CN111903057B - 用于将超导传输线耦合到谐振器阵列的系统和方法 - Google Patents

用于将超导传输线耦合到谐振器阵列的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种超导电路可以包括具有至少一个传输线电感的传输线、超导谐振器、以及将该超导谐振器通信地耦合到该传输线的耦合电容。该传输线电感可以具有被选择用于至少部分地补偿该传输线的特性阻抗的变化的值，该变化至少部分地由该耦合电容引起。该耦合电容可以沿该传输线的长度分布。一种超导电路可以包括具有至少一个传输线电容的传输线、超导谐振器、以及将该超导谐振器通信地耦合到该传输线的耦合电感。该传输线电容可以被选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。

Description

用于将超导传输线耦合到谐振器阵列的系统和方法
背景技术
技术领域
本披露内容总体上涉及用于诸如超导量子计算机和超导经典计算机等超导器件的输入和/或输出系统和方法，并且更具体地涉及用于将数据输入到超导量子处理器和/或测量该超导量子处理器中的量子位的状态的系统和方法。
频率复用谐振(FMR)读出
超导微波谐振器已经用于各种领域，包括但不限于量子计算和天文学。例如，在量子计算中，已经使用超导谐振器来检测量子位的状态。在天文学中，已经将超导微波谐振器用在微波动态电感检测器(MKID)中。在这两种情况下，可以将许多谐振器(用作检测器或用在检测器中)耦合到公共传输线，并通过频域复用对其进行集成。频域复用(FDM)是将通信带宽划分为多个非重叠子带的技术，每个子带用于承载单独的信号。
使用FMR技术，可以将具有不同谐振频率的超导谐振器用于读出多个量子位。通过使用频域复用，谐振器可以共享公共微波传输线。
发明内容
频率复用谐振器(FMR)技术可以用于同时读出许多单通量量子，并且其应用于超导量子计算和超导经典计算这两方面。FMR技术还可以应用于例如经由量子通量参变器(QFP)器件将数据输入到超导量子处理器。FMR技术可以例如提供可扩展的输入/输出技术。
本申请中描述的系统和方法涉及FMR技术的各个方面，包括：a)使用强耦合到超导传输线的超导分流耦合谐振器阵列来执行高速读出；以及b)用于至少部分地补偿可能在超导分流耦合谐振器附近发生的传输线阻抗变化的方法。
一种超导电路可以被概述为包括：传输线，该传输线包括至少一个传输线电感；超导谐振器；耦合电容，该耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线。该超导谐振器可以包括：分流电容，该分流电容经由超导路径耦合在该传输线与第一节点之间；谐振器电感，该谐振器电感经由超导路径耦合在该传输线与该第一节点之间，该谐振器电感与该超导谐振器的该分流电容并联；第一DC超导量子干涉器件(SQUID)，该第一DC SQUID经由超导路径耦合在该谐振器电感与该第一节点之间，与该超导谐振器的该分流电容并联，并且与该超导谐振器的该谐振器电感串联；以及第二DC超导量子干涉器件(SQUID)，该第二DCSQUID经由超导路径耦合在该第一DC SQUID与该第一节点之间，与该超导谐振器的该分流电容并联并与该超导谐振器的该谐振器电感串联，并且与该超导谐振器的该第一DC SQUID串联。
该超导电路可以进一步包括第一接口和第二接口，该第一接口能够操作用于将第一通量偏置施加到该第一DC SQUID，该第二接口能够操作用于将第二通量偏置施加到该第二DC SQUID。该分流电容的值可以被选择为比该耦合电容的值大至少一个数量级。该第一节点可以经由超导路径电耦合到地。该至少一个传输线电感的值可以被选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。该至少一个传输线电感可以包括该超导谐振器上游的第一电感；以及该超导谐振器下游的第二电感。该传输线可以包括中心线，该中心线包括该第一电感和该第二电感。该第一电感和该第二电感中的至少一者可以是集总元件电感。该第一电感和该第二电感中的至少一者可以是动态电感。该第一电感和该第二电感中的至少一者的值可以被选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。
该传输线可以包括中心线，该中心线包括该传输线电感。该传输线电感可以是集总元件电感。该传输线电感可以是动态电感。该超导谐振器可以强耦合到该传输线。该传输线可以是同轴传输线。该传输线可以是共面波导。该超导电路可以能够操作用于从量子器件读出数据。该超导电路可以能够操作用于将数据加载到量子器件中。该传输线电感可以接近该超导谐振器。
该超导电路可以进一步包括：移位寄存器级；以及接口，该接口能够操作用于将通量偏置施加到该移位寄存器级。该超导谐振器可以是超导谐振器阵列中的多个超导谐振器之一，该多个超导谐振器中的每一个都耦合到该传输线。该传输线可以是微波传输线，并且该超导谐振器是微波超导谐振器。
一种超导电路的组装方法可以被概括为包括：提供具有一定长度的传输线；提供超导谐振器；经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线；以及将至少一个传输线电感引入到该传输线中，该至少一个传输线电感的值被选择用于至少部分地补偿该传输线的特性阻抗的变化，该变化至少部分地由该耦合电容引起。
提供超导谐振器可以包括提供分流电容，该分流电容经由超导路径耦合在该传输线与第一节点之间；提供谐振器电感，该谐振器电感经由超导路径耦合在该传输线与该第一节点之间，该谐振器电感与该超导谐振器的该分流电容并联；提供第一DC超导量子干涉器件(SQUID)，该第一DC SQUID经由超导路径耦合在该谐振器电感与该第一节点之间，与该超导谐振器的该分流电容并联，并且与该超导谐振器的该谐振器电感串联；以及提供第二DC超导量子干涉器件(SQUID)，该第二DC SQUID经由超导路径耦合在该第一DC SQUID与该第一节点之间，与该超导谐振器的该分流电容并联并与该超导谐振器的该谐振器电感串联，并且与该超导谐振器的该第一DC SQUID串联。提供分流电容可以包括将该分流电容的值选择为比该耦合电容的值大至少一个数量级。提供经由超导路径耦合在该传输线与第一节点之间的分流电容可以包括经由超导路径将该第一节点电耦合到地。
将至少一个传输线电感引入到该传输线中可以包括将该至少一个传输线电感的值选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。引入至少一个传输线电感可以包括：引入该超导谐振器上游的第一电感；以及引入该超导谐振器下游的第二电感。提供具有一定长度的传输线可以包括提供包括中心线的传输线，该中心线包括该第一电感和该第二电感。引入该第一电感和该第二电感中的至少一者可以包括引入集总元件电感。引入该第一电感和该第二电感中的至少一者可以包括引入动态电感。引入该第一电感和该第二电感中的至少一者可以包括将该第一电感和该第二电感中的至少一者的值选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。提供具有一定长度的传输线可以包括提供包括中心线的传输线，该中心线包括该传输线电感。将至少一个传输线电感引入该传输线中可以包括引入集总元件电感。将至少一个传输线电感引入该传输线中可以包括引入动态电感。经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线可以包括经由该耦合电容在该超导谐振器与该传输线之间提供强通信耦合。提供具有一定长度的传输线可以包括提供同轴传输线。提供具有一定长度的传输线可以包括提供共面波导。
该方法可以进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于从该量子器件读出数据。
该方法可以进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于将数据加载到该量子器件中。
引入至少一个传输线电感可以包括引入接近该超导谐振器的至少一个传输线电感。
提供超导谐振器可以进一步包括提供第一接口和第二接口，该第一接口能够操作用于将第一通量偏置施加到该第一DC SQUID，该第二接口能够操作用于将第二通量偏置施加到该第二DC SQUID。
该方法可以进一步包括：提供移位寄存器级；以及提供接口，该接口能够操作用于将通量偏置施加到该移位寄存器级。提供超导谐振器可以包括提供超导谐振器阵列中的多个超导谐振器之一，该多个超导谐振器中的每一个都耦合到该传输线。提供具有一定长度的传输线可以包括提供微波传输线，并且提供超导谐振器包括提供微波超导谐振器。
一种超导电路的组装方法可以被概括为包括：提供具有一定长度的传输线；提供超导谐振器；以及经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线，其中，经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线包括沿该传输线的长度分布该耦合电容。沿该传输线的长度分布该耦合电容可以包括分布该耦合电容以便至少减少该耦合电容每单位长度的度量。沿该传输线的长度分布该耦合电容可以包括分布该耦合电容以便至少减小该传输线的特性阻抗的变化，该变化至少部分地由该耦合电容引起。经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线可以包括经由该耦合电容在该超导谐振器与该传输线之间提供强通信耦合。
提供超导谐振器可以包括提供分流电容，该分流电容经由超导路径耦合在该传输线与第一节点之间；提供谐振器电感，该谐振器电感经由超导路径耦合在该传输线与该第一节点之间，该谐振器电感与该超导谐振器的该分流电容并联；提供第一DC超导量子干涉器件(SQUID)，该第一DC SQUID经由超导路径耦合在该谐振器电感与该第一节点之间，与该超导谐振器的该分流电容并联，并且与该超导谐振器的该谐振器电感串联；以及提供第二DC超导量子干涉器件(SQUID)，该第二DC SQUID经由超导路径耦合在该第一DC SQUID与该第一节点之间，与该超导谐振器的该分流电容并联并与该超导谐振器的该谐振器电感串联，并且与该超导谐振器的该第一DC SQUID串联。提供分流电容可以包括将该分流电容的值选择为比该耦合电容的值大至少一个数量级。提供具有一定长度的传输线可以包括提供同轴传输线。提供具有一定长度的传输线可以包括提供共面波导。
该方法可以进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于从该量子器件读出数据。
该方法可以进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于将数据加载到该量子器件中。
一种超导电路可以被概述为包括：传输线，该传输线包括至少一个传输线电容；超导谐振器；耦合电感，该耦合电感将该超导谐振器以电感方式通信地耦合到该传输线。
该超导谐振器可以包括超导材料环路，该超导材料环路包括：第一谐振器电感，该第一谐振器电感耦合在该传输线与该第一DC超导量子干涉器件(SQUID)之间；第二DC超导量子干涉器件(SQUID)，该第二DC SQUID耦合在该第一DC SQUID与谐振器电容之间；以及第二谐振器电感，该第二谐振器电感耦合在该谐振器电容与该传输线之间。
该超导电路可以进一步包括第一接口和第二接口，该第一接口能够操作用于将第一通量偏置施加到该第一DC SQUID，该第二接口能够操作用于将第二通量偏置施加到该第二DC SQUID。该至少一个传输线电容的值可以被选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。该至少一个传输线电容可以包括：该超导谐振器上游的第一电容；以及该超导谐振器下游的第二电容。该第一电容和该第二电容中的至少一者的值可以被选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。将该超导谐振器以电感方式通信地耦合到该传输线的该耦合电感可以是动态电感。该超导谐振器可以强耦合到该传输线。该传输线可以是同轴传输线。该传输线可以是共面波导。该超导电路可以能够操作用于从量子器件读出数据。该超导电路可以能够操作用于将数据加载到量子器件中。该传输线电容可以接近该超导谐振器。
该超导电路可以进一步包括：移位寄存器级；以及接口，该接口能够操作用于将通量偏置施加到该移位寄存器级。该超导谐振器可以是超导谐振器阵列中的多个超导谐振器之一，该多个超导谐振器中的每一个都耦合到该传输线。该传输线可以是微波传输线，并且该超导谐振器是微波超导谐振器。
附图说明
在附图中，相同的附图标记标识相似的元件或动作。元件在附图中的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，各种元件的形状以及角度不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些元件被任意放大并定位以提高附图的易读性。进一步地，所绘制的元件的特定形状不一定旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，而只是为了便于在附图中识别而选取的。
图1A是展示了包括能够调谐谐振器频率的超导谐振器的超导电路的示例实施例的示意图。
图1B是展示了包括能够调谐谐振器频率的超导谐振器的超导电路的示例实施例的示意图。
图2A是展示了包括具有两个SQUID环路、能够独立地调谐谐振器频率和灵敏度的超导谐振器的超导电路的第一示例实施例的示意图。
图2B是展示了包括具有两个SQUID环路、能够独立地调谐谐振器频率和灵敏度的超导谐振器的超导电路的第二示例实施例的示意图。
图3是展示了用于超导电路的读出系统的示例实施例的示意图。
图4是可以结合如本文描述的FMR技术的示例性混合计算系统的示意图，该混合计算系统包括数字计算机和量子计算机。
图5是展示了超导量子处理器的示例实施例中的超导谐振器的第一布置的示意图。
图6是展示了超导量子处理器的示例实施例中的超导谐振器的第二布置的示意图。
图7A是展示了根据本披露内容的分流耦合谐振器的第一示例超导电路的示意性电路图。
图7B是展示了根据本披露内容的分流耦合谐振器的第二示例超导电路的示意性电路图。
图8A是展示了根据本披露内容的电感耦合谐振器的第一示例超导电路的示意性电路图。
图8B是展示了根据本披露内容的电感耦合谐振器的第二示例超导电路的示意性电路图。
具体实施方式
术语表
量子位：量子位(qubit)(在本申请中也被称为量子位(quantum bit))是量子信息的基本单位，并且是可以利用双态器件以物理方式实现的经典二进制位的量子版本。量子位是双态量子力学系统。量子位还指其中存储有信息的实际物理器件。例如，超导量子位是一种可以包括在超导集成电路中的超导器件。超导量子位可以例如采取基于电荷或基于通量的量子位的形式。
超导器件：超导器件是利用超导材料的性质(例如，在冷却至低于超导材料的临界温度特性时的零电阻和磁通量排出)的电子器件。
微波传输线：微波传输线是包括一个或多个导体的电缆或其他结构，该一个或多个导体能够操作用于承载微波频率的交流电流。
SQUID(超导量子干涉器件)：SQUID是包括超导环路的超导器件，该超导环路包含一个或多个约瑟夫逊结。SQUID可以用作能够测量非常弱的磁场的磁力计。DC SQUID具有两个并联连接的约瑟夫逊结。rf-SQUID具有包含单个约瑟夫逊结的超导环路。
集总元件设计：在集总元件设计中，空间分布的物理系统被描述为离散实体的拓扑，这些实体在某些假设情况下近似于分布式系统的行为。例如，这在电气系统和电子系统中很有用。
移位寄存器：移位寄存器是能够操作用于存储和/或传送数据的时序逻辑电路。
量子通量参变器(QFP)：QFP是包括至少一个超导约瑟夫逊结和一个谐振电路的逻辑电路，在该谐振电路中，可以使一次振荡表示一个二进制数字。尽管QFP的设计利用了量子原理，但是其却是经典计算技术而不是量子计算技术的元件。
混合计算机：混合计算机是包括至少一个数字处理器和至少一个模拟处理器(例如，量子处理器)的系统。
纹波：纹波是信号的至少近似周期性变化。在传输线上，例如，纹波可能是由阻抗失配引起的，该阻抗失配导致产生驻波。
约瑟夫逊结：约瑟夫逊结是包括两个电极以及将这两个电极分隔开的一个薄绝缘势垒层的器件，这两个电极的材料可以在该材料的临界温度特性时超导或在低于该临界温度特性时超导。
弱链接约瑟夫逊结：弱链接约瑟夫逊结是这样一种约瑟夫逊结，其中尺寸为超导相干长度数量级的金属收缩部桥接两个超导电极。弱链接约瑟夫逊结可以表现为电感。
通量数模转换器(DAC)：通量DAC是其中可以建立数字信号的磁通量量子表示、将这些磁通量量子表示转换成模拟超电流并给予另一个器件(例如，可编程器件)的超导器件。
绪论
在以下说明中，包括了一些具体细节以提供对各个披露实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下，或者使用其他方法、部件、材料等来实践实施例。在其他实例下，尚未示出或详细描述与超导电路或超导谐振器相关联的公知结构，以避免不必要地模糊对本方法的实施例的描述。贯穿本说明书和所附权利要求，词语“元件”和“多个元件”用于包含但不限于与超导电路和超导谐振器相关联的所有此类结构、系统和器件。
除非上下文另外要求，否则贯穿本说明书和所附权利要求，单词“包括(comprise)”与“包括(including)”同义并且是包括性或开放式(即，不排除附加的、未列举的元件或动作)。
贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”、“另一个实施例”、“一个示例”、“示例”、“另一个示例”、“一种实施方式”、“另一种实施方式”等的引用意指结合所述实施例、示例或实施方式所描述的特定指示特征、结构或特性包括在至少一个实施例、示例或实施方式中。由此，在贯穿本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“另一个实施例”等不一定全都指同一个实施例、示例或实施方式。此外，在一个或多个实施例、示例、或实施方式中，可以以任何合适的方式来组合特定特征、结构、或特性。
应当注意的是，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，除非内容另外明确指明，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”以及“所述(the)”均包括复数指示物。因此，例如，对包括“超导谐振器”的读出系统的提及包括单个超导谐振器、或两个或更多个超导谐振器。还应当注意的是，除非内容另外明确指明，否则术语“或”通常以包括“和/或”的意义使用。
本文提供的小标题仅仅是为了方便，并不解释实施例的范围或含义。
单SQUID超导谐振器
图1A示出了根据至少第一示例性实施方式的包括超导谐振器102的超导电路100a。超导谐振器102包括电容104和电感106，该电容和该电感分别可以采取或可以不采取分立电容器和分立电感器的形式。
超导谐振器102进一步包括单个SQUID环路108。SQUID环路108是DC SQUID，并且包括彼此并联以形成超导环路的一对约瑟夫逊结108-1和108-2。SQUID环路108能够通过调节SQUID通量偏置来调谐超导谐振器102的谐振频率。
超导谐振器102的谐振频率ω可以通过LC电路的以下关系来确定：
其中，C是电容104的值，并且L是几何电感106与来自SQUID环路108中的约瑟夫逊结108-1和108-2的约瑟夫逊电感的并联总和之和。
电容C和/或电感L的小幅波动可能会导致谐振频率的分数频率扰动如下：
在一个实施方式中，超导谐振器102是分布式谐振器。在其他实施方式中，超导谐振器102是集总元件设计。集总元件设计可以有利地提供大于一个倍频程的带宽，并且可以减小或最小化超导谐振器102的电场范围。由于超导谐振器102的损耗角正切可以取决于暴露于超导谐振器102的电场的有损电介质的体积，因此使用集总元件设计可以是有益的。
在集总元件设计中，可以使用一个或多个电容器来实施电容104。这些电容器可以是叉指电容器和/或平行板电容器。在一个实施方式中，使用平行板电容器来实施电容104。在一个示例中，平行板电容器的电容近似为2pF。
在集总元件设计中，可以使用一个或多个电感器来实施电感106。在一个实施方式中，使用铌螺旋电感器来实施电感106。在一个示例中，螺旋电感器的几何电感近似为1nH。在另一实施方式中，使用包括高动态电感材料(例如，氮化钛(TiN)或硅化钨(WSi))的螺旋电感器来实施电感106。
可以将能量存储在以AC频率驱动的导体中的电荷载流子的动能中，并且所存储的动能可以与导体的动态电感相关联。总电感可以是几何电感与动态电感之和。在普通(非超导)金属中，动态电感可以忽略不计。超导体(诸如TiN或WSi)的动态电感可以对总电感作出显著的贡献。
存储在超导对的惯性中的能量可以促进动态电感。超导谐振器102中的总电感可以是几何电感、动态电感与SQUID环路108的电感之和。
电路100a进一步包括传输线110、耦合电容112和最末移位寄存器级114(在本申请中也被称为最终移位寄存器级)。最末移位寄存器级114包括电感116和118、SQUID环路120、以及接口122。最末移位寄存器级114可以例如采取量子通量参变器(QFP)的形式。最末移位寄存器级114是包括一个级或多个级的移位寄存器的末端。最末移位寄存器级114是可以通信地耦合到超导谐振器102以便读出超导器件的状态的级。在一个实施方式中，超导谐振器102通信地耦合到通量移位寄存器，该通量移位寄存器进而通信地耦合到通量量子位。
量子通量参变器(QFP)是在结构上类似于分流DC SQUID的超导约瑟夫逊结器件。在本申请中，术语“量子通量参变器”可以指超导约瑟夫逊结器件的操作和结构两者。
接口124可以向SQUID环路108提供通量偏置，并且可以例如由通量数模转换器(DAC)(图1中未示出)或由模拟线来控制。使用通量DAC可以减少到超导电路100a的低频模拟控制线的数量。在本申请中，通量DAC是专用的超导器件，并且例如与图3的在读出系统300中的DAC 310a和310b不同。可以在例如美国专利8,786,476“SYSTEMS，METHODS ANDAPPARATUS FOR DIGITAL-TO-ANALOG CONVERSION OF SUPERCONDUCTING MAGNETIC FLUXSIGNALS[用于超导磁通量信号的数模转换的系统、方法和装置]”中找到对通量DAC的更详细描述。
超导谐振器102可以经由耦合电容112耦合到传输线110。在一个实施方式中，电容112包括分立电容器。传输线110可以可选地耦合到一个或多个其他超导谐振器(图1中未示出)。一个或多个其他超导谐振器可以属于超导谐振器阵列。
超导谐振器102在节点126处连接到地。
超导电路100a可以可选地包括接口128，该接口能够操作用于将通量偏置施加到最末移位寄存器级114，并且超导电路100a可以作为超导收发器电路操作。最末移位寄存器级114可以例如包括QFP，并且可以通信地耦合到超导谐振器102，以便读出超导器件(例如，超导量子位)的状态和/或将数据加载到超导器件中。
包括单个SQUID环路108的超导谐振器102无法实现对超导谐振器102的谐振频率和灵敏度进行独立调谐。可能希望有这样一种超导谐振器，在该超导谐振器中，可以独立地调节谐振器的频率和灵敏度以提供合适的操作点。例如，可以使用对谐振频率和灵敏度的独立调节来补偿由在制造超导电路(诸如图1的超导电路100a)期间发生的变化而引起的频移。
图1B示出了根据至少第一示例性实施方式的包括超导谐振器102和可调谐耦合器130的超导电路100b。超导电路100b在至少多方面与超导电路100a相似，并且在图1B中使用与在图1A中使用的相同附图标记来标识相似或甚至相同的结构。下面仅描述一些显著差异。
超导电路100b包括可调谐耦合器130，以在DC SQUID 108与最末移位寄存器级114之间提供电感通信耦合。利用可调谐耦合器130，超导电路100b可以实现对谐振频率和对于QFP通量的灵敏度进行独立调谐，只要考虑了可调谐耦合器对超导谐振器102的可变负载即可。在一个实施方式中，可调谐耦合器130包括两个电感132和134、DC SQUID 136以及接口138和140。
具有两个SQUID环路的超导谐振器
图2A示出了根据至少一个实施方式的包括具有两个SQUID环路、能够独立地调谐谐振器频率和灵敏度的超导谐振器202a的超导电路200a。超导谐振器202a包括两个SQUID环路204a和204b。SQUID环路204a和204b中的每一个都是DC SQUID，并且包括彼此并联以形成超导环路的一对约瑟夫逊结。如在PCT专利申请号WO2016US31885(公布为国际专利申请公开WO2016183213A1)中描述的，SQUID环路204a和204b有利地通过调节SQUID环路204a和204b中的通量偏置来实现对超导谐振器202a的谐振频率和灵敏度进行独立调谐。
利用与图1A的超导电路100a和图1B的超导电路100b中相同的附图标记来标记的超导电路200a的部件与参考图1A和图1B描述的那些部件相似或甚至相同。
接口206a和206b可以分别向SQUID环路204a和204b提供通量偏置。一旦已经找到了合适的操作点(见下文)，由界面206a和206b提供的通量偏置就可以是静态的。这有利地允许超导电路200a使用通量DAC阵列，其仅需要几条导线即可编程。这两个可调谐SQUID环路204a和204b不需要每个超导谐振器202a都有独立的模拟控制线。
超导谐振器202a在节点208处连接到地，例如，连接到传输线110中的地线210。
超导电路200a可以可选地包括接口128，该接口能够操作用于将通量偏置施加到最末移位寄存器级114(在本申请中也被称为最终移位寄存器级)，并且可以作为超导收发器电路操作。最末移位寄存器级114可以例如包括QFP，并且可以通信地耦合到超导谐振器202a，以便读出超导器件(例如，超导量子位)的状态和/或将数据加载到超导器件中。
图2B是展示了包括具有两个SQUID环路204a和204b、能够独立地调谐谐振器频率和灵敏度的超导谐振器的超导电路200b的第二示例实施例的示意图。
超导谐振器202b包括两个SQUID环路204a和204b。SQUID环路204a和204b中的每一个都是DC SQUID，并且包括在超导环路中并联的一对约瑟夫逊结。图2B的SQUID环路204b进一步包括电感212a、212b、212c和212d(统称为212)。
如在PCT专利申请号WO2016US31885(公布为国际专利申请公开WO2016183213A1)中描述的，SQUID环路204a和204b通过调节SQUID环路204a和204b中的通量偏置来实现对超导谐振器202b的谐振频率和灵敏度进行独立调谐。
SQUID环路204b以电流方式耦合到包括DC SQUID 216和电感218的最末移位寄存器级214(在本申请中也被称为最终移位寄存器)。接口220和222可以分别向DC SQUID 216和224提供通量偏置。
接口206a和206b可以分别向SQUID环路204a和204b提供通量偏置。超导谐振器202b在节点208处直接地或经由可选的耦合电容器226连接到地，例如，连接到传输线110的地线210。
超导电路200b可以可选地包括接口128，该接口能够操作用于将通量偏置施加到最末移位寄存器级214，并且可以作为超导收发器电路操作。最末移位寄存器级214可以例如包括QFP，并且可以通信地耦合到超导谐振器202b，以便读出超导器件(例如，超导量子位)的状态和/或将数据加载到超导器件中。
利用与图1A的超导电路100a和图1B的超导电路100b中相同的附图标记来标记的超导电路200b的部件与参考图1A和图1B描述的那些部件相似或甚至相同。利用与图2A的超导电路200a中相同的附图标记来标记的超导电路200b的部件与参考图2A描述的那些部件件相似或甚至相同。
示例读出系统
图3示出了根据至少一个示例性实施方式的用于超导电路302的读出系统300。在所展示的实施方式中，超导电路302包括一个或多个超导谐振器(图3中未示出)，诸如图2A的超导谐振器202a。在所展示的实施方式中，超导电路302包括超导量子处理器。在其他实施方式中，超导电路302包括超导经典处理器。在其他实施方式中，超导电路302包括超导器件。
读出系统300包括数字板304和微波板306。数字板304包括现场可编程门阵列(FPGA)308、两个数模转换器(DAC)310a和310b、以及两个模数转换器(ADC)312a和312b。在其他实施例中，数字板304包括两个FPGA，一个向DAC 310a和310b提供输出，而另一个向ADC312a和312b提供输出。在一个实施方式中，DAC 310a和310b中的每一个可以包括以高达约5.6Gsps(每秒千兆样本)操作的双通道14位DAC。ADC 312a和312b可以使用多通道器件来实施，例如，使用能够以高达约2.5Gsps在双通道模式下操作的四通道10位ADC。
读出系统300有利地实现对频率复用读出(FMR)频谱的两个边带进行独立寻址。复数接收信号由下式给出：
x(n)＝I(n)+jQ(n) (3)
其中，I(n)是ADC 312a的输出，并且Q(n)是ADC 312b的输出。
FMR频谱计算如下：
对于k∈0，1，2，3...N-1。正弦函数的自变量中的第二项取决于τ，并且可以用于补偿由于混频器的模拟特性而产生的两个混频器通道之间的相位失衡。
数字板304进一步包括两条环回线314a和314b、以及同步连接/时钟连接316。环回线314a将DAC 310a的输出连接到ADC 312a的输入。环回线314b将DAC 310b的输出连接到ADC 312b的输入。
微波子系统或微波板306进一步包括环回线316。环回线316将输入和输出连接到低温子系统(图3中未示出)，该低温子系统用于将超导电路302冷却至低至几mK的温度。
数字板304上的环回线314a和314b以及微波板306上的环回线316是可选的，并且在需要旁路读出系统300的其他元件时使用。
读出系统300进一步包括两个重构滤波器318a和318b、以及两个抗混叠滤波器320a和320b。重构滤波器318a和318b是低通模拟滤波器，这些滤波器可以用于从数字输入产生带限模拟信号。抗混叠滤波器320a和320b是低通模拟滤波器，这些滤波器可以用于对接收信号进行频带限制，以便在感兴趣的频带上满足或近似满足采样定理。
微波板306包括提供参考微波信号的压控振荡器(VCO)/锁相环(PLL)322、混频器324和326、以及可编程衰减器328。微波板306进一步包括放大器330、332、334和336。放大器330、332、334和336可以用于对从超导电路302接收的信号进行电平控制。微波板306进一步包括微波开关338，该微波开关由来自数字板304上的FPGA 308的信号控制。在一个实施方式中，混频器324和326是复合混频器。
所展示的读出系统300进一步包括放大器340、衰减器342和344、循环器346和348、以及DC块350和352。DC块350和352用作到超导电路302的输入线和输出线中的每一条线上的隔热区。
在一个实施方式中，放大器340和衰减器342可以在4K下操作。衰减器344可以在0.6K下操作。循环器346和348以及DC块350和352可以在8mK下操作。
在一个示例实施方式中，使用60个谐振器和2.5GHz的带宽，可以在25ns的移位寄存器级(SRS)操作时间内实现近似600Mbps的数据速率。
PCT专利申请号WO2016US31885(公布为国际专利申请公开WO2016183213A1)中描述了图3的读出系统300的操作方法。
用于超导量子位的频率复用读出(FMR)技术
图4示出了根据至少一个示例性实施方式的包括数字计算机402和量子计算机404的混合计算系统400，该混合计算系统可以结合如上所述的FMR技术。
数字计算机402包括CPU 406、用户接口元件408、410、412和414、磁盘416、控制器418、总线420和存储器422。存储器422包括BIOS 424、操作系统426、服务器模块428、计算模块430、量子处理器模块432、读出模块434、以及可以用于操作混合计算系统400的其他模块。
量子计算机404包括量子处理器436、读出控制系统438、量子位控制系统440和耦合器控制系统442。量子计算机404可以结合包括超导谐振器(诸如图2A的超导谐振器202a)的FMR技术。计算系统400可以包括读出系统，诸如图3的读出系统300。
图5示出了超导量子处理器500的示例实施方式中的超导谐振器的第一布置。处理器500包括64个单位单元(图5中未示出)，其中四组超导谐振器502a至502d(统称为超导谐振器502)、504a至504d(统称为超导谐振器504)、506a至506d(统称为超导谐振器506)、以及508a至508d(统称为超导谐振器508)分别耦合到外部移位寄存器510a至510d(统称为外部移位寄存器510)。每个单位单元包括N个量子位。在一个实施例中，N＝8。处理器500包括八个竖直定向的内部移位寄存器512和八个水平定向的内部移位寄存器514。
所有四组超导谐振器502、504、506和508都耦合到传输线，例如图2A的线110(图5中未示出)。在一个实施方式中，所有四组超导谐振器502、504、506和508都耦合到单个公共传输线。
图5中的每个箭头都指示在正常操作中数据流过内部移位寄存器512和外部移位寄存器510的相应移位寄存器的方向。
图6示出了超导量子处理器600的示例实施方式中的超导谐振器的第二布置。处理器600包括64个量子位(图6中未示出)，具有四组超导谐振器602a至602h(统称为超导谐振器602)、604a至604h(统称为超导谐振器604)、606a至606h(统称为超导谐振器606)、以及608a至608h(统称为超导谐振器608)。处理器600包括八个竖直定向的内部移位寄存器610和八个水平定向的内部移位寄存器612。
两组超导谐振器602和608耦合到第一传输线，诸如图2A的线110(图6中未示出)。另外两组超导谐振器604和606(在图6中以阴影示出)耦合到第二传输线(同样在图6中未示出)。
在图6所展示的布置中，不需要外部移位寄存器(诸如图5的外部移位寄存器510)。一侧八个谐振器，每个内部移位寄存器(水平的或竖直的)一个谐振器，水平定向的内部移位寄存器和竖直定向的内部移位寄存器的交叉级提供了足够的容错性能。
本技术可以使用频率复用谐振器将数据加载到量子处理器芯片上的移位寄存器中。上文描述的频率复用谐振器读出(参考图1、图2A、图2B、图3、图4、图5和图6)可以反向运行，以允许将数据传递到处理器。在一些实施方式中，如果存在信号，则可以使用第一级QFP对谐振器中的微波信号进行整流。
本技术可以用于将数据输入到处理器并且从处理器读出量子位状态。相同的线可以用于输入和读出两者(参见例如PCT专利申请号WO2016US31885，公布为国际专利申请公开WO2016183213A1)。
在一些实施方式中，上文描述的可以用于将数据输入超导器件的频率复用谐振器输入系统与同样在本披露内容中描述的频率复用谐振器读出系统(参考图1、图2A、图2B、图3、图4、图5和图6)组合使用。在其他实施方式中，上文描述的频率复用谐振器输入系统与其他读出系统或电路组合使用。例如，在其他实施方式之一中，频率复用谐振器输入系统与美国专利8,854,074“SYSTEMS AND METHODS FOR SUPERCONDUCTING FLUX QUBIT READOUT[用于超导通量量子位读出的系统和方法]”中描述的超导通量量子位读出系统组合使用。
图3中展示了(上文参考读出系统描述的)频率复用谐振器输入/输出系统的示例实施例。图3中的返回路径包括DC块350、循环器348和346、放大器340、336、334、332、330、衰减器328、混频器326、滤波器320a和320b、以及ADC 312a和312b。如果图3的系统将仅用于将数据输入超导器件(而不读出)，则可以省略返回路径。
强耦合谐振器阵列的超导传输线设计
频率复用谐振读出(FMRR)系统可以使用强耦合到超导传输线的超导分流耦合谐振器阵列来执行高速读出。FMRR系统可以执行量子计算机(例如，量子退火器)的读出。
在一些实施方式中，强耦合到超导传输线的超导分流耦合谐振器阵列中的一个或多个谐振器包括一个或多个电容器。在一些实施方式中，可以通过使用较大的耦合电容来增大超导分流耦合谐振器与超导传输线之间的耦合强度。谐振器之一中的电容器接近超导传输线可能会导致传输线阻抗的局部扰动，例如，在谐振器附近。在一些实施方式中，更大的电容可能引起传输线阻抗的更大局部扰动。
在一些实施方式中，超导传输线可以耦合到相对较小的超导谐振器阵列，每个超导谐振器通过具有相对较大的值的相应耦合电容耦合到传输线。总并联电容可能引起与传输线的特性阻抗(例如，50Ω的阻抗)的偏差。50Ω的阻抗是传输线的典型特性阻抗，并且是商用微波部件的典型规格。
在其他实施方式中，超导传输线可以耦合到相对较大的超导谐振器阵列，每个超导谐振器通过具有相对较小的值的相应耦合电容耦合到传输线。类似地，总并联电容可能引起与传输线的特性阻抗(例如，50Ω的阻抗)的偏差。
传输线的特性阻抗的偏差可以取决于组合的并联电容。例如，传输线的特性阻抗的偏差可以取决于多于一个谐振器的组合负载。谐振器可以是相邻谐振器。传输线的特性阻抗的偏差可以取决于其他因子。
在谐振器阵列的长度上与设计阻抗的偏差可能引起一个或多个纹波，并且可能改变谐振器与超导传输线之间的耦合强度。在一些实例中，耦合强度可能会从设计值或期望值发生改变。
传输线阻抗Z0可以表达如下：
其中，L0是传输线电感，C0是传输线电容，并且C′是由于超导分流耦合谐振器阵列的存在而产生的杂散电容。
由于杂散电容C′的存在而导致的传输线阻抗的变化反过来可能会影响一个或多个谐振器与传输线的耦合强度。耦合强度可以例如通过外部品质因子Q外部来表征，该外部品质因子被定义为使得Q外部的更低值对应于谐振器与传输线之间的更强耦合。阻抗变化对谐振器与传输线之间的耦合强度的影响可以取决于耦合的类型。
对于分流耦合谐振器的示例，外部品质因子可以至少近似地表达如下：
其中，LR是谐振器的电感，ω0是谐振器的谐振频率，并且CC是谐振器与传输线之间的耦合电容器的电容。
因为Q外部与Z0成反比，所以由谐振器接近传输线而产生的杂散电容C′可能引起Q外部的值的增大，从而使得与没有这种影响的情况相比谐振器的耦合更弱。
较弱的耦合可能会导致较弱的谐振。在分流耦合谐振器模型的一个示例场景中，当Q外部的值翻倍时，谐振的深度减少4dB以上。
用于减轻阻抗变化对耦合强度的影响的一种方法是以单独选择的功率驱动每个谐振器以补偿其与传输线的修改后的耦合。这种方法的缺点可能是，可能需要通过扫过各功率电平并寻找谐振器非线性的开始来对每个谐振器与传输线的耦合进行原位校准。原位校准可能较耗时，并且系统可能需要包括动态范围更广的发生器。
Q外部的值可以沿传输线的长度而变化，并且可以取决于许多因子，包括耦合到传输线的超导谐振器的数量、耦合电容的值以及超导谐振器之间的间距。
用于减轻阻抗变化对耦合强度的影响的另一种方法是沿传输线散布附加耦合电容，以便最小化或至少减小每单位长度的附加耦合电容。一个示例实施方式是使用在几百微米的距离上以电容方式耦合到传输线的λ/4分布式元件谐振器。
在一种场景下，可以使用用于电容器电介质的高品质硅衬底来实施分布式元件耦合。在电路元件被诸如二氧化硅等电介质覆盖的多层制造堆叠的情况下，分布式元件耦合可能是有损的。
分布式读出谐振器设计可以具有比集总元件设计更大的占用面积。例如，分布式元件设计可以具有近似于400×600μm2的占用面积，而集总元件设计可以具有近似于100×100μm2的占用面积。对更小占用面积的期望可以驱动强耦合到多层堆叠中的传输的分流耦合谐振器的集总元件实施方式。
如上所述，对于更强耦合的谐振器而言，传输线与谐振器之间的相互作用可能更为重要。虽然较弱的耦合允许将更多的谐振器封装到给定的带宽中，并且较弱的耦合可能对于较慢的读出时间而言是足够的，但是在读出速度很重要的商业应用(诸如商业量子计算应用)中可能会有利地采用更强的耦合。
也可以通过包括附加的谐振器来实现更高的读出速度。N个弱耦合谐振器的数据速率(每个弱耦合谐振器的线宽为W)可以至少类似于线宽为N×W的强耦合谐振器的数据速率。N个弱耦合谐振器可以有利地在空间上将扰动分布到传输线。
可以至少部分地基于拓扑考虑和/或为了至少尝试匹配时钟域来有利地选择耦合强度。例如，可能有利的是，使每个移位寄存器以令谐振器的数量等于行数和列数之和的两倍的检测器为结尾。图5展示了示例拓扑。
谐振器与传输的耦合至少部分地取决于谐振器的线宽。线宽可以通过将可用带宽除以线宽和附加因子来确定，该附加因子被选择用于在频域中的谐振之间提供足够的空间。在一个示例实施方式中，可用带宽为2.5GHz。在一个示例实施方式中，附加因子是4。
移位寄存器可以以由驱动电子设备设定的速度进行操作。检测器与由驱动电子设备设定的速度相匹配或超过该速度可能是有利的。例如，如果检测器比移位寄存器快，则可能无法高效利用可用带宽。在一个示例实施方式中，移位寄存器每100ns递送数据，并且耦合谐振以提供20ns的响应时间。将它们强耦合两次可以将完整占空时间从120ns减少至110ns。完整占空时间的减少只是很小的改进，仍需要两倍的FMRR带宽。至少由于这个原因，使检测器与移位寄存器的速度相匹配可能是有利的。
如上所述，谐振器接近超导传输线可能会在传输中测量时引起不期望的纹波水平，并且谐振器的耦合强度随着谐振器沿传输线的位置可能会发生不期望的变化。该影响可能包括对频率复用谐振读出系统中可用谐振器的数量的限制，随之而来的是读出速度的降低和冗余的减少。分布式元件方法通常依赖于单个金属层制造堆叠并且使用较大的占用面积。
本申请中描述的系统和方法支持更小且更灵活的占用面积以及多层制造堆叠。在一种方法中，将至少一个电感引入传输线的中心线中。电感可以修改传输线的特性阻抗。在一个实施方式中，阻抗被选择用于至少部分地补偿传输线的阻抗变化，例如，用于至少部分地补偿由耦合到传输线的微波超导谐振器中的电容的接近而引起的传输线的阻抗的局部变化。
在一个实施方式中，将集总元件电感器引入传输线的中心线中，每个谐振器的每一侧至少一个集总元件电感器。将至少一个集总元件电感器引入谐振器上游的传输线的中心线中，并将至少一个集总元件电感器引入谐振器下游的传输线的中心线中。每个集总元件电感器可以被选择用于补偿由相应的耦合谐振器引起的阻抗的局部变化。
在一些实施方式中，可以有益的是，将一对电感器引入传输线的中心线中，谐振器的每一侧一个电感器，并且使得传输线在从谐振器的上游和下游看时似乎具有50Ω的阻抗。
将一个或多个电感添加到传输线中的配置可以取决于谐振器沿传输线的位置以及超导谐振器阵列中的谐振器的间距。一个或多个电感的值可以被选择用于补偿对传输线的特性阻抗的局部扰动。电感的布置可以是对称或不对称的。电感的配置可以因超导谐振阵列中的超导谐振器的不同而不同。
可以期望的是，选择和布置补偿电感以将传输线的特性阻抗维持在近似于50Ω。用于超导谐振器的补偿电感对传输线的特性阻抗的影响可以随着超导谐振器沿传输线长度的位置(例如，超导谐振器是靠近传输线的一端还是靠近传输线的中间)而变化。例如，一对电感的对称配置可以在传输线的中间提供优选的补偿水平，而电感的非对称配置可以在传输线的一端附近提供优选的补偿水平。
可以使用任何合适的方法来估计超导谐振器阵列的补偿电感的优选值和优选布置。在一些应用中，一阶分析可能足以满足实践目的。
可以通过任何合适的方法(包括但不限于如下所述的方法)来估计补偿电感的值。例如，可以使用迭代方法来估计超导谐振器阵列的补偿电感的值。在一个实施方式中，迭代方法可以至少部分地考虑补偿电感之间的相互依赖性。例如，迭代方法可以包括迭代地调节补偿电感集合中的一个补偿电感的值，使得对于该补偿电感集合中的其他补偿电感而言传输线似乎具有50Ω的阻抗。
可以使用以下关系来估计补偿电感L补偿的值：
L补偿＝Z0 2C有效 (7)
其中，Z0是传输线的特性阻抗，并且C有效是分流耦合谐振器的有效电容。
如上所述，耦合电容器将超导谐振器耦合到传输线的影响可能是传输线阻抗的局部扰动。在一些实施方式中，将一个或多个补偿电感引入与超导谐振器接近的传输线中。在其他实施方式中，以其他合适的配置(例如，更远离超导谐振器)引入一个或多个补偿电感。
图7A是展示了根据本披露内容的分流耦合谐振器的第一示例超导电路700a的示意性电路图。超导电路700a包括超导谐振器202a(包括图7A中的虚线框所包围的元件)。超导谐振器202a包括两个SQUID环路204a和204b，这两个环路能够独立地调谐超导谐振器202a的频率和灵敏度。SQUID环路204a和204b中的每一个都是包括彼此并联以形成超导环路的一对约瑟夫逊结(由图7A中的叉表示)的DC SQUID。SQUID环路204a和204b有利地通过调节SQUID环路204a和204b中的通量偏置来实现对超导谐振器202a的谐振频率和灵敏度进行独立调谐。
分别利用与图1A的超导电路100a和图1B的超导电路100b和/或图2A的超导电路200a中相同的附图标记来标记的超导电路700a的部件与分别参考图1A、图1B和图2A描述的那些部件相似或甚至相同。
超导谐振器202a包括电容104和电感106。接口206a和206b可以分别向SQUID环路204a和204b提供通量偏置。超导谐振器202a在节点208处连接到地，例如，连接到传输线110中的地线210。
超导电路700a可以可选地包括接口128，该接口能够操作用于将通量偏置施加到最末移位寄存器级114(在本申请中也被称为最终移位寄存器级114)。接口128可以作为超导收发器电路操作。最末移位寄存器级114(包括图7A中的虚线框所包围的元件)可以例如包括QFP。最末移位寄存器级114可以通信地耦合到超导谐振器202a，以便读出超导器件的状态和/或将数据加载到超导器件中。
超导电路700a包括电感702a和702b。电感702a可以包括集总元件磁电感、分布式磁电感、集总元件动态电感和/或分布式动态电感。电感702b可包括集总元件磁电感、分布式磁电感、集总元件动态电感和/或分布式动态电感。
在一个实施方式中，电感702a和702b中的每一个都包括相应的集总元件电感。在另一实施方式中，电感702a和702b中的至少一个包括分布式元件电感。在又另一实施方式中，电感702a和702b中的至少一个包括动态电感。
电感702a在传输线相对于超导谐振器202a的一侧，而电感702b在传输线相对于超导谐振器202a的另一侧。在一个实施方式中，就信号流的方向而言，电感702a在超导谐振器202a的上游，而电感702b在超导谐振器202a的下游。
图7B是展示了根据本披露内容的分流耦合谐振器的第二示例超导电路700b的示意性电路图。
超导电路700b包括超导谐振器202b(包括图7B中的虚线框所包围的元件)，该超导谐振器包括两个SQUID环路204a和204b。SQUID环路204a和204b中的每一个都是包括并联以形成超导环路的一对约瑟夫逊结(由叉表示)的DC SQUID。图7B的SQUID环路204b进一步包括电感212a、212b、212c和212d。SQUID环路204a和204b可以实现对超导谐振器202b的谐振频率和灵敏度进行独立调谐。调谐可以包括调节SQUID环路204a和204b中的通量偏置。
SQUID环路204b以电流方式耦合到包括DC SQUID 216和电感218的最末移位寄存器级214。接口220和222可以分别向DC SQUID 216和224提供通量偏置。
接口206a和206b可以分别向SQUID环路204a和204b提供通量偏置。超导谐振器202b在节点208处直接地或经由可选的耦合电容器226连接到地，例如，连接到传输线110的地线210。
超导电路700b可以可选地包括接口128，该接口能够操作用于将通量偏置施加到最末移位寄存器级214。接口128可以作为超导收发器电路操作。最末移位寄存器级214可以例如包括QFP，并且可以通信地耦合到超导谐振器202b，以便读出超导器件的状态和/或将数据加载到超导器件中。
利用与图1A的超导电路100a和图1B的超导电路100b中相同的附图标记来标记的超导电路700b的部件与参考图1A和图1B描述的那些部件相似或甚至相同。利用与图2A的超导电路200a中相同的附图标记来标记的超导电路700b的部件与参考图2A描述的那些部件件相似或甚至相同。
超导电路700b包括电感702a和702b。在一个实施方式中，电感702a和702b是集总元件电感。在另一实施方式中，电感702a和702b中的至少一个包括分布式元件电感。在又另一实施方式中，电感702a和702b中的至少一个包括动态电感。
电路700a和700b各自包括耦合电容112(在本申请中也被称为耦合电容CC)和分流电容104(在本申请中也被称为分流电容CS)。可以至少使用以下表达式来估计图7A的分流耦合谐振器的有效电容C有效：
当耦合电容CC远小于分流电容CS(CC＜＜CS)时，有效电容C有效可以近似等于耦合电容CC(C有效≈CC)。
在电路700a和/或700b的另一实施方式中，可以将动态电感引入传输线的中心线中。动态电感可以由动态电感器提供。每个动态电感器都可以与传输线的中心引脚成一直线放置，靠近相应的谐振器。这种定位方式的优点在于，补偿对传输线的几何形状影响很小或没有影响。动态电感可以由导线的长度提供，并且该长度可以至少通过以下关系式来估计：
其中，w是传输线的中心引脚的宽度，L补偿是被选择用于至少大致地补偿谐振器电容的电感，并且Ls是用于制造动态电感器的材料的每平方电感。
可以估计或可以凭经验确定具有给定厚度的动态电感器的长度和用于提供合适的补偿电感的材料。在第一示例实施方式中，使用氮化钛(TiN)来制造动态电感器，其中，动态电感器的厚度为50nm，每平方电感Ls为15pH，补偿电感L补偿为40pH，并且长度l为1.3μm。在第二示例实施方式中，使用氮化钛(TiN)来制造动态电感器，其中，动态电感器的厚度为50nm，每平方电感Ls为15pH，补偿电感L补偿为120pH，并且长度l为4.0μm。
在第三示例实施方式中，使用氮化铌(NbN)来制造动态电感器，其中，动态电感器的厚度为35nm，每平方电感Ls为7pH，补偿电感L补偿为40pH，并且长度l为2.9μm。在第四示例实施方式中，使用氮化铌(NbN)来制造动态电感器，动态电感器的厚度为50nm，每平方电感Ls为7pH，补偿电感L补偿为120pH，并且长度l为8.6μm。
在诸如以上第一示例实施方式、第二示例实施方式和第三示例实施方式等示例实施方式中，动态电感器的线宽为0.5μm。
在一个实施方式中，超导传输线是同轴传输线。在另一实施方式中，超导传输线是共面波导。集总元件磁电感和/或动态电感可以放置在根据本披露内容的超导谐振器阵列中的一个或多个谐振器附近，以补偿同轴传输线和/或共面传输线的阻抗的局部变化。
在一些实施方式中，可以优选的是(例如，为了易于制造)，使用集总元件电感器(在本申请中也被称为集总元件磁电感)来补偿共面波导传输线，并且使用动态电感器(在本申请中也被称为集总元件动态电感)来补偿同轴传输线。
在一个实施方式中，超导谐振器中的电容(例如，图7A的谐振器202a中的电容104)具有高品质因子(Q)。在一个实施方式中，超导谐振器中的电容是具有高介电常数的薄电介质的超导平行板电容器。对于给定的电容值，具有薄电介质的平行板设计可以减小电介质的体积。减小有损电介质的体积可以引起使超导谐振器(诸如图7A的超导谐振器202a)饱和所需的功率的减小。其还可以提供减小的电容器占用面积，这在芯片空间非常宝贵的情况下是一个优点。
在一个实施方式中，将超导平行板薄层电容器集成在具有沉积的电介质的异质多层平面化制造堆叠中。在PCT专利申请号WO2016US31885(公布为国际专利申请公开WO2016183213A1)“FREQUENCY MULTIPLEXED RESONATOR INPUT AND/OR OUTPUT FOR ASUPERCONDUCTING DEVICE[用于超导器件的频率复用谐振器输入和/或输出]”中描述了一种制造适用于超导谐振器的薄层电容器的方法。
在耦合到超导传输线的超导谐振器阵列的一个实施方式中，超导谐振器可以以电感方式耦合到超导传输线。图8A是展示了根据本披露内容的电感耦合谐振器的第一示例超导电路800a的示意性电路图。
超导电路800a包括超导谐振器202a(包括图8A中的虚线框所包围的元件)，该超导谐振器包括两个SQUID环路204a和204b。SQUID环路204a和204b中的每一个都是包括并联以形成超导环路的一对约瑟夫逊结(由图8A中的叉表示)的DC SQUID。SQUID环路204a和204b有利地通过调节SQUID环路204a和204b中的通量偏置来实现对超导谐振器202a的谐振频率和灵敏度进行独立调谐。
SQUID环路204b以电感方式耦合到最末移位寄存器级114。接口206a和206b可以分别向SQUID环路204a和204b提供通量偏置。
超导电路800a可以可选地包括接口128，该接口能够操作用于将通量偏置施加到最末移位寄存器级114，并且可以作为超导收发器电路操作。最末移位寄存器级114可以例如包括QFP，并且可以通信地耦合到超导谐振器202a，以便读出超导器件的状态和/或将数据加载到超导器件中。
利用与图1A的超导电路100a和图1B的超导电路100b中相同的附图标记来标记的超导电路800a的部件与参考图1描述的那些部件相似或甚至相同。利用与图2A的超导电路200a中相同的附图标记来标记的超导电路800a的部件与参考图2A描述的那些部件件相似或甚至相同。
超导谐振器202a包括电感802。在一个实施方式中，电感802的值与电感106的值大致相同。
超导电路800a包括电感804a和804b，以便将超导谐振器202a以电感方式耦合到超导传输线110。超导电路800a包括电容器806a和806b。电容器806a和806b可以补偿超导传输线110的阻抗的局部变化。在一些实施方式中，阻抗的局部变化是与50Ω的偏差。在图8A中所展示的实施方式中，补偿电容806a和806b至少大致对称地布置在电感耦合的接近电感耦合的两侧。在其他实施方式中，可以在合适的布置中使用一个或多个补偿电容。布置的变化可以包括电容的数量、及其相对于彼此和超导谐振器的放置和间距。
图8B是展示了根据本披露内容的电感耦合谐振器的第二示例超导电路800b的示意性电路图。
分别利用与图8A的超导电路800a、图1A的超导电路100a和图1B的超导电路100b、以及图2A的超导电路200a中相同的附图标记来标记的超导电路800b的部件与分别参考图8A、图1A、图1B和图2A描述的那些部件相似或甚至相同。
图8B的超导谐振器202a经由电感810以电感方式耦合到超导传输线110。超导谐振器202a可以以电流方式耦合到电感。在一个实施方式中，电感810是动态电感。
电容器806a和806b可以被选择并被布置用于补偿对超导传输线110的特性阻抗的局部扰动。在一些实施方式中，电容器806a和806b被选择并被布置用于将超导传输线110的特性阻抗维持在50Ω。
图1的超导电路100、图2A的超导电路200a、图2B的超导电路200b、图7A的超导电路700a、700a、图7B的超导电路700b、图8A的超导电路800a和图8B的超导电路800b中的每个超导电路的操作分别至少部分地基于使用包括在其相应的超导谐振器202a和202b中的通量可调谐电感。在一些实施方式中，可以使用DC-SQUID来实现通量可调谐电感，该DC-SQUID包括利用隧道势垒工艺制造的两个约瑟夫逊结。在图1A的超导电路100a、图1B的超导电路100b、图2A的超导电路200a、图2B的超导电路200b、图7A的超导电路700a、700a、图7B的超导电路700b、图8A的超导电路800a和图8B的超导电路800b中的每个超导电路中都分别展示了使用DC-SQUID实现的通量可调谐电感。
在其他实施方式中，可以使用RF-SQUID来实现可调谐电感，该RF-SQUID包括与电感并联的单个约瑟夫逊结。在又其他实施方式中，可以使用RF-SQUID或DC-SQUID来实现通量可调谐电感，其中，RF-SQUID或DC-SQUID是使用选自包括以下各项的列表的一个或多个电感的组合来形成的：动态电感、磁电感、隧道势垒约瑟夫逊结、或弱链接约瑟夫逊结。
虽然上文描述的特定实施例和实施方式提供了耦合到一个或多个可调谐超导谐振器(诸如可以用于FMRR系统)的超导传输线的示例，但是本申请中描述的技术可以更广泛地适用于其他LC超导谐振器。
虽然上文描述的特定实施例和实施方式提供了耦合到一个或多个超导谐振器的超导传输线的示例，但是本申请中描述的技术可以更广泛地适用于非超导谐振器。与超导谐振器相比，在非超导谐振器的情况下Q外部的值可能更低(例如，因为存在更大的阻尼)。传输的特性阻抗的局部扰动可能相应地较不明显，并且可能不太需要进行补偿。
上文描述的各个实施例可以进行组合以提供进一步的实施例。在这些实施例与本文的特定教导和定义没有不一致的程度上，在本说明书中所提及和/或在申请数据表中所列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物包括但不限于以下：2016年5月11日提交的名称为“FREQUENCY MULTIPLEXEDRESONATOR INPUT AND/OR OUTPUT FOR A SUPERCONDUCTING DEVICE[用于超导器件的频率复用谐振器输入和/或输出]”的PCT专利申请号PCT/US2016/031885(公布为国际专利申请公开WO2016183213A1)；2014年10月7日授权的名称为“SYSTEMS AND METHODS FORSUPERCONDUCTING FLUX QUBIT READOUT[用于超导通量量子位读出的系统和方法]”的美国专利号8,854,074；2012年5月1日授权的名称为“SYSTEMS，METHODS，AND APPARATUS FORQUBIT STATE READOUT[用于量子位状态读出的系统、方法和装置]”的美国专利号8,169,231；以及2018年2月27日提交的名称为“SYSTEMS AND METHODS FOR COUPLING ASUPERCONDUCTING TRANSMISSION LINE TO AN ARRAY OF RESONATORS[用于将超导传输线耦合到谐振器阵列的系统和方法]”的美国临时专利申请号62/636,043，这些专利和专利申请全部通过引用以其全文并入本文。如果需要，可以修改实施例的各方面以采用各种专利、申请、和公开的系统、电路和概念来提供另外的实施例。
鉴于以上详细说明，可以对实施例做出这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中披露的具体实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及此权利要求有权获得的等效物的整个范围。因此，权利要求不受本披露内容的限制。

Claims (63)

1.一种超导电路，包括：
传输线，该传输线包括至少一个传输线电感；
超导谐振器；以及
耦合电容，该耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线，
其中，该至少一个传输线电感包括：该超导谐振器上游的第一电感以及该超导谐振器下游的第二电感，
并且其中，该第一电感和该第二电感中的至少一者的值被选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。
2.如权利要求1所述的超导电路，其中，该超导谐振器包括：
分流电容，该分流电容经由第一超导路径耦合在该传输线与第一节点之间；
谐振器电感，该谐振器电感经由第二超导路径耦合在该传输线与该第一节点之间，该谐振器电感与该超导谐振器的该分流电容电并联；
第一DC超导量子干涉器件（SQUID），该第一DC SQUID经由该第二超导路径耦合在该谐振器电感与该第一节点之间，该第一DC SQUID与该超导谐振器的该分流电容电并联，并且与该超导谐振器的该谐振器电感电串联；以及
第二DC超导量子干涉器件（SQUID），该第二DC SQUID经由该第二超导路径耦合在该第一DC SQUID与该第一节点之间，该第二DC SQUID与该超导谐振器的该分流电容电并联并与该超导谐振器的该谐振器电感电串联，并且与该超导谐振器的该第一DC SQUID电串联。
3.如权利要求2所述的超导电路，进一步包括第一接口和第二接口，该第一接口能够操作用于将第一通量偏置施加到该第一DC SQUID，该第二接口能够操作用于将第二通量偏置施加到该第二DC SQUID。
4.如权利要求2所述的超导电路，其中，该分流电容的值被选择为比该耦合电容的值大至少一个数量级。
5.如权利要求2所述的超导电路，其中，该第一节点经由第三超导路径电耦合到地。
6.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线包括中心线，该中心线包括该第一电感和该第二电感。
7.如权利要求1所述的超导电路，其中，该第一电感和该第二电感中的至少一者是集总元件电感。
8.如权利要求1所述的超导电路，其中，该第一电感和该第二电感中的至少一者是动态电感。
9.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线包括中心线，该中心线包括该传输线电感。
10.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线电感是集总元件电感。
11.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线电感是动态电感。
12.如权利要求1所述的超导电路，其中，该超导谐振器强耦合到该传输线。
13.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线是同轴传输线。
14.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线是共面波导。
15.如权利要求1所述的超导电路，该超导电路能够操作用于从量子器件读出数据。
16.如权利要求1所述的超导电路，该超导电路能够操作用于将数据加载到量子器件中。
17.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线电感接近该超导谐振器。
18.如权利要求1所述的超导电路，进一步包括：
移位寄存器级；以及
接口，该接口能够操作用于将通量偏置施加到该移位寄存器级。
19.如权利要求1所述的超导电路，其中，该超导谐振器是超导谐振器阵列中的多个超导谐振器之一，该多个超导谐振器中的每一个都耦合到该传输线。
20.如权利要求1所述的超导电路，其中，该传输线是微波传输线，并且该超导谐振器是微波超导谐振器。
21.一种超导电路的组装方法，该方法包括：
提供具有一定长度的传输线；
提供超导谐振器；
经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线；以及
将至少一个传输线电感引入到该传输线中，该至少一个传输线电感的值被选择用于至少部分地补偿该传输线的特性阻抗的变化，该变化至少部分地由该耦合电容引起，
其中，引入该至少一个传输线电感包括：引入该超导谐振器上游的第一电感以及引入该超导谐振器下游的第二电感，
并且其中，引入该第一电感和该第二电感中的至少一者包括：将该第一电感和该第二电感中的至少一者的值选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。
22.如权利要求21所述的方法，其中，提供超导谐振器包括：
提供分流电容，该分流电容经由第一超导路径耦合在该传输线与第一节点之间；
提供谐振器电感，该谐振器电感经由第二超导路径耦合在该传输线与该第一节点之间，该谐振器电感与该超导谐振器的该分流电容电并联；
提供第一DC超导量子干涉器件（SQUID），该第一DC SQUID经由该第二超导路径耦合在该谐振器电感与该第一节点之间，该第一DC SQUID与该超导谐振器的该分流电容电并联，并且与该超导谐振器的该谐振器电感电串联；以及
提供第二DC超导量子干涉器件（SQUID），该第二DC SQUID经由该第二超导路径耦合在该第一DC SQUID与该第一节点之间，该第二DC SQUID与该超导谐振器的该分流电容电并联并与该超导谐振器的该谐振器电感电串联，并且与该超导谐振器的该第一DC SQUID电串联。
23.如权利要求22所述的方法，其中，提供分流电容包括将该分流电容的值选择为比该耦合电容的值大至少一个数量级。
24.如权利要求22所述的方法，其中，提供经由该第一超导路径耦合在该传输线与第一节点之间的分流电容包括经由第三超导路径将该第一节点电耦合到地。
25.如权利要求21所述的方法，其中，提供具有一定长度的传输线包括提供包括中心线的传输线，该中心线包括该第一电感和该第二电感。
26.如权利要求21所述的方法，其中，引入该第一电感和该第二电感中的至少一者包括引入集总元件电感。
27.如权利要求21所述的方法，其中，引入该第一电感和该第二电感中的至少一者包括引入动态电感。
28.如权利要求21所述的方法，其中，提供具有一定长度的传输线包括提供包括中心线的传输线，该中心线包括该传输线电感。
29.如权利要求21所述的方法，其中，将至少一个传输线电感引入该传输线中包括引入集总元件电感。
30.如权利要求21所述的方法，其中，将至少一个传输线电感引入该传输线中包括引入动态电感。
31.如权利要求21所述的方法，其中，经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线包括经由该耦合电容在该超导谐振器与该传输线之间提供强通信耦合。
32.如权利要求21所述的方法，其中，提供具有一定长度的传输线包括提供同轴传输线。
33.如权利要求21所述的方法，其中，提供具有一定长度的传输线包括提供共面波导。
34.如权利要求21所述的方法，进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于从该量子器件读出数据。
35.如权利要求21所述的方法，进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于将数据加载到该量子器件中。
36.如权利要求21所述的方法，其中，引入至少一个传输线电感包括引入接近该超导谐振器的至少一个传输线电感。
37.如权利要求22所述的方法，其中，提供超导谐振器进一步包括提供第一接口和第二接口，该第一接口能够操作用于将第一通量偏置施加到该第一DC SQUID，该第二接口能够操作用于将第二通量偏置施加到该第二DC SQUID。
38.如权利要求21所述的方法，进一步包括：
提供移位寄存器级；以及
提供接口，该接口能够操作用于将通量偏置施加到该移位寄存器级。
39.如权利要求21所述的方法，其中，提供超导谐振器包括提供超导谐振器阵列中的多个超导谐振器之一，该多个超导谐振器中的每一个都耦合到该传输线。
40.如权利要求21所述的方法，其中，提供具有一定长度的传输线包括提供微波传输线，并且提供超导谐振器包括提供微波超导谐振器。
41.一种超导电路的组装方法，该方法包括：
提供具有一定长度的传输线；
提供超导谐振器；以及
经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线，其中，经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线包括沿该传输线的长度分布该耦合电容，
其中，引入至少一个传输线电容包括：引入该超导谐振器上游的第一电容以及引入该超导谐振器下游的第二电容，
并且其中，引入该第一电容和该第二电容中的至少一者包括：将该第一电容和该第二电容中的至少一者的值选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。
42.如权利要求41所述的方法，其中，沿该传输线的长度分布该耦合电容包括分布该耦合电容以便至少减少该耦合电容每单位长度的度量。
43.如权利要求41所述的方法，其中，沿该传输线的长度分布该耦合电容包括分布该耦合电容以便至少减小该传输线的特性阻抗的变化，该变化至少部分地由该耦合电容引起。
44.如权利要求41所述的方法，其中，经由耦合电容将该超导谐振器通信地耦合到该传输线包括经由该耦合电容在该超导谐振器与该传输线之间提供强通信耦合。
45.如权利要求41所述的方法，其中，提供超导谐振器包括：
提供分流电容，该分流电容经由第一超导路径耦合在该传输线与第一节点之间；
提供谐振器电感，该谐振器电感经由第二超导路径耦合在该传输线与该第一节点之间，该谐振器电感与该超导谐振器的该分流电容电并联；
提供第一DC超导量子干涉器件（SQUID），该第一DC SQUID经由该第二超导路径耦合在该谐振器电感与该第一节点之间，该第一DC SQUID与该超导谐振器的该分流电容电并联，并且与该超导谐振器的该谐振器电感电串联；以及
提供第二DC超导量子干涉器件（SQUID），该第二DC SQUID经由该第二超导路径耦合在该第一DC SQUID与该第一节点之间，该第二DC SQUID与该超导谐振器的该分流电容电并联并与该超导谐振器的该谐振器电感电串联，并且与该超导谐振器的该第一DC SQUID电串联。
46.如权利要求41所述的方法，其中，提供分流电容包括将该分流电容的值选择为比该耦合电容的值大至少一个数量级。
47.如权利要求41所述的方法，其中，提供具有一定长度的传输线包括提供同轴传输线。
48.如权利要求41所述的方法，其中，提供具有一定长度的传输线包括提供共面波导。
49.如权利要求41所述的方法，进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于从该量子器件读出数据。
50.如权利要求41所述的方法，进一步包括将该超导电路通信地耦合到量子器件，该超导电路能够操作用于将数据加载到该量子器件中。
51.一种超导电路，包括：
传输线，该传输线包括至少一个传输线电容；
超导谐振器；以及
耦合电感，该耦合电感将该超导谐振器以电感方式通信地耦合到该传输线，
其中，该至少一个传输线电容：该超导谐振器上游的第一电容以及该超导谐振器下游的第二电容，
并且其中，该第一电容和该第二电容中的至少一者的值被选择用于至少部分地补偿该超导谐振器与该传输线之间的耦合强度的变化。
52.如权利要求51所述的超导电路，其中，该超导谐振器包括：
超导材料环路，该超导材料环路包括：
第一谐振器电感，该第一谐振器电感耦合在该传输线与第一DC超导量子干涉器件（SQUID）之间；
第二DC超导量子干涉器件（SQUID），该第二DC SQUID耦合在该第一DC SQUID与谐振器电容之间；以及
第二谐振器电感，该第二谐振器电感耦合在该谐振器电容与该传输线之间。
53.如权利要求52所述的超导电路，进一步包括第一接口和第二接口，该第一接口能够操作用于将第一通量偏置施加到该第一DC SQUID，该第二接口能够操作用于将第二通量偏置施加到该第二DC SQUID。
54.如权利要求51所述的超导电路，其中，将该超导谐振器以电感方式通信地耦合到该传输线的该耦合电感是动态电感。
55.如权利要求51所述的超导电路，其中，该超导谐振器强耦合到该传输线。
56.如权利要求51所述的超导电路，其中，该传输线是同轴传输线。
57.如权利要求51所述的超导电路，其中，该传输线是共面波导。
58.如权利要求51所述的超导电路，能够操作用于从量子器件读出数据。
59.如权利要求51所述的超导电路，能够操作用于将数据加载到量子器件中。
60.如权利要求51所述的超导电路，其中，该传输线电容接近该超导谐振器。
61.如权利要求51所述的超导电路，进一步包括：
移位寄存器级；以及
接口，该接口能够操作用于将通量偏置施加到该移位寄存器级。
62.如权利要求51所述的超导电路，其中，该超导谐振器是超导谐振器阵列中的多个超导谐振器之一，该多个超导谐振器中的每一个都耦合到该传输线。
63.如权利要求51所述的超导电路，其中，该传输线是微波传输线，并且该超导谐振器是微波超导谐振器。
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