CN114595822A - 一种耦合器件的设计方法、超导量子电路及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子比特‑读出腔耦合器件的设计方法、超导量子电路及系统，将与读出腔直接相连的叉指电容器改为与量子比特的十字电容器直接相连。这样设计的作用是可将现有方案中通过计算确定量子比特电路参数、通过仿真确定读出腔电路参数，改进为通过仿真+计算确定量子比特电路参数、通过计算确定读出腔电路参数，从而带来如下有益效果：1)将原本叉指电容器对读出腔的影响转移给量子比特的十字电容器，可使得量子比特‑读出腔频率失谐增大，易于满足读出设计要求。2)通过仿真确定的参数由读出腔电路参数改为量子比特电路参数，可减少在进行超导量子电路设计时建模仿真所占用的内存和时间开销，从而缩短了设计周期。
Description
技术领域
本发明涉及超导量子领域，特别是涉及一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法、超导量子电路及系统。
背景技术
超导量子电路包括量子比特、读出腔及叉指电容器等。其中，量子比特是由SQUID(Superconducting quantum interference device，超导量子干涉仪)和旁路电容器并联构成的宏观谐振电路。对于transmon(transmission-line shunted plasma oscillationqubit，旁路并联等离子体振荡量子比特)量子比特，旁路电容器通常选择十字电容器。读出腔用于对量子比特进行状态读出，从结构上看，读出腔为四分之波长CPW(Coplanarwaveguide，共面波导)谐振器，通过蜿蜒排布以减少占据面积。如图1所示，读出腔的开路端连接叉指电容器，十字电容器有四条电容臂，其中一个电容臂伸入叉指电容器的叉指结构中，使得量子比特-读出腔之间通过叉指电容器耦合。
量子比特-读出腔耦合强度是影响超导量子电路的门保真度的主要因素之一，量子比特-读出腔耦合强度取决于量子比特、读出腔和叉指电容器的电路参数。超导量子电路的量子比特-读出腔耦合器件(叉指电容器)的主要设计要求就是保证量子比特-读出腔耦合强度满足一定值。
但是，现有的方案将叉指电容器连接在读出腔上作为量子比特-读出腔耦合器件，在超导量子电路设计时会存在如下问题：1)叉指电容器本身不可忽略的几何尺寸，会增加微波在读出腔中传输的反射面，产生相位移动，导致读出腔本征频率向低频偏移，后果是会引起量子比特-读出腔频率失谐减小，无法满足读出设计要求。2)叉指电容器与读出腔连接，读出腔的电路参数会受叉指电容器影响，由于叉指电容器的特殊形状，导致读出腔的电路参数(本征频率和自电容)无法总结出通用的计算公式，即读出腔的电路参数无法通过简单的计算得到，只能通过仿真得到，但仿真需要叉指电容器连同读出腔一同建模，而读出腔虽然为了减少占用面积已经蜿蜒排布，进行仿真分析时模型仍然很大，这样做显然会增加内存和时间开销，从而增加设计周期。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法、超导量子电路及系统，将原本叉指电容器对读出腔的影响转移给量子比特的十字电容器，可使得量子比特-读出腔频率失谐增大，易于满足读出设计要求；且通过仿真确定的参数由读出腔电路参数改为量子比特电路参数，可减少在进行超导量子电路设计时建模仿真所占用的内存和时间开销，从而缩短了设计周期。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超导量子电路，包括：
读出腔；
包含十字电容器的量子比特；
与所述十字电容器的一个电容臂连接的叉指电容器；其中，所述读出腔的开路端伸入所述叉指电容器的叉指结构中。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，所述量子比特-读出腔耦合器件为与量子比特中十字电容器的一个电容臂连接的叉指电容器；读出腔的开路端伸入所述叉指电容器的叉指结构中；所述设计方法包括：
基于所述十字电容器和所述叉指电容器的连接结构建立电容仿真模型，并基于所述电容仿真模型仿真得到量子比特自电容Cq；
基于预设参数关系式计算得到量子比特跃迁频率ωq、读出腔自电容Cr及读出腔本征频率ωr；
根据
计算量子比特-读出腔耦合电容Cg，并根据所述量子比特-读出腔耦合电容确定所述叉指电容器的叉指指长，以根据所述叉指指长设计所述叉指电容器；其中，g为量子比特-读出腔耦合强度的设计需求值。
可选地，基于预设参数关系式计算得到量子比特跃迁频率，包括：
根据
计算得到量子比特跃迁频率；其中，E01为所述量子比特最低两个能级之间的能量差；
为约化普朗克常数；EC为电容充电能量，EC≈e2/(2Cq)；e为一个电子的电荷量；EJ为约瑟夫森能量，
IC为约瑟夫森结临界电流，IC≈281.7×103/R；R为约瑟夫森结室温电阻。
可选地，基于所述十字电容器和所述叉指电容器的连接结构建立电容仿真模型，包括：
利用电磁仿真软件建立下层为第一衬底层、中间为第一金属层、上层为第一空气层的三层模型；
在所述第一金属层绘制所述十字电容器和所述叉指电容器的连接结构的平面模型，以得到电容仿真模型。
可选地，基于所述电容仿真模型仿真得到量子比特自电容，包括：
将所述电容仿真模型上所述十字电容器中未连接所述叉指电容器的一电容臂末端作为输入端口，对电容仿真模型的输入端口扫频并进行单端口矢量网络分析，得到不同扫频频率下的第一导纳系数；
根据C(1)＝1/[2πf*(1/Y11)]计算单端口有效电容C(1)，并将所述单端口有效电容的计算值作为所述量子比特自电容的仿真值；其中，Y11为扫频频率f下的第一导纳系数；f＝ωq/2π。
可选地，基于预设参数关系式计算得到读出腔本征频率，包括：
根据
计算得到读出腔本征频率；其中，c为真空光速；l为读出腔总长度；εeff为所述读出腔的衬底层和金属层之间的有效介电常数，εeff≈1+γ(εr-1)；γ为预设系数值；εr为所述读出腔的衬底层的介电常数。
可选地，基于预设参数关系式计算得到读出腔自电容，包括：
根据
计算得到读出腔自电容；其中，Z为读出腔阻抗，
K为第一类完全椭圆积分，k0＝s/(s+2w)，
s为读出腔CPW平面的中心导体几何宽度；w为读出腔CPW平面的槽几何宽度；εeff为所述读出腔的衬底层和金属层之间的有效介电常数，εeff≈1+γ(εr-1)；γ为预设系数值；εr为所述读出腔的衬底层的介电常数。
可选地，根据所述量子比特-读出腔耦合电容确定所述叉指电容器的叉指指长，包括：
基于所述读出腔、所述十字电容器及给定叉指指长的所述叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型，并基于所述耦合仿真模型仿真得到量子比特-读出腔耦合电容；
判断仿真得到的所述量子比特-读出腔耦合电容与计算得到的所述量子比特-读出腔耦合电容的差值是否小于预设差值阈值；
若否，则调整所述给定叉指指长的指长值，并返回执行基于所述读出腔、所述十字电容器及给定叉指指长的所述叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型的步骤；
若是，则将当前给定的叉指指长作为所述叉指电容器设计所需的叉指指长。
可选地，基于所述读出腔、所述十字电容器及给定叉指指长的所述叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型，包括：
利用电磁仿真软件建立下层为第二衬底层、中间为第二金属层、上层为第二空气层的三层模型；
在所述第二金属层绘制所述十字电容器中连接所述叉指电容器的目标电容臂、所述叉指电容器及部分读出腔的耦合结构的平面模型，以得到耦合仿真模型。
可选地，基于所述耦合仿真模型仿真得到量子比特-读出腔耦合电容，包括：
将所述耦合仿真模型上所述目标电容臂的耦合远端作为输入端口、所述部分读出腔的耦合远端作为输出端口；
对所述耦合仿真模型的输入端口扫频并进行双端口矢量网络分析，得到不同扫频频率下的第二导纳系数；
根据C(2)＝1/[2πf*(1/Y21)]计算双端口有效电容C(2)，并将所述双端口有效电容的计算值作为所述量子比特-读出腔耦合电容的仿真值；其中，Y21为扫频频率f下的第二导纳系数；f＝ωq/2π。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种超导量子电路，包括读出腔、包含十字电容器的量子比特及量子比特-读出腔耦合器件；其中，所述量子比特-读出腔耦合器件采用上述任一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法进行设计。
本发明提供了一种超导量子电路，将与读出腔直接相连的叉指电容器改为与量子比特的十字电容器直接相连。这样设计的作用是可将现有方案中通过计算确定量子比特电路参数、通过仿真确定读出腔电路参数，改进为通过仿真+计算确定量子比特电路参数、通过计算确定读出腔电路参数，从而带来如下有益效果：1)将原本叉指电容器对读出腔的影响转移给量子比特的十字电容器，可使得量子比特-读出腔频率失谐增大，易于满足读出设计要求。2)通过仿真确定的参数由读出腔电路参数改为量子比特电路参数，可减少在进行超导量子电路设计时建模仿真所占用的内存和时间开销，从而缩短了设计周期。
本发明还提供了一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法及超导量子系统，与上述超导量子电路具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种超导量子电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超导量子电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种读出腔的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种十字电容器的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法、超导量子电路及系统，将原本叉指电容器对读出腔的影响转移给量子比特的十字电容器，可使得量子比特-读出腔频率失谐增大，易于满足读出设计要求；且通过仿真确定的参数由读出腔电路参数改为量子比特电路参数，可减少在进行超导量子电路设计时建模仿真所占用的内存和时间开销，从而缩短了设计周期。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种超导量子电路的结构示意图。
该超导量子电路包括：
读出腔100；
包含十字电容器200的量子比特；
与十字电容器200的一个电容臂连接的叉指电容器300；其中，读出腔100的开路端伸入叉指电容器300的叉指结构中。
具体地，本申请将与读出腔直接相连的叉指电容器改为与量子比特的十字电容器直接相连。这样设计的作用是可将现有方案中通过计算确定量子比特电路参数、通过仿真确定读出腔电路参数，改进为通过仿真+计算确定量子比特电路参数、通过计算确定读出腔电路参数，从而带来如下有益效果：1)将原本叉指电容器对读出腔的影响转移给量子比特的十字电容器，可使得量子比特-读出腔频率失谐增大，易于满足读出设计要求。2)通过仿真确定的参数由读出腔电路参数改为量子比特电路参数，可减少在进行超导量子电路设计时建模仿真所占用的内存和时间开销，从而缩短了设计周期。
请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法的流程图。
量子比特-读出腔耦合器件为与量子比特中十字电容器的一个电容臂连接的叉指电容器；读出腔的开路端伸入叉指电容器的叉指结构中；量子比特-读出腔耦合器件的设计方法包括：
步骤S1：基于十字电容器和叉指电容器的连接结构建立电容仿真模型，并基于电容仿真模型仿真得到量子比特自电容Cq。
具体地，本申请将与读出腔直接相连的叉指电容器改为与量子比特的十字电容器直接相连。这样的话，读出腔电路参数(本征频率和自电容)、量子比特电路参数(跃迁频率)均可以直接通过计算得到，而量子比特电路参数(自电容)可通过快速仿真得到。
基于此，本申请基于十字电容器和叉指电容器的连接结构建立电容仿真模型，然后基于电容仿真模型仿真得到量子比特自电容。
步骤S2：基于预设参数关系式计算得到量子比特跃迁频率ωq、读出腔自电容Cr及读出腔本征频率ωr。
具体地，本申请提前设置好用于计算量子比特跃迁频率的跃迁频率参数关系式、用于计算读出腔自电容的自电容参数关系式、用于计算读出腔本征频率的本征频率参数关系式，然后基于跃迁频率参数关系式计算得到量子比特跃迁频率，基于自电容参数关系式计算得到读出腔自电容，基于本征频率参数关系式计算得到读出腔本征频率。
步骤S3：根据
计算量子比特-读出腔耦合电容Cg，并根据量子比特-读出腔耦合电容确定叉指电容器的叉指指长，以根据叉指指长设计叉指电容器。
具体地，量子比特自电容Cq、量子比特跃迁频率ωq、读出腔自电容Cr、读出腔本征频率ωr及量子比特-读出腔耦合电容Cg的关系是：
基于此，本申请根据
计算量子比特-读出腔耦合电容，然后根据量子比特-读出腔耦合电容确定叉指电容器的叉指指长，目的是根据确定的叉指指长设计与十字电容器相连的叉指电容器，这样就能使量子比特-读出腔耦合强度满足其设计需求值。
本发明提供了一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，将与读出腔直接相连的叉指电容器改为与量子比特的十字电容器直接相连。这样设计的作用是可将现有方案中通过计算确定量子比特电路参数、通过仿真确定读出腔电路参数，改进为通过仿真+计算确定量子比特电路参数、通过计算确定读出腔电路参数，从而带来如下有益效果：1)将原本叉指电容器对读出腔的影响转移给量子比特的十字电容器，可使得量子比特-读出腔频率失谐增大，易于满足读出设计要求。2)通过仿真确定的参数由读出腔电路参数改为量子比特电路参数，可减少在进行超导量子电路设计时建模仿真所占用的内存和时间开销，从而缩短了设计周期。
在上述实施例的基础上：
作为一种可选的实施例，基于预设参数关系式计算得到量子比特跃迁频率，包括：
根据
计算得到量子比特跃迁频率；其中，E01为量子比特最低两个能级之间的能量差；
为约化普朗克常数；EC为电容充电能量，EC≈e2/(2Cq)；e为一个电子的电荷量，e≡1.6×10-19(单位为J)；EJ为约瑟夫森能量，
IC为约瑟夫森结临界电流，IC≈281.7×103/R(单位为nA)；R为约瑟夫森结室温电阻。
具体地，本申请的量子比特跃迁频率指量子比特最低两个能级之间的频率，一般量子比特跃迁频率在4-6GHz。由于约瑟夫森结室温电阻与约瑟夫森结横截面积、绝缘层厚度以及制造工艺有关，设计时一般根据经验固定约瑟夫森结临界电流或直接固定约瑟夫森能量，本申请计算时直接给定EJ～h×20GHz(～表示近似等于)，h为普朗克常数。
作为一种可选的实施例，基于十字电容器和叉指电容器的连接结构建立电容仿真模型，包括：
利用电磁仿真软件建立下层为第一衬底层、中间为第一金属层、上层为第一空气层的三层模型；
在第一金属层绘制十字电容器和叉指电容器的连接结构的平面模型，以得到电容仿真模型。
具体地，量子比特自电容需要建立电容仿真模型，建模过程为：利用hfss(HighFrequency Structure Simulator，高频结构仿真)、sonnet(三维平面电磁场仿真工具)等电磁仿真软件，建立下层为第一衬底层、中间为第一金属层、上层为第一空气层的三层模型，设置厚度、材料属性和网格大小，并在第一金属层绘制十字电容器和叉指电容器的连接结构的平面模型，以得到电容仿真模型。
作为一种可选的实施例，基于电容仿真模型仿真得到量子比特自电容，包括：
将电容仿真模型上十字电容器中未连接叉指电容器的一电容臂末端作为输入端口，对电容仿真模型的输入端口扫频并进行单端口矢量网络分析，得到不同扫频频率下的第一导纳系数；
根据C(1)＝1/[2πf*(1/Y11)]计算单端口有效电容C(1)，并将单端口有效电容的计算值作为量子比特自电容的仿真值；其中，Y11为扫频频率f下的第一导纳系数；f＝ωq/2π。
具体地，在电容仿真模型建好后，本申请将电容仿真模型上十字电容器中未连接叉指电容器的一电容臂末端作为输入端口，对输入端口扫频并进行单端口矢量网络分析，可得到不同扫频频率下的第一导纳系数。量子比特自电容的仿真值即为单端口有效电容Cq～C(1)＝1/[2πf*(1/Y11)]，C(1)是按输出端口对地短路计算，其中，f为扫频频率，f的具体取值需要根据计算的量子比特跃迁频率ωq/2π确定；Y11为扫频频率f下的第一导纳系数。
需要说明的是，量子比特自电容Cq与量子比特跃迁频率ωq互相关，实际上仿真得到的C(1)是关于不同扫频频率下的一系列值，可以先选取某个扫频频率对应的C(1)作为量子比特自电容，并基于此量子比特自电容计算量子比特跃迁频率ωq/2π后与当前选取的扫频频率比较，若计算的ωq/2π与当前选取的扫频频率足够接近，则将当前选取的扫频频率作为扫频频率f，从而得到扫频频率f对应的C(1)作为最终的量子比特自电容的仿真值；若计算的ωq/2π与当前选取的扫频频率不足够接近，则重新选取扫频频率重复上述过程，直到计算的ωq/2π与当前选取的扫频频率足够接近。
作为一种可选的实施例，基于预设参数关系式计算得到读出腔本征频率，包括：
根据
计算得到读出腔本征频率；其中，c为真空光速；l为读出腔总长度；εeff为读出腔的衬底层和金属层之间的有效介电常数，εeff≈1+γ(εr-1)；γ为预设系数值；εr为读出腔的衬底层的介电常数。
具体地，如图4所示，本申请的读出腔为四分之波长CPW谐振器，读出腔本征频率的参数计算关系式为：
其中，c为真空光速；l为读出腔总长度，一般提前给定；εeff为读出腔的衬底层和金属层之间的有效介电常数，εeff≈1+γ(εr-1)；γ为预设系数值，γ与读出腔的衬底层和金属层厚度有关，由椭圆积分给出，一般取0.51；εr为读出腔的衬底层的介电常数。读出腔本征频率需要根据量子比特跃迁频率考虑色散极限，即|ωr-ωq|＞＞g，一般读出腔本征频率取值比量子比特跃迁频率大1GHz以上。
作为一种可选的实施例，基于预设参数关系式计算得到读出腔自电容，包括：
根据
计算得到读出腔自电容；其中，Z为读出腔阻抗，
K为第一类完全椭圆积分，k0＝s/(s+2w)，
s为读出腔CPW平面的中心导体几何宽度；w为读出腔CPW平面的槽几何宽度；εeff为读出腔的衬底层和金属层之间的有效介电常数，εeff≈1+γ(εr-1)；γ为预设系数值；εr为读出腔的衬底层的介电常数。
具体地，读出腔自电容的参数计算关系式为：
微波电路特性阻抗Z0～50Ω(～表示近似等于)，要求读出腔阻抗匹配，则可直接固定Z≈50Ω。
作为一种可选的实施例，根据量子比特-读出腔耦合电容确定叉指电容器的叉指指长，包括：
基于读出腔、十字电容器及给定叉指指长的叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型，并基于耦合仿真模型仿真得到量子比特-读出腔耦合电容；
判断仿真得到的量子比特-读出腔耦合电容与计算得到的量子比特-读出腔耦合电容的差值是否小于预设差值阈值；
若否，则调整给定叉指指长的指长值，并返回执行基于读出腔、十字电容器及给定叉指指长的叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型的步骤；
若是，则将当前给定的叉指指长作为叉指电容器设计所需的叉指指长。
具体地，本申请先给定一个叉指指长，并基于读出腔、十字电容器及给定叉指指长的叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型，且基于耦合仿真模型仿真得到量子比特-读出腔耦合电容，然后判断仿真得到的量子比特-读出腔耦合电容与计算得到的量子比特-读出腔耦合电容的差值是否小于预设差值阈值，若不小于预设差值阈值，说明当前给定的叉指指长无法使量子比特-读出腔耦合强度满足其设计需求值，则调整给定叉指指长的指长值，并返回执行基于读出腔、十字电容器及给定叉指指长的叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型的步骤；若小于预设差值阈值，说明当前给定的叉指指长可使量子比特-读出腔耦合强度满足其设计需求值，则将当前给定的叉指指长作为叉指电容器设计所需的叉指指长。
作为一种可选的实施例，基于读出腔、十字电容器及给定叉指指长的叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型，包括：
利用电磁仿真软件建立下层为第二衬底层、中间为第二金属层、上层为第二空气层的三层模型；
在第二金属层绘制十字电容器中连接叉指电容器的目标电容臂、叉指电容器及部分读出腔的耦合结构的平面模型，以得到耦合仿真模型。
具体地，耦合仿真模型的建模过程为：利用hfss、sonnet等电磁仿真软件，建立下层为第二衬底层、中间为第二金属层、上层为第二空气层的三层模型，设置厚度、材料属性和网格大小，并在第二金属层绘制十字电容器中连接叉指电容器的电容臂(称为目标电容臂)、叉指电容器及部分读出腔的耦合结构的平面模型，以得到耦合仿真模型。
作为一种可选的实施例，基于耦合仿真模型仿真得到量子比特-读出腔耦合电容，包括：
将耦合仿真模型上目标电容臂的耦合远端作为输入端口、部分读出腔的耦合远端作为输出端口；
对耦合仿真模型的输入端口扫频并进行双端口矢量网络分析，得到不同扫频频率下的第二导纳系数；
根据C(2)＝1/[2πf*(1/Y21)]计算双端口有效电容C(2)，并将双端口有效电容的计算值作为量子比特-读出腔耦合电容的仿真值；其中，Y21为扫频频率f下的第二导纳系数；f＝ωq/2π。
具体地，在耦合仿真模型建好后，本申请将耦合仿真模型上目标电容臂的耦合远端(目标电容臂上未连接叉指电容器的一端)作为输入端口、部分读出腔的耦合远端(部分读出腔上未插入叉指电容器的叉指结构的一端)作为输出端口，对输入端口扫频并进行双端口矢量网络分析，得到不同扫频频率下的第二导纳系数。量子比特-读出腔耦合电容的仿真值即为双端口有效电容Cg～C(2)＝1/[2πf*(1/Y21)]，由于叉指电容器连接在十字电容器上，所以扫频频率f根据ωq/2π确定。
综上，本申请提出的这种量子比特-读出腔耦合器件的改进设计，通过改变叉指电容器的位置，减少超导量子电路设计过程中关于量子比特-读出腔耦合器件设计的内存和时间开销，缩短设计周期。接下来，先说明电路参数计算值与仿真值之间的近似，证明用仿真值代替计算值或用计算值代替仿真值的合理性，再说明本申请提出的改进设计相比现有技术方案，满足设计要求的前提下在内存和时间开销上的优势。
1、电路参数计算值与仿真值之间的近似
读出腔模型为本申请方案(没有与叉指电容器相连)，如图4所示，读出腔总长度l＝4462um，中心导体几何宽度s＝4um，槽几何宽度w＝2um；衬底为蓝宝石，εr＝10.34，γ＝0.51；量子比特模型为现有技术方案，如图5所示，十字电容器的电容臂长L＝130um，中心几何宽度S＝8um，槽几何宽度W＝4um。基于此，电路参数计算值与仿真值的对比如下表1：
表1
从表1发现(NA表示无法得到有效值)，量子比特自电容的计算值和仿真值非常接近。而读出腔自电容的仿真值约为计算值的一半，这是因为读出腔自电容仿真值取的是频率仿真值6.95GHz处的C(1)，如果取频率计算值7.00GHz处的C(1)，则读出腔自电容仿真值为362.9fF，也会与自电容计算值非常接近。这说明读出腔本征频率的仿真误差会导致读出腔自电容的误差。
2、本申请相比现有技术方案满足设计要求前提下在内存和时间开销上的优势
量子比特和读出腔取值与上述相同，叉指电容器指长lID＝60um，现有技术方案叉指电容器直接连接在读出腔开路端，本申请方案叉指电容器连接在十字电容器的一个电容臂。两个方案是否满足设计要求通过比较量子比特-读出腔频率失谐判断，两个方案在内存和时间开销上的差距通过比较现有技术方案读出腔本征频率的仿真和本申请方案量子比特自电容的仿真得到，仿真模型大小用划分的网格数表示，单个网格大小都为1um×1um；内存开销＝仿真模型占用内存/总内存，6线程同步运行；时间开销＝完成单个扫频点所需的平均时间/完成整个模型所需时间，频率点都为101个。两个方案的对比如下表2：
表2
就设计要求而言，现有技术方案量子比特-读出腔频率失谐只有0.57GHz，不满足色散读出要求，所以需要重新调整读出腔总长度使其本征频率更大，来弥补叉指电容器连接在读出腔上导致的频率偏移量。本申请方案量子比特-读出腔频率失谐为1.99GHz，完全满足色散读出设计要求，这是因为叉指电容器连接在十字电容器上导致量子比特自电容增大，跃迁频率减小，量子比特-读出腔频率失谐增大。就内存开销和时间开销而言，现有技术方案的读出腔频率仿真模型更大，需要更多的内存和时间开销；而本申请方案的量子比特电容仿真模型比较小，内存和时间开销相对少了很多。
本申请还提供了一种超导量子电路，包括读出腔、包含十字电容器的量子比特及量子比特-读出腔耦合器件；其中，量子比特-读出腔耦合器件采用上述任一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法进行设计。
本申请提供的超导量子电路的介绍请参考上述设计方法的实施例，本申请在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种超导量子电路，其特征在于，包括：
读出腔；
包含十字电容器的量子比特；
与所述十字电容器的一个电容臂连接的叉指电容器；其中，所述读出腔的开路端伸入所述叉指电容器的叉指结构中。
2.一种量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，所述量子比特-读出腔耦合器件为与量子比特中十字电容器的一个电容臂连接的叉指电容器；读出腔的开路端伸入所述叉指电容器的叉指结构中；所述设计方法包括：
基于所述十字电容器和所述叉指电容器的连接结构建立电容仿真模型，并基于所述电容仿真模型仿真得到量子比特自电容Cq；
基于预设参数关系式计算得到量子比特跃迁频率ωq、读出腔自电容Cr及读出腔本征频率ωr；
根据
计算量子比特-读出腔耦合电容Cg，并根据所述量子比特-读出腔耦合电容确定所述叉指电容器的叉指指长，以根据所述叉指指长设计所述叉指电容器；其中，g为量子比特-读出腔耦合强度的设计需求值。
3.如权利要求2所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，基于预设参数关系式计算得到量子比特跃迁频率，包括：
根据
计算得到量子比特跃迁频率；其中，E01为所述量子比特最低两个能级之间的能量差；
为约化普朗克常数；EC为电容充电能量，EC≈e2/(2Cq)；e为一个电子的电荷量；EJ为约瑟夫森能量，
IC为约瑟夫森结临界电流，IC≈281.7×103/R；R为约瑟夫森结室温电阻。
4.如权利要求2所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，基于所述十字电容器和所述叉指电容器的连接结构建立电容仿真模型，包括：
利用电磁仿真软件建立下层为第一衬底层、中间为第一金属层、上层为第一空气层的三层模型；
在所述第一金属层绘制所述十字电容器和所述叉指电容器的连接结构的平面模型，以得到电容仿真模型。
5.如权利要求4所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，基于所述电容仿真模型仿真得到量子比特自电容，包括：
将所述电容仿真模型上所述十字电容器中未连接所述叉指电容器的一电容臂末端作为输入端口，对电容仿真模型的输入端口扫频并进行单端口矢量网络分析，得到不同扫频频率下的第一导纳系数；
根据C(1)＝1/[2πf*(1/Y11)]计算单端口有效电容C(1)，并将所述单端口有效电容的计算值作为所述量子比特自电容的仿真值；其中，Y11为扫频频率f下的第一导纳系数；f＝ωq/2π。
6.如权利要求2所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，基于预设参数关系式计算得到读出腔本征频率及读出腔自电容，包括：
根据
计算得到读出腔本征频率；其中，c为真空光速；l为读出腔总长度；εeff为所述读出腔的衬底层和金属层之间的有效介电常数，εeff≈1+γ(εr-1)；γ为预设系数值；εr为所述读出腔的衬底层的介电常数；
根据
计算得到读出腔自电容；其中，Z为读出腔阻抗，
K为第一类完全椭圆积分，k0＝s/(s+2w)，
s为读出腔CPW平面的中心导体几何宽度；w为读出腔CPW平面的槽几何宽度；εeff为所述读出腔的衬底层和金属层之间的有效介电常数，εeff≈1+γ(εr-1)；γ为预设系数值；εr为所述读出腔的衬底层的介电常数。
7.如权利要求2-6任一项所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，根据所述量子比特-读出腔耦合电容确定所述叉指电容器的叉指指长，包括：
基于所述读出腔、所述十字电容器及给定叉指指长的所述叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型，并基于所述耦合仿真模型仿真得到量子比特-读出腔耦合电容；
判断仿真得到的所述量子比特-读出腔耦合电容与计算得到的所述量子比特-读出腔耦合电容的差值是否小于预设差值阈值；
若否，则调整所述给定叉指指长的指长值，并返回执行基于所述读出腔、所述十字电容器及给定叉指指长的所述叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型的步骤；
若是，则将当前给定的叉指指长作为所述叉指电容器设计所需的叉指指长。
8.如权利要求7所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，基于所述读出腔、所述十字电容器及给定叉指指长的所述叉指电容器的耦合结构建立耦合仿真模型，包括：
利用电磁仿真软件建立下层为第二衬底层、中间为第二金属层、上层为第二空气层的三层模型；
在所述第二金属层绘制所述十字电容器中连接所述叉指电容器的目标电容臂、所述叉指电容器及部分读出腔的耦合结构的平面模型，以得到耦合仿真模型。
9.如权利要求8所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法，其特征在于，基于所述耦合仿真模型仿真得到量子比特-读出腔耦合电容，包括：
将所述耦合仿真模型上所述目标电容臂的耦合远端作为输入端口、所述部分读出腔的耦合远端作为输出端口；
对所述耦合仿真模型的输入端口扫频并进行双端口矢量网络分析，得到不同扫频频率下的第二导纳系数；
根据C(2)＝1/[2πf*(1/Y21)]计算双端口有效电容C(2)，并将所述双端口有效电容的计算值作为所述量子比特-读出腔耦合电容的仿真值；其中，Y21为扫频频率f下的第二导纳系数；f＝ωq/2π。
10.一种超导量子系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的超导量子电路；其中，所述超导量子电路中的叉指电容器采用如权利要求2-9任一项所述的量子比特-读出腔耦合器件的设计方法进行设计。
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