CN218413512U

CN218413512U - 一种量子芯片及量子计算机

Info

Publication number: CN218413512U
Application number: CN202222718038.5U
Authority: CN
Inventors: 贾健豪; 李业; 李松
Original assignee: Origin Quantum Computing Technology Co Ltd
Current assignee: Origin Quantum Computing Technology Co Ltd
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2032-10-14

Abstract

本申请公开了一种量子芯片及量子计算机，属于量子计算技术领域。所述量子芯片，包括：超导量子干涉装置；以及超导量子干涉装置的磁通量调控结构，包括传输主线，及至少两条并联且均与传输主线电连接的传输支线，传输支线均与超导量子干涉装置耦合，并且在超导量子干涉装置处，各传输支线的感应磁场的方向不完全一致。经传输主线引入的噪声通过传输支线分流，分流后每一传输支线噪声的强度均有所降低，并且分流后的至少两路噪声在超导量子干涉装置处产生的感应磁场相互作用后强度削弱，从而抑制了对量子比特频率调控的干扰。

Description

一种量子芯片及量子计算机

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域，特别地，本申请涉及一种量子芯片及量子计算机。

背景技术

位于量子芯片上的量子比特是执行量子计算的基本单元，通过对量子比特的频率的调控可以调整量子比特性能，从而实现一系列的操作。量子比特的频率的调控可以通过改变在量子比特的squid区域的磁通量实现。通常采用的磁通量调控结构是一种微波传输线，在该传输线上施加的电流信号产生感应磁场，改变电流信号即可改变在squid区域产生的磁通量。由于量子比特对于磁通格外敏感，传输线上引入的噪声很容易干扰量子比特的频率的调控精度。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种量子芯片及量子计算机，以降低磁通量调控结构引入的噪声对量子比特频率调控的干扰。

本申请的一个实施例提供了一种量子芯片，包括：超导量子干涉装置；以及超导量子干涉装置的磁通量调控结构，包括传输主线，及至少两条并联且均与传输主线电连接的传输支线，传输支线均与超导量子干涉装置耦合，并且在超导量子干涉装置处，各传输支线的感应磁场的方向不完全一致。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，传输支线的数量为两条，且两条传输支线的感应磁场在超导量子干涉装置处的方向相反。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，传输支线和超导量子干涉装置的布置形式包括如下之一：

布置形式一：超导量子干涉装置位于该两条传输支线的相同一侧，且一条传输支线由距离传输主线的近端至远端的延伸方向，与另一条传输支线由距离传输主线的近端至远端的延伸方向相反；

布置形式二：超导量子干涉装置的正投影或超导量子干涉装置位于该两条传输支线之间，且一条传输支线由距离传输主线的近端至远端的延伸方向，与另一条传输支线由距离传输主线的近端至远端的延伸方向相同。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，两条传输支线的宽度不相同。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，两条传输支线在超导量子干涉装置处的正投影长度不相同。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，两条传输支线与超导量子干涉装置的距离不相同。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，超导量子干涉装置位于第一表面，磁通量调控结构位于第二表面。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，第一表面和第二表面为同一衬底的相对两个表面。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，第一表面和第二表面为位于不同衬底且相对置的两个表面。

如上所述的量子芯片，在一些实施方式中，所述衬底包括：氧化铝基板、石英玻璃基板、陶瓷基板、蓝宝石基板。

本申请的另一个实施例提供了一种量子计算机，包括如上所述的量子芯片。

与现有技术相比，在本申请提供的量子芯片中，调控超导量子干涉装置的磁通量调控结构，包括传输主线及至少两条并联且均与传输主线电连接的传输支线，传输支线均与超导量子干涉装置耦合，并且在超导量子干涉装置处，各传输支线的感应磁场的方向不完全一致，这种结构形式使得经传输主线引入的噪声通过传输支线分流，分流后每一传输支线的噪声强度均有所降低，并且与不分流直接产生感应磁场进行调控的结构形式相比，分流后的至少两路噪声在超导量子干涉装置处产生的感应磁场相互作用后强度削弱，从而在一定程度上抑制了噪声对量子比特频率调控的干扰。

附图说明

图1为相关技术中量子芯片上量子比特的结构示意图；

图2为本申请的第一个实施例提供的一种量子芯片的结构示意图；

图3为本申请的第二个实施例提供的一种量子芯片的结构示意图；

图4为本申请的第三个实施例提供的一种量子芯片的结构示意图；

图5为本申请的第四个实施例提供的一种量子芯片的结构示意图；

图6为本申请的第五个实施例提供的一种量子芯片的结构示意图。

附图标记说明：

1－超导量子干涉装置，11－第一约瑟夫森结，12－第二约瑟夫森结，13－第一端，14－第二端；

2－磁通量调控结构，20－传输主线，21－第一传输支线，22－第二传输支线，23－第三传输支线。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。

量子比特为一个遵循量子力学规律的二能级系统，可以处于0和1的任意叠加状态，是量子计算的基本单元。根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。超导量子计算是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法。由于超导量子电路的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，电路的设计定制的可控性强。同时，得益于基于现有的成熟集成电路工艺，超导量子电路具有多数量子物理体系难以比拟的可扩展性。

在基于超导量子电路的量子芯片中，包含量子比特和微波谐振腔等超导电路结构。量子比特是利用电容和具有非线性电感特性的约瑟夫森结和构成的二能级系统。通过设计成不同形状，实现不同目标的电容电感等电学参数状态。Transmons量子比特形状形似“+”形，由一个十字形的电容以及连接电容的一个分支末端的超导量子干涉装置(squid)组成，其中，超导量子干涉装置(squid)包含一个或多个约瑟夫森结，约瑟夫森结是包括两个电极以及将这两个电极分隔开的一个薄绝缘势垒层的器件，这两个电极的材料可以在该材料的临界温度特性时超导或在低于该临界温度特性时超导。

在量子比特周围存在多种不同功能的控制线路，如对量子比特进行XY旋转操作的驱动控制信号线(xy-control line，又称xy控制线或脉冲调控信号线)、读取谐振腔以及用于量子比特间耦合连接的耦合器。另外，对量子比特进行Z旋转操作由超导量子干涉装置(squid)附近的控制信号线完成，称磁通调控信号线(z-control line，又称z控制信号线或频率调控信号线)，磁通调控信号线布置于超导量子干涉装置(squid)附近并激励电流，通过磁通与超导量子干涉装置(squid)相互耦合。需要说明的是，磁通调控信号线和驱动控制线路都可以用于控制量子比特，但是它们的控制形式在本质上是不同的，磁通调控信号线传输的信号将产生磁场施加到超导量子干涉装置(squid)区域，穿过量子干涉装置(squid)区域的磁通量可以引起squid的临界电流的变化，该临界电流的变化导致该可调谐量子比特的频率的变化，即可以通过磁通调控信号线传输的信号实现对量子比特的频率的控制，而驱动控制信号线以电场的形式向量子比特施加脉冲，该脉冲使量子比特的能级发生跃迁。

图1为相关技术中量子芯片上排布的量子比特的结构示意图。

结合图1所示，量子比特的结构常采用单个对地的电容，及一端接地、另一端与该电容连接的超导量子干涉装置(squid)，并且该电容常为十字型平行板电容。参见图1所示，十字型电容板C_q被接地平面(GND)包围，且十字型电容板C_q与接地平面(GND)之间具有间隙，超导量子干涉装置(squid)的一端连接至十字型电容板C_q，另一端连接至接地平面(GND)，由于十字型电容板C_q的第一端通常用于连接超导量子干涉装置(squid)，第二端用于与读取的谐振器耦合，第一端和第二端的附近需要预留一定的空间用于布置驱动控制信号线、磁通调控信号线等微波传输线，十字型电容板C_q的另外两端用于与相邻量子比特耦合。其中的磁通调控信号线与超导量子干涉装置(squid)同处于一平面，磁通调控信号线大致笔直且紧靠超导量子干涉装置(squid)区域，电流流过作为磁通调控信号线的直导线产生在径向方向上环绕的磁场，该磁场围绕载流导线盘旋，所以磁通调控信号线可以紧密耦合超导量子干涉装置(squid)。然而，由于量子比特对于磁通格外敏感，为获得目标频率，需要保持流经磁通调控信号线的电流信号不变，而由于各种复杂的因素，该电流受到相应的干扰，产生扰动电流进而影响到量子比特的频率调控，这种扰动电流又称之为噪声。

为了抑制这种噪声对频率调控的干扰，本申请提供一种量子芯片及量子计算机，以解决现有技术中的不足，它将引入的噪声通过分流，并且分流后的至少两路噪声在超导量子干涉装置squid处产生的感应磁场相互作用后强度削弱，从而在一定程度上抑制了噪声对量子比特频率调控的干扰。

图2至图6为本申请实施例提供的量子芯片的结构示意图，其中，箭头为电流流向的示意性表示。

结合图2至图6所示，本申请的实施例提供的一种量子芯片，包括：超导量子干涉装置1；以及对穿过超导量子干涉装置1的磁通量进行调控的磁通量调控结构2，磁通量调控结构2包括传输主线20，及至少两条并联且均与传输主线1以串联形式电连接的传输支线，传输支线可以是两条或三条，在一些实施示例中，传输支线包括第一传输支线21、第二传输支线22及第三传输支线23，所有的传输支线均与超导量子干涉装置1耦合，并且在超导量子干涉装置1所处区域，在对量子比特的频率进行调控时，流经各传输支线的电流信号产生的感应磁场的方向不完全一致。在本申请实施例提供的量子芯片中，经传输主线20引入电流信号调控超导量子干涉装置1的磁通量时，同步引入的噪声通过各传输支线分流，并且分流后的每一路传输支线上的噪声的强度均有所降低，且分流后形成的多路噪声在超导量子干涉装置1处产生的感应磁场的方向不完全一致，因而分流后的噪声产生的感应磁场在相互作用后强度削弱，从而在一定程度上抑制了噪声对量子比特频率调控的干扰。

在本申请的实施例中，超导量子干涉装置1包括至少两个约瑟夫森结形成的超导环路，示例性的，结合图2至图6所示，超导量子干涉装置1包括第一约瑟夫森结11和第二约瑟夫森结12，两个约瑟夫森结并联，并联的第一端13与对地电容极板连接，并联的第二端14可以与地连接或者与另一对地电容极板连接，从而可以形成量子比特结构。

在本申请的实施例中，该磁通量调控结构2中的传输主线20和第一传输支线21、第二传输支线22及第三传输支线23可以是超导传输线，例如，由铝(Al)，铌(Nb)，氮化铌(NbN)，氮化钛(TiN)和铌钛氮化物(NbTiN)中的一种或多种超导材料制备形成的传输线。经传输主线20的电流信号包括脉冲、直流，将脉冲和/或直流，电流信号施加在磁通调控结构2上并产生感应磁场，产生的感应磁场用于调整超导量子干涉装置1的磁通量，进而改变量子比特的频率。

具体实施时，传输支线的数量可以根据量子芯片的设计参数进行选择确定，可以是两条、三条或者更多，只要使噪声分流后产生的感应磁场在相互作用后强度削弱即可。在一些示例中，传输支线包括第一传输支线21、第二传输支线22及第三传输支线23。在另一些示例中，传输支线可以只包括第一传输支线21和第二传输支线22两条。示意性的，结合图3、图4、图5和图6所示，第一传输支线21的感应磁场和第二传输支线22的感应磁场，在超导量子干涉装置1处的磁场方向相反。在本申请的一些实施例中，传输支线和超导量子干涉装置的布置形式可以是：结合图3和图4所示，超导量子干涉装置1位于该两条传输支线的相同一侧，且一条传输支线由距离传输主线20的近端至远端的延伸方向，与另一条传输支线由距离传输主线20的近端至远端的延伸方向相反。在本申请的另一些实施例中，传输支线和超导量子干涉装置的布置形式可以是：超导量子干涉装置1的正投影，或者超导量子干涉装置1整体结构，两者之一位于该两条传输支线之间，且一条传输支线由距离传输主线20的近端至远端的延伸方向，与另一条传输支线由距离传输主线20的近端至远端的延伸方向相同。

示意性的，结合图3、图5和图6所示，传输支线的粗细示意性的表示了宽度对比，第一传输支线21和第二传输支线22的宽度不相同，并可以根据需要的信号分配比设计两者的宽度比，两条传输支线均与传输主线20串联且相互呈并联，由传输主线引入的信号分配至两条传输支线。示意性的，结合图5所示，第一传输支线21和第二传输支线22在超导量子干涉装置1处的正投影长度不相同，这种形状构造可以分别独立的调整各传输支线在超导量子干涉装置1处磁通量。示意性的，再结合图2所示，两条传输支线还可以采用与超导量子干涉装置的距离不相同的布置形式，例如，第二传输支线22和第三传输支线，两者与超导量子干涉装置1的距离不相同，根据磁通量Φ＝IL(I为电流信号的强度，L为互感强度),通过距离调整传输支线与超导量子干涉装置的互感强度进而调整穿过超导量子干涉装置处1的磁通量。示意性的，再结合图5所示，两条传输支线还可以采用中心与超导量子干涉装置1的中心相对偏离的形式，即使两条传输支线相对于超导量子干涉装置1呈不对称的分布。

如上所述的量子芯片，在一些实施例中，超导量子干涉装置1和磁通量调控结构2位于衬底的同一表面。在一些实施例中，超导量子干涉装置1位于第一表面，磁通量调控结构2位于第二表面。所述第一表面和所述第二表面可以是同一衬底相反的两个表面，在本申请的一些实施例中，所述第一表面由衬底的底部限定，所述第二表面由该衬底的顶部限定。所述第一表面和所述第二表面也可以是两个衬底相对置的表面，在本申请的一些实施例中，所述第一表面由第一衬底的底部限定，所述第二表面由第二衬底的顶部限定，所述第一衬底叠置在所述第二衬底上并形成互连，所述第一表面和所述第二表面间隔开形成对置且基本平行。超导量子干涉装置1和磁通量调控结构2示意性的参照图5和图6所示，为相互区分，位于第一表面的超导量子干涉装置1用实线表示，位于第二表面的磁通量调控结构2用虚线表示，异面布置的两者直接形成互感。示例性的，所述第一衬底和所述第二衬底互连的结构包括超导柱等，如铟柱。所述的量子芯片，具体实施时，衬底可以包括：氧化铝基板、石英玻璃基板、陶瓷基板、蓝宝石基板。磁通量调控结构可以是形成在衬底上的薄膜电路，薄膜电路结构可以直接利用成熟的半导体工艺将超导材料经过沉积、图案化等获得。所述薄膜电路包括超导的共面波导传输线，示例性的，氮化钽共面波导传输线，超导特性的传输线有助于降低信号损失。

本申请的另一个方面提供了一种量子计算机，包括如上所述的量子芯片。具体的，所述量子计算机包括：在真空下的制冷系统，该制冷系统包括密闭容器；如上实施例所述的量子芯片，该量子芯片被包含在由该密闭容器限定的制冷的真空环境内，其中该量子芯片包括多个所述超导量子干涉装置1及调整每个所述超导量子1的磁通量的所述磁通量调控结构2；以及设置在该制冷的真空环境内的多个电磁波导，以便将电磁能量引导到该多个所述磁通量调控结构2中的至少一个选定的磁通量调控结构2并且从该至少一个选定的磁通量调控结构2接收电磁能量。每个量子比特的频率可以通过使用对应的磁通量调控结构2将磁通量施加至对应的超导量子干涉装置，从而实现量子比特的频率的调谐。

这里需要指出的是：以上在量子计算机中设置的量子芯片与上述量子芯片实施例中的结构类似，并具有同上述量子芯片实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本申请量子计算机实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述量子芯片的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种量子芯片，其特征在于，包括：

超导量子干涉装置；以及

磁通量调控结构，包括传输主线，及至少两条并联且均与传输主线电连接的传输支线，传输支线均与超导量子干涉装置耦合，并且在超导量子干涉装置处，各传输支线的感应磁场的方向不完全一致。

2.根据权利要求1所述的量子芯片，其特征在于，传输支线的数量为两条，且两条传输支线的感应磁场在超导量子干涉装置处的方向相反。

3.根据权利要求2所述的量子芯片，其特征在于，传输支线和超导量子干涉装置的布置形式包括如下之一：

4.根据权利要求2所述的量子芯片，其特征在于，两条传输支线的宽度不相同，或者两条传输支线在超导量子干涉装置处的正投影长度不相同，或者两条传输支线与超导量子干涉装置的距离不相同。

5.根据权利要求1所述的量子芯片，其特征在于，超导量子干涉装置位于第一表面，磁通量调控结构位于第二表面。

6.根据权利要求5所述的量子芯片，其特征在于，第一表面和第二表面为同一衬底的相对两个表面。

7.根据权利要求5所述的量子芯片，其特征在于，第一表面和第二表面为位于不同衬底且相对置的两个表面。

8.根据权利要求6或7所述的量子芯片，其特征在于，所述衬底包括：氧化铝基板、石英玻璃基板、陶瓷基板、蓝宝石基板。

9.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求1－8中任一项所述的量子芯片。