CN113193311B - 超导量子控制复用微波器件及超导量子测试系统 - Google Patents

超导量子控制复用微波器件及超导量子测试系统 Download PDF

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CN113193311B CN202110485681.5A CN202110485681A CN113193311B CN 113193311 B CN113193311 B CN 113193311B CN 202110485681 A CN202110485681 A CN 202110485681A CN 113193311 B CN113193311 B CN 113193311B
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Abstract

本申请公开了一种超导量子控制复用微波器件及超导量子测试系统，超导量子控制复用微波器件是一种芯片级器件，体积小、耗热小、可与超导电路集成，同时只需要用几根微波控制线，就实现了大规模量子信号的传递，大大减少了微波控制线的数量，而且，防止了量子信号间的干扰，特别有利于超导量子计算电路的规模化发展。

Description

超导量子控制复用微波器件及超导量子测试系统
技术领域
本申请涉及但不限于量子计算技术领域，尤指一种超导量子控制复用微波器件及超导量子测试系统。
背景技术
图1为相关技术中超导量子测试系统中微波控制线的使用示意图，如图1所示，从目前超导量子测试系统中微波控制线的设置情况来看，微波控制线的数量极多，占据空间很大。在实际使用场景中，微波控制线从室温到量子芯片过程中需要从室温到低温的降温过程，这对制冷机的制冷能力要求极高，负荷很大。
随着超导量子比特数目的增多，其微波控制线的数量将成比例增加，这会对制冷机造成很大负担。
发明内容
本申请提供一种超导量子控制复用微波器件，能够大大减少微波控制线的数量，实现大规模量子信号的传递，且防止量子信号反射回去干扰其他路量子信息。
本发明实施例提供了一种超导量子控制复用微波器件，包括：集成在一颗芯片上的两个以上滤波器、两个以上隔离器、两个以上电容，以及两条偏置线电路；其中，
滤波器，用于过滤来自一条微波控制线的不同频率的输入信号；
隔离器，用于将来自滤波器的信号进行转换后输出，为二端口的器件，一个端口为输入端口，一个端口为输出端口；
电容，设置在隔离器中，通过调节电容的电容值大小调节隔离器的中心工作频率；
偏置线电路，用于调节隔离器所处的偏置磁场。
在一种示例性实例中，所述两条偏置线电路贯穿于所有所述隔离器，包括：一条Cosine信号的偏置线电路，一条Sine信号的偏置线电路。
在一种示例性实例中，所述预设阻值为50欧姆。
在一种示例性实例中，部分所述电阻的预设阻值为50欧姆，部分所述电阻的预设阻值不为50欧姆。
在一种示例性实例中，每个所述电容的电容值不同。
本申请还提供一种超导量子测试系统，包括：
Figure GDA0003512829120000021
个如前所述的超导量子控制复用微波器件、
Figure GDA0003512829120000022
条偏置线电路，以及室温控制电路和量子芯片；其中，p、q为大于或等于1的整数，mj为大于或等于2的整数；
每根微波控制线连接一个以上超导量子控制复用微波器件，将来自室温控制电路的信号输入该超导量子控制复用微波器件；超导量子控制复用微波器件的输出信号传递给量子芯片。
本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件为芯片级器件，体积小、耗热小、可与超导电路集成，同时只需要用几根微波控制线，就实现了大规模量子信号的传递，大大减少了微波控制线的数量，而且，防止了量子信号间的干扰，特别有利于超导量子计算电路的规模化发展。
进一步实现只允许一个量子比特通过该电容器所在隔离器，实现了将各个频率的量子比特分开独立传输，互不干扰，并且不需要额外增加微波控制线的数量。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为相关技术中超导量子测试系统中微波控制线的使用示意图；
图2为本申请实施例中超导量子控制复用微波器件的组成结构示意图；
图3为相关技术中超导量子测试系统的示意图；
图4为本申请实施例中超导量子控制复用微波器件用于超导量子测试系统中的第一实施例的简化示意图；
图5为本申请实施例中多个超导量子控制复用微波器件一同使用的连接示意图；
图6为图5所示连接示意图的简化图；
图7为本申请实施例中超导量子控制复用微波器件用于超导量子测试系统中的第二实施例的简化示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
基于相关技术中微波控制线的使用情况，本申请发明人提出：如果能对微波控制线进行复用，那么，将会大大减少微波控制线的数量，从而减少耗热，进而减轻制冷机的负荷。
本申请实施例提供一种超导量子控制复用微波器件，是一种芯片级器件，体积小、耗热小、可与超导电路集成。本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件，特别有利于超导量子计算电路系统的规模化发展，并且可用于多种低温微波网络，比如快速单磁通量子(RSFQ，Rapid Single Flux Quantum)逻辑电路、超导转变沿传感器(TES，TransitionEdge Sensors)、微波动态电感探测器(KID，Kinetic Inductance Detectors)，以及其他天文探测器阵列等。
图2为本申请实施例中超导量子控制复用微波器件(本文中可以简称为CM，Control Multiplexing)的组成结构示意图，如图2所示，包括：集成在一颗芯片上的两个以上滤波器(如图2中的第一滤波器、第二滤波器、…第N滤波器，N大于或等于2)、两个以上隔离器(如图2中的第一隔离器、第二隔离器、…第N隔离器)、两个以上电容(如图2中的第一电容、第二电容、…第N电容)，以及两条偏置线电路；其中，
滤波器，用于过滤来自一条微波控制线的不同频率的输入信号；
隔离器，用于将来自滤波器的信号进行转换后输出(如图2中的第一输出信号、第二输出信号、…第N输出信号)，隔离器为二端口的器件，一个端口为输入端口，一个端口为输出端口；在一种实施例中，可以将隔离器看成为两个端口与预设阻值的电阻连接的四端口的片上超导环行器；
电容，设置在隔离器中，通过调节电容的电容值大小可以调节隔离器的中心工作频率；
偏置线电路，用于调节隔离器所处的偏置磁场。
相关技术的超导量子测试系统中，一条微波控制线中只有一个频率用来控制一个量子比特。如果使用本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件后的超导量子测试系统，一条微波控制线中有多个频率，通过各个滤波器将不同频率的信号分开，实现了一条微波控制线控制多个量子比特，也就是实现了对一条微波控制线的复用。
在一种实施例中，偏置线电路可以包括第一偏置线电路和第二偏置线电路，其中，第一偏置线电路贯穿每个隔离器，比如可以设置在贯穿每个隔离器的一组超导量子干涉仪上，是一条Cosine信号的偏置线电路即Cosine bias line电路，第二偏置线电路贯穿每个隔离器，比如可以设置在贯穿每个隔离器的另一组超导量子干涉仪上，是一条Sine信号的偏置线电路即Sine bias line电路。
在一种示例性实例中，根据奥斯特原理，通电导体周围存在磁场。因此，该偏置线电路中的电流产生磁场，当改变电流大小，其产生的磁场强度发生改变，穿过本申请片上超导环隔器所属超导量子干涉仪(SQUID，Superconducting Quantum InterferenceDevices)中的磁场强度也会发生变化，进而SQUID的电感值同样发生变化，即通过调节通过偏置线电路中的电流，改变SQUID环的磁通量，进而改变SQUID的等效电感，从而改变环隔器非互易的中心频率。
在一种示例性实例中，预设阻值可以为50欧姆。在其他一些实施例中，用户可根据实际情况自行设置该阻值。
本申请实施例中，由于隔离器实质上是由环行器构成，因此，本申请实施例中的隔离器是一个非互易器件，实现了保护其他路的量子信息免受干扰的目的。相关技术中的超导量子测试系统中未使用隔离器，而本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件中包括有隔离器，有效地防止了控制信号中的微波反射对量子比特造成的干扰。
在一种示例性实例中，还可以进一步通过对电容的精确调节，实现只允许一个量子比特通过该电容器所在隔离器。这样，实现了将各个频率的量子比特分开独立传输，互不干扰，并且不需要额外增加微波控制线的数量。
本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件为芯片级器件，体积小、耗热小、可与超导电路集成。本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件，只需要一根微波控制线，即实现了N路量子信号的传递，减少了微波控制线的数量，而且，防止了量子信号反射回去干扰其他路量子信息。
在一种实施例中，以N＝4为例，假设来自一条微波控制线的一组频率为4～5GHz的信号，图2所示的本申请超导量子控制复用微波器件中的滤波器是用于过滤不同频率的信号，比如：Filter 1滤波器只通过4～4.2GHz频率的信号，其他频率信号都过滤掉，Filter 2滤波器只通过4.2～4.4GHz的信号，Filter 3滤波器只通过4.4～4.6GHz的信号，Filter 4滤波器只通过4.6～4.8GHz的信号。这里仅仅是举例说明，并不用于限定本申请实施例中输入信号的频率；以第一隔离器为例，四端口环行器的四个端口按照逆时针方向假设分别命名为端口a1、端口a2、端口a3和端口a4，本实施例中，将端口a3、端口a4端口与预设阻值为如50欧姆(Ω)的电阻连接，以作为隔离器进行使用。因为这样的隔离器是由环行器构成，因此，是一个非互易器件，也就是说，量子信号通过端口a1传入端口a2，是无法从端口a2反射回端口a1的，这样，保护了其他路的量子信息免受干扰。本实施例中，假设Filter 1只通过4～4.2GHz频率的信号，其他频率的信号都过滤掉，这时，通过调节第一隔离器中电容的电容值，使第一隔离器的工作频带为3.9～4.3GHz，那么，通过Filter 1的量子比特信号也会顺利通过第一隔离器，而且，由于第一隔离器具有非互易性，因此信号无法反射，实现了保护其他路的量子信息免受干扰的目的。本实施例中，在所有隔离器的上方贯穿设置有一条cosine bias line电路，在所有隔离器的下方贯穿设置有一条sine bias line电路。
图3为相关技术中超导量子测试系统的示意图，本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件可以替代图3中阴影部分的所有器件，并且本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件是芯片化的器件，如图2所示，一根微波控制线即实现了N路量子信号的传递，也就是说，在实际使用场景中，同时只需要用几根微波控制线，就实现了大规模量子信号的传递，大大减少了相关技术中(如图1所示)的微波控制线的数量，特别有利于超导量子计算电路的规模化发展。相关技术的超导量子测试系统中，一条微波控制线中只有一个频率用来控制一个量子比特。如果使用本申请实施例提供的超导量子控制复用微波器件后的超导量子测试系统，一条微波控制线中有多个频率，通过各个滤波器将不同频率的信号分开，实现了一条微波控制线控制多个量子比特。
图4为本申请实施例中超导量子控制复用微波器件用于超导量子测试系统中的第一实施例的简化示意图，如图4所示，本实施例中以超导量子控制复用微波器件包括4个隔离器为例，每个隔离器中设置有一个电容，每个隔离器分别对应一个滤波器，本实施例中，每个隔离器中设置的电容的电容值不同。在第一实施例中，还包括有两条贯穿4个隔离器的第一偏置线电路(如图4中的Cosine bias line电路)、第二偏置线电路(如图4中的Sinebias line电路)，以及室温控制电路和量子芯片Qubits；
如图4所示，工作原理大致包括：室温控制电路输出的信号作为本申请实施例中超导量子控制复用微波器件的输入信号，不同频率的输入信号经过不同滤波频率的滤波器后进入对应的隔离器，之后将隔离器的输出信号直接连接至量子芯片(Qubits)。在一种实施例中，可以进一步对每一个隔离器中电容的电容值进行精确的调整，可以实现将输出的多个不同频率的量子信号进行精准分频至独立通道后进行传输信号，这样不同的量子信号之间互不干扰，如图4所示的实施例中，即实现了一根微波控制线完成4条量子信号通过独立通道的传输。
图5为本申请实施例中多个超导量子控制复用微波器件一同使用的连接示意图，如图5所示，包括：m个超导量子控制复用微波器件，标号分别为CM-1、CM-2、...、CM-m，2m条偏置线电路，图6为图5所示连接示意图的简化图。
其中，CM-1包括：n1个滤波器(标号为Filter 1-1、Filter 1-2、...、Filter 1-n1)、n1个隔离器、n1个电容(标号为Cap 1-1、Cap 1-2、...、Cap 1-n1)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；CM-2包括：n2个滤波器(标号为Filter 2-1、Filter 2-2、...、Filter 2-n2)、n2个隔离器、n2个电容(标号为Cap 2-1、Cap 2-2、...、Cap 2-n2)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；...；CM-m包括：nj个滤波器(标号为Filter m-1、Filter m-2、...、Filter m-nj)、nj个隔离器、nj个电容(标号为Cap m-1、Cap m-2、...、Cap m-nj)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述。其中，m、n1、n2、...、nj均为正整数，且m≥1，n1，n2，...，nj分别≥2。
通过图5和图6所示的实施例，一条微波控制线可以被
Figure GDA0003512829120000071
次控制复用，极大地减少了微波控制线的数量，非常有利于超导量子计算电路的规模化发展。
本申请实施例还提供一种超导量子测试系统，包括：
Figure GDA0003512829120000072
个如前所述的超导量子控制复用微波器件、
Figure GDA0003512829120000073
条偏置线电路，以及室温控制电路和量子芯片；其中，p、q为大于或等于1的整数，mj为大于或等于2的整数；
每根微波控制线连接一个以上超导量子控制复用微波器件，将来自室温控制电路的信号输入该超导量子控制复用微波器件；超导量子控制复用微波器件的输出信号传递给量子芯片。
图7为本申请实施例中超导量子控制复用微波器件用于超导量子测试系统中的第二实施例的简化示意图，如图7所示，包括：
Figure GDA0003512829120000074
个超导量子控制复用微波器件，标号分别为CM-11、CM-12、CM-1m1、CM-21、CM-22、CM-2m2、...、CM-p1、CM-p2、CM-pmq，
Figure GDA0003512829120000075
条偏置线电路，以及室温控制电路和量子芯片。其中，p、q为大于或等于1的整数，mj为大于或等于2的整数。
其中，CM-11包括：n11个滤波器(标号记为Filter 11-1、Filter 11-2、...、Filter11-n11)、n11个隔离器、n11个电容(标号记为Cap 11-1、Cap 11-2、...、Cap 11-n11)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；CM-12包括：n12个滤波器(标号记为Filter 12-1、Filter 12-2、...、Filter 12-n12)、n12个隔离器、n12个电容(标号记为Cap 12-1、Cap 12-2、...、Cap 12-n12)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；...；CM-1m1包括：n1j个滤波器(标号记为Filter 1m1-1、Filter 1m1-2、...、Filter 1m1-n1j)、n1j个隔离器、n1j个电容(标号记为Cap 1m1-1、Cap 1m1-2、...、Cap1m1-n1j)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述。CM-21包括：n21个滤波器(标号记为Filter 21-1、Filter 21-2、...、Filter 21-n21)、n21个隔离器、n21个电容(标号记为Cap 21-1、Cap 21-2、...、Cap 21-n21)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；CM-22包括：n22个滤波器(标号记为Filter 22-1、Filter 22-2、...、Filter 22-n22)、n22个隔离器、n22个电容(标号记为Cap 22-1、Cap 22-2、...、Cap 22-n22)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；...；CM-2m2包括：n2j个滤波器(标号记为Filter 2m2-1、Filter 2m2-2、...、Filter 2m2-n2j)、n2j个隔离器、n2j个电容(标号记为Cap 2m2-1、Cap 2m2-2、...、Cap 2m2-n2j)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述。CM-p1包括：np1个滤波器(标号记为Filter p1-1、Filter p1-2、...、Filter p1-np1)、np1个隔离器、np1个电容(标号记为Cap p1-1、Cap p1-2、...、Cap p1-np1)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；CM-p2包括：np2个滤波器(标号记为Filter p2-1、Filter p2-2、...、Filter p2-n22)、np2个隔离器、np2个电容(标号记为Cap p2-1、Cap p2-2、...、Cap p2-n22)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述；...；CM-pmq包括：npj个滤波器(标号记为Filter pmq-1、Filter pmq-2、...、Filter pmq-n2j)、npj个隔离器、npj个电容(标号记为Cap pmq-1、Cap pmq-2、...、Cap pmq-n2j)，以及两条偏置线电路，各组成部分的连接关系如图2所示，这里不再赘述。其中，
1m1，2m1，...，pmq，n11，n12，...，n1j，n21，n22，...，n2j，...，np1，np2，...，npj都为正整数，且1m1，2m1，...，pmq，n11，n12，...，n1j，n21，n22，...，n2j，...，np1，np2，...，npj分别≥2。
如图7所示的第二实施例中，第1条微波控制线被
Figure GDA0003512829120000081
次控制复用，第2条微波控制线被
Figure GDA0003512829120000082
次控制复用，...，第q条微波控制线被
Figure GDA0003512829120000091
次控制复用，这样，极大地减少了微波控制线的数量，并且，实现了将输出的多个不同频率的量子信号进行精准分频至独立通道后传输，信号之间互不干扰。图7所示，对于CM-11，一根微波控制线控制复用n11根微波控制线，对于CM-12，一根微波控制线控制复用n12根微波控制线，...，对于CM-1m1，一根微波控制线控制复用n1j根微波控制线。对于CM-21，一根微波控制线控制复用n21根微波控制线，对于CM-22，一根微波控制线控制复用n22根微波控制线，...，对于CM-2m2，一根微波控制线控制复用n2j根微波控制线。对于CM-p1，一根微波控制线控制复用np1根微波控制线，对于CM-p2，一根微波控制线控制复用np2根微波控制线，...，对于CM-pmq，一根微波控制线控制复用npj根微波控制线。
相关技术中的超导量子测试系统，如果要实现
Figure GDA0003512829120000092
条量子信号，需要
Figure GDA0003512829120000093
条微波控制线，而采用本申请实施例提供的
Figure GDA0003512829120000094
个超导量子控制复用微波器件，则只需要使用q根微波控制线就可以控制复用
Figure GDA0003512829120000095
条微波控制线。而且，通过对隔离器中电容的电容值的调节，简单地实现了
Figure GDA0003512829120000096
条量子信号通过独立通道的传输，非常有利于超导量子计算电路的规模化发展。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种超导量子控制复用微波器件，包括：集成在一颗芯片上的两个以上滤波器、两个以上隔离器、两个以上电容，以及两条偏置线电路；其中，
滤波器，用于过滤来自一条微波控制线的不同频率的输入信号；
隔离器，用于将来自滤波器的信号进行转换后输出，由四端口的环行器构成，环行器其中两个端口与预设阻值的电阻连接，环行器另外两个端口中的一个端口为输入端口，一个端口为输出端口；
电容，设置在隔离器中，通过调节电容的电容值大小调节隔离器的中心工作频率；
偏置线电路，用于调节隔离器所处的偏置磁场。
2.根据权利要求1所述的超导量子控制复用微波器件，其中，所述两条偏置线电路贯穿于所有所述隔离器，包括：一条Cosine信号的偏置线电路，一条Sine信号的偏置线电路。
3.根据权利要求1所述的超导量子控制复用微波器件，其中，所述预设阻值为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的超导量子控制复用微波器件，其中，部分所述电阻的预设阻值为50欧姆，部分所述电阻的预设阻值不为50欧姆。
5.根据权利要求1～4任一项所述的超导量子控制复用微波器件，其中，每个所述电容的电容值不同。
6.一种超导量子测试系统，包括：
Figure FDA0003542530490000011
个权利要求1～5任一项所述的超导量子控制复用微波器件、
Figure FDA0003542530490000012
条偏置线电路，以及室温控制电路和量子芯片；其中，p、q为大于或等于1的整数，mj为大于或等于2的整数；
每根微波控制线连接一个以上超导量子控制复用微波器件，将来自室温控制电路的信号输入该超导量子控制复用微波器件；超导量子控制复用微波器件的输出信号传递给量子芯片。
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