CN115438795B - 一种量子芯片及量子计算机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子芯片及量子计算机，属于量子计算技术领域。一种量子芯片，包括：量子比特，及频率可调的控制结构，且控制结构与量子比特色散耦合，其中，所述量子比特包括第一电容极板及与第一电容极板连接形成非线性振荡电路的单个第一约瑟夫森结。本申请克服了现有技术中量子比特的频率调控结构的限制，可以通过将频率可调的控制结构与包含单个约瑟夫森结的量子比特耦合进行频率调控，并且量子比特的频率稳定性较高，不易受磁通噪声的影响。

Description

一种量子芯片及量子计算机

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域，特别地，本申请涉及一种量子芯片及量子计算机。

背景技术

量子芯片是量子计算机的核心部件。超导物理体系构建量子芯片的基本思路是：将基于约瑟夫森结形成的squid与额外构建电容极板并联，基于该并联结构形成的超导量子比特电路即作为量子芯片上执行量子计算的基本单元——量子比特。量子比特可通过外加电磁信号进行调控，进而实现一系列的量子比特操作。目前，量子芯片执行量子计算时，普遍是采用位于squid附近的磁通调控信号线(Z-control line)的结构形式，通过施加信号调控squid的磁通量完成量子比特频率的调控。量子比特的调控结构形式较局限，例如，局限于上文描述的结构，这种现状亟需进行改善优化。

发明内容

针对现有技术中量子比特的频率调控结构较为局限的问题，本申请提供一种量子芯片及量子计算机，克服了相有技术中量子比特的频率调控结构的限制，可以通过将频率可调的控制结构与包含单个约瑟夫森结的量子比特耦合进行频率调控。

本申请的一个方面提供了一种量子芯片，包括：

量子比特，及频率可调的控制结构，且控制结构与量子比特色散耦合，其中，所述量子比特包括第一电容极板及与第一电容极板连接形成非线性振荡电路的单个第一约瑟夫森结。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，所述第一约瑟夫森结的一端连接所述第一电容极板，另一端接地。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，所述第一约瑟夫森结的一端连接一个第一电容极板，另一端连接另一个第一电容极板。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，所述控制结构包括：超导量子干涉装置，以及与超导量子干涉装置感应耦联的磁通调控信号线。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，所述超导量子干涉装置包括至少两个第二约瑟夫森结，至少两个第二约瑟夫森结形成并联结构。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，所述至少两个第二约瑟夫森结的临界电流不相同。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，所述控制结构包括第二电容极板，所述超导量子干涉装置的一端连接所述第二电容极板，另一端接地。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，所述控制结构包括两个第二电容极板，所述超导量子干涉装置的一端连接一个第二电容极板，另一端连接另一个第二电容极板。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，量子比特与控制结构的频率差Δ及量子比特与控制结构的耦合强度g满足：Δ≥3g。

如上所述的量子芯片，在本申请的一些实施方式中，控制结构的频率低于量子比特的频率。

本申请的另一个方面提供了一种量子计算机，包括：

真空制冷系统，包括密闭容器；

如上所述量子芯片，该量子芯片被包含在由该密闭容器限定的真空制冷环境内；以及

设于该真空制冷环境内的多个传输线路，以便将电磁信号引导到该量子芯片中的至少一个选定的量子比特并且从该至少一个选定的量子比特接收电磁信号。

与现有技术相比，本申请提供的量子芯片采用单个第一约瑟夫森结和与第一电容极板连接形成的非线性振荡电路构建量子比特，并利用频率可调的控制结构与量子比特色散耦合，从而能够调控量子比特的频率。并且，相对于相关技术中通过在量子芯片上的磁通调控信号线(Z-control line)施加信号调控squid的磁通量完成量子比特频率的调控的方式，本申请提供的方案中量子比特的频率调控的稳定性较高，不易受磁通噪声的影响。

附图说明

图1为相关技术中量子芯片上量子比特的结构示意图；

图2为本申请的实施例提供的一种量子芯片的实施结构示意图；

图3为本申请的实施例提供的另一种量子芯片的实施结构示意图；

图4为本申请的实施例提供的一种量子芯片特定设计示例的量子比特1的频率；

图5为本申请的实施例提供的一种量子芯片特定设计示例的控制结构2的频率；

图6为本申请的实施例提供的一种量子芯片特定设计示例的色散判据。

附图标记说明：

1－量子比特，11－第一电容极板，12－第一约瑟夫森结，

2－控制结构，21－第二电容极板，22－第二约瑟夫森结，

3－脉冲调控信号线，4－磁通调控信号线。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。

量子比特为一个遵循量子力学规律的二能级系统，可以处于0和1的任意叠加状态，是执行量子计算的基本单元。若干物理系统已被建议作为量子比特的潜在的实施方式，根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导物理体系、半导体量子点物理体系、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。超导物理体系是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法。基于超导物理体系的量子比特的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，量子比特电路的设计定制的可控性强。同时，得益于基于现有的成熟集成电路工艺，超导物理体系具有多数量子物理体系难以比拟的可扩展性。

约瑟夫森结(Josephson Junction)是一个由两个超导体中间隔绝一个薄的绝缘层形成的三层结构。当中间绝缘层薄到能明显体现出库珀对的量子遂穿效应时，约瑟夫森结就能体现出一些不同于一般超导体或是绝缘体所展现的行为。对于这种超导体－绝缘体－超导体(SIS)约瑟夫森结，最大允许的超电流是临界电流，当通过结的电流小于临界电流时，结表现出来的结果与一般器件不同，当电流大于临界电流时，结表现出来的结果与一般电阻类似。超导量子干涉装置squid是两个约瑟夫森结并联形成的超导环，其临界电流允许通过施加的外部磁场来调谐。

在超导物理体系中，Transmons为一种常用的量子比特的构造，结合图1所示，量子比特常采用单个对地的电容，及一端接地、另一端与该电容连接的超导量子干涉装置squid，squid的等效临界电流I_c的大小受到外磁场Φ_e的调节，并且该电容常为十字型平行板电容，参见图1所示，十字型电容板C_q被接地平面(GND)包围，且十字型电容板C_q与接地平面(GND)之间具有间隙，超导量子干涉装置squid的一端连接至十字型电容板C_q，另一端连接至接地平面(GND)，由于十字型电容板C_q的第一端通常用于连接超导量子干涉装置squid，第二端用于与读取谐振腔耦合，第一端和第二端的附近需要预留一定的空间用于布线，例如，第一端的附近需预留布置脉冲调控信号线(又称XY信号线)和磁通调控信号线(Z-control line，又称Z信号线)的空间，十字型电容板C_q的另外两端可以用于与相邻量子比特耦合。其中，脉冲调控信号线是针对特定频率的量子比特施加量子比特跃迁激发脉冲信号的传输线，磁通调控信号线是传输驱动信号以产生耦合到量子比特的磁场进而实现对量子比特的频率控制的信号线。

目前，量子比特的调控结构形式较为单一并局限于上文描述的结构，然而，量子计算的若干问题与量子比特的频率调控有关，特别是与通过磁通调控信号线施加外部磁场来调谐量子比特的squid的磁通量进而实现频率调控的方式有关。例如，外部磁场可降低约瑟夫森结能量，由此引入对磁通噪声的敏感度，进而使得量子比特频率易受到磁通噪声的影响，导致量子比特频率偏离理想位置，最终影响量子比特调控的精度，降低量子比特的相干时间等。

图2为本申请的实施例提供的一种量子芯片的实施结构示意图，图3为本申请的实施例提供的另一种量子芯片的实施结构示意图；

本申请的实施例解决在现有技术的设计方案中的限制。结合图2和图3所示，根据本申请的一个或多个实施例，提供了一种量子芯片，包括频率可调的控制结构2，及与控制结构2色散耦合的量子比特11，并且该量子比特1包括第一电容极板11，及与第一电容极板11连接形成非线性振荡电路的单个第一约瑟夫森结12。量子比特1的各元件可形成在衬底上，诸如晶片，晶片可以是硅晶片、蓝宝石晶片或用于微加工的其它衬底材料。并且，控制结构2和量子比特1的分布位置不限，两者可以位于衬底的同一表面并形成色散耦合(参见图2和图3所描述的形式)，又示例性的，也可以分别独立的位于两个不同的表面并形成色散耦合。控制结构2可以是振荡电路，具体实施时，只要控制结构2具有可以调谐的连续频率值或者多个分散频率点即可。

本申请实施例提供的量子芯片采用单个第一约瑟夫森结12和与第一电容极板11连接形成的非线性振荡电路构建量子比特1，并利用频率可调的控制结构2与量子比特1色散耦合，色散耦合有助于降低甚至避免两者之间发生能量的直接交换，从而能够利用控制结构2调控量子比特1的频率，形成了替代相关技术中采用磁通调控信号线直接调控量子比特的结构形式。并且，相对于相关技术中通过在量子芯片上的磁通调控信号线(Z-controlline)施加信号直接调控量子比特的squid的磁通量完成量子比特频率调控的方式，本申请提供的方案中利用控制结构2对量子比特1进行频率调控的稳定性较高，不易受磁通噪声的影响。

下面结合图2至图6进一步描述本申请实施例中的量子比特1和控制结构2。

量子比特1

本申请实施例中，由第一电容极板11，及与第一电容极板11连接的单个第一约瑟夫森结12形成量子比特1，这种结构形式的量子比特1的频率具有适度的可调性，并且因为电性耦合，控制结构2的频率变化引起量子比特1的频率的变化。相对于相关技术中由电容极板及与电容极板并联的超导量子干涉装置squid直接构建形成量子比特而言，本申请实施例中的量子比特1的频率可调谐范围更小(例如，约100MHz)，磁通噪声不易对量子态去相位的敏感度及相干时间产生不利影响。在本申请的一些实施例中，所述第一约瑟夫森结12的一端连接所述第一电容极板11，另一端接地。在本申请的另一些实施例中，所述第一约瑟夫森结12的一端连接一个第一电容极板11，另一端连接另一个第一电容极板11。在本申请的实施例中，第一电容极板11被接地平面GND包围，且第一电容极板11与接地平面GND之间具有间隙，所述第一约瑟夫森结12被构建在该间隙中，且所述第一约瑟夫森结12按设计需要与第一电容极板11、接地平面GND电和物理的接触连接。

控制结构2

本申请实施例中的控制结构2具有自身频率可调的特点，通过控制结构2的频率调谐进而使量子比特1发生频移，完成量子比特1的频率调谐，然后再通过配置的脉冲调控信号线3对量子比特1的量子态进行操控。在本申请的一些实施例中，所述控制结构2包括超导量子干涉装置squid，以及与超导量子干涉装置squid感应耦联的磁通调控信号线4，基于磁通调控信号线4上的信号产生施加于超导量子干涉装置squid的外部磁场，通过外部磁场调控控制结构2的频率。在一些示例中，所述超导量子干涉装置squid包括至少两个第二约瑟夫森结22，例如，可以是三个第二约瑟夫森结22形成的并联结构。示例性的，所述至少两个第二约瑟夫森结22通常具有不同的面积，从而保证临界电流不相同。通过在超导量子干涉装置squid中具有不相似的约瑟夫森结，降低控制结构2的频率对噪声的敏感性。在本申请的一些实施例中，所述控制结构2包括第二电容极板21，所述超导量子干涉装置squid的一端连接所述第二电容极板21，另一端接地。本申请的另一些实施例中，所述控制结构2包括两个第二电容极板21，所述超导量子干涉装置squid的一端连接一个第二电容极板21，另一端连接另一个第二电容极板21。在本申请的实施例中，第二电容极板21被接地平面GND包围，且第二电容极板21与接地平面GND之间具有间隙，超导量子干涉装置squid被构建在该间隙中，且超导量子干涉装置squid按设计需要与第二电容极板21、接地平面GND电和物理的接触连接。

再次结合图1，上文相关技术所描述的量子比特的调控结构通过施加于量子比特包含的超导量子干涉装置squid的外部磁通量来调谐量子比特的频率。具体的，在上文相关技术所描述的量子比特的调控结构中，该量子比特的频率量子比特的频率ω₁₀与电容的静电能E_C及squid的能量E_J有关，squid的能量E_J随外磁场Φ_e变化，因此可通过squid的能量E_J对外磁场Φ_e的变化响应完成量子比特频率的控制调节。利用施加在磁通调控信号线(Z-control line)上的电流产生外磁场Φ_e，外磁场穿过squid区域引起该squid区域量子比特频率的变化。穿透该squid环路的磁通量受到由磁通调控信号线与该squid环路之间的互感强度M、施加在磁通调控信号线的电信号产生的磁场大小、及磁通噪声等因素的影响的。磁通噪声是磁通调控信号中电流波动引起的固有噪声或磁通调控信号携带的额外信号引起的磁通量噪声，磁通噪声会使量子比特频率发生波动和偏离。

在本申请的实施例中，量子比特1的频率调谐可以通过量子比特1与控制结构2的耦合强度，g及量子比特1与控制结构2的频率差Δ实现，并且控制结构2在调谐量子比特1频率时，可以降低磁通噪声对量子比特1频率调控的影响。示例性的，结合图2所示，对本申请的实施例的针对量子比特1的频率调谐的进一步介绍，记量子比特1的初始频率为ω_q，控制结构2的频率为ω_t，C_t为第二电容极板的对地电容，C_q为第一电容极板的对地电容，C_qt为第一电容极板与第二电容极板之间耦合电容，则量子比特1被控制结构2调谐发生频移后的频率为：

其中，Δ＝ω_q-ω_t，

结合上式，在本申请的实施例中，通过磁通调控信号线4的信号可以调谐控制结构2的频率，而基于控制结构2的频率又进一步可以调谐量子比特1的频率，但这个过程中，磁通调控信号线4引入的噪声对量子比特1的频率的影响程度被降低，因此，可以认为这种频率调谐的结构形式可以避免磁通调控信号线4的磁通噪声对量子比特1频率的直接干扰，从而降低了频率调控的偏离程度，这有助于提升量子比特1的相位退相干时间可以理解的是，图3所示结构中量子比特1被控制结构2调谐后的频率，与图2相比，区别在于C_t需要考虑两个第二电容极板的等效对地电容，C_q需要考虑两个第一电容极板的等效对地电容，C_qt为两个第一电容极板与两个第二电容极板之间耦合电容，在此不赘述。

为了进一步说明，在一个设计示例中，量子芯片的特定设计属性如下：量子比特1的第一电容极板11及控制结构2的第二电容极板21均为88fF，第一约瑟夫森结12的临界电流约为38nA，squid的第二约瑟夫森结22的临界电流约为15nA。针对该示例的数值模拟结果参见图4至图6(Φ_e为外磁场通量，φ₀为磁通量子)，可以看出：在5.38GHz～5.51GHz范围，量子比特1的频率可调谐，可调谐的幅度约为134MHz，可以理解的是，在实施时通过对量子芯片的设计属性参数进行调整可以获得更大的可调谐的幅度；另外，在外磁场通量为0时，量子比特1的频率最小，控制结构2的频率最大，两者的失谐量最小，这导致Δ/较小，色散耦合较弱，因此，本申请的一些实施示例中，在设计或调控量子比特1和控制结构2时，可以限定控制结构2的频率低于量子比特1的频率，以使量子比特1的频率和控制结构2的频率之间保持足够的失谐量，例如大于500MHZ，从而有助于增强色散耦合。

在本申请的实施例中，为使控制结构2与量子比特1间满足色散耦合，有效地降低甚至避免两者之间发生能量的直接交换，量子比特1与控制结构2的频率差Δ及量子比特1与控制结构2的耦合强度g满足：Δ≥3g。

本申请实施例的第一电容极板11、第二电容极板21、接地平面GND，及第一约瑟夫森结12和第二约瑟夫森结22的超导体部分，以及脉冲调控信号线3、磁通调控信号线4、电连接各种元件的线等由超导材料制成。量子芯片可以直接利用成熟的半导体工艺将超导材料经过沉积、图案化等获得，沉积的厚度可以是微米级或纳米级，超导材料为在等于或低于临界温度的温度时，例如在大约10-100毫开尔文(mK)或大约4K时，展现超导特性的材料，例如铝、铌、钽或氮化钛等等，具体实施时不限于这几种，在等于或低于临界温度的温度时展现超导特性的材料均可用于形成前文所述结构，例如，铝(Al)，铌(Nb)，氮化铌(NbN)，氮化钛(TiN)和铌钛氮化物(NbTiN)中的一种或多种。

本申请的实施例还提供了一种量子计算机，包括：包括密闭容器的真空制冷系统；及如上量子芯片实施例中描述的量子芯片，该量子芯片被包含在由该密闭容器限定的真空制冷环境内；以及，设于该真空制冷环境内的多个传输线路，以便将电磁信号引导到该量子芯片中的至少一个选定的量子比特1并且从该至少一个选定的量子比特1接收电磁信号。

这里需要指出的是：以上量子计算机中的量子芯片与上述结构类似，且具有同上述量子芯片实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本申请量子计算机实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述量子芯片实施例的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。

本申请实施例提供的一种量子芯片的制造可能需要沉积一种或多种材料，例如超导体、电介质和/或金属。取决于所选择的材料，这些材料可以使用诸如化学气相沉积、物理气相沉积(例如，蒸发或溅射)的沉积工艺或外延技术以及其他沉积工艺来沉积。本申请实施例描述的量子芯片的制备工艺可能需要在制造过程期间从器件去除一种或多种材料。取决于要去除的材料，去除工艺可以包括例如湿蚀刻技术、干蚀刻技术或剥离(lift－off)工艺。可以使用已知的曝光(lithographic)技术(例如，光刻或电子束曝光)对形成本文所述的电路元件的材料进行图案化。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (11)

1.一种量子芯片，其特征在于，包括：

量子比特，及用于调控所述量子比特的频率的控制结构，所述控制结构与所述量子比特色散耦合且所述控制结构的频率可调，其中，所述量子比特包括第一电容极板及与第一电容极板连接形成非线性振荡电路的单个第一约瑟夫森结。

2.根据权利要求1所述的量子芯片，其特征在于，所述第一约瑟夫森结的一端连接所述第一电容极板，另一端接地。

3.根据权利要求1所述的量子芯片，其特征在于，所述第一约瑟夫森结的一端连接一个第一电容极板，另一端连接另一个第一电容极板。

4.根据权利要求1所述的量子芯片，其特征在于，所述控制结构包括：超导量子干涉装置，以及与超导量子干涉装置感应耦联的磁通调控信号线。

5.根据权利要求4所述的量子芯片，其特征在于，所述超导量子干涉装置包括至少两个第二约瑟夫森结，至少两个第二约瑟夫森结形成并联结构。

6.根据权利要求5所述的量子芯片，其特征在于，所述至少两个第二约瑟夫森结的临界电流不相同。

7.根据权利要求4至5任一项所述的量子芯片，其特征在于，所述控制结构包括第二电容极板，所述超导量子干涉装置的一端连接所述第二电容极板，另一端接地。

8.根据权利要求4至5任一项所述的量子芯片，其特征在于，所述控制结构包括两个第二电容极板，所述超导量子干涉装置的一端连接一个第二电容极板，另一端连接另一个第二电容极板。

9.根据权利要求1至5任一项所述的量子芯片，其特征在于，量子比特与控制结构的频率差Δ及量子比特与控制结构的耦合强度g满足：Δ≥3g。

10.根据权利要求1至5任一项所述的量子芯片，其特征在于，控制结构的频率低于量子比特的频率。

11.一种量子计算机，包括：

真空制冷系统，包括密闭容器；

如权利要求1至10中任一项所述量子芯片，该量子芯片被包含在由该密闭容器限定的真空制冷环境内；以及

设于该真空制冷环境内的多个传输线路，以便将电磁信号引导到该量子芯片中的至少一个选定的量子比特并且从该至少一个选定的量子比特接收电磁信号。