CN115438797A - 读取结构、量子电路及量子芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种读取结构、一种量子电路及一种量子芯片，属于量子计算技术领域。读取结构包括贯穿衬底的第一表面和相对的第二表面的电元件，位于所述第一表面的第一共面波导结构，以及位于所述第二表面的第二共面波导结构，且所述第二共面波导结构通过所述电元件与所述第一共面波导结构连接，本申请利用贯穿两表面的电元件实现读取结构的跨表面布置，有助于实现空间的合理利用，留出更多的空间给量子比特集成扩展。量子电路包括量子比特和与所述量子比特耦合的所述读取结构，本申请可以将衬底的一个表面布置量子比特的结构，而将共面波导结构的主要部分布置在衬底的另一个表面，从而便于实现量子比特数量的扩展。
Description
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，本申请涉及一种读取结构、一种量子电路及一种量子芯片。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来，信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利，也就更能确保运算具备精准性。
超导量子计算可以利用微纳加工技术将量子比特、谐振腔等制备到衬底上，而在衬底上如何合理的构建这些结构以提高量子比特等结构的集成扩展程度成为亟需解决的问题。
发明创造内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种读取结构、一种量子电路及一种量子芯片，以合理利用衬底上的面积，便于实现集成扩展。
本申请的一个实施例提供了一种读取结构，包括：
贯穿衬底的第一表面和相对的第二表面的电元件；
位于所述第一表面的第一共面波导结构；以及
位于所述第二表面的第二共面波导结构，所述第二共面波导结构通过所述电元件与所述第一共面波导结构连接。
如上所述的读取结构，在一些实施例中，所述电元件为超导元件。
如上所述的读取结构，在一些实施例中，所述超导元件包括铟。
如上所述的读取结构，在一些实施例中，所述超导元件包括第一超导元件和第二超导元件，所述第一超导元件电连接所述第一共面波导结构的地和第二共面波导结构的地，所述第二超导元件电连接所述第一共面波导结构的中心导线和第二共面波导结构的中心导线。
如上所述的读取结构，在一些实施例中，所述第一共面波导结构、所述电元件和所述第二共面波导结构构成共面波导谐振腔。
如上所述的读取结构，在一些实施例中，所述共面波导谐振腔包括半波长共面波导谐振器或四分之一波长共面波导谐振器。
本申请的一个实施例还提供了一种量子电路，包括：贯穿衬底的第一表面和相对的第二表面的电元件；位于所述第一表面的第一共面波导结构；以及，位于所述第二表面的量子比特和第二共面波导结构，所述第二共面波导结构与所述量子比特耦合，且所述第二共面波导结构通过所述电元件与所述第一共面波导结构连接。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述第一共面波导结构所在的区域及所述量子比特所在的区域的垂直投影重叠。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述量子比特包括电容极板，及一端接地、另一端接所述电容极板的超导量子干涉器。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述量子比特包括第一电容极板和第二电容极板，及一端接所述第一电容极板、另一端接所述第二电容极板的超导量子干涉器。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述电元件为超导元件。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述超导元件包括铟。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述超导元件包括第一超导元件和第二超导元件，所述第一超导元件电连接所述第一共面波导结构的地和第二共面波导结构的地，所述第二超导元件电连接所述第一共面波导结构的中心导线和第二共面波导结构的中心导线。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述第一共面波导结构、所述电元件和所述第二共面波导结构构成共面波导谐振腔。
如上所述的量子电路，在一些实施例中，所述共面波导谐振腔包括半波长共面波导谐振器或四分之一波长共面波导谐振器。
本申请的一个实施例还提供了一种量子芯片，所述量子芯片至少包括如上所述的读取结构，和/或如上所述的量子电路。
本申请的一个实施例还提供了一种量子芯片，所述量子芯片包括：
如上所述的读取结构的第一阵列；
位于所述第二表面的量子比特的第二阵列，所述量子比特和所述读取结构一一对应耦合，且所述第二阵列中的一个所述量子比特和至少一个其他的所述量子比特形成耦合；以及，
位于所述第一表面的读取信号线，且所述读取信号线与所述读取结构耦合。
如上所述的量子芯片，在一些实施例中，一一对应耦合的所述量子比特和所述读取结构满足以下条件：所述读取结构具有的所述第一共面波导结构所在的区域和所述量子比特所在的区域的垂直投影重叠。
如上所述的量子芯片，在一些实施例中，还包括贯穿所述第一表面和所述第二表面的传输元件，以及位于所述第二表面的第一焊盘，所述读取信号线通过所述传输元件与第一焊盘电连接。
如上所述的量子芯片，在一些实施例中，所述第一焊盘通过第一超导凸起接合元件与位于基底上的第一传输电路元件电连接。
如上所述的量子芯片，在一些实施例中，所述第二表面上形成有调控信号线和第二焊盘，所述调控信号线一端与所述量子比特耦合，另一端与所述第二焊盘电连接，且所述第二焊盘通过第二超导凸起接合元件与位于所述基底上的第二传输电路元件电连接。
与现有技术相比，本申请提供的读取结构包括：贯穿衬底的第一表面和相对的第二表面的电元件，位于所述第一表面的第一共面波导结构，以及位于所述第二表面的第二共面波导结构，且所述第二共面波导结构通过所述电元件与所述第一共面波导结构连接，本申请利用贯穿两表面的电元件实现读取结构的跨表面布置，有助于实现空间的合理利用，留出更多的空间给量子比特等结构的集成扩展。
与现有技术相比，本申请提供的量子电路包括：贯穿衬底的第一表面和相对的第二表面的电元件，位于所述第一表面的量子比特以及第一共面波导结构，且所述第一共面波导结构与所述量子比特耦合，以及位于所述第二表面的第二共面波导结构，所述第二共面波导结构通过所述电元件与所述第一共面波导结构连接。本申请可以将衬底的一个表面布置量子比特的结构，而将共面波导结构的主要部分布置在衬底的另一个表面，从而便于实现量子比特数量的扩展。
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为本申请提供的一种读取结构在第一表面的结构示意图；
图3为本申请提供的一种读取结构在第二表面的结构示意图；
图4为本申请提供的一种量子电路在第一表面的结构示意图；
图5为本申请提供的一种量子电路在第二表面的结构示意图；
图6为本申请提供的一种量子芯片的一部分结构示意图；
图7为本申请提供的一种量子芯片的一部分阵列的结构示意图；
图8为本申请提供的另一种量子芯片的一部分结构示意图。
附图标记说明：
1－衬底，11－第一表面，12－第二表面，2－第一共面波导结构，3－电元件，31－第一超导元件，32－第二超导元件，4－第二共面波导结构，5－读取信号线，6－量子比特，61－第一电容极板，62－第二电容极板，63－超导量子干涉器，7－耦合结构，8－调控信号线，81－脉冲调制线，82－磁通调制线，91－传输元件，92－第一焊盘。
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。
以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到前面的“背景技术”或“发明创造内容”部分或“具体实施方式”部分中呈现的任何明示或暗示信息的约束。
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。
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量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。
超导量子电路的量子计算是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法。由于超导量子电路的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，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，超导量子电路具有多数量子物理体系难以比拟的可扩展性。目前，量子比特的结构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，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Cq被接地平面(GND)包围，且十字型电容板Cq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Cq，另一端连接至接地平面(GND)，由于十字型电容板Cq的第一端通常用于连接超导量子干涉装置squid，第二端用于与谐振腔等读取结构耦合，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xy信号线和z信号线的空间，十字型电容板Cq的另外两端用于与相邻量子比特耦合，这种结构的量子比特便于一维链排布，但一维链排布的方式十分拥挤，不便于量子比特的集成扩展，这主要是由于整体结构单元的面积较大，尤其是电容和谐振腔占据的面积相对最大。
为此，本申请提供一种读取结构、一种量子电路及一种量子芯片，以解决现有技术中的不足，它所具有的结构便于可以合理利用衬底上的面积，便于实现大规模量子比特的集成扩展。下文将结合附图2至附图8进行详细的描述介绍本申请的实施例。
图2为本申请提供的一种读取结构在第一表面的结构示意图。
图3为本申请提供的一种读取结构在第二表面的结构示意图。
图4为本申请提供的一种量子电路在第一表面的结构示意图。
图5为本申请提供的一种量子电路在第二表面的结构示意图。
参照图2和图3所示，并可结合图4和图5所示，本申请的一个实施例提供了一种读取结构，它包括：贯穿衬底1的第一表面11和相对的第二表面12的电元件3；位于所述第一表面11的第一共面波导结构2；以及，位于所述第二表面12的第二共面波导结构4，所述第二共面波导结构4通过所述电元件3与所述第一共面波导结构2电连接。衬底1可以是任何合适的材料，其中，示例性的，衬底1可以是硅基板、蓝宝石基板、绝缘体上硅基板和/或其任何组合。在衬底1的第一表面11上形成的共面波导结构的电路，及在与第一表面11相对的第二表面12上形成的共面波导结构的电路，可以通过多个电元件3被电和物理地连接。共面波导结构包括被接地层围绕的中心导线，中心导线是由与接地层处于同一平面的导体形成。位于第一表面11上的接地层可以通过多个电元件3被电和物理地连接到位于第二表面12的接地层，使得两接地层被维持在相同的电位(或几乎相同的电位)。本申请利用贯穿两表面的电元件3实现读取结构的跨表面布置，有助于实现空间的合理利用，留出更多的空间给量子比特集成扩展。
读取结构在量子比特芯片中的作用是读出量子比特的信息，例如，通过非破坏的方式(QND)读取量子比特的信息。本申请提供的实施例中，读取结构具有在第一表面11的第一部分和在第二表面12的第二部分，第一部分和第二部分可以均采用共面波导结构，例如，读取结构的第一共面波导结构2在第一表面11，第二共面波导结构4在第二表面12，第一共面波导结构2和第二共面波导结构4通过贯穿第一表面11和第二表面12的电元件3实现电和物理地连接。如本领域技术人员所理解的，虽然在本申请的部分内容(包括附图)中，第一共面波导结构2被描绘为在衬底1的顶部，但是顶部和底部的选择是相对的。共面波导结构的电路可以通过光刻、电镀等形成，并且进行相应地图形化。
电元件3形成于通孔内，并且具有能够实现电和物理地连接的材料和结构，在一个示例中，电元件3可以是填充于通孔内的导电柱，导电柱连接到第一表面11的顶部通孔焊盘并且连接到第二表面12的底部通孔焊盘，通过该顶部通孔焊盘与第一共面波导结构2实现电和物理地连接，通过该底部通孔焊盘与第二共面波导结构4实现电和物理地连接，在另一个示例中，电元件3可以是电镀到通孔内壁的导电层，导电层连接到第一表面11的第一共面波导结构2并且连接到第二表面12的第二共面波导结构4。在一些实施例中，所述电元件3为超导元件，超导元件可以由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，展现超导特性的超导体材料形成，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所述超导元件。在一些实施例中，所述超导元件包括铟。共面波导结构、接地层，以及顶部通孔焊盘和底部通孔焊盘可以由如本申请所讨论的超导材料制成。
为方便实现更优良的电接触和更稳固的物理连接，所述超导元件包括多个。在一些实施例中，所述超导元件包括第一超导元件31和第二超导元件32，所述第一超导元件31连接所述第一共面波导结构2的地和第二共面波导结构4的地，所述第二超导元件32连接所述第一共面波导结构2的中心导线和第二共面波导结构4的中心导线。在一实施例中，所述第一共面波导结构2、所述电元件3和所述第二共面波导结构4构成共面波导谐振腔。直接采用电容和电感构成的谐振子可以用于量子态的读取，但其主要依靠调整电容值调整谐振频率，本申请描述的共面波导形式的谐振腔可以等效成电容和电感的并联，其可以几乎无损的传输信号且可以进行弯曲，并且共面波导形式的谐振腔可通过调整谐振腔长度调节谐振频率，因此，具有非常高的设计灵活性。示例性的，根据电场、磁场在波导结构中的分布，可以采用半波长共面波导谐振器或四分之一波长共面波导谐振器，实际实施中一般采用短路四分之一波长型，原因是短路四分之一波长型的谐振腔比开路二分之一波长型的谐振腔短一半。
鉴于量子芯片中的读取谐振腔较大的挤占了衬底上用于布置量子比特的空间，本申请提供的实施例中跨表面的构建读取结构，读取结构具有的第一共面波导传输结构2和第二共面波导结构4的相对位置可以灵活的调整，例如，第一共面波导传输结构2在第一表面11位置和第二共面波导结构4在第二表面12的位置相对，可存在一定程度的重叠，即两者的垂直投影重叠，从而可以布置在衬底1的两个表面的相对位置以提高对衬底1的利用，有助于进行规模化的阵列布局以实现数量上的扩展。
图4为本申请提供的一种量子电路在第一表面的结构示意图。
图5为本申请提供的一种量子电路在第二表面的结构示意图。
参照图4和图5，并结合图2和图3所示，本申请的另一个实施例提供了一种量子电路，它包括：贯穿衬底1的第一表面11和相对的第二表面12的电元件3；位于所述第一表面11的第一共面波导结构2；以及，位于所述第二表面12的量子比特6和第二共面波导结构4，所述第二共面波导结构4与所述量子比特6耦合，该耦合包括但不限于所述第二共面波导结构4与所述量子比特6之间电容性耦合，且所述第二共面波导结构4通过所述电元件3与所述第一共面波导结构2电连接。
在本实施例中，衬底1可以是如前所述任何合适的材料，例如，可以是硅基板、蓝宝石基板、绝缘体上硅基板和/或其任何组合。在衬底1的第一表面11上形成的第一共面波导结构2的电路，及在与第一表面11相对的第二表面12上形成的第二共面波导结构4的电路和量子比特6的电路，例如，第一共面波导结构2的中心导线可以被位于第一表面11上的接地层围绕，第二共面波导结构4的中心导线和量子比特6的电路可以被位于第二表面12上的接地层围绕。第一共面波导结构2的电路和第二共面波导结构4的电路可以通过多个电元件3被电和物理地连接。位于第一表面11上的接地层可以通过多个电元件3被电和物理地连接到位于第二表面12的接地层，使得两接地层被维持在相同的电位(或几乎相同的电位)。在本申请的实施例中，利用贯穿两表面的电元件3实现读取结构的跨表面布置，有助于实现空间的合理利用，留出更多的空间用于量子比特6的电路的布置，从而有助于实现量子比特6的数量扩展。本申请提供的实施例可以将衬底1的一个表面布置量子比特6的结构，而将共面波导结构的占用面积相对较大的主要部分布置在衬底1的另一个表面，从而便于实现量子比特数量的扩展。可以理解的是，读取结构具有在第一表面11的第一部分和在第二表面12的第二部分，第一部分和第二部分可以均采用共面波导结构，例如，读取结构的第一共面波导结构2在第一表面11，第二共面波导结构4在第二表面12，第一共面波导结构2和第二共面波导结构4通过贯穿第一表面11和第二表面12的电元件3实现电和物理地连接。如本领域技术人员所理解的，虽然在本申请的部分内容(包括附图)中，第一共面波导结构2被描绘为在衬底1的顶部，但是顶部和底部平面的选择是任意的。共面波导结构的电路可以通过光刻、电镀等形成，并且相应地进行图案化。
为提高衬底1的空间利用，可以在衬底1的同一区域的相对两个表面布置相应的电路结构，在一些实施例中，所述第一共面波导结构2所在的区域及所述量子比特6所在的区域相对，即两者的垂直投影重叠，也即是在衬底1的两个表面相对的位置分别布置第一共面波导结构2和所述量子比特6。垂直投影是指所述第一共面波导结构2所在的区域及所述量子比特6所在的区域在第一表面11的正投影，或者所述第一共面波导结构2所在的区域及所述量子比特6所在的区域在第二表面12的正投影。
量子比特6的结构可以采用包括电容极板，及一端接地、另一端接所述电容极板的超导量子干涉器(superconducting quantum interference device，squid)的结构形式，如图1中所示，超导量子干涉器和地(GND)、超导量子干涉器和所述电容极板均为电和物理的连接。量子比特6的结构也可以采用包括第一电容极板61和第二电容极板62，及一端与所述第一电容极板61保持电和物理的连接、另一端与所述第二电容极板62保持电和物理的连接的超导量子干涉器63的结构形式。在衬底1上形成了所述第一电容极板61、所述第二电容极板62、所述超导量子干涉器63和接地平面(GND)，呈阵列排布的量子比特可以被接地平面(GND)围绕，第一电容极板61、第二电容极板62可以通过暴露衬底表面的间隙与接地平面(GND)分离。
每个超导量子干涉器63均包括两个并联的约瑟夫森结，相互并联的约瑟夫森结可以是两个相互并联的约瑟夫森结构成，即由约瑟夫森结形成的超导环，所述约瑟夫森结为隧道结、点接触、或者其他呈现约瑟夫森效应的结构。在一个实施例中，每个约瑟夫森结均为超导层－绝缘层－超导层的层叠结构，可以沉积第一层超导体材料以形成约瑟夫森结的第一超导层，然后在第一超导层的部分区域氧化以形成绝缘层，然后可以沉积第二层超导体材料以形成约瑟夫森结的第二超导层，从而获得超导层－绝缘层－超导层的层叠结构。
电元件3形成于通孔内，并且具有能够实现电和物理地连接的材料和结构，电元件3可以连接到第一表面11的顶部通孔焊盘并且连接到第二表面12的底部通孔焊盘。在一些实施例中，所述电元件3为超导元件，超导元件可以由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，展现超导特性的超导体材料形成，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所述超导元件。在一些实施例中，所述超导元件包括铟。顶部通孔焊盘和底部通孔焊盘可以由如本申请所讨论的超导材料制成。
为方便实现更优良的电接触和更稳固的物理连接，所述超导元件包括多个。在一些实施例中，所述超导元件包括第一超导元件31和第二超导元件32，所述第一超导元件32连接所述第一共面波导结构2的地和第二共面波导结构4的地，所述第二超导元件31连接所述第一共面波导结构2的中心导线和第二共面波导结构4的中心导线。在一实施例中，所述第一共面波导结构2、所述电元件3和所述第二共面波导结构4构成共面波导谐振腔。共面波导形式的谐振腔可以等效成电容和电感的并联，其可以几乎无损的传输信号且可以进行弯曲，并可通过调整谐振腔长度调节谐振频率，具有非常高的设计灵活性。示例性的，根据电场、磁场在波导结构中的分布，可以采用半波长共面波导谐振器或四分之一波长共面波导谐振器，实际实施中一般采用短路四分之一波长型，原因是短路四分之一波长型的谐振腔比开路二分之一波长型的谐振腔短一半。
读取结构和量子比特6包含的电容极板是影响衬底空间占用的主要因素，本申请提供的实施例将读取腔跨表面构建，可以实现在衬底1同一区域的相对两个表面布置，从而增加对衬底1的利用，有助于进行规模化的阵列布局以实现数量上的扩展。
本申请提供的实施例通过第二共面波导结构4建立读取结构与量子比特的耦合，第二共面波导结构4起到一定的缓冲，耦合系数相对可控，从而可以确保读取结构与量子比特间的耦合系数可控。
图6示意性的表示了本申请提供的一种量子芯片的一部分结构示意图。
需要说明的是，图6为第一表面11的俯视视角，由于第一共面波导结构2和读取信号线5等结构处于衬底1的顶部，第二共面波导结构4、量子比特6、耦合结构7、脉冲调制线81和磁通调制线82等结构处于衬底1的底部，所以第二共面波导结构4、量子比特6、耦合结构7、脉冲调制线81和磁通调制线82等结构被示为虚线。
参照图6，并结合图2、图3、图4和图5所示，本申请的一个实施例还提供了一种量子芯片，所述量子芯片至少包括如上所述的读取结构和如上所述的量子电路之一。在一个示例中，所述量子芯片包括如上所述的读取结构。在另一个示例中，所述量子芯片包括如上所述的量子电路。还有一个示例中，所述量子芯片包括如上所述的读取结构和如上所述的量子电路。
图7示意性的表示了本申请提供的一种量子芯片的一部分阵列的结构示意图。
需要说明的是，图7为第一表面11的俯视视角，由于第一共面波导结构2、读取信号线5和传输元件91等结构处于衬底1的顶部，第二共面波导结构4、量子比特6、耦合结构7和第一焊盘92等结构处于衬底1的底部，所以第二共面波导结构4、量子比特6、耦合结构7和第一焊盘92等结构被示为虚线。
参照图7，并结合图2、图3、图4、图5和图6所示，本申请的一个实施例还提供了一种量子芯片，所述量子芯片包括：如上所述的读取结构的第一阵列；位于所述第二表面12的量子比特6的第二阵列，所述量子比特6和所述读取结构一一对应耦合，耦合的形式包括但不限于所述读取结构通过具有的所述第二共面波导结构4与所述量子比特6之间形成的电容性耦合，且所述第二阵列中的一个所述量子比特6和至少一个其他的所述量子比特6形成耦合；以及，位于所述第一表面11的读取信号线5，且所述读取信号线5与所述读取结构耦合，所述读取信号线5与所述读取结构耦合的形式包括但不限于将所述读取结构具有的第一共面波导结构的端部接地以与读取信号线5形成电感性耦合。
在一些实施例中，一一对应耦合的所述量子比特6和所述读取结构满足以下条件：所述读取结构具有的所述第一共面波导结构2所在的区域和所述量子比特6所在的区域的垂直投影重叠，即在衬底1的同一区域的相对两个表面布置第一共面波导结构2和所述量子比特6，从而提高衬底1的空间利用。
图8为本申请提供的另一种量子芯片的一部分结构示意图。
参照图8，并结合图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，下面进一步描述本申请的实施例中一基底与如上所述的衬底1的接合连接。基底可以是任何合适的材料，其中，示例性的，衬底1可以是硅基板、蓝宝石基板、绝缘体上硅基板和/或其任何组合，基底上具有特定结构和材料的电路。
在一些实施例中，还包括贯穿所述第一表面11和所述第二表面12的传输元件91，以及位于所述第二表面12的第一焊盘92，所述读取信号线5通过所述传输元件91与第一焊盘92电连接。传输元件91形成于通孔内，并且具有能够实现电和物理地连接的材料和结构，传输元件91可以是填充于通孔内的导电柱，也可以是电镀到通孔内壁的导电层。传输元件91和第一焊盘92可以由如本申请所讨论的超导材料制成。
在一些实施例中，利用倒装焊接技术将衬底1与基底接合，衬底1的第二表面12与基底上形成有第一传输电路元件的一面相对，所述第一焊盘91通过第一超导凸起接合元件与位于基底上的第一传输电路元件电连接。第一超导凸起接合元件和第一传输电路元件可以由如本申请所讨论的超导材料制成。
在一些实施例中，所述第二表面12上形成有调控信号线8和第二焊盘，所述调控信号线8的一端与所述量子比特6耦合，另一端与所述第二焊盘电连接，且所述第二焊盘通过第二超导凸起接合元件与位于基底上的第二传输电路元件电连接。第二焊盘、第二超导凸起接合元件和第二传输电路元件可以由如本申请所讨论的超导材料制成。
本申请提供的如上所述的量子芯片，在衬底1的第二表面12上直接形成的调控信号线8，调控信号线8包括脉冲调制线81和磁通调制线82，可以根据调控信号线的尺寸调整量子比特形成的第一阵列的基本单元形状以获得足够的空间布线。
本申请提供的如上所述的量子芯片，也可以在另一基底上构建相应的信号线，然后通过倒装焊接的形式将脉冲调制线81和磁通调制线82通过铟柱等超导凸起结合元件与该另一基底上的信号线电和物理的连接。
量子态的读取是量子计算的一个重要环节。对于超导量子比特来说，目前大部分使用的是色散读取的方式。色散读取(dispersive readout)是一种量子非破坏性测量(QND)，通过测量与量子比特耦合的谐振腔的状态来反推量子比特所处的状态。在实际过程中，通过对谐振腔施加探测的微波信号，然后测量从谐振腔透射或是反射出来的信号，即通过测量谐振腔对测量微波的响应来确定量子比特的态。在进行量子计算时，将如上所述的量子芯片与具有信号发生和采集功能的操控和读取装置连接，操控和读取装置利用磁通调制线82上的磁通调控信号将量子比特6的频率调整到工作频率，此时通过脉冲调制线81施加量子态调控信号对处于初始态的量子比特6进行量子态调控，采用读取结构读取调控后的量子比特6的量子态。操控和读取装置通过在与读取结构耦合的读取信号线5上施加读取探测信号(例如，频率为4－8GHz的微波信号)，通过解析经读取信号线5输出的读取反馈信号(响应于读取探测信号的信号)确定量子比特6所处于的量子态。
本申请提供的实施例借助TSV技术形成电元件3实现了读取结构的跨表面布置，并且将读取结构中占用面积较小的第二共面波导结构4与量子比特6布置在第二表面12且形成耦合，而将读取结构中占用面积较大的第一共面波导结构2布置在衬底1的第一表面11，从而使第二表面12能够留出更多的空间用于布置量子比特6，有助于实现量子比特数量的大规模提升。
这里需要指出的是：以上量子芯片中的量子电路、读取结构与上述结构类似，且具有同上述量子电路实施例、读取结构实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本申请量子芯片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电路实施例、读取结构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一种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 (21)
1.一种读取结构，其特征在于，包括：
贯穿衬底的第一表面和相对的第二表面的电元件；
位于所述第一表面的第一共面波导结构；以及
位于所述第二表面的第二共面波导结构，所述第二共面波导结构通过所述电元件与所述第一共面波导结构电连接。
2.根据权利要求1所述的读取结构，其特征在于，所述电元件为超导元件。
3.根据权利要求2所述的读取结构，其特征在于，所述超导元件包括铟。
4.根据权利要求1至3任一项所述的读取结构，其特征在于，所述超导元件包括第一超导元件和第二超导元件，所述第一超导元件电连接所述第一共面波导结构的地和第二共面波导结构的地，所述第二超导元件电连接所述第一共面波导结构的中心导线和第二共面波导结构的中心导线。
5.根据权利要求4所述的读取结构，其特征在于，所述第一共面波导结构、所述电元件和所述第二共面波导结构构成共面波导谐振腔。
6.根据权利要求5所述的读取结构，其特征在于，所述共面波导谐振腔包括半波长共面波导谐振器或四分之一波长共面波导谐振器。
7.一种量子电路，其特征在于，包括：
贯穿衬底的第一表面和相对的第二表面的电元件；
位于所述第一表面的第一共面波导结构；以及
位于所述第二表面的量子比特和第二共面波导结构，所述第二共面波导结构与所述量子比特耦合，且所述第二共面波导结构通过所述电元件与所述第一共面波导结构电连接。
8.根据权利要求7所述的量子电路，其特征在于，所述第一共面波导结构所在的区域及所述量子比特所在的区域的垂直投影重叠。
9.根据权利要求7所述的量子电路，其特征在于，所述量子比特包括电容极板，及一端接地、另一端接所述电容极板的超导量子干涉器。
10.根据权利要求7所述的量子电路，其特征在于，所述量子比特包括第一电容极板和第二电容极板，及一端接所述第一电容极板、另一端接所述第二电容极板的超导量子干涉器。
11.根据权利要求7所述的量子电路，其特征在于，所述电元件为超导元件。
12.根据权利要求8所述的量子电路，其特征在于，所述超导元件包括铟。
13.根据权利要求7至12任一项所述的量子电路，其特征在于，所述超导元件包括第一超导元件和第二超导元件，所述第一超导元件电连接所述第一共面波导结构的地和第二共面波导结构的地，所述第二超导元件电连接所述第一共面波导结构的中心导线和第二共面波导结构的中心导线。
14.根据权利要求13所述的量子电路，其特征在于，所述第一共面波导结构、所述电元件和所述第二共面波导结构构成共面波导谐振腔。
15.根据权利要求14所述的量子电路，其特征在于，所述共面波导谐振腔包括半波长共面波导谐振器或四分之一波长共面波导谐振器。
16.一种量子芯片，其特征在于，所述量子芯片至少包括权利要求1－6任一项所述的读取结构，和/或权利要求7－15任一项所述的量子电路。
17.一种量子芯片，其特征在于，包括：
权利要求1－6任一项所述的读取结构的第一阵列；
位于所述第二表面的量子比特的第二阵列，所述量子比特和所述读取结构一一对应耦合，且所述第二阵列中的一个所述量子比特和至少一个其他的所述量子比特形成耦合；以及，
位于所述第一表面的读取信号线，且所述读取信号线与所述读取结构耦合。
18.根据权利要求17所述的量子芯片，其特征在于，一一对应耦合的所述量子比特和所述读取结构满足以下条件：
所述读取结构具有的所述第一共面波导结构所在的区域和所述量子比特所在的区域的垂直投影重叠。
19.根据权利要求17或18所述的量子芯片，其特征在于，还包括贯穿所述第一表面和所述第二表面的传输元件，以及位于所述第二表面的第一焊盘，所述读取信号线通过所述传输元件与第一焊盘电连接。
20.根据权利要求19所述的量子芯片，其特征在于，所述第一焊盘通过第一超导凸起接合元件与位于基底上的第一传输电路元件电连接。
21.根据权利要求20所述的量子芯片，其特征在于，所述第二表面上形成有调控信号线和第二焊盘，所述调控信号线一端与所述量子比特耦合，另一端与所述第二焊盘电连接，且所述第二焊盘通过第二超导凸起接合元件与位于所述基底上的第二传输电路元件电连接。
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