CN215895506U

CN215895506U - 量子处理单元和量子计算机

Info

Publication number: CN215895506U
Application number: CN202121403916.3U
Authority: CN
Inventors: E·海皮佩; M·莫托宁; 于哈·哈塞尔; J·图里拉
Original assignee: IQM Finland Oy
Current assignee: IQM Finland Oy
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: JP2024502718A; US20220190027A1; CA3200097A1; IL303393A; US11778928B2; WO2022129693A1; TW202240479A; EP4012627A1; KR20230118580A; US20230371404A1; CN114626533A

Abstract

本实用新型总体上涉及量子计算领域，并且特别地涉及一种量子处理单元和量子计算机，所述量子处理单元包括基于相位偏置的线性和非线性感应能量元件的至少一个超导量子比特。跨线性和非线性感应能量元件的超导相位差例如通过外部磁场来偏置，使得线性和非线性感应能量元件的二次势能项至少部分地被抵消。在一个优选的实施例中，这种抵消是至少30％。通过这样做，可以实现高相干高非谐性超导量子比特设计。

Description

量子处理单元和量子计算机

技术领域

本实用新型总体上涉及量子计算领域。特别地，本实用新型涉及一种量子处理单元以及使用一个或多个这样的量子处理单元的量子计算机，所述量子处理单元包括基于相位偏置的线性和非线性感应能量元件的至少一个超导量子比特。

背景技术

量子计算设备(也称为量子计算机)使用量子力学现象(诸如叠加和纠缠)来解决所需的计算任务。与以位(例如“1”或“0”)形式操纵信息的传统计算机不同，量子计算机使用量子比特来操纵信息。量子比特不仅可以指量子信息的基本单位，而且可以指用于存储信息的一个或多个量子比特(例如，“0”和“1”的叠加)的量子设备。

可以基于包括超导量子比特和谐振器的超导电路来实施量子计算机。存在几种类型的超导量子比特，其包括例如电荷量子比特、传输线并联等离子振荡量子比特(transmon)、持续电流通量量子比特(persistent current flux qubit)、C-shunt flux量子比特、相位量子比特、fluxonium和0π量子比特。这些量子比特类型中的每一类型都具有其优势和劣势。例如，电荷量子比特具有高非谐性，这对于快速单量子比特操作而言是最佳的，但是由于从电荷噪声引起的有害相移，它们同时遭受非常短的相干时间。由于相干性差，在现代量子计算机中未使用电荷量子比特、持续电流通量量子比特和相位量子比特。

通过fluxonium实现了超导量子比特的最长测得的弛豫和相干时间。在fluxonium中，约瑟夫逊结被具有大电感和小电容的超级电感器分流。这种电感分流使基于fluxonium的电路不受低频电荷噪声的影响。fluxonium量子比特的超导体通常通过使用约瑟夫逊结阵列来实施，或通过具有高动态电感的超导纳米线来实施。主要通过超级电感器，还可以良好地保护 fluxonium免受耦合到基于fluxonium的电路的电磁通量噪声的影响。

但是，fluxonium可能难以实施和操作。后者阻碍了它们的应用，例如，在快速和精确的量子逻辑门中。此外，所谓的重fluxonium可能需要几光子拉曼过程才能将量子比特从其基态激发到其激发态，所述重通量通过利用大的几何电容器普通的fluxonium分流来实施。0π量子比特也具有相同的缺点。

实用新型内容

提供本实用新型内容以便以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。该实用新型内容并非旨在标识本实用新型的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制本实用新型的范围。

本实用新型的目的是提供一种高相干高非谐性的超导量子比特设计。

上述目的通过所附权利要求中的独立权利要求的特征来实现。其他实施例和示例根据从属权利要求、详细描述和附图是显而易见的。

根据第一方面，提供一种量子处理单元。量子处理单元包括介电衬底和设置在介电衬底上的至少一个超导量子比特。至少一个超导量子比特中的每一个超导量子比特包括线性感应能量元件和非线性感应能量元件。线性感应能量元件是超导的。至少一个超导量子比特中的每一个超导量子比特还包括相位偏置元件，该相位偏置元件被配置为偏置跨线性感应能量元件和非线性感应能量元件的超导相位差，使得线性感应能量元件和非线性感应能量元件的二次势能项由彼此至少部分地抵消。量子处理单元的这种配置具有以下优势：

-非线性和线性感应能量元件的二次势能项的(至少部分)相互抵消可能增加超导量子比特的非谐性；以及

-通常(但可能并非总是如此)，最大的抵消可能发生在对通量不敏感的最佳位置，在该位置处超导量子比特对通量噪声引起的一阶相移不敏感。

在第一方面的一个实施例中，相位偏置元件被配置为偏置超导相位差，使得线性感应能量元件和非线性感应能量元件的二次势能项被抵消至少 30％。这种抵消可能显著增加超导量子比特的非谐性。

在第一方面的一些实施例中，线性感应能量元件包括一个或多个几何电感器，并且非线性感应能量元件包括一个或多个约瑟夫逊结或动态电感器。这可以使根据第一方面的处理单元在使用上更加灵活。

在第一方面的一个实施例中，至少一个超导量子比特中的每一个超导量子比特还包括电容性能量元件。通过使用电容性能量元件，可以修改量子比特的能量谱及其对不同噪声源的灵敏度。

在第一方面的一个实施例中，电容性能量元件包括一个或多个叉指型电容器、间隙电容器、平行板电容器或结电容器。这可以使根据第一方面的处理单元在使用上更加灵活。

在第一方面的一个实施例中，相位偏置元件被配置为通过产生磁场并使磁场穿过至少一个超导量子比特或通过向非线性感应能量元件施加预定电压来偏置超导相位差。通过这样做，可以更有效地偏置超导相位差。

在第一方面的一个实施例中，相位偏置元件包括一个或多个线圈和/或通量偏置线。通过使用线圈和/或通量线，可以提供磁通量控制。

在第一方面的一个实施例中，至少一个超导量子比特包括在介电衬底上电容地和/或电感地耦合到彼此的两个或多个超导量子比特。通过这样做，可以存储和操纵多个量子比特，从而使得根据第一方面的量子处理单元在使用上更加灵活。

在第一方面的一个实施例中，至少一个超导量子比特包括两个或多个超导量子比特。在该实施例中，量子处理单元还包括一个或多个耦合谐振器和/或可调谐耦合器，用于耦合介电衬底上的超导量子比特。通过这样做，可以存储和操纵多个量子比特，从而使得根据第一方面的量子处理单元在使用上更加灵活。

在第一方面的一个实施例中，量子处理单元还包括设置在介电衬底上的信号线。信号线被配置为(例如，从外部控制单元)向超导量子比特提供控制信号。信号线可以包括射频线，并且控制信号可以包括微波脉冲。控制信号可以允许以期望的方式控制一个或多个超导量子比特。

在第一方面的一个实施例中，量子处理单元还包括设置在介电衬底上的读出线。读出线被配置为测量一个或多个超导量子比特的状态。读出线可以经由读出谐振器耦合到超导量子比特。通过使用读出线，可以提供一个或多个超导量子比特的状态测量，从而使得根据第一方面的量子处理单元在使用中更加灵活。

在第一方面的一个实施例中，至少一个量子比特被配置为分布式元件谐振器，该分布式元件谐振器包括通过至少一个间隙隔开的至少两个导体。在该实施例中，导体中的至少一个用作线性感应能量元件，并且非线性感应能量元件包括嵌入在分布式元件谐振器中的至少一个约瑟夫逊元件。此外，相位偏置元件被配置为通过产生磁场并使得磁场穿过分布式元件谐振器的至少一个间隙来偏置超导相位差。通过这样做，可以增加超导量子比特的非谐性。

在第一方面的一个实施例中，分布式元件谐振器被配置为共面波导 (CPW)谐振器。在该实施例中，在CPW谐振器中，至少两个导体由中心超导体和通过间隙从彼此隔开的超导接地平面表示。中心超导体用作线性感应能量元件。此外，在该实施例中，至少一个约瑟夫逊结被嵌入在CPW 谐振器中，使得量子处理单元没有隔离的超导岛。通过使用这种CPW谐振器，可以获得以下优势：

-CPW谐振器的电感和电容对约瑟夫逊结分流，从而提供保护防止受到低频电荷噪声的影响；

-CPW谐振器的几何形状表现出低介电损耗；

-由于上述提供保护防止受到电荷噪声的影响，可以避免超导量子比特的严重移相，从而实现长的相干时间；

-通过使约瑟夫逊结和CPW谐振器的中心超导体的势能大致彼此相等，可以使用外部磁通量来(至少部分地)抵消超导量子比特的全部势能的二次能量项，从而导致超导量子比特的高非谐性；以及

-超导量子比特的这种配置允许在超导量子比特中嵌入相对少量(与现有技术的超导量子比特相比)的约瑟夫逊结(例如，仅单个或几个)，这使得根据第一方面的超导量子比特以及因此整个量子处理单元的制造过程相对简单且成本低。

在第一方面的一个实施例中，CPW谐振器的中心超导体具有第一和第二对相对侧。超导接地平面形成在介电衬底上，使得中心超导体在第一对相对侧上与超导接地平面通电地连接，并在第二对相对侧上通过间隙与超导接地平面隔开。超导量子比特的这种配置具有以下优势：

-谐振器的接地的(在第一对相对侧上)中心超导体确保在量子比特电路中没有隔离的超导岛，这可能会使量子比特免受低频电荷噪声的影响；

-谐振器的接地的(在第一对相对侧上)中心超导体可以将超导量子比特转换成梯度磁路，以提供保护防止受到磁通量噪声的影响，其空间尺度超过谐振器的特征宽度；

-由于提供保护防止受到磁通噪声的影响(除了防止受到电荷噪声的影响的上述保护之外)，可以更有效地避免量子比特设备严重地相移，从而实现更长的相干时间。

在第一方面的一个实施例中，接地平面包括通过中心超导体和间隙在物理上彼此分离的相对的部分。在该实施例中，相对的部分通过在间隙和中心超导体上延伸的空气桥与彼此连接。通过这样做，可以抑制谐振器的寄生槽线模式。

在第一方面的一个实施例中，一个或多个约瑟夫逊结被嵌入在CPW谐振器的中心超导体中。在该实施例中，中心超导体被用作非线性感应能量元件的一个或多个约瑟夫逊结中断，所述非线性感应能量元件增加超导量子比特的模式的非谐性。

在第一方面的一个实施例中，CPW谐振器的中心超导体具有嵌入在其中的两个约瑟夫逊结的并联连接。这可以使超导量子比特在使用中更加灵活。例如，通过这样做，可以在超导量子比特中实现超导量子干涉设备 (SQUID)环路。

在第一方面的一个实施例中，一个或多个约瑟夫逊结居中地布置在 CPW谐振器的中心超导体中。通过将一个或多个约瑟夫逊结布置在中心超导体的中间或中心，可以将超导量子比特的所述模式的非谐性至少增加2 倍。

在第一方面的一个实施例中，超导量子比特包括嵌入在CPW谐振器的中心超导体中的第一约瑟夫逊结和布置在第一约瑟夫逊结附近的一个或多个间隙中的至少一个第二约瑟夫逊结。至少一个第二约瑟夫逊结中的每一个都通过相应的间隙将中心超导体连接到超导接地平面。超导量子比特的这种配置可以允许每个模式具有更灵活的模式结构和更灵活的能量谱。

在第一方面的一个实施例中，至少一个第二约瑟夫逊结包括相对于第一约瑟夫逊结对称布置的偶数个第二约瑟夫逊结。通过这样做可以提供超导量子比特的更好的操作行为。

在第一方面的一个实施例中，CPW谐振器的中心超导体具有线性或弯曲的形状。取决于特定的应用，这可以提供超导量子比特的各种配置。

在第一方面的一个实施例中，量子处理单元还包括至少一个3D腔室。在该实施例中，具有至少一个超导量子比特的介电衬底设置在至少一个3D 腔室内。通过将超导量子比特置于至少一个3D腔室内，由于减小的表面参与率可能能够实现更长的弛豫和相干时间。

根据第二方面，提供一种量子计算机。量子计算机包括根据第一方面的至少一个量子比特设备和配置为通过使用至少一个量子处理单元来执行计算操作的控制单元。通过使用这种量子处理单元，可以提高量子计算机的效率、功能和处理速度。

通过阅读下面的详细描述并查看附图，本实用新型的其他特征和优势将是显而易见的。

附图说明

下面参考附图解释说明本实用新型，其中：

图1示出了根据第一示例性实施例的量子处理单元(quantum processing unit，QPU)的示意性俯视图；

图2示出了电路模型，其用于在图1中所示的QPU受到外部磁通量时，推导包括在QPU中的超导量子比特的哈密顿量(Hamiltonian)；

图3示出了作为外部磁通量的函数的DC约瑟夫逊相位；

图4示出了作为外部磁通量的函数的4个最低频率正常模式的频率；

图5示出了作为外部磁通量的函数的4个最低频率正常模式的非谐波；

图6示出了适于最低频率正常模式的4个最低能量状态的势能分布和基于相位的波函数；

图7示出了与最佳位置Φ_diff/Φ₀＝0.5附近的最低频率正常模式相关联的非谐和量子比特频率的特写；

图8A和图8B示出了根据第一示例性实施例的超导量子比特之间的示意性电容性(图8A)和电感性(图8B)耦合；

图9示出了根据第二示例性实施例的QPU的示意性俯视图；

图10示出了根据第三示例性实施例的QPU的示意性俯视图；以及

图11示出了根据第四示例性实施例的QPU的示意性俯视图。

具体实施方式

参考附图进一步更详细地描述本实用新型的各个实施例。然而，本实用新型可以实施为许多其他形式，并且不应被解释为限于以下描述中讨论的任何特定结构或功能。相反，提供这些实施例是为了使本实用新型的描述详细和完整。

根据详细描述，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，本实用新型的范围涵盖本文公开的本实用新型的任何实施例，无论该实施例是独立实施还是与本实用新型的任何其他实施例协同地实施。例如，通过使用本文提供的任何数量的实施例，可以在实践中实现本文公开的设备。此外，应理解的是，可以使用所附权利要求中提出的一个或多个元件来实现本实用新型的任何实施例。

词语“示例性”在本文中以“用作例证”的含义使用。除非另有说明，否则本文中描述为“示例性”的任何实施例均不应被解释为比其他实施例优选或具有优势。

为了便于根据附图描述一个元件或特征与一个或多个其他元件或特征的关系，本文可以使用任何定位术语，诸如“左”，“右”，“顶部”，“底部”，“上方”，“下方”，“上部”，“下部”等。应显而易见的是，除了附图中所描绘的一个或多个取向之外，定位术语还旨在涵盖本文所公开的设备的不同取向。作为示例，如果将图中的设备想象地顺时针旋转90度，则相对于其他元件或特征被描述为“左”和“右”的元件或特征将分别被定向在其他元件或特征的“上方”和“下方”。因此，本文中使用的定位术语不应解释为对本实用新型的任何限制。

尽管本文中可以使用诸如“第一”，“第二”之类的数字术语来描述各个实施例，但是应理解的是，这些实施例不应受到该数字术语的限制。该数字术语在本文中仅用于将一个实施例与另一实施例区分开。因此，在不脱离本实用新型的教导的情况下，下面讨论的第一实施例可以被称为第二实施例。

如本文所公开的实施例中所使用的那样，超导量子比特可以指被配置为存储一个或多个量子比特的信息(或简称为量子比特)的超导量子设备。在这个意义上讲，超导量子比特用作量子信息存储和处理设备。

根据本文公开的实施例，量子处理单元(QPU)，也称为量子处理器或量子芯片，可以涉及这样的物理(制造的)芯片，其包含至少一个超导量子比特或以某种方式互连(例如，形成量子逻辑门)的多个超导量子比特。例如，此互连可以实施为电容性和/或电感性耦合，或者其也可以通过使用任何适当的耦合器件(诸如耦合谐振器、可调谐耦合器等)来执行。QPU是量子计算设备(也称为量子计算机)的基本组件，量子计算设备可进一步包括适于QPU、控制电子器件和许多其他组件的壳体，。通常，量子计算设备可以通过使用超导量子比特来执行不同的量子比特操作，包括读取量子比特的状态、初始化量子比特的状态、以及在量子计算设备中将量子比特的状态与其他量子比特的状态纠缠在一起等。此类量子计算设备的现有实施示例包括：超导量子计算机、捕获离子量子计算机(trapped ion quantumcomputer)、基于半导体中的自旋的量子计算机、基于腔室量子电动力学的量子计算机、光学光子量子计算机、基于金刚石中的缺陷中心(defect center in diamond)的量子计算机等。

应指出的是，非谐性和相干性可以被认为是针对单个超导量子比特的两个最重要的特性。非谐性可以定义为α/(2π)＝(E₁₂-E₀₁)/h，其中E₁₂是状态1和状态2之间的能量差，E₀₁是状态0和状态1之间的能量差，以及 h是普朗克常数。在实践中，非谐性影响单个量子比特门的最短的可能持续时间，并且非谐性应足够高，以执行对非计算状态具有小泄漏误差的快速单个量子比特门。另一方面，可以用弛豫时间T₁和相干时间T₂定量地描述量子比特的相干性。通常，相干/弛豫时间与门持续时间之间的大比率是合乎需要的，因为这决定了在量子信息被丢失到环境之前可以应用的量子门的数量。

本文公开的示例性实施例提供要在QPU中使用的高相干高非谐性超导量子比特设计。通过在超导量子比特中组合相位偏置的线性和非线性感应能量元件来提供此设计。本文使用的术语“相位偏置”是指偏置跨线性和非线性感应能量元件的超导相位差。就本发明人所知，在现有技术中已知的超导量子比特中尚未使用这种相位偏置的线性和非线性感应能量元件的组合。重要的是要指出，超导相位差被偏置成使得线性和非线性感应能量元件的二次势能项彼此至少部分地抵消。下面讨论用于测量抵消的更定量的度量。在优选的实施例中，这种抵消是至少30％。

在本文公开的示例性实施例中，电路元件的超导相位差可以指的是下述物理量，其被定义为

其中，

是时间t处的超导相位差，V(t)是跨电路元件的相应的电压差，Φ₀＝h/(2e)是通量量子，e是电子电荷。注意，超导相位差通过比例变换与相应的分支通量有关。

线性感应能量元件可以由几何或线性电感器表示。在本文公开的示例性实施例中，几何或线性电感器可以指具有几何电感的超导电感器，所述几何电感可以定义为

L＝Φ/I，

其中，I表示通过电感器的电流，Φ表示由电流产生的磁通量。几何电感取决于电感器的几何形状。例如，取决于特定的应用，几何电感器可以被实施为分布式元件谐振器(特别是CPW谐振器)的中心导体、导线或线圈。

非线性感应能量元件可以由一个或多个约瑟夫逊结或动态电感器表示。在本文公开的示例性实施例中，动态电感器可以指非线性超导电感器，其电感主要由电感器中电荷载流子的惯性引起。反过来，术语“约瑟夫逊结”在本文中以其一般含义使用，并且可以指由两个超导电极制成的量子力学设备，所述两个超导电极由势垒(例如，薄绝缘隧道势垒、正常金属、半导体、铁磁体等)隔开。

现在让我们解释说明，线性和非线性感应能量元件的二次势能项的上述相互抵消如何影响超导量子比特的非谐性。假设将超导量子比特表示为简单的电路模型，该模型包括对一约瑟夫逊结(或多个约瑟夫逊结)分流的线性(几何)电感器，则该电路模型的总势能读取为：

其中，

表示跨线性电感器的超导相位差，

是线性电感器的感应能量，E_J是约瑟夫逊结的约瑟夫逊能量，以及

是约瑟夫逊结的相位偏置。注意，这种相位偏置可以例如通过穿过由约瑟夫逊结和线性电感器形成的回路的外部磁通量

来实现。在这种情况下，通量量化条件使跨线性电感器和约瑟夫逊结的超导相位差相关为：

其中，

是跨约瑟夫逊结的超导相位差，m是整数。

如果相位偏置等于

则与线性电感器和约瑟夫逊结相关联的二次势能项具有不同的符号，因此它们至少部分地彼此抵消。换言之，总势能可以近似为如下的四阶：

其中可以清楚地看到二次势能项的抵消。如果E_L≈E_J，则与二次势能项相比，四次势能项可能变大，从而导致与上述电路模型相对应的超导量子比特的高非谐性。

为了定量估计总势能U的抵消量，应注意的是，相位偏置的约瑟夫逊结的势能可以扩展为泰勒级数，为：

其中

表示相位偏置的约瑟夫逊结的势能的第k次泰勒级数系数，这允许通过使用以下比率来测量总势能U中存在的抵消效应：

其中，

表示相位偏置的约瑟夫逊结的势能的第2阶泰勒级数系数，并且β表示抵消量。至少30％的抵消意味着β≥0.3。例如，如果相位偏置等于

则E_J,2＝-E_J意味着：

Figure DEST_PATH_GDA00034403877700001010

在这种情况下，β≥0.3的要求意味着约瑟夫逊能量和感应能量必须满足

Figure DEST_PATH_GDA00034403877700001011

在一些实施例中，可以用电容性能量元件来补充上述假设的电路模型，该电容性能量元件还被布置为对约瑟夫逊结分流。这样的电容性能量元件可以被实施为一个或多个叉指型电容器(interdigitated capacitor)、间隙电容器、平行板电容器或结电容器。

在一些实施例中，可以在介电衬底上提供一个或多个超导量子比特，所述超导量子比特均由相位偏置的线性和非线性感应能量元件的组合表示。在一些实施例中，超导量子比特(与介电衬底一起)可以进一步被置于一个或多个3D腔室内。

图1示出根据第一示例性实施例的QPU 100的示意性俯视图。如图1 中所示，QPU100包括介电衬底102和设置在介电衬底102上的超导量子比特104。在第一实施例中，超导量子比特104被配置为CPW谐振器，其包括中心超导体106和超导接地平面108。超导体106在第一对相对侧(即，如图1中所示的左侧和右侧)通电地连接至超导接地平面108。同时，超导体106在第二对相对侧(即如图1中所示的顶侧和底侧)通过相等的间隙 110和112从超导接地平面108隔开。在这种情况下，超导体106用作超导量子比特104的线性感应能量元件。至于非线性感应能量元件，其由嵌入在超导体106中的单个约瑟夫逊结114表示，使得QPU 100没有超导岛。在此，超导岛可指通过隧道结与中心超导体106连接的库珀对盒(cooper-pair box)。作为另一个示例，在串联嵌入中心导体内的两个约瑟夫逊结之间形成超导岛。应注意的是，为了方便起见，图1中的QPU 100的所有构造元件都未按比例显示。此外，中心超导体106和超导接地平面108的形状也是示例性的，并且可以根据特定应用进行修改。

尽管超导量子比特104被配置为CPW谐振器，但这不应被解释为对本实用新型的任何限制。在其他实施例中，超导量子比特104可以被配置为任何类型的分布式元件谐振器(其一个示例是CPW谐振器)，或者超导量子比特104可以被配置为线性和非线性感应能量元件的任何其他组合，其配置为相位偏置的，使得它们的二次势能项至少部分被彼此抵消。

至于约瑟夫逊结114，它可以中断中心超导体106，如图1中所示。在一个实施例中，约瑟夫逊结114可以嵌入在中心超导体106中，使得在约瑟夫逊结114的两侧上流过中心超导体106的电流相等。在另一实施例中，约瑟夫逊结114居中地布置在中心超导体106中。

为了提供上述抵消，QPU 100还应包括相位偏置元件(图1中未示出)。在第一实施例中，该相位偏置元件旨在被配置为产生磁通量Φ_ext,1和Φ_ext,2，并使其穿过间隙(即，回路)110和112，从而以适当的方式提供相位偏置。由于两个平行的回路，超导量子比特104是梯度度量的，这意味着它提供保护防止受到空间尺度超过超导量子比特104宽度的磁通噪声的影响。这种相位偏置导致约瑟夫逊结114和超导体106的二次势能项至少部分相互抵消，从而改善超导量子比特104的非谐性。相位偏置元件可以包括一个或多个线圈和/或一个或多个通量偏置线，以提供磁通量控制。通量偏置线可以被实施为介电衬底102上的超导线，并且可以通过调节流经导线的电流来产生磁场。在一些其他实施例中，代替使磁场穿过间隙110和112，或除了使磁场穿过间隙110和112之外，这种相位偏置元件可以被配置为通过向约瑟夫逊结114施加合适的电压来提供相位偏置。

由于约瑟夫逊结114嵌入在CPW谐振器中，因此未形成任何隔离的超导岛，因此CPW谐振器的电感和电容对约瑟夫逊结114分流，并提供保护防止由低频电荷噪声引起的相移。由于感应分流，与通常采用的transmon 量子比特不同，超导量子比特104由于其拓扑结构而应完全不受低频电荷噪声的影响。

如图1中可以看出，超导接地平面108包括相对的上部部分108-1和下部部分108-2，它们通过中心超导体106和间隙110、112在物理上从彼此分开。在一个实施例中，这些相对的部分可以经由空气桥与彼此连接，所述空气桥在中心超导体106和间隙110、112上延伸，以便抑制CPW谐振器的寄生槽线(parasitic slot line)模式。

图2示出了电路模型200，其用于推导在QPU 100受到外部磁通量时包括在QPU 100中的超导量子比特104的哈密顿量。根据电路模型200，通过使用N个集总的元件电感器和电容器来模型化长度为2l的CPW谐振器。另外，假设约瑟夫逊结114布置在指数为J和J1的电容器202和204之间。由于两个回路的梯度度量特性，在以下计算中，外部磁通量被认为是中心超导体106的两侧上的外部磁通量的(比例)差，即Φ_diff＝(Φ_ext,2- Φ_ext,1)/2。通过使用电路模型200，可以将适于电路的经典动能项T和势能项U写为：

其中，

是以电压V_i跨第i个电容器的节点通量，Φ_diff,是跨第i个环路的外部磁通量，Δx＝2l/N是针对离散化的长度尺度，c_tot是 CPW谐振器的每单位长度的总电容，l_tot是CPW谐振器的每单位长度的总电感，E_J是约瑟夫逊能量，C_J是约瑟夫逊结114的电容，Φ₀是如上所述的磁通量子。另外，符号上的点表示时间导数。

使用拉格朗日形式，然后可以导出CPW谐振器内用于节点通量的经典运动方程。在连续极限Δx→0中，可以得到以下结果：

其中，Ψ_i→ψ(x_i)对应于在位置x_i处的节点通量的连续极限，Φ_diff,/ (sΔx)→B_diff表示有效磁场差，s是中心超导体106与超导接地平面108之间的距离。使用拉格朗日形式，人们还可以导出适于在位置

处的节点通量的边界条件，所述位置

与约瑟夫逊结114的左电极相对应：

其中，Δψ＝Ψ_J+1-Ψ_J是跨约瑟夫逊结114的分支通量，I_c＝2πE_J/Φ₀是约瑟夫逊结114的临界电流，Φ_diff＝∑_iΦ_diff,i是总外部磁通量差。在上述方程中，均质磁场的假设已用于Φ_diff,J/Δx→Φ_diff/(2l)，其中，2l是中心超导体106的长度。注意，对于约瑟夫逊结114的右电极可以导出相似的边界条件。附加边界条件ψ(-l)＝0和ψ(l)＝0由中心超导体106的接地引起。

基于经典运动方程和边界条件，可以得出以下结论：(经典)广义磁通量可以被描述为dc超电流和无限多个振荡正常模式的线性组合，即：

其中，φ₀是“dc模式”的时间无关系数，u₀(x)是相应的包络函数。在电感项上，dc超电流对约瑟夫逊结114施加了偏置，这改变了由振荡(ac) 正常模式看到的有效约瑟夫逊电感。在此，{u_n(x)}是振荡ac模式的包络函数，{ψ_n(t)}是相应的时间相关系数。重要的是，可以使用上述运动方程和上述边界条件来导出包络函数和相应的模式频率。

为了将具有嵌入的约瑟夫逊结114的CPW谐振器用作超导量子比特 104，应观察到约瑟夫逊结114的非线性将某些正常模式转变为非谐振荡器。在下文中，我们专注于第m阶模式，并假设我们想将其作为量子比特进行操作。考虑到这一点，可以导出由下式给出的用于量子哈密顿量的单个模式近似：

其中，

是与第m阶模式相关联的有效充电能量，

是第m阶模式的电荷算子，

是第m阶模式的有效感应能量，

是与第m阶模式相对应的相位算子，

是与CPW谐振器的总线性电感相关联的电感能量，

为与dc电流相对应的相位偏置，

Figure DEST_PATH_GDA00034403877700001410

表示与外部磁通量相关联的相位。注意，相位算子和电荷算子是满足转换关系

Figure DEST_PATH_GDA00034403877700001411

的共轭算子，其中，i是虚数单位。

应注意的是，在上述哈密顿量中量子力学地处理了超导量子比特104 的第m阶模式，但是dc约瑟夫逊相位

Figure DEST_PATH_GDA00034403877700001412

被处理为基于半经典理论计算的静态变量。根据半经典理论，dc约瑟夫逊相位由以下通量量化条件给出：

Figure DEST_PATH_GDA00034403877700001413

其中，

Figure DEST_PATH_GDA00034403877700001414

是与dc约瑟夫逊相位相关的分支通量。

通常，可以通过执行以下步骤以数值方式计算给定模式的非谐性α_m/ (2π)：

-首先，使用上述给定的通量量化条件来确定dc约瑟夫逊相位；

-然后，使用从上述运动方程和上述边界条件导出的以下方程来求解(经典)正常模式频率：

其中，

是第m阶模式的波数，L_J＝Φ₀/(2πI_c)是有效的约瑟夫逊电感；以及

-最后，在数字上对角化单模式哈密顿量

以获得适于给定外部磁通量的感兴趣模式的量化能量谱。使用第m阶模式的能量谱，可以简单地评估量子比特频率ω_q/(2π)和相应的非谐性α_m/(2π)。

由于CPW谐振器的每单位长度的大电容，除非适当地选择电路模型 200的参数并且施加适当的外部磁通量，否则超导量子比特104的非谐性仅是适度的。但是，如果外部磁通量等于磁通量量子的一半，即Φ_diff/Φ₀＝±0.5,假设约瑟夫逊电感大于CPW谐振器的总电感，则dc约瑟夫逊相位等于

如果CPW谐振器的线性电感仅略小于约瑟夫逊电感，则与电感能量

和约瑟夫逊能量E_J相关联的二次势能项几乎彼此完全抵消，这可能导致大的非谐性。使用适于电路模型200的参数的实验上可达到的值，本发明人已经发现，如果将外部磁通量调节到Φ_diff/Φ₀＝±0.5，则对于大约5GHz的量子比特频率，最低频率模式的非谐性可能会(显著)超过 500MHz。需要注意的是，这也对应于对通量不敏感的最佳位置，它保护超导量子比特104防止受到由通量噪声引起的相移的影响。一些数值结果在图3-图7中示出。

更具体地，图3示出了DC约瑟夫逊相位

其作为用于可能的电感比2ll_tot/L_J＝L_CPW/L_J＝0.77的外部磁通量差Φ_diff的函数。图4示出作为外部磁通量Φ_diff的函数的4个最低频率正常模式的频率f_m＝ω_m/(2π)。图5 示出作为外部磁通量Φ_diff的函数的4个最低频率正常模式的非谐性α_m/(2π)。注意，最低频率模式在Φ_diff/Φ₀＝0.5处有大的非谐波(>500MHz)。图6示出在Φ_diff/Φ₀＝0.5处适于最低频率正常模式的4个最低能量状态的势能分布

和基于相位的波函数。图7示出与Φ_diff/Φ₀≈0.5附近的最低频率正常模式相关联的非谐性α₁/(2π)和量子比特频率ω_q/(2π)的特写。注意，Φ_diff/Φ₀＝0.5对应于具有这些参数值的通量不敏感的最佳位置。用于获得图3-图7示出的数字结果的参数对应于下表1中给出的参数：

表1.用于估计经受外部磁通量的超导量子比特104中的正常模式的频率和非谐性的示例性参数。

	l<sub>g</sub>(μH/m)	l<sub>k</sub>(μH/m)	l<sub>tot</sub>(μH/m)	Z<sub>0</sub>(Ω)	2ll<sub>tot</sub>/L<sub>J</sub>
						参数	0.78	0.0	0.78	103	0.77

在表1中，x_J/l∈[-1,1]是中心超导体106中的约瑟夫逊结114的(相对)位置(x_J/l＝0对应于位于中心超导体106中心中的约瑟夫逊结114)， k₀＝w/(w+2s)是描述CPW谐振器的几何形状的比率，w是中心超导体 106的宽度，s是中心超导体106和超导接地平面之间的间隙(即间隙110 或112)，ε_eff是CPW谐振器的有效介电常数，l_k是谐振器每单位长度的动态电感，l_g是谐振器每单位长度的几何电感。此外，

是CPW 谐振器的特性阻抗。

为了进一步改善非谐性，可以由具有高动态电感的超导材料，诸如超导薄膜来制造CPW谐振器的中心超导体106。这将相对于电容增加CPW 谐振器的电感。作为结果，将减小CPW谐振器的总电容，这将改善超导量子比特104的非谐性。在这种电路模型中，即使在没有外部磁通量的情况下，非谐性也可以超过200MHz，并且在具有外部磁通量的情况下非谐性显著超过1GHz。然而，超导薄膜倾向于相对有损耗，并且因此非谐性的增加可能伴随着弛豫和相干时间的显著减少。出于该原因，在没有任何超导薄膜的情况下基于外部通量的方法似乎是通往高相干高非谐性超导量子比特的最有希望的途径。

图8A和图8B示出根据第一示例性实施例的超导量子比特之间的示意性电容和电感耦合。更具体地，图8A示出QPU 800的示意性俯视图，该 QPU 800包括彼此电容耦合的两个超导量子比特104的组合。图8B示出 QPU 802的示意性俯视图，该QPU 802包括彼此电感耦合的三个超导量子比特104的组合。在图8A和图8B中，白色表示每个超导量子比特104中的中心超导体106、超导接地平面108和约瑟夫逊结114，而黑色表示每个超导量子比特104中的间隙110和112。对于本领域技术人员而言应显而易见的是，图8A和图8B中所示的超导量子比特104的数量仅是为了说明的目的，并且不应被解释为对本实用新型的任何限制。此外，应再次注意，为了方便起见，未按比例显示QPU 800和802的尺寸以及它们的收缩性元件。

图9示出根据第二示例性实施例的QPU 900的示意性俯视图。类似于第一示例性实施例中的QPU 100，QPU 900包括介电衬底902和设置在介电衬底902上的超导量子比特904。在第二实施例中，超导量子比特904也被配置为CPW谐振器，其包括中心超导体906和超导接地平面908。超导体906在第一对相对侧(即，如图9中所示的左侧和右侧)通电地连接至超导接地平面908。同时，超导体906在第二对相对侧(即，如图9中所示的顶侧和底侧)与超导接地平面908通过相等的间隙910和912隔开。超导体906用作超导量子比特904的线性感应能量元件。与第一实施例相反，第二实施例中的非线性感应能量元件由嵌入在超导体906中的两个平行的约瑟夫逊结914和916的组合表示，使得QPU 900没有超导岛。约瑟夫逊结914和916的这种布置形成SQUID回路，其中可以通过使磁场穿过间隙910和912以及SQUID回路来提供相位偏置。再次应注意，为了方便起见，QPU 900的所有构造元件在图9中未按比例示出。此外，中心超导体906和超导接地平面908的形状也是示例性的，并且可以根据特定应用进行修改。

图10示出根据第三示例性实施例的QPU 1000的示意性俯视图。类似于第一实施例中的QPU 100和第二实施例中的QPU 900，QPU 1000包括介电衬底1002和设置在介电衬底1002上的超导量子比特1004。在第三实施例中，超导量子比特1004也被配置为CPW谐振器，其包括中心超导体 1006和超导接地平面1008。超导体1006在第一对相对侧(即，如图10中所示的左侧和右侧)通电地连接至超导接地平面1008。同时，超导体1006 在第二对相对侧(即如图10中所示的顶侧和底侧)通过相等的间隙1010 和1012与超导接地平面1008隔开。超导体1006用作超导量子比特1004 的线性感应能量元件。与第一和第二实施例相反，第三实施例中的非线性感应能量元件由三个约瑟夫逊结1014、1016和1018的组合表示。约瑟夫逊结1014嵌入在中心超导体1006中，而约瑟夫逊结1016和1018布置在约瑟夫逊结1014附近的顶部间隙1010中，使得约瑟夫逊结1016和1018 将中心超导体1006连接至接地平面1008。约瑟夫逊结1014、1016和1018 的所示布置不是限制性的，并且可以根据特定应用进行修改。例如，可以省略约瑟夫逊结1016和1018中的一个，或者可以将其布置在约瑟夫逊结1014附近的另一个底部间隙1012中。重要的是，约瑟夫逊结1014、1016 和1018再次嵌入在超导量子比特1004中，使得QPU 1000没有超导岛。同时，可以通过与第一实施例中相同的方式来提供相位偏置，即通过使磁场穿过间隙1010和1012而提供相位偏置。应再次注意，为了方便起见，图10中的QPU 1000的所有构成元件未按比例示出。此外，中心超导体 1006和超导接地平面1008的形状也是示例性的，并且可以根据特定应用进行修改。

图11示出根据第四示例性实施例的QPU 1100的示意性俯视图。与第一实施例中的QPU 100、第二实施例中的QPU 900以及第三实施例中的 QPU 1000相似，QPU 1100包括介电衬底1102和设置在介电衬底1102上的超导量子比特1104。在第四实施例中，超导量子比特1104还被配置为 CPW谐振器，其包括中心超导体1106和超导接地平面1108。超导体1106 在第一对相对侧(即，如图11中所示的左侧和右侧)通电地连接至超导接地平面1108。同时，超导体1106在第二对相对侧(即，如图11中所示的顶侧和底侧)通过相等的间隙1110和1112与超导接地平面1108隔开。超导体1106用作超导量子比特1104的线性感应能量元件。与第一，第二和第三实施例相反，第四实施例中的非线性感应能量元件由五个约瑟夫逊结 1114、1116、1118、1120和1122的组合表示。约瑟夫逊结1114嵌入在中心超导体1106中，而约瑟夫逊结1116-1122布置在约瑟夫逊结1114附近的间隙1110和1112中，使得约瑟夫逊结1116和1118通过顶部间隙1110将中心超导体1106连接到接地平面1108，并且约瑟夫逊结1120和1122通过底部间隙1112将中心超导体1106连接到接地平面1108。约瑟夫逊结1114- 1122的所示布置不是限制性的，而是可以根据特定应用进行修改。例如，可以省略约瑟夫逊结1116-1122中的一个或多个。重要的是，约瑟夫逊结 1114-1122同样嵌入在超导量子比特1104中，以使QPU 1100没有超导岛。同时，可以通过与第一实施例和第三实施例相同的方式来提供相位偏置，即通过使磁场穿过间隙1110和1112来提供相位偏置。应再次注意，为了方便起见，QPU 1100的所有构成元件在图11中未按比例示出。此外，中心超导体1106和超导接地平面1108的形状也是示例性的，并且可以根据特定应用进行修改。

在第三和第四实施例中，如果在中心超导体和超导接地平面之间的间隙中布置偶数个约瑟夫逊结，取决于特定的应用，这些约瑟夫逊结可以相对于嵌入在中心超导体中的约瑟夫逊结对称地或不对称地布置。

在一些其他实施例中，QPU(例如，QPU 100、900-1100中的任何一个) 还包括设置在介电衬底上的信号线。信号线可用于向超导量子比特提供控制信号(例如，如果在量子计算机中使用QPU，则从外部控制单元或控制电子设备提供控制信号)。信号线可以包括射频线，并且控制信号可以包括微波脉冲。控制信号可以允许以期望的方式控制一个或多个超导量子比特。

在一些其他实施例中，QPU(例如，QPU 100、900-1100中的任何一个) 还包括设置在介电衬底上的读出线。读出线可以与信号线结合地被包括在 QPU中。读出线可以经由读出谐振器耦合到一个或多个超导量子比特。如果需要的话，读出线可以用于进行一个或多个超导量子比特的状态测量。

尽管在本文描述了本实用新型的示例性实施例，但是应注意，在不脱离由所附权利要求限定的法律保护范围的情况下，可以对本实用新型的实施例进行各种改变和修改。在所附权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或操作，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims

1.一种量子处理单元，其包括：

介电衬底；和

设置在介电衬底上的至少一个超导量子比特，至少一个超导量子比特的每一个均包括：

超导的线性感应能量元件；

非线性感应能量元件；和

相位偏置元件，

其特征在于，相位偏置元件配置为，对跨线性感应能量元件和非线性感应能量元件的超导相位差进行偏置，使得线性感应能量元件和非线性感应能量元件的二次势能项至少部分地彼此抵消。

2.根据权利要求1所述的量子处理单元，其特征在于，相位偏置元件配置为偏置超导相位差，使得线性感应能量元件和非线性感应能量元件的二次势能项被彼此抵消至少30％。

3.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，线性感应能量元件包括一个或多个几何电感器。

4.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，非线性感应能量元件包括一个或多个约瑟夫逊结或动态电感器。

5.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，至少一个超导量子比特中的每一个还包括电容性能量元件。

6.根据权利要求5所述的量子处理单元，其特征在于，电容性能量元件包括一个或多个叉指型电容器、间隙电容器、平行板电容器或结电容器。

7.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，相位偏置元件配置为，通过产生磁场并使磁场穿过至少一个超导量子比特或通过向非线性感应能量元件施加预定电压来偏置超导相位差。

8.根据权利要求7所述的量子处理单元，其特征在于，相位偏置元件包括一个或多个线圈和/或通量偏置线。

9.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，该至少一个超导量子比特包括两个或多个超导量子比特，其在介电衬底上电容地和/或电感地耦合到彼此。

10.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，该至少一个超导量子比特包括两个或多个超导量子比特，并且其中所述单元还包括一个或多个耦合谐振器和/或可调谐耦合器，用于耦合介电衬底上的超导量子比特。

11.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，还包括设置在介电衬底上的信号线，信号线配置为向至少一个超导量子比特提供控制信号。

12.根据权利要求11所述的量子处理单元，其特征在于，信号线包括射频线，并且其中控制信号包括微波脉冲。

13.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，还包括设置在介电衬底上的读出线，读出线配置为测量至少一个超导量子比特的状态。

14.根据权利要求13所述的量子处理单元，其特征在于，还包括设置在介电衬底上的读出谐振器，并且其中读出线经由读出谐振器耦合到至少一个超导量子比特。

15.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于：

至少一个超导量子比特配置为分布式元件谐振器，其包括通过至少一个间隙隔开的至少两个导体；

该至少两个导体中的至少一个用作线性感应能量元件，并且非线性感应能量元件包括嵌入在分布式元件谐振器中的至少一个约瑟夫逊元件；以及

相位偏置元件配置为通过产生磁场并使得磁场穿过分布式元件谐振器的至少一个间隙来偏置超导相位差。

16.根据权利要求15所述的量子处理单元，其特征在于，分布式元件谐振器配置为CPW谐振器，其中至少两个导体包括中心超导体和超导接地平面，中心超导体用作线性感应能量元件，并且其中至少一个约瑟夫逊结被嵌入在CPW谐振器中，使得量子处理单元没有隔离的超导岛。

17.根据权利要求16所述的量子处理单元，其特征在于，CPW谐振器的中心超导体具有第一对相对侧和第二对相对侧，并且其中超导接地平面形成在介电衬底上，使得中心超导体在第一对相对侧上与超导接地平面通电地连接，并在第二对相对侧上通过间隙与超导接地平面隔开。

18.根据权利要求16所述的量子处理单元，其特征在于，超导接地平面包括通过中心超导体和间隙在物理上彼此分离的相对的部分，相对的部分通过在间隙和中心超导体上延伸的空气桥与彼此连接。

19.根据权利要求16所述的量子处理单元，其特征在于，至少一个约瑟夫逊结被嵌入在中心超导体中。

20.根据权利要求19所述的量子处理单元，其特征在于，至少一个约瑟夫逊结包括两个约瑟夫逊结的并联连接。

21.根据权利要求19所述的量子处理单元，其特征在于，至少一个约瑟夫逊结居中地布置在中心超导体中。

22.根据权利要求16所述的量子处理单元，其特征在于，至少一个约瑟夫逊结包括：

-嵌入在中心超导体中的第一约瑟夫逊结；和

-布置在第一约瑟夫逊结附近的一个或多个间隙中的至少一个第二约瑟夫逊结，至少一个第二约瑟夫逊结中的每一个都通过相应的间隙将中心超导体连接到超导接地平面。

23.根据权利要求22所述的量子处理单元，其特征在于，至少一个第二约瑟夫逊结包括偶数个第二约瑟夫逊结，其相对于第一约瑟夫逊结对称布置。

24.根据权利要求22所述的量子处理单元，其特征在于，第一约瑟夫逊结居中地布置在中心超导体中。

25.根据权利要求16所述的量子处理单元，其特征在于，中心超导体具有线性或弯曲的形状。

26.根据权利要求1或2所述的量子处理单元，其特征在于，还包括至少一个3D腔室，并且其中具有至少一个超导量子比特的介电衬底设置在至少一个3D腔室内。

27.一种量子计算机，其特征在于，包括根据权利要求1至26中任一项所述的至少一个量子处理单元和控制单元，所述控制单元配置为通过使用至少一个量子处理单元来执行计算操作。