CN113869519A - 用于重置量子比特的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了重置量子比特，存在一个或多个量子电路致冷器，每个量子电路致冷器包括隧穿结和用于接收控制信号的控制输入。响应于控制信号发生光子辅助单电子隧穿过相应的隧穿结。量子比特与量子电路致冷器之间的电容耦合元件或电感耦合元件将每个量子比特耦合到量子电路致冷器。量子比特、量子电路致冷器和耦合元件处于低温冷却环境中。到控制输入的公共控制信号线从室温环境穿过进入所述低温冷却环境。

Description

用于重置量子比特的方法和装置
技术领域
总体而言，本发明涉及量子计算的技术。特别地，本发明涉及重置量子计算器件的量子比特，该量子比特驻留在低温冷却环境中。
背景技术
超导芯片用于各种应用，例如量子计算。量子比特是超导芯片的核心，量子比特是双态量子力学系统。以受控方式改变量子比特的状态是量子计算的本质。
重置量子比特意味着将多余的能量排出量子比特，即将量子比特冷却到最低能量水平。从作为EP3398213公开的欧洲专利申请中已知一种用于重置各个量子比特的方法和装置，该专利申请通过引用并且入本文。在所述现有技术文献中描述的电路元件通常称为量子电路致冷器或QCR。它基于一种称为光子辅助单电子隧穿的过程，该过程可以发生在正常金属-绝缘体-超导体(NIS)结中。向NIS结施加合适的偏置电压会引发单个电子从正常金属穿过绝缘体到超导体的隧穿。这种单电子隧穿需要能量，该能量以光子的形式从量子比特吸收。发射光子使量子比特衰减到较低的能量状态，这最终导致重置量子比特。
图1示出量子计算系统，该量子计算系统包括位于低温冷却环境中的量子比特；量子比特101、102和103作为示例示出。可以有任意数量的量子比特。基本上，量子计算系统的计算能力越高，量子比特就越多。通过位于周围的室温环境中的信号处理装置104将输入信号注入到量子比特101至103内，并且从量子比特101至103获得读出信号。为了重置每个量子比特，存在相关联的QCR，其中QCR 105、106和107作为示例示出。每个量子比特及其相关联的QCR之间的耦合可以具有任何合适的形式，该形式允许由量子比特发出的光子在相关联的QCR中被吸收。在QCR中激活单电子隧穿的偏置信号来自QCR控制电路108，其在图1中作为单独的功能块示出。在实际的实施中，它可以是信号处理装置104的一部分。
在图1的已知装置中，量子比特控制线和QCR偏置线的数量均与量子比特的数量成比例地线性增加。随着量子比特的数量变得更大，在室温环境和低温冷却环境之间提供信号线会引起增加大小的问题。每条信号线都需要一定的空间，并且给低温恒温器造成一定的热负荷，该低温恒温器用于产生低温冷却环境。这使其自身表现为高功率消耗(由于从室温到低温环境的信号路径中的热负载和信号耗散)，并且这种系统需要的大物理空间，并且最终对量子计算基础结构的可缩放性设置了限制。此外，QCR的线性增加的数量会消耗芯片面积和制造成本，并且引起低温恒温器中对冷却功率的需求增加。
发明内容
目的是提供一种用于一种方式重置量子比特的方法和装置，该方式使得在室温环境与低温冷却环境之间的界面处实现更简单的硬件实施。另一个目的是使得能够对于低温恒温器以有限的热负荷重置量子比特。又一个目的是对设计用于重置量子比特的硬件接口的方式提供相当大的自由度。
本发明的目的通过使用一种方法实现，其中通过激活公共量子电路致冷器、或者通过同时激活多个量子电路致冷器、或者通过两者公共控制信号同时影响多个量子比特的重置。
根据第一方面，提供一种用于重置量子比特的装置。该装置包括多个量子比特和一个或多个量子电路致冷器。每个量子电路致冷器包括隧穿结和用于接收控制信号的控制输入，并且每个量子电路致冷器配置为，响应于通过相应的控制输入接收的控制信号，使得光子辅助单电子能够隧穿过相应的隧穿结。该装置包括耦合元件，其在所述多个量子比特与所述一个或多个量子电路致冷器之间。所述耦合元件配置为，将所述多个量子比特中的每一个耦合到所述一个或多个量子电路致冷器的一个。所述多个量子比特、所述一个或多个量子电路致冷器、和所述耦合元件配置为在低温冷却环境中操作。该装置包括到所述一个或多个量子电路致冷器的控制输入的公共控制信号线。公共控制信号线配置为，从室温环境穿过进入所述低温冷却环境。
根据一个实施例，所述耦合元件包括电容耦合元件。这具有的优势是，可以通过非电耦合的公知手段进行耦合，其相对容易地确定尺寸和制造。
根据一个实施例，所述耦合元件包括电感耦合元件。这具有的优势是，可以通过非电耦合的公知手段来进行耦合，其相对容易地确定尺寸和制造。
根据一个实施例，所述一个或多个量子电路致冷器包括共享量子电路致冷器，其对于所述多个量子比特的至少一个子集是共用的。然后该装置包括谐振器，用于经由所述耦合元件的至少一个相应子集将所述共享量子电路致冷器的隧穿结耦合到所述多个量子比特的所述子集。这具有的优势是，即使在具有相对大量量子比特的系统中，也可以仅需要有限数量的量子电路致冷器。
根据一个实施例，所述谐振器具有尺寸适于振荡电信号的谐振频率的长度。然后所述相应子集的耦合元件可以位于沿着所述谐振器的所述长度的点处，所述点对应于所述振荡频率下的所述振荡电信号的振荡幅度的最大值。这具有的优势是，可以实现谐振器与相关联的量子比特的每一个之间的有效耦合。
根据一个实施例，所述谐振频率是基本谐振频率的n次谐波频率，在基本谐振频率下所述谐振器的所述长度是一半波长。然后在所述耦合元件包括电容耦合元件的情况下，可以存在沿着谐振器的所述长度的n+1个所述点，所述耦合元件位于所述点处。可替代地，在所述耦合元件包括电感耦合元件的情况下，可以存在沿着谐振器的所述长度的n个所述点，所述耦合元件位于所述点处。在此n是正整数。这具有的优势是，可以使用所使用的谐振频率与可以重置的量子比特的数量之间的逻辑和直观的关联。
根据一个实施例，所述一个或多个量子电路致冷器包括与所述多个量子比特中存在的量子比特一样多的量子电路致冷器。然后可以将所述一个或多个量子电路致冷器中的每一个连接到公共参考电势，并且所述公共控制信号线可以配置为，以公共电势将所述控制信号耦合到所述量子电路致冷器的相应控制输入。这具有的优势是，可以重置非常精确限定的唯一谐振频率的量子比特，并且可以最小化量子比特间干扰和不希望的杂散耦合。
根据一个实施例，该装置包括能够控制的解复用器。然后，所述公共控制信号线则可以配置为，通过所述能够控制的解复用器，将所述控制信号耦合到所述量子电路致冷器的相应控制输入。该装置还可以包括解复用控制信号线，其耦合到所述能够控制的解复用器，用于选择性地将所述控制信号耦合到所述量子电路致冷器中选定的量子电路致冷器的相应控制输入。这具有的优势是，可以根据需要重置期望的量子比特子集。
根据一个实施例，所述一个或多个量子电路致冷器是RF-QCR，其配置为通过振荡信号控制。然后，所述公共控制信号线可以配置为用于将所述振荡信号传输到所述一个或多个量子电路致冷器的控制输入。这具有的优势是，可以通过将辅助能量选择性地注入隧穿结控制量子电路致冷器的操作。
根据一个实施例，所述一个或多个量子电路致冷器包括与所述多个量子比特中存在的量子比特一样多的RF-QCR。然后，该装置可以包括RF分流器，用于将来自所述公共控制信号线的所述振荡信号分配到所述RF-QCR中。这具有的优势是，关于要用高频信号控制的电路元件，从室温环境经过到低温冷却环境的高频控制线的数量可以保持是小的。
根据第二方面，提供一种用于在低温冷却环境中重置量子比特的方法。该方法包括将公共控制信号从室温环境传导到所述低温冷却环境，将所述公共控制信号耦合到一个或多个量子电路致冷器的相应控制输入，从而使得单电子能够隧穿过在所述一个或多个量子电路致冷器中的隧穿结，并且使用由多个量子比特发射的光子驱动所述单电子隧穿，从而引起所述多个量子比特重置。
根据一个实施例，该方法包括使用在所述多个量子比特的至少一个子集与谐振器之间的耦合，用于将由所述多个量子比特的所述子集发射的所述光子耦合到共享量子电路致冷器。这具有的优势是，即使在具有相对大量量子比特的系统中，也可以仅需要有限数量的量子电路致冷器。
根据一个实施例，该方法包括使用偏置电压作为所述控制信号，所述偏置电压的大小比足以克服所述隧穿结的超导间隙的大小小第一量，其中所述第一量等于由所述多个量子比特发射的所述光子的光子能量。这具有的优势是，可以实现量子电路致冷器的精确控制的操作。
根据一个实施例，该方法包括对于所述多个量子比特中的每一个使用特定量子电路致冷器，将所述特定量子电路致冷器耦合到公共参考电势，并且以公共电势同时将所述控制信号耦合到所述特定量子电路致冷器。这具有的优势是，可以重置非常精确限定的唯一谐振频率的量子比特，并且可以最小化量子比特间干扰和不希望的杂散耦合。
根据一个实施例，该方法包括将所述公共控制信号能够控制地解复用到所述特定量子电路致冷器的子集。这具有的优势是，可以根据需要重置期望的量子比特子集。
附图说明
被包括以提供对本发明的进一步理解并且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起帮助解释本发明的原理。在图中：
图1示出一种常规装置；
图2示出用于重置量子比特的装置；
图3示出用于实施图2的装置的第一种方法；
图4示出用于实施图2的装置的第二种方法；
图5示出谐波振荡模式中波腹的出现；
图6示出量子计算电路的一部分；
图7示出量子计算电路的一部分；
图8示出量子计算电路的一部分；
图9示出量子计算电路的一部分；
图10示出量子计算电路的一部分；
图11示出在图3的方法中RF-QCR的使用；并且
图12示出在图4的方法中RF-QCR的使用。
具体实施方式
图2示出量子计算系统的部分。量子计算系统的一些部分驻留于低温冷却环境中，而一些其他部分则驻留于相邻的室温环境中。作为示例，低温冷却环境可以位于低温恒温器内部，该低温恒温器自身位于室温环境中。不应将名称“室温”视为以下限定，即实际上需要室温环境中的环境条件与人们居住和工作的房间中的环境条件相对应。这更多地表示，对于图2中左侧的条件不需要低温冷却到低温冷却环境中存在的温度。低温冷却环境中的环境条件可能涉及极低的温度，例如仅几开尔文，或者甚至显著低于一个开尔文、例如仅几毫开尔文的量级。最低温度可能仅存在于低温冷却环境的一部分中，因为可能存在逐渐降低温度的冷却阶段。说该系统的一些部分位于低温冷却环境中不考虑该部分位于该阶段的位置。在低温冷却环境中的环境条件也可能涉及高真空，因为通常需要周围的高真空作为热绝缘，用于维持涉及的低温。
图2中示出的部分特别涉及用于重置量子比特的装置，其作为量子计算系统的一部分。该装置包括多个量子比特，其中量子比特201、202和203在图2中作为示例示出。在量子计算系统位于室温环境中的那部分中，设置量子比特控制单元104。对于本描述的目的，量子比特控制单元104的性质和操作并不重要。它仅在图2中作为以下提醒示出，即量子比特201-203具有涉及执行量子计算操作的一些目的。
该装置还包括QCR块204，其包括一个或多个量子电路致冷器。根据在该技术领域上已建立的术语，量子电路致冷器是可以设计为独立部件的电路元件，并且该量子电路致冷器包括隧穿结和用于接收控制信号的控制输入。这样的量子电路致冷器配置为，响应于通过控制输入接收的控制信号，使得光子辅助单电子能够隧穿过隧穿结。控制信号也可以称为偏置信号，并且它可以是DC偏置信号、脉冲偏置信号或AC偏置信号。
为了举例说明涉及的数量的数量级，如果QCR的隧穿结具有的其超导间隙为400微电子伏特的量级(计算为96GHz乘以h，其中h是玻尔兹曼常数)，则DC偏置值可以计算为92GHz乘以h/e，其中e是电子电荷。这将提供383微伏的偏置电压水平。将这样的偏置电压施加到所述示例性QCR将允许频率为4GHz的光子弥补发生光子辅助隧穿的差异。如果将激发的量子比特适当地耦合到QCR，则激发能量的相应部分可以4GHz光子的形式从量子比特传递到QCR，从而将量子比特冷却下来。
如图2中示出，该装置在多个量子比特201-203与QCR块204中的一个或多个量子电路致冷器之间包括耦合205-207。例如通过电容耦合元件或电感耦合元件，可以在多个量子比特201-203和一个或多个量子电路致冷器之间进行耦合205-207。这样的耦合元件配置为，将多个量子比特201-203中的每一个耦合到QCR块204中的一个或多个量子电路致冷器中的一个。
术语“电容耦合”和“电容耦合元件”涵盖可用于电容耦合量子电路的两个元件的所有可能方法。电容耦合元件的示例包括但不限于平行板电容器、指状电容器和集总元件电路。类似地，术语“电感耦合”和“电感耦合元件”涵盖可用于电感耦合量子电路的两个元件的所有可能方法。电感耦合例如可以涉及使用SQUID(超导量子干涉装置)作为电感耦合元件。
量子比特201-203、量子电路致冷器和耦合元件配置为用于在低温冷却环境中操作。实际上，这意味着它们构建为一个或多个低温集成电路或电路模块的一部分，其材料适合于在极低温度下操作，在操作期间该极低温度在低温恒温器中普遍存在。还构建了此类低温集成电路或电路模块，使得可以将它们直接或间接地附接到低温恒温器内部的低温冷却结构，并且可以使用使得对低温恒温器能够最大程度地减少热负荷的技术形成进出它们的外部连接。
与图1中示出的现有技术解决方案相反，图2的装置包括公共控制信号线208，其通向QCR块204中的一个或多个量子电路致冷器的控制输入209。公共控制信号线208配置为用于从室温环境穿过进入到低温冷却环境。关于装置的硬件方面，配置用于从室温环境穿过进入到低温冷却环境的信号线意味着构造物理信号线和连接器，使得该装置可以作为设置量子计算系统的一部分组装，并且可以采取需要的冷锚固和其他措施，该冷锚固和其他措施最大程度地减少进入低温恒温器的热量的传导，而同时确保良好的信号传播和电磁干扰防护。
在室温环境中，QCR控制单元210可以用作控制信号的源，控制信号将传递到一个或多个量子电路致冷器的控制输入209。QCR控制单元210可以是独立单元，或者它可以包括在室温环境内的量子比特控制单元104或其他更大的信号处理实体中。
图3和图4示出构造QCR块204及其与多个量子比特耦合的两种基本方法。根据图3中示出的方法，在QCR块204的一个或多个量子电路致冷器中，存在共享量子电路致冷器，其对于多个量子比特201-203的至少一个子集是共用的。该装置包括谐振器301，该谐振器301用于经由上述耦合元件的至少一个相应子集将共享量子电路致冷器的隧穿结302耦合到多个量子比特201-203的所述子集。
为了最有效地利用耦合，以特定方式确定谐振器301的尺寸是有利的。通常，谐振器的谐振频率构成谐波序列，其中谐振频率可编号为一次、二次、三次等谐波频率。在一些源中，一次谐波频率称为基频、基本谐振频率或零次谐波频率。谐波频率的某些特性和谐振器尺寸确定可以参考图5考虑。在λ/2(λ除以2)传输线谐振器的情况下，一次谐波频率是振荡电信号的整个波长501恰好是谐振器的长度502的两倍时的频率。用图5的实线图503示出在一次谐波频率下的振荡电信号的示例。如图5中示出，一次谐波频率沿着λ/2传输线谐振器的长度502包含两个电压波腹504和505。
图5中的虚线曲线图506示出二次谐波频率下的振荡电信号的示例。如图5中示出，二次谐波频率包括沿着λ/2传输线谐振器的长度502的三个电压波腹507、508和509。通常，(基本谐振频率的，在该基本谐振频率处谐振器的长度为一半波长)n次谐波频率沿着谐振器的长度上包含n+1个电压波腹，其中n为正整数。电压波腹可以称为振荡电信号的电压的振荡幅度的最大值。相应地，存在振荡电信号的电流的振荡幅度的最大值；这些最大值位于曲线图501和506的节点处，即在所述图与水平轴线相交的点处。图5中的虚线曲线图510示出组合振荡电信号，该组合振荡电信号由一次谐波频率和二次谐波频率下的振荡构成。
如果沿谐振器的长度在电压振荡的波腹处或附近进行电容耦合，则在激发的量子电路元件(例如量子比特)与谐振器之间的电容耦合最强。因此，让图3中的谐振器301具有尺寸适于振荡电信号的谐振频率的长度，在图3中，假定与量子比特201-203(的子集)进行电容耦合的电容耦合元件位于沿着谐振器的长度的点303、304和305处，则该点对应于在所述谐振频率下的振荡电信号的波腹。
如果沿谐振器的长度在电压振荡的节点处或附近进行电感耦合，则在激发的量子电路元件(例如量子比特)和谐振器之间的电感耦合最强。再次，让图3中的谐振器301具有尺寸适于振荡电信号的谐振频率的长度，可以呈现相应的布局，在该布局中与量子比特201-203(的子集)进行电感耦合的电感耦合元件将位于沿着谐振器长度的点处，该点对应于在所述谐振频率下的振荡电信号的节点。
激发的量子电路元件必须具有在谐振器中出现波腹的频率下的谐振频率。
说电容耦合元件或电感耦合元件“位于”对应于振荡电信号的振荡幅度的最大值的点的任何限定应理解为“位于或接近”。尝试将耦合元件放置在波腹或节点处的原因是旨在利用电压或电流出现的相应最大幅度，因为通常电压越高或电流越大，其可以更好地用于耦合。例如，如果谐振器的导体的拓扑及其与量子比特的位置的关系使得将耦合元件放置在波腹或节点的确切已知位置是不可能的或不利的，则可以放置耦合元件使得它位于最接近波腹或节点的可能位置，或位于在上述目标与其他设计考虑之间的平衡是最佳的位置。
图4示出另一种基本方法，其中QCR块204包括与多个量子比特中存在的量子比特201-203一样多的量子电路致冷器401-403。量子电路致冷器401-403中的每一个都连接到公共参考电势，在图4中，该参考电势是局部接地电势(local ground potential)。公共控制信号线404配置为，以公共电势将控制信号耦合到量子电路致冷器401-403的相应控制输入。采取本文前面讨论的数值示例，相对于公共参考电势，控制信号的公共电势例如可以是几百微伏或几毫伏。
图6示出量子计算电路的一部分，该量子计算电路采用了用于根据图3中示出的方法重置量子比特的装置。三个量子比特601、602和603和一个量子电路致冷器604作为示例示出。量子比特601-603可以构成较大的量子计算系统中的所有量子比特的子集。在此作为示例使用到量子比特601、602和603的电容耦合，但是也可以使用电感耦合。
量子电路致冷器604包括控制输入605。如前面解释的那样，量子电路致冷器604包括隧穿结(在图6中未单独示出)，并且配置为，响应于通过控制输入605接收的控制信号，使得光子辅助单电子能够隧穿过隧穿结。由于同一量子电路致冷器604可以对所有的三个量子比特601-603具有冷却作用，因此耦合到量子电路致冷器604的其控制输入605的控制信号线可以称为公共控制信号线。类似地，量子电路致冷器604可以称为共享量子电路致冷器，该共享量子电路致冷器对于多个量子比特601-603是共用的。
图6中示出的装置包括谐振器606，用于将共享量子电路致冷器604耦合到量子比特601-603。经由一组电容耦合元件进行耦合，其中电容耦合元件607作为示例示出。谐振器606具有尺寸适于振荡电信号的谐振频率的长度。电容耦合元件位于沿着谐振器606的长度的点处，该点对应于振荡电信号在其谐振频率下的电压波腹。与图5中的曲线图相比，可以假设谐振器606的尺寸适于基本谐振频率，在该基本谐振频率下其长度为一半波长。二次谐波频率(其为基本谐振频率的两倍)沿着该长度包括三个电压波腹，其中两个电压波腹处于谐振器606的端部，而第三电压波腹处于中间。
图7示出量子计算系统的一部分，和用于重置量子比特的装置，其中以上参考图3和图6说明的原理通用于任意数量的量子比特。同样在此，量子比特701、702、703和704可以构成量子计算系统中所有量子比特的子集，或者它们可以是量子计算系统中的所有量子比特(换句话说，子集不需要是真正的子集，而是极端情况下其可以是整个集合)。类似于图6，同样在此，作为示例使用电容耦合，但是也可以使用电感耦合。
多个量子比特701-704共享公共量子电路致冷器705。量子电路致冷器705的控制输入示出为706。该装置包括谐振器707，用于经由电容耦合元件的相应子集将共享量子电路致冷器705耦合到多个量子比特701-704。谐振器707具有尺寸适于振荡信号的谐振频率的长度，并且电容耦合元件位于沿着谐振器707的所述长度的点处，该点对应于在所述谐振频率下的所述振荡电信号的波腹。谐振频率可以是基本谐振频率的n次谐波频率，在该基本谐振频率处谐振器707的长度是一半波长。换言之，谐振频率的幅度可以是基本谐振频率的n倍。在该装置中存在n+1个量子比特、和沿着谐振器707的n+1个点，电容耦合元件位于该n+1个点(n是正整数)。
为了在图示的实施例之间维持容易的比较，在图8、图9和图10中使用电容耦合作为示例。但是，应该指出的是，也可以使用电感耦合。
图8示出量子计算电路的一部分，该量子计算电路采用根据图4中示出的方法重置量子比特的装置。量子比特801、802、803和804作为示例示出。量子比特801-804可以构成较大的量子计算系统中所有量子比特的子集，或者它们可以是量子计算系统中的所有量子比特(换言之，该子集不需要是真正的子集，而是极端情况下其可以是可能是整个集合)。
图8的装置包括与装置中存在的量子比特一样多的量子电路致冷器805、806、807和808。每个量子电路致冷器805-808连接到公共参考电势，在此其是局部接地电势。量子电路致冷器805-808的控制输入示出为809、810、811和812。公共控制信号线813配置为，以公共电势将控制信号耦合到量子电路致冷器805-808的相应控制输入809-812。完成该耦合，使得在公共控制信号线813与量子电路致冷器805-808的控制输入809-812中的每一个之间的连接中没有此类的阻抗差异，该阻抗差异可能引起公共控制信号线813和任何控制输入809-812之间的电势差。
在图6和图7的实施例中，该装置的量子比特601-603或701-704应共享至少一个公共谐振频率，该公共谐振频率是在谐振器606或707中在与量子比特进行电容耦合的那些点处出现电压波腹的频率。在典型的量子计算系统中，量子比特无论如何都包括一些频率可调谐性，因此适当大小的至少一个公共谐振频率的需要的条件可以通过在要重置它们的时间段内适当地对量子比特进行频率调谐实现。
在图8的实施例中，量子电路致冷器805-808中的每一个耦合到特定的谐振器，其中最左侧的谐振器814作为示例示出。在这种情况下，每个量子比特-谐振器对必须具有量子比特和谐振器的公共谐振频率，以便使得实现从量子比特向量子电路致冷器的光子的发射，用于光子辅助单电子隧穿的目的。这可以通过量子比特和相应谐振器的适当的尺寸确定实现。由于相对于公共参考电势公共控制信号将以相同的电势出现在每个量子电路致冷器805-808中，因此相应隧穿结中的超导间隙应选择成，使得在每种情况下恰好外部控制信号的该大小加上在谐振频率下的光子能量使得单电子能够隧穿。这也可以通过适当的尺寸确定实现。
图9示出量子计算电路的一部分，该量子计算电路采用根据图4中示出的方法重置量子比特的装置，其具有某些添加。量子比特801-803、量子比特特定的量子电路致冷器805-807、它们的控制输入809-811和QCR特定的谐振器(示例：谐振器814)与图8中的相应部分相似。图9的装置包括能够控制的解复用器901，其是可以将公共输入信号能够控制地分配到其输出的选定子集中或甚至分配给所有输出的装置。能够控制的解复用器901位于低温冷却环境中。公共控制信号线902配置为，通过能够控制的解复用器901将控制信号耦合到量子电路致冷器805-807的相应控制输入809-811。设置解复用控制信号线903，并且解复用控制信号线903耦合到能够控制的解复用器，用于选择性地将控制信号耦合到量子电路致冷器中选定的量子电路致冷器的控制输入。
能够控制的解复用器(如在图9中)的使用允许用户在任一时刻选择是应该重置所有多个量子比特还是仅重置所有多个量子比特的子集。由用户做出的选择作为选择命令通过解复用控制信号线903传输到能够控制的解复用器901，该解复用控制信号线903可以以与公共控制线208、404、813或902类似的方式从室温环境进入低温冷却环境。
图10示出量子计算电路的一部分，该量子计算电路采用了用于重置量子比特的装置，该装置结合了根据图3和图4的方法。量子比特的每条水平线具有一个共享量子电路致冷器，对于所有量子比特其是共同的；例如参见量子比特1001、1002、1003和1004及其共享量子电路致冷器1005。每条水平线还包括谐振器，用于经由相应的一组电容耦合元件将共享量子电路致冷器耦合到该水平线上的量子比特；例如参见谐振器1007。谐振器具有尺寸适于振荡信号的谐振频率的长度，并且电容耦合元件位于沿着其长度的点处，该点对应于在谐振频率下的振荡电信号的电压波腹。
该装置包括与存在的水平线(或更一般地，量子比特的子集)一样多的量子电路致冷器；参见量子电路致冷器1005、1015和1025。这些量子电路致冷器中的每一个连接到公共参考电势。公共控制信号线1031配置为，以公共电势将控制信号耦合到量子电路致冷器1005、1015和1025的相应控制输入1006、1016和1026。
在像图10的装置中，可以将谐振器1007、1017和1027尺寸确定为适于不同的基本谐振频率，和/或沿着其长度可以存在不同数量的电压波腹点。这样，关于量子比特1001-1004、1011-1014和1021-1024的不同子集需要调谐到的用于重置的谐振频率，可以实现更大的灵活性。
能够控制的解复用器(如在图9中)可以添加在公共控制信号线1031和量子电路致冷器1005、1015和1025的至少一个子集之间。这将允许操作人员在任一时刻选择用于重置的期望数量的水平量子比特线。
在前面的描述中，通常假定到一个或多个量子电路致冷器的公共控制信号携载DC控制信号或准DC控制信号。作为替代方案，可以使用所谓的RF-QCR，其通过高频的振荡控制信号控制。控制信号也可以是DC(或准DC)信号和叠加在其上的振荡信号的组合。
使用高频控制信号控制一个或多个QCR是基于使用控制信号向QCR隧穿结注入“辅助”能量。如果执行得当，可以使注入的RF能量的量与电子吸收的以便隧穿穿过该结的光子的数量相关联，这又意味着待冷却的量子电路元件的更有效的冷却。
图11示意性地示出RF-QCR作为共享量子电路致冷器204的使用(根据先前参考图3解释的方法)。通过公共控制信号线208将高频控制信号带到RF-QCR 204，其中例如它可以通过谐振器1102耦合到共享量子电路致冷器的隧穿结1101。谐振器1102不是强制性的，并且高频控制信号也可以直接耦合到共享量子电路致冷器的隧穿结1101。高频控制信号的频率可以明显高于RF-QCR中的谐振器301的谐振频率，例如是RF-QCR中的谐振器301的谐振频率的两倍或三倍。
图12示意性地示出多个RF-QCR 1201、1202和1203的使用(根据先前参考图4解释的方法)。通过公共控制信号线1204将高频控制信号带到RF分流器1205，高频控制信号从RF分流器1205被带到多个RF-QCR 1201、1202和1203。在这种情况下，RF分流器1205例如可以包括传输线，并且被带到所述传输线的高频控制信号的频率可以是RF-QCR 1201、1202和1203中的QCR谐振器的谐振频率的倍数。
对于本领域内的技术人员显而易见的是，随着技术的进步，可以各种方式来实施本发明的基本构思。因此，本发明及其实施例不限于上述示例，而是它们可以在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于重置量子比特的装置，其特征在于，其包括：
-多个量子比特；
-一个或多个量子电路致冷器，所述一个或多个量子电路致冷器中的每一个包括隧穿结和用于接收控制信号的控制输入，并且所述量子电路致冷器中的每一个配置为，响应于通过相应的控制输入接收的控制信号，使得光子辅助单电子能够隧穿过相应的隧穿结；
-耦合元件，其在所述多个量子比特与所述一个或多个量子电路致冷器之间，所述耦合元件配置为，将所述多个量子比特中的每一个耦合到所述一个或多个量子电路致冷器中的一个；
其中所述多个量子比特、所述一个或多个量子电路致冷器、和所述耦合元件配置为在低温冷却环境中操作；
并且其中所述装置包括到所述一个或多个量子电路致冷器的控制输入的公共控制信号线，所述公共控制信号线配置为，从室温环境穿过进入所述低温冷却环境。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述耦合元件包括电容耦合元件。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述耦合元件包括电感耦合元件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：
-所述一个或多个量子电路致冷器包括共享量子电路致冷器，其对于所述多个量子比特的至少一个子集是共用的；并且
-所述装置包括谐振器，其用于经由所述耦合元件的至少一个相应子集将所述共享量子电路致冷器的隧穿结耦合到所述多个量子比特的所述子集。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
-所述谐振器具有尺寸适于振荡电信号的谐振频率的长度；
-所述相应子集的耦合元件位于沿着所述谐振器的所述长度的点处，所述点对应于所述振荡频率下的所述振荡电信号的振荡幅度的最大值。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
-所述谐振频率是基本谐振频率的n次谐波频率，在基本谐振频率下所述谐振器的所述长度是一半波长；并且
-在所述耦合元件包括电容耦合元件的情况下，存在沿着谐振器的所述长度的n+1个所述点，所述耦合元件位于所述点处；或者在所述耦合元件包括电感耦合元件的情况下，存在沿着谐振器的所述长度的n个所述点，所述耦合元件位于所述点处；
其中n是正整数。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于：
-所述一个或多个量子电路致冷器包括与所述多个量子比特中存在的量子比特一样多的量子电路致冷器；
-将所述一个或多个量子电路致冷器中的每一个连接到公共参考电势；并且
-所述公共控制信号线配置为，以公共电势将所述控制信号耦合到所述量子电路致冷器的相应控制输入。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：
-所述装置包括能够控制的解复用器；
-所述公共控制信号线配置为，通过所述能够控制的解复用器，将所述控制信号耦合到所述量子电路致冷器的相应控制输入；
-所述装置包括解复用控制信号线，其耦合到所述能够控制的解复用器，用于选择性地将所述控制信号耦合到所述量子电路致冷器中选定的量子电路致冷器的相应控制输入。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：
-所述一个或多个量子电路致冷器是RF-QCR，其配置为通过振荡信号控制；并且
-所述公共控制信号线配置为用于将所述振荡信号传输到所述一个或多个量子电路致冷器的控制输入。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
-所述一个或多个量子电路致冷器包括与所述多个量子比特中存在的量子比特一样多的RF-QCR；
-所述装置包括RF分流器，用于将来自所述公共控制信号线的所述振荡信号分配到所述RF-QCR中。
11.一种用于在低温冷却环境中重置量子比特的方法，其特征在于，其包括：
-将公共控制信号从室温环境传导到所述低温冷却环境；
-将所述公共控制信号耦合到一个或多个量子电路致冷器的相应控制输入，从而使得单电子能够隧穿过所述一个或多个量子电路致冷器中的隧穿结；并且
-使用由多个量子比特发射的光子驱动所述单电子隧穿，从而引起所述多个量子比特重置。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其包括：
-使用在所述多个量子比特的至少一个子集与谐振器之间的耦合，用于将由所述多个量子比特的所述子集发射的所述光子耦合到共享量子电路致冷器。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，其包括：
-使用偏置电压作为所述控制信号，所述偏置电压的大小比足以克服所述隧穿结的超导间隙的大小小第一量，其中所述第一量等于由所述多个量子比特发射的所述光子的光子能量。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其包括：
-对于所述多个量子比特中的每一个使用特定量子电路致冷器；
-将所述特定量子电路致冷器耦合到公共参考电势；并且
-以公共电势同时将所述控制信号耦合到所述特定量子电路致冷器。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其包括：
-将所述公共控制信号能够控制地解复用到所述特定量子电路致冷器的子集。
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