CN114335318A

CN114335318A - 超导电路芯片及其磁通偏置线布局结构

Info

Publication number: CN114335318A
Application number: CN202111619244.4A
Authority: CN
Inventors: 蔡晓; 张伟伟; 熊康林; 冯加贵
Original assignee: Gusu Laboratory of Materials
Current assignee: Gusu Laboratory of Materials
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-27

Abstract

本发明公开了一种超导电路芯片及其磁通偏置线布局结构。所述磁通偏置线包括传输线和连接于传输线端部的耦合部件，所述耦合部件包括偶数个环；并且，当向所述磁通偏置线内输入电流时，其中相邻环的磁矩方向相反，使得总磁矩为0。本发明实施例提供的一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，能够使磁通偏置线的耦合部件与目标超导量子干涉器件具有更合适的耦合强度，且能够有效抑制空间弥散磁场的分布，降低磁场对邻近量子比特的干扰。

Description

超导电路芯片及其磁通偏置线布局结构

技术领域

本发明涉及一种超导量子芯片上磁通偏置线的电路设计，特别涉及一种超导电路芯片及其磁通偏置线布局结构，属于量子技术领域。

背景技术

量子计算利用了量子的叠加和纠缠等特性，具有显著的并行计算优势。相较于经典计算系统，量子计算在金融、医药等诸多领域的特定问题分析中极具优势。近年来，研究者对大规模量子计算的实现体系和途径开展了广泛研究。其中，基于超导电路的量子计算系统具有容易设计、可利用微纳米制造技术进行集成化制备和规模化加工封装，目前获得研究者极多关注。他们针对系统中量子相干机理、器件耦合、材料作用以及信息传递等开展研究，不断向实用化的超导量子电路系统迈进。2017年IBM发布50个超导量子比特的原型机。2019年谷歌发布53 个超导量子比特系统(悬铃木处理器)实现特定问题的快速求解，获得“量子优势”。2021年，中科大发布了基于超导量子比特系统的祖冲之二号，其处理速度超越谷歌2～3个数量级。2021 年11月，IBM发布了具有127个量子比特的处理器。

在基于超导电路的量子计算芯片中，包含超导量子比特和微波谐振腔等构成超导量子电路。超导量子比特是利用具有非线性电感特性的约瑟夫森结和电容构成的人造比特。通过设计成不同形状，实现不同目标的电容电感等电学参数状态。Xmon超导量子比特形状形似“+”形，由一个十字形的电容以及连着其一个分支末端的由两个约瑟夫森结构成的超导量子干涉器件 (SQUID)组成。在超导量子比特周围存在多种不同功能的控制线路，如XY旋转操作控制线路、比特读取的谐振器以及用于比特间的耦合控制连接。其中比特Z旋转操作由SQUID附近的控制信号线完成(磁通偏置线)，控制线布置于SQUID附近并激励电流，通过磁通与 SQUID相互耦合。

随着超导量子芯片的演化更迭，耦合的超导量子比特数量越来越多，其集成度越来越高，比特与比特之间距离较短，使得磁通偏置线路对其他比特的干扰也越来越严重，导致超导量子比特的相干时间和操作精确度降低。Barends等[1]针对单层平面超导电路设计了直线型的磁通偏置线，其与SQUID环相距最近可达到3um。同时其相临近的SQUID环相距大于800um，所以磁通偏置线可以紧密耦合SQUID，同时产生的弥散磁场对其他结构的串扰影响十分低。但是对于具有双层或多层电路布局，空间结构更加紧凑的超导量子电路来说，亟须重新考虑前述空间弥散的磁场对其他SQUID的干扰。此时，SQUID与控制线布线在不同平面，其相对距离较大。保持相同的耦合强度要求控制线的激励增加，所以空间弥散的磁场增强进而导致串扰增加。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种超导电路芯片及其磁通偏置线布局结构，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例一方面提供了一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，所述磁通偏置线包括传输线和连接于传输线端部的耦合部件，所述耦合部件包括偶数个环；并且，当向所述磁通偏置线内输入电流时，其中相邻环的磁矩方向相反，使得总磁矩为0。

本发明实施例另一方面提供了一种超导电路芯片，包含超导量子干涉器件结构以及磁通偏置线，其中，所述磁通偏置线具有所述的超导电路芯片的磁通偏置线布局结构。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，能够使磁通偏置线的耦合部件与目标超导量子干涉器件具有更合适的耦合强度；

2)本发明实施例提供的一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，使电流在耦合部件中产生相反方向的磁矩，有助于抑制磁通偏置线对其他相邻区域超导量子干涉器件的串扰影响，降低了具有单一引线和单一圆环耦合部件特征的磁通偏置线在远处的磁场强度，提高了量子比特相干时间以及比特控制精确度。

附图说明

图1是本发明实施例1中提供的一种磁通偏置线(单层电路)和超导量子干涉器件的结构位置示意图；

图2是本发明实施例2中提供的一种磁通偏置线(双层电路)和超导量子干涉器件的结构位置示意图；

图3是本发明实施例3中提供的一种磁通偏置线双环耦合部件(空气桥连接)及传输线示意图；

图4是本发明实施例4中提供的一种磁通偏置线四环耦合部件(空气桥连接)及传输线示意图；

图5是本发明实施例5中提供的一种磁通偏置线四环耦合部件(空气桥连接+分叉结构)及传输线示意图；

图6是本发明一典型实施案例中提供的单环、双环和四环耦合部件在空间的 z方向不同位置磁场变化图；

图7是本发明一典型实施案例中提供的单环、双环和四环耦合部件在空间的x方向不同位置磁场变化图；

图8a、图8b、图8c分别是本发明一典型实施案例中提供的单环、双环和四环耦合部件中空间磁场分布变化图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例一方面提供了一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构中磁通偏置线的排布方式更加科学合理，且能够降低弥散磁场的分布。

本发明实施例一方面提供了一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，针对具有双层或多层的超导电路芯片，提供一种磁通偏置线的布局结构，可以有效抑制空间弥散磁场的分布，降低该磁场对邻近SQUID超导量子干涉器件的干扰。

在一些较为具体的实施方案中，所述超导电路芯片包括至少两个电路层，所述偶数个环分布在一个电路层内或分别设置在至少两个电路层内。

在一些较为具体的实施方案中，所述磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线、第一环、第二环和第二传输线；

其中，所述第一环和第二环分布在所述超导电路芯片的一个电路层内，且所述第一环和第二环呈“8”字型交叉，所述第一环与第二环在交叉处通过空气桥桥接，使所述第一环及第二环内的电流流动方向相反，

或者，所述第一环和第二环分别分布在所述超导电路芯片的两个电路层内，且所述第一环和第二环在其中一个电路层上的正投影呈“8”字型交叉，所述第一环与第二环在交叉处通过导电体电连接，使所述第一环及第二环内的电流流动方向相反。

在一些较为具体的实施方案中，所述导电体包括In柱。

在一些较为具体的实施方案中，所述磁通偏置线包括第一传输线、第一环、第二环、第二传输线和第三传输线；

所述第一环、第二环的电流输入端均与第一传输线电连接，所述第一环的电流输出端与第二传输线电连接，所述第二环的电流输出端与第三传输线电连接，所述第二传输线和第三传输线分布于第一传输线相对的两侧，使所述第一环及第二环内的电流流动方向相反；

其中，所述第一环和第二环分布在所述超导电路芯片的一个电路层内，或者，所述第一环和第二环分别分布在所述超导电路芯片的两个电路层内。

在一些较为具体的实施方案中，所述磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线、第一环、第二环、第三环、第四环和第二传输线；

其中，所述第一环、第二环、第三环、第四环分布在所述超导电路芯片的一个电路层内，其中相邻两个环在连接处交叉且该两个环在交叉处通过空气桥桥接，使相邻两个环内的电流流动方向相反，

或者，所述第一环、第二环、第三环、第四环分别分布在所述超导电路芯片的至少两个电路层内，其中相邻两个环在其中一个电路层上的正投影在连接处交叉且该两个环在交叉处通过导电体电连接，使相邻两个环内的电流流动方向相反。

在一些较为具体的实施方案中，所述磁通偏置线包括第一传输线、第一环、第二环、第三环、第四环、第二传输线和第三传输线；

所述第一环、第二环的电流输入端均与第一传输线电连接，所述第三环的电流输入端与所述第一环的电流输出端连接，所述第四环的电流输入端与所述第二环的电流输出端连接，所述第三环的电流输出端与第二传输线电连接，所述第四环的电流输出端与第三传输线电连接，所述第二传输线和第三传输线分布于第一传输线相对的两侧；

其中，所述第一环、第二环、第三环、第四环分布在所述超导电路芯片的一个电路层内，所述第三环与第一环在连接处交叉且第三环与第一环在交叉处通过空气桥桥接，以及，所述第二环与第四环在连接处交叉且第二环与第四环在交叉处通过空气桥桥接，从而使第一环、第二环、第三环、第四环中任意两个相邻环内的电流流动方向相反，

或者，所述第一环、第二环、第三环、第四环分布在所述超导电路芯片的一个电路层内，所述第三环与第一环在其中一个电路层上的正投影在连接处交叉且第三环与第一环在交叉处通过导电体电连接，以及，所述第四环与第二环在其中一个电路层上的正投影在连接处交叉且第四环与第二环在交叉处通过导电体电连接，从而使第一环、第二环、第三环、第四环中任意两个相邻环内的电流流动方向相反。

本发明实施例另一方面提供了一种超导电路芯片，包含超导量子干涉器件结构(可简称为超导量子干涉器件)以及磁通偏置线，其中，所述磁通偏置线具有所述的超导电路芯片的磁通偏置线布局结构。

在一些较为具体的实施方案中，所述超导量子干涉器件结构在一个电路层上的正投影位于所述磁通偏置线中的一个环在所述电路层上的正投影之中。

在一些较为具体的实施方案中，所述超导量子干涉器件结构在一个电路层上的正投影位于所述磁通偏置线中的一个环在所述电路层上的正投影的中心区域。

在一些较为具体的实施方案中，所述超导量子干涉器件结构与其中一个环设置在同一电路层。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中的传输线、构成所述耦合部件的环以及超导量子干涉器件结构等均可以是本领域技术人员已知的，所述传输线和超导量子干涉器件结构可以通过市购获得，在此不对各功能组件的材质进行限定。

在一些较为典型的实施方案中，一种超导量子芯片包含两层电路，超导量子干涉器件结构和磁通偏置线分属于不同的电路层(亦可称之为芯片层)，所述磁通偏置线由传输线和端部的耦合部件(SQUID)构成，所述耦合部件呈双环或者四环排布。

设第i对磁通偏置线和超导量子干涉器件的互感目标值为M_i，传输线上电流为I_i，环圆环中心有效半径为R，则单个环所产生的磁偶极矩为m＝I_iπR² n，根据电流I和右手定则确定n的方向，考虑到第i个磁通偏置线对第j个超导量子干涉器件的串扰互感如式1)：

因此，若要降低串扰互感，降低电流Ii在邻近区域超导量子干涉器件的磁通φ_ji是关键；对于多个环中的磁矢势A(r)，可将1/r进行展开如2)，第一项、第二项和第三项分别为单极项、偶极项和四极项：

式2)中，μ₀是真空磁导率，r是原点到目标点的矢量，r'是原点到电流环上点的矢量， θ'是r和r'之间的夹角，其中，第一项积分为0，当|r|>>R时，单个环在点r处的磁场如式3)：

当要求各环的磁偶极矩∑m＝0时，则磁矢势

所以空间磁场分布

通过对比发现，相比于单环(磁偶极子)，双环和四环等偶数环结构具有更快的衰减速度，从而可以有效降低串扰互感。

根据上述分析，当所述磁通偏置线的耦合部件设置为双环结构时，双环连接的交叉区域通过空气桥进行桥接，线型为“8”状，电流流经相邻两个环所产生的磁矩方向相反，总磁矩 ∑m＝0；传输线可以呈现单线引入、单线引出状；或者，传输线从双环中部区域引入，对称地分为两部分回流构成环形，即单线引入双线引出；通过以上计算分析表明，相比于传统单环结构，双环结构在远处的磁场能量衰减趋势有所降低约10dB，磁场能量强度若通过合理设计为四环结构，可更加有效地降低远处磁场的强度。

当所述磁通偏置线的耦合部件设置为四环结构时，四个环的交叉区域通过空气桥进行桥接，也可以通过分叉结构结合空气桥结构进行；但需要电流在相邻的环形中产生的磁矩方向相反，电流流经所有环结构的总磁矩∑m＝0，信号呈现单线引入单线引出状，此时空间的磁场能量衰减可达到双环设计的4倍及以上。

需要说明的是，当磁通偏置线设置为双环结构时，每一个环可分属于不同的电路层，超导量子干涉器件结构位于上层的磁通耦合环旁边，同时另一个环位于超导量子干涉器件下方的另一层，两个环之间通过铟柱等导电体进行电连接，所述磁通偏置线的作用对象为超导量子干涉器件，超导量子干涉器件位于所述磁通偏置线的耦合部件某一环的正上方区域。

实施例1

请参阅图1，图中箭头代表线路中电流的方向，一种超导电路芯片，包含超导量子干涉器件结构以及磁通偏置线，所述超导量子干涉器件1以及磁通偏置线，所述磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线11、第一环2、第二环3、第二传输线12和第三传输线13，所述第一环2和第二环3相邻设置；并且，当向所述磁通偏置线内输入电流时，所述第一环2 和第二环3的磁矩方向相反，使得总磁矩为0；

所述超导电路芯片包括两个电路层，所述第一环2、第二环3分布在同一个电路层内，所述磁通偏置线和超导量子干涉器件1位于不同的电路层，从电路层的俯视角度看，超导量子干涉器件1投影于磁通偏置线的耦合部件之中，且所述超导量子干涉器件1的投影位于第一环2 或第二环3的中心可达到最佳的耦合状态。

在本实施例中，所述第一环2、第二环3的电流输入端均与第一传输线11电连接，所述第一环2的电流输出端与第二传输线12电连接，所述第二环3的电流输出端与第三传输线13电连接，所述第二传输线12和第三传输线13分布于第一传输线11相对的两侧，使所述第一环2 及第二环3内的电流流动方向相反。

实施例2

请参阅图2，图中箭头代表线路中电流的方向，本实施例中的一种超导电路芯片与实施例1 基本相同，不同之处在于：

本实施例中的磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线21、第一环2、第二环3和第二传输线22；其中，所述第一环2和第二环3分别分布在所述超导电路芯片的两个电路层内，且所述第一环2和第二环3在其中一个电路层上的正投影呈“8”字型交叉，所述第一环 2与第二环3在交叉处通过In柱等导电体电连接，使所述第一环2及第二环3内的电流流动方向相反，磁矩方向相反，使得总磁矩为0。

实施例3

请参阅图3，图中箭头代表线路中电流的方向，本实施例中的一种超导电路芯片与实施例1 基本相同，不同之处在于：

本实施例中的磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线31、第一环2、第二环3和第二传输线32；其中，所述第一环2和第二环3分布在所述超导电路芯片的同一个电路层内，且所述第一环2和第二环3呈“8”字型交叉，所述第一环2与第二环3在交叉处(或称之为交叉区域)5通过空气桥桥接，使所述第一环2及第二环3内的电流流动方向相反，磁矩方向相反，使得总磁矩为0；电磁场的远场分布降低，使得磁场对邻近区域的超导量子干涉器件1 干扰减弱，同时超导量子干涉器件1位于另一个电路层，且对应设置在磁通偏置线的其中一个耦合部件(环2或者环3)的正上方，从而能够与磁通偏置线达到合理的耦合状态。

实施例4

请参阅图4，图中箭头代表线路中电流的方向，本实施例中的一种超导电路芯片与实施例1 基本相同，不同之处在于：

本实施例中的一种磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线41、第一环61、第二环62、第三环63、第四环64和第二传输线42；

所述第一环61的电流输入端与第一传输线41电连接，所述第一环61的电流输出端与第二环62的电流输入端电连接，所述第二环62的电流输出端与第三环63的电流输入端电连接，所述第三环63的电流输出端与第四环64的电流输入端电连接，所述第四环64的电流输出端与第二传输线42电连接；

其中，所述第一环61、第二环62、第三环63、第四环64分布在所述超导电路芯片的同一个电路层内，其中相邻两个环在连接处交叉且该两个环在交叉处5通过空气桥桥接，使相邻两个环内的电流流动方向相反，磁矩方向相反，使得总磁矩为0。

实施例5

请参阅图5，图中箭头代表线路中电流的方向，本实施例中的一种超导电路芯片与实施例4 基本相同，不同之处在于：

本实施例中的一种磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线51、第一环61、第二环62、第三环63、第四环64、第二传输线52和第三传输线53；

所述第一环61、第二环62的电流输入端均与第一传输线51电连接，所述第三环63的电流输入端与所述第一环61的电流输出端连接，所述第四环64的电流输入端与所述第二环62的电流输出端连接，所述第三环63的电流输出端与第二传输线42电连接，所述第四环64的电流输出端与第三传输线53电连接，所述第二传输线52和第三传输线53分布于第一传输线51相对的两侧；

其中，所述第一环61、第二环62、第三环63、第四环64分布在所述超导电路芯片的一个电路层内，所述第三环63与第一环61在连接处交叉且第三环63与第一环61在交叉处通过空气桥桥接，以及，所述第二环62与第四环64在连接处交叉且第二环62与第四环64在交叉处通过空气桥桥接，从而使第一环61、第二环62、第三环63、第四环64中任意两个相邻环内的电流流动方向相反，磁矩方向相反，使得总磁矩为0。

实施例1-5中磁通偏置线的传输线呈现单线引入，单线或多线引出状，且引入和引出的传输线具有类似的几何路径，所述传输线在空间的弥散磁场分布十分微弱，使得磁场对邻近区域的SQUID干扰程度减弱。

图6和图7分别示出了在电流I₀＝0.1A激励下，单环、双环和四环结构的耦合部件的空间磁场能量的变换趋势，B₀＝0.01T代表空间的特征磁场强度，P为磁场能量强度，定义空间相对磁场能量的衰减如式4)：

由于空间的对称性，选取了x方向和z方向为代表，对不同耦合部件构型下空间磁场变化趋势进行观测比较，结果显示，无论在x方向和z方向，随着距离磁通偏置线的距离增加，单环结构的磁场在空间的衰减趋势最缓慢，这意味着单环结构对邻近空间SQUID环的磁场作用最明显，而双环结构的衰减趋势较单环有所提高，在300um的远端降低约10dB；进一步观察四环结构磁场在空间的分布，无论在z方向还是x方向的空间，随着距离的增加均逐渐降低，且在三种结构中降低趋势最显著；尤其在300μm的距离处，相较于单环结构，四环结构的磁场能量衰减达到50～70dB，所以四环结构的耦合部件对邻近空间的SQUID作用十分微弱。

进一步对单环、双环和四环结构的耦合部件的磁场能量随着r的变化趋势进行拟合：

D(P)＝a-(20b)·Log(|r|)

其中，a和b为系数，b代表磁场能量强度的衰减指数(即

)，在|r|∈(10R,∞)的位置，单环、双环和四环结构的衰减指数分别为3.15、3.95和6.55，可以发现在降低磁场串扰时，四环结构相比于单环和双环具有更显著的优势。

图8a、图8b和图8c分别示出了空间的相对磁场能量强度的分布，从各图的等高线可以看出来，单环、双环及四环结构在空间的磁场衰减速度依次增快，进一步说明了磁通偏置线的耦合部件结构采用本发明实施例中偶数环的重要性。

本发明实施例提供的一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，能够使磁通偏置线的耦合部件与目标超导量子干涉器件具有更合适的耦合强度；同时，本发明实施例提供的一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，使电流在耦合部件中产生相反方向的磁矩，有助于抑制磁通偏置线对其他相邻区域超导量子干涉器件的串扰影响，降低了具有单一引线和单一圆环耦合部件特征的磁通偏置线在远处的磁场强度，提高了量子比特相干时间以及比特控制精确度。本发明实施例提供的一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，能够有效抑制空间弥散磁场的分布，降低磁场对邻近量子比特的干扰。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超导电路芯片的磁通偏置线布局结构，其特征在于：所述磁通偏置线包括传输线和连接于传输线端部的耦合部件，所述耦合部件包括偶数个环；并且，当向所述磁通偏置线内输入电流时，其中相邻环的磁矩方向相反，使得总磁矩为0。

2.根据权利要求1所述的磁通偏置线布局结构，其特征在于：所述超导电路芯片包括至少两个电路层，所述偶数个环分布在一个电路层内或分别设置在至少两个电路层内。

3.根据权利要求1或2所述的磁通偏置线布局结构，其特征在于：所述磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线、第一环、第二环和第二传输线；

或者，所述第一环和第二环分别分布在所述超导电路芯片的两个电路层内，且所述第一环和第二环在其中一个电路层上的正投影呈“8”字型交叉，所述第一环与第二环在交叉处通过导电体电连接，使所述第一环及第二环内的电流流动方向相反；

优选的，所述导电体包括In柱。

4.根据权利要求1或2所述的磁通偏置线布局结构，其特征在于：所述磁通偏置线包括第一传输线、第一环、第二环、第二传输线和第三传输线；

5.根据权利要求1或2所述的磁通偏置线布局结构，其特征在于：所述磁通偏置线包括沿电流传输方向依次连接的第一传输线、第一环、第二环、第三环、第四环和第二传输线；

6.根据权利要求1或2所述的磁通偏置线布局结构，其特征在于：所述磁通偏置线包括第一传输线、第一环、第二环、第三环、第四环、第二传输线和第三传输线；

7.一种超导电路芯片，包含超导量子干涉器件结构以及磁通偏置线，其特征在于：所述磁通偏置线具有权利要求1-6中任一项所述的超导电路芯片的磁通偏置线布局结构。

8.根据权利要求7所述的超导电路芯片，其特征在于：所述超导量子干涉器件结构在一个电路层上的正投影位于所述磁通偏置线中的一个环在所述电路层上的正投影之中。

9.根据权利要求7所述的超导电路芯片，其特征在于：所述超导量子干涉器件结构在一个电路层上的正投影位于所述磁通偏置线中的一个环在所述电路层上的正投影的中心区域。

10.根据权利要求8或9所述的超导电路芯片，其特征在于：所述超导量子干涉器件结构与其中一个环设置在同一电路层。