CN117131949A - 一种超导读出放大复用电路及超导量子测试系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超导读出放大复用电路及超导量子测试系统，本申请实施例中的超导读出放大复用电路，通过超导量子控制复用模块实现了对读出电路的输入微波线进行复用，通过对多个多级量子放大模块的输出信号合并实现了对读出电路的输出微波线进行了复用。即，对从读出电路进入量子处理器的输入微波线进行了复用，同时也对从量子处理器输出至读出放大电路的输出微波线也进行了复用，极大地减少了量子计算机中整个读出电路中的微波线数量，减轻了稀释制冷机的负担，有利于超导量子计算机的规模化发展。
Description
技术领域
本申请涉及但不限于量子计算技术领域，尤指一种超导读出放大复用电路及超导量子测试系统。
背景技术
随着超导量子计算机的规模化发展，量子处理器中的量子比特的数目变得日益巨大，这样，在读出电路中，所需的输入和输出微波线数量也会随之等比例增加，使得稀释制冷机内部低温区的测试系统空间、功耗、热负载难以承受，给稀释制冷机造成很大的制冷负担，而且不利于超导量子计算机的规模化发展。
发明内容
本申请提供一种超导读出放大复用电路及超导量子测试系统，能够减轻稀释制冷机的负担，有利于超导量子计算机的规模化发展。
本发明实施例提供了一种超导读出放大复用电路，包括：集成在一颗芯片上的一超导量子控制复用模块，(N-1)个多级量子放大模块，N为正整数，N≥3；其中，
超导量子控制复用模块是一个N端口器件，一端口接收来自一微波控制线的不同频率的输入信号，分频后分别从(N-1)个端口传输至超导量子处理器；
每个多级量子放大模块是一个两端口器件，对来自量子处理器的信号进行放大后输出；(N-1)个多级量子放大模块的输出信号合并后作为超导读出放大复用电路的输出信号输出。
在一种示例性实例中，还包括：串接在超导读出放大复用电路的输入端和输出端上的外围器件。
在一种示例性实例中，所述外围电路包括：衰减器、滤波器。
在一种示例性实例中，所述多级量子放大模块对信号的放大包括两级或两级以上放大。
在一种示例性实例中，所述N等于5。
在一种示例性实例中，所述多级量子放大模块包括两个以上；
所述多级量子放大模块两两成为一组，分别采用合路器对放大后的信号进行所述合并。
在一种示例性实例中，所述超导量子控制复用模块为超导量子控制复用微波器件，包括：集成在一颗芯片上的两个以上滤波器、两个以上隔离器、两个以上电容，以及两条偏置线电路；其中，
滤波器，用于过滤来自一条微波控制线的不同频率的输入信号，将输入信号进行分频至不同的通道中；
隔离器，用于将来自滤波器的信号进行转换后输出，隔离器为二端口的器件，其中，一个端口为输入端口，一个端口为输出端口；
电容，设置在隔离器中，通过调节电容的电容值大小可以调节隔离器的中心工作频率；
偏置线电路，用于调节隔离器所处的偏置磁场。
在一种示例性实例中，所述多级量子放大模块为具有非互易性的片上量子放大器，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口包括至少两个，用于连接负载；
其中，负载包括非反射型量子放大器、反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为非反射型量子放大器或反射型量子放大器。
在一种示例性实例中，所述多级量子放大模块为具有强隔离功能的片上量子放大器，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、两个以上隔离器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口包括至少两个，用于连接负载；
隔离器为二端口的器件，其中一个端口用于级联环行器或隔离器，其中一个端口用于作为片上量子放大器的一个输入/输出端口或者用于级联隔离器或环行器，隔离器用于对输入信号进行转换输出；
其中，负载包括非反射型量子放大器、反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为非反射型量子放大器或反射型量子放大器.
本申请实施例还提供一种超导量子测试系统，包括：室温读出电路、处理电路、超导量子处理器，以及M个权利要求1～9任一项所述的超导读出放大复用电路，M为正整数，M≥1；其中，
室温控制电路，输出信号至处理电路；接收来自超导读出放大复用电路的一路通道输出信号；
处理电路，对来自室温控制电路的输出信号进行衰减、滤波处理后输送至超导读出放大复用电路；
超导读出放大复用电路中的超导量子控制复用模块，将接收到的1路信号分频传输至(N-1)路通道，并传输到超导量子处理器；超导读出放大复用电路中的多级量子放大模块分别与超导量子处理器的每一串读出传输线的输出端连接，信号经过(N-1)路多级量子放大器模块通道放大后，合并成一路通道输出至室温控制电路；
超导量子处理器的每一串读出传输线的输入端与超导读出放大复用电路的(N-1)路通道分别相连；来自超导读出放大复用电路的(N-1)路通道的信号经预设数量个量子比特的读出谐振器耦合后从每一串读出传输线的输出端分别输出至超导读出放大复用电路。
本申请实施例提供的超导读出放大复用电路，通过超导量子控制复用模块实现了对读出电路的输入微波线进行复用，通过对多个多级量子放大模块的输出信号合并实现了对读出电路的输出微波线进行了复用。即，对从读出电路进入量子处理器的输入微波线进行了复用，同时也对从量子处理器输出至读出放大电路的输出微波线也进行了复用，极大地减少了量子计算机中整个读出电路中的微波线数量，减轻了稀释制冷机的负担，有利于超导量子计算机的规模化发展。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例中超导读出放大复用电路的组成结构示意图；
图2为本申请实施例中超导读出放大复用电路的组成结构示意图；
图3为本申请实施例中超导量子控制复用模块的组成结构示意图；
图4(a)为本申请实施例中多级量子放大器的一种实施例的组成结构示意图；
图4(b)为本申请实施例中多级量子放大器的另一种实施例的组成结构示意图；
图5为本申请实施例中多级量子放大器的又一种实施例的组成结构示意图；
图6为本申请实施例中超导量子测试系统的组成结构示意图；
图7为本申请实施例中超导量子测试系统的一实例的组成结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
为了减轻稀释制冷机的负担，有利于超导量子计算机的规模化发展，本申请实施例提供一种超导读出放大复用(MRA，Multiplexing Readout Amplification)电路，将控制复用模块和多级量子放大模块集成在一个芯片上，作为量子测试系统的读出电路。
图1为本申请实施例中超导读出放大复用电路的组成结构示意图，如图1所示，包括：集成在一颗芯片上的一超导量子控制复用模块，(N-1)个多级量子放大模块，N为正整数，N≥3；其中，
超导量子控制复用模块是一个N端口器件，一端口接收来自一微波控制线的不同频率的输入信号，分频后分别从(N-1)个端口传输至超导量子处理器；
每个多级量子放大模块是一个两端口器件，对来自量子处理器的信号进行放大后输出；(N-1)个多级量子放大模块的输出信号合并后作为超导读出放大复用电路的输出信号输出。
本申请实施例提供的超导读出放大复用电路，通过超导量子控制复用模块实现了对读出电路的输入微波线进行复用，通过对多个多级量子放大模块的输出信号合并实现了对读出电路的输出微波线进行了复用。即，对从读出电路进入量子处理器的输入微波线进行了复用，同时也对从量子处理器输出至读出放大电路的输出微波线也进行了复用，极大地减少了量子计算机中整个读出电路中的微波线数量，减轻了稀释制冷机的负担，有利于超导量子计算机的规模化发展。
在一种示例性实例中，超导量子控制复用模块是一个N端口的片上器件，按照1：(N-1)的复用比，将从MRA中的一路输入信号精准分频至(N-1)路通道中，一一对应输送至超导量子处理器中，这样，实现了对读出电路的输入微波线进行复用；在一种示例性实例中，多级量子放大模块包括(N-1)个，按照1：(N-1)的复用比，将从量子处理器输出至MRA的(N-1)路通道中的信号进行放大后合并从一路通道输出，实现了对MRA的输出微波线进行复用。
在一种实施例中，多级量子放大模块对信号的放大可以包括两级放大，也可以包括两级以上放大。
在一种示例性实例中，超导读出放大复用电路还包括外围器件，比如衰减器、滤波器等，串接在超导读出放大复用电路的输入端和输出端上(图中未示出)。
图2为本申请实施例中一种复用比为1：4的超导读出放大复用电路的组成结构示意图，如图2所示，包括：集成在一颗芯片上的一超导量子控制复用模块，4个多级量子放大模块；其中，
超导量子控制复用模块是一个5端口器件，一端口接收来自一微波控制线的不同频率的输入信号，分频后分别从4个端口传输至超导量子处理器。本实施例中，超导量子控制复用模块按照1：4的复用比，将从读出电路中的一路输入信号精准分频至4路通道中，一一对应输送至超导量子处理器中，这样，实现了对读出电路的输入微波线进行复用。
每个多级量子放大模块是一个两端口的片上模块，用于对来自量子处理器的信号进行放大后输出；4个多级量子放大模块的输出信号合并后作为超导读出放大复用电路的输出信号输出。本实施例中，多级量子放大模块按照1：4的复用比，将从量子处理器输出至读出放大电路4路通道中的信号进行放大后合并从一路通道输出，对读出电路的输出微波线进行复用。
在一种实施例中，如图2所示，多级量子放大模块两两成为一组，分别采用合路器(图中未示出)对放大后的信号进行合并。
在一种示例性实例中，如图1所示，在超导量子控制复用模块的五个端口的输入端口上，以及在每个多级量子放大模块的输出端口上，分别还串接有外围器件，比如衰减器、滤波器等(图中未示出)。
在一种示例性实例中，如图3所示，超导量子控制复用模块是芯片级器件，比如可以为超导量子控制复用微波器件，比如包括：集成在一颗芯片上的两个以上滤波器(如图3中的第一滤波器、第二滤波器、…第N滤波器，N大于或等于2)、两个以上隔离器(如图3中的第一隔离器、第二隔离器、…第N隔离器)、两个以上电容(如图3中的第一电容、第二电容、…第N电容)，以及两条偏置线电路；其中，
滤波器，用于过滤来自一条微波控制线的不同频率的输入信号，将输入信号进行分频至不同的通道中；
隔离器，用于将来自滤波器的信号进行转换后输出(如图3中的第一输出信号、第二输出信号、…第N输出信号)，隔离器为二端口的器件，其中，两个端口阻抗匹配负载，分别连接预设阻值的电阻，一个端口为输入端口，一个端口为输出端口；在一种实施例中，可以将隔离器看成为两个端口与预设阻值的电阻连接的四端口的片上超导环行器；
电容，设置在隔离器中，通过调节电容的电容值大小可以调节隔离器的中心工作频率；
偏置线电路，用于调节隔离器所处的偏置磁场。
采用本申请实施例提供的超导量子控制复用模块，一条微波控制线中有多个频率，通过各个滤波器将不同频率的信号分开，实现了一条微波控制线控制多个量子比特，也就是实现了对一条微波控制线的复用。需要说明的是，图2所示超导量子控制复用微波器件仅是一种实现方式，并不用于限定本申请的保护范围，只要是芯片级的控制复用器都适用于本申请超导读出放大复用电路的实现。
在一种示例性实例中，如图4(a)、图4(b)所示，多级量子放大模块可以为具有非互易性的片上量子放大器(如反射型量子放大器或非反射型量子放大器)，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口包括至少两个，用于连接负载；
其中，负载包括非反射型量子放大器、反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为非反射型量子放大器或反射型量子放大器。
图4(a)、图4(b)所示的片上量子放大器(QA，Quantum Amplifier)是一个两端口器件，第一个环行器的输入端口为QA的输入端口，最后一个环行器的输出端口为QA的输出端口。4(a)、图4(b)所示的片上量子放大器具有非互易性的片上非反射型量子放大器、为具有隔离功能和放大功能的两端口片上器件，体积小、耗散低，具有非互易性，本实施例中的片上量子放大器实现了将输入信号和输出信号隔离开来，防止了信号反射对量子芯片造成干扰。本实施例中的片上量子放大器能与超导电路集成，非常有利于超导量子计算机的规模化发展。需要说明的是，图4(a)、图4(b)所示量子放大器仅是一种实现方式，并不用于限定本申请的保护范围，只要是芯片级的量子放大器都适用于本申请超导读出放大复用电路的实现。
在一种示例性实例中，如图5所示，多级量子放大模块可以为具有强隔离功能的片上量子放大器(如反射型量子放大器或非反射型量子放大器)，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、两个以上隔离器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口包括至少两个，用于连接负载；
隔离器为二端口的器件，其中一个端口用于级联环行器或隔离器，其中一个端口用于作为片上量子放大器的一个输入/输出端口或者用于级联隔离器或环行器，隔离器用于对输入信号进行转换输出；
其中，负载包括非反射型量子放大器、反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为非反射型量子放大器或反射型量子放大器。
图5所示的片上量子放大器为具有强隔离功能、环行功能和放大功能的两端口片上器件，体积小、耗散低，具有非互易性。本实施例中的具有强隔离功能的片上量子放大器，不仅增加了放大器的增益带宽积，还具有强隔离功能，同时可取代高电子迁移率晶体管(HEMT，High-Electron Mobility Transistor)，极大的降低了超导量子计算机及其测试系统的成本。本实施例中的具有强隔离功能的片上量子放大器能与量子芯片直接相连，保护量子芯片免受后续电路的反作用干扰。基于本实施例中的具有强隔离功能的片上量子放大器，有利于超导量子计算机的规模化发展。需要说明的是，图4所示量子放大器仅是一种实现方式，并不用于限定本申请的保护范围，只要是芯片级的量子放大器都适用于本申请超导读出放大复用电路的实现。
图6为本申请实施例中超导量子测试系统的组成结构示意图，如图6所示，包括：室温读出电路、处理电路、超导量子处理器，以及M个上述任一项所述的超导读出放大复用电路，M为正整数，M≥1；其中，
室温控制电路，输出信号至处理电路；接收来自超导读出放大复用电路的一路通道输出信号；
处理电路，对来自室温控制电路的输出信号进行衰减、滤波等处理后输送至超导读出放大复用电路；
超导读出放大复用电路包括超导量子控制复用模块及多级量子放大模块，超导量子控制复用模块，将接收到的1路信号分频传输至(N-1)路通道，并传输到超导量子处理器；多级量子放大模块分别与超导量子处理器的每一串读出传输线的输出端连接，信号经过(N-1)路多级量子放大器模块通道放大后，合并成一路通道输出至室温控制电路；
超导量子处理器的每一串读出传输线的输入端与超导读出放大复用电路的(N-1)路通道分别相连；来自超导读出放大复用电路的(N-1)路通道的信号经预设数量(如8)个量子比特(qubits)的读出谐振器耦合后从每一串读出传输线的输出端分别输出至超导读出放大复用电路。
在一种示例性实例中，处理电路可以包括如衰减器、滤波器等器件。
在一种示例性实例中，N可以等于M，N也可以不等于M。
本申请实施例通过超导读出放大复用电路与超导量子处理器直接相连组成超导量子测试系统，保护了量子芯片不被干扰，大大简化了超导量子测试系统，有利于超导量子计算电路的规模化发展。
图7为本申请实施例中超导MRA芯片用于超导量子测试系统中的实例的组成结构简化示意图，图7中，滤波器，衰减器等外围器件设置在通往超导量子控制复用模块的微波线上，本实施例中，考虑到采用了多级量子放大模块，可以将读出输出端的微波线上的外围器件省略。图7中以M＝1，N＝5为例进行说明，本实施例中，超导读出放大复用电路中的超导量子控制复用模块的复用比是1：4，超导读出放大复用电路中的多级量子放大模块的复用比是1：4。如图7所示，本实施例中以每一串读出传输线与8个qubits的读出谐振器耦合为例，工作原理大致如下：
从室温控制电路中输出的信号经过衰减器、滤波器等一系列器件到达超导读出放大复用电路中的超导量子控制复用模块，超导量子控制复用模块与一根微波线相连，通过该微波线接收到的来自室温控制电路的1路通道信号，经超导量子控制复用模块分频后传输至4路通道，每个通道与超导量子处理器中的每一串读出传输线的输入端相连，每一串读出传输线与8个qubits的读出谐振器耦合；之后，信号从每一串读出传输线的输出端再次分别输出至超导读出放大复用电路中的多级量子放大模块中，超导量子处理器中的每一串读出传输线的输出端与多级量子放大器分别相连。信号经过4路多级量子放大器模块放大后，合并成1路通道的信号输出至室温控制电路中。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种超导读出放大复用电路，包括：集成在一颗芯片上的一超导量子控制复用模块，(N-1)个多级量子放大模块，N为正整数，N≥3；其中，
超导量子控制复用模块是一个N端口器件，一端口接收来自一微波控制线的不同频率的输入信号，分频后分别从(N-1)个端口传输至超导量子处理器；
每个多级量子放大模块是一个两端口器件，对来自量子处理器的信号进行放大后输出；(N-1)个多级量子放大模块的输出信号合并后作为超导读出放大复用电路的输出信号输出。
2.根据权利要求1所述的超导读出放大复用电路，还包括：串接在超导读出放大复用电路的输入端和输出端上的外围器件。
3.根据权利要求2所述的超导读出放大复用电路，其中，所述外围电路包括：衰减器、滤波器。
4.根据权利要求1或2所述的超导读出放大复用电路，其中，所述多级量子放大模块对信号的放大包括两级或两级以上放大。
5.根据权利要求1或2所述的超导读出放大复用电路，其中，所述N等于5。
6.根据权利要求1或2所述的超导读出放大复用电路，其中，所述多级量子放大模块包括两个以上；
所述多级量子放大模块两两成为一组，分别采用合路器对放大后的信号进行所述合并。
7.根据权利要求1或2所述的超导读出放大复用电路，其中，所述超导量子控制复用模块为超导量子控制复用微波器件，包括：集成在一颗芯片上的两个以上滤波器、两个以上隔离器、两个以上电容，以及两条偏置线电路；其中，
滤波器，用于过滤来自一条微波控制线的不同频率的输入信号，将输入信号进行分频至不同的通道中；
隔离器，用于将来自滤波器的信号进行转换后输出，隔离器为二端口的器件，其中，一个端口为输入端口，一个端口为输出端口；
电容，设置在隔离器中，通过调节电容的电容值大小可以调节隔离器的中心工作频率；
偏置线电路，用于调节隔离器所处的偏置磁场。
8.根据权利要求1或2所述的超导读出放大复用电路，其中，所述多级量子放大模块为具有非互易性的片上量子放大器，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口包括至少两个，用于连接负载；
其中，负载包括非反射型量子放大器、反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为非反射型量子放大器或反射型量子放大器。
9.根据权利要求1或2所述的超导读出放大复用电路，其中，所述多级量子放大模块为具有强隔离功能的片上量子放大器，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、两个以上隔离器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口包括至少两个，用于连接负载；
隔离器为二端口的器件，其中一个端口用于级联环行器或隔离器，其中一个端口用于作为片上量子放大器的一个输入/输出端口或者用于级联隔离器或环行器，隔离器用于对输入信号进行转换输出；
其中，负载包括非反射型量子放大器、反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为非反射型量子放大器或反射型量子放大器。
10.一种超导量子测试系统，包括：室温读出电路、处理电路、超导量子处理器，以及M个权利要求1～9任一项所述的超导读出放大复用电路，M为正整数，M≥1；其中，
室温控制电路，输出信号至处理电路；接收来自超导读出放大复用电路的一路通道输出信号；
处理电路，对来自室温控制电路的输出信号进行衰减、滤波处理后输送至超导读出放大复用电路；
超导读出放大复用电路中的超导量子控制复用模块，将接收到的1路信号分频传输至(N-1)路通道，并传输到超导量子处理器；超导读出放大复用电路中的多级量子放大模块分别与超导量子处理器的每一串读出传输线的输出端连接，信号经过(N-1)路多级量子放大器模块通道放大后，合并成一路通道输出至室温控制电路；
超导量子处理器的每一串读出传输线的输入端与超导读出放大复用电路的(N-1)路通道分别相连；来自超导读出放大复用电路的(N-1)路通道的信号经预设数量个量子比特的读出谐振器耦合后从每一串读出传输线的输出端分别输出至超导读出放大复用电路。
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| CN202210548028.3A CN117131949A (zh) | 2022-05-18 | 2022-05-18 | 一种超导读出放大复用电路及超导量子测试系统 |
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2022
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