CN113725349B - 超导量子混合系统与计算机设备 - Google Patents

Abstract

本申请是一种超导量子混合系统与计算机设备，涉及量子计算领域。超导量子混合系统包括：碳化硅外延层以及超导量子比特线路；碳化硅外延层的指定区域内包含氮空穴色心；氮空穴色心是对指定区域的碳化硅外延层注入氮离子形成的；超导量子比特线路位于碳化硅外延层的表面；超导量子比特线路对应的超导量子比特与指定区域中的氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特耦合。上述方案通过离子注入方式可以准确的控制NV色心形成的位置和数量，以便控制固态缺陷量子比特与超导量子比特之间的耦合，使得相干时间短的超导量子比特可以将信息存储至相干时间长的固态缺陷量子比特中，增大了信息的退相干时间，更容易在相干时间内实现有效数量的量子计算操作。

Description

超导量子混合系统与计算机设备

技术领域

本申请涉及量子计算领域，特别涉及一种超导量子混合系统与计算机设备。

背景技术

量子计算机是按照量子计算的基本原理运行的计算机。与经典计算机最显著的差别就是能够利用叠加原理和量子纠缠的特性，具有强大的并行处理能力。

基于不同的物理体系，研究人员提出了不同的量子计算机的构想，包括基于约瑟夫森结的超导量子比特。超导量子比特是利用约瑟夫森结这一核心元件(相当于谐振子中的非线性电感)构造出多能级系统，且约瑟夫森结构建的超导量子比特易于扩展，容易耦合成多量子比特，以实现量子计算。

在上述方案中，基于约瑟夫森结构建的超导量子比特的相干性差，相干时间较短，难以实现在相干时间内实现有效数量的量子计算操作。

发明内容

本申请实施例提供了一种超导量子混合系统与计算机设备，可以使得相干时间短的超导量子比特将信息存储至相干时间长的固态缺陷量子比特中，增大了信息的退相干时间，更容易在相干时间内实现有效数量的量子计算操作，该技术方案如下：

一方面，提供了一种超导量子混合系统，所述系统包括：碳化硅外延层以及超导量子比特线路；

所述碳化硅外延层的指定区域内包含氮空穴色心；所述氮空穴色心是对指定区域的所述碳化硅外延层注入氮离子形成的；

所述超导量子比特线路位于所述碳化硅外延层的表面；所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述指定区域中的所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特耦合。

另一方面，提供了一种计算机设备，所述计算机设备包含至少一个上述的超导量子混合系统。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在超导量子混合系统中通过离子注入的方式在碳化硅外延层的指定区域中形成氮空穴色心，并且该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特与该超导量子比特线路对应的超导量子比特之间是耦合的。通过上述方案，该通过离子注入方式形成的氮空穴色心可以准确的控制NV色心形成的位置和数量，便于控制该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特与该超导量子比特线路对应的超导量子比特之间的耦合，使得相干时间短的超导量子比特更容易与相干时间长的固态缺陷量子比特实现量子态的互换，即相干时间短的超导量子比特可以将信息存储至相干时间长的固态缺陷量子比特中，增大了信息的退相干时间，更容易在相干时间内实现有效数量的量子计算操作。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种超导量子混合系统的竖直截面示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种超导量子混合系统的上表面示意图。

图3示出了图2所示实施例涉及的不同超导量子比特对应的超导量子比特线路示意图。

图4示出了图2所示实施例涉及的一种谐振腔读取示意图。

图5示出了图2所示实施例涉及的一种氮离子注入碳化硅外延层示意图。

图6示出了图2所示实施例涉及的一种能级调节示意图。

图7示出了图2所示实施例涉及的一种指定区域氮空穴色心示意图。

图8示出了图2所示实施例涉及的一种指定区域氮空穴色心示意图。

图9是根据一示例性实施例示出的一种超导量子比特与NV色心的混合量子系统示意图。

图10示出了超导量子比特与NV色心的混合量子系统的简易电路图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

应当理解的是，在本文中提及的“若干个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

为了便于理解，下面对本申请各个实施例涉及到的相关名词进行介绍。

1)超导量子比特

超导量子比特是以量子力学为理论基础，约瑟夫森结(Josephson junction)为基本载体的量子两能级系统。超导量子比特具有可与传统的微电子加工技术兼容、可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势，所以这是一种很有前景的实现量子计算机的方案之一。对比经典比特之间的逻辑运算和计算处理，根据实现量子计算机的物理载体必须具备第三个条件可知，要实现可控的量子比特之间的相干性以及退相干时间，这些都是实现量子计算机的一个必要条件。

2)氮空穴色心

NV(Nitrogen Vacancy Center，氮空穴色心)色心是金刚石或碳化硅中的一种发光点缺陷。一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空位，这样的点缺陷被称为NV色心(或NV^-色心)。NV色心在激光(如532nm)的泵浦下表现出较强的荧光，并在室温下可观测到其零声子线。由于NV的荧光非常稳定，是一种良好的单光子源，被用于量子密钥分配、生物荧光标记等实验。NV色心的自旋可通过激光和微波实现操作和探测。但金刚石的荧光范围在1000nm-1400nm，不适合做衬底加工超导量子芯片，而碳化硅中的NV可以用800-900nm的激光进行激发，碳化硅的NV的零场分量D一般在1.33GHz，且碳化硅中的NV的荧光属于通信波段，该量子混合系统有助于光子-超导量子比特量子网络的最终实现。另外由于NV的电子自旋相干时间可达毫秒量级，它被认为是一种十分具有潜力的量子计算机系统。利用NV的量子寄存器、量子纠错等实验被验证。同时NV也可作为纳米尺寸的传感器，用于磁场、电场、温度等物理量的测量。

3)自旋

自旋，即是由粒子内禀角动量引起的内禀运动。在量子力学中，自旋(Spin)是粒子所具有的内禀性质，其运算规则类似于经典力学的角动量，并因此产生一个磁场。虽然有时会与经典力学中的自转(例如行星公转时同时进行的自转)相类比，但实际上本质是迥异的。自旋被视为一种内在性质，为粒子与生俱来带有的一种角动量，并且其量值是量子化的，无法被改变。自旋为半整数的粒子称为费米子，服从费米-狄拉克统计；自旋为非负整数的粒子称为玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。

4)哈密顿量

哈密顿量是所有粒子的动能的总和加上与系统相关的粒子的势能。对于不同的情况或数量的粒子，哈密顿量是不同的，因为它包括粒子的动能之和以及对应于这种情况的势能函数。在量子力学中，可以通过哈密顿算符作用在粒子的能量本征态上读取出粒子的哈密顿量。哈密顿算符(Hamiltonian)

为一个可观测量(Observable)，对应于系统的总能量。如其他所有算符，哈密顿算符的谱为测量系统总能时所有可能结果的集合。

请参考图1，其是根据一示例性实施例示出的一种超导量子混合系统的竖直截面示意图。如图1所示，该超导量子混合系统包括：碳化硅外延层110以及超导量子比特线路120；

其中，碳化硅(SiC，Silicon Carbide)是C(Carbon，碳)元素与Si(Silicon，硅)元素形成的化合物，其中六方结构的4H型SiC(4H-SiC)具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，在本申请实施例中，可以优选使用4H型SiC。

与传统硅功率器件的制造工艺不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，需要在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，即通过化学气相沉积等外延技术，在如图1所示的碳化硅衬底111上生长出高精度的碳化硅外延层110，并在该碳化硅外延层110上制造各类器件。

该碳化硅外延层的指定区域内包含氮空穴色心；该氮空穴色心是对指定区域的该碳化硅外延层注入氮离子形成的。

在一种可能的实现方式中，可以通过离子注入法注入指定区域的碳化硅外延层，在该指定区域的碳化硅外延层生成NV色心。

该超导量子比特线路位于该碳化硅外延层的表面；该超导量子比特线路对应的超导量子比特与指定区域中的该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特耦合。

其中，该超导量子比特线路是由MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)铝膜以及约瑟夫森结构成的，该超导量子比特线路位于该碳化硅外延层的表面，且该碳化硅外延层的指定区域内存在氮空穴色心，该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该指定区域内的氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特可以实现耦合。其中，该指定区域可以是与该超导量子比特线路对应的碳化硅外延层区域。

综上所述，在本申请实施例所示的技术方案中，在超导量子混合系统中通过离子注入的方式在碳化硅外延层的指定区域中形成氮空穴色心，并且该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特与该超导量子比特线路对应的超导量子比特之间是耦合的。通过上述方案，该通过离子注入方式形成的氮空穴色心可以准确的控制NV色心形成的位置和数量，便于控制该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特与该超导量子比特线路对应的超导量子比特之间的耦合，使得相干时间短的超导量子比特更容易与相干时间长的固态缺陷量子比特实现量子态的互换，即相干时间短的超导量子比特可以将信息存储至相干时间长的固态缺陷量子比特中，增大了信息的退相干时间，更容易在相干时间内实现有效数量的量子计算操作。

基于图1所示的超导量子混合系统，请参考图2，其是根据一示例性实施例示出的一种超导量子混合系统的上表面示意图。如图2所示，该超导量子混合系统的表面包括：超导量子比特线路210、第一谐振腔220、读取线路230以及量子耦合器240。

在一种可能的实现方式中，该超导量子混合系统中的超导量子比特线路210、第一谐振腔220、读取线路230以及量子耦合器240均位于碳化硅外延层的表面上。

在一种可能的实现方式中，该超导量子比特线路对应的超导量子比特可以是超导磁通量子比特(Flux qubit)、超导电荷量子比特(Charge qubit)、超导传输子量子比特(Transmon qubit)以及超导相位量子比特(Phase qubit)中的任意一种。

请参考图3，其示出了本申请实施例涉及的不同超导量子比特对应的超导量子比特线路示意图。图3中的301部分为超导磁通量子比特(flux qubit)对应的超导量子比特线路，其核心区域是由三个通过超导线路连接的约瑟夫森结构成的。该超导磁通量子比特通过两个相同的约瑟夫森结(约瑟夫森能量E_J)以及一个不同的约瑟夫森结(约瑟夫森能量为αE_J)，构造出可通过调节磁通来调节f10(第一激发态和基态的能级差)的二能级系统，该三个约瑟夫森结与超导线路构成的超导量子线路对应的基态与第一激发态分别作为超导量子比特的|0>态与|1>态。

图3中的302部分为超导相位量子比特对应的超导量子比特线路，即对该约瑟夫森结施加一个电压偏置，在该超导量子比特线路中，该约瑟夫森结的势垒高度可以方便地由对该约瑟夫森结施加的偏置电流I调节，即可以通过偏置电流调节在势垒构成的势阱仅存在两个最低的能量本征态，并将该两个最低的能量本征态作为超导量子比特的|0>态与|1>态。在实际应用中，超导相位量子比特也可以在增加电压偏置的同时增加一定的磁通偏置，形成磁通相位杂化的超导量子比特，以便对该超导量子比特的读取。

图3中的303部分为超导电荷量子比特对应的超导量子比特线路，即通过一个带有n个过量的Cooper对的超导体，也叫Cooper对盒(Cooper-pairbox)、一个约瑟夫森结通过电容加上门电压Vg，实现对Cooper对盒上的电子对数的控制，其中描述Cooper对盒上的电子数目的态可作为超导量子比特的|0>态与|1>态。

图3中的304部分为超导传输子量子比特(transmon qubit)对应的超导量子比特线路，由于约瑟夫森结是在超导体中增加了一层较薄的绝缘体，因此该绝缘体两侧的超导体距离很近，分布在该绝缘体两侧的Cooper对会相互耦合，其波函数会发生联系，由于隧穿效益，cooper对有概率穿过该较薄绝缘体形成的势垒，使得cooper对在两个超导体之间流动，形成超导电流当超导电流流过约瑟夫森结时，结中会储存一定的能量，类似于电感。用约瑟夫森结替代电感接入LC振荡器，如下图所示，就构成了一个transmon qubit。通过求解该约瑟夫森结在电路中作为电感存储的能量，得到系统的哈密顿量，以得到LC振荡器的震荡的两个最低点作为超导量子比特的|0>态与|1>态。

该系统还包括第一谐振腔220；该第一谐振腔220与该超导量子比特线路210耦合。

在一种可能的实现方式中，该第一谐振腔与该超导量子比特线路在指定位置耦合；该指定位置是由该超导量子比特的种类确定的。

其中，由于超导磁通量子比特与超导相位量子比特对磁场的敏感度更高，因此当该超导量子比特是超导磁通量子比特或超导相位量子比特时，此时指定位置为该谐振腔的中心，即该超导量子比特应该在谐振腔的中心位置(即谐振腔的电压波结处，此处磁场最大)与该谐振腔耦合，使超导量子比特与谐振腔的耦合强度最大。

当该超导量子比特是超导电荷量子比特或超导传输子量子比特时，此时指定位置为该谐振腔的两侧，即该超导量子比特应该在谐振腔的两侧(即谐振腔的电压波腹处，此处电场最大)与该谐振腔耦合，使超导量子比特与谐振腔的耦合强度最大。

在一种可能的实现方式中，该第一谐振腔220与该超导量子比特线路210通过该第一谐振腔与该超导量子比特线路之间的电容在指定位置直接耦合。

其中，该第一谐振腔与该超导量子比特线路的电容是该第一谐振腔与该超导量子比特线路之间的等效电容。即该碳化硅外延层上的第一谐振腔与超导量子比特线路，可以通过该第一谐振腔与该超导量子比特线路之间的等效电容，实现该第一谐振腔与该超导量子比特线路之间的耦合。

当该第一谐振腔与该超导量子比特线路耦合时，该第一谐振腔与该超导量子比特线路对应的超导量子比特的能量互相影响，即该第一谐振腔在于该超导量子比特进行耦合后，该第一谐振腔与该超导量子比特构成了一个耦合系统，且在该耦合系统中，该第一谐振腔的固有频率会发生一定的偏移，且该偏移量与该超导量子比特所处的态有关，因此可以根据该第一谐振腔的频率的偏移量确定该超导量子比特所处的态，以实现对该超导量子比特的读取。

该系统还包括读取线路230，该读取线路230通过第一电容或第一电感与该第一谐振腔耦合。

该读取线路230可以通过第一电容或第一电感与该第一谐振腔耦合，根据该读取线路反馈的信号，获取该第一谐振腔固有频率的偏移，以确定与该第一谐振腔耦合的超导量子比特的能级，实现对该超导量子比特的读取。

请参考图4，其示出了本申请实施例涉及的一种谐振腔读取示意图。图4中的401部分是该读取线路通过第一电感与该第一谐振腔耦合示意图，其中，读取线路的一侧向第一电感发送输入信号，经过与该谐振腔耦合的第一电感后，得到输出信号，根据该输入信号与该输出信号的幅度差和/或相位差，可以获取此时该第一谐振腔的频率。

同理，图4中的402部分是该读取线路通过第一电容与该第一谐振腔耦合示意图，其中，读取线路的一侧向第一电容发送输入信号，经过与该谐振腔耦合的第一电容后，得到输出信号，根据该输入信号与该输出信号的幅度差和/或相位差，可以获取此时该第一谐振腔的频率。

根据该第一谐振腔此时的频率与该第一谐振腔固有频率的偏移量，可以确定与该第一谐振腔耦合的超导量子比特所处的态。

在一种可能的实现方式中，该超导量子混合系统中可以仅包含一个超导量子比特线路，该超导量子混合系统中存在与该超导量子比特线路对应的指定区域，该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该指定区域内的氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特耦合。

在另一种可能的实现方式中，该超导量子系统中包含至少两个超导量子比特线路，该至少两个超导量子比特线路通过量子耦合器240进行耦合。

即该超导量子系统中包含至少两个超导量子比特线路对应的超导量子比特，各个超导量子比特可以是相同类型的超导量子比特，例如各个超导量子比特都为超导磁通量子比特；或者各个超导量子比特可以包含不同类型的超导量子比特，即该至少两个超导量子比特线路可以是不同类型的超导量子比特对应的超导量子比特线路。

在一种可能的实现方式中，该量子耦合器包括第二电容，第二电感与第二谐振腔中的至少一种。

在多个超导量子比特线路实现超导量子比特之间的耦合时，可以通过多个量子耦合器将多个超导量子比特线路进行耦合。

在一种可能的实现方式中，该多个量子耦合器可以是相同类型的量子耦合器，例如该多个量子耦合器可以都为第二电容、或者该多个量子耦合器可以都为第二电感、或者该多个量子耦合器可以都为第二谐振腔。

在另一种可能的实现方式中，该多个量子耦合器可以包括不同类型的量子耦合器，例如该多个量子耦合器可以包含第二电容、第二电感以及第二谐振腔之间的至少两种。

在一种可能的实现方式中，该量子耦合器可以是根据连接的超导量子比特线路确定的。例如，为了保证耦合强度，对于超导磁通量子比特、超导电荷量子比特、超导传输子量子比特以及超导相位量子比特，可以选择不同类型的量子耦合器，在一个超导量子系统上，实现不同类型的超导量子比特之间的耦合。

其中，该碳化硅外延层的指定区域内包含氮空穴色心；该氮空穴色心是对指定区域的该碳化硅外延层注入氮离子形成的；该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该指定区域中的该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特耦合。

在一种可能的实现方式中，该指定区域的氮空穴色心的数量是根据注入该指定区域的碳化硅外延层的氮离子浓度确定的。

请参考图5，其示出了本申请实施例涉及的一种氮离子注入碳化硅外延层示意图。如图5所示，在通过离子注入法实现在指定区域的碳化硅外延层生成NV色心时，可以在碳化硅衬底502上的碳化硅外延层501表面旋涂一层PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)膜，在希望生成色心的位置利用电子束曝光显影(Electron-beam lithography)做出相应的形状，并利用一定剂量的氮离子注入，被PMMA保护的区域不会产生NV色心。通过离子注入法在指定区域注入氮离子时，所生成的NV密度将随着注入氮离子的剂量增大而增大,一般可以在0-10²¹cm^-3范围内，例如，当注入深度为100nm，在1um的磁通量子比特fluxqubit结区范围(即磁通量子比特对应的指定区域)内NV的数量可以控制在0-10⁹个。

在一种可能的实现方式中，该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特直接耦合；或者，该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特间接耦合。

在本申请实施例中，该超导量子比特线路可以通过磁场等方式实现与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的直接耦合；或者该超导量子比特线路可以通过谐振腔等方式实现与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的间接耦合。

由于该超导量子比特线路对应的超导量子比特的扩展性较好，可以将多个超导量子比特线路对应的超导量子比特之间通过电容等方式实现耦合，从而实现多比特的量子计算，提高了量子计算机的计算效率；但该超导量子比特的相干性较差，容易受到环境的影响导致退相干，因此在该较短的相干时间内，无法实现有效次数的量子计算。

当该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特实现耦合后，该各个超导量子比特线路对应的超导量子比特可以与该各个超导量子比特线路对应的氮空穴色心的固态缺陷量子比特进行耦合，即N个耦合的超导量子比特可以分别与N个(或者N个系综)固态缺陷量子比特进行耦合，该N个(或者N个系综)的固态缺陷量子比特可以等效于寄存器的作用，用于保存该N个耦合的超导量子比特的量子态，且该固态缺陷量子比特的相干时间较长，数据保存的有效期更长，更容易实现有效的量子计算。

但实现超导量子比特与该固态缺陷量子比特之间的量子态互换，需要将该超导量子比特对应的能级差与固态缺陷量子比特之间的能级差调至相近。如图6所示，其示出了本申请实施例涉及的一种能级调节示意图。对于超导量子比特，对于不同类型的超导量子比特，可以使用不同的方式对能级进行调节，以超导磁通量子比特为例，图6中的601部分为磁通量子比特的能级示意图，可以通过调节穿过该超导量子比特线路的磁通量，调节该超导磁通量子比特对应的基态至第一激发态的能级差；而对于固态缺陷量子比特而言，可以通过对该NV色心施加磁场，是的NV的自旋磁矩与磁场相互作用，使得简并的第一激发态(ms＝±1的能级)劈裂为两个能级(即ms为1的能级以及ms为-1的能级)，如图6中的602部分所示，且劈裂频率可以通过磁场的大小进行调控(即塞曼效应)，此时可以将基态与ms为1的能级作为固态缺陷量子比特，也可以将基态与ms为-1的能级作为固态缺陷量子比特。且由于固态缺陷量子比特的能级差与超导量子比特的能级差都是可以调节的，因此，当两个系统的能级调节到接近时，在耦合较强的能够发生量子态的互换，这就形成了一个量子混合系统。

在一种可能的实现方式中，当该超导量子比特线路对应的超导量子比特是该超导磁通量子比特与该超导相位量子比特中的任意一种时，该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特直接耦合；

或者，当该超导量子比特线路对应的超导量子比特是该超导磁通量子比特与该超导相位量子比特中的任意一种时，该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特间接耦合。

当该超导量子比特线路对应的超导量子比特是该超导磁通量子比特与该超导相位量子比特中的任意一种时，该超导量子比特线路的能级都与该超导量子比特线路中的电子流有关，该电子在该超导量子比特线路中形成的电流会产生相应的磁场，当该氮空穴色心在该超导量子比特线路形成的电流对应的磁场范围内时，该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的自旋角动量会受到该磁场的影响，从而导致该氮空穴色心的能级发生改变，从而形成该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特与该超导量子比特线路对应的超导量子比特(即超导磁通量子比特或超导相位量子比特)发生耦合效应(即通过磁场直接耦合)。

当该超导量子比特线路对应的超导量子比特是该超导磁通量子比特与该超导相位量子比特中的任意一种时，该超导量子比特线路还可以通过其他电子器件实现与氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的间接耦合。

在一种可能的实现方式中，当该超导量子比特线路对应的超导量子比特是该超导电荷量子比特与该超导传输子量子比特中的任意一种时，该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特间接耦合。

当该超导量子比特线路对应的超导量子比特是超导电荷量子比特或超导传输子量子比特时，该超导量子比特线路不易通过磁场与电场实现与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的直接耦合，因此需要通过其他电子器件实现与氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的间接耦合。

在一种可能的实现方式中，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特通过第一谐振腔间接耦合。

其中，该超导量子比特线路对应的超导量子比特可以与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特通过第一谐振腔实现间接耦合。

即该第一谐振腔可以与该超导量子比特线路耦合的同时，与该氮空穴色心的固态缺陷量子比特实现耦合，从而实现该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的耦合。

在一种可能的实现方式中，当所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特直接耦合时，所述指定区域是所述超导量子比特线路对应的区域。

当该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特通过磁场直接耦合时，此时该超导量子比特线路对应的超导量子比特为超导磁通量子比特或超导相位量子比特，此时该指定区域是该超导量子比特线路所围成的区域。如图7所示，其示出了本申请实施例涉及的一种指定区域氮空穴色心示意图。图7中该超导量子比特是由三个约瑟夫森结与超导线路构成的超导磁通量子比特，该指定区域即为该约瑟夫森结与该超导线路围成的区域，在该区域内通过离子注入法注入氮离子生成的氮空穴色心可以与该超导磁通量子比特直接耦合。

在一种可能的实现方式中，当所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特通过第一谐振腔间接耦合时，所述指定区域是所述第一谐振腔对应的区域。

当该超导量子比特线路对应的超导量子比特与该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特通过第一谐振腔间接耦合时，此时该指定区域是该第一谐振腔中心的外延层区域。

由于在谐振腔内部，谐振腔的中心区域(或电压波结处)电流最大磁场最大，因此为了保证该谐振腔与氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特的耦合强度，将该谐振腔的中心确定为指定区域，并在该指定区域注入氮离子。请参考图8，其示出了本申请实施例涉及的一种指定区域氮空穴色心示意图。如图8所示，在该谐振腔的中心区域注入氮离子形成的NV色心801对应的固态缺陷量子比特，与该谐振腔通过磁场耦合的耦合强度最大，因此该中心区域(即目标区域)的与该超导量子比特线路的耦合强度也最大。

综上所述，本申请实施例所示的方案，在超导量子混合系统中通过离子注入的方式在碳化硅外延层的指定区域中形成氮空穴色心，并且该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特与该超导量子比特线路对应的超导量子比特之间是耦合的。通过上述方案，该通过离子注入方式形成的氮空穴色心可以准确的控制NV色心形成的位置和数量，便于控制该氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特与该超导量子比特线路对应的超导量子比特之间的耦合，使得相干时间短的超导量子比特更容易与相干时间长的固态缺陷量子比特实现量子态的互换，即相干时间短的超导量子比特可以将信息存储至相干时间长的固态缺陷量子比特中，增大了信息的退相干时间，更容易在相干时间内实现有效数量的量子计算操作。

图9是根据一示例性实施例示出的一种超导量子比特与NV色心的混合量子系统示意图。以该超导量子比特是超导磁通量子比特为例，该混合系统主要包括了读取线路901、谐振腔902、磁通量子比特903结区部分以及磁通偏置线904，比特与比特之间量子耦合器905(quantum bus)耦合。该磁通偏置线904用于调节磁通量子比特的比特频率使之与NV产生共振。

在本申请实施例中，该NV色心位于该超导量子比特对应的超导量子比特线路内，并通过磁场与该超导磁通量子比特直接耦合。

图10示出了超导量子比特与NV色心的混合量子系统的简易电路图。如图10所示，当考虑通过谐振腔读取磁通量子比特的过程时，磁通量子比特1001与谐振腔1002通过电容C_gr(即磁通量子比特1001与谐振腔1002之间的等效电容)耦合，当比特频率和谐振腔频率相差较大时，系统哈密顿量为：

其中，

为磁通量子比特1001的主量子数算符，当该算符作用在该系统的能量本征态上时，可以得出该系统对应的磁通量子比特的能级；ω_q为比特角频率，可通过磁通Φ来调节；ω_r为谐振腔角频率；

为谐振腔光子数算符，用于读取该系统能量本征态下的谐振腔光子数(即谐振腔能级)，

为该谐振腔与该磁通量子比特的耦合项，χ为比特处于不同态时候的谐振腔的偏移，读取线路1003与谐振腔1002采用电感耦合，通过测量谐振腔的频率从而分析出比特所处的态。磁通偏置线1004的作用为通过电感耦合，在矩形结区形成等效的磁通Φ从而调节比特频率。

在4H-SiC中的NV的电子自旋基态自旋为1，整个自旋的哈密顿量

可以写成：

其中D和E是零场分裂的轴向对称以及各向异性常数，

为约化普朗克常数。S_x,S_y,S_z为自旋为1的泡利算符，S为自旋量子数算符。g＝2是电子g因子，μ_B是玻尔磁子，B为所加的磁场。如NV的零场分量D一般在1.33GHz。如果加上磁场B，m_s＝±1将会以2.8MHz/G的斜率劈裂。所以，磁场B可以实现对NV能级的直接调控。对于flux qubit磁通量子比特，通过调节结区的磁通能够调节0和1能级差，所以两个系统的能级都能够被调节。

由于调节磁场B，可以使NV原有的第一激发态能级劈裂为自旋为1的能级以及自旋为-1的能级，且劈裂的频率大小可以根据磁场B进行控制，因此可以将NV的基态与自旋为1的能级作为NV的固态缺陷量子比特，或者可以将NV的基态与自旋为-1的能级作为NV的固态缺陷量子比特。

且通过磁通偏置线1001，可以调节超导磁通量子比特的基态与第一激发态的能级差，当通过磁通偏置线1001与磁场B中至少一者的调控，使超导磁通量子比特的能级差与NV的固态缺陷量子比特的能级差相近时，可以发生NV与超导磁通量子比特的能级互换，使得相干时间短的超导磁通量子比特的信息存储至相干时间长的固态缺陷量子比特中。

单个NV与flux qubit磁通量子比特(结区边长约1um，临界电流I_c约0.5uA)耦合强度(即发生能级交换的频率)大概在10kHz左右，此时能级交换的时间在0.1ms左右，远大于超导磁通量子比特的相干时间，这样的强度在现有的技术下很难有任何实质的量子态交换的演示。可以通过将单个NV替换成系棕的方法，因为耦合强度大概正比于

N为fluxqubit所耦合的NV的个数。此时，混合系统的哈密顿量为：

其中∈为能量偏置，与磁通Φ有关。λ为遂穿强度。该哈密顿量中前一项为比特，中间两项是系棕NV，最后一项是耦合项。由于与磁通量子比特flux qubit发生耦合的NV数量为N，因此后三项为N个NV的求和。控制离子的注入可以将NV的数量控制在0-10⁹个，这样耦合强度也可以在10kHz到316MHz。当耦合强度达到几十MHz量级时，通过演示拉比震荡，两个系统量子态的交换将会比较容易的达成。

需要注意的是，本申请实施例中的磁通量子比特也可以替换为超导相位量子比特、超导传输子量子比特以及超导电荷量子比特中的任意一者，并相应的将量子比特对应的超导量子比特线路进行替换，替换后的超导量子比特同样可以通过对应的方式实现能级的调节，以达到与NV色心的量子态交换。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机设备，所述计算机设备中包含至少一个上述各个实施例所示的超导量子混合系统。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (15)

1.一种超导量子混合系统，其特征在于，所述系统包括：碳化硅外延层以及超导量子比特线路；

所述碳化硅外延层的指定区域内包含氮空穴色心；所述氮空穴色心是对指定区域的所述碳化硅外延层注入氮离子形成的；

所述超导量子比特线路位于所述碳化硅外延层的表面；所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述指定区域中的所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特耦合；所述固态缺陷量子比特的相干时间大于所述超导量子比特的相干时间。

2.根据权利要求1所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特是超导磁通量子比特、超导电荷量子比特、超导传输子量子比特以及超导相位量子比特中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述系统还包括第一谐振腔；所述第一谐振腔与所述超导量子比特线路耦合。

4.根据权利要求3所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述第一谐振腔与所述超导量子比特线路在指定位置耦合；所述指定位置是由所述超导量子比特线路的种类确定的。

5.根据权利要求4所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述第一谐振腔与所述超导量子比特线路通过所述第一谐振腔与所述超导量子比特线路之间的电容在所述指定位置直接耦合。

6.根据权利要求1至5任一所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特直接耦合；

或者，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特间接耦合。

7.根据权利要求6所述的超导量子混合系统，其特征在于，当所述超导量子比特线路对应的超导量子比特是所述超导磁通量子比特与所述超导相位量子比特中的任意一种时，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特直接耦合；

或者，当所述超导量子比特线路对应的超导量子比特是所述超导磁通量子比特与所述超导相位量子比特中的任意一种时，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特间接耦合。

8.根据权利要求6所述的超导量子混合系统，其特征在于，当所述超导量子比特线路对应的超导量子比特是所述超导电荷量子比特与所述超导传输子量子比特中的任意一种时，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特间接耦合。

9.根据权利要求3所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特通过所述第一谐振腔间接耦合。

10.根据权利要求6所述的超导量子混合系统，其特征在于，当所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特直接耦合时，所述指定区域是所述超导量子比特线路对应的区域。

11.根据权利要求4所述的超导量子混合系统，其特征在于，当所述超导量子比特线路对应的超导量子比特与所述氮空穴色心对应的固态缺陷量子比特通过所述第一谐振腔间接耦合时，所述指定区域是所述第一谐振腔对应的区域。

12.根据权利要求3所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述系统还包括读取线路；所述读取线路通过第一电容或第一电感与所述第一谐振腔耦合。

13.根据权利要求1所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述指定区域的氮空穴色心的数量是根据注入所述指定区域的碳化硅外延层的氮离子浓度确定的。

14.根据权利要求1所述的超导量子混合系统，其特征在于，所述超导量子混合系统中包含至少两个超导量子比特线路；所述至少两个超导量子比特线路通过量子耦合器进行耦合。

15.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包含至少一个如权利要求1至14任一所述的超导量子混合系统。

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