CN115936131A - 一种量子比特调控线路、量子芯片及量子计算机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子比特调控线路、量子芯片及量子计算机，涉及量子芯片控制领域，基于频段范围不同，外部的信号发生器只需一路控制通道即可将包括低频控制信息和/或高频控制信息的电信号通过第一合体控制线输出至控制匹配部；控制匹配部将包括高频控制信息的电信号与十字电容耦合，以使量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，和/或，将包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪之间耦合互感以形成磁场，以使量子比特的工作频率等于目标工作频率，在对外只需一路控制通道的情况下，配合控制匹配部实现了对于量子比特的驱动及频率的调控，减少的控制通道为测控通道的设置提供便利，利于量子芯片的走线设计及封装，利于集成化设计。

Description

一种量子比特调控线路、量子芯片及量子计算机

技术领域

本发明涉及量子芯片控制技术领域，特别是涉及一种量子比特调控线路、量子芯片及量子计算机。

背景技术

量子芯片是将量子比特及相关线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能，通常一个量子芯片上包括多个量子比特。量子比特包括十字电容以及谐振腔，为了实现量子比特的驱动，现有技术中通常依靠两种用于控制的调控线路，第一种为微波信号的XY控制线(通常为同轴线形式)，第二种为磁通信号的Z控制线(通常为同轴线形式)，具体的，XY控制线为一路信号，通常设置在距离十字电容50微米左右的位置；Z控制线为另一路信号，通常设置在距离十字电容10微米以内的位置；请参照图1，图1为现有技术中一种量子芯片的结构示意图，其中以一个量子比特为例，图1中的稀释制冷机用于进行制冷处理，以保证量子芯片的温度符合极低温要求。可见，现有技术中，XY控制线及Z控制线分别占据两路控制通道实现对量子比特的驱动及频率调控，且受限于对于量子比特的驱动及频率调控的特殊要求，目前只能以占据两路输出通道的形式设计调控线路。

此外，请继续参照图1，实际应用中为了实现对于量子比特工作性能的测控，还需要额外设置一路测控通道，以连接低温测控仪器；综上可知，一个量子比特至少需要3路控制通道与外界连通以实现工作，借鉴于传统计算机的发展历程，应用量子芯片的量子计算机的研究在克服瓶颈技术之后，为了实现商品化及产业升级，不可避免地面临着集成化的问题。而在面临包括多个量子比特的量子芯片的集成化、规模化设计时，上述量子比特的调控线路布置方式占据了过多的控制通道，尤其是量子比特的数量很多时，不利于量子芯片的走线设计及封装，不利于集成化设计。

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调控线路、量子芯片及量子计算机，在对外只需一路控制通道的情况下，配合控制匹配部实现了对于量子比特的驱动及频率的调控，减少的控制通道为测控通道的设置提供便利，且利于量子芯片的走线设计及封装，利于集成化设计。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种量子比特调控线路，应用于量子芯片，所述量子芯片包括量子比特，所述量子比特包括十字电容及谐振腔，所述十字电容包括超导量子干涉仪，所述量子比特调控线路，包括：

第一合体控制线，分别与设于所述量子芯片外部的信号发生器的输出端及设于所述量子芯片内部的控制匹配部的第一端连接，用于将所述信号发生器输出的电信号输出至所述控制匹配部，所述电信号为包括低频控制信息和/或高频控制信息的电信号；

所述控制匹配部，第二端接地，用于将接收到的包括所述高频控制信息的电信号与所述十字电容耦合，以使所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，和/或，将接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪耦合互感以形成磁场，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率。

优选的，当所述量子芯片为单层结构时；

所述量子比特及所述量子比特调控线路均位于同一层；

所述十字电容包括相互垂直的第一部及第二部，所述量子比特调控线路与所述谐振腔分设于所述相互垂直的第一部及第二部的对角位置。

优选的，所述控制匹配部，包括第一控制线路及第二控制线路；

所述第一控制线路的首端与所述十字电容的第一部相隔第一预设距离且与所述十字电容的第二部相隔第二预设距离，用于将接收到的包括所述高频控制信息的电信号与所述十字电容耦合，以使所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

所述第二控制线路的首端与所述第一部相隔第三预设距离且与所述第二部相隔第四预设距离，用于将接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪耦合互感以形成磁场，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率；

其中，所述第三预设距离小于所述第一预设距离，所述第二控制线路的尾端与所述第一控制线路的尾端连接且连接的公共端与所述第一合体控制线连接。

优选的，所述控制匹配部，包括：

第二合体控制线，第一端与所述第一合体控制线连接；所述第二合体控制线的第二端与所述十字电容的第一部相隔第五预设距离且与所述十字电容的第二部相隔第六预设距离；其中，所述第五预设距离及所述第六预设距离为满足电容调控条件的预设距离，所述电容调控条件为在接收到包括所述高频控制信息的电信号时使得所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

接地枝节，第一端与所述第二合体控制线的第二端连接，所述接地枝节的第二端接地，用于调控接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪之间的耦合互感值，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率。

优选的，所述接地枝节为带有至少一个直角的第一弯折枝节。

优选的，当所述量子芯片为双层结构时；

所述第一合体控制线及所述控制匹配部均位于所述量子芯片的第一层；

所述十字电容及所述谐振腔均位于所述量子芯片的第二层。

优选的，所述第一层与所述第二层之间相隔预设层间距；所述控制匹配部，包括：

第三合体控制线，第一端与所述第一合体控制线连接，所述第三合体控制线在所述第二层的投影的目标端与所述十字电容的第一部相隔第七预设距离，且所述目标端与所述十字电容的第二部相隔第八预设距离；其中，所述第七预设距离及所述第八预设距离为在存在所述预设层间距下满足电容调控条件的预设距离，所述电容调控条件为在接收到包括所述高频控制信息的电信号时使得所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

耦合面积放大组件，第一端与所述第三合体控制线的第二端连接，所述耦合面积放大组件的第二端接地，用于调控接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪之间的耦合互感值，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率。

优选的，所述耦合面积放大组件为呈螺旋状的第四合体控制线。

优选的，所述耦合面积放大组件为带有至少一个直角的第二弯折枝节。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种量子芯片，包括量子比特，还包括如上述所述的量子比特调控线路；其中，所述量子比特包括十字电容及谐振腔，所述十字电容包括超导量子干涉仪。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种量子计算机，包括如上述所述的量子芯片。

本申请提供了一种量子比特调控线路、量子芯片及量子计算机，该量子比特调控线路包括第一合体控制线及控制匹配部，第一合体控制线分别与设于量子芯片外部的信号发生器的输出端及设于量子芯片内部的控制匹配部的第一端连接，由于频段范围不同，外部的信号发生器只需要一路控制通道即可将包括低频控制信息和/或高频控制信息的电信号通过第一合体控制线输出至控制匹配部；进而控制匹配部将接收到的包括高频控制信息的电信号与十字电容耦合，以使量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，和/或，将接收到的包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪之间耦合互感以形成磁场，以使量子比特的工作频率等于目标工作频率，在对外只需一路控制通道的情况下，配合控制匹配部实现了对于量子比特的驱动及频率的调控，减少的控制通道为测控通道的设置提供便利，且利于量子芯片的走线设计及封装，利于集成化设计。

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为现有技术中一种量子芯片的结构示意图；

图2为本发明提供的一种量子比特调控线路的结构示意图；

图3为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图；

图4为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图；

图5为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图；

图6为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图；

图7为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图；

图8为本发明提供的一种整个量子比特在量子比特调控线输出的电信号的作用下的等效电路图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种量子比特调控线路、量子芯片及量子计算机，在对外只需一路控制通道的情况下，配合控制匹配部实现了对于量子比特的驱动及频率的调控，减少的控制通道为测控通道的设置提供便利，且利于量子芯片的走线设计及封装，利于集成化设计。

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为本发明提供的一种量子比特调控线路的结构示意图。

该量子比特调控线路，应用于量子芯片1，量子芯片1包括量子比特，量子比特包括十字电容12及谐振腔，十字电容12包括超导量子干涉仪123，该量子比特调控线路，包括：

第一合体控制线31，分别与设于量子芯片1外部的信号发生器2的输出端及设于量子芯片1内部的控制匹配部32的第一端连接，用于将信号发生器2输出的电信号输出至控制匹配部32，电信号为包括低频控制信息和/或高频控制信息的电信号；

控制匹配部32，第二端接地，用于将接收到的包括高频控制信息的电信号与十字电容12耦合，以使量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，和/或，将接收到的包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪123耦合互感以形成磁场，以使量子比特的工作频率等于目标工作频率。

本实施例中，考虑到一个量子芯片上包括多个量子比特，每个量子比特通常需要通过一路XY控制线(即上述所述的微波驱动线)，一路Z控制线(即上述所述的磁通控制线)，一路测控通道；更具体的，XY控制线所在的位置通常为距离十字电容约50微米左右的位置，以避免比特退相干；Z控制线所在的位置为距离十字电容约10微米之内的位置，以避免其与超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)耦合互感时产生的磁场过弱，可见，两个控制线的设置位置受限于对量子比特的驱动及频率调控的特殊要求，目前只能以占据两路输出通道的形式设计该调控线路。由此可知，一个量子比特至少需要3路控制通道与量子芯片的外部连通以实现工作，使得在面临包括多个量子比特的量子芯片的集成化、规模化设计时，上述量子比特的调控线路布置方式占据了过多的控制通道，尤其是量子比特的数量很多时，不利于集成化设计。为解决上述技术问题，本申请提供了一种量子比特调控线路，更利于实现量子芯片的走线设计及封装。

具体的，该量子芯片1可包括多个量子比特，则每个量子比特均对应一套本申请中上述所述的量子比特调控线路，以用于对该量子比特的驱动及频率调控。考虑到当前对于XY控制线与十字电容12的相对位置设计只是为了尽可能地保证其与量子比特的耦合达到预设功能，Z控制线与十字电容12的相对位置设计只是为了尽可能地保证其与量子比特的耦合互感达到预设功能，因此，从设计上来说，本申请对外只需一路控制通道，即利用第一合体控制线31，该第一合体控制线31的输入端与设于量子芯片1外部的信号发生器2的输出端连接，该第一合体控制线31的输出端与控制匹配部32的第一端连接，该第一合体控制线31具体可为宽频带微波传输线，即同轴线；控制匹配部32具体设于距离十字电容12一定距离的折中位置处，该折中位置是可保证第一合体控制线31传输过来的电信号实现与量子比特之间的耦合及耦合互感均达到目标功能的位置，展开来说，控制匹配部32的第二端接地，电信号要么为包括低频控制信息的电信号，如频率较低的电流信号(即Z控制信号)；要么为包括高频控制信息的电信号，如频率较高的电压信号(即XY控制信号)；要么为同时包括低频控制信息及高频控制信息的电信号(由于频段范围对应不同，该混频信号自然可以实现)，于是，电信号经由控制匹配部32传输以量子比特耦合，量子比特包括十字电容12和谐振腔，十字电容12中包括超导量子干涉仪123，超导量子干涉仪123为由三个约瑟夫森结组成的3-JJ结构，在量子比特中，所述与量子比特耦合的耦合能量的物理形式为电场或磁场(或其组合)，控制匹配部32无需与十字电容12直接接触，而是在其附近保持存在电信号即可，依靠电磁耦合特性，预先计算好保证量子比特实现驱动的目标耦合电容值及保证量子比特实现频率调控时耦合互感应达到的目标耦合互感值，控制匹配部32接收到包括高频控制信息的电信号时，该电信号将与十字电容12耦合，以使量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，从而实现量子比特的驱动、激发，量子比特由基态跃迁到激发态；控制匹配部32接收到包括低频控制信息的电信号时，该电信号将与十字电容12中的超导量子干涉仪123耦合互感，通过电场在超导量子干涉仪123中产生相应的磁场，该磁场使得电信号与超导量子干涉仪123之间互感并在超导量子干涉仪123中产生目标磁通量，以在最大电信号范围内获得更多的磁通，互感尽可能的大从而获得至少一个磁通量子，达到目标耦合互感值，以使得量子比特的工作频率等于目标工作频率；至此，依靠第一合体控制线31及控制匹配部32，通过电磁耦合特性，同时实现了现有技术中XY控制线及Z控制线的功能，达到设计要求。需要说明的是，所述高频控制信息对应的频率即为所述目标工作频率。

进一步的，请参照图2，作为举例，图2以量子芯片1上的一个量子比特为例进行说明，且图2中，量子芯片1为单层结构；第一合体控制线31本质上为连接线路，如同轴线，在图2中暂以附图标记为31的框图表示；且图2中附图标记GND表示接地基片，量子比特设置在其上；另外，受限于图片展示重点及篇幅，对于控制匹配部32的第二端接地不作特别示意。还需要说明的是，所述信号发生器2具体可包括矢量信号发生器2以产生包括高频控制信息的电信号，和/或，所述信号发生器2具体可包括任意波发生器以产生包括低频控制信息的电信号，此外，上述电信号还可经由低温微波电路处理后再传输至第一合体控制线31，从而更好地达到对量子比特的驱动及频率调控的操作。

此外，电信号为包括高频控制信息的电压信号时，通过保证其频率仍等于目标工作频率的基础上，调节电压信号的幅值及相位可以实现量子比特在XY轴的旋转；电信号为包括低频控制信息的电流信号时，通过改变电流的大小及方向可以改变磁场及超导量子干涉仪123的磁通量，磁通的变化导致量子比特的能级结构改变，进而实现量子比特在Z轴的旋转。且对量子比特操控后，得到的量子信号经过低温微波电路传输至模数转换器，还可实现对于量子信号的采集。

综上，本申请提供了一种量子比特调控线路，在对外只需一路控制通道的情况下，配合控制匹配部32实现了对于量子比特的驱动及频率的调控，同时，减少的控制通道为测控通道的设置提供便利，且利于量子芯片1的走线设计及封装，利于集成化设计。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，当量子芯片1为单层结构时，量子比特及量子比特调控线路均位于同一层；十字电容12包括相互垂直的第一部121及第二部122，量子比特调控线路与谐振腔分设于相互垂直的第一部121及第二部122的对角位置。

本实施例中，在量子芯片1为单层结构(即只有一层基片时)，量子比特及量子比特调控线路均位于该同一层上，为了尽可能地避免量子比特线路与谐振腔之间的工作互相干扰，可将两者在一定程度上分开设置。具体的，十字电容12包括相互垂直的第一部121及第二部122，则量子比特调控线路与谐振腔分设于相互垂直的第一部121及第二部122的对角位置。为便于说明，以象限为例，十字电容12的第一部121与第二部122划分出四个象限，则量子比特调控线路在一象限时，谐振腔则在三象限，反之亦然，以保证对角位置的设置，请参照图2，图2中将十字电容12的第一部以附图标记121示意(图2中整个竖直电容臂为第一部121)，将十字电容12的第二部以附图标记122示意(图2中整个水平电容臂为第二部122)，此时量子比特调控线路在一象限，谐振腔在三象限；而量子比特调控线路在二象限时，谐振腔在四象限，反之亦然，以保证对角位置的设置，至于在象限中的具体哪个位置，根据谐振腔及量子比特调控线路待实现的功能确定为准即可。

作为一种优选的实施例，控制匹配部32，包括第一控制线路321及第二控制线路322；第一控制线路321的首端与十字电容12的第一部121相隔第一预设距离且与十字电容12的第二部122相隔第二预设距离，用于将接收到的包括高频控制信息的电信号与十字电容12耦合，以使量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；第二控制线路322的首端与第一部121相隔第三预设距离且与第二部122相隔第四预设距离，用于将接收到的包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪123耦合互感以形成磁场，以使量子比特的工作频率等于目标工作频率；其中，第三预设距离小于第一预设距离，第二控制线路322的尾端与第一控制线路321的尾端连接且连接的公共端与第一合体控制线31连接。

本实施例中，给出了当量子芯片1为单层结构时，控制匹配部32的第一种设置形式。需要说明的是，对于第二控制线路322来说，其接收到包括高频控制信息的电信号后也无法使得量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，可忽略其对包括高频控制信息的电信号的处理；同理，对于第一控制线路321来说，其接收到包括低频控制信息的电信号后也无法使得量子比特的工作频率等于目标工作频率，可忽略其对包括低频控制信息的电信号的处理。可以理解的是，第一控制线路321的设置位置保证了其能够使得量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，对于第一预设距离及第二预设距离的具体数值不作限定，在实际中通过不断的实验测试且能够保证等效耦合电容值达到目标耦合电容值的位置即为所求；第二控制线路322的设置位置保证了其能够使得量子比特的工作频率等于目标工作频率，对于第三预设距离及第四预设距离的具体数值不作限定，在实际中通过不断的实验测试且能够保证量子比特的工作频率达到目标工作频率的位置即为所求。此外，第一控制线路321与第二控制线路322的尾端包括但不限于走线至量子芯片1的封装引脚处再连接，利于量子芯片1的测试端子的布置，节约低温测控的测试资源，在此不作特别的限定，根据应用实际而定。

请参照图3，图3为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图。图3中对于第一控制线路321及第二控制线路322的设置进行图示示意；十字电容12仍与图2相同包括第一部121及第二部122，将第一控制线路321的首端以附图标记A表示，A端与十字电容12的第一部121的距离即为第一预设距离(更具体来说，可以所述第一部121的中心轴线作为距离判定基准，该第一部121的中心轴线为如图3中附图标记为W1的竖直虚线，则A端与所述第一部121的第一预设距离即为A端距离所述第一部121的中心轴线W1的距离)，A端与十字电容12的第二部122的距离即为第二预设距离(更具体来说，可以所述第二部122的中心轴线作为距离判定基准，该第二部122的中心轴线为如图3中附图标记为W2的水平虚线，则A端与所述第二部122的第二预设距离即为A端距离所述第二部122的中心轴线W2的距离)，图3中第一预设距离大于第二预设距离，第一预设距离实际中可为50微米左右；将第二控制线路322的首端以附图标记B表示，需要说明的是，第二控制线路322的首端接地，此处以B端处的水平段作为简洁示意；可以看出，B端距离十字电容12的第一部121的距离即为第三预设距离(即B端与所述第一部121的第三预设距离即为B端距离所述第一部121的中心轴线W1的距离)，图3中该第三预设距离可以认为0以尽可能保证第二控制线路322与超导量子干涉仪123的耦合互感效果，且图3中还将耦合互感的位置以圆圈的形式圈出，而实际中，该第三预设距离可以为10微米之内即可；B端距离十字电容12的第二部122的距离即为第四预设距离(即B端与所述第二部122的第四预设距离即为B端距离所述第二部122的中心轴线W2的距离)。第一控制线路321与第二控制线路322的尾端的连接且连接的公共端与第一合体控制线31连接，图3中以第一控制线路321带有一个直角以使自身的尾端直接延伸至第二控制线路322的尾端，连接后与第一合体控制线31连接作为示意；实际上，第二控制线路322也可以带有一个直角以使自身的尾端与第一控制线路321的尾端在图3中附图标记C所示的椭圆的横线区域上任一位置连接，再与第一合体控制线31连接，在此不作特别的限定。此外，图3中以第一合体控制线31、第一控制线路321及第二控制线路322均为同轴线为例进行示意说明，为了尽可能展现该结构，将同轴线的内芯以灰色填充作为与其外壳的区分标记。

还需要说明的是，在实测仿真中发现，现有技术中的XY控制线输出XY信号时其与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7214fF，现有技术中的Z控制线输出Z信号时其与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为2.13pH；而应用本条实施例的控制匹配部的设置方式，最终得到的电信号与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7217fF，电信号与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为2.04pH，很好地完成了对于量子比特的驱动及频率调控的要求。

作为一种优选的实施例，控制匹配部32，包括：

第二合体控制线323，第一端与第一合体控制线31连接；第二合体控制线323的第二端与十字电容12的第一部121相隔第五预设距离且与十字电容12的第二部122相隔第六预设距离；其中，第五预设距离及第六预设距离为满足电容调控条件的预设距离，电容调控条件为在接收到包括高频控制信息的电信号时使得量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

接地枝节324，第一端与第二合体控制线323的第二端连接，接地枝节324的第二端接地，用于调控接收到的包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪123之间的耦合互感值，以使量子比特的工作频率等于目标工作频率。

本实施例中，给出了当量子芯片1为单层结构时，控制匹配部32的第二种设置形式。需要说明的是，对于第二合体控制线323来说，其本质上与第一合体控制线31同样，可以为同轴线。可以理解的是，第二合体线路的设置位置保证了其能够使得量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，对于第五预设距离及第六预设距离的具体数值不作限定，在实际中通过不断的实验测试后能够满足电容调控条件的位置即为所求；而对于接地枝节324来说，其设置目的主要在于调控接收到的包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪123之间的耦合互感值，也即调控耦合面积的大小，进而保证量子比特的工作频率等于目标工作频率。需要说明的是，经过实测发现，在第二合体控制线323的位置确定之后，接地枝节324的设计仅改变耦合面积大小，对于等效耦合电容值的改变微乎其微，因此可忽略不计。作为一种优选的设置，可先依靠电容调控条件确定第二合体控制线323的位置，随后，通过调节接地枝节324的结构以实现对于耦合面积的调节，此时，等效耦合电容值认为不变，最终改变耦合互感值以使得量子比特的工作频率等于目标工作频率。

请参照图4，图4为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图。十字电容12仍与图2相同包括第一部121及第二部122，将第二合体控制线323的第二端以附图标记D表示，D端与十字电容12的第一部121的距离即为第五预设距离(如以第一部121的中心轴线W1为基准，D端与所述第一部121的第五预设距离即为D端距离所述第一部121的中心轴线W1的距离)，D端与十字电容12的第二部122的距离即为第六预设距离(如以第二部122的中心轴线W2为基准，D端与所述第二部122的第六预设距离即为D端距离所述第二部122的中心轴线W2的距离)，实测中发现第五预设距离小于上述所述的第一预设距离且大于上述所述的第三预设距离。此外，图4中以第一合体控制线31、第二合体控制线323均为同轴线为例进行示意说明，为了尽可能展现该结构，将同轴线的内芯以灰色填充作为与其外壳的区分标记。

可见，通过上述方式，可以进一步减小控制线路所占的版图面积，即原本XY控制线及Z控制线占据两处版图，现只由连通的第一合体控制线31与第二合体控制线323占据一处版图，版图面积的减小更利于量子芯片1内部的走线设计及封装，便于测控通道的布置，大大缓解了设计和测控的资源占用压力，提高测控效率；且该种方式大幅减少因版图空间拥挤导致的串扰和耦合，保证信号完整性良好，增加走线布局的便利性。

作为一种优选的实施例，接地枝节324为带有至少一个直角的第一弯折枝节。

本实施例中，给出了接地枝节324的一种设计方式，其可以为带有至少一个直角的第一弯折枝节，请继续参照图4，图4中的接地枝节324即为带有一个直角的第一弯折枝节，该第一弯折枝节包括连接的水平段及竖直段，当然也可以为带有更多的直角的枝节设计，在此不作特别的限定，以能够完成其功能实现为准；需要说明的是，图4中之所以存在两个第一弯折枝节是因为考虑到同轴线中，外壳包裹着内芯，一条直径上内芯与外壳之间存在左右两个引出点。

还需要说明的是，在实测仿真中发现，现有技术中的XY控制线输出XY信号时其与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7214fF，现有技术中的Z控制线输出Z信号时其与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为2.13pH；而应用本条实施例的控制匹配部的设置方式，最终得到的电信号与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7341fF，电信号与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为1.98pH，仍然很好地完成了对于量子比特的驱动及频率调控的要求。

作为一种优选的实施例，当量子芯片1为双层结构时，第一合体控制线31及控制匹配部32均位于量子芯片1的第一层；十字电容12及谐振腔均位于量子芯片1的第二层。

本实施例中，进一步给出量子芯片1可为双层结构的芯片，具体可采用倒装焊工艺实现所述双层设计，进而将第一合体控制线31及控制匹配部32均设置于量子芯片1的第一层，十字电容12及谐振腔均设置于量子芯片1的第二层，以尽可能地避免信号之间的串扰和耦合，利于实际应用；且在该种情况下，控制匹配部32可布置在距离十字电容12更近的位置，具体在下述实施例中阐述，此处不作赘述。此外，第一层为顶层时，第二层为底层，第一层为底层时，第二层为顶层，优选的，可以将第一合体控制线31及控制匹配部32设置在顶层上。请参照图5，图5为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图，其中GND_BOT附图标记表示底层，GND_TOP附图标记表示顶层，且受限于图片的进一步展示重点，暂时忽略第一合体控制线31及信号波发生器的表示，且将谐振腔所在位置以谐振腔与十字电容12耦合部分的形式进行体现，并在图5中将其以附图标记4呈现。需要说明的是，图5中控制匹配部32位于顶层，十字电容12及谐振腔均位于底层。

作为一种优选的实施例，第一层与第二层之间相隔预设层间距；控制匹配部32，包括：

第三合体控制线325，第一端与第一合体控制线31连接，第三合体控制线325在第二层的投影的目标端与十字电容12的第一部121相隔第七预设距离，且目标端与十字电容12的第二部122相隔第八预设距离；其中，第七预设距离及第八预设距离为在存在预设层间距下满足电容调控条件的预设距离，电容调控条件为在接收到包括高频控制信息的电信号时使得量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

耦合面积放大组件326，第一端与第三合体控制线325的第二端连接，耦合面积放大组件326的第二端接地，用于调控接收到的包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪123之间的耦合互感值，以使量子比特的工作频率等于目标工作频率。

本实施例中，给出了在量子比特为双层结构时，控制匹配部32的设置方式，此时，量子比特调控线路与量子比特异面，第一层与第二层之间的预设层间距为固定层间距，在此对其具体数值不作特别的限定。在该预设层间距存在的情况下，确定第三合体控制线325的位置，其中，该第三合体控制线325本质上与第一合体控制线31同样，可以为同轴线；由于异面设置，第三合体控制线325在第二层的投影的目标端(可理解为第三合体控制线325的第二端在第二层的投影)与十字电容12的第一部121相隔第七预设距离，且目标端与十字电容12的第二部122相隔第八预设距离，该第三合体控制线325的设置位置保证了其能够使得量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，对于第七预设距离及第八预设距离的具体数值不作限定，在实际中通过不断的实验测试后，能够在存在预设层间距的情况下满足电容调控条件的位置即为所求；而对于耦合面积放大组件326来说，其设置目的主要在于调控接收到的包括低频控制信息的电信号与超导量子干涉仪123之间的耦合互感值，也即调控耦合面积的大小，进而保证量子比特的工作频率等于目标工作频率。需要说明的是，经过实测发现，在第三合体控制线325的位置确定之后，耦合面积方法组件的结构设计调整仅改变耦合面积大小以改变耦合互感值，对于等效耦合电容值的改变微乎其微，因此可忽略不计。作为一种优选的设置，可先依靠电容调控条件确定第三合体控制线325的位置，随后，通过调节耦合面积放大组件326的结构以实现对于耦合面积的调节，此时，等效耦合电容值认为不变，最终改变耦合互感值以使得量子比特的工作频率等于目标工作频率，可以理解的是，为了实现阻抗匹配，第三合体控制线325在实际应用中可与较粗的阻抗匹配线连接，再由该阻抗匹配线与第一合体控制线31连接，在此不作特别的限定。

请参照图6，图6为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图。十字电容12仍与图2相同包括第一部121及第二部122，图6与图5对应，且为了便于说明，此处展现的为图5中位于顶层的控制匹配部32整体在底层的投影(此处为便于说明，将第三合体控制线在底层的投影仍以附图标记325表示，同理将耦合面积放大组件在底层的投影仍以附图标记326表示)；此外，受限于图片展示重点，在已知第一合体控制线31与第三合体控制线325一体连接的情况下，暂且忽略第一合体控制线31的绘制；在图6中将第三合体控制线325的目标端以附图标记F表示，F端与十字电容12的第一部121的距离即为第七预设距离(如以第一部121的中心轴线W1为基准，F端与所述第一部121的第七预设距离即为F端距离所述第一部121的中心轴线W1的距离)，F端与十字电容12的第二部122的距离即为第八预设距离(如以第二部122的中心轴线W2为基准，F端与所述第二部122的第八预设距离即为F端距离所述第二部122的中心轴线W2的距离)，实测中发现第七预设距离小于上述所述的第五预设距离。此外，第三合体控制线325本质上仍可为同轴线，图6中受限于图片展示篇幅，为了清楚展示，暂将第三合体控制线325以普通线路形式作简洁示意。

可见，通过上述方式，可以进一步减小控制线路所占的版图面积，即原本XY控制线及Z控制线占据两处版图，现只由连通的第一合体控制线31与第三合体控制线325占据一处版图，版图面积的减小更利于量子芯片1内部的走线设计及封装，便于测控通道的布置，大大缓解了设计和测控的资源占用压力，提高测控效率；且该种方式大幅减少因版图空间拥挤导致的串扰和耦合，避免不同量子比特的调控线路信号间的串扰及耦合，保证信号完整性良好，增加走线布局的便利性。

作为一种优选的实施例，耦合面积放大组件326为呈螺旋状的第四合体控制线。

本实施例中，给出了耦合面积放大组件326的第一种设置形式，即采用呈螺旋状的第四合体控制线的形式，该第四合体控制线本质上仍可为同轴线，该第四合体控制线的一端与第三合体控制线325的第二端连接，第四合体控制线的另一端接地，图5及图6中均展示了上述形式的耦合面积放大组件326的设置示意，当然，实际应用中也可以采用其他结构形式的耦合面积放大组件326增大耦合面积以调控耦合互感值。

还需要说明的是，在实测仿真中发现，现有技术中的XY控制线输出XY信号时其与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7214fF，现有技术中的Z控制线输出Z信号时其与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为2.13pH；而应用本条实施例的控制匹配部的设置方式，最终得到的电信号与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7285fF，电信号与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为2.35pH，很好地完成了对于量子比特的驱动及频率调控的要求。

作为一种优选的实施例，耦合面积放大组件326为带有至少一个直角的第二弯折枝节。

本实施例中，给出了耦合面积放大组件326的第二种设置形式，即采用带有至少一个直角的第二弯折枝节的形式。请参照图7，图7为本发明提供的另一种量子比特控制线路的结构示意图。十字电容12仍与图2相同包括第一部121及第二部122，且为了便于说明，此处展现的为位于顶层的控制匹配部32整体在底层的投影(此处为便于说明，将第三合体控制线在底层的投影仍以附图标记325表示，同理将耦合面积放大组件在底层的投影仍以附图标记326表示)；此外，受限于图片展示重点，在已知第一合体控制线31与第三合体控制线325一体连接的情况下，暂且忽略第一合体控制线31的绘制；图7中第三合体控制线325在第二层的投影在第四象限，谐振腔在第二层的第二象限；在图7中将第三合体控制线325的目标端以附图标记G表示，G端与十字电容12的第一部121的距离即为第七预设距离(如以第一部121的中心轴线W1为基准，G端与所述第一部121的第七预设距离即为G端距离所述第一部121的中心轴线W1的距离)，G端与十字电容12的第二部122的距离即为第八预设距离(如以第二部122的中心轴线W2为基准，G端与所述第二部122的第八预设距离即为G端距离所述第二部122的中心轴线W2的距离)，此外，图7中以第三合体控制线325为同轴线为例进行示意说明，为了尽可能展现该结构，将同轴线的内芯以灰色填充作为与其外壳的区分标记。

此实施例中，该耦合面积放大组件326可为带有至少一个直角的第二弯折枝节，参照图7所示，由于同轴线中，外壳包裹着内芯，一条直径上内芯与外壳之间存在左右两个引出点，图7中以一个引出点为出发点，设置带有三个直角的第二弯折枝节，整个结构类似于曲别针形式，实现对于耦合互感值的调控，以使量子比特的工作频率等于目标工作频率。

还需要说明的是，在实测仿真中发现，现有技术中的XY控制线输出XY信号时其与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7214fF，现有技术中的Z控制线输出Z信号时其与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为2.13pH；而应用本条实施例的控制匹配部的设置方式，最终得到的电信号与十字电容耦合后的耦合电容值为0.7069fF，电信号与超导量子干涉仪耦合互感后的互感值为2.19pH，很好地完成了对于量子比特的驱动及频率调控的要求。

作为对上述实施例的进一步说明，给出整个量子比特在量子比特调控线输出的电信号的作用下的等效电路图，请参照图8，图8为本发明提供的一种整个量子比特在量子比特调控线输出的电信号的作用下的等效电路图，其中，C1为十字电容的等效电容，C2为包括高频控制信息的电信号与十字电容的耦合后的等效电容，L1为耦合互感时的等效电感，超导量子干涉仪在图8中以附图标记SQUID做简洁示意，该超导量子干涉仪本质上由约瑟夫森结构成，图8中将约瑟夫森结以内带叉号的方框表示，并以圆圈出作为标记。

本发明还提供了一种量子芯片，包括量子比特，还包括如上述所述的量子比特调控线路；其中，量子比特包括十字电容及谐振腔，十字电容包括超导量子干涉仪。

对于本发明中提供的量子芯片的介绍请参照上述量子比特调控线路的实施例，此处不再赘述。

本发明还提供了一种量子计算机，包括如上述所述的量子芯片。

对于本发明中提供的量子计算机的介绍请参照上述量子比特调控线路的实施例，此处不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。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、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、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 (11)

1.一种量子比特调控线路，其特征在于，应用于量子芯片，所述量子芯片包括量子比特，所述量子比特包括十字电容及谐振腔，所述十字电容包括超导量子干涉仪，所述量子比特调控线路，包括：

第一合体控制线，分别与设于所述量子芯片外部的信号发生器的输出端及设于所述量子芯片内部的控制匹配部的第一端连接，用于将所述信号发生器输出的电信号输出至所述控制匹配部，所述电信号为包括低频控制信息和/或高频控制信息的电信号；

所述控制匹配部，第二端接地，用于将接收到的包括所述高频控制信息的电信号与所述十字电容耦合，以使所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值，和/或，将接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪耦合互感以形成磁场，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率。

2.如权利要求1所述的量子比特调控线路，其特征在于，当所述量子芯片为单层结构时；

所述量子比特及所述量子比特调控线路均位于同一层；

所述十字电容包括相互垂直的第一部及第二部，所述量子比特调控线路与所述谐振腔分设于所述相互垂直的第一部及第二部的对角位置。

3.如权利要求2所述的量子比特调控线路，其特征在于，所述控制匹配部，包括第一控制线路及第二控制线路；

所述第一控制线路的首端与所述十字电容的第一部相隔第一预设距离且与所述十字电容的第二部相隔第二预设距离，用于将接收到的包括所述高频控制信息的电信号与所述十字电容耦合，以使所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

所述第二控制线路的首端与所述第一部相隔第三预设距离且与所述第二部相隔第四预设距离，用于将接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪耦合互感以形成磁场，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率；

其中，所述第三预设距离小于所述第一预设距离，所述第二控制线路的尾端与所述第一控制线路的尾端连接且连接的公共端与所述第一合体控制线连接。

4.如权利要求2所述的量子比特调控线路，其特征在于，所述控制匹配部，包括：

第二合体控制线，第一端与所述第一合体控制线连接；所述第二合体控制线的第二端与所述十字电容的第一部相隔第五预设距离且与所述十字电容的第二部相隔第六预设距离；其中，所述第五预设距离及所述第六预设距离为满足电容调控条件的预设距离，所述电容调控条件为在接收到包括所述高频控制信息的电信号时使得所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

接地枝节，第一端与所述第二合体控制线的第二端连接，所述接地枝节的第二端接地，用于调控接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪之间的耦合互感值，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率。

5.如权利要求4所述的量子比特调控线路，其特征在于，所述接地枝节为带有至少一个直角的第一弯折枝节。

6.如权利要求1至5任一项所述的量子比特调控线路，其特征在于，当所述量子芯片为双层结构时；

所述第一合体控制线及所述控制匹配部均位于所述量子芯片的第一层；

所述十字电容及所述谐振腔均位于所述量子芯片的第二层。

7.如权利要求6所述的量子比特调控线路，其特征在于，所述第一层与所述第二层之间相隔预设层间距；所述控制匹配部，包括：

第三合体控制线，第一端与所述第一合体控制线连接，所述第三合体控制线在所述第二层的投影的目标端与所述十字电容的第一部相隔第七预设距离，且所述目标端与所述十字电容的第二部相隔第八预设距离；其中，所述第七预设距离及所述第八预设距离为在存在所述预设层间距下满足电容调控条件的预设距离，所述电容调控条件为在接收到包括所述高频控制信息的电信号时使得所述量子比特的等效耦合电容值等于目标耦合电容值；

耦合面积放大组件，第一端与所述第三合体控制线的第二端连接，所述耦合面积放大组件的第二端接地，用于调控接收到的包括所述低频控制信息的电信号与所述超导量子干涉仪之间的耦合互感值，以使所述量子比特的工作频率等于目标工作频率。

8.如权利要求7所述的量子比特调控线路，其特征在于，所述耦合面积放大组件为呈螺旋状的第四合体控制线。

9.如权利要求7所述的量子比特调控线路，其特征在于，所述耦合面积放大组件为带有至少一个直角的第二弯折枝节。

10.一种量子芯片，其特征在于，包括量子比特，还包括如权利要求1至9任一项所述的量子比特调控线路；其中，所述量子比特包括十字电容及谐振腔，所述十字电容包括超导量子干涉仪。

11.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求10所述的量子芯片。

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