CN116306954A - 远距离的超导量子比特耦合结构和超导量子芯片 - Google Patents

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CN116306954A CN202310135609.9A CN202310135609A CN116306954A CN 116306954 A CN116306954 A CN 116306954A CN 202310135609 A CN202310135609 A CN 202310135609A CN 116306954 A CN116306954 A CN 116306954A
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Abstract

本公开提供了一种远距离的超导量子比特耦合结构和超导量子芯片，涉及量子计算技术领域，具体涉及量子芯片技术领域。具体实现方案为：包括两个超导量子比特单元，超导量子比特单元包括两个第一金属极板和四个第二金属极板，每个第二金属极板形成的凹槽位置包围第一金属极板的端部设置，四个第二金属极板形成与量子比特耦合的耦合端口的结构尺寸相同；超导量子比特耦合结构还包括：第三金属极板和第四金属极板，两个超导量子比特单元中相对设置的耦合端口通过第三金属极板相互连接，且与第四金属极板形成耦合器的电容器版图结构；两个超导量子比特单元中两个量子比特的几何中心间隔在以2020um为中心正负偏离第一预设值的取值范围内。

Description

远距离的超导量子比特耦合结构和超导量子芯片
技术领域
本公开涉及量子计算技术领域，尤其涉及量子芯片技术领域，具体涉及一种远距离的超导量子比特耦合结构和超导量子芯片。
背景技术
超导量子比特是超导量子芯片中的核心元件，要实现双比特量子门，通常需要将两个量子比特耦合起来，可以在两个量子比特之间置入一个可调频耦合器，通过调节耦合器频率，可以实现两个量子比特之间等效耦合强度的打开和关闭，这种耦合架构可以为“量子比特-耦合器-量子比特(qubit-coupler-qubit，QCQ)”，简称QCQ结构。
目前，QCQ结构版图需要设计者精心调试两个量子比特之间的间距，并且通过刻蚀完整的耦合器以实现QCQ模块进行量子比特的扩展。
发明内容
本公开提供了一种远距离的超导量子比特耦合结构和超导量子芯片。
根据本公开的第一方面，提供了一种远距离的超导量子比特耦合结构，包括：两个超导量子比特单元，所述超导量子比特单元包括两个对称设置的第一金属极板和四个第二金属极板，所述第二金属极板呈“凹”型设置，所述第一金属极板呈“L”型设置，且一个所述第一金属极板中的端部与另一个第一金属极板的端部朝不同的方向设置，每个所述第二金属极板形成的凹槽位置包围所述第一金属极板的一个端部设置，且每一所述第二金属极板形成与两个所述第一金属极板表示的量子比特耦合的耦合端口，所述四个第二金属极板形成与量子比特耦合的耦合端口的结构尺寸相同；
所述远距离的超导量子比特耦合结构还包括：第三金属极板和第四金属极板，所述两个超导量子比特单元中相对设置的耦合端口通过所述第三金属极板相互连接，且与所述第四金属极板形成耦合器的电容器版图结构，所述第四金属极板与所述第三金属极板耦合部分的金属段垂直于所述第三金属极板，所述耦合器用于耦合所述两个超导量子比特单元中的两个量子比特；
其中，所述两个超导量子比特单元中两个量子比特的几何中心间隔在第一取值范围内，所述第一取值范围为：以2020um为中心正负偏离第一预设值的取值范围。
根据本公开的第二方面，提供了一种超导量子芯片，包括如第一方面所述的远距离的超导量子比特耦合结构。
根据本公开的技术解决了相关技术中QCQ模块进行量子比特的扩展效率比较低的问题，使得QCQ模块能够作为一个独立模块比较高效地实现量子比特的扩展，并且可以实现长达2mm以上的远距离耦合。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1是超导量子芯片的立体构型；
图2是根据本公开第一实施例的远距离的超导量子比特耦合结构的结构示意图；
图3是本实施例中一示例的超导量子芯片的结构示意图；
图4是本实施例中一示例的量子比特超导单元的结构示意图；
图5是本实施例中一示例的量子比特的金属极板的结构示意图；
图6是本实施例中一示例的耦合器的金属极板的结构示意图；
图7是本实施例中一示例的耦合端口的金属极板的结构示意图；
图8是本实施例中一示例的耦合器的金属极板之间耦合位置的结构示意图；
图9是本实施例中一示例的第四金属极板中金属段的结构示意图；
图10是本实施例中一示例的固定QCQ结构版图的性能仿真曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
第一实施例
首先描述超导量子芯片的立体构型，如图1所示，超导量子芯片包括基板101和超导金属板102，相应主要分为两层，基底层和超导金属层，基底层(对应基板)一般为硅或蓝宝石材料。超导金属层(对应超导金属板)相比基底层，其厚度非常薄，可以看作二维平面。通过对超导金属层进行刻蚀，可以形成各种不同的元件结构。因此，通常关心采用特定基底材料的芯片版图，即芯片结构的俯视图。
芯片结构上可以包括远距离的超导量子比特耦合结构，如图2所示，本公开提供一种远距离的超导量子比特耦合结构，包括：
两个超导量子比特单元，所述超导量子比特单元包括两个对称设置的第一金属极板201和四个第二金属极板202，所述第二金属极板呈“凹”型设置，所述第一金属极板呈“L”型设置，且一个所述第一金属极板中的端部与另一个第一金属极板的端部朝不同的方向设置，每个所述第二金属极板形成的凹槽位置包围所述第一金属极板的一个端部设置，且每一所述第二金属极板形成与两个所述第一金属极板表示的量子比特耦合的耦合端口，所述四个第二金属极板形成与量子比特耦合的耦合端口的结构尺寸相同；
所述远距离的超导量子比特耦合结构还包括：第三金属极板203和第四金属极板204，所述两个超导量子比特单元中相对设置的耦合端口通过所述第三金属极板相互连接，且与所述第四金属极板形成耦合器的电容器版图结构，所述第四金属极板与所述第三金属极板耦合部分的金属段垂直于所述第三金属极板，所述耦合器用于耦合所述两个超导量子比特单元中的两个量子比特；
其中，所述两个超导量子比特单元中两个量子比特的几何中心间隔在第一取值范围内，所述第一取值范围为：以2020um为中心正负偏离第一预设值的取值范围。
本实施例中，远距离的超导量子比特耦合结构涉及量子计算技术领域，尤其涉及超导量子芯片技术领域，其可以广泛应用于超导量子芯片的设计场景下。
近年来随着超导量子芯片性能和规模的发展，产生一种迫切的需求，即期望能够实现量子比特间的远距离耦合。远距离耦合架构具有四种显著优势：1)为其他重要器件的分布以及布线提供了广阔的空间，使得芯片中量子比特的规模能够得到大幅提升；2)显著减少量子比特间的串扰，提升量子芯片的性能；3)显著抑制相邻量子比特之间的关联错误，有助于实现更有效的量子纠错；4)量子比特规模的提升，也能够显著提高量子纠错的性能。因此，如何设计超导量子比特耦合结构(如QCQ结构)同时实现远距离耦合，以及实现性能和布局上的两个基本要求，是一个值得关注的课题。
其中，通常在超导量子比特之间的距离大于2mm的场景下，可以称之为超导量子比特的远距离耦合，本实施例提供的超导量子比特耦合结构可以实现远距离的超导量子比特耦合。
远距离的超导量子比特耦合结构包括电容器版图结构，该电容器版图结构由在超导金属层上刻蚀形成的各个金属板构成，如图2所示，灰色部分包括超导金属层，白色部分表示在超导金属层上刻蚀掉的区域。相应的，在超导金属层上可以形成各个金属极板和接地金属板205，内部的超导金属即为孤立的金属极板，外部的超导金属即为接地金属板。
金属极板与金属极板，以及金属极板与接地金属板之间均可以形成电容，因此每一个金属极板可以表示一个元件的电容器，而电容器版图结构由在超导金属层上刻蚀形成的各个元件的电容器构成。
超导量子比特耦合结构可以包括两个超导量子比特单元，超导量子比特单元可以包括在超导金属层上刻蚀形成的两个对称设置的第一金属极板201和四个第二金属极板202。
其中，第一金属极板201呈“L”型设置，第一金属极板中的两个端部朝90度设置，且超导量子比特单元中一个第一金属极板中的端部与另一个第一金属极板的端部朝不同的方向设置，也即超导量子比特单元中两个第一金属极板的端部可以朝向四个不同方向，如图2所示，超导量子比特单元中的两个第一金属极板可以表示一个量子比特的电容器。
第二金属极板呈“凹”型设置，每一第二金属极板形成与两个第一金属极板表示的量子比特耦合的耦合端口，且每个第二金属极板形成的凹槽位置包围第一金属极板的一个端部设置，以实现与量子比特的耦合。
两个超导量子比特单元中相对设置的耦合端口通过第三金属极板相互连接，且与第四金属极板形成耦合器的电容器版图结构，第四金属极板与第三金属极板耦合部分的金属段2041垂直于第三金属极板，该耦合器用于耦合两个超导量子比特单元中的两个量子比特。
如图2所示，用于与左边量子比特耦合的耦合端口(其凹槽位置朝向左边)与用于与右边量子比特耦合的耦合端口(其凹槽位置朝向右边)相互连接，并与第四金属极板形成了耦合器的电容器版图结构，第三金属极板和相互连接的两个耦合端口可以刻蚀在一个金属极板上，表示耦合器的电容器。
四个第二金属极板形成与量子比特耦合的耦合端口的结构尺寸相同，因此可以从上下左右任意四个方向将耦合端口扩展为完整的耦合器，如通过第三金属极板相互连接相对设置的耦合端口，这样可以实现QCQ模块的扩展，并且可以作为一个独立的模块比较高效地实现量子比特的扩展，可以使得基于该超导量子比特耦合结构设计的量子芯片预期可以实现更大的规模，提升量子芯片中量子比特的规模。如图3所示，该图展示了由QCQ模块扩展得到的3*3棋盘状超导量子芯片的核心器件版图。
需要说明的是，在实际应用中，由于刻蚀误差，可能会造成四个第二金属极板形成与量子比特耦合的耦合端口的结构尺寸会有略微差别，这种情况也可以认定为耦合端口的结构尺寸相同。
另外，两个超导量子比特单元中两个量子比特之间的几何中心间隔在第一取值范围内，第一取值范围为：以2020um为中心正负偏离第一预设值的取值范围。其中，第一预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第一预设值也可以不同。
两个量子比特之间的几何中心间隔在以2020um为中心正负偏离刻蚀误差的取值范围内的情况下，其超导量子比特耦合结构可以达到类似的性能，即性能差距不会太大。其中，QCQ结构性能要求能够实现量子比特之间耦合的关断，并在耦合打开时提供较强的耦合强度。
比如，刻蚀误差为1％，则第一预设值约为20um，第一取值范围为2000um～2040um。在一可选实施方式中，两个超导量子比特单元中两个量子比特之间的几何中心间隔在2020um。
由于量子比特的结构、耦合器的结构(包括相互连接的两个耦合端口、用于连接两个耦合端口的第三金属极板、以及与第三金属极板耦合的第四金属极板)、以及量子比特和耦合器的耦合方式，可以使得量子比特中心间距长达2020um，从而实现两个量子比特之间的远距离耦合。
并且，可以提供一种两个量子比特之间的间距固定的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试两个量子比特之间的间距，简化了QCQ结构版图的设计流程，极大地提升了超导量子芯片的设计效率，对于超导量子芯片的研发具有重要指导意义和价值。
可选的，两个所述第一金属极板中朝不同方向设置的两个端部之间的总长度在第二取值范围内，所述第二取值范围为：以800um为中心正负偏离第二预设值的取值范围。
第二预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第二预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第二预设值为8um，第二取值范围为792um～808um。在一可选实施方式中，两个第一金属极板中朝不同方向设置的两个端部之间的总长度为800um，如图4所示。
如此，可以提供一种固定量子比特整体尺寸的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试量子比特的整体尺寸，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述第一金属极板包括依次相互连接的第一金属段、第二金属段和第三金属段，所述第一金属段与所述第二金属段之间夹角设置，所述第一金属段和所述第三金属段之间垂直设置。
图5示出了量子比特的结构，其中，量子比特包括第一金属段501、第二金属段502和第三金属段503，第一金属段与第二金属段之间呈现一定的夹角，第一金属段和第三金属段之间垂直设置，即体现了第一金属极板的两个端部所朝向的两个方向呈90度设置。如此，提供一种固定量子比特结构的QCQ结构版图。
可选的，所述第一金属段、所述第二金属段和所述第三金属段的宽度相同，且均在第三取值范围内，所述第三取值范围为：以30um为中心正负偏离第三预设值的取值范围。
第三预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第三预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第三预设值为0.3um，第三取值范围为29.7um～30.3um。在一可选实施方式中，第一金属段、第二金属段和第三金属段的宽度均为30um，如图5所示。
如此，可以提供一种固定量子比特结构尺寸的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试量子比特的结构尺寸，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，一个所述第一金属极板中的第二金属段和另一个所述第一金属极板中的第二金属段平行设置，且不同第二金属段之间的间隔在第四取值范围内，所述第四取值范围为：以20um为中心正负偏离第四预设值的取值范围。
第四预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第四预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第四预设值为0.2um，第四取值范围为19.8um～20.2um。在一可选实施方式中，不同第二金属段之间的间隔为20um，如图5所示。
如此，可以提供一种固定量子比特中两个第一金属极板之间间距的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试量子比特中两个第一金属极板之间的间距，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，相互连接的两个耦合端口和所述第三金属极板的总长度在第五取值范围内，所述第五取值范围为：以1500um为中心正负偏离第五预设值的取值范围。
第五预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第五预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第五预设值为15um，第五取值范围为1485um～1515um。在一可选实施方式中，相互连接的两个耦合端口和第三金属极板的总长度为1500um，如图6所示。
如此，可以提供一种固定耦合器整体尺寸的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试耦合器的整体尺寸，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述第二金属极板包括依次相互连接的第四金属段、第五金属段和第六金属段，所述第四金属段、所述第五金属段和所述第六金属段的宽度相同，且均在第六取值范围内，所述第六取值范围为：以40um为中心正负偏离第六预设值的取值范围，所述第四金属段和所述第六金属段的长度均在第七取值范围内，所述第七取值范围为：以190um为中心正负偏离第七预设值的取值范围。
图7示出了耦合端口的结构，其中，耦合端口包括第四金属段701、第五金属段702和第六金属段703，第四金属段和第五金属段垂直设置，第五金属段和第六金属段垂直设置，这三个金属段可以形成凹槽。
第六预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第六预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第六预设值为0.4um，第六取值范围为39.6um～40.4um。在一可选实施方式中，第四金属段、第五金属段和第六金属段的宽度为40um，如图7所示。
第七预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第七预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第七预设值为1.9um，第七取值范围为188.1um～191.9um。在一可选实施方式中，第四金属段和第六金属段的长度相同，为190um，如图7所示。
如此，可以提供一种固定耦合端口中第四金属段和第六金属段的结构尺寸的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试耦合器中第四金属段和第六金属段的结构尺寸，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述第四金属段和所述第六金属段分别与所述第一金属极板之间的间隔均在第八取值范围内，所述第八取值范围为：以10um为中心正负偏离第八预设值的取值范围，所述第五金属段与所述第一金属极板之间的间隔在第九取值范围内，所述第九取值范围为：以10um为中心正负偏离第九预设值的取值范围。
第八预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第八预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第八预设值为0.1um，第八取值范围为9.9um～10.1um。在一可选实施方式中，第四金属段和第六金属段分别与第一金属极板之间的间隔均为10um，如图7所示。
第九预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第九预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第九预设值为0.1um，第九取值范围为9.9um～10.1um。在一可选实施方式中，第五金属段与第一金属极板之间的间隔为10um，如图7所示。
如此，可以提供一种固定耦合端口与第一金属极板之间间距的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试耦合端口与第一金属极板之间的间距，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述第三金属极板的宽度在第十取值范围内，所述第十取值范围为：以10um为中心正负偏离第十预设值的取值范围。
第十预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十预设值为0.1um，第十取值范围为9.9um～10.1um。在一可选实施方式中，第三金属极板可以为一个棍状金属极板，第三金属极板203的宽度为10um，如图8所示。
如此，可以提供一种固定第三金属极板结构尺寸的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试第三金属极板的结构尺寸，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述耦合部分的金属段与所述第三金属极板之间的间隔在第十一取值范围内，所述第十一取值范围为：以20um为中心正负偏离第十一预设值的取值范围。
第十一预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十一预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十一预设值为0.2um，第十一取值范围为19.8um～20.2um。在一可选实施方式中，第四金属极板与第三金属极板的耦合部分的金属段2041，与第三金属极板之间的间隔为20um，如图8所示。
如此，可以提供一种固定第四金属极板与第三金属极板的耦合部分的金属段，与第三金属极板之间间隔的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试第四金属极板与第三金属极板的耦合部分的金属段，与第三金属极板之间的间隔，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述第四金属极板包括依次相互连接的第七金属段、第八金属段、第九金属段、第十金属段、第十一金属段、第十二金属段和第十三金属段，所述第七金属段为所述耦合部分的金属段，所述第九金属段、所述第十一金属段和所述第十三金属段分别与所述第三金属极板平行设置，所述第八金属段为四分之一圆的弧形形状，所述第七金属段通过所述第八金属段转弯连接所述第九金属段，所述第十金属段和所述第十二金属段为半圆形状，所述第九金属段通过所述第十金属段向偏离所述第三金属极板的方向连接所述第十一金属段，所述第十一金属段通过所述第十二金属段向靠近所述第三金属极板的方向连接所述第十三金属段。
第四金属极板可以为一个长条弯曲状金属极板，如图6所示，第四金属极板包括第七金属段601、第八金属段602、第九金属段603、第十金属段604、第十一金属段605、第十二金属段606和第十三金属段607。
第四金属极板通过第七金属段与第三金属极板耦合，即第七金属段即为第四金属极板与第三金属极板耦合部分的金属段。耦合部分的金属段可以耦合在第三金属极板的任意位置，在一可选实施方式中，耦合部分的金属段耦合在第三金属极板的中间位置，如图6所示。
如此，可以提供一种固定第四金属极板结构的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试第四金属极板的结构，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，第七金属段、第八金属段、第九金属段、第十金属段、第十一金属段、第十二金属段和第十三金属段的宽度均在第十二取值范围内，所述第十二取值范围为：以20um为中心正负偏离第十二预设值的取值范围，所述第七金属段的长度在第十三取值范围内，所述第十三取值范围为：以120um为中心正负偏离第十三预设值的取值范围，所述第八金属段、所述第十金属段和所述第十二金属段的外圆半径均在第十四取值范围内，所述第十四取值范围为：以40um为中心正负偏离第十四预设值的取值范围，所述第九金属段和所述第十三金属段的长度均在第十五取值范围内，所述第十五取值范围为：以670um为中心正负偏离第十五预设值的取值范围，所述第十一金属段的长度在第十六取值范围内，所述第十六取值范围为：以1400um为中心正负偏离第十六预设值的取值范围。
第十二预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十二预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十二预设值为0.2um，第十二取值范围为19.8um～20.2um。在一可选实施方式中，第四金属极板204中各个金属段的宽度为20um，如图9所示。
第十三预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十三预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十三预设值为1.2um，第十三取值范围为118.8um～121.2um。在一可选实施方式中，第七金属段的长度为120um，如图6所示。
第十四预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十四预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十四预设值为0.4um，第十四取值范围为39.6um～40.4um。在一可选实施方式中，第八金属段、第十金属段和第十二金属段的外圆半径均为40um，第八金属段、第十金属段和第十二金属段的内圆半径均为20um，如图9所示。
第十五预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十五预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十五预设值为6.7um，第十五取值范围为663.3um～676.7um。在一可选实施方式中，第九金属段和第十三金属段的长度均为670um，如图6所示。
第十六预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十六预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十六预设值为14um，第十六取值范围为1386um～1414um。在一可选实施方式中，第十一金属段的长度为1400um，如图6所示。
如此，可以提供一种固定第四金属极板结构尺寸的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试第四金属极板的结构尺寸，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，在设置所述两个超导量子比特单元、第三金属极板和第四金属极板的超导金属层面上还设有接地金属板，所述接地金属板包围刻蚀在所述超导金属层面上的各个金属极板，所述第一金属极板与所述接地金属板的间隙在第十七取值范围内，所述第十七取值范围为：以5um为中心正负偏离第十七预设值的取值范围。
第十七预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十七预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十七预设值为0.05um，第十七取值范围为4.95um～5.05um。在一可选实施方式中，第一金属极板与接地金属板之间的间隙为5um，如图5所示。
如此，可以提供一种固定第一金属极板与接地金属板之间间隙的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试第一金属极板与接地金属板之间的间隙，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述第二金属极板和所述第三金属极板分别与所述接地金属板之间的间隙均在第十八取值范围内，所述第十八取值范围为：以50um为中心正负偏离第十八预设值的取值范围。
第十八预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十八预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十八预设值为0.5um，第十八取值范围为49.5um～50.5um。在一可选实施方式中，第二金属极板和第三金属极板分别与接地金属板之间的间隙为50um，如图7和图8所示。
如此，可以提供一种固定第二金属极板和第三金属极板分别与接地金属板之间间隙的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试第二金属极板和第三金属极板分别与接地金属板之间的间隙，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，所述第四金属极板与所述接地金属板之间的间隙在第十九取值范围内，所述第十九取值范围为：以5um为中心正负偏离第十九预设值的取值范围。
第十九预设值可以为刻蚀误差，由刻蚀工艺确定，刻蚀工艺不同，刻蚀误差可以不同，相应第十九预设值也可以不同。比如，刻蚀误差为1％，则第十九预设值为0.05um，第十九取值范围为4.95um～5.05um。在一可选实施方式中，第四金属极板与接地金属板之间的间隙为5um，如图9所示。
如此，可以提供一种固定第四金属极板与接地金属板之间间隙的QCQ结构版图，从而提供一种固定的QCQ结构版图，以期达到性能上的要求，这样无需设计者调试第四金属极板与接地金属板之间的间隙，简化了QCQ结构版图的设计流程。
可选的，远距离的超导量子比特耦合结构还包括：两个第一超导量子干涉仪、第二超导量子干涉仪；
其中，一个所述第一超导量子干涉仪连接在一个所述超导量子比特单元中的两个所述第一金属极板之间，所述第二超导干涉仪连接在所述耦合部分的金属段与所述第三金属极板之间。
远距离的超导量子比特耦合结构除了包括电容器结构版图之外，还可以包括超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，SQUID)，由两个约瑟夫森结并联形成，可以实现元件本征频率的调控。
量子比特和耦合器的电容器结构版图可以具有SQUID结构，六个耦合端口可以不具有SQUID结构，超导量子比特耦合结构中电容器结构版图确定之后，量子比特的SQUID即第一超导量子干涉仪可以设置在超导量子比特单元中两个第一金属极板之间，如设置在不同第二金属段之间，耦合器的SQUID即第二超导量子干涉仪可以设置在耦合部分的金属段与第三金属极板之间。
如图2所示展示了量子比特和耦合器的SQUID位置分布，黑色双“X”状结构即为SQUID，SQUID206为第一超导量子干涉仪，SQUID207为第二超导量子干涉仪。
如此，可以实现远距离的超导量子比特耦合结构中SQUID的设计。
从图2所示的QCQ结构版图可以直观看到量子比特之间可以实现长达2.02mm的远距离耦合。以下从可扩展性和耦合强度两个方面对本实施例一具体示例的固定QCQ结构版图的性能进行分析和展示。
在该示例中，两个超导量子比特单元中两个量子比特的几何中心间隔为2020um，两个第一金属极板中朝不同方向设置的两个端部之间的总长度为800um，第一金属段、第二金属段和第三金属段的宽度均为30um，同第二金属段之间的间隔为20um，相互连接的两个耦合端口和第三金属极板的总长度为1500um，第四金属段、第五金属段和第六金属段的宽度为40um，第四金属段和第六金属段的长度为190um，第四金属段和第六金属段分别与第一金属极板之间的间隔为10um，第五金属段与第一金属极板之间的间隔为10um，第三金属极板的宽度为10um，耦合部分的金属段与第三金属极板之间的间隔为20um，第四金属极板中各个金属段的宽度为20um，第七金属段的长度为120um，第八金属段、所述第十金属段和所述第十二金属段的外圆半径为40um，内圆半径为20um，第九金属段和第十三金属段的长度为670um，第十一金属段的长度为1400um，第一金属极板与接地金属板的间隙为5um，第二金属极板和第三金属极板分别与接地金属板之间的间隙为50um，第四金属极板与接地金属板之间的间隙为5um。
1)可扩展性
耦合器两端的“凹”状耦合端口和独立的六个“凹”状耦合端口的结构尺寸相同，因此可以从上下左右任意四个方向将“凹”状耦合端口扩展为完整的耦合器，从而可以实现QCQ模块的扩展。
2)耦合强度
通过调节耦合器频率，可以实现耦合的关断，并且在耦合打开时提供强耦合强度。
先简单介绍耦合调节存在的一个前提限制，即色散耦合限制。可调耦合器架构要求量子比特和耦合器之间必须满足色散耦合，即二者的耦合强度gqc要远小于二者频率差|ωc-ωq|(ωc为耦合器频率，ωq为量子比特频率)。定义色散比例β为下式(1)所示：
Figure BDA0004086005130000151
则必须满足β＞＞1，不失一般性，通常取一色散比例下限βs，当β＞βs时，认为二者满足色散耦合。由于元件频率工作区间满足ωc＞ωq，因此当ωc越小，色散比例越接近下限βs。
作为示例，取色散比例下限为βs＝8，且固定量子比特频率为6.669GHz(千兆赫兹)。采用电磁仿真软件对该结构版图进行详细的仿真验证。可以得到性能曲线如图10所示，横轴为耦合器频率，左纵轴为量子比特之间的等效耦合强度，右纵轴为量子比特与耦合器之间的色散耦合比例。实线为等效耦合强度随耦合器频率的变化曲线，点划线为色散耦合比例随耦合器频率的变化曲线(β1和β2分别为左右两个量子比特与耦合器的色散耦合比例，由于量子比特全同，表示β1的曲线与表示β2的曲线重合)，“x”点为特殊频率点，包括耦合关断点和打开点，虚线为特殊频率点对应的辅助标识线。
从图中可以清晰看到，该QCQ结构版图能够满足在耦合器频率为11.856GHz左右时实现耦合的关断(即等效耦合强度为0)，并且在色散比例下限βs＝8处，达到14兆赫兹(MHz)的强耦合强度。
由此可以证明该QCQ结构版图不仅具有远距离耦合特性，提供了一种远距离耦合架构的QCQ模块设计方案，使得超导量子芯片受益于远距离耦合架构的诸多优势，显著提升量子芯片的性能和规模。该QCQ结构版图还具有优越的可扩展性，同时也具有比较强的耦合性能，可以提升双比特量子门的门控速度，有望实现更快速的、更高保真度的量子比特门，提升量子芯片的性能。因此，基于该QCQ结构版图设计的超导量子芯片预期可以实现更强的性能和更大的规模，对于超导量子芯片的研发具有重要指导意义和价值。
并且，通过固定QCQ模块的结构尺寸，这样只需根据具体需求进行批量模块化扩展，即可高效实现一块超导量子芯片的设计。
第二实施例
本实施例提供了一种超导量子芯片，包括第一实施例所述的远距离的超导量子比特耦合结构，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，这里不再赘述。
可选的，所述超导量子芯片包括呈阵列分布的至少三个超导量子比特单元，所述至少三个超导量子比特单元中相邻两个超导量子比特单元形成所述超导量子比特耦合结构，也即超导量子芯片中可以包括多个远距离的超导量子比特耦合结构。如此，可以利用远距离的超导量子比特耦合结构的可扩展性能进行批量模块化扩展，即可高效实现一块超导量子芯片的设计。
本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的收集、存储、使用、加工、传输、提供和公开等处理，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (18)

1.一种远距离的超导量子比特耦合结构，包括：两个超导量子比特单元，所述超导量子比特单元包括两个对称设置的第一金属极板和四个第二金属极板，所述第二金属极板呈“凹”型设置，所述第一金属极板呈“L”型设置，且一个所述第一金属极板中的端部与另一个第一金属极板的端部朝不同的方向设置，每个所述第二金属极板形成的凹槽位置包围所述第一金属极板的一个端部设置，且每一所述第二金属极板形成与两个所述第一金属极板表示的量子比特耦合的耦合端口，所述四个第二金属极板形成与量子比特耦合的耦合端口的结构尺寸相同；
所述远距离的超导量子比特耦合结构还包括：第三金属极板和第四金属极板，所述两个超导量子比特单元中相对设置的耦合端口通过所述第三金属极板相互连接，且与所述第四金属极板形成耦合器的电容器版图结构，所述第四金属极板与所述第三金属极板耦合部分的金属段垂直于所述第三金属极板，所述耦合器用于耦合所述两个超导量子比特单元中的两个量子比特；
其中，所述两个超导量子比特单元中两个量子比特的几何中心间隔在第一取值范围内，所述第一取值范围为：以2020um为中心正负偏离第一预设值的取值范围。
2.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，两个所述第一金属极板中朝不同方向设置的两个端部之间的总长度在第二取值范围内，所述第二取值范围为：以800um为中心正负偏离第二预设值的取值范围。
3.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第一金属极板包括依次相互连接的第一金属段、第二金属段和第三金属段，所述第一金属段与所述第二金属段之间夹角设置，所述第一金属段和所述第三金属段之间垂直设置。
4.根据权利要求3所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第一金属段、所述第二金属段和所述第三金属段的宽度相同，且均在第三取值范围内，所述第三取值范围为：以30um为中心正负偏离第三预设值的取值范围。
5.根据权利要求3所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，一个所述第一金属极板中的第二金属段和另一个所述第一金属极板中的第二金属段平行设置，且不同第二金属段之间的间隔在第四取值范围内，所述第四取值范围为：以20um为中心正负偏离第四预设值的取值范围。
6.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，相互连接的两个耦合端口和所述第三金属极板的总长度在第五取值范围内，所述第五取值范围为：以1500um为中心正负偏离第五预设值的取值范围。
7.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第二金属极板包括依次相互连接的第四金属段、第五金属段和第六金属段，所述第四金属段、所述第五金属段和所述第六金属段的宽度相同，且均在第六取值范围内，所述第六取值范围为：以40um为中心正负偏离第六预设值的取值范围，所述第四金属段和所述第六金属段的长度均在第七取值范围内，所述第七取值范围为：以190um为中心正负偏离第七预设值的取值范围。
8.根据权利要求7所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第四金属段和所述第六金属段分别与所述第一金属极板之间的间隔均在第八取值范围内，所述第八取值范围为：以10um为中心正负偏离第八预设值的取值范围，所述第五金属段与所述第一金属极板之间的间隔在第九取值范围内，所述第九取值范围为：以10um为中心正负偏离第九预设值的取值范围。
9.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第三金属极板的宽度在第十取值范围内，所述第十取值范围为：以10um为中心正负偏离第十预设值的取值范围。
10.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述耦合部分的金属段与所述第三金属极板之间的间隔在第十一取值范围内，所述第十一取值范围为：以20um为中心正负偏离第十一预设值的取值范围。
11.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第四金属极板包括依次相互连接的第七金属段、第八金属段、第九金属段、第十金属段、第十一金属段、第十二金属段和第十三金属段，所述第七金属段为所述耦合部分的金属段，所述第九金属段、所述第十一金属段和所述第十三金属段分别与所述第三金属极板平行设置，所述第八金属段为四分之一圆的弧形形状，所述第七金属段通过所述第八金属段转弯连接所述第九金属段，所述第十金属段和所述第十二金属段为半圆形状，所述第九金属段通过所述第十金属段向偏离所述第三金属极板的方向连接所述第十一金属段，所述第十一金属段通过所述第十二金属段向靠近所述第三金属极板的方向连接所述第十三金属段。
12.根据权利要求11所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，第七金属段、第八金属段、第九金属段、第十金属段、第十一金属段、第十二金属段和第十三金属段的宽度均在第十二取值范围内，所述第十二取值范围为：以20um为中心正负偏离第十二预设值的取值范围，所述第七金属段的长度在第十三取值范围内，所述第十三取值范围为：以120um为中心正负偏离第十三预设值的取值范围，所述第八金属段、所述第十金属段和所述第十二金属段的外圆半径均在第十四取值范围内，所述第十四取值范围为：以40um为中心正负偏离第十四预设值的取值范围，所述第九金属段和所述第十三金属段的长度均在第十五取值范围内，所述第十五取值范围为：以670um为中心正负偏离第十五预设值的取值范围，所述第十一金属段的长度在第十六取值范围内，所述第十六取值范围为：以1400um为中心正负偏离第十六预设值的取值范围。
13.根据权利要求7所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，在设置所述两个超导量子比特单元、第三金属极板和第四金属极板的超导金属层面上还设有接地金属板，所述接地金属板包围刻蚀在所述超导金属层面上的各个金属极板，所述第一金属极板与所述接地金属板的间隙在第十七取值范围内，所述第十七取值范围为：以5um为中心正负偏离第十七预设值的取值范围。
14.根据权利要求13所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第二金属极板和所述第三金属极板分别与所述接地金属板之间的间隙均在第十八取值范围内，所述第十八取值范围为：以50um为中心正负偏离第十八预设值的取值范围。
15.根据权利要求13所述的远距离的超导量子比特耦合结构，其中，所述第四金属极板与所述接地金属板之间的间隙在第十九取值范围内，所述第十九取值范围为：以5um为中心正负偏离第十九预设值的取值范围。
16.根据权利要求1所述的远距离的超导量子比特耦合结构，还包括：两个第一超导量子干涉仪、第二超导量子干涉仪；
其中，一个所述第一超导量子干涉仪连接在一个所述超导量子比特单元中的两个所述第一金属极板之间，所述第二超导干涉仪连接在所述耦合部分的金属段与所述第三金属极板之间。
17.一种超导量子芯片，包括如权利要求1至16中任一项所述的远距离的超导量子比特耦合结构。
18.根据权利要求17所述的超导量子芯片，其中，所述超导量子芯片包括呈阵列分布的至少三个超导量子比特单元，所述至少三个超导量子比特单元中相邻两个超导量子比特单元形成所述超导量子比特耦合结构。
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