CN113841167A - 用于量子信息的光学换能的超导内插器 - Google Patents

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Abstract

一种用于量子信息的光学换能的系统，包括：量子位芯片，所述量子位芯片包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位，以及与所述量子位芯片间隔开的换能芯片，所述换能芯片包括微波到光频率换能器。该系统包括耦合到所述量子位芯片和所述换能芯片的内插器，所述内插器包括介电材料，所述介电材料包括形成在其中的多个超导微波波导。所述多个超导微波波导被配置为将量子信息从所述多个数据量子位传输到所述换能芯片上的微波到光频率换能器，并且所述微波到光频率换能器被配置为将所述量子信息从微波频率转换到光频率。

Description

用于量子信息的光学换能的超导内插器
技术领域
本发明的当前要求保护的实施例涉及用于量子信息的光学换能(opticaltransduction)的系统和方法，并且更具体地，涉及用于量子信息的光学换能的超导内插器(superconducting interposer)。
背景技术
超导量子位在电磁频谱的微波范围内工作。在微波频率下，微波传输线(即同轴电缆、印刷电路板中的带状线)损耗非常大(约1dB/英尺衰减)。这些损耗阻止量子信息被传输得很远。例如，该损耗妨碍了使用微波传输线将量子信息传输到稀释制冷机环境之外。光学换能将微波光子转换成光频率(即电信范围约1550nm)。在电磁频谱的这种状态下，光子可以通过光纤或自由空间几乎无损耗地(约0.2dB/km)传播。然而，量子位和光学换能器的材料和操作通常是不兼容的。
因此，在本领域中需要解决上述问题。
发明内容
从第一方面来看，本发明提供了一种用于量子信息的光学换能的系统，包括：量子位芯片，所述量子位芯片包括被配置成在微波频率下工作的多个数据量子位；与所述量子位芯片间隔开的换能芯片，所述换能芯片包括微波到光频率换能器(microwave-to-optical frequency transducer)；以及耦合到所述量子位芯片和所述换能芯片的内插器，所述内插器包括介电材料，所述介电材料包括形成在其中的多个超导微波波导，其中所述多个超导微波波导被配置为将量子信息从所述多个数据量子位传输到所述换能芯片上的所述微波到光频率换能器，并且其中所述微波到光频率换能器被配置为将所述量子信息从所述微波频率转换到光频率。
从另一方面来看，本发明提供了一种用于执行量子信息的光学换能的方法，包括：提供量子位芯片，所述量子位芯片包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位；将量子信息从所述多个数据量子位传输到与所述量子位芯片间隔开的换能芯片，所述换能芯片包括微波到光频率换能器；使用布置在所述量子位芯片和所述换能芯片之间的电介质内插器，在屏蔽所述多个数据量子位免受杂散光场的同时执行所述量子信息的微波到光频率转换；以及输出所述量子信息作为光频率信号。
从另一方面来看，本发明提供了一种量子计算机，包括：真空下的制冷系统，其包括安全壳；以及本发明的系统，其中所述系统被容纳在由安全壳限定的制冷真空环境内。
从另一方面来看，本发明提供了一种量子计算机，包括：一种真空下的制冷系统，其包括安全壳；包含在由所述安全壳限定的制冷真空环境中的量子位芯片(qubit chip)，其中所述量子位芯片包括被配置成在微波频率下工作的多个数据量子位；换能芯片(transduction chip)，其被包含在由所述安全壳限定的所述制冷真空环境内，所述换能芯片与所述量子位芯片间隔开并且包括微波到光频率换能器；以及包含在由所述安全壳限定的制冷真空环境内的内插器，所述内插器耦合到所述量子位芯片和所述换能芯片，所述内插器包括介电材料，所述介电材料包括形成在其中的多个超导微波波导，其中所述多个超导微波波导被配置为将量子信息从所述多个数据量子位传输到所述换能芯片上的所述微波到光频率换能器，并且其中所述微波到光频率换能器被配置为将所述量子信息从所述微波频率转换到光频率。
根据本发明的实施例，一种用于量子信息的光学换能的系统包括量子位芯片，所述量子位芯片包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位，以及与所述量子位芯片间隔开的换能芯片，所述换能芯片包括微波到光频率换能器。所述系统包括耦合到所述量子位芯片和所述换能芯片的内插器，所述内插器包括介电材料，所述介电材料包括形成在其中的多个超导微波波导。所述多个超导微波波导被配置为将量子信息从所述多个数据量子位传输到换能芯片上的微波到光频率换能器，并且微波到光频率换能器被配置为将量子信息从微波频率转换为光频率。
根据本发明的一个实施例，一种用于执行量子信息的光学换能换的方法包括：提供量子位芯片，所述量子位芯片包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位，以及将量子信息从所述多个数据量子位传输到与所述量子位芯片间隔开的换能芯片，所述换能芯片包括微波到光频率换能器。该方法包括使用布置在所述量子位芯片和所述换能芯片之间的电介质内插件，在屏蔽所述多个数据量子位免受杂散光场的同时执行所述量子信息的微波到光频率转换，以及输出所述量子信息作为光频率信号。
根据本发明的一个实施例，一种量子计算机包括：真空下的制冷系统，所述制冷系统包括安全壳和包含在由所述安全壳限定的制冷真空环境内的量子位芯片，其中所述量子位芯片包括被配置成在微波频率下工作的多个数据量子位。所述系统还包括换能芯片，所述换能芯片被包含在由所述安全壳限定的所述制冷真空环境内，所述换能芯片与所述量子位芯片间隔开并且包括微波到光频率换能器。所述系统包括包含在由所述安全壳限定的所述制冷真空环境内的内插器，所述内插器耦合到所述量子位芯片和所述换能芯片，所述内插器包括介电材料，所述介电材料包括形成在其中的多个超导微波波导。所述多个超导微波波导被配置为将量子信息从所述多个数据量子位传输到所述换能芯片上的微波到光频率换能器，并且微波到光频率换能器被配置为将量子信息从微波频率转换为光频率。
附图说明
现在将参照优选实施例仅通过示例的方式描述本发明，如以下附图所示：
图1是根据本发明的实施例的用于量子信息的光学换能的系统的示意图。
图2A是根据本发明的实施例的换能芯片的示意图。
图2B是根据本发明的实施例的量子位芯片的示意图。
图2C是根据本发明的实施例的内插器的示意图。
图2D是根据本发明实施例的耦合到图2A的换能芯片和图2B的量子位芯片的图2C的内插器的示意图。
图3A是包括两个换能量子位的换能芯片的示意图。
图3B是根据本发明的实施例的内插器的示意图。
图3C是耦合到图3A的换能芯片和量子位芯片的图3B的内插器的示意图。
图4是耦合到内插器的相同表面的量子位芯片和换能芯片的示意图。
图5是示出用于执行量子信息的光学换能的方法的流程图。
图6是根据本发明的实施例的量子计算机的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的用于量子信息的光学换能的系统100的示意图。系统100包括量子位芯片102，该量子位芯片包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位104、106、108。系统100包括与量子位芯片102间隔开的换能芯片110。换能芯片110包括微波到光频率换能器(图1中未示出；见图2A)。系统100包括耦合到量子位芯片102和换能芯片110的内插器112。内插器112包括介电材料114，介电材料114包括形成在其中的多个超导微波波导116、118、120。多个超导微波波导116、118、120被配置为将量子信息从多个数据量子位104、106、108传输到换能芯片110上的微波到光频率换能器。微波到光频率换能器被配置成将量子信息从微波频率转换到光频率。尽管图1的实施例示出了具有特定数量的数据量子位、微波到光频率换能器、以及超导微波波导的示例，但是本发明的实施例并不限于这些特定的数量。本发明的实施例可以包括更多或更少的数据量子位、微波到光频率换能器和超导微波波导。
根据本发明的实施例，微波到光频率换能器还被配置为将量子信息从光频率转换到微波频率，并且多个超导微波波导116、118、120被配置为将量子信息从换能芯片上的微波到光频率换能器传输到多个数据量子位104、106、108。
如图1所示，根据本发明实施例的内插器112包括第一表面122和与第一表面122相对的第二表面124。量子位芯片102被耦合到内插器112的第一表面122，并且换能芯片110被耦合到内插器112的第二表面124。
根据本发明的实施例，量子位芯片被接合到内插器。在图1中，量子位芯片102使用多个焊料凸块126、128、130接合到内插器112。焊料凸块126、128、130可以直接耦合到超导微波波导116、118、120上，并且电容性耦合到数据量子位104、106、108上。焊料凸块可以由超导材料形成，但是本发明的实施例不限于由超导材料形成的焊料凸块。用于焊料凸块的一种示例性材料是铟。本发明的实施例不限于图1中所示的示例中所示的焊料凸块的数量。
根据本发明的实施例，换能芯片接合到内插器。在图1中，使用多个焊料凸块132、134、136将换能芯片110接合到内插器112。焊料凸块132、134、136将微波到光频率换能器耦合到超导微波波导116、118、120。根据本发明的实施例的系统100可以包括多个量子位芯片和换能芯片。量子位芯片和换能芯片可以接合到单个内插器或多个内插器。
根据本发明的实施例的系统使得量子信息能够通过嵌入在电介质内插器中的超导波导从超导量子位芯片传输到执行光学换能的芯片。该系统通过封装解决方案将由设置在换能芯片上的微波到光学换能器产生的杂散光场与超导量子位芯片上的数据量子位分开。即，数据量子位可以形成在一个芯片上，而微波到光学换能器可以形成在另一个芯片上。因此，在量子位芯片和光学换能芯片之间分离了材料处理步骤。量子位芯片上的数据量子位可以使用优化量子位相干的材料和过程来制造。同时，可以使用促进微波到光学换能的材料和工艺来制造换能芯片，而不影响数据量子位的质量。
该系统还可以包括在换能芯片上的量子位。在这种情况下，量子位芯片可以拥有高质量的量子位，而在换能芯片上的量子位仅需具有大于换能时间的寿命，该换能时间的范围是从10ns至1μs。此外，诸如电光或压电材料的可用于形成换能芯片的衬底通常与高量子位寿命不兼容。在通常用作换能衬底的绝缘体上硅(SOI)上制造长寿命量子位也是困难的。在SOI上形成的量子位经常具有3μs数量级的T1和T2时间。对于形成微波到光学换能器有用的处理技术(例如多个光刻步骤)可能由于结退火和/或引入两级系统(即，介电损耗)而使量子位寿命降级。通过在不同芯片上分离数据量子位和微波到光学换能器，可以使用最佳处理技术来形成每个芯片和包括在其上的结构。
根据本发明的实施例，微波到光频率换能器包括耦合到被配置成在光频率域中操作的器件的微波波导。图2A是换能芯片200的示意图。换能芯片200包括微波到光频率换能器202，其包括耦合到被配置为在光频率域中操作的器件206的微波波导204。器件206可以是例如环形、椭圆形、跑道形或双8字形的光学谐振器。器件206可以是例如体声波谐振器、机械耦合器或膜。换能芯片200还可包括耦合到器件206的光泵线路208。光泵线路208被配置为将量子信息作为光频率信号进行传输。
图2B是根据本发明的实施例的量子位芯片212的示意图。量子位芯片212包括数据量子位214，数据量子位214被配置为在微波频率下工作。
图2C是根据本发明的实施例的内插器216的示意图。内插器216包括介电材料218，该介电材料218包括形成在其中的超导微波波导220。根据本发明的实施例，介电材料218包括例如印刷电路板、有机层压材料、硅芯片、陶瓷、玻璃加强环氧层压材料(例如FR-4、Duroid或聚醚醚酮(PEEK))中的一个或多个。根据本发明的实施例，超导微波波导220可以由例如铌、铝、锡、电镀铼或铟中的一种或多种形成。
图2D是根据本发明的实施例的耦合到换能芯片和量子位芯片的内插器的示意图。超导微波波导220被配置为将量子信息从数据量子位214传输到换能芯片上的微波到光频率换能器202。虽然图2B和2D示出了具有单数据量子位214的量子位芯片，但是根据本发明的实施例的量子位芯片可以包括多个数据量子位。尽管图2C和2D示出了具有单个超导微波波导220的内插器，但是根据本发明的实施例的内插器可以包括多个超导微波波导。
根据本发明的实施例，换能芯片包括多个换能量子位。图3A是包括两个换能量子位302、304的换能芯片300的示意图。每个换能量子位302、304被耦合到微波到光频率换能器306、308上。根据本发明实施例的微波到光频率换能器306、308每个包括耦合到配置成在光域中工作的谐振器314、316的微波波导310、312。谐振器314、316可具有各种形状，例如环形、跑道形或8字形。谐振器314、316可各自耦合到光泵线路318、320。
图3B是根据本发明的实施例的内插器322的示意图。内插器322包括介电材料324，其包括形成在其中的两个超导微波波导326、328。
图3C是耦合到图3A的换能芯片300和量子位芯片，例如图2B中所示的量子位芯片212的图3B的内插器322的示意图。超导微波波导326、328被配置成用于经由换能量子位302、304将量子信息从数据量子位330传输到微波到光频率换能器306、308。微波波导306、308经由微波光子将量子信息从数据量子位330传输到换能量子位302、304。本发明的实施例不限于在图3A-3C中示出的例子中所示的数据量子位、超导微波波导和换能量子位的特定数目。
根据本发明的实施例，多个数据量子位每个具有足以进行量子计算的弛豫时间(T1)和相干时间(T2)。根据本发明的实施例的数据量子位可以具有大于75μs的T1和T2时间。根据本发明的实施例的数据量子位可以具有大约100μs或更大的T1和T2时间。
根据本发明的实施例，多个换能量子位中的每一个具有超过微波到光频率换能器的换能时间的弛豫时间和相干时间。例如，如果微波到光频率换能所需的时间是大约10ns-1μs，则换能量子位可以具有大约3μs或更多的T1和T2时间。根据本发明的实施例，微波到光频率换能器的换能时间小于1μs。根据本发明的实施例，换能量子位具有比数据量子位的T1和T2时间小的T1和T2时间。
根据本发明的实施例，换能芯片包括衬底，该衬底包括电光材料、压电材料或绝缘体上硅衬底中的一个或多个。根据本发明的实施例，微波到光频率换能器包括光学机械系统，例如膜。
作为图1所示的配置的替代，量子位芯片和换能芯片可以耦合到内插器的相同表面。图4是耦合到内插器406的同一表面404的量子位芯片400和换能芯片402的示意图。
图5是示出用于执行量子信息的光学换能的方法500的流程图。方法500包括提供量子位芯片502，该量子位芯片包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位。方法500包括将量子信息从多个数据量子位传输到与该量子位芯片间隔开的换能芯片504，该换能芯片包括微波到光频率换能器。方法500包括在使用布置在量子位芯片和换能芯片之间的电介质内插器屏蔽多个数据量子位免受杂散光场的同时，执行量子信息的微波到光频率转换506，并且输出量子信息作为光频率信号508。
图6是根据本发明的实施例的量子计算机600的示意图。量子计算机600包括真空下的制冷系统，该制冷系统包括安全壳602。量子计算机600包括量子位芯片604，其包含在由安全壳602限定的冷冻真空环境中。量子位芯片604包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位606、608、610。量子计算机600包括换能芯片612，其包含在由安全壳602限定的冷冻真空环境中。换能芯片612与量子位芯片604间隔开并且包括微波到光学频率换能器。量子计算机600包括包含在由安全壳602限定的冷冻真空环境中的内插器614。内插器614耦合到量子位芯片604和换能芯片612。内插器614包括介电材料616，其包括形成在其中的多个超导微波波导618、620、622。多个超导微波波导618、620、622被配置为将量子信息从多个数据量子位606、608、610传输到换能芯片612上的微波到光频率换能器，并且微波到光频率换能器被配置为将量子信息从微波频率转换到光频率。
根据本发明的实施例，介电材料616包括印刷电路板、有机叠层、硅片、陶瓷、玻璃加强环氧叠层材料(例如FR-4、Duroid或聚醚醚酮(PEEK))中的一个或多个。根据本发明的实施例，微波到光频率换能器包括耦合到被配置成在光频率域中工作的器件的微波波导。换能芯片612还可以包括耦合到被配置为在光频率域中工作的器件的光泵线路，诸如图2中的光泵线路208。光泵线路可以被配置为将量子信息作为光频率信号从由安全壳602限定的制冷真空环境传输到安全壳602的外部。替代地或附加地，光泵线路可以被配置为将量子信息作为光频率信号从换能芯片612传输到耦合到第二量子位芯片的第二换能芯片。
根据本发明的实施例的量子计算机可以包括多个数据量子位芯片、换能芯片、以及内插器。此外，本发明的实施例不限于图6中所示的数据量子位、微波到光频换能器和超导微波波导的特定数量。
已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。

Claims (24)

1.一种用于量子信息的光学换能的系统，包括：
量子位芯片，包括被配置成在微波频率下工作的多个数据量子位；
与所述量子位芯片间隔开的换能芯片，所述换能芯片包括微波到光频率换能器；以及
耦合到所述量子位芯片和所述换能芯片的内插器，所述内插器包括介电材料，所述介电材料包括形成在其中的多个超导微波波导，其中所述多个超导微波波导被配置为将所述量子信息从所述多个数据量子位传输到所述换能芯片上的所述微波到光频率换能器，并且其中所述微波到光频率换能器被配置为将所述量子信息从所述微波频率转换到光频率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述微波到光频率换能器还被配置为将量子信息从所述光频率转换到所述微波频率，并且其中所述多个超导微波波导被配置为将所述量子信息从所述换能芯片上的所述微波到光频率换能器传输到所述多个数据量子位。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述微波到光频率换能器包括微波波导，所述微波波导耦合到被配置为在光频率域中工作的器件。
4.根据权利要求3所述的系统，其中被配置为在所述光频率域中工作的所述器件包括光谐振器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述换能芯片还包括耦合到所述光谐振器的光泵线路，其中所述光泵线路被配置为将所述量子信息作为光频率信号传输。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其中被配置为在所述光频率域中工作的所述器件包括体声波谐振器。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的系统，其中被配置为在所述光频率域中工作的所述器件包括机械耦合器。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的系统，其中被配置为在所述光频域中工作的所述器件包括膜。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述换能芯片包括多个换能量子位，所述多个换能量子位中的至少一个耦合到所述微波到光频率换能器，其中所述超导多个微波波导被配置为经由微波光子将量子信息从所述多个数据量子位传输到所述多个换能量子位。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述换能芯片还包括多个微波到光频率换能器，并且其中所述多个换能量子位中的每一个耦合到所述多个微波到光频率换能器中的一个。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述多个数据量子位中的每一个具有足以用于执行量子计算的弛豫时间和相干时间，并且其中所述多个换能量子位中的每一个具有超过所述微波到光频率换能器的换能时间的弛豫时间和相干时间。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个数据量子位中的每一个具有大于75μs的弛豫时间和相干时间。
13.根据权利要求11所述的用于量子信息的光学换能的系统，其中所述微波到光频率换能器的所述换能时间小于1μs。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述换能芯片包括衬底，所述衬底包括电光材料。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述换能芯片包括衬底，所述衬底包括压电材料。
16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述换能芯片包括绝缘体上硅衬底。
17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述微波到光频率换能器包括光学机械系统。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述内插器包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述量子位芯片耦合到所述第一表面，并且其中所述换能芯片耦合到所述第二表面。
19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述量子位芯片和所述换能芯片耦合到所述内插器的相同表面。
20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述电介质材料包括硅晶片、PCB、PEEK和特氟隆中的一种或多种。
21.一种用于执行量子信息的光学换能的方法，包括：
提供量子位芯片，所述量子位芯片包括被配置为在微波频率下工作的多个数据量子位；
将量子信息从所述多个数据量子位传输到与所述量子位芯片间隔开的换能芯片，所述换能芯片包括微波到光频率换能器；
使用布置在所述量子位芯片和所述换能芯片之间的电介质内插件，在屏蔽所述多个数据量子位免受杂散光场的同时执行所述量子信息的微波到光频率转换；以及
输出所述量子信息作为光频率信号。
22.一种量子计算机，包括：
真空下的制冷系统，其包括安全壳；
根据权利要求1至20中任一项所述的系统，其中所述系统被容纳在由所述安全壳限定的制冷真空环境内。
23.根据权利要求21所述的量子计算机，其中所述光泵线路被配置成将所述量子信息作为光频率信号从由所述安全壳限定的所述制冷真空环境传输到所述安全壳的外部。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的量子计算机，其中所述换能芯片还包括耦合到所述光环谐振器的光泵线路，其中所述光泵线路被配置为将所述量子信息作为光频率信号从所述换能芯片传输到耦合到第二量子位芯片的第二换能芯片。
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