CN112215360A - 一种长退相干时间的超导量子比特存储方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长退相干时间的超导量子比特存储装置和方法。其中，所述装置包括：四分之一波长超导谐振腔，一端设有超导量子比特安装槽的介质杆，束管，耦合天线，以及两个安装板等。本发明首次将四分之一波长超导谐振腔应用在超导量子计算中，创造性的解决了量子比特样品与三维超导腔耦合时将三维超导腔品质因数下降的问题，把超导量子计算向前推进一步。

Description

一种长退相干时间的超导量子比特存储方法与装置

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与超导腔耦合时能够保持超导量子比特具有长寿命同时又能保持超导腔具有高品质因数(10⁹及以上)的方法和装置。

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，从而可以实现超导量子比特的存储，进而用于量子计算。在近期的研究中，国内外的科学家已经开始研究应用于超导量子计算的高品质因数超导腔。

利用新设计的TESLA型三维椭球腔用于超导量子计算的实验中，我们发现超导腔的品质因数(Q₀)可以达到10¹⁰，相对于原来在量子计算中大量应用的三维矩形腔，其品质因数已经有4个量级的提高，从理论上可以将量子比特的退相干时间提高两到三个量级至秒量级(详见在先申请CN110288092A)。而矩形三维腔在裸腔时其品质因数最大仅为10⁶，理论上其退相干时间只能达到ms量级。

为了使该类型的结构得到应用，我们研究在三维椭球超导腔插入超导量子比特样品后的实验结果，发现超导腔会与超导量子比特样品相互作用，其品质因数由10¹⁰下降到10⁶，这将使超导腔的高品质因数优势无法发挥。原因可能是超导量子比特样品的进入与超导腔中的电磁场相互作用，从而导致超导腔的品质因数下降。因此，我们需要研究超导量子比特样品如何与三维超导腔耦合，既能保证超导量子比特样品的寿命，又可以保持超导腔的高品质因数不受超导量子比特样品及其支撑机构的影响。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种保持高品质因数的超导量子比特存储的新方法及其装置。其改变了原来的三维椭球腔腔形，改成三维四分之一波长谐振腔腔形，腔的形状、工作频率、耦合方式等方面与原来椭球腔均有本质区别。同时该方法从微波短路的原理出发，放置超导量子比特样品的介质杆与三维四分之一波长腔的束管设计成微波短路结构，这样从四分之一波长谐振腔中漏出来的微波会在介质杆上形成全反射，从而使消耗在介质杆上的微波功率为0，从原理上将影响腔品质因数的因素降低为0，因而在将超导量子比特样品传输至三维四分之一波长超导腔内部时腔的品质因数也不会有任何降低，仍然可以保持在10¹⁰量级。

本发明提供一种保持高品质因数的超导量子比特存储装置，该装置包括：四分之一波长超导谐振腔，一端设有超导量子比特安装槽的介质杆，连接于四分之一波长超导谐振腔一侧的束管，耦合天线，以及两个安装板；其中，所述四分之一波长超导谐振腔呈中空圆柱形，其一端面中心部分开设圆孔和与其共轴的束管无缝连接，另一端面中心部分内嵌形成一共轴中空环形结构；所述中空环形结构与四分之一波长超导谐振腔体一体成型，其在腔内的深度使得所述中空环形结构在腔内侧的端面与束管和腔体连接面的距离为四分之一波长超导谐振腔本征频率所对应波长的四分之一；所述中空环形结构在腔外侧的一端与一安装板相连接，安装板上固定有介质杆；所述介质杆在腔内部的端点处于中空环形结构腔内端面的中心，并在此处设有安装槽，用于安装超导量子比特样品；束管外端与另一安装板相连接，该安装板用于固定耦合天线；所述耦合天线与介质杆均位于四分之一波长超导谐振腔内赤道面的的中心轴上；所述介质杆的形状为长圆柱体，其中间部分存在一变径点，该变径点与介质杆靠近腔内端端面的距离是四分之一波长超导谐振腔本征频率所对应波长的二分之一，介质杆与安装板连接的一端的直径小于四分之一波长超导谐振腔本征频率所对应波长，同时介质杆靠近腔内端的直径是与介质板连接的一端的直径的2倍以上。

优选地，所述四分之一波长超导谐振腔采用易于加工成型焊接属，采用铌、铜或铝中的一种，厚度在2-4mm之间，频率为5～6.5GHz之间；所述介质杆采用蓝宝石、陶瓷和金钢石中的一种；所述束管的内径为13mm，所述中空环形结构的内径为13mm；所述耦合天线采用无氧铜制成的中空耦合天线，并通过安装板外接微波功率源；所述安装板采用开口法兰或盲板法兰；所述微波功率源的频率与四分之一波长超导谐振腔的谐振频率一致，采用5～6.5GHz，分别对应不同的尺寸的四分之一波长超导谐振腔。

一种使用上述装置的超导量子比特存储方法，包括以下步骤：

1)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；

2)将超导量子比特放入安装槽中；

3)将四分之一波长超导谐振腔移动至稀释制冷机中，安装连接好低温微波测试线路；

4)微波功率源通过耦合天线在四分之一波长超导谐振腔内激励出电磁场，此时介质杆的安装槽处的电场最强，磁场最弱；超导量子比特位于此处；

5)超导量子比特与电磁场进行耦合，吸收电磁场能量；

6)在10mK量级的温度进行测试，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，从而实现了量子比特的存储。

本发明采用高品质因数的四分之一波长超导谐振腔，相对于目前所用的矩形腔，有较大优势：品质因数高达10¹⁰；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，超导量子比特与超导腔的耦合不会对高品质因数造成影响，仍然能够保持在10¹⁰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；本发明首次将四分之一波长超导谐振腔应用在超导量子计算中，避免了原来椭球腔的实验过程中由于介质杆的插入使本来在10¹⁰量级的品质因数下降至10⁶量级，将成熟的四分之一波长超导腔技术与新兴的超导量子计算相结合，创造性的解决了量子比特样品与三维超导腔耦合时将三维超导腔品质因数由10¹⁰下降四个量级的问题，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与超导腔耦合装置的轴向切面的示意图。

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与超导腔耦合装置包括：四分之一波长超导谐振腔1(即超导腔)、中空环形结构2、束管3，介质杆4、耦合天线5，位于介质杆4一端的安装槽6，安装板7、安装板8。

其中，所述超导腔1呈中空圆柱形，由电子束焊接而成，其一端面中心部分开设圆孔和与其共轴的束管3无缝连接，另一端面中心部分内嵌形成一共轴中空环形结构2。所述中空环形结构2与超导腔体一体成型，其在超导腔内的深度使得所述中空环形结构2在超导腔内侧的端面与束管和超导腔连接面的距离为超导腔本征频率所对应波长的四分之一。所述中空环形结构2在超导腔外侧的一端与一安装板7相连接，安装板7上固定有介质杆4，介质杆4在超导腔内部的端点处于中空环形结构2腔内端面的中心，并在此处设有安装槽6，用于安装超导量子比特样品。束管3外端与另一安装板8相连接，该安装板8用于固定耦合天线5。所述耦合天线5与介质杆4均位于超导腔内赤道面的的中心轴上。

所述超导腔1采用易于加工成型焊接属，采用铌、铜和铝中的一种，腔壁厚度在2-4mm之间，采用分段冲压成型后进行电子束焊接的方法，焊接完毕后对超导腔进行缓冲化学抛光、电化学抛光及高压水冲洗等后处理工艺，之后将超导腔安装至稀释制冷机进行降温冷却并进行微波测量。其品质因数相对于超导量子计算中常用的矩形谐振腔10⁶量级可提高至10^10～11，有4～5个量级的提高。共振频率选择在5-6.5GHz。

所述介质杆4的形状为长圆柱体，采用微波的良导体制成，可以采用电磁损耗小的材料，如蓝宝石、陶瓷和金钢石中的一种。超导量子比特样品与介质杆通过二维平面谐振腔读出电路进行电连接，即超导量子比特样品-二维平面谐振腔-介质杆结构，超导量子比特样品伸入到四分之一波长超导腔内部，此处为腔内电场最强的地方，在此处超导量子比特的样品与高品质因数超导腔内部的微波光子进行耦合。介质杆4的长度与直径经严格的微波损耗计算得到，中间存在一变径点，变径的目的是为了微波短路的要求，使微波在变径处能够全反射。变径的范围为2倍以及以上，即靠近超导腔端面处的介质杆半径为R时，在二分之一波长(波长为光速与超导腔本征频率之商)处，介质杆的半径增大为2R或以上。本发明中采用的介质杆与原来椭球腔中采用的介质杆(参见CN110288092A)有本质区别，即本发明中介质杆的形状与长度须满足微波短路要求，在二分之一波长处该介质杆半径变为前端的两倍以上，从而使得超导腔中的微波在此处被全反射，消耗在介质杆上的功率为0。而在椭球腔中的申请中，由于没有设置微波短路结构，所采用的介质杆为一规则的圆柱蓝宝石杆，当在腔中馈入微波时，微波会与蓝宝石介质相互作用，从而产生损耗，影响腔的品质因数。

所述耦合天线5采用无氧铜制成的中空耦合天线，并可通过安装板8外接微波功率源(图中未示出)，通过束管3伸入腔内与超导腔1进行耦合，这与椭球腔采用的边耦合方式不同。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超导腔的谐振频率一致，采用5～6.5GHz，分别对应不同的尺寸的四分之一波长超导谐振腔。微波功率源的功率一部分通过耦合天线馈入了腔中，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。

两个安装板7/8可为刀口法兰或盲板法兰，用以固定介质杆和耦合天线，同时对管道进行真空密封。

本量子比特的存储装置在使用时，超导腔需要在稀释制冷机中的温度降低至10～20mK。将已经安装好超导量子比特等元件的超导腔移动至稀释制冷机，对超导腔时行抽真空、降温等流程，当温度降低至10mK以下时，开始功率馈入，此时微波功率源通过耦合天线在腔内激励出电磁场，在介质杆的安装槽处的电场最强，磁场最弱；超导量子比特正好位于此处，从而超导量子比特位于超导腔电场最强处；超导量子比特与电磁场进行耦合，交换能量；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，从而实现了量子比特的存储。

在本实施例中，超导腔1材料采用铝合金、铜或者铌；安装介质4采用蓝宝石棒；超导量子比特为Al/Al₂O₃/Al结构；超导腔1的频率为6.5GHz，中空环形结构的内径与束管的内径相同，均为13mm。

本实施例所述的使用上述装置的超导量子比特存储方法，包括以下步骤：

1)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：

2)将超导量子比特放入安装槽中；

3)将四分之一波长超导谐振腔移动至稀释制冷机中，安装连接好低温微波测试线路；

4)微波功率源通过耦合天线在四分之一波长超导谐振腔内激励出电磁场，此时介质杆的安装槽处的电场最强，磁场最弱；超导量子比特位于此处；

5)超导量子比特与电磁场进行耦合，吸收电磁场能量；

6)在10mK量级的温度进行测试，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，从而实现了量子比特的存储。

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 (8)

1.一种长退相干时间的超导量子比特存储装置，其特征在于，所述装置包括：四分之一波长超导谐振腔，一端设有超导量子比特安装槽的介质杆，连接于四分之一波长超导谐振腔一侧的束管，耦合天线，以及两个安装板；其中，所述四分之一波长超导谐振腔呈中空圆柱形，其一端面中心部分开设圆孔和与其共轴的束管无缝连接，另一端面中心部分内嵌形成一共轴中空环形结构；所述中空环形结构与四分之一波长超导谐振腔体一体成型，其在腔内的深度使得所述中空环形结构在腔内侧的端面与束管和腔体连接面的距离为四分之一波长超导谐振腔本征频率所对应波长的四分之一；所述中空环形结构在腔外侧的一端与一安装板相连接，安装板上固定有介质杆；所述介质杆在腔内部的端点处于中空环形结构腔内端面的中心，并在此处设有安装槽，用于安装超导量子比特样品；束管外端与另一安装板相连接，该安装板用于固定耦合天线；所述耦合天线与介质杆均位于四分之一波长超导谐振腔内赤道面的的中心轴上；所述介质杆的形状为长圆柱体，其中间部分存在一变径点，所述变径点与介质杆靠近腔内端端面的距离是四分之一波长超导谐振腔本征频率所对应波长的二分之一，介质杆与安装板连接的一端的直径小于四分之一波长超导谐振腔本征频率所对应波长，同时介质杆靠近腔内端的直径是与介质板连接的一端的直径的2倍以上。

2.如权利要求1所述的保持高品质因数的超导量子比特存储装置，其特征在于，所述四分之一波长超导谐振腔采用易于加工成型焊接属，采用铌、铜或铝中的一种，腔壁厚度在2-4mm之间，频率为5～6.5GHz之间。

3.如权利要求1所述的保持高品质因数的超导量子比特存储装置，其特征在于，所述介质杆采用蓝宝石、陶瓷和金钢石中的一种。

4.如权利要求1所述的保持高品质因数的超导量子比特存储装置，其特征在于，所述束管的内径为13mm，所述中空环形结构的内径为13mm。

5.如权利要求1所述的保持高品质因数的超导量子比特存储装置，其特征在于，所述耦合天线采用无氧铜制成的中空耦合天线，并通过安装板外接微波功率源。

6.如权利要求1所述的保持高品质因数的超导量子比特存储装置，其特征在于，所述安装板采用开口法兰或盲板法兰。

7.如权利要求1和5所述的保持高品质因数的超导量子比特存储装置，其特征在于，所述微波功率源的频率与四分之一波长超导谐振腔的谐振频率一致，采用5～6.5GHz，分别对应不同的尺寸的四分之一波长超导谐振腔。

8.一种使用权利要求1所述装置的超导量子比特存储方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)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；

2)将超导量子比特放入安装槽中；

3)将四分之一波长超导谐振腔移动至稀释制冷机中，安装连接好低温微波测试线路；

4)微波功率源通过耦合天线在四分之一波长超导谐振腔内激励出电磁场，此时介质杆的安装槽处的电场最强，磁场最弱；超导量子比特位于此处；

5)超导量子比特与电磁场进行耦合，吸收电磁场能量；

6)在10mK量级的温度进行测试，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，从而实现了量子比特的存储。

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