比特可以包括一个或多个约瑟夫森结，该约瑟夫森结由与该结并联的电容器分流。量子比特被电容耦合到谐振器，诸如，例如2D或3D微波腔。

与量子比特相关的电磁能量被存储在约瑟夫森结中和在形成量子比特的电容和电感元件中。在一个示例中，为了读出量子比特状态，将微波信号以对应于量子比特状态的腔频率施加到被耦合到量子比特的微波读出腔。传输(或反射)的微波信号经过多个热隔离级和低噪声放大器，其被要求以阻止或降低噪声并提高信噪比。在室温下测量微波信号。取决于读出机制，读出微波信号的幅度或相位(或两者)可以携带关于量子比特状态的信息。可以使用室温电子设备测量和分析该读出信号。微波读出提供用于控制的稳定的信号幅度，并且可以使用商业现货(COTS)硬件。

诸如超导量子比特的量子系统对电磁噪声(特别是在微波和红外域中)非常敏感。为了保护这些量子系统免受微波和红外噪声的影响，应用若干层滤波、衰减和隔离。特别感兴趣的是对输入和输出(I/O)线(也称为传输线)采用的保护层。I/O线(传输线)连接到量子系统，并相应地将输出信号传送到量子系统以及从量子系统传送输入信号。在超导量子比特的情况下，这些I/O线(传输线)通常是微波同轴线或波导。用于阻挡或衰减传播或泄漏到这些传输线中的噪声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、带通微波滤波器和红外滤波器(其基于有损吸收材料或分散元素)。需要集成的驱动和读出电路来驱动和读出超导量子比特，其具有最少数量的输入和输出传输线以及最少数量的组件。

发明内容

本发明的实施例涉及集成驱动和读出电路组件。集成驱动和读出电路组件的非限制性示例包括被配置为连接到量子比特谐振器系统的定向耦合器、被耦合到定向耦合器的双工器以及被耦合到双工器的微波信号组合器。

本发明的另一实施例涉及形成集成驱动和读出电路组件的方法。方法的非限制性示例包括提供被配置为连接到量子比特谐振器系统的定向耦合器，将双工器耦合到定向耦合器，以及将微波信号组合器耦合到双工器。

本发明的又一实施例涉及芯片。芯片的非限制性示例包括被配置为连接到量子比特谐振器系统的定向耦合器，被耦合到定向耦合器的双工器，以及被耦合到双工器的微波信号组合器。

本发明的另一实施例涉及驱动量子比特谐振器系统的方法。方法的非限制性示例包括通过定向耦合器将微波信号发送到量子比特-谐振器系统，通过定向耦合器接收已经从量子比特-谐振器系统反射的微波信号，以及通过双工器接收来自定向耦合器的微波信号。双工器被配置为将微波信号引导到终端。

本发明的另一实施例涉及读出量子比特谐振器系统的方法。方法的非限制性示例包括通过定向耦合器将微波信号发送到量子比特-谐振器系统，通过定向耦合器接收已经从量子比特-谐振器系统反射的微波信号，以及通过双工器接收来自定向耦合器的微波信号。由微波信号组合器接收来自双工器的微波信号。微波信号组合器被配置为将微波信号组合成组合的微波信号。该方法还包括由微波信号组合器将组合的微波信号发送到量子限制放大器。

附图说明

图1是根据本发明实施例的示出超导量子比特的读出的集成驱动和读出电路的示意图。

图2是根据本发明实施例的示出驱动超导量子比特的集成驱动和读出电路的示意图。

图3是根据本发明实施例的集成驱动和读出电路的示意图。

图4是根据本发明实施例的信号组合器的示意图。

图5是根据本发明实施例的信号组合器的示意图。

图6是根据本发明实施例的形成集成驱动和读出电路的方法的流程图。

图7是根据本发明实施例的驱动量子比特谐振器系统的方法的流程图。

图8是根据本发明实施例的读出量子比特谐振器系统的方法的流程图。

具体实施方式

在此参照相关的附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本文件的范围的情况下，可以设计出本发明的替代实施例。应注意，阐述了在以下描述和附图中的元件之间的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，并且不旨在对该方面进行限制。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，对在层“B”上形成层“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。

已建议若干物理对象作为量子比特中的潜在的实施方式。然而，固态电路和特别是超导电路是非常令人感兴趣的，因为它们提供可扩展性，该可扩展性是使得电路具有更多数量的相互作用量子比特的可能性。超导量子比特通常基于约瑟夫森结(JJ)。约瑟夫森结是通过例如薄的绝缘障耦合的两个超导体。约瑟夫森结可以通过超导电极之间的绝缘隧道势垒(例如Al₂O₃)制造。对于该约瑟夫森结，最大允许超电流是临界电流I_c。

实施例被配置为构建可缩放的量子比特驱动和读出电路，其最小化电路的输出线和控制线的数量。实施例提供了构建可扩展的量子比特驱动和读出电路的技术，其可以在同一电路板或芯片上集成在一起。

此外，实施例被配置为最小化循环器和隔离器的数量。实施例还提供了可扩展的量子比特驱动和读出电路，其可被很好地优化、替换和热化。为了强调循环器和隔离器的尺寸/空间，商业低温隔离器的尺寸约为8.5厘米(cm)×3.1cm×1.7cm，重约229.5克(g)。铜支架用于使低温隔离器热化，并且其重约183.1g。商业低温循环器的尺寸约为4.5厘米×3.5厘米×1.8厘米，并且其重约41.2克。在标准的1输入1输出线路设置中，连接1个量子比特谐振器和1个量子限制放大器(JPC)，技术现状使用两个循环器和三个隔离器。这占至少191.1cm³的体积和至少1.5kg的重量(并且该重量是仅从循环器和隔离器方面的)。体积计算未考虑用于热化的铜支架的重量。相反，实施例提供具有1个输出线和1个(可选的)循环器/隔离器的结构。

现在转向附图，图1是根据实施例的说明超导量子比特的读出的集成驱动和读出电路组件100的示意图。图2是根据实施例的说明驱动超导量子比特的集成驱动和读出电路100的示意图。图1和2是相同的并且示出了电路100的不同的操作(即，分别读出量子比特与驱动量子比特)。如本领域技术人员所理解的，图1和2(连同图3)适用于反射操作的量子比特谐振器系统。

电路100可在芯片上和/或在印刷电路板上和/或作为集成电路实现。例如，集成驱动和读出电路100可以是芯片。电路100可操作地连接到量子系统。量子系统是耦合到读出谐振器的超导量子比特，使得超导量子比特可以被驱动(即，被驱动到激发态或者到地和激发态的叠加)并被读出。读出量子比特的状态是通过测量读出谐振器。存在量子比特谐振器系统102_1至102_N，其中N对应于量子比特谐振器系统的最后号数。每个量子比特谐振器系统102_1至102_N具有其自己的超导量子比特，其耦合到读出谐振器。例如，量子比特谐振器系统102_1至102_N分别具有超导量子比特154_1至154_N并且分别具有读出谐振器152_1至152_N。如上所述，读出谐振器可以实现为集总元件谐振器、微带/带状线谐振器、共面波导谐振器、3D微波腔等。

集成驱动和读出电路100包括宽带定向耦合器104_1至104_N，其分别可操作地连接到量子比特谐振器系统102_1至102_N。电路100包括分别可操作地连接到宽带定向耦合器104_1至104_N的双工器106_1至106_N。信号组合器108可操作地连接到双工器106_1至106_N中的每一个，使得信号组合器108接收来自双工器106_1至106_N的输入。可选地，电路100可以包括宽带量子限制定向放大器110，其输入可操作地连接到信号组合器108的输出。可选地，电路100可以包括宽带芯片上4端口循环器112或宽带隔离器，其连接到宽带量子限制定向放大器110的输出。宽带量子限制定向放大器110和宽带芯片上4端口循环器112可以可选地是在芯片上的(意旨在芯片/电路100上)或片外的。图3是在芯片外的宽带量子限制定向放大器110和宽带芯片上4端口循环器112的示例。

根据实施例，使用可伸缩的量子比特驱动和读出电路100来驱动和测量电路量子电动力学系统(诸如，超导腔/读出谐振器量子比特系统102_1至102_N)的阵列，其被驱动以及在反射中测量。出于解释目的，描绘了超导腔/读出谐振器量子比特系统102_1至102_N。应当理解，该驱动和读出电路/机制不限于超导量子比特。其可以与耦合到微波谐振器(即任何量子系统)的任何类型的量子比特一起使用。一个条件是量子比特驱动信号和读出信号被馈送到量子系统的同一端口。

更详细地，现在转向电路组件100的部件中，宽带定向耦合器104_1至104_N具有覆盖(即，包括)两个量子比特(即，量子比特154和读出谐振器152)的频率范围的频带。宽带定向耦合器104_1至104_N是具有端口103A、103B、103C和103D的4端口装置。耦合器被配置为将来自特定端口的信号的限定量的电磁功率耦合到另一端口，从而使信号能够在另一电路中使用。仅对定向耦合器104_1标记端口103A-103D，以免模糊图形。然而，应当理解，其它定向耦合器104_2至104_N类似地与定向耦合器104_1(其标记有端口，以便理解)具有相同的端口并且操作相同。

驱动信号和读出信号通过定向耦合器104_1至104_N的耦合端口103A馈送。定向耦合器104_2至104_N的隔离端口103D由50欧姆(Ω)终端终止。50Ω终端可以是片上或外部50Ω终端。50Ω终端可以是负载，例如电阻负载。定向耦合器104_1至104_N的输入端口103B连接到量子比特读出谐振器系统102_1至102_N。从耦合端口103A耦合到输入端口103B的信号(驱动信号和/或读出信号)的衰减在10-30分贝(dB)之间。

定向耦合器104_1至104_N的端口103C被连接到芯片上的双工器106_1至106_2。双工器106_1至106_2的目的是将反射的量子比特脉冲(即反射的驱动信号)引导至50Ω终端(片上或外部)，以便反射的量子比特脉冲被消散，同时将反射的读出信号传递给输出线/链(OUT)。使用信号组合器108将通过不同双工器106_1至106_N传递的不同读出信号组合用于量子信号(即，反射的读出信号)，并且信号组合器108使用频分复用将不同(反射)的读出信号组合到承载频率为f₁、f₂、...f_N的读出信号的单传输线上。读出信号可以以串联、并联或任意组合的方式应用。频率f₁、f₂、...f_N的不同组合的读出信号从信号组合器108输出到宽带定向放大器110。宽带定向放大器110以频率f₁、f₂、...f_N放大组合的读出信号。宽带定向放大器110之后可以是片上循环器112或隔离器，其保护量子系统(例如量子比特腔/读出谐振器系统102_1至102_N)免受来自输出链(即，OUT)的噪声的影响。片上循环器112或隔离器可以通过使用三波混频装置(例如，约瑟夫森参数转换器)和混合器或通过使用铁氧体和永磁体来实现。

作为驱动图2中的量子比特谐振器的示例，以下场景解释了驱动具有读出谐振器152_1和超导量子比特154_1的量子比特谐振器系统102_1，但是类似地相应地应用于驱动具有读出谐振器152_2至152_N和超导量子比特154_2至154_N的量子比特谐振器系统102_2到102_N。量子比特谐振器系统102_1、定向耦合器104_1和双工器106_1都是一对一的关系。

每个量子比特谐振器系统的102_1至102_N可同时、几乎同时和/或连续被驱动。量子比特154_1至154_N中的每一个具有其谐振频率，其可以称为量子比特频率或量子比特谐振频率。例如，量子比特154_1至154_N分别具有量子比特谐振频率f_q1至f_qN，其中N是最后号数。这些频率可以相同或不同(即，彼此接近，例如几兆赫兹，或彼此远离，例如几百兆赫兹)，这取决于量子处理器的特定实施机制。在驱动量子比特谐振器系统102_1的示例场景中，量子比特154_1具有量子比特谐振频率f_q1。因此，频率f_q1的(驱动)微波信号(音调tone)被输入到宽带定向耦合器104_1的耦合端口103A，目的是将量子比特154_1驱动/操纵到期望状态。宽带定向耦合器104_1将频率为f_q1的微波驱动信号(例如1％)的一部分耦合到宽带定向耦合器104_1的端口103B，并且消散微波驱动信号的剩余部分(或接近所有剩余部分)。频率为f_q1的驱动微波信号被输入到量子比特谐振器系统102_1，并且因为在频率f_q1的驱动微波信号匹配或近似匹配量子比特154_1的量子比特谐振频率f_q1，所以使量子比特154_1谐振。从量子比特谐振器系统102_1离开的频率f_q1的反射微波信号进入宽带定向耦合器104_1的输入端口103B，并且大部分信号(例如99％)通过端口103C离开。宽带定向耦合器104_1被配置为将频率为f_q1的反射(驱动)微波信号输出到双工器106_1的公共端口105A。双工器106_1(以及双工器106_2至106_N)具有连接到端口105B的低通滤波器和连接到端口105C的高通滤波器。低通滤波器被设计为将频率f_q1的反射驱动微波信号传递到端口105B，使得频率f_q1的反射驱动微波信号由50Ω冷终端消散。通常，各量子比特154_1至154_N的不同量子比特谐振频率f_q1至f_qN在约3.5-5.5千兆赫(GHz)的频率范围内。因此，驱动微波信号和对应的反射驱动微波信号(对于量子比特154_1至154_N)处于约3.5-5.5千兆赫(GHz)的频率范围内。双工器106_1至106_N中的每一个中的低通滤波器被设计为针对相应的量子比特154_1至154_N传递量子比特谐振频率f_q1至f_qN的反射驱动微波信号，使得对于相应的量子比特154_1到154_N没有量子比特谐振频率f_q1至f_qN到达信号组合器108。在一些实现中，低通滤波器可以被设计为通过低于5.6GHz的频率，以便使在大约3.5-5.5千兆赫的频率范围内的量子比特频率通过。在其它实施方式中，当量子比特谐振频率f_q1到f_qN小于5.0GHz时，可以将低通滤波器设计为将低于5GHz的频率传递到端口105B到50Ω冷终端。

如果在量子比特谐振频率f_q1至f_qN的反射驱动微波信号不由双工器106_1至106_N消散，信号组合器108将拒绝量子比特谐振频率f_q1至f_qN，并且因此，这些拒绝信号将被反射回量子比特谐振器系统102_1至102_N。这是不希望的情况，并且通过在端口105B处设置低通滤波器以及通过在端口105C处设置高通滤波器来避免这种情况，这拒绝量子比特谐振频率f_q1至f_qN。

双工器106_1至106_N是具有端口105A、105B和105C的3端口装置。只有双工器106_1标有端口105A-105C，以免模糊图。然而，应当理解，其它双工器106_2至106_N类似地与双工器106_1(其端口被标记)具有相同的端口并且相同地操作。

返回到驱动在量子比特谐振器系统102_1中的量子比特154_1的示例场景，在频率f_q1的反射驱动微波信号已经消散并且驱动量子比特谐振器系统102_1中的量子比特154_1完成。针对量子比特谐振器系统102_1中的量子比特154_1所讨论的相同驱动过程适用于驱动在量子比特谐振器系统102_2至102_N中的量子比特154_2至154_N，但采用相应的量子比特谐振频率f_q2至f_qN和相应的输入线。

作为图1中的量子比特谐振器的读出的示例，以下场景解释了读出具有读出谐振器152_1和超导量子比特154_1的量子比特谐振器系统102_1，但是类似地应用于分别读出具有读出谐振器152_2至152_N和超导量子比特154_2至154_N的量子比特谐振器系统102_2至102_N。通过读出各个读出谐振器152_1至152_N，可以同时或近似同时读出每个量子比特154_1至154_N的状态。读出谐振器152_1至152_N中的每一个具有其自己的谐振频率，其可以被称为读出谐振器频率或读出谐振器谐振频率。例如，读出谐振器152_1至152_N分别具有(不同的)读出谐振器谐振频率f₁至f_N，其中N是最后的号数。在读出量子比特谐振器系统102_1中的读出谐振器152_1的示例场景中，读出谐振器152_1具有读出谐振器谐振频率f₁。因此，频率f₁的(读出)微波信号(音调)被输入到宽带定向耦合器104_1的耦合端口103A，以便对读出谐振器152_1进行读出。宽带定向耦合器104_1将f₁处的微波读出信号的一部分耦合到宽带定向耦合器104_1的端口103B，并且在隔离端口103D(连接到50Ω冷终端)以频率f₁消散读出信号的剩余部分(或者近似所有剩余部分)。频率f₁的读出微波信号输入到量子比特谐振器系统102_1。此时，用于输入驱动微波信号和读出微波信号的过程是相同的。但是，被输入到量子比特谐振器系统102_1，频率f₁的读出微波信号使读出谐振器152_1谐振，因为频率f₁的读出微波信号匹配或近似匹配读出谐振器152_1的读出谐振器谐振频率f₁。通过使频率f₁的读出微波信号与读出谐振器152_1谐振，这使得读出谐振器152_1以频率f₁发送反射(读出谐振器)微波信号。频率f₁的反射读出微波信号从量子比特谐振器系统102_1输出到宽带定向耦合器104_1的输入端口103B。宽带定向耦合器104_1被配置为将频率为f₁的大部分反射的读出微波信号输出到定向耦合器104_1的输出端口103C，然后输出到双工器106_1的公共端口105A。双工器106_1(以及双工器106_2至106_N)在端口105B处具有低通滤波器，在端口105C处具有高通滤波器。高通滤波器被设计为将频率为f₁的反射读出谐振器微波信号通过端口105C传送到信号组合器108的端口107_1，同时阻止频率为f₁的反射量子比特微波信号。通常，对于相应的读出谐振器152_1至152_N，不同的读出谐振频率f₁至f_N处于约6GHz或更高的频率范围内。读出谐振器152_1至152_N被设计为具有不同的谐振频率。针对相应的读出谐振器152_1至152_N，双工器106_1至106_N中的每一个中的高通滤波器被设计为传递读出谐振频率f₁至f_N的相应的反射读出微波信号，使得读出谐振器152_1至152_N的每个读出谐振频率f₁至f_N到达信号组合器108。例如，高通滤波器可以被设计为通过6GHz以上的频率。

出于解释目的，示出了双工器106_1至106_N的示例细节，但不意味着限制双工器106_1至106_N的实现。例如，双工器106_1至106_N不必须使用低通滤波器和高通滤波器。在其它实现中，双工器106_1至106_N可以使用带通滤波器，其中以量子比特频率(f_q1至f_qN)的范围发送的一个带通滤波器连接到端口105B，而以读出频率(f₁到f_N)的范围发送的另一个带通滤波器连接到105C。

返回到读出量子比特谐振器系统102_1中的读出谐振器152_1的示例场景，频率f₁的反射读出微波信号已经被输入到信号组合器108的端口107_1。信号组合器108被配置为将来自读出谐振器152_1的频率f₁的微波信号与来自读出谐振器152_2至152_N(其类似地经由端口107_2至107_N输入)的频率f₂至f_N的读出微波信号组合。然后，频率为f₁到f_N的组合反射微波信号从信号组合器108的端口109输出到宽带量子限制定向放大器110。放大器110被配置为放大频率为f₁至f_N的组合反射微波信号。放大器110被设计为在覆盖读出频率f₁至f_N的带宽内进行放大。频率f₁至f_N的放大的微波信号输出到宽带循环器112，宽带循环器112将频率f₁至f_N的组合反射微波信号传递到指定为OUT的传输线。

针对量子比特谐振器系统102_1中的读出谐振器152_1讨论的相同读出过程适用于读出量子比特谐振器系统102_2至102_N中的读出谐振器152_2至152_N，但采用相应的读出谐振器谐振频率f₂至f_N。

根据实施例，集成驱动和读出电路100提供了许多好处。电路100可以完全集成在芯片或印刷电路板上。电路100最小化输出线(OUT)和控制线的数量。如果量子限制放大器110在芯片100上，则量子限制放大器110仅需要控制线，图3示出了量子限制放大器110不在芯片100上的示例。所有组件(例如，是无源的且不需要任何承载驱动或控制信号的控制线，除了定向放大器(即，量子限制放大器100)和片上循环器/隔离器(例如，循环器112)。电路100的驱动和读出技术不需要使用片外循环器或隔离器。该集成电路100可被很好地热化，因为电路100不需要现有技术中所需的大量循环器/隔离器。例如，对于N个量子比特谐振器系统102中的每一个，现有技术高保真测量机制要求每个量子比特谐振器系统设置两个循环器(假设在输出链中使用约瑟夫森参量放大器)和三个隔离器。因此，在实施例中使用电路100的技术可以具有比采用商业低温循环器和隔离器的现有技术方式更轻的重量和更小的封装面积。此外，电路100可以具有低插入损耗，例如，小于(<)2分贝(dB)，因为它可以使用超导电路或非常低损耗的普通金属以及低损耗介电元件来实现。需要低损耗要求以便最小化输出链中量子信息的损失。

图3是根据实施例的集成驱动和读出电路组件100的示意图。在图3中，集成电路100被描绘为具有比图1和2中集成电路100更少的电路元件。图3示出了具有宽带定向耦合器104_1至104_N、双工器106_1至106_N和信号组合器108的集成电路100。图3中芯片上没有量子限制定向放大器110和循环器112。图3示出了可操作地连接到集成电路100的量子处理器300的示例。图3中的驱动和读出操作包括与图1和2中说明的操作相同。

图4是根据实施例的用于组合量子信号(即，微波信号)的信号组合器108的示意图。信号组合器108被配置为利用频分复用将不同微波信号的不同频率分配到单个输出传输线上。信号组合器108包括通常称为带通滤波器405的带通微波滤波器。不同的带通滤波器405被描绘为带通滤波器405_1至带通滤波器405_N。每个带通滤波器405具有不同的窄通带，具有特定窄通带的频率的微波信号经由该窄通带被发送(即，通过)，并且具有特定窄通带之外的频率的信号被反射(即，被阻挡)。带通滤波器405_1具有其自己的带宽1(BW₁)的窄通带，带通滤波器405_2具有其自己的带宽2(BW₂)的窄通带，并且带通滤波器405_N具有其自己的带宽N的窄通带(BW_N)。

例如，带通滤波器405_1被配置有通带(频带)，其允许具有频率f₁(对应于读出谐振器152_1)的(反射的读出)微波信号305_1穿过(发送)通过，但阻挡(反射)具有带通滤波器405_1的通带之外的频率f₂至f_N的所有其它微波信号305_2至305_N。类似地，带通滤波器405_2被配置有通带(频带)，其允许具有频率f₂(对应于读出谐振器152_2)的(反射读出)微波信号305_2穿过(发送)通过，但阻挡(反射)具有带通滤波器405_2的通带之外的频率f₁、f₃至f_N的所有其它微波信号305_1、305_3至305_N。类似地，带通滤波器405_N被配置有通带(频带)，其允许具有频率f_N(对应于读出谐振器152_N)的(反射读出)微波信号305_N穿过(发送)通过，但阻挡(反射)所有具有带通滤波器405_N的通带之外的频率f₁至f_N-1的所有其它微波信号305_1至305_N-1。微波信号305_1至305_N通常被称为微波信号305。如本领域技术人员所理解的，当量子比特谐振量子系统102_1至102_N可操作地连接到信号组合器108时，微波信号305可以处于针对读出量子比特指定的相应的频率f₁至f_N(经由读出谐振器或腔)。

信号组合器108包括单独地连接到相应的带通滤波器405_1至405_N的端口107_1至107_N。在信号组合器108中，端口107_1连接到带通滤波器405_1，端口107_2连接到带通滤波器405_2，端口107_N连接到带通滤波器405_N。每个端口107_1到107_N连接到其自己的带通滤波器405_1到带通滤波器405_N的一端。带通滤波器405_1至405_N的另一端经由公共节点415连接到公共端口109。公共节点415可以是公共连接点、公共传输线、公共线等，作为共同位置用于电连接。公共端口109连接到每个带通滤波器405_1至带通滤波器405_N，而各个端口107_1到107_N(仅)连接到它们各自的带通滤波器405_1至带通滤波器405_N。

因为带通滤波器405_1至405_N仅在相应的通带中发送相应的反射读出微波信号305_1至305_N，所以信号组合器108被配置为使得每个带通滤波器405_1至带通滤波器405_N覆盖不同的频率的频带(或子带)，使得(带通滤波器405的)通带都不重叠。因此，每个端口107_1到端口107_N由于连接到其相应的带通滤波器405_1到405_N而彼此隔离，使得通过任何一个端口107的微波信号305不会经由公共节点415泄漏到另一个端口107中。每个端口107与其它端口107隔离，并且由于连接到其自己的带通滤波器405而被设计为以预定义的频率(或在预定义的频带内)发送其自己的微波信号305。因此，带通滤波器405_1至405_N负责提供端口107-1至107_N之间的隔离。

将各自的端口107、带通滤波器405、公共节点415和公共端口109经由传输线30连接到彼此。传输线30可以是带状线、微带线、共面波导等。微波带通滤波器405使用无损或低损耗集总元件(例如超导电感器，超导间隙电容器和/或平板电容器，无源超导元件)来设计和实现。超导元件包括集总元件电感器、曲折线、动态电感线、间隙电容器、叉指式电容器和/或平板电容器(具有低损耗电介质)。带通滤波器的其它可能实现包括耦合线滤波器和/或电容耦合串联谐振器。

信号组合器108被配置有频率关系f₁<f₂<...<f_N，其中每个频率f₁、f₂、...f_N分别是带通滤波器405_1至405_N的中心频率。信号组合器108被配置为使其满足不等式

其中，和j≠i。该不等式要求每对带通滤波器的中心频率之间的频率间隔超过其平均带宽。换句话说，不等式确保没有带通滤波器具有重叠带宽(即，频率范围)。作为示例，一个带通滤波器405可以具有1兆赫(MHz)的通带，另一个带通滤波器405可以具有10MHz的通带，而又一个带通滤波器405可以具有100MHz的通带，等等。

图5是根据实施例的用于量子信号的信号组合器108的示意图。信号组合器108包括本文讨论的所有各种特征。此外，信号组合器108包括附加特征以确保用于传递微波信号的阻抗匹配(即，使沿信号路径的反射最小化)，并且还使得能够将多个分支/线路连接到公共节点415。

在图5中，阻抗变换器505_1至505_N分别添加在相应的端口107_1至107_N与其相关的带通滤波器405_1至405_N之间。而且，信号组合器108包括连接到公共节点415和公共端口109的宽带阻抗变换器510。阻抗变换器505_1到505_N和阻抗变换器510被配置为提供阻抗匹配。在信号组合器108的一端，阻抗变换器505_1至505_N被构造为匹配(或近似匹配)端口107_1至107_N的输入阻抗Z₀以及匹配与带通滤波器405_1至405_N相关联的特性阻抗。阻抗变换器505_1至505_N中的每一个被配置有特征阻抗其中Z₀是输入阻抗(以及输出阻抗)，其中Z_H是带通滤波器405_1至405_N的高阻抗，并且其中Z是每个阻抗变换器505_1至505_N的阻抗。平均特征阻抗Z是Z₀和Z_H的乘积的平方根。阻抗匹配变压器505_1至505_N中的每一个具有根据其各自的关系的长度λ_1/4，λ_2/4，...，λ_N/4，其中λ₁是微波信号305_1的波长，其中λ₂是微波信号305_2的波长，直到λ_N是微波信号305_N的波长。这些阻抗变换器通常具有窄带宽。将装置端口的阻抗Z₀变换为公共节点区域中的高特征阻抗Z_H可能是有用的一个原因是因为通常高阻抗传输线(例如微带或带状线)具有窄的迹线，其转而最小化公共节点的物理大小，并允许更多线将在该节点处被一起加入。如果带通滤波器被实现为耦合线滤波器和/或电容耦合谐振器，这是特别相关的。但是，如果所有带通滤波器都是使用集总元件(占用空间非常小)实现的，则可能需要更少的此类阻抗变换。

在一个实施方式中，阻抗变换器505_1至505_N可以是阻抗匹配传输线，即渐变式(tapered)，其中一端具有与输入阻抗Z₀匹配的宽宽度，而另一端具有与带通滤波器405的高阻抗Z_H匹配的窄宽度。

在一个实施方式中，宽带阻抗变换器510可以是阻抗匹配的传输线，其中一端具有与带通滤波器405(经由公共节点415)的高阻抗Z_H匹配的窄宽度，而另一端具有与输出阻抗Z₀匹配的宽宽度。这种宽带阻抗变换器510可以使用渐变式传输线来实现，例如，传输线的宽度按最大信号波长的比例绝热地改变。本领域技术人员已知的渐变线的其它实施方式也是可能的，例如指数渐变(Exponential Taper)或Klopfenstein渐变。此外，应注意的是，该阻抗变换器相对于其它变压器505的宽带要求源于以下事实：该宽带变压器510需要匹配通过其传输的宽带信号频率的特征阻抗，而相比下，阻抗变换器505仅需要匹配以相应带通的对应中心频率为中心的窄频率范围的阻抗。

图5示出了阻抗匹配的一个特定示例，并且应当理解，组合器108的通用机制不限于该特定实现。例如，在一些实施方式中，带通滤波器405可以具有与端口Z₀(107)相同的特性阻抗，并且阻抗变换器合并在带通滤波器405和连接到公共节点109的高阻抗Z_H之间。

阻抗指定Z₀是在端口107_1至107_N和端口109(其可以是输入和输出端口)的特性阻抗。例如，如本领域技术人员所认识到的，在每个端口107和109处特征阻抗Z₀可以是50欧姆(Ω)。

应注意的是，N表示频率、微波信号305、带通滤波器405和阻抗变换器505_N中每个的最后一个。而且，N代表量子比特谐振器系统102、读出谐振器152、量子比特154、定向耦合器104、双工器106等中的最后一个。

电路100的电路元件可以由超导材料制成。各个端口107、带通滤波器405、公共节点415、公共端口109、阻抗变换器505和传输线30由超导材料制成。另外，量子比特谐振器系统102、读出谐振器152、量子比特154、定向耦合器104、双工器106、放大器110和循环器112由超导材料制成。例如，超导材料(在低温下，例如约10-100毫开尔文(mK)或约4K)包括铌、铝、钽等。例如，约瑟夫森结由超导材料制成，并且它们的隧道结合可以由薄的隧道势垒制成，例如氧化物。电容器可以由通过低损耗介电材料分开的超导材料制成。连接各种元件的传输线(即，导线)由超导材料制成。

图6是根据实施例的形成集成驱动和读出电路/组件100的方法的流程图600。该方法包括在框602处提供定向耦合器104_1至104_N，该定向耦合器104_1至104_N被配置为分别连接到量子比特谐振器系统102_1至102_N；在框604处将双工器106_1分别连接到定向耦合器104_1至104_N；以及在框606将微波信号组合器108连接双工器106_1至106_N中的每者。

定向耦合器104_1至104_N中的每一个包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。第一端口103A被配置为接收量子比特信号和读出信号，第二端口103B可连接到量子比特谐振器系统102_1到102_N，第三端口103C可连接到双工器106_1到106_N，以及第四端口103D是孤立的端口。

双工器106_1至106_N每者均包括低通滤波器端口105B、高通滤波器端口105C和公共端口(C)105A。公共端口被配置为分别支持与低通带端口相关联的低频带和与高通带端口相关联的高频带。双工器106_1至106_N的公共端口105A分别连接到定向耦合器104_1至104_N。

双工器106_1至106_N被配置为将反射的驱动微波信号引导至低通滤波器端口105B，其中低通滤波器端口105B连接至终端点(例如，50Ω终端)。高通滤波器端口105C连接到信号组合器108。微波信号组合器108被配置为组合来自每个双工器106_1到106_N的微波信号，如图2所示。微波信号组合器108被配置为将组合微波信号(例如，具有频率f₁到f_N的组合微波信号)输出到量子限制放大器110。量子限制放大器110被配置为放大组合微波信号，并将组合的微波信号输出到循环器112。

图7是根据实施例的驱动量子比特谐振器系统102_1至102_N的方法的流程图700。该方法包括通过定向耦合器104_1至104_N分别发送(驱动)微波信号(以量子比特谐振频率f_q1至f_qN)到量子比特谐振器系统102_1至102_N(在框702处)，通过定向耦合器104_1至104_N从量子比特谐振器系统102_1至102_N接收反射(驱动)微波信号(以量子比特谐振频率f_q1至f_qN)(在框704处)，以及由双工器106_1至106_N分别从定向耦合器104_1至104_N接收所发送的(驱动)微波信号(在框706处)。换句话说，从量子比特谐振器系统102_1至102_N离开的反射信号通过定向耦合器104_1至104_N传输。双工器106_1至106_N被配置为将反射(驱动)微波信号(以量子比特谐振频率f_q1至f_qN)引导至终端端口(例如，50Ω冷端接)。

图8是根据实施例的读出量子比特谐振器系统(即，通过分别读出读出谐振器152_1至152_N来推断超导量子比特154_1至154_N的状态)的方法的流程图800。该方法包括通过定向耦合器104_1至104_N分别向量子比特谐振器系统102_1至102_N发送(读出)微波信号(以读出谐振频率f₁至f_N)(在框802处)，以及通过定向耦合器104_1至104_N从量子比特谐振器系统102_1至102_N分别接收反射(读出)微波信号(以读出谐振用频率f₁至f_N)(在框804)。此外，该方法包括通过双工器106_1至106_N分别通过定向耦合器104_1至104_N接收所发送的读出微波信号(以读出谐振频率f₁至f_N)(在框806)，以及由微波信号组合器108从双工器106_1至106_N分别接收发送的读出微波信号(以读出谐振频率f₁至f_N)(在框808)。注意，所发送的读出微波信号(以读出谐振频率f₁至f_N)是先前从量子比特谐振器系统102_1至102_N反射的(读出)微波信号(以读出谐振频率f₁至f_N)。

微波信号组合器108被配置为将多个发射的读出微波信号组合成多个微波信号(以读出频率f₁至f_N)。此外，方法包括由微波信号组合器108将组合的读出微波信号(包括读出谐振频率f₁至f_N)发送到量子限制放大器110(在块810)。

技术效果和益处包括用于可扩展的量子比特驱动和读出电路的方法和结构。这些结构可以完全集成在芯片或印刷电路板上。技术优点包括使输出和控制线的数量最小化。此外，技术效果和益处包括比包含商业低温循环器和隔离器的机制重量更轻、可以更好地热化、以及具有更小封装面积的结构。

术语“约”及其变体意在包括与基于在提交申请时可用的设备的特定数量的测量相关的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％，或2％的范围。

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、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令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。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。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所论述的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文论述的各实施例。

Claims (25)

1.一种集成驱动和读出电路组件，所述组件包括：

定向耦合器，其被配置为连接到量子比特谐振器系统；

双工器，其被耦合到所述定向耦合器；以及

微波信号组合器，其被耦合到所述双工器。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述定向耦合器中的每一个包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。

3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述第一端口被配置为接收量子比特信号和读出信号，所述第二端口能够连接到所述量子比特谐振器系统，所述第三端口能够连接到所述双工器，并且所述第四端口是独立的端口。

4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述双工器包括低通带端口、高通带端口和公共端口，所述公共端口被配置为支持分别与所述低通带端口和所述高通带端口相关联的低频带和高频带。

5.根据权利要求4所述的组件，其中，所述双工器的所述公共端口连接到所述定向耦合器。

6.根据权利要求4或5所述的组件，其中，所述双工器被配置为将反射的驱动微波信号引导到所述低通带端口，所述低通带端口被连接到终端。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的组件，其中，所述高通带端口被连接到所述微波信号组合器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述微波信号组合器被配置为组合来自所述双工器的微波信号。

9.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述微波信号组合器被配置为将组合的微波信号输出到量子限制放大器。

10.根据权利要求9所述的组件，其中，所述量子限制放大器被配置为放大所述组合的微波信号，并将已被放大的所述组合的微波信号输出到循环器。

11.一种形成集成驱动和读出电路组件的方法，所述方法包括：

提供定向耦合器，其被配置为连接到量子比特谐振器系统；

将双工器耦合到所述定向耦合器；以及

将微波信号组合器耦合到所述双工器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述定向耦合器中的每一个包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一端口被配置为接收量子比特信号和读出信号，所述第二端口能够连接到所述量子比特谐振器系统，所述第三端口能够连接到所述双工器，并且所述第四端口是独立的端口。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述双工器包括低通带端口、高通带端口和公共端口，所述公共端口被配置为支持分别与所述低通带端口和所述高通带端口相关联的低频带和高频带。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述双工器的所述公共端口连接到所述定向耦合器。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述双工器被配置为将反射的驱动微波信号引导到所述低通带端口，所述低通带端口被连接到终端。

17.根据权利要求14、15或16所述的方法，其中，所述高通带端口被连接到所述微波信号组合器。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其中，所述微波信号组合器被配置为组合来自所述双工器的微波信号。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的方法，其中，所述微波信号组合器被配置为将组合的微波信号输出到量子限制放大器。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述量子限制放大器被配置为放大所述组合的微波信号，并将已被放大的所述组合的微波信号输出到循环器。

21.一种芯片，包括如权利要求1至10中任一项所述的集成现实和随机电路组件。

22.根据权利要求21所述的芯片，还包括连接到微波信号组合器的量子限制放大器。

23.如权利要求22所述的芯片，还包括连接到所述量子限制放大器的隔离器。

24.一种驱动量子比特谐振器系统的方法：

由定向耦合器将微波信号发送到量子比特谐振器系统；

由所述定向耦合器接收从所述量子比特谐振器系统反射的所述微波信号；以及

由双工器接收来自所述定向耦合器的所述微波信号，其中所述双工器被配置为将所述微波信号引导到终端。

25.一种通过由如权利要求11至20中任一项所述的方法形成的集成驱动和随机电路组件读出量子比特谐振器系统的方法，所述方法包括：

由定向耦合器将微波信号发送到所述量子比特谐振器系统；

由所述定向耦合器接收从所述量子比特谐振器系统反射的所述微波信号；

由双工器接收来自所述定向耦合器的所述微波信号；

由微波信号组合器接收来自所述双工器的所述微波信号，其中所述微波信号组合器用于将微波信号组合成组合的微波信号；以及

由所述微波信号组合器将所述组合的微波信号发送到量子限制放大器。