CN112397862B - 一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，该芯片包括一个公共的微波谐振腔和20个以上的超导量子比特；所述公共的微波谐振腔具有n阶谐振模，公共的微波谐振腔同时与超过20个超导量子比特耦合；所述超导量子比特之间通过n阶谐振模相互作用，实现超导量子比特的信息传递和逻辑门操作；所有超导量子比特均具有控制和读取电路，包括独立的或与其相邻比特共用的微波控制线；独立的磁通量控制线和独立的读取谐振腔。本发明使用微波谐振腔的n阶模式实现比特间的耦合，突破了谐振腔的物理尺寸上限，解决了其限制量子比特扩展数目的问题。并且本发明能够减小比特间的信号串扰，提升比特的控制精度，对于推进量子计算具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及超导量子芯片领域，尤其涉及一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片。
背景技术
量子芯片的发展是量子计算的发展中重要的一环。量子比特是量子芯片的基本单元，增加量子比特数目是量子芯片发展的一个核心方向。当量子芯片中的量子比特数目超过两个后，需要考虑量子比特间的耦合形式。使用一个基频与量子比特频率相近的谐振腔耦合多个量子比特是耦合技术方案中的一种，如文献【Phys.Rev.Lett.119.180511】中提到的，我们称这种量子芯片设计架构为“全连通架构”。具体的例子：谐振腔的基频在5.5GHz，量子比特的最高频率在5.8GHz，且量子比特的频率可向下调节，将两个或多个量子比特的频率调节至谐振腔的基频或与基频的差为同一值(200MHz以内)时，任意量子比特间可实现通过谐振腔的耦合，利用这种耦合可以交换量子比特的状态信息，实现量子逻辑门，生成多量子比特纠缠态。
在非全连通架构的超导量子比特芯片上，两个不具有直接耦合的量子比特间无法直接交换状态信息。因此在这两个量子比特间实现量子逻辑门操作时只能借助有直接耦合的量子比特来逐一传递相互作用，过程更为复杂，在相同相干时间条件下性能不如在全连通架构下的实现。
现有全连通技术使用的都是微波谐振腔的基频，基频的大小与谐振腔的物理尺寸(长度)呈反比。量子比特的频率设计在4-6GHz以内时，对应的谐振腔长度为一个有限值(12mm左右)，而量子比特在谐振腔周围形成耦合时，需要占据一定的物理尺寸，因此这种使用基频的长度有限的谐振腔可耦合的量子比特数目就为有限值(就目前已经发表的文献而言，最大比特数目在20个左右)。这限制了利用谐振腔耦合的量子比特数目的提升，且最近邻的量子比特间信号串扰大。同时比特的控制、读取线路拥挤，也会影响控制和读取的精度。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，该芯片包括一个公共的微波谐振腔和若干个超导量子比特；
所述公共的微波谐振腔具有n阶谐振模，其中，n>＝2，公共的微波谐振腔同时与超过20个超导量子比特耦合；采用共平面微波传输线实现的公共的微波谐振腔长度l计算公式如下：
其中，f为公共的微波谐振腔频率，c是真空中的光速，n表示公共的微波谐振腔中谐振模阶数，∈r是共平面微波传输线的衬底的相对介电常数；超导量子比特与公共的微波谐振腔耦合充分利用公共的微波谐振腔长度，均匀分散在公共的微波谐振腔的各个分支上；
所述超导量子比特之间通过n阶谐振模相互作用，实现超导量子比特的信息传递和量子逻辑门操作；
所有超导量子比特均具有控制和读取电路，包括：独立的或者与其相邻比特共用的共平面微波控制线，用于超导量子比特初态的制备；独立的磁通量控制线，用于独立调节每个超导量子比特的频率；独立的读取谐振腔，用于读取每个超导量子比特的状态。
进一步地，所述超导量子比特之间通过n阶谐振模的相互作用方式为：若两个或多个超导量子比特与公共的微波谐振腔的n阶谐振模频率相失谐，则将这些量子比特之间的频率调节至相等，从而使得任意超导量子比特之间通过n阶谐振模实现虚交换super-exchange形式的相互作用，从而实现超导量子比特间的量子逻辑门操作和信息传递。
进一步地，所述超导量子比特之间通过n阶谐振模的相互作用方式为：将超导量子比特的频率调节至与公共的微波谐振腔的n阶谐振模频率相等，则每个超导量子比特与n阶谐振模直接相互作用，并利用n阶谐振模传递作用，实现超导量子比特间的相互作用。
进一步地，任意两个超导量子比特间能够通过退相干不敏感的缀饰态相位门dress-state phase gate实现两超导量子比特逻辑门操作，其实现方式为：将两个超导量子比特调节至相同频率，且它们与公共的微波谐振腔的失谐量大于5倍的超导量子比特与公共的微波谐振腔的直接耦合强度，同时通过共平面微波控制线给两个超导量子比特施加共振的微波驱动，并在所加微波驱动时长的一半时刻反转微波的相位，从而实现两超导量子比特缀饰态相位门，并同时抑制退相干效应，达到高保真度的逻辑门操作。
进一步地，任意两个超导量子比特均可以通过公共的微波谐振腔实现交叉共振逻辑门cross-resonance gate和半交换
逻辑门操作。
进一步地，超导量子比特的共平面电容形状为直线。
进一步地，超导量子比特的控制和读取电路有空气桥airbridge，以保持芯片的理想接地性质。
进一步地，超导量子比特与公共的微波谐振腔的耦合电容呈层阶式分布，使得超导量子比特与公共的微波谐振腔的直接耦合强度均一。
进一步地，超导量子比特与读取谐振腔以及与公共的微波谐振腔的耦合部件均采用平面叉指电容或可调电感。
本发明的有益效果：本发明使用微波谐振腔的n阶模式(n>＝2)将实现比特间的耦合，相比于现有的1阶模耦合多个量子比特的方案，在相似的频率下，使用谐振腔的高阶模(n>＝2)可以突破谐振腔的尺寸上限，将使其物理尺寸提升了n倍，因此，可耦合的量子比特的数目也提高n倍，解决了限制量子比特扩展数目的问题。另一方面，在比特数目相同的情况下，使用该方案可以使比特间的空间距离更远，解决了比特间的频率排布问题，从而抑制比特间的直接耦合，同时也减小了控制和读取线路之间的信号串扰，使得控制和读取更为精确，对于推进量子计算有重要作用，具有极大的科学研究和工业应用价值。
附图说明
图1a为本发明实施例的超导量子芯片的示意图；
图1b为本发明实施例的图1a的超导量子比特中使用的超导量子干涉设备的近视图的示意图；
图1c为本发明实施例中的超导量子芯片的可调耦合示意图；
图2a为本发明实施例中的50个比特与一个公共的微波谐振腔耦合的示意图；
图2b为本发明实施例中的电压在公共微波谐振腔上的分布曲线图；
图中，100.超导量子比特；101.共平面电容；102.超导量子干涉设备；103.磁通量控制线；104.接地面；105.共平面微波控制线；106.读取谐振腔；107.平面叉指电容；108.公共的微波谐振腔；109.读取传输线；110.空气桥；111.约瑟夫森结；112.电容接触点；113.接地分支接触点；114.接地分支；115.接地线；116.耦合器控制线；117.超导环路；
具体实施方式
为使得为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本发明可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供的架构依赖于超导量子比特的使用，附图1a至c提供了超导量子比特以及如何控制、读取以及将比特耦合至谐振腔的说明。图1a是超导量子比特的俯视图的示意图。超导量子比特包括共平面电容101和与电容连接的超导量子干涉设备(SQUID)102。共平面电容101被接地面104包围，形成接地电容，超导量子干涉设备102被接地面104包围并与接地面104接触，共平面电容101和超导量子干涉设备102形成并联电路。图1a中所有结构均是由使用电介质衬底(例如，蓝宝石、二氧化硅或硅等半导体材料)上的标准薄膜制造工艺制造做出的超导薄膜材料(例如，铝或铌等)形成。
如图1a所示，共平面电容101的形状为直线，也可以是其他形状，其中心一端与超导量子干涉设备102接触，其他位置都不与接地面104接触。其中心的另一端通过一个平面叉指电容107与公共的微波谐振腔108的一个分支相耦合。共平面电容101的其他位置耦合了一个读取谐振腔106和共平面微波控制线105。外部控制电路通过共平面微波控制线105提供一个与超导量子比特的频率相同的微波，用于超导量子比特初态的制备和单比特逻辑门操作。读取谐振腔106的末端具有弯曲的形状，与读取传输线109耦合。读取谐振腔106的频率与超导量子比特的状态相关，通过测量读取传输线109的微波散射参数S21可以探测读取谐振腔106的频率，从而得到超导量子比特的状态。超导量子比特还有一根与超导量子干涉设备102耦合的磁通量控制线103，其末端连接到接地面104上。共平面微波控制线105、磁通量控制线103、读取传输线109以及公共的微波谐振腔108的分支上跨接了空气桥110(airbridge)，用于连接被分割的接地面104。图中空气桥110的位置仅仅是示意，可以在芯片上的其他位置跨接更多的空气桥用于更好的接地。
图1b是超导量子干涉设备102的近视图的示意图。超导量子干涉设备102包括两个约瑟夫森结111(Josephson junction)以及与电容接触点112、与接地分支接触点113、接地分支114和接地面104共同形成的超导环路。外部电路通过磁通量控制线103在超导环路上施加外部磁通，改变超导量子干涉设备102的电感，从而改变量子比特的频率。
超导量子比特与公共的微波谐振腔108还可以采用可调的电感耦合的形式，如图1c所示。为使图形简单直观，图中省略了超导量子比特的读取谐振腔和微波控制线。超导量子比特包括共平面电容101和超导量子干涉设备102，超导量子干涉设备102通过接地线115与接地面104连接，其末端利用一个空气桥110跨越公共的微波谐振腔108。超导环路117同时与接地线115和公共的微波谐振腔108耦合在一起，一端被一个约瑟夫森结111中断，另一端直接连接到接地面104。约瑟夫森结111和超导环路117一起构成了超导量子比特与公共的微波谐振腔108的可调耦合器。外部电路通过耦合器控制线116可以在可调耦合器中施加外部磁通，改变超导环路117的电感，从而达到调整超导量子比特与公共的微波谐振腔108的耦合强度的目的。
图2a为50个超导量子比特100与一个公共的微波谐振腔108耦合的示意图，简单起见，超导量子比特的微波控制线、磁通量控制线和读取谐振腔都没有示出，公共的微波谐振腔108包含图中标注的直线和弯曲结构，同时在两侧分出50个分支，与直线形状的超导量子比特100直接耦合。公共的微波谐振腔具有n阶谐振模，其谐振模的频率与长度相关，若公共的微波谐振腔频率为f，则用共平面微波传输线实现的谐振腔长度
c是真空中的光速，∈r是共平面微波传输线的衬底的相对介电常数。长度为20～30mm的谐振腔，其n＝2的谐振模频率在4～6GHz，这个谐振模的频率可以用于与频率在4～6GHz的超导量子比特的耦合。相比于使用频率在4～6GHz的n＝1的谐振模，使用n阶谐振模的公共微波谐振腔的长度为n倍。图2a中的设计充分利用了谐振腔的长度，将超导量子比特均匀地分散在谐振腔上，使得超导量子比特的间距更大，抑制了超导量子比特之间由于距离过近引起的杂散耦合。同时超导量子比特的控制和读取线路之间的间距也更大，控制和读取信号的串扰更小。
图2b为公共微波谐振腔n＝1和n＝2的情况下在谐振时微波谐振腔上的电压分布曲线图，横坐标为在微波谐振腔上的长度位置，纵坐标为电压值。为了使得所有超导量子比特与公共微波谐振腔的耦合强度均一，可以根据电压分布情况调整超导量子比特与公共的微波谐振腔的耦合电容或耦合电感大小，并使得电容呈层阶式分布。
超导量子比特通过公共的微波谐振腔耦合可以用以下方式实现：若两个或多个超导量子比特与公共的微波谐振腔的n阶谐振模频率相失谐，则将这些量子比特之间的频率调节至相等，从而使得任意超导量子比特之间通过n阶谐振模实现虚交换super-exchange形式的相互作用，从而实现比特间的量子门操作和信息传递。任意两个超导量子比特均可以通过公共的微波谐振腔实现交叉共振逻辑门cross-resonance gate、半交换
逻辑门。
任意两个超导量子比特间可以通过退相干不敏感的缀饰态相位门dress-statephase gate实现两比特逻辑操作，其主要实现方式为：将两个量子比特调节至相同频率且与谐振腔的失谐量远大于量子比特与谐振腔的直接耦合，同时通过给两个量子比特施加共振的微波，并在所加微波时长的一半时刻反转微波的相位，从而实现两比特缀饰态相位门，并同时抑制退相干效应，达到高保真度。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，该芯片包括一个公共的微波谐振腔和若干个超导量子比特；
所述公共的微波谐振腔具有n阶谐振模，其中，n>＝2，公共的微波谐振腔同时与超过20个超导量子比特耦合；采用共平面微波传输线实现的公共的微波谐振腔长度l计算公式如下：
其中，f为公共的微波谐振腔频率，c是真空中的光速，n表示公共的微波谐振腔中谐振模阶数，∈r是共平面微波传输线的衬底的相对介电常数；超导量子比特与公共的微波谐振腔耦合充分利用公共的微波谐振腔长度，均匀分散在公共的微波谐振腔的各个分支上；
所述超导量子比特之间通过n阶谐振模相互作用，实现超导量子比特的信息传递和量子逻辑门操作，相互作用有以下两种方式：所述超导量子比特之间通过n阶谐振模的第一种相互作用方式为：超导量子比特通过公共的微波谐振腔耦合，若两个或多个超导量子比特与公共的微波谐振腔的n阶谐振模频率相失谐，则将这些量子比特之间的频率调节至相等，从而使得任意超导量子比特之间通过n阶谐振模实现虚交换super-exchange形式的相互作用，从而实现超导量子比特间的量子逻辑门操作和信息传递；所述超导量子比特之间通过n阶谐振模的第二种相互作用方式为：将超导量子比特的频率调节至与公共的微波谐振腔的n阶谐振模频率相等，则每个超导量子比特与n阶谐振模直接相互作用，并利用n阶谐振模传递作用，实现超导量子比特间的相互作用；所有超导量子比特均具有控制和读取电路，包括：独立的或者与其相邻比特共用的共平面微波控制线，用于超导量子比特初态的制备；独立的磁通量控制线，用于独立调节每个超导量子比特的频率；独立的读取谐振腔，用于读取每个超导量子比特的状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，任意两个超导量子比特间能够通过退相干不敏感的缀饰态相位门dress-state phasegate实现两超导量子比特逻辑门操作，其实现方式为：将两个超导量子比特调节至相同频率，且它们与公共的微波谐振腔的失谐量大于5倍的超导量子比特与公共的微波谐振腔的直接耦合强度，同时通过共平面微波控制线给两个超导量子比特施加共振的微波驱动，并在所加微波驱动时长的一半时刻反转微波的相位，从而实现两超导量子比特缀饰态相位门，并同时抑制退相干效应，达到高保真度的逻辑门操作。
3.根据权利要求1所述的一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，任意两个超导量子比特均可以通过公共的微波谐振腔实现交叉共振逻辑门cross-resonance gate和半交换
逻辑门操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，超导量子比特的共平面电容形状为直线。
5.根据权利要求1所述的一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，超导量子比特的控制和读取电路有空气桥airbridge，以保持芯片的理想接地性质。
6.根据权利要求1所述的一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，超导量子比特与公共的微波谐振腔的耦合电容呈层阶式分布，使得超导量子比特与公共的微波谐振腔的直接耦合强度均一。
7.根据权利要求1所述的一种基于多模式谐振腔的全连通架构量子芯片，其特征在于，超导量子比特与读取谐振腔以及与公共的微波谐振腔的耦合部件均采用平面叉指电容或可调电感。
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