CN111465948A - 紧凑型多极量子比特测量滤波器 - Google Patents

Abstract

公开了一种系统，其包括：量子比特；量子比特读出谐振器，与量子比特相邻布置以耦合到量子比特；以及第一滤波器，与量子比特读出谐振器相邻布置以耦合到量子比特读出谐振器，第一滤波器包括公共端口，该公共端口被布置为接收量子比特读出谐振器输入驱动信号和来自量子比特读出谐振器的测量输出信号两者，其中，第一滤波器被配置为阻止从量子比特发射的至少一个测量光子。

Description

紧凑型多极量子比特测量滤波器

技术领域

本说明书涉及用于量子计算的量子比特系统。

背景技术

量子计算是利用量子效应(诸如基础状态(basis state)的叠加以及纠缠)以比经典数字计算机更有效率地执行某些计算的计算方法。与以比特(例如“1”或“0”)的形式存储和操纵信息的数字计算机相比，量子计算系统可以使用量子比特来操纵信息。量子比特可以是指能够实现多种状态的叠加(例如，处于“0”状态和“1”状态两者的数据)的量子设备和/或是指处于多种状态的数据本身的叠加。根据常规术语，量子系统中“0”状态和“1”状态的叠加可以被表示为例如α│0>+β│1>。数字计算机的“0”状态和“1”状态分别类似于量子比特的│0>基础状态和│1>基础状态。值│α│2代表量子比特处于│0>状态的概率，而值│β│2代表量子比特处于│1>基础状态的概率。

发明内容

本公开涉及一种用于量子计算的量子比特系统。具体地，该量子比特系统包括单个端口，该单个端口被配置用于驱动量子比特读出谐振器并用于接收反射回相同端口的光子。输入驱动音可以通过诸如环行器或定向耦合器的电路元件与向外的测量光子分离。

另外，该量子比特系统可以包括滤波器，该滤波器通过分接该滤波器的一个或多个部分而具有多个极。例如，在分接滤波器的一部分的情况下，滤波器的通过分接限定的两个部分中的每个可以是分支滤波器(stub filter)，使得该滤波器具有多个极。因为单个滤波器可以具有多个极，所以与使用具有单个极的滤波器的量子比特系统相比，该量子比特系统可以具有更少的滤波器。因此，该量子比特系统可以具有紧凑的设计。

一般，本说明书中描述的主题的创新方面可以在一种系统中实现，该系统包括：量子比特；量子比特读出谐振器，与量子比特相邻布置以耦合到量子比特；以及第一滤波器，与量子比特读出谐振器相邻布置以耦合到量子比特读出谐振器，第一滤波器包括公共端口，该公共端口被布置为接收量子比特读出谐振器输入驱动信号和来自量子比特读出谐振器的测量输出信号两者，其中，第一滤波器被配置为阻止从量子比特发射的至少一个测量光子。

前述实施方式和其他实施方式可以每个可选地单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。该系统还包括耦合到公共端口的环行器，其中，环行器被配置为在公共端口上将输入驱动信号与测量输出信号分离。该系统还包括耦合到公共端口的定向耦合器，其中，定向耦合器被配置为在公共端口上将输入驱动信号与测量输出信号分离。第一滤波器包括带通滤波器。带通滤波器是珀塞尔(Purcell)滤波器。量子比特读出设备和/或滤波器包括微波谐振器。微波谐振器包括共面波导谐振器、带状线谐振器或微带谐振器。量子比特读出设备和第一滤波器由超导体形成。量子比特包括超导量子比特或自旋量子比特。量子比特包括具有在300MHz与300GHz之间的谐振频率的量子比特。公共端口在一位置处分接滤波器，使得公共端口在滤波器的第一部分与滤波器的第二部分之间形成分支滤波器。分支滤波器包括传输线滤波器、集总元件滤波器、或传输线滤波器和集总元件滤波器的组合。第一滤波器是半波共面波导滤波器，其中，分支滤波器是四分之一波共面波导滤波器。分支滤波器的阻带在1GHz与20GHz之间。该系统还包括：多个量子比特设备，其中，每个量子比特设备包括量子比特、与量子比特设备的量子比特相邻布置以耦合到量子比特设备的量子比特的量子比特读出谐振器、以及与量子比特设备的量子比特读出谐振器相邻布置以耦合到量子比特设备的量子比特读出谐振器的滤波器；公共输入端口，配置为接收用于所述多个量子比特设备的多个量子比特读出谐振器输入驱动信号；以及开关，配置为将所述多个量子比特读出谐振器输入驱动信号中的至少一个提供给所述多个量子比特设备中的至少一个。该系统还包括：多个量子比特设备，其中，每个量子比特设备具有相应的谐振器频率，并且包括量子比特、与量子比特设备的量子比特相邻布置以耦合到量子比特设备的量子比特的量子比特读出谐振器、以及与量子比特设备的量子比特读出谐振器相邻布置以耦合到量子比特设备的量子比特读出谐振器的滤波器；公共输入端口，配置为接收用于所述多个量子比特设备的多个量子比特读出谐振器输入驱动信号，其中，所述多个量子比特读出谐振器输入驱动信号中的每个具有相应的频率；频域复用器，配置为基于第一量子比特读出谐振器输入驱动信号的频率与量子比特设备的相应谐振器频率匹配，将所述多个量子比特读出谐振器输入驱动信号中的第一量子比特读出谐振器输入驱动信号提供给所述多个量子比特设备中的相应量子比特设备。该系统还包括放大器，该放大器耦合到公共端口并且配置为放大来自量子比特读出谐振器的测量输出信号。放大器包括参数放大器或高电子迁移率晶体管(HEMT)放大器。

在一些实施方式中，可以实施本说明书中描述的主题，从而实现以下优点中的一个或多个。

在一些实施方式中，在量子比特系统包括用于接收量子比特读出谐振器输入和测量光子的单个端口的情况下，量子比特系统可以防止量子比特的能量泄漏，而无论滤波器相对于单个端口的位置如何。

在一些实施方式中，在量子比特系统包括用于接收量子比特读出谐振器输入和测量光子的单个端口的情况下，量子比特系统可以通过单个端口将从一个或多个量子比特接收到的测量光子提供给放大器。然而，在包括分离的输入端口和输出端口的量子比特系统通过输出端口将测量光子提供给放大器的情况下，量子比特系统可能通过输入端口损失一些测量光子，例如光子的测量的10％。因此，包括单个端口的量子比特系统比包括分离的输入端口和输出端口的量子比特系统损失更少的测量光子，并且提高量子效率。

此外，包括用于接收量子比特读出谐振器输入和测量光子的单个端口的量子比特系统为设计芯片布局以实现量子比特系统提供更多的自由度，因为与包括输入端口和输出端口两者的量子比特系统相比，单端口架构减少了用于传输输入信号和输出信号的端口的数量。

另外，该量子比特系统可以包括具有多个极的滤波器。多极滤波器设计比单极滤波器设计更好地防止量子比特的能量泄漏，从而提高量子比特系统的能量效率。此外，因为单个滤波器具有多个极，所以可以在量子比特系统中使用更少的滤波器。因此，量子比特系统可以具有紧凑的设计。

此外，包括多个量子比特设备的量子比特系统可以使用单个输入端口对多个量子比特设备执行测量操作。相对于包括多个输入端口的量子比特系统，该量子比特系统可以使用更少数量的端口。因此，相对于包括多个输入端口的量子比特系统，该量子比特系统可以被实现为具有更小的体积。特别地，在量子比特系统在冰箱中操作的情况下，可以通过减小量子比特系统的体积来节省维持量子比特系统的能量。

另外，包括FDM的量子比特系统可以对具有各种频率的探测信号执行测量操作。因此，量子比特系统可以包括各种类型的量子比特和具有各种频率的滤波器。

本说明书的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐明。本主题的其他特征、方面和优点将由说明书、附图和权利要求变得明显。

附图说明

图1A是示出包括输入端口和输出端口的示例量子比特系统的示图。

图1B至图1D是示出针对图1A中的量子比特的示例读出测量操作的示图。

图2A是示出包括单个量子比特和公共端口的示例量子比特系统的示图。

图2B是示出针对图2A中的量子比特的示例读出测量操作的示图。

图3是针对图1A至图2B中的各种实施方式示出量子比特的品质因数与量子比特的频率之间的示例关系的曲线图。

图4是示出包括单个输入端口的示例量子比特系统的示图。

图5A是示出包括FDM的示例量子比特系统的示图。

图5B是示出包括FDM的另一示例量子比特系统的示图。

各个附图中的同样的附图标记和标号指示同样的元件。

具体实施方式

量子比特系统可以包括各种输入/输出架构。在一些情况下，量子比特系统可以包括分离的输入端口和输出端口。量子比特系统通过输入端口接收输入信号(例如量子比特读出谐振器驱动音(drive tone))，并且通过输出端口提供输出信号(例如指示量子比特状态的测量光子)。在一些实施方式中，这些配置导致光子从量子比特泄漏，从而造成低效的系统操作。为了防止能量泄漏，量子比特系统可以包括单端口架构。即，量子比特系统包括公共端口来接收输入信号并提供输出信号。在一些实施方式中，量子比特系统的这种单端口架构可以允许量子比特系统的滤波器阻止从量子比特发射的光子的传播，而与滤波器相对于公共端口的位置无关。因此，可以防止能量泄漏并且可以提高量子比特系统的效率。

图1A示出了包括输入端口和单独的输出端口的示例量子比特系统100。量子比特系统100对一个或多个量子比特执行读出测量操作。量子比特系统100包括量子比特-读出谐振器对、滤波器、输入端口、输出端口、波形发生器和放大器。

量子比特系统100包括量子比特-读出谐振器对。每个量子比特读出谐振器对包括量子比特和耦合到量子比特的量子比特读出谐振器。例如，量子比特系统100的量子比特-读出谐振器对分别包括量子比特102、104、106。量子比特102、104、106可以用各种量子比特来实现。例如，量子比特102、104、106可以是超导量子比特，诸如传输子(transmon)量子比特或flux-mon量子比特。作为另一示例，量子比特102、104、106可以是自旋量子比特。作为另一示例，量子比特102、104、106可以是具有在微波的频率范围内(例如，在300MHz与300GHz之间)的相应谐振频率的任何合适的量子比特。尽管图1A示出了量子比特系统100包括三个量子比特，但是量子比特的数量不限于特定数量。

量子比特系统100的量子比特-读出谐振器对还分别包括量子比特读出谐振器142、144、146。量子比特读出谐振器142、144、146可以分别通过耦合器122、124、126间接地耦合到量子比特102、104、106。在一些实施方式中，耦合器122、124、126可以是具有合适的电容的电容耦合器，以将量子比特102、104、106耦合到相应的谐振器142、144、146。可替代地，在另一些实施方式中，耦合器122、124、126可以是具有合适的电感的电感耦合器，以将量子比特102、104、106耦合到相应的谐振器142、144、146。在一些实施方式中，耦合器122、124和126不是必需的，并且量子比特读出谐振器142、144、146分别直接地(例如，电感地或电容地)电磁耦合到量子比特102、104、106。

在一些实施方式中，因为量子比特读出谐振器142、144、146耦合到量子比特102、104、106，所以量子比特读出谐振器的频率基于耦合到量子比特读出谐振器的量子比特的状态来确定。例如，量子比特读出谐振器142的频率基于量子比特102的状态来确定，量子比特读出谐振器144的频率基于量子比特104的状态来确定，并且量子比特读出谐振器146的频率基于量子比特106的状态来确定。在量子比特的状态从第一状态改变为第二状态的情况下，耦合到该量子比特的量子比特读出谐振器的频率相应地偏移，使得该频率指示量子比特状态。通过测量量子比特读出谐振器的频率，量子比特系统100可以对耦合到量子比特读出谐振器的量子比特执行读出测量操作。量子比特读出谐振器142、144、146可以被配置为例如共面波导谐振器、带状线谐振器、或微带谐振器、以及其他类型的谐振器结构。量子比特读出谐振器142、144、146可以由诸如铝、铌和/或钛氮化物的超导材料形成。

量子比特系统100包括滤波器162、164、166。尽管图1A示出了量子比特系统100包括三个滤波器，但是滤波器的数量不限于特定数量。量子比特系统100可以包括任何合适数量的滤波器。在一些实施方式中，量子比特系统100可以包括与量比比特相同数量的滤波器。在另一些实施方式中，量子比特系统100可以包括比量子比特更多或更少数量的滤波器。滤波器162、164、166可以由诸如共面波导谐振器、带状线谐振器或微带谐振器的谐振器结构形成。滤波器结构可以由诸如铝、铌和/或钛氮化物的超导体材料形成。

滤波器162、164、166分别通过电感器L1、L2、L3耦合到量子比特读出谐振器142、144、146。在一些实施方式中，电感器L1、L2、L3对应于量子比特读出谐振器的一部分。在该示例中，每个电感器接地。尽管图1A示出了使用电感器L1、L2、L3在滤波器162、164、166与量子比特读出谐振器142、144、146之间进行电感耦合，但是可以在各种实施方式中使用任何合适的耦合技术。例如，滤波器162、164、166可以使用电容耦合技术耦合到量子比特读出谐振器142、144、146。

在一些实施方式中，滤波器162、164、166可以是珀塞尔滤波器。珀塞尔滤波器阻止从量子比特发射的光子以量子比特频率(例如7GHz)传播。因此，当量子比特102、104、106以相应的量子比特频率操作时，滤波器162、164、166防止量子比特102、104、106的能量泄漏。另外，珀塞尔滤波器允许信号(例如微波信号)以谐振器频率(例如4.5GHz)传播。因此，滤波器162、164、166允许用于驱动相应谐振器142、144、146的信号通过滤波器162、164、166。

在一些实施方式中，滤波器162、164、166可以是带通滤波器。例如，带通滤波器可以被实现为四分之一波(λ/4)或半波(λ/2)共面波导滤波器。在另一些实施方式中，滤波器162、164、166可以是任何合适的滤波器，包括但不限于低通滤波器、高通滤波器或步进阻抗滤波器。

量子比特系统100包括输入端口130和输出端口150。在该实施方式中，输入端口130与输出端口150分离。输入端口130耦合到输入节点N1。输入节点N1耦合到波形发生器170，以从波形发生器170接收一个或多个探测信号。例如，波形发生器170可以提供用于驱动量子比特读出谐振器的驱动音。输入端口130可以耦合在两个或更多个滤波器(例如滤波器162、164)之间。

输出端口150耦合到输出节点N2。输出节点N2耦合到放大器190，以从一个或多个谐振器提供一个或多个输出信号。例如，输出端口150可以从读出谐振器142、144和/或146接收测量光子，其中测量光子指示量子比特102、104和/或106的状态。放大器190放大通过输出节点N2接收的所述一个或多个输出信号，并将放大的输出信号提供给节点N3。输出端口150可以耦合在两个或更多个滤波器(例如，滤波器162、166)之间。在该实施方式中，波形发生器170和放大器190接地。

在一些实施方式中，模数转换器(ADC)可以耦合到节点N3。在另一些实施方式中，一个或多个环行器可以耦合到节点N3，以保护量子比特102、104、106免受反向通过输出端口的放大器噪声影响。

为了更好地理解图1A的具有用于驱动和读取量子比特的分离的输入端口和输出端口的量子比特系统的操作，现在提供针对每个量子比特-读出谐振器对相对于滤波器的操作的描述，该操作独立于其他量子比特-读出谐振器对。图1B示出了对图1A中的量子比特102的示例读出测量操作。图1B中的量子比特系统100是图1A所示的量子比特系统100。为了方便，在图1B中省略了量子比特104、106，耦合器124、126，量子比特读出谐振器144、146，电感器L2、L3，滤波器164、166。

在该示例中，滤波器162耦合在输入端口130与输出端口150之间，并且包括读出谐振器142和量子比特102的量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器162的一部分，例如耦合部分。在量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器162的耦合部分的情况下，滤波器162的耦合部分可以被限定为电感器L4，并且滤波器162的存在于耦合部分与输入端口130之间的第一部分可以被限定为第一滤波器分支S1，滤波器162的存在于耦合部分与输出端口150之间的第二部分可以被限定为第二滤波器分支S2。因此，滤波器162的电等效元件包括第一滤波器分支S1、电感器L4和第二滤波器分支S2。在一些实施方式中，耦合部分可以是滤波器162的中部。在滤波器162是半波共面波导滤波器的情况下，滤波器分支S1、S2可以是四分之一波共面波导滤波器。然而，对于各种实施方式，耦合部分可以是滤波器162的任何部分，并且不限于滤波器162的中部。

为了对量子比特102执行读出测量操作，波形发生器170产生探测信号，并通过输入端口130将探测信号提供给滤波器162。探测信号可以具有在滤波器162的频率范围内的频率。例如，在滤波器162是具有从4GHz至5GHz的频率范围的带通滤波器的情况下，探测信号可以具有在该频率范围内的频率，使得探测信号可以通过滤波器162。一旦探测信号通过第一滤波器分支S1，探测信号就通过电感器L4、L1被传输到量子比特读出谐振器142。在一些实施方式中，可以使用电容耦合技术将探测信号从滤波器162传输到量子比特读出谐振器142。在一些实施方式中，可以使用电感耦合技术和电容耦合技术的组合将探测信号从滤波器162传输到量子比特读出谐振器142。

量子比特读出谐振器142通过耦合器122耦合到量子比特102。在该实施方式中，耦合器122是包括电容器Cl的电容耦合器。在另一些实施方式中，耦合器122可以是包括电感器的电感耦合器。可替代地，如在此所述，耦合器122可以是量子比特读出谐振器的部分。如在此所述，在量子比特读出谐振器142耦合到量子比特102的情况下，量子比特读出谐振器142的频率基于量子比特102的状态来确定。因此，通过测量量子比特读出谐振器142的频率，量子比特系统100可以测量量子比特102的状态。

为了测量量子比特读出谐振器142的频率，如在此所述，将探测信号提供给量子比特读出谐振器142。响应于探测信号，量子比特读出谐振器142产生具有特定频率的输出信号。例如，输出信号可以具有量子比特读出谐振器142的谐振频率。基于输出信号的频率，可以测量量子比特读出谐振器142的频率。

在一些实施方式中，输出信号的频率可以在滤波器162的频率范围内。因此，通过电感器L1、L4传输到第二滤波器分支S2的输出信号可以通过第二滤波器分支S2。输出信号通过输出端口150传输到放大器190。放大器190放大输出信号，因为在输出信号从量子比特读出谐振器124传输到放大器190的同时，输出信号会衰减。放大的输出信号被提供给节点N3。

在图1B的实施方式中，探测信号的路径是从波形发生器170经过输入端口130、第一滤波器分支S1和电感器L4、L1到达量子比特读出谐振器142。因此，在探测信号从波形发生器170传输到量子比特读出谐振器142的同时，即使光子从量子比特102发射，光子的传播也被第一滤波器分支S1或第二滤波器分支S2阻止，因为滤波器分支S1、S2阻止从量子比特102发射的光子以量子比特频率传播，但是允许探测信号以谐振器频率传播。这防止量子比特102的能量泄漏，从而提高量子比特系统100的效率。

图1C示出了对图1A中的量子比特104的示例读出测量操作。图1C中的量子比特系统100是图1A所示的量子比特系统100。为了方便，在图1C中省略了量子比特102、106，耦合器122、126，量子比特读出谐振器142、146，电感器L1、L3，以及滤波器166。

在该示例中，滤波器164位于输入端口130和输出端口150的一侧，例如左侧。包括读出谐振器144和量子比特104的量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器164的一部分，例如耦合部分。在量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器164的耦合部分的情况下，滤波器164的耦合部分可以被限定为电感器L5，滤波器164的存在于从耦合部分至滤波器164的左端的部分可以被限定为第三滤波器分支S3。然而，在滤波器164位于输入端口130和输出端口150的一侧的情况下，滤波器164强耦合到输入端口130，使得电感器L5与输入端口130之间不存在滤波器分支。因此，滤波器164的电等效元件包括第三滤波器分支S3和电感器L5。

在由波形发生器170提供的探测信号被提供给量子比特读出谐振器144的情况下，探测信号通过输入端口130和电感器L5、L2，而不通过任何滤波器分支。结果，在探测信号从波形发生器170传输到量子比特读出谐振器144的同时，如果光子从量子比特104发射，则光子的传播不会受到滤波器164阻止，因为滤波器164在探查信号的路径中不包括任何滤波器分支。这可能导致量子比特104的能量泄漏。

尽管图1C示出了使用感应耦合技术将滤波器164耦合到量子比特读出谐振器144，但是可以使用任何合适的耦合技术将滤波器164耦合到量子比特读出谐振器144。例如，探测信号可以使用电容耦合技术从滤波器164传输到量子比特读出谐振器144。

量子比特读出谐振器144通过耦合器124耦合到量子比特104。在该实施方式中，耦合器124是包括电容器C2的电容耦合器。在另一些实施方式中，耦合器124可以是包括电感器的电感耦合器。如上所述，在量子比特读出谐振器144耦合到量子比特104的情况下，量子比特读出谐振器144的频率基于量子比特104的状态来确定。因此，通过测量量子比特读出谐振器144的频率，量子比特系统100可以测量量子比特104的状态。为了测量量子比特读出谐振器144的频率，如上所述，将探测信号提供给量子比特读出谐振器144。响应于探测信号，量子比特读出谐振器144产生具有特定频率的输出信号。例如，输出信号可以具有量子比特读出谐振器144的谐振频率。基于输出信号的频率，可以测量量子比特读出谐振器144的频率。

在一些实施方式中，输出信号的频率可以在滤波器162的频率范围内。因此，通过电感器L2、L5传输到滤波器162的输出信号可以通过滤波器162。输出信号通过输出端口150传输到放大器190。放大器190放大输出信号，因为在输出信号从量子比特读出谐振器144传输到放大器190的同时，输出信号会衰减。放大的输出信号被提供给节点N3。

图1D示出了对图1A中的量子比特106的示例读出测量操作。图1D中的量子比特系统100是图1A所示的量子比特系统100。为了方便，在图1D中省略了量子比特102、104，耦合器122、124，量子比特读出谐振器142、144，电感器L1、L2，以及滤波器164。

在该示例中，滤波器166位于输入端口130和输出端口150的一侧，例如右侧。包括读出谐振器146和量子比特106的量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器166的一部分，即耦合部分。在量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器166的耦合部分的情况下，滤波器166的耦合部分可以被限定为电感器L6，滤波器166的存在于从耦合部分至滤波器166的右端的部分可以被限定为第四滤波器分支S4。然而，在滤波器166位于输入端口130和输出端口150的一侧的情况下，滤波器164强耦合到输出端口150，使得电感器L6与输出端口150之间不存在滤波器分支。因此，滤波器166的电等效元件包括第四滤波器分支S4和电感器L6。

为了对量子比特104执行读出测量操作，波形发生器170产生探测信号，并通过输入端口130将探测信号提供给滤波器162。探测信号可以具有在滤波器162的频率范围内的频率。例如，在滤波器162是具有从4GHz至5GHz的频率范围的带通滤波器的情况下，探测信号可以具有在该频率范围内的频率，使得探测信号可以通过滤波器162。一旦探测信号通过滤波器162，探测信号就通过电感器L6、L3传输到量子比特读出谐振器146。尽管图1D示出了使用感应耦合技术将滤波器166耦合到量子比特读出谐振器146，但是可以使用任何合适的耦合技术将滤波器166耦合到量子比特读出谐振器146。例如，探测信号可以使用电容耦合技术从滤波器166传输到量子比特读出谐振器146。

量子比特读出谐振器146通过耦合器126耦合到量子比特106。在该实施方式中，耦合器126是包括电容器C3的电容耦合器。在另一些实施方式中，耦合器126可以是包括电感器的电感耦合器。如上所述，在量子比特读出谐振器146耦合到量子比特106的情况下，量子比特读出谐振器146的频率基于量子比特106的状态来确定。因此，通过测量量子比特读出谐振器146的频率，量子比特系统100可以测量量子比特106的状态。

为了测量量子比特读出谐振器144的频率，如上所述，将探测信号提供给量子比特读出谐振器146。响应于探测信号，量子比特读出谐振器146产生输出信号。如上所述，在电感器L6与输出端口150之间不存在滤波器分支。因此，输出信号通过电感器L3、L5被提供给输出端口150，而不通过任何滤波器分支。结果，在探测信号从量子比特读出谐振器146传输到放大器190的同时，如果从量子比特106发射光子，则光子的传播不会受到滤波器166阻止，因为滤波器166在输出信号的路径中不包括任何滤波器分支。这可以导致量子比特106的能量泄漏。

输出信号从输出端口150被提供给放大器190。放大器190放大输出信号，因为在输出信号从量子比特读出谐振器146传输到放大器190的同时，输出信号会衰减。放大的输出信号被提供给节点N3。

如以上参照图1C和图1D所述，在量子比特系统100包括输入端口130和分离的输出端口150的情况下，如果滤波器不位于输入端口130与输出端口150之间，则量子比特系统100可以具有能量泄漏。

图2A示出了示例量子比特系统200，其包括既用于提供输入驱动音又用于从量子比特读出谐振器接收输出的公共端口230，其中，在一些实施方式中，该公共端口配置可以减少或防止测量光子的泄漏。量子比特系统200对一个或多个量子比特执行读出测量操作。量子比特系统200包括量子比特-读出谐振器对、滤波器、公共端口、波形发生器和放大器。

量子比特系统200包括量子比特-读出谐振器对。量子比特读出谐振器包括量子比特和耦合到量子比特的量子比特读出谐振器。例如，量子比特系统200的量子比特-读出谐振器对包括量子比特202。量子比特202可以用各种量子比特来实现。例如，量子比特202可以是超导量子比特，诸如传输子量子比特、x-mon量子比特或flux-mon量子比特。尽管图2A示出了量子比特系统200包括一个量子比特，但是量子比特的数量不限于特定数量。

量子比特系统200的量子比特-读出谐振器对包括量子比特读出谐振器242。量子比特读出谐振器242通过耦合器222间接地耦合到量子比特202。在一些实施方式中，耦合器222可以是电容耦合器，其具有合适的电容以将量子比特202耦合到量子比特读出谐振器242。可替代地，在另一些实施方式中，耦合器222可以电感耦合器，其具有合适的电感以将量子比特202耦合到量子比特读出谐振器242。在一些实施方式中，耦合器222不是必需的，并且量子比特读出谐振器242直接地且电磁地耦合(例如，电感地或电容地)到量子比特202。

因为量子比特读出谐振器242耦合到量子比特202，所以量子比特读出谐振器242的频率基于量子比特202的状态来确定。在量子比特202的状态从第一状态改变为第二状态的情况下，耦合到量子比特202的量子比特读出谐振器242的频率相应地偏移，使得该频率指示量子比特状态。通过测量量子比特读出谐振器242的频率，量子比特系统200可以对耦合到量子比特读出谐振器242的量子比特202执行读出测量操作。量子比特读出谐振器242可以被配置为例如共面波导谐振器、带状线谐振器、或微带谐振器以及其他类型的谐振器结构。量子比特读出谐振器242可以由诸如铝、铌和/或钛氮化物的超导材料形成。

量子比特系统200包括滤波器262。尽管图2A示出了量子比特系统200包括一个滤波器，但是滤波器的数量不限于特定数量。量子比特系统200可以包括任何合适数量的滤波器。在一些实施方式中，量子比特系统200可以包括与量子比特相同数量的滤波器。在另一些实施方式中，量子比特系统200可以包括比量子比特更多或更少数量的滤波器。滤波器262可以由诸如共面波导谐振器、带状线谐振器或微带谐振器的谐振器结构形成。滤波器结构可以由诸如铝、铌和/或钛氮化物的超导体材料形成。

滤波器262通过电感器L7耦合到量子比特读出谐振器242。在一些实施方式中，电感器L7对应于量子比特读出谐振器242的一部分。尽管图2A示出了使用电感器L7在滤波器262与量子比特读出谐振器242之间进行电感耦合，但是可以在各种实施方式中使用任何合适的耦合技术。例如，滤波器262可以使用电容耦合技术耦合到量子比特读出谐振器242。

在一些实施方式中，滤波器262可以是珀塞尔滤波器。珀塞尔滤波器阻止从量子比特发射的光子以量子比特频率(例如7GHz)传播。因此，当量子比特202以量子比特频率操作时，滤波器262防止量子比特202的能量泄漏。另外，珀塞尔滤波器允许信号(例如微波信号)以谐振器频率(例如4.5GHz)传播。因此，滤波器262允许用于驱动量子比特读出谐振器242的信号(例如探测信号)通过滤波器262。

在一些实施方式中，滤波器262可以是带通滤波器。例如，带通滤波器可以被实现为四分之一波(λ/4)或半波(λ/2)共面波导滤波器。在另一些实施方式中，滤波器262可以是任何合适的滤波器，包括但不限于低通滤波器、高通滤波器或步进阻抗滤波器。

在一些实施方式中，量子比特频率可以在第一频率范围内，谐振器频率可以在第二频率范围内。第一频率范围和第二频率范围不具有公共频率范围。在一些实施方式中，珀塞尔滤波器的阻带和第一频率范围不具有公共频率范围。在一些实施方式中，珀塞尔滤波器的阻带和第二频率范围具有公共频率范围。

量子比特系统200包括用于接收输入信号(例如，量子比特读出谐振器驱动音)和输出信号(例如，来自量子比特读出谐振器的测量光子)的单个端口230。在该实施方式中，输入信号或输出信号通过相同的端口即公共输入/输出端口230传输。该单端口架构为设计芯片布局以实现量子比特系统200提供了更多的自由度，因为相对于包括输入端口和分离的输出端口的量子比特系统，单端口架构减少了用于传输输入信号和输出信号的端口的数量。单个端口230耦合到既可以用作输出节点又可以用作输入节点的节点N4。节点N4耦合到波形发生器270，以从波形发生器270接收探测信号，即输入信号。例如，波形发生器270可以提供用于驱动量子比特读出谐振器的驱动音。另外，节点N4耦合到放大器290以提供来自量子比特读出谐振器242的输出信号。放大器290放大通过节点N4接收到的输出信号并将放大的输出信号提供给节点N5。在该实施方式中，波形发生器270和放大器290接地。

在一些实施方式中，ADC可以耦合到节点N5。在一些实施方式中，一个或多个环行器可以耦合到节点N5以保护放大器290免受反向通过输出端口的噪声影响。在一些实施方式中，一个或多个环行器可以耦合到节点N5以保护量子比特读出谐振器242免受来自放大器290的向后传播的噪声影响。例如，一个或多个环行器可以耦合在量子比特与参数放大器之间或在参数放大器与HEMT放大器之间。

为了更好地理解图2A的具有用于驱动和读取量子比特的单个端口的量子比特系统的操作，现在提供针对量子比特-读出谐振器对相对于滤波器的操作的描述。图2B示出了对于图2A中的量子比特202的示例读出测量操作。图2B中的量子比特系统200是图2A所示的量子比特系统200。在该示例中，滤波器262耦合到公共端口230，并且包括读出谐振器242和量子比特202的量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器262的一部分，即耦合部分。在量子比特-读出谐振器对耦合到滤波器262的耦合部分的情况下，滤波器262的耦合部分可以被限定为电感器L8，滤波器262的存在于耦合部分与公共端口230之间的第五部分可以被限定为第五滤波器分支S5，滤波器262的存在于从耦合部分至滤波器262的左端的第六部分可以被限定为第六滤波器分支S6。因此，滤波器262的电等效元件包括第五滤波器分支S5、电感器L8和第六滤波器分支S6。滤波器分支S5、S6可包括任何合适类型的滤波器，包括但不限于传输线滤波器、集总元件滤波器、或传输线滤波器和集总元件滤波器的组合。在一些实施方式中，耦合部分可以是滤波器262的中部。在滤波器262是半波共面波导滤波器的情况下，滤波器分支S5、S6可以是四分之一波共面波导滤波器。然而，对于各种实施方式，耦合部分可以是滤波器162的任何部分，并且不限于滤波器262的中部。

为了对量子比特202执行读出测量操作，波形发生器270产生探测信号，并通过公共端口230将探测信号提供给滤波器262。探测信号可以具有在第五滤波器分支S5的频率范围内的频率。例如，在第五滤波器分支S5是具有从4GHz至5GHz的频率范围的带通滤波器的情况下，探测信号可以具有在该频率范围内的频率，使得探测信号可以通过第五滤波器分支S5。一旦探测信号通过第五滤波器分支S5，探测信号就通过电感器L8、L7传输到量子比特读出谐振器242。在一些实施方式中，探测信号可以使用电容耦合技术从滤波器262传输到量子比特读出谐振器242。

量子比特读出谐振器242通过耦合器222耦合到量子比特202。在该实施方式中，耦合器222是包括电容器C4的电容耦合器。在另一些实施方式中，耦合器222可以是包括电感器的电感耦合器。可替代地，如在此所述，耦合器222可以是量子比特读出谐振器的部分。如在此所述，在量子比特读出谐振器242耦合到量子比特202的情况下，量子比特读出谐振器242的频率基于量子比特202的状态来确定。因此，通过测量量子比特读出谐振器242的频率，量子比特系统200可以测量量子比特202的状态。为了测量量子比特读出谐振器242的频率，如在此所述，将探测信号提供给量子比特读出谐振器242。响应于探测信号，量子比特读出谐振器242产生具有特定频率的输出信号。例如，输出信号可以具有与量子比特读出谐振器242的谐振频率匹配的频率。基于输出信号的频率，可以测量量子比特读出谐振器242的频率。

在一些实施方式中，输出信号的频率可以在第五滤波器分支S5的频率范围内。因此，通过电感器L7、L8传输到第五滤波器分支S5的输出信号可以通过第五滤波器分支S5。输出信号通过公共端口230传输到放大器290。放大器290放大输出信号，因为在输出信号从量子比特读出谐振器224传输到放大器290的同时，输出信号会衰减。放大的输出信号被提供给节点N3。

在图2B的实施方式中，探测信号的路径是从波形发生器270经过公共端口230、第五滤波器分支S5和电感器L8、L7到达量子比特读出谐振器242。因此，在探测信号从波形发生器270传输到量子比特读出谐振器242的同时，即使从量子比特202发射光子，光子的传播也由第五滤波器分支S5或第六滤波器S6阻止，因为滤波器分支S5、S6阻止从量子比特202发射的光子以量子比特频率传播，但是允许探测信号以谐振器频率传播。这防止量子比特202的能量泄漏，从而提高量子比特系统200的效率。

在一些实施方式中，量子比特系统200可以包括具有多个极的滤波器。多极滤波器设计比单极滤波器设计更好地防止量子比特的能量泄漏，从而提高量子比特系统的能量效率。此外，因为单个滤波器具有多个极，所以可以在量子比特系统中使用更少的滤波器。因此，量子比特系统可以具有紧凑的设计。

图3是针对图1A至图2B中的各种实施方式示出量子比特的品质因数与量子比特的频率之间的示例关系的曲线图。在图3中的曲线图中，x轴代表量子比特的量子比特频率，y轴代表量子比特的品质因数，例如Q值。

在一些实施方式中，第一频率f1代表谐振器频率，例如4.5GHz。从波形发生器(例如，图2A中的波形发生器270)接收到的探测信号可以具有该谐振器频率。第二频率f2代表量子比特频率，例如7GHz。从一个或多个量子比特接收到的测量光子可以具有该量子比特频率。如上所述，珀塞尔滤波器允许信号以谐振器频率传播，但是阻止从量子比特发射的光子以量子比特频率传播。因此，珀塞尔滤波器允许具有第一频率f1的信号的传播，但是阻止从量子比特发射的光子以第二频率f2传播。

线310针对参照图2B描述的量子比特系统示出了量子比特的品质因数与量子比特的频率之间的示例关系。然而，线310在第一频率f1(例如，谐振器频率)处或附近具有峰值。这代表量子比特系统200在第一频率f1(例如，谐振器频率)处具有优良的量子比特品质因数。线310示出了在传输探测信号的同时，量子比特系统200的滤波器有效地阻止光子的传播，从而减少或消除能量泄漏。

线320针对参照图1C和图1D描述的量子比特系统示出了量子比特的品质因数与量子比特的频率之间的示例关系。线320在第一频率f1(例如，谐振器频率)处或附近不具有峰值。这代表量子比特系统100在第一频率f1(例如，谐振器频率)处具有不良的量子比特品质因数。线320示出了在传输探测信号的同时，量子比特系统100的滤波器未有效地阻止光子的传播，从而发生能量泄漏。

图4示出了包括单个输入端口的示例量子比特系统400。量子比特系统400包括多个设备412、414、416。设备412、414、416可以分别包括一个或多个量子比特。例如，设备412、414、416中的每个可以包括如参照图2A和图2B描述的量子比特、量子比特读出谐振器和滤波器。

量子比特系统400对设备412、414、416中的一个或多个量子比特执行读出测量操作。在该实施方式中，可以使用单个输入端口430来执行对多个设备412、414、416的读出测量操作。

为了对设备412、414、416中的一个或多个量子比特执行读出测量操作，波形发生器470产生探测信号。例如，波形发生器470可以提供用于驱动量子比特读出谐振器的驱动音。输入节点N6耦合到波形发生器470，以从波形发生器470接收一个或多个探测信号。该一个或多个探测信号通过输入端口430被提供给开关420。

开关420确定应将探测信号发送到哪个设备。在一些实施方式中，开关420可以将探测信号提供给设备412、414、416之一。在一些实施方式中，开关420可以将探测信号提供给设备412、414、416中的多个设备。

对设备412、414、416中的量子比特的测量操作可以类似于参照图2B描述的对量子比特202的测量操作。一旦执行测量操作并且从设备412、414、416中的至少一个中的量子比特接收到测量光子，开关420就将测量光子提供给耦合到节点N7的输出端口450。耦合到节点N7的任何设备可以接收测量光子。可耦合到节点N7的设备的示例包括但不限于一个或多个隔离器、一个或多个环行器、一个或多个放大器(例如，参数放大器或高电子迁移率晶体管放大器)及其组合。耦合到节点N7的一个或多个设备在室温下通向ADC。在一些实施方式中，输入端口430和输出端口450可以被实现为公共端口。

在该实施方式中，因为可以使用单个输入端口430来执行对多个设备412、414、416的测量操作，所以相对于包括多个输入端口的量子比特系统，量子比特系统400可以使用更少数量的端口。因此，相对于包括多个输入端口的量子比特系统，量子比特系统400可以被实现为具有更小的体积。特别地，量子比特系统400可以在冰箱中操作。因此，通过减小量子比特系统400的体积，可以减少维持量子比特系统400的能量。

在一些实施方式中，输入端口430和输出端口450可以在节点N10处连接。探测信号可以通过节点N10从输入节点430传输到开关420。测量光子可以通过节点N10从设备412、414、416中的至少一个传输到输出端口450。在一些实施方式中，一个或多个环行器可以耦合到节点N10以保护耦合到节点N7的放大器免受通过输出端口450的噪声影响。在一些实施方式中，一个或多个环行器可以耦合到节点N7，以保护设备412、414、416中的一个或多个量子比特读出谐振器免受来自耦合到节点N7的放大器的向后传播的噪声影响。

图5A示出了包括FDM的示例量子比特系统500。量子比特系统500包括多个设备512、514、516。设备512、514、516可以分别包括一个或多个量子比特。例如，设备512、514、516中的每个可以包括如参照图2A和图2B描述的量子比特、量子比特读出谐振器和滤波器。

量子比特系统500对设备512、514、516中的一个或多个量子比特执行读出测量操作。在该实施方式中，可以使用FDM 540对多个设备512、514、516执行读出测量操作。

为了对设备512、514、516中的一个或多个量子比特执行读出测量操作，波形发生器570产生探测信号。例如，波形发生器570可以提供用于驱动量子比特读出谐振器的驱动音。波形发生器570可以产生具有相应频率的多个探测信号。例如，波形发生器570可以产生具有第一频率(例如4GHz)的第一探测信号、具有第二频率(例如5GHz)的第二探测信号和具有第三频率(例如6GHz)的第三探测信号。输入节点N8耦合到波形发生器570，以从波形发生器570接收一个或多个探测信号。该一个或多个探测信号通过输入端口530被提供给FDM540。

基于探测信号的频率，FDM 540将探测信号提供给设备512、514、516之一。例如，在设备512的谐振器频率是第一频率的情况下，FDM 540将具有第一频率的第一探测信号提供给设备512。作为另一示例，在设备514的谐振器频率是第二频率的情况下，FDM 540将具有第二频率的第二探测信号提供给设备514。作为另一示例，在设备516的谐振器频率是第三频率的情况下，FDM 540将具有第三频率的第三探测信号提供给设备516。

对设备512、514、516中的量子比特的测量操作可以类似于参照图2B描述的对量子比特202的测量操作。一旦执行测量操作并且从设备512、514、516中的至少一个中的量子比特接收到测量光子，FDM 540就将测量光子提供给输出端口550。在一些实施方式中，参数放大器可以耦合到FDM 540。参数放大器可以放大测量光子以提高信噪比。输出端口550耦合到节点N9。耦合到节点N9的任何设备可以接收测量光子。可耦合到节点N9的设备的示例包括但不限于一个或多个隔离器、一个或多个环行器、一个或多个放大器(例如，参数放大器或高电子迁移率晶体管放大器)及其组合。耦合到节点N9的一个或多个设备在室温下通向ADC。在一些实施方式中，输入端口530和输出端口550可以被实现为公共端口。

在该实施方式中，因为可以针对具有各种频率的探测信号执行测量操作，所以量子比特系统500可以包括各种类型的量子比特和滤波器。

图5B示出了包括FDM的另一示例量子比特系统501。在该示例中，量子比特系统501可以包括参照图5A描述的设备512、514、516、波形发生器570、输入端口530和输出端口550。量子比特系统501包括FDM 541。FDM包括多个环行器542、544、546。环行器542、544、546中的每个耦合到设备512、514、516中的相应设备。在一些实施方式中，在波形发生器570产生具有相应频率的多个探测信号的情况下，环行器542、544、546中的每个可以基于特定探测信号的相应频率将特定探测信号提供给特定设备。例如，环行器542可以将具有第一频率(例如，设备512的谐振器频率)的探测信号提供给设备512，环行器544可以将具有第二频率(例如，设备514的谐振器频率)的探测信号提供给设备514，环行器546可以将具有第三频率(例如，设备516的谐振器频率)的探测信号提供给设备516。这些多个环行器542、544、546防止从设备512、514、516发射的光子损失，从而提高量子效率和测量保真度。

本说明书中描述的数字和/或量子主题的实施方式以及数字功能操作和量子操作可以在数字电子电路、合适的量子电路或更一般地量子计算系统中实现，在有形地实施的数字和/或量子计算机软件或固件中实现，在包括本说明书中公开的结构及其结构等同物的数据和/或量子计算机硬件中实现，或在它们中的一个或多个的组合中实现。术语“量子计算系统”可以包括但不限于量子计算机、量子信息处理系统、量子密码系统或量子模拟器。

本说明书中描述的数字和/或量子主题的实施方式可以被实现为一个或多个数字和/或量子计算机程序，即，数字和/或量子计算机程序指令的一个或多个模块，所述数字和/或量子计算机程序指令在有形的非暂时性存储介质上编码以由数据处理装置运行或控制数据处理装置的操作。数字和/或量子计算机存储介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、随机或串行存取存储器设备、一个或多个量子比特、或它们中的一个或多个的组合。可替代地或另外地，程序指令可以在能够编码数字和/或量子信息的人工生成的传播信号(例如，机器生成的电信号、光信号或电磁信号)上编码，该人工生成的传播信号被生成以对数字和/或量子信息进行编码用于传输到合适的接收器装置，以由数据处理装置运行。

术语量子信息和量子数据是指由量子系统承载、保持或存储的信息或数据，其中最小的非平凡系统是量子比特，即定义量子信息的单位的系统。要理解的是，术语“量子比特”涵盖在对应的上下文中可以适当地近似为两级系统的所有量子系统。这样的量子系统可以包括例如具有两级或更多级的多级系统。举例来说，这样的系统可以包括原子、电子、光子、离子或超导量子比特。在许多实施方式中，计算基础状态用基态和第一激发态识别，然而，要理解的是，其中用更高级的激发态识别计算状态的其他设置是可能的。

术语“数据处理装置”是指数字和/或量子数据处理硬件，并且涵盖用于处理数字和/或量子数据的各种装置、设备和机器，包括例如可编程数字处理器、可编程量子处理器、数字计算机、量子计算机、或多个数字和量子处理器或计算机、及其组合。该装置还可以是或进一步包括例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)的专用逻辑电路、或者设计为模拟或产生关于特定量子系统的信息的量子模拟器，即量子数据处理装置。特别地，量子模拟器是专用量子计算机，其不具有执行通用量子计算的能力。除了硬件之外，该装置还可以可选地包括为数字和/或量子计算机程序创建运行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、或它们中的一个或多个的组合的代码。

数字计算机程序(也可称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言、或者声明性或过程语言)来编写，并且其可以以任何形式(包括作为独立程序、或者作为模块、组件、子例程或适用于数字计算环境的其他单元)来部署。量子计算机程序(也可称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言、或者声明性或过程语言)来编写并翻译成合适的量子编程语言，或者可以以量子编程语言(例如QCL或Quipper)来编写。

数字和/或量子计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保持其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的一部分文件中，在专用于所讨论的程序的单个文件中，或在多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)中。可以部署数字和/或量子计算机程序以在一台数字计算机或一台量子计算机上运行，或者在位于一个地站或分布在多个地站并通过数字和/或量子数据通信网络互连的多台数字和/或量子计算机上运行。量子数据通信网络被理解为可以使用例如量子比特的量子系统传输量子数据的网络。一般，数字数据通信网络不能传输量子数据，但是量子数据通信网络可以传输量子数据和数字数据两者。

本说明书中描述的过程和逻辑流可以由一台或多台可编程的数字和/或量子计算机执行，所述一台或多台可编程的数字和/或量子计算机与一个或多个数字和/或量子处理器适当地操作、运行一个或多个数字和/或量子计算机程序以通过对输入的数字和量子数据操作并产生输出来执行功能。过程和逻辑流也可以由专用逻辑电路(例如，FPGA或ASIC)或量子模拟器执行，或者由专用逻辑电路或量子模拟器和一台或多台编程的数字和/或量子计算机的组合执行，装置也可以被实现为专用逻辑电路(例如，FPGA或ASIC)或量子模拟器，或者被实现为专用逻辑电路或量子模拟器和一台或多台编程的数字和/或量子计算机的组合。

使一台或多台数字和/或量子计算机的系统被“配置为”执行特定操作或动作意味着该系统已在其上安装了在操作中使系统执行操作或动作的软件、固件、硬件或其组合。使一台或多台数字和/或量子计算机程序被配置为执行特定操作或动作意味着一个或多个程序包括指令，所述指令当由数字和/或量子数据处理装置运行时使该装置执行操作或动作。量子计算机可以从数字计算机接收指令，所述指令当由量子计算装置运行时使该装置执行操作或动作。

适合于运行数字和/或量子计算机程序的数字和/或量子计算机可以基于通用或专用数字和/或量子微处理器或两者、或者任何其他种类的中央数字和/或量子处理单元。一般，中央数字和/或量子处理单元将从只读存储器、随机存取存储器、适合于传输量子数据(例如光子)的量子系统、或其中两者的组合接收指令以及数字和/或量子数据。

数字和/或量子计算机的基本元件是用于执行或运行指令的中央处理单元以及用于存储指令以及数字和/或量子数据的一个或多个存储器设备。中央处理单元和存储器可以由专用逻辑电路或量子模拟器补充、或者并入专用逻辑电路或量子模拟器。一般，数字和/或量子计算机还将包括一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)或适合存储量子信息的量子系统，或者可以在操作上被耦合以从一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)或适合存储量子信息的量子系统接收数字和/或量子数据、或者将数字和/或量子数据传输到一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)或适合存储量子信息的量子系统，或者既可以包括一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)或适合存储量子信息的量子系统又可以在操作上被耦合以从一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)或适合存储量子信息的量子系统接收数字和/或量子数据、或者将数字和/或量子数据传输到一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)或适合存储量子信息的量子系统。然而，数字和/或量子计算机不需要具有这样的设备。

适合存储数字和/或量子计算机程序指令以及数字和/或量子数据的数字和/或量子计算机可读媒介包括所有形式的非易失性数字和/或量子存储器、媒介以及存储器设备，包括例如：半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪速存储器设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；CD-ROM和DVD-ROM磁盘；以及量子系统，例如被俘获的原子或电子。要理解的是，量子存储器是可以以高保真度和高效率长时间存储量子数据的设备，例如光-物质界面，其中光用于传输并且物质用于存储和保存量子数据的诸如叠加或量子相干的量子特征。

对本说明书中描述的各种系统或其部分的控制可以在包括指令的数字和/或量子计算机程序产品中实现，所述指令存储在一个或多个非暂时性机器可读存储媒介上并且可在一个或多个数字和/或量子处理设备上运行。本说明书中描述的系统或其部分可以每个被实现为可包括一个或多个数字和/或量子处理设备以及存储可运行指令的存储器以执行在本说明书中描述的操作的装置、方法或电子系统。

虽然本说明书包含许多特定的实施细节，但是这些不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而应被解释为对特定实施方式可能特有的特征的描述。在本说明书中在分离的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中或以任何合适的子组合分开实施。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此宣称，但是在一些情况下可以从组合中除去所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

类似地，虽然在附图中按特定顺序绘出了操作，但是这不应被理解为要求按示出的特定顺序或按先后顺序执行这样的操作或要求执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情形下，多任务和并行处理可以是有利的。此外，在上述实施方式中的各种系统模块和组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这样的分离，应理解，所描述的程序组件和系统一般可以一起集成在单个软件产品中或打包成多个软件产品。

已经描述了本主题的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。例如，权利要求中记载的动作可以按不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中绘出的过程不一定要求示出的特定顺序或先后顺序来实现期望的结果。在一些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。

Claims (18)

1.一种系统，包括：

量子比特；

量子比特读出谐振器，与量子比特相邻布置以耦合到量子比特；以及

第一滤波器，与量子比特读出谐振器相邻布置以耦合到量子比特读出谐振器，第一滤波器包括：

公共端口，被布置为接收量子比特读出谐振器输入驱动信号和来自量子比特读出谐振器的测量输出信号两者，其中，第一滤波器被配置为阻止从量子比特发射的至少一个测量光子。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

耦合到公共端口的环行器，

其中，环行器被配置为在公共端口上将输入驱动信号与测量输出信号分离。

3.根据权利要求1中的任一项所述的系统，还包括：

耦合到公共端口的定向耦合器，

其中，定向耦合器被配置为在公共端口上将输入驱动信号与测量输出信号分离。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其中，所述第一滤波器包括带通滤波器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述带通滤波器是珀塞尔滤波器。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的系统，其中，所述量子比特读出设备和/或滤波器包括微波谐振器。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述微波谐振器包括共面波导谐振器、带状线谐振器或微带谐振器。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述量子比特读出设备和第一滤波器由超导体形成。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其中，所述量子比特包括超导量子比特或自旋量子比特。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的系统，其中，所述量子比特包括具有在300MHz与300GHz之间的谐振频率的量子比特。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的系统，其中，所述公共端口在一位置处分接滤波器，使得公共端口在滤波器的第一部分与滤波器的第二部分之间形成分支滤波器。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述分支滤波器包括传输线滤波器、集总元件滤波器、或传输线滤波器和集总元件滤波器的组合。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一滤波器是半波共面波导滤波器，以及

其中，所述分支滤波器是四分之一波共面波导滤波器。

14.根据权利要求11-13中的任一项所述的系统，其中，所述分支滤波器的阻带在1GHz与20GHz之间。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括：

多个量子比特设备，其中每个量子比特设备包括：

量子比特，

量子比特读出谐振器，被布置为与量子比特设备的量子比特相邻，以耦合到量子比特设备的量子比特，以及

滤波器，与量子比特设备的量子比特读出谐振器相邻布置，以耦合到量子比特设备的量子比特读出谐振器；

公共输入端口，被配置为接收用于所述多个量子比特设备的多个量子比特读出谐振器输入驱动信号；以及

开关，被配置为将所述多个量子比特读出谐振器输入驱动信号中的至少一个提供给所述多个量子比特设备中的至少一个。

16.根据权利要求1所述的系统，还包括：

多个量子比特设备，其中每个量子比特设备具有相应的谐振器频率，并且包括：

量子比特，

量子比特读出谐振器，布置为与量子比特设备的量子比特相邻，以耦合到量子比特设备的量子比特，以及

滤波器，与量子比特设备的量子比特读出谐振器相邻布置，以耦合到量子比特设备的量子比特读出谐振器；

公共输入端口，被配置为接收用于所述多个量子比特设备的多个量子比特读出谐振器输入驱动信号，其中，所述多个量子比特读出谐振器输入驱动信号中的每个具有相应的频率，

频域复用器，被配置为基于第一量子比特读出谐振器输入驱动信号的频率与量子比特设备的相应谐振器频率匹配，将所述多个量子比特读出谐振器输入驱动信号中的第一量子比特读出谐振器输入驱动信号提供给所述多个量子比特设备中的相应量子比特设备。

17.根据权利要求1-16中的任一项所述的系统，还包括：

放大器，耦合到公共端口并且被配置为放大来自量子比特读出谐振器的测量输出信号。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述放大器包括参数放大器或高电子迁移率晶体管放大器。

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