CN116887663A - 一种超导量子电路及超导量子器件 - Google Patents

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辜刚旭
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Abstract

本发明公开了一种超导量子电路及超导量子器件，应用于超导量子技术领域，包括量子比特，量子比特包括半导体约瑟夫森结和栅电极；半导体约瑟夫森结包括相对设置的两层超导层，以及位于两层超导层之间的半导体层，栅电极与半导体层形成电容以电连接；栅电极用于向半导体约瑟夫森结传输电压控制信号，以调控所述量子比特的频率。使用半导体层替换传统的绝缘层制成半导体约瑟夫森结，通过设置的栅极便可利用电压调控半导体约瑟夫森结的超导电流大小，从而实现电压对量子比特频率的调控。

Description

一种超导量子电路及超导量子器件
技术领域
本发明涉及超导量子技术领域，特别是涉及一种超导量子电路以及一种超导量子器件。
背景技术
电路量子电动力学(Circuit QED)系统凭借其灵活的可操作性以及可扩展性已成为当下实现量子计算的最主流的实验方案，近年来在量子计算领域得到了广泛的关注和研究。目前超导量子计算采用的方案通常是一端接地的电容串联一个非对称的超导量子干涉仪构成量子比特电路，并通过Z控制信号线施加与量子比特耦合的磁通信号进行对量子比特频率的调制。
但是在现有技术中，超导量子比特使用磁通调控这一种实现量子比特调控的方法存在以下几个缺点：第一、对环境敏感：磁通调控的信号对环境的磁场干扰比较敏感，需要进行各种复杂的磁屏蔽和校准等措施。第二、对量子比特的影响：磁通的稳定性会对量子比特耗散过程产生影响，进而制约量子比特的退相干时间。第三、限制了量子比特的数量：磁通调控容易引起对周围其他比特的串扰，进而限制了比特规模化的发展。所以如何提供一种非磁通调控的超导量子比特是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种超导量子电路，可以通过电场对量子比特进行调控；本发明的另一目的在于提供一种超导量子器件，可以通过电场对量子比特进行调控。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超导量子电路，包括量子比特，所述量子比特包括半导体约瑟夫森结和栅电极；
所述半导体约瑟夫森结包括相对设置的两层超导层，以及位于两层所述超导层之间的半导体层，所述栅电极与所述半导体层形成电容以电连接；
所述栅电极用于向所述半导体约瑟夫森结传输电压控制信号，以调控所述量子比特的频率。
可选的，所述栅电极还用于向所述半导体约瑟夫森结传输xy控制信号和z控制信号。
可选的，所述栅电极连接有一根控制线，以通过同一根所述控制线向所述半导体约瑟夫森结传输xy控制信号和z控制信号。
可选的，所述z控制信号为电压脉冲信号。
可选的，所述xy控制信号为微波控制信号。
可选的，所述栅电极与所述半导体层之间形成有间隙。
可选的，所述栅电极与所述半导体层之间设置有绝缘层。
可选的，还包括读取谐振腔电路，所述读取谐振腔电路与所述量子比特耦合。
可选的，还包括与所述量子比特相连接的耦合模块，所述耦合模块用于耦合相邻的所述量子比特。
本发明还提供了一种超导量子器件，包括如上述任一项所述的超导量子电路。
本发明所提供的一种超导量子电路，包括量子比特，量子比特包括半导体约瑟夫森结和栅电极；半导体约瑟夫森结包括相对设置的两层超导层，以及位于两层超导层之间的半导体层，栅电极与半导体层形成电容以电连接；栅电极用于向半导体约瑟夫森结传输电压控制信号，以调控所述量子比特的频率。
使用半导体层替换传统的绝缘层制成半导体约瑟夫森结，通过设置的栅极便可利用电压调控半导体约瑟夫森结的超导电流大小，从而实现电压对量子比特频率的调控。
本发明还提供了一种超导量子器件，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明实施例所提供的一种超导量子电路的结构示意图；
图2为图1中半导体约瑟夫森结的结构示意图；
图3为图1中量子比特z门操作时序图；
图4为有限元动态分析量子比特和谐振腔耦合强度随着约瑟夫森结电感大小的变化图；
图5为有限元动态分析量子比特充电能随着约瑟夫森结电感大小的变化图；
图6为有限元动态分析量子比特色散位移大小随着约瑟夫森结电感大小的变化图；
图7为有限元动态分析量子比特和谐振腔频率随着约瑟夫森结电感大小的变化图。
图中：1.量子比特、11.半导体约瑟夫森结、12.控制线、111.超导层、112.半导体层、113.栅电极、2.读取谐振腔电路、3.耦合模块。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种超导量子电路。在现有技术中，目前超导量子计算采用的方案通常是一端接地的电容串联一个非对称的超导量子干涉仪构成量子比特电路，并通过Z控制信号线施加与量子比特耦合的磁通信号进行对量子比特频率的调制。
而本发明所提供的一种超导量子电路，包括量子比特，量子比特包括半导体约瑟夫森结和栅电极；半导体约瑟夫森结包括相对设置的两层超导层，以及位于两层超导层之间的半导体层，栅电极与半导体层形成电容以电连接；栅电极用于向半导体约瑟夫森结传输电压控制信号，以调控量子比特的频率。
使用半导体层替换传统的绝缘层制成半导体约瑟夫森结，通过设置的栅极便可利用电压调控半导体约瑟夫森结的超导电流大小，从而实现电压对量子比特频率的调控。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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。
请参考图1、图2、图3，图1为本发明实施例所提供的一种超导量子电路的结构示意图；图2为图1中半导体约瑟夫森结的结构示意图；图3为图1中量子比特z门操作时序图。
参见图1以及图2，在本发明实施例中，超导量子电路包括量子比特1，所述量子比特1包括半导体约瑟夫森结11和栅电极113；所述半导体约瑟夫森结11包括相对设置的两层超导层111，以及位于两层所述超导层111之间的半导体层112，所述栅电极113与所述半导体层112形成电容以电连接；所述栅电极113用于向所述半导体约瑟夫森结11传输电压控制信号，以调控所述量子比特1的频率。
上述约瑟夫森结通常需要并联有一端接地的电容形成量子比特1，除了约瑟夫森结的具体结构之外，该量子比特1的结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
在本实施例中所使用的约瑟夫森结具体为半导体约瑟夫森结11，该半导体约瑟夫森结11包括相对设置的两层超导层111，以及位于两层超导层111之间的半导体层112，形成超导层111-半导体层112-超导层111的结构。相对于传统的铝结，本实施例将绝缘层替换成了半导体层112。在此基础上，本申请还额外设置有栅电极113，该栅电极113需要与上述半导体层112形成电容，从而电连接，通过该栅电极113可以对半导体约瑟夫森结11施加电压，从而实现对半导体约瑟夫森结11的调控。
具体的，基于上述半导体层112，通过栅极对半导体层112施加电压可以调控半导体约瑟夫森结11的超导电流大小，由于半导体约瑟夫森结11的约瑟夫森能为，其中/>为普朗克常量，/>是超导电流的大小，通过调控半导体约瑟夫森结11的超导电流大小，可以实现对约瑟夫森能的调控，进而实现对量子比特1频率的调控。量子比特1的频率为， 其中EJ为约瑟夫森能，EC为充电能，即本实施例可以通过对半导体约瑟夫森结11施加电压的调控，实现对其量子比特1频率的调控。
在本实施例中由于栅电极113与半导体层112形成电容以电连接，因此可以通过该栅电极113对半导体约瑟夫森结11施压电压信号，以对其量子比特1频率进行调控。相应的在本实施例中所述栅电极113还用于向所述半导体约瑟夫森结11传输电压控制信号，以调控所述量子比特1的频率。该电压控制信号即用于基于上述原理对量子比特1的频率进行调控的电压信号。
进一步的，在本实施例中所述栅电极113还用于向所述半导体约瑟夫森结11传输xy控制信号和z控制信号。对于实现量子比特1z门操作的z控制信号，在本实施例中可以通过栅电极113对半导体约瑟夫森结11施加电压脉冲来实现对量子比特1的Z门操作。具体的，请参考图3，通过栅电极113施加电压的改变(ΔVG)，进而引起量子比特1频率的改变可以带来绕Z轴的相位积累Rz θ，如此按上图3时序便可以实现Z门操作。该图3中VG为栅电极113施加的电压，ΔVG为栅电极113施加电压的改变量，τ为弛豫时间，Rz θ为绕Z轴的相位积累，fc为读取谐振腔的频率，其在信息读出时会发生振荡，通常在5GHz-8GHz之间；fQ为量子比特的频率，该频率可调；Rx π/2表征绕x轴转π/2相位。因此在本实施例中可以通过栅极对半导体约瑟夫森结11传输z控制信号实现量子比特1z门操作，具体的该z控制信号具体可以为电压脉冲信号。
上述栅电极113还可以向半导体约瑟夫森结11传输xy控制信号，该xy控制信号即用于实现对量子比特1的x门操作以及y门操作的信号，该xy控制信号具体可以为微波控制信号，其也可以通过上述栅电极113作用于半导体约瑟夫森结11，实现本实施例中栅电极113还用于向半导体约瑟夫森结11传输xy控制信号和z控制信号的效果。在本实施例中通过栅电极113施加电压脉冲可实现对量子比特1的Z门操作，结合XY微波脉冲调控进而实现对量子比特1的任意门操作。
具体的，在本实施例中所述栅电极113连接有一根控制线12，以通过同一根所述控制线12向所述半导体约瑟夫森结11传输xy控制信号和z控制信号。即在本实施例中可以仅设置一根控制线12，该控制线12即可以向半导体约瑟夫森结11传输作为xy控制信号的微波信号，同时也可以像半导体约瑟夫森结11传输作为z控制信号的电压信号。由于本实施例中可以通过电压脉冲信号作为z控制信号，因此本实施例中xy控制信号和z控制信号可以共用一根控制线12，实现XYZ三线合一，从而可以减少一路XY微波控制线12，降低量子测控线路的复杂度，利于提高系统集成度和可控性。同时由于本实施例提供的量子比特1具有电场调控特性，有利于抑制磁场调控带来的串扰，也减弱了相应电流的加热效应，使得其在规模化方面更具优势。
本发明实施例所提供的一种超导量子电路，使用半导体层112替换传统的绝缘层制成半导体约瑟夫森结11，通过设置的栅极便可利用电压调控半导体约瑟夫森结11的超导电流大小，从而实现电压对量子比特1频率的调控。
有关本发明所提供的一种超导量子电路的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。
请参考图4、图5、图6、图7，图4为有限元动态分析量子比特和谐振腔耦合强度随着约瑟夫森结电感大小的变化图；图5为有限元动态分析量子比特充电能随着约瑟夫森结电感大小的变化图；图6为有限元动态分析量子比特色散位移大小随着约瑟夫森结电感大小的变化图；图7为有限元动态分析量子比特和谐振腔频率随着约瑟夫森结电感大小的变化图。
区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对超导量子电路的具体结构进行限定。其余内容已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
参见图1，在本发明实施例中，还包括读取谐振腔电路2，所述读取谐振腔电路2与所述量子比特1耦合。上述读取谐振腔电路2需要与上述发明实施例所提供的量子比特1耦合，以读取量子比特1中的信息。该读取谐振腔电路2的具体结构以及该读取谐振腔电路2与量子比特1具体的耦合方式可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。
在本发明实施例中，还包括与所述量子比特1相连接的耦合模块3，所述耦合模块3用于耦合相邻的所述量子比特1。在实际的超导量子电路中，通常设置有多个需要相互耦合的量子比特1。相应的在本实施例中上述耦合模块3需要与上述发明实施例所提供的量子比特1耦合连接，同时该耦合模块3会与超导量子电路中相邻的量子比特1耦合连接，从而实现量子比特1之间信号的传输。有关耦合模块3的具体结构以及该耦合模块3与量子比特1具体的耦合方式可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。
在本实施例中具体提供两种量子比特1的具体结构，具体提供两种半导体约瑟夫森结11和栅电极113的连接方式。
第一种，所述栅电极113与所述半导体层112之间形成有间隙。即在本结构中栅电极113与半导体层112不相互接触，从而在栅电极113与半导体层112之间形成电容。在实际使用过程中上述量子比特1通常需要处于真空环境，因此该结构中栅电极113与半导体层112之间形成的电容的介电常数为真空介电常数。
第二种，所述栅电极113与所述半导体层112之间设置有绝缘层。即在本结构中栅电极113与半导体层112之间通过绝缘层相互接触，在栅电极113与半导体层112之间形成电容。在该结构中栅电极113与半导体层112之间形成的电容的介电常数有绝缘层的具体材质决定。
本发明实施例对上述提供的超导量子电路进行深度仿真，优化共面波导谐振腔及量子比特1设计参数使之满足量子比特1测量要求。将约瑟夫森结视为集总电感LJ和电容CJ的并联，在仿真软件中建模并优化参数，计算各物理量随约瑟夫森电感的变化。上述设计的目的是使各物理量处于期望范围内，如非谐性α约为100MHz，EJ/EC在25左右，量子比特1和谐振腔耦合强度g取值在50MHz-100MHz之间，量子比特1频率在2GHz-8GHz之间。如此构建超导量子电路，不仅可实现电场对该量子比特1的读取和调控，同时也给研究半导体体系中潜在的安德烈夫机制等物理问题提供了新的技术手段。
参见图4、图5、图6、图7，其为本实施例所提供的超导量子电路中对应参数随约瑟夫森电感的变化，而约瑟夫森电感大小的变化可以反映出对半导体约瑟夫森结11施加电压大小的变化。从图中可以看出，本实施例中随约瑟夫森电感的变化，量子比特1和谐振腔耦合强度基本不变，其充电能也基本不变，其色散位移大小大部分的也基本不变；而谐振腔频率也基本不变，但是量子比特1的频率明显降低，表示本实施例所提供的量子比特1的频率会受到施加电压的调控。
下面对本发明实施例所提供的超导量子器件进行介绍，下文描述的超导量子器件与上文描述的超导量子电路可相互对应参照。
本实施例所提供的一种超导量子器件，包括如上述任一实施例所提供的超导量子电路。而超导量子器件中的其他结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。由于本实施例公开的超导量子器件使用了上述超导量子电路，相比现有的方案，其可以利用电场调控实现对基于半导体的量子比特1进行快速读取和调控。这种电场调控有利于抑制磁场调控带来的串扰，也减弱了相应电流的加热效应，有效避免了磁通调控的困难和缺点，使得其在规模化方面更具优势。此外，控制线12可以同时施加微波驱动，可减少一路 XY 微波控制线，降低量子比特1控制线路的复杂度，利于提高系统集成度和可控性。
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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，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。
以上对本发明所提供的一种超导量子电路以及一种超导量子器件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超导量子电路，其特征在于，包括量子比特，所述量子比特包括半导体约瑟夫森结和栅电极；
所述半导体约瑟夫森结包括相对设置的两层超导层，以及位于两层所述超导层之间的半导体层，所述栅电极与所述半导体层形成电容以电连接；
所述栅电极用于向所述半导体约瑟夫森结传输电压控制信号，以调控所述量子比特的频率。
2.根据权利要求1所述的超导量子电路，其特征在于，所述栅电极还用于向所述半导体约瑟夫森结传输xy控制信号和z控制信号。
3.根据权利要求2所述的超导量子电路，其特征在于，所述栅电极连接有一根控制线，以通过同一根所述控制线向所述半导体约瑟夫森结传输xy控制信号和z控制信号。
4.根据权利要求3所述的超导量子电路，其特征在于，所述z控制信号为电压脉冲信号。
5.根据权利要求3所述的超导量子电路，其特征在于，所述xy控制信号为微波控制信号。
6.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的超导量子电路，其特征在于，所述栅电极与所述半导体层之间形成有间隙。
7.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的超导量子电路，其特征在于，所述栅电极与所述半导体层之间设置有绝缘层。
8.根据权利要求1所述的超导量子电路，其特征在于，还包括读取谐振腔电路，所述读取谐振腔电路与所述量子比特耦合。
9.根据权利要求1所述的超导量子电路，其特征在于，还包括与所述量子比特相连接的耦合模块，所述耦合模块用于耦合相邻的所述量子比特。
10.一种超导量子器件，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项权利要求所述的超导量子电路。
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