DE112017006867T5

DE112017006867T5 - Integrierte Ansteuer- und Ausleseschaltung für supraleitende QUBITS

Info

Publication number: DE112017006867T5
Application number: DE112017006867.3T
Authority: DE
Inventors: Baleegh Abdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-10-24
Also published as: CN110476175A; GB2574967A; JP7044445B2; JP2020520488A; CN110476175B; US20180285760A1; GB201913729D0; US9870536B1; GB2574967B; US10133985B2; WO2018185542A1

Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf eine integrierte Ansteuer- und Auslese-Schaltungsanordnung gerichtet. Richtungskoppler sind so konfiguriert, dass sie mit Qubit-Resonator-Systemen verbinden. Diplexer sind mit den Richtungskopplern verbunden. Ein Mikrowellensignal-Kombinierer ist mit den Diplexern verbunden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf supraleitende elektronische Einheiten und insbesondere auf integrierte Ansteuer- und Ausleseschaltungen für supraleitende Qubits.
Das Grundelement eines Quantencomputers ist das Quantenbit, das als „Qubit“ bezeichnet wird. Im Gegensatz zu einem klassischen Bit, das Null und Eins darstellt, kann ein Qubit auch eine Quantenüberlagerung der beiden Zustände darstellen. Die Zustände können innerhalb der Gesetze der Quantenphysik als Wahrscheinlichkeit, sich in den beiden Zuständen zu befinden, formalisiert werden. Dementsprechend können die Zustände innerhalb der Gesetze der Quantenphysik manipuliert und beobachtet werden.
In der Hohlraum-Quanten-Elektrodynamik werden bei der Quanten-Datenverarbeitung nichtlineare, supraleitende Einheiten verwendet, die als Qubits bezeichnet werden, um Quanteninformationen bei Mikrowellenfrequenzen zu bearbeiten und zu speichern, und Resonatoren verwendet (z. B. ein zweidimensionaler (2D-) planarer Wellenleiter oder ein dreidimensionaler (3D-) Mikrowellenhohlraum), um Qubits auszulesen und die Interaktion zwischen ihnen zu ermöglichen. Beispielsweise kann jedes supraleitende Qubit einen oder mehrere Josephson-Übergänge enthalten, bei denen Kondensatoren parallel zu den Übergängen geschaltet werden. Die Qubits sind kapazitiv mit Resonatoren (z. B. 2D- oder 3D-Mikrowellenhohlräume) gekoppelt.
Die dem Qubit zugehörige elektromagnetische Energie wird in den Josephson-Übergängen und in den kapazitiven und induktiven Elementen gespeichert, die das Qubit bilden. In einem Beispiel wird zum Auslesen des Qubit-Zustands ein Mikrowellensignal an den Mikrowellen-Auslesehohlraum angelegt, das mit dem Qubit bei der dem Qubit-Zustand entsprechenden Hohlraumfrequenz koppelt. Das übertragene (oder reflektierte) Mikrowellensignal durchläuft mehrere thermische Isolationsstufen und rauscharme Verstärker, die erforderlich sind, um das Rauschen zu beseitigen oder zu reduzieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Das Mikrowellensignal wird bei Raumtemperatur gemessen. Die Amplitude und/oder Phase des zurückgegebenen/ausgegebenen Mikrowellensignals kann in Abhängigkeit vom Ausleseschema Informationen über den Qubit-Zustand befördern. Dieses Auslesesignal kann unter Verwendung von Elektronik bei Raumtemperatur gemessen und analysiert werden. Ein Mikrowellen-Auslesen stellt eine stabile Signalamplitude für die Steuerung bereit, und eine handelsübliche Standard-Hardware (COTS) ist verfügbar.
Quantensysteme wie supraleitende Qubits sind sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, insbesondere im Mikrowellen- und Infrarotbereich. Um diese Quantensysteme vor Mikrowellen- und Infrarotstörungen zu schützen, werden mehrere Schichten zum Filtern, Dämpfen und Isolieren angewendet. Von besonderem Interesse sind die Schutzschichten, die an den Eingangs- und Ausgangsleitungen (E/A-Leitungen) verwendet werden, die auch als Übertragungsleitungen bezeichnet werden, die mit dem Quantensystem verbunden sind und die Eingangs- und Ausgangssignale zu bzw. von dem Quantensystem befördern. Bei supraleitenden Qubits handelt es sich bei diesen E/A-Leitungen (Übertragungsleitungen) üblicherweise um Mikrowellen-Koaxialleitungen oder Wellenleiter. Einige der Techniken oder Komponenten, die verwendet werden, um das Rauschen zu beseitigen oder zu dämpfen, das sich in diesen Übertragungsleitungen ausbreitet oder in diese eindringt, sind Dämpfungsglieder, Zirkulatoren, Isolatoren, Tiefpass-Mikrowellenfilter, Bandpass-Mikrowellenfilter und Infrarotfilter, die auf verlustbehafteten Absorptionswerkstoffen oder dispersiven Elementen beruhen. Eine integrierte Ansteuer- und Ausleseschaltung ist erforderlich, um die supraleitenden Qubits mit einer minimalen Anzahl von Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen und einer minimalen Anzahl von Komponenten anzusteuern und auszulesen.
KURZDARSTELLUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf eine integrierte Steuer- und Auslese-Schaltungsanordnung gerichtet. Ein nichteinschränkendes Beispiel für die integrierte Ansteuer- und Auslese-Schaltungsanordnung enthält Richtungskoppler, die zum Verbinden mit Qubit-Resonator-Systemen konfiguriert sind, Diplexer, die mit den Richtungskopplern verbunden sind, und einen Mikrowellensignal-Kombinierer, der mit den Diplexern verbunden ist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Bilden einer integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltungsanordnung gerichtet. Ein nichteinschränkendes Beispiel für das Verfahren beinhaltet Bereitstellen von Richtungskopplern, die so konfiguriert sind, dass sie mit Qubit-Resonator-Systemen verbinden, Verbinden von Diplexern mit den Richtungskopplern und Verbinden eines Mikrowellensignal-Kombinierers mit den Diplexern.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf einen Chip gerichtet. Ein nichteinschränkendes Beispiel für den Chip beinhaltet Richtungskoppler, die so konfiguriert sind, dass sie mit Qubit-Resonator-Systemen verbinden, Diplexer, die mit den Richtungskopplern verbunden sind, und ein Mikrowellensignal-Kombinierer, der mit den Diplexern verbunden ist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Ansteuern von Qubit-Resonator-Systemen gerichtet. Ein nichteinschränkendes Beispiel des Verfahrens beinhaltet Übertragen von Mikrowellensignalen durch Richtungskoppler an die Qubit-Resonator-Systeme, erneutes Empfangen der Mikrowellensignale durch die Richtungskoppler, wobei die Mikrowellensignale von den Qubit-Resonator-Systemen reflektiert wurden, und Empfangen der Mikrowellensignale von den Richtungskopplern durch Diplexer. Die Diplexer sind so konfiguriert, dass sie die Mikrowellensignale zu einem Abschlusselement leiten.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Auslesen von Qubit-Resonator-Systemen gerichtet. Ein nichteinschränkendes Beispiel des Verfahrens beinhaltet Übertragen von Mikrowellensignalen durch Richtungskoppler an die Qubit-Resonator-Systeme, erneutes Empfangen der Mikrowellensignale durch die Richtungskoppler, wobei die Mikrowellensignale von den Qubit-Resonator-Systemen reflektiert wurden, und Empfangen der Mikrowellensignale von den Richtungskopplern durch Diplexer, und Empfangen der Mikrowellensignale von den Diplexern durch einen Mikrowellensignal-Kombinierer. Der Mikrowellensignal-Kombinierer ist so konfiguriert, dass er die Mikrowellensignale zu verknüpften Mikrowellensignalen verknüpft. Außerdem beinhaltet das Verfahren Übertragen der verknüpften Mikrowellensignale durch den Mikrowellensignal-Kombinierer zu einem quantenlimitierten Verstärker.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltung, die ein Auslesen von supraleitenden Qubits gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine schematische Darstellung der integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltung, die ein Ansteuern der supraleitenden Qubits gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist eine schematische Darstellung der integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Darstellung eines Signalkombinierers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung eines Signalkombinierers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Bilden einer integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Ansteuern von Qubit-Resonator-Systemen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Auslesen von Qubit-Resonator-Systemen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

GENAUE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsformen werden hier unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Alternative Ausführungsformen können entwickelt werden, ohne vom Umfang dieses Dokuments abzuweichen. Es wird angemerkt, dass verschiedene Verbindungen und Positionsbeziehungen (z. B. über, unter, nebeneinander usw.) zwischen Elementen in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen angegeben sind. Diese Verbindungen und/oder Positionsbeziehungen können, sofern nicht anders angegeben, direkt oder indirekt sein und sollen diesbezüglich nicht einschränkend sein. Dementsprechend kann sich eine Verbindung von Entitäten auf eine direkte oder eine indirekte Verbindung beziehen, und eine Positionsbeziehung zwischen Entitäten kann eine direkte oder indirekte Positionsbeziehung sein. Als ein Beispiel für eine indirekte Positionsbeziehung enthalten Verweise auf Bilden der Schicht „A“ über der Schicht „B“ Situationen, bei denen eine oder mehrere Zwischenschichten (z. B. eine Schicht „C“) zwischen einer Schicht „A“ und einer Schicht „B“ liegen solange die relevanten Eigenschaften und Funktionalitäten der Schicht „A“ und der Schicht „B“ durch die Zwischenschicht(en) nicht wesentlich verändert werden).
Mehrere physikalische Objekte wurden als mögliche Implementierungen von Qubits vorgeschlagen. Allerdings sind Festkörperschaltungen, insbesondere supraleitende Schaltungen, von großem Interesse, da sie eine Skalierbarkeit bereitstellen, die die Möglichkeit bietet, Schaltungen mit einer größeren Anzahl von interagierenden Qubits herzustellen. Supraleitende Qubits beruhen üblicherweise auf Josephson-Übergängen (JJ). Bei einem Josephson-Übergang handelt es sich um zwei Supraleiter, die beispielsweise durch eine dünne isolierende Barriere gekoppelt sind. Ein Josephson-Übergang kann mit Hilfe einer isolierenden Tunnelbarriere, beispielsweise Al₂O₃, zwischen supraleitenden Elektroden hergestellt werden. Für solche Josephson-Übergänge ist der maximal zulässige Superstrom der kritische Strom I_c .
Ausführungsformen werden so konfiguriert, dass sie eine skalierbare Qubit-Ansteuer- und Ausleseschaltung aufbauen, bei der die Anzahl der Ausgangsleitungen und Steuerleitungen der Schaltung auf einem minimalen Wert ist. Ausführungsformen stellen Techniken zum Aufbauen einer skalierbaren Qubit-Ansteuer- und Ausleseschaltung bereit, die gemeinsam auf derselben Leiterplatte oder demselben Chip integriert werden kann.
Zusätzlich werden Ausführungsformen so konfiguriert, dass sie die Anzahl der Zirkulatoren und Isolatoren auf einen minimalen Wert bringen. Ausführungsformen stellen außerdem eine skalierbare Qubit-Ansteuer- und Ausleseschaltung bereit, die gut optimiert, ersetzt und thermalisiert werden kann. Um Größe/Raum von Zirkulatoren und Isolatoren hervorzuheben, beträgt die Größe eines handelsüblichen kryogenen Isolators etwa 8,5 Zentimeter (cm) x 3,1 cm x 1,7 cm mit einer Masse von etwa 229,5 Gramm (g). Ein Kupferbügel wird verwendet, um den kryogenen Isolator zu thermalisieren, mit einer Masse von ca. 183,1 g. Die Größe eines handelsüblichen kryogenen Zirkulators beträgt ca. 4,5 cm x 3,5 cm x 1,8 cm, mit einer Masse von ca. 41,2 g. Bei einem üblichen Aufbau mit 1 Eingangs- und 1 Ausgangsleitung, der 1 Qubit-Resonator und 1 quantenlimitierten Verstärker (JPC) verbindet, werden nach dem Stand der Technik zwei Zirkulatoren und drei Isolatoren verwendet. Dies entspricht einem Volumen von mindestens 191,1 cm³ und einer Masse von mindestens 1,5 kg (und diese Masse stammt nur von den Zirkulatoren und Isolatoren). Bei der Volumenberechnung wird die Masse der Kupferhalterungen, die für die Thermalisierung verwendet werden, nicht berücksichtigt. Im Gegensatz dazu wird in Ausführungsformen eine Struktur mit 1 Ausgangsleitung und 1 (optionalen) Zirkulator/Isolator bereitgestellt.
In den Figuren ist 1 eine schematische Darstellung einer integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltungsanordnung 100, die ein Auslesen von supraleitenden Qubits gemäß Ausführungsformen veranschaulicht. 2 ist eine schematische Darstellung der integrierten Ansteuer- und Ausleseschaltung 100, die ein Ansteuern der supraleitenden Qubits gemäß Ausführungsformen veranschaulicht. Die Systeme in den 1 und 2 sind identisch und veranschaulichen einen Unterschied bei der Betriebsweise (d. h. Lesen der Qubits gegenüber dem Ansteuern der Qubits) der Schaltungen 100. Die 1 und 2 (zusammen mit 3) gelten für Qubit-Resonator-Systeme, die in einer Betriebsart Reflexion arbeiten, wie für einen Fachmann klar ist.
Die Schaltung 100 kann auf einem Chip (On-Chip) und/oder auf einer gedruckten Leiterplatte und/oder als integrierte Schaltung ausgeführt werden. So kann es sich beispielsweise bei der integrierten Ansteuer- und Ausleseschaltung 100 um einen Chip handeln. Die Schaltung 100 ist funktionsmäßig mit Quantensystemen verbunden. Bei einem Quantensystem handelt es sich um ein supraleitendes Qubit, das mit einem Ausleseresonator gekoppelt ist, so dass das supraleitende Qubit angesteuert (d. h. in einen angeregten Zustand oder eine Überlagerung von Grund- und angeregten Zuständen gesteuert) und ausgelesen werden kann. Das Auslesen des Zustands des Qubit erfolgt durch Messen des Ausleseresonators. Es gibt Qubit-Resonator-Systeme 102_1 bis 102_N, wobei N der letzten Zahl von Qubit-Resonator-Systemen entspricht. Jedes Qubit-Resonator-System 102_1 bis 102_N hat sein eigenes supraleitendes Qubit, das mit einem Ausleseresonator gekoppelt ist. So haben beispielsweise die Qubit-Resonator-Systeme 102_1 bis 102_N jeweils supraleitende Qubits 154_1 bis 154_N und jeweils einen Ausleseresonator 152_1 bis 152_N. Wie bereits erwähnt, können Ausleseresonatoren als Resonatoren aus diskreten Elementen, Resonatoren mit Mikrostreifen/Bandleitungen, Resonatoren mit koplanaren Hohlleitern, 3D-Mikrowellenhohlräume usw. implementiert werden.
Die integrierte Ansteuer- und Ausleseschaltung 100 enthält Breitband-Richtungskoppler 104_1 bis 104_N, die funktionsmäßig mit den Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N verbunden sind. Die Schaltung 100 enthält Diplexer 106_1 bis 106_N, die funktionsmäßig mit den Breitband-Richtungskopplern 104_1 bis 104_N verbunden sind. Ein Signalkombinierer 108 ist funktionsmäßig mit jedem der Diplexer 106_1 bis 106_N verbunden, so dass der Signalkombinierer 108 Eingänge von den Diplexern 106_1 bis 106_N erhält. Optional kann die Schaltung 100 einen breitbandigen quantenlimitierten Richtungsverstärker 110 enthalten, dessen Eingang funktionsmäßig mit dem Ausgang des Signalkombinierers 108 verbunden ist. Optional kann die Schaltung 100 einen breitbandigen On-Chip-Zirkulator mit vier Anschlüssen 112 oder einen Breitbandisolator beinhalten, der mit dem Ausgang des breitbandigen quanten limitierten Richtungsverstärkers 110 verbunden ist. Der breitbandige quantenlimitierte Richtungsverstärker 110 und der breitbandige On-Chip-Zirkulator mit vier Anschlüssen 112 können optional On-Chip, d. h. auf dem Chip/auf der Schaltung 100 oder Off-Chip sein. 3 ist ein Beispiel für den breitbandigen quantenlimitierten Richtungsverstärker 110 und den breitbandigen On-Chip-Zirkulator mit vier Anschlüssen 112, der außerhalb des Chips liegt.
Gemäß Ausführungsformen wird die skalierbare Qubit-Ansteuer- und Auslese-Schaltung 100 verwendet, um eine Reihe von quantenelektrodynamischen Systemen der Schaltung (wie supraleitende Hohlraum/Ausleseresonator-Qubit-Systeme 102_1 bis 102_N) anzusteuern und zu messen, die in der Betriebsart Reflexion angesteuert und gemessen werden. Die supraleitenden Hohlraum/Ausleseresonator-Qubit-Systeme 102_1 bis 102_N werden für Erläuterungszwecke dargestellt. Es ist zu beachten, dass diese Ansteuer- und Ausleseschaltung nicht auf supraleitende Qubits beschränkt ist. Sie kann mit jeder Art von Qubits verwendet werden, die mit Mikrowellen-Resonatoren gekoppelt sind (d. h. bei allen Quantensystemen). Eine Bedingung besteht darin, dass die Qubit-Ansteuersignale und das Auslesesignal dem gleichen Anschluss des Quantensystems zugeführt werden.
Nun genauer zu den Komponenten der Schaltungsanordnung 100, die Breitband-Richtungskoppler 104_1 bis 104_N haben ein Frequenzband, das den Frequenzbereich beider Qubits (d. h. Qubits 154 und Ausleseresonatoren 152) abdeckt (d. h. umfasst). Die Breitband-Richtungskoppler 104_1 bis 104_N sind Einheiten mit vier Anschlüssen mit den Anschlüssen 103A, 103B, 103C und 103D. Koppler sind so konfiguriert, dass sie einen definierten Betrag an elektromagnetischer Leistung eines Signals von einem bestimmten Anschluss zu einem anderen Anschluss koppeln, wodurch das Signal in einer anderen Schaltung verwendet werden kann. Lediglich der Richtungskoppler 104_1 ist mit den Anschlüssen 103A bis 103D bezeichnet, damit die Übersichtlichkeit der Figuren nicht verloren geht. Es ist jedoch zu beachten, dass die anderen Richtungskoppler 104_2 bis 104_N analog die gleichen Anschlüsse aufweisen und wie der Richtungskoppler 104_1 funktionieren, dessen Anschlüsse zum besseren Verständnis gekennzeichnet sind.
Die Ansteuer- und Auslesesignale werden über den gekoppelten Anschluss 103A der Richtungskoppler 104_1 bis 104_N zugeführt. Der isolierte Anschluss 103D des Richtungskopplers 104_2 bis 104_N wird durch ein 50-Ohm- (Ω) Abschlusselement abgeschlossen. Bei dem 50-Ohm- (Ω) Abschlusselement kann es sich um ein On-Chip-Abschlusselement oder um ein externes 50-Ω-Abschlusselement handeln. Das 50-Ω-Abschlusselement kann eine Last sein, beispielsweise eine ohmsche Last. Der Eingangsanschluss 103B des Richtungskopplers 104_1 bis 104_N ist mit den Qubit-Ausleseresonator-Systemen 102_1 bis 102_N verbunden. Die Dämpfung der Signale (Ansteuersignale und/oder Auslesesignale), die vom gekoppelten Anschluss 103A zum Eingangsanschluss 103B gekoppelt werden, liegt zwischen 10 und 30 Dezibel (dB).
Der Ausgangsanschluss 103C des Richtungskopplers 104_1 bis 104_N ist mit den On-Chip-Diplexern 106_1 bis 106_2 verbunden. Der Zweck der Diplexer 106_1 bis 106_2 besteht darin, die reflektierten Qubit-Impulse (d. h. reflektierte Ansteuersignale) zu dem Abschlusselement 50 Ω (On-Chip oder extern) zu leiten, so dass die reflektierten Qubit-Impulse abgeleitet werden, während die reflektierten Auslesesignale an die Ausgangsleitung/-kette (OUT) weitergeleitet werden. Die verschiedenen Auslesesignale, die die verschiedenen Diplexer 106_1 bis 106_N durchlaufen, werden unter Verwendung des Signalkombinierers 108 für Quantensignale (d. h. die reflektierten Auslesesignale) verknüpft, und der Signalkombinierer 108 verwendet Frequenz-Multiplexing zum Verknüpfen der verschiedenen (reflektierten) Auslesesignale auf einer einzigen Übertragungsleitung, die bei den Frequenzen f₁ , f₂ ,...f_N Auslesesignale führt. Die Auslesesignale können in Reihe, parallel oder in beliebiger Kombination angelegt werden. Die verschiedenen verknüpften Auslesesignale bei den Frequenzen f₁ , f₂ ,...f_N werden vom Signalkombinierer 108 an den Breitband-Richtungsverstärker 110 ausgegeben. Der Breitband-Richtungsverstärker 110 verstärkt die verknüpften Auslesesignale bei den Frequenzen f₁ , f₂ ,...f_N . Dem Breitband-Richtungsverstärker 110 kann ein On-Chip-Zirkulator 112 oder Isolator folgen, der die Quantensysteme (wie die Qubit-Hohlraum/Auslese-Resonatorsysteme 102_1 bis 102_N) vor Rauschen aus der Ausgangskette (d. h. OUT) schützt. Der On-Chip-Zirkulator 112 oder Isolator kann mit Dreiwellen-Mischeinheiten (z. B. parametrischen Josephson-Wandlern) und Hybriden oder unter Verwendung von Ferriten und Permanentmagneten realisiert werden.
Als Beispiel des Ansteuerns eines Qubit-Resonators von 2 erläutert das folgende Szenario das Ansteuern des Qubit-Resonator-Systems 102_1 mit dem Ausleseresonator 152_1 und dem supraleitenden Qubit 154_1, es gilt jedoch analog für das Ansteuern des Qubit-Resonator-Systems 102_2 bis 102_N mit den Ausleseresonatoren 152_2 bis 152_N bzw. dem supraleitenden Qubit 154_N. Das Qubit-Resonator-System 102_1, der Richtungskoppler 104_1 und der Diplexer 106_1 befinden sich alle in einer Eins-zu-Eins-Beziehung.
Jedes der Qubit-Resonator-Systeme 102_1 bis 102_N kann gleichzeitig, nahezu gleichzeitig und/oder in Reihe angesteuert werden. Jedes der Qubits 154_1 bis 154_N hat seine Resonanzfrequenz, die als Qubit-Frequenz oder Qubit-Resonanzfrequenz bezeichnet werden kann. So haben beispielsweise die Qubits 154_1 bis 154_N die Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN , wobei N die letzte Zahl ist. Diese Frequenzen können gleich oder unterschiedlich sein (d. h. nahe beieinander, z. B. um einige Megahertz getrennt, oder weit auseinander, z. B. um einige hundert Megahertz getrennt liegen), je nach dem jeweiligen Implementierungsschema des Quantenprozessors. In dem beispielhaften Szenario zum Ansteuern des Qubit-Resonator-Systems 102_1 hat das Qubit 154_1 die Qubit-Resonanzfrequenz f_q1 . Dementsprechend wird ein (Ansteuer-) Mikrowellensignal (Ton) mit der Frequenz f_q1 in den Koppelanschluss 103A des Breitband-Richtungskopplers 104_1 eingegeben, um das Qubit 154_1 in den gewünschten Zustand zu bringen/zu manipulieren. Der Breitband-Richtungskoppler 104_1 koppelt einen Teil des Mikrowellenansteuersignals (z. B. 1%) mit der Frequenz f_q1 an den Anschluss 103B des Breitband-Richtungskopplers 104_1 und leitet den Rest (oder fast den gesamten Rest) des Mikrowellenansteuersignals f_q1 am isolierten Anschluss 103D (der mit einem 50-Ω-Kaltabschlusselement verbunden ist) ab. Das Ansteuer-Mikrowellensignal bei der Frequenz f_q1 wird in das Qubit-Resonator-System 102_1 eingegeben und bewirkt, dass das Qubit 154_1 schwingt, weil das Ansteuer-Mikrowellensignal bei der Frequenz f_q1 der Qubit-Resonanzfrequenz f_q1 des Qubit 154_1 entspricht oder nahezu entspricht. Das reflektierte Mikrowellensignal mit der Frequenz f_q1 vom Qubit-Resonator-System 102_1 tritt in den Eingangsanschluss 103B des Breitband-Richtungskopplers 104_1 ein, und der größte Teil des Signals (z. B. 99%) tritt durch den Anschluss 103C aus. Der Breitband-Richtungskoppler 104_1 ist so konfiguriert, dass er das reflektierte (Ansteuer-) Mikrowellensignal mit der Frequenz f_q1 an den gemeinsamen Anschluss 105A des Diplexers 106_1 ausgibt. Der Diplexer 106_1 (zusammen mit den Diplexern 106_2 bis 106_N) verfügt über ein Tiefpassfilter, das am Anschluss 105B angeschlossen ist, und ein Hochpassfilter, das am Anschluss 105C angeschlossen ist. Das Tiefpassfilter ist so ausgelegt, dass es das reflektierte Ansteuer-Mikrowellensignal mit der Frequenz f_q1 an den Anschluss 105B weiterleitet, so dass das reflektierte Ansteuer-Mikrowellensignal mit der Frequenz f_q1 durch das 50-Ω-Kaltabschlusselement abgeleitet wird. Üblicherweise liegen die verschiedenen Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN für die jeweiligen Qubits 154_1 bis 154_N im Frequenzbereich von etwa 3,5 bis 5,5 Gigahertz (GHz). Dementsprechend liegen die Mikrowellensignale der Ansteuerung und die entsprechenden reflektierten Mikrowellensignale der Ansteuerung (bei den Qubits 154_1 bis 154_N) im Frequenzbereich von etwa 3,5 bis 5,5 Gigahertz (GHz). Das Tiefpassfilter in jedem der Diplexer 106_1 bis 106_N ist so ausgelegt, dass es die reflektierten Mikrowellensignale der Ansteuerung bei den Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN für die jeweiligen Qubits 154_1 bis 154_N durchlässt, so dass keine der Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN für die jeweiligen Qubits 154_1 bis 154_N den Signalkombinierer 108 erreicht. In einigen Implementierungen können die Tiefpassfilter so ausgelegt sein, dass sie Frequenzen unter 5,6 GHz durchlassen, damit sie die Qubit-Frequenzen im Frequenzbereich von etwa 3,5 bis 5,5 GHz durchlassen. Wenn in anderen Implementierungen die Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN kleiner als 5,0 GHz sind, können die Tiefpassfilter so ausgelegt werden, dass sie Frequenzen unter 5 GHz an den Anschluss 105B bis zum 50-Ω-Kaltabschluss-Element leiten.
Wenn die reflektierten Ansteuer-Mikrowellensignale bei Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN nicht durch den Diplexer 106_1 bis 106_N abgeleitet wurden, würde der Signalkombinierer 108 die Qubit Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN zurückweisen, und daher würden diese zurückgewiesenen Signale zurück zum Qubit-Resonator-System 102_1 bis 102_N reflektiert werden. Dies ist eine unerwünschte Situation und wird vermieden, indem das Tiefpassfilter am Anschluss 105B und das Hochpassfilter am Anschluss 105C vorgesehen sind, die die Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN zurückweisen.
Bei den Diplexern 106_1 bis 106_N handelt es sich um Einheiten mit 3 Anschlüssen mit Anschlüssen 105A, 105B und 105C. Lediglich der Diplexer 106_1 ist mit den Anschlüssen 105A bis 105C bezeichnet, um die Übersichtlichkeit der Figuren zu wahren. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die anderen Diplexer 106_2 bis 106_N in analoger Weise die gleichen Anschlüsse haben und genauso betrieben werden wie der Diplexer 106_1, dessen Anschlüsse bezeichnet sind.
In dem beispielhaften Szenario des Ansteuerns des Qubit 154_1 in dem Qubit-Resonator-System 102_1 wurde das reflektierte Ansteuer-Mikrowellensignal mit der Frequenz f_q1 abgeleitet, und das Ansteuern des Qubit 154_1 in dem Qubit-Resonator-System 102_1 ist beendet. Der gleiche Ansteuerprozess, der für das Qubit 154_1 in dem Qubit-Resonator-System 102_1 erörtert wurde, gilt für das Ansteuern der Qubits 154_2 bis 154_N in dem Qubit-Resonator-System 102_2 bis 102_N, jedoch mit den jeweiligen Qubit-Resonanzfrequenzen f_q2 bis f_qN und der jeweiligen Eingangsleitung.
Als Beispiel für das Auslesen eines Qubit-Resonators in 1 erklärt das folgende Szenario ein Auslesen des Qubit-Resonator-Systems 102_1 mit dem Ausleseresonator 152_1 und dem supraleitenden Qubit 154_1, es gilt jedoch analog für ein Auslesen der Qubit-Resonator-Systeme 102_2 bis 102_N mit den Ausleseresonatoren 152_2 bis 152_N bzw. den supraleitenden Qubits 154_2 bis 154_N. Der Zustand jedes der Qubits 154_1 bis 154_N kann gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig ausgelesen werden, indem die jeweiligen Ausleseresonatoren 152_1 bis 152_N ausgelesen werden. Jeder der Ausleseresonatoren 152_1 bis 152_N hat seine eigene Resonanzfrequenz, die als Ausleseresonator-Frequenz oder Ausleseresonator-Resonanzfrequenz bezeichnet werden kann. Beispielsweise haben die Ausleseresonatoren 152_1 bis 152_N (unterschiedliche) Ausleseresonator-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N , wobei N die letzte Zahl ist. In dem beispielhaften Szenario des Auslesens des Ausleseresonators 152_1 in dem Qubit-Resonator-System 102_1 hat der Ausleseresonator 152_1 die Ausleseresonator-Resonanzfrequenz f₁ . Dementsprechend wird ein (Auslese-) Mikrowellensignal (Tonsignal) mit der Frequenz f₁ in den Koppelanschluss 103A des Breitband-Richtungskopplers 104_1 eingegeben, um den Ausleseresonator 152_1 auszulesen. Der Breitband-Richtungskoppler 104_1 koppelt einen Teil des Mikrowellenauslesesignals bei f₁ zu dem Anschluss 103B des Breitband-Richtungskopplers 104_1 und leitet den Rest (oder fast den gesamten Rest) des Auslesesignals mit der Frequenz f₁ an dem isolierten Anschluss 103D ab (der mit einem 50-Ω-Kaltabschluss-Element verbunden ist). Das ausgelesene Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ wird in das Qubit-Resonator-System 102_1 eingegeben. An diesem Punkt ist der Prozess zum Eingeben des Ansteuer-Mikrowellensignals und des Auslese-Mikrowellensignals der gleiche. Das ausgelesene Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ , das in das Qubit-Resonator-System 102_1 eingegeben wird, bewirkt jedoch, dass der Auslese-Resonator 152_1 schwingt, weil das ausgelesene Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ mit der Ausleseresonator-Resonanzfrequenz f₁ des Ausleseresonators 152_1 übereinstimmt oder mit dieser nahezu übereinstimmt. Indem das ausgelesene Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ mit dem Ausleseresonator 152_1 in Resonanz ist, veranlasst dies den Ausleseresonator 152_1, ein reflektiertes (Ausleseresonator-) Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ zu übertragen. Das reflektierte ausgelesene Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ wird von dem Qubit-Resonator-System 102_1 wieder zu dem Eingangsanschluss 103B des Breitband-Richtungskopplers 104_1 ausgegeben. Der Breitband-Richtungskoppler 104_1 ist so konfiguriert, dass er den größten Teil des reflektierten ausgelesenen Mikrowellensignals mit der Frequenz f₁ an den Ausgangsanschluss 103C des Richtungskopplers 104_1 und anschließend an den gemeinsamen Anschluss 105A des Diplexers 106_1 ausgibt. Der Diplexer 106_1 (zusammen mit den Diplexern 106_2 bis 106_N) hat das Tiefpassfilter am Anschluss 105B und das Hochpassfilter am Anschluss 105C. Das Hochpassfilter ist so ausgelegt, dass es das reflektierte Ausleseresonator-Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ über den Anschluss 105C zum Anschluss 107_1 des Signalkombinierers 108 leitet, während das reflektierte Qubit-Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ gesperrt wird. Üblicherweise liegen die unterschiedlichen Auslese-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N für den jeweiligen Ausleseresonator 152_1 bis 152_N im Frequenzbereich von ungefähr 6 GHz oder höher. Die Ausleseresonatoren 152_1 bis 152_N sind so ausgelegt, dass sie unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Das Hochpassfilter in jedem der Diplexer 106_1 bis 106_N ist so ausgelegt, dass es die jeweiligen reflektierten ausgelesenen Mikrowellensignale bei den ausgelesenen Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N für die jeweiligen ausgelesenen Resonatoren 152_1 bis 152_N durchlässt, so dass jede der ausgelesenen Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N für die Ausleseresonatoren 152_1 bis 152_N den Signalkombinierer 108 erreichen. Beispielsweise können die Hochpassfilter so ausgelegt sein, dass sie Frequenzen über 6 GHz durchlassen.
Beispielhafte Einzelheiten der Diplexer 106_1 bis 106_N wurden zur Erläuterung veranschaulicht, aber die Implementierung der Diplexer 106_1 bis 106_N soll nicht eingeschränkt werden. So müssen die Diplexer 106_1 bis 106_N nicht unbedingt ein Tiefpassfilter und ein Hochpassfilter verwenden. In anderen Implementierungen können die Diplexer 106_1 bis 106_N Bandpassfilter verwenden, wobei ein Bandpassfilter, das im Bereich der Qubit-Frequenzen (f_q1 bis f_qN ) überträgt, am Anschluss 105B angeschlossen ist und ein weites Bandpassfilter, das im Bereich der Auslesefrequenzen (f₁ bis f_N ) überträgt, an 105C angeschlossen ist.
In dem beispielhaften Szenario des Ausleseresonators 152_1 im Qubit-Resonator-System 102_1 wurde das reflektierte Auslese-Mikrowellensignal bei der Frequenz f₁ in den Anschluss 107_1 des Signalkombinierers 108 eingegeben. Der Signalkombinierer 108 ist so konfiguriert, dass er das Mikrowellensignal mit der Frequenz f₁ vom Ausleseresonator 152_1 mit den ausgelesenen Mikrowellensignalen mit der Frequenz f₂ bis f_N von den Ausleseresonatoren 152_2 bis 152_N (die ebenfalls über die Anschlüsse 107_2 bis 107_N eingegeben wurden) verknüpft. Die verknüpften reflektierten Mikrowellensignale bei den Frequenzen f₁ bis f_N werden dann vom Anschluss 109 des Signalkombinierers 108 an den breitbandigen quantenlimitierten Richtungsverstärker 110 ausgegeben. Der Verstärker 110 ist so konfiguriert, dass er das verknüpfte reflektierte Mikrowellensignal der Frequenzen f₁ bis f_N verstärkt. Der Verstärker 110 wurde so ausgelegt, dass er innerhalb einer Bandbreite verstärkt, die die Auslesefrequenzen f₁ bis f_N abdeckt. Die verstärkten Mikrowellensignale der Frequenzen f₁ bis f_N werden an einen Breitband-Zirkulator 112 ausgegeben, der die verknüpften reflektierten Mikrowellensignale der Frequenzen f₁ bis f_N an eine mit OUT bezeichnete Übertragungsleitung weiterleitet.
Der gleiche Auslesevorgang, der für den Ausleseresonator 152_1 im Qubit-Resonator-System 102_1 erläutert wurde, gilt für das Auslesen der Ausleseresonatoren 152_2 bis 152_N im Qubit-Resonator-System 102_2 bis 102_N, jedoch mit den entsprechenden Auslese-Resonanzfrequenzen f₂ bis f_N .
Die integrierte Ansteuer- und Auslese-Schaltung 100 bietet je nach Ausführungsform viele Vorteile. Die Schaltung 100 kann vollständig auf einem Chip oder einer Leiterplatte integriert werden. Die Schaltung 100 minimiert die Anzahl der Ausgangsleitungen (OUT) und Steuerleitungen. Eine Steuerleitung für den quantenbegrenzten Verstärker 110 wäre lediglich dann erforderlich, wenn sich der quantenlimitierte Verstärker 110 auf dem Chip 100 befände, und 3 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem der quantenlimitierte Verstärker 110 nicht auf dem Chip 100 ist. Alle Komponenten sind beispielsweise passiv und benötigen keine Steuerleitungen, die Ansteuer- oder Steuersignale tragen, mit Ausnahme des Richtungsverstärkers (d. h. des quantenlimitierten Verstärkers 100) und des On-Chip-Zirkulators/Isolators (z. B. Zirkulator 112). Die Ansteuer- und Auslesetechnik mit der Schaltung 100 erfordert keinen Einsatz von Off-Chip-Zirkulatoren oder Isolatoren. Diese integrierte Schaltung 100 kann gut thermalisiert werden, da die Schaltung 100 keine große Anzahl von Zirkulatoren/Isolatoren benötigt, wie sie nach dem Stand der Technik erforderlich wäre. So erfordert beispielsweise das High-Fidelity-Messverfahren nach dem Stand der Technik für jedes der N-Qubit-Resonator-Systeme 102 zwei Zirkulatoren (bei Verwendung eines parametrischen Josephson-Verstärkers in der Ausgabekette) und drei Isolatoren pro Qubit-Resonator-System. Dementsprechend kann die Technik unter Verwendung der Schaltung 100 in Ausführungsformen eine geringere Masse und einen geringeren Platzbedarf aufweisen als Ansätze nach dem Stand der Technik, die kommerzielle kryogene Zirkulatoren und Isolatoren beinhalten. Weiterhin kann die Schaltung 100 eine geringe Einfügungsdämpfung aufweisen, z. B. weniger als (<) 2 Dezibel (dB), da sie mit supraleitenden Schaltungen oder sehr verlustarmen Normalmetall- und verlustarmen dielektrischen Komponenten realisiert werden kann. Die geforderte Verlustarmut ist notwendig, um den Verlust von Quanteninformationen in der Ausgabekette auf einen minimalen Wert zu bringen.
3 ist eine schematische Darstellung einer integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltungsanordnung 100 gemäß Ausführungsformen. In 3 sind auf der integrierten Schaltung 100 weniger Schaltelemente dargestellt als in den 1 und 2. 3 veranschaulicht die integrierte Schaltung 100 mit den Breitband-Richtungskopplern 104_1 bis 104_N, den Diplexern 106_1 bis 106_N und dem Signalkombinierer 108. In 3 fehlen auf dem Chip der quantenlimitierte Richtungsverstärker 110 und der Zirkulator 112. 3 veranschaulicht ein Beispiel mit einem Quantenprozessor 300, der funktionsmäßig mit der integrierten Schaltung 100 verbunden ist. Die Ansteuer- und Auslesefunktion in 3 ist identisch mit der in den 1 und 2 beschriebenen Funktion.
4 ist eine schematische Darstellung des Signalkombinierers 108 zum Verknüpfen von Quantensignalen (d. h. Mikrowellensignalen) gemäß Ausführungsformen. Der Signalkombinierer 108 ist so konfiguriert, dass er Frequenzmultiplexing verwendet, um verschiedene Frequenzen für verschiedene Mikrowellensignale einer einzelnen Ausgangsübertragungsleitung zuzuordnen. Der Signalkombinierer 108 enthält Bandpass-Mikrowellenfilter, die allgemein als Bandpassfilter 405 bezeichnet werden. Die verschiedenen Bandpassfilter 405 werden als Bandpassfilter 405_1 bis Bandpassfilter 405_N dargestellt. Jedes Bandpassfilter 405 hat ein anderes schmales Durchlassband, durch das Mikrowellensignale mit einer Frequenz im jeweiligen schmalen Durchlassband übertragen (d. h. durchgelassen) und Signale mit einer Frequenz außerhalb des jeweiligen schmalen Durchlassbandes reflektiert (d. h. gesperrt) werden. Das Bandpassfilter 405_1 hat ein eigenes schmales Durchlassband mit der Bandbreite 1 (BW₁ ), das Bandpassfilter 405_2 hat ein eigenes schmales Durchlassband mit der Bandbreite 2 (BW₂ ), und das Bandpassfilter 405_N hat ein eigenes schmales Durchlassband mit der Bandbreite N (BW_N ).
So ist beispielsweise das Bandpassfilter 405_1 mit einem Durchlassband (Frequenzband) so konfiguriert, dass ein (reflektiertes Auslese-) Mikrowellensignal 305_1 mit der Frequenz f₁ (entsprechend dem Ausleseresonator 152_1) durchgelassen (übertragen) wird, wobei alle anderen Mikrowellensignale 305_2 bis 305_N mit den Frequenzen f₂ bis f_N , die außerhalb des Durchlassbandes für das Bandpassfilter 405_1 liegen, gesperrt (reflektiert) werden. Ebenso ist das Bandpassfilter 405_2 mit einem Durchlassband (Frequenzband) so konfiguriert, dass es ermöglicht, dass ein (reflektiertes Auslese-) Mikrowellensignal 305_2 mit der Frequenz f₂ (entsprechend dem Ausleseresonator 152_2) durchgelassen (übertragen) wird, wobei alle anderen Mikrowellensignale 305_1, 305_3 bis 305_N mit den Frequenzen f₁ , f₃ bis f_N , die außerhalb des Durchlassbandes für das Bandpassfilter 405_2 liegen, gesperrt (reflektiert) werden. Analog dazu ist das Bandpassfilter 405_N mit einem Durchlassband (Frequenzband) so konfiguriert, dass ein (reflektiertes Auslese-) Mikrowellensignal 305_N mit der Frequenz f_N (entsprechend dem Ausleseresonator 152_N) durchgelassen (übertragen) wird, aber alle anderen Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N-1 mit den Frequenzen f₁ bis f_N-1 , die außerhalb des Durchlassbandes für das Bandpassfilter 405_N liegen, gesperrt (reflektiert) werden. Die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N werden allgemein als Mikrowellensignale 305 bezeichnet. Wenn die Qubit-Resonator-Quantensysteme 102_1 bis 102_N funktionsmäßig mit dem Signalkombinierer 108 verbunden sind, können die Mikrowellensignale 305 bei den jeweiligen Frequenzen f₁ bis f_N liegen, die für das Auslesen von Qubits (über Ausleseresonatoren oder Hohlräume) vorgesehen sind, wie es für einen Fachmann klar ist.
Der Signalkombinierer 108 enthält die Anschlüsse 107_1 bis 107_N, die einzeln mit den jeweiligen Bandpassfiltern 405_1 bis 405_N verbunden sind. In dem Signalkombinierer 108 ist der Anschluss 107_1 mit dem Bandpassfilter 405_1, der Anschluss 107_2 mit dem Bandpassfilter 405_2 und der Anschluss 107_N mit dem Bandpassfilter 405_N verbunden. Jeder Anschluss 107_1 bis 107_N ist mit einem Ende der eigenen Bandpassfilter 405_1 bis Bandpassfilter 405_N verbunden. Das andere Ende der Bandpassfilter 405_1 bis 405_N ist über einen gemeinsamen Knoten 415 mit einem gemeinsamen Anschluss 109 verbunden. Der gemeinsame Knoten 415 kann ein gemeinsamer Anschlusspunkt, eine gemeinsame Übertragungsleitung, ein gemeinsamer Leiter usw. als gemeinsamer Standort für die elektrische Verbindung sein. Der gemeinsame Anschluss 109 ist mit jedem Bandpassfilter 405_1 bis Bandpassfilter 405_N verbunden, während die einzelnen Anschlüsse 107_1 bis 107_N (lediglich) mit ihrem jeweiligen Bandpassfilter 405_1 bis Bandpassfilter 405_N verbunden sind.
Da die Bandpassfilter 405_1 bis 405_N lediglich jeweils reflektierte Auslesemikrowellensignale 305_1 bis 305_N im jeweiligen Durchlassbereich übertragen, ist der Signalkombinierer 108 so konfiguriert, dass jeder Bandpassfilter 405_1 bis Bandpassfilter 405_N ein anderes Frequenzband (oder Teilband) abdeckt, so dass keines der Durchlassbänder (der Bandpassfilter 405) überlappt. Dementsprechend ist jeder Anschluss 107_1 bis Anschluss 107_N voneinander isoliert, weil er mit seinem jeweiligen Bandpassfilter 405_1 bis 405_N verbunden ist, so dass kein Mikrowellensignal 305 durch einen Anschluss 107 über den gemeinsamen Knoten 415 in einen anderen Anschluss 107 gelangt. Somit ist jeder Anschluss 107 von anderen Anschlüssen 107 isoliert und so ausgelegt, dass er sein eigenes Mikrowellensignal 305 mit einer vordefinierten Frequenz (oder innerhalb eines vordefinierten Frequenzbandes) überträgt, da er mit seinem eigenen Bandpassfilter 405 verbunden ist. Dementsprechend sind die Bandpassfilter 405_1 bis 405_N für das Bereitstellen der Isolation zwischen den Anschlüssen 107-1 bis 107_N zuständig.
Die jeweiligen Anschlüsse 107, Bandpassfilter 405, der gemeinsame Knoten 415 und der gemeinsame Anschluss 109 sind über Übertragungsleitungen 30 miteinander verbunden. Die Übertragungsleitung 30 kann eine Streifenleitung, ein Mikrostreifenleiter, ein koplanarer Wellenleiter usw. sein. Die Mikrowellen-Bandpassfilter 405 werden mit verlustfreien oder verlustarmen konzentrierten Elementen wie supraleitenden Induktivitäten, supraleitenden Spalt-Kondensatoren und/oder Plattenkondensatoren, passiven supraleitenden Elementen konzipiert und implementiert. Zu den supraleitenden Elementen gehören Induktivitäten mit konzentrierten Elementen, Mäanderleitungen, kinetische Induktivitätsleitungen, Spalt-Kondensatoren, ineinandergreifende (interdigitale) Kondensatoren und/oder Plattenkondensatoren (mit verlustarmen Dielektrika). Weitere mögliche Implementierungen der Bandpassfilter sind gekoppelte Leitungsfilter und/oder kapazitiv gekoppelte Reihenresonatoren.
Der Signalkombinierer 108 ist mit dem Frequenzverhältnis f₁ < f₂ < ...< f_N konfiguriert, wobei jede Frequenz f₁ , f₂ , ... f_N die Mittenfrequenz der Bandpassfilter 405_1 bis 405_N ist. Der Signalkombinierer 108 ist so konfiguriert, dass er die folgende Ungleichung erfüllt $\frac{B W_{j} + B W_{i}}{2} < | f_{j} - f_{i} |$
wobei i, j = 1, 2, ...N und j ≠ i. Diese Ungleichheit erfordert, dass der Frequenzabstand zwischen den Mittenfrequenzen jedes Paares von Bandpassfiltern ihre durchschnittlichen Bandbreiten überschreitet. Mit anderen Worten, die Ungleichheit stellt sicher, dass keines der Bandpassfilter überlappende Bandbreiten (d. h. Frequenzbereiche) hat. Beispielsweise kann ein Bandpassfilter 405 ein Durchlassband von 1 Megahertz (MHz) haben, ein anderes Bandpassfilter 405 kann ein Durchlassband von 10 MHz aufweisen, ein weiteres Bandpassfilter 405 kann ein Durchlassband von 100 MHz aufweisen, usw.
5 ist eine schematische Darstellung des Signalkombinierers 108 für Quantensignale gemäß Ausführungsformen. Der Signalkombinierer 108 enthält alle hierin beschriebenen Merkmale. Darüber hinaus enthält der Signalkombinierer 108 zusätzliche Merkmale, um eine Impedanzanpassung für ein Durchleiten von Mikrowellensignalen sicherzustellen (d. h. Reflexionen entlang des Signalwegs auf einen minimalen Wert zu bringen) und außerdem die Verbindung mehrerer Zweige/Leitungen mit dem gemeinsamen Knoten 415 zu ermöglichen.
In 5 sind Impedanzwandler 505_1 bis 505_N jeweils zwischen den jeweiligen Anschlüssen 107_1 bis 107_N und ihren zugehörigen Bandpassfiltern 405_1 bis 405_N hinzugefügt. Außerdem enthält der Signalkombinierer 108 einen Breitband-Impedanzwandler 510, der mit dem gemeinsamen Knoten 415 und dem gemeinsamen Anschluss 109 verbunden ist. Die Impedanzwandler 505_1 bis 505_N und der Impedanzwandler 510 sind so konfiguriert, dass sie eine Impedanzanpassung bereitstellen. An einem Ende des Signalkombinierers 108 sind die Impedanzwandler 505_1 bis 505_N so gebildet, dass sie der Eingangsimpedanz Z₀ der Anschlüsse 107_1 bis 107_N entsprechen (oder nahezu entsprechen) und der dem Bandpassfilter 405_1 bis 405_N zugeordneten charakteristischen Impedanz entsprechen. Jeder der Impedanzwandler 505_1 bis 505_N ist mit einer charakteristischen Impedanz Z=V(Z₀ Z_H ) konfiguriert, wobei Z₀ die Eingangsimpedanz (sowie die Ausgangsimpedanz) ist, wobei Z_H die hohe Impedanz der Bandpassfilter 405_1 bis 405_N ist und wobei Z die Impedanz der einzelnen Impedanzwandler 505_1 bis 505_N ist. Die mittlere charakteristische Impedanz Z ist die Quadratwurzel des Produkts aus Z₀ und Z_H . Jeder der Wandler zur Impedanzanpassung 505_1 bis 505_N hat eine Länge entsprechend seiner eigenen jeweiligen Beziehung λ₁ /4, λ₂ /4,...,λ_N/4, wobei λ₁ die Wellenlänge des Mikrowellensignals 305_1 ist, λ₂ die Wellenlänge des Mikrowellensignals 305_2 ist und λ_N die Wellenlänge des Mikrowellensignals 305_N ist. Diese Impedanzwandler haben im Allgemeinen geringe Bandbreiten. Ein Grund, warum ein Wandeln der Impedanz der Einheitenanschlüsse Z₀ auf die hohe charakteristische Impedanz Z_H im Bereich des gemeinsamen Knotens sinnvoll sein kann, besteht darin, dass im Allgemeinen hochohmige Übertragungsleitungen wie beispielsweise eine Mikrostrip- oder Streifenleitung schmale Signalleitungen aufweisen, die wiederum die physische Größe des gemeinsamen Knotens auf einen minimalen Wert bringen und es ermöglichen, mehr Leitungen an diesem Knoten zusammenzufügen. Dies ist besonders relevant, wenn die Bandpassfilter als gekoppelte Netzfilter und/oder kapazitiv gekoppelte Resonatoren ausgeführt sind. Wenn jedoch alle Bandpassfilter mit konzentrierten Elementen (mit sehr geringem Platzbedarf) implementiert werden, werden solche Impedanzwandlungen möglicherweise weniger benötigt.
In einer Implementierung können die Impedanzwandler 505_1 bis 505_N impedanzangepasste Übertragungsleitungen sein, d. h., die konisch sind, wobei ein Ende eine große Breite hat, die an die Eingangsimpedanz Z₀ angepasst ist, und das gegenüberliegende Ende eine geringe Breite hat, die an die hohe Impedanz Z_H der Bandpassfilter 405 angepasst ist.
In einer Implementierung kann es sich bei dem Breitband-Impedanzwandler 510 um eine impedanzangepasste Übertragungsleitung handeln, bei der ein Ende eine geringe Breite hat, die an die hohe Impedanz Z_H der Bandpassfilter 405 (über den gemeinsamen Knoten 415) angepasst ist, während das andere Ende eine große Breite hat, die an die Ausgangsimpedanz Z₀ angepasst ist. Ein solcher Breitband-Impedanzwandler 510 kann mit konischen Übertragungsleitungen realisiert werden, z. B. Übertragungsleitungen, deren Breite adiabatisch auf der Skala der maximalen Signalwellenlänge verändert wird. Andere Implementierungen von konischen Leitungen, die einem Fachmann bekannt sind, sind ebenfalls möglich, z. B. der Exponentialkegel oder der Klopfenstein-Kegel. Außerdem ist zu beachten, dass die Breitband-Anforderung an diesen Impedanzwandler im Vergleich zu den anderen Wandlern 505 daraus resultiert, dass dieser Breitband-Wandler 510 die charakteristische Impedanz für ein breites Band von über ihn übertragenen Signalfrequenzen anpassen muss, im Gegensatz zu den Impedanzwandlern 505, die lediglich die Impedanz für einen engen Frequenzbereich anpassen müssen, der um die entsprechende Mittenfrequenz des jeweiligen Bandpasses zentriert ist.
5 veranschaulicht ein besonderes Beispiel für eine Impedanzanpassung, und es ist zu beachten, dass das allgemeine Schema des Kombinierers 108 nicht auf diese spezielle Implementierung beschränkt ist. So können beispielsweise in einigen Implementierungen die Bandpassfilter 405 die gleiche charakteristische Impedanz wie der Anschluss Z₀ (107) aufweisen, und Impedanzwandler werden zwischen den Bandpassfiltern 405 und der hohen Impedanz Z_H eingebaut, die mit dem gemeinsamen Knoten 109 verbunden ist.
Die Impedanzbezeichnung Z₀ ist die charakteristische Impedanz an den Anschlüssen 107_1 bis 107_N und am Anschluss 109 (das können die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse sein). So kann beispielsweise an jedem der Anschlüsse 107 und 109 die charakteristische Impedanz Z₀ 50 Ohm (Ω) betragen, wie einem Fachmann klar ist.
Es ist zu beachten, dass N jeweils die letzte der Frequenzen, Mikrowellensignale 305, Bandpassfilter 405 und Impedanzwandler 505_N darstellt. Außerdem stellt N das letzte von Qubit-Resonator-Systemen 102, Ausleseresonatoren 152, Qubits 154, Richtungskopplern 104, Diplexern 106 usw. dar.
Die Schaltungselemente der Schaltung 100 können aus supraleitendem Werkstoff bestehen. Die jeweiligen Anschlüsse 107, Bandpassfilter 405, der gemeinsame Knoten 415, der gemeinsame Anschluss 109, der Impedanzwandler 505 und die Übertragungsleitungen 30 sind aus supraleitenden Werkstoffen gefertigt. Darüber hinaus sind die Qubit-Resonator-Systeme 102, Ausleseresonatoren 152, Qubits 154, Richtungskoppler 104, Diplexer 106, der Verstärker 110 und der Zirkulator 112 aus supraleitenden Werkstoffen gefertigt. Beispiele für supraleitende Werkstoffe (bei niedrigen Temperaturen wie etwa 10 bis 100 Millikelvin (mK) oder etwa 4 K) sind Niob, Aluminium, Tantal usw. So bestehen beispielsweise die Josephson-Übergänge aus supraleitendem Werkstoff, und ihre Tunnelübergänge können aus einer dünnen Tunnelbarriere wie beispielsweise einem Oxid bestehen. Die Kondensatoren können aus supraleitendem Werkstoff hergestellt werden, die durch verlustarmen dielektrischen Werkstoff getrennt sind. Die Übertragungsleitungen (d. h. Leiter), die die verschiedenen Elemente verbinden, bestehen aus einem supraleitenden Werkstoff.
6 ist ein Ablaufplan 600 eines Verfahrens zum Bilden einer integrierten Ansteuer- und Auslese-Schaltung/Baugruppe 100 gemäß Ausführungsformen. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen von Richtungskopplern 104_1 bis 104_N, die so konfiguriert sind, dass sie mit den Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N im Block 602 verbunden werden, Verbinden von Diplexern 106_1 mit den Richtungskopplern 104_1 bis 104_N im Block 604 und Verbinden eines Mikrowellen-Signalkombinierers 108 mit jedem der Diplexer 106_1 bis 106_N im Block 606.
Jeder der Richtungskoppler 104_1 bis 104_N enthält einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss. Der erste Anschluss 103A ist so konfiguriert, dass er ein Qubit-Signal und ein Auslesesignal empfängt, der zweite Anschluss 103B kann mit den Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N verbunden werden, der dritte Anschluss 103C kann mit den Diplexern 106_1 bis 106_N verbunden werden, und der vierte Anschluss 103D ist ein isolierter Anschluss.
Die Diplexer 106_1 bis 106_N enthalten jeweils einen Tiefpassfilter-Anschluss 105B, einen Hochpassfilter-Anschluss 105C und einen gemeinsamen Anschluss (C) 105A. Der gemeinsame Anschluss ist so konfiguriert, dass er sowohl niedrige als auch hohe Frequenzbänder unterstützt, die dem Tiefpassband-Anschluss bzw. dem Hochpassband-Anschluss zugehörig sind. Der gemeinsame Anschluss 105A der Diplexer 106_1 bis 106_N ist mit den Richtungskopplern 104_1 bis 104_N verbunden.
Die Diplexer 106_1 bis 106_N sind so konfiguriert, dass sie ein reflektiertes Ansteuer-Mikrowellensignal zu dem Tiefpassfilter-Anschluss 105B leiten, wo der Tiefpassfilter-Anschluss 105B mit einem Abschlusspunkt (z. B. 50-Ω-Abschlusselement) verbunden ist. Der Hochpassfilter-Anschluss 105C ist mit dem Signalkombinierer 108 verbunden. Der Mikrowellensignal-Kombinierer 108 ist so konfiguriert, dass er Mikrowellensignale von jedem der Diplexer 106_1 bis 106_N verknüpft, wie in 1 dargestellt. Der Mikrowellensignal-Kombinierer 108 ist so konfiguriert, dass er verknüpfte Mikrowellensignale (z. B. verknüpfte Mikrowellensignale mit den Frequenzen f₁ bis f_N ) an einen quantenlimitierten Verstärker 110 ausgibt. Der quantenlimitierte Verstärker 110 ist so konfiguriert, dass er die verknüpften Mikrowellensignale verstärkt und die verknüpften Mikrowellensignale an einen Zirkulator 112 ausgibt.
7 ist ein Ablaufplan 700 eines Verfahrens zum Ansteuern von Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N gemäß Ausführungsformen. Das Verfahren beinhaltet Übertragen von (Ansteuer-) Mikrowellensignalen (bei den Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN ) an die Qubit-Resonator-Systeme 102_1 bis 102_N durch Richtungskoppler 104_1 bis 104_N (im Block 702), Empfangen durch die Richtungskoppler 104_1 bis 104_N, von reflektierten (Ansteuer-) Mikrowellensignalen (bei den Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN ) von den Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N (im Block 704) und Empfangen der übertragenen (Ansteuer-) Mikrowellensignale von den Richtungskopplern 104_1 bis 104_N (im Block 706) durch die Diplexer 106_1 bis 106_N. Mit anderen Worten, die von den Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N reflektierten Signale werden durch den Richtungskoppler 104_1 bis 104_N übertragen. Die Diplexer 106_1 bis 106_N sind so konfiguriert, dass sie die reflektierten (Ansteuer-) Mikrowellensignale (bei den Qubit-Resonanzfrequenzen f_q1 bis f_qN ) an einen abschließenden Anschluss (z. B. 50-Ω-Kaltabschlusselement) zu leiten.
8 ist ein Ablaufplan 800 eines Verfahrens zum Auslesen von Qubit-Resonator-Systemen (d. h. Ableiten des Zustands der supraleitenden Qubits 154_1 bis 154_N durch Auslesen der Ausleseresonatoren 152_1 bis 152_N) gemäß Ausführungsformen. Das Verfahren beinhaltet Übertragen von (Auslese-) Mikrowellensignalen (bei den Auslese-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N ) an die Qubit-Resonator-Systeme 102_1 bis 102_N (im Block 802) und Empfangen von reflektierten (Auslese-) Mikrowellensignalen (bei den Auslese-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N ) von den Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N (im Block 804) durch Richtungskoppler 104_1 bis 104_N. Außerdem beinhaltet das Verfahren Empfangen der übertragenen Auslese-Mikrowellensignale (bei den Auslese-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N ) durch die Richtungskoppler 104_1 bis 104_N (im Block 806) und Empfangen der übertragenen Auslese-Mikrowellensignale (bei den Auslese-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N ) durch den Mikrowellen-Signalkombinierer 108 von den Diplexern 106_1 bis 106_N (im Block 808). Es wird darauf hingewiesen, dass die übertragenen Auslese-Mikrowellensignale (bei den Auslese-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N ) zuvor von den Qubit-Resonator-Systemen 102_1 bis 102_N reflektierte (Auslese-) Mikrowellensignale waren.
Der Mikrowellen-Signalkombinierer 108 ist so konfiguriert, dass er die mehreren übertragenen Mikrowellensignale zu mehreren Mikrowellensignalen (bei den Auslesefrequenzen f₁ bis f_N ) verknüpft. Weiterhin beinhaltet das Verfahren Übertragen der verknüpften Auslese-Mikrowellensignale (mit den Auslese-Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N ) durch den Mikrowellen-Signalkombinierer 108 zu einem quantenlimitierten Verstärker 110 (im Block 810).
Zu den technischen Wirkungen und Vorteilen gehören Verfahren und Strukturen für eine skalierbare Qubit-Ansteuer- und Auslese-Schaltung. Diese Strukturen können vollständig auf einem Chip oder einer Leiterplatte integriert werden. Zu technischen Vorteilen gehört ein Minimieren der Anzahl von Ausgangs- und Steuerleitungen. Darüber hinaus gehört zu den technischen Wirkungen und Vorteilen eine Struktur, die eine geringere Masse hat, besser thermalisiert werden kann und einen geringeren Platzbedarf hat als Systeme, die kommerzielle kryogene Zirkulatoren und Isolatoren beinhalten.
Der Ausdruck „etwa“ und Variationen davon sollen den Fehlergrad bei der Messung der bestimmten Größe auf der Grundlage der Ausrüstung beinhalten, die zum Zeitpunkt der Einreichung der Anmeldung verfügbar war. Zum Beispiel kann „etwa“ einen Bereich von ± 8% oder 5% oder 2% einer gegebenen Größe enthalten.
Die Ablaufpläne und die Blockschaltbilder bzw. Schaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder Blockschaltbildern bzw. Schaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Anweisungen darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Ausführung der bestimmten logischen Funktion(en) aufweisen. In einigen alternativen Ausführungen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren gezeigt stattfinden. Zwei nacheinander gezeigte Blöcke können zum Beispiel in Wirklichkeit im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal je nach entsprechender Funktionalität in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ferner anzumerken, dass jeder Block der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder und/oder der Ablaufpläne sowie Kombinationen aus Blöcken in den Blockschaltbildern bzw. Schaubildern und/oder den Ablaufplänen durch spezielle auf Hardware beruhende Systeme umgesetzt werden können, welche die festgelegten Funktionen oder Schritte durchführen, oder Kombinationen aus Spezial-Hardware und Computeranweisungen ausführen.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden für Zwecke der Erläuterung dargestellt, es ist jedoch nicht vorgesehen, dass sie für die erläuterten Ausführungsformen erschöpfend oder einschränkend sein sollen. Viele Modifikationen und Variationen werden einem Fachmann offensichtlich erscheinen, ohne vom Umfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hier verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserungen gegenüber am Markt vorhandenen Technologien am besten zu erklären oder um andere Fachleute zu befähigen, die hier erläuterten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Integrierte Ansteuer- und Ausleseschaltungsanordnung, wobei die Anordnung aufweist: Richtungskoppler, die so konfiguriert sind, dass sie mit Qubit-Resonatorsystemen verbinden; Diplexer, die mit den Richtungskopplern verbunden sind; und einen Mikrowellen-Signalkombinierer, der mit den Diplexern verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei jeder der Richtungskoppler einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss enthält.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei der erste Anschluss so konfiguriert ist, dass er ein Qubit-Signal und ein Auslesesignal empfängt, der zweite Anschluss mit den Qubit-Resonator-Systemen verbindbar ist, der dritte Anschluss mit den Diplexern verbindbar ist und der vierte Anschluss ein isolierter Anschluss ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Diplexer einen Tiefpassbandanschluss, einen Hochpassbandanschluss und einen gemeinsamen Anschluss enthalten, wobei der gemeinsame Anschluss so konfiguriert ist, dass er sowohl Tief- als auch Hochfrequenzbänder unterstützt, die dem Tiefpassbandanschluss bzw. dem Hochpassbandanschluss zugehörig sind.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei der gemeinsame Anschluss der Diplexer mit den Richtungskopplern verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Diplexer so konfiguriert sind, dass sie ein reflektiertes Ansteuer-Mikrowellensignal zu dem Tiefpassbandanschluss leiten, wobei der Tiefpassbandanschluss mit einem Abschluss verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Hochpassbandanschluss mit dem Mikrowellensignal-Kombinierer verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikrowellensignal-Kombinierer so konfiguriert ist, dass er Mikrowellensignale von den Diplexern verknüpft.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Mikrowellensignal-Kombinierer so konfiguriert ist, dass er verknüpfte Mikrowellensignale an einen quantenlimitierten Verstärker ausgibt.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei der quantenlimitierte Verstärker so konfiguriert ist, dass er die verknüpften Mikrowellensignale verstärkt und die verknüpften Mikrowellensignale, die verstärkt wurden, an einen Zirkulator ausgibt.
Verfahren zum Bilden einer integrierten Ansteuer- und Ausleseschaltungsanordnung, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen von Richtungskopplern, die so konfiguriert sind, dass sie eine Verbindung zu Qubit-Resonator-Systemen herstellen; Verbinden von Diplexern mit den Richtungskopplern; und Verbinden eines Mikrowellen-Signalkombinierers mit den Diplexern.
Verfahren nach Anspruch 11, worin jeder der Richtungskoppler einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Anschluss so konfiguriert ist, dass er ein Qubit-Signal und ein Auslesesignal empfängt, der zweite Anschluss mit den Qubit-Resonator-Systemen verbindbar ist, der dritte Anschluss mit den Diplexern verbindbar ist und der vierte Anschluss ein isolierter Anschluss ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Diplexer einen Tiefpassband-Anschluss, einen Hochpassband-Anschluss und einen gemeinsamen Anschluss enthalten, wobei der gemeinsame Anschluss so konfiguriert ist, dass er sowohl Tief- als auch Hochfrequenzbänder unterstützt, die dem Tiefpassband-Anschluss bzw. dem Hochpassband-Anschluss zugehörig sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der gemeinsame Anschluss der Diplexer mit den Richtungskopplern verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Diplexer so konfiguriert sind, dass sie ein reflektiertes Ansteuer-Mikrowellensignal zu dem Tiefpassband-Anschluss richten, wobei der Tiefpassband-Anschluss mit einem Abschluss verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei der Hochpassband-Anschluss mit dem Mikrowellensignal-Kombinierer verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der Mikrowellensignal-Kombinierer so konfiguriert ist, dass er Mikrowellensignale von den Diplexern verknüpft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei der Mikrowellensignal-Kombinierer so konfiguriert ist, dass er verknüpfte Mikrowellensignale an einen quantenlimitierten Verstärker ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 19, worin der quantenlimitierte Verstärker so konfiguriert ist, dass er die verknüpften Mikrowellensignale verstärkt und die verknüpften Mikrowellensignale, die verstärkt wurden, an einen Zirkulator ausgibt.
Chip, der eine integrierte Schaltungsanordnung live and random in einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Chip nach Anspruch 21, der ferner einen quantenlimitierten Verstärker aufweist, der mit dem Mikrowellensignal-Kombinierer verbunden ist.
Chip nach Anspruch 22, der ferner einen Isolator aufweist, der mit dem quantenlimitierten Verstärker verbunden ist.
Verfahren zum Ansteuern von Qubit-Resonatorsystemen: Senden von Mikrowellensignalen durch die Richtungskoppler an die Qubit-Resonator-Systeme; Empfangen der von den Qubit-Resonator-Systemen zurückreflektierten Mikrowellensignale durch die Richtungskoppler; und Empfangen der Mikrowellensignale von den Richtungskopplern durch die Diplexer, wobei die Diplexer so konfiguriert sind, dass sie die Mikrowellensignale zu einem Abschluss leiten.
Verfahren zum Auslesen von Qubit-Resonatorsystemen über eine integrierte Schaltungsanordnung drive and random, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20 gebildet ist, wobei das Verfahren aufweist: Senden von Mikrowellensignalen durch die Richtungskoppler an die Qubit-Resonator-Systeme; Empfangen der von den Qubit-Resonator-Systemen zurückreflektierten Mikrowellensignale durch die Richtungskoppler; Empfangen der Mikrowellensignale von den Richtungskopplern durch die Diplexer; Empfangen der Mikrowellensignale von den Diplexern durch den Mikrowellensignal-Kombinierer, wobei der Mikrowellensignal-Kombinierer so konfiguriert ist, dass er die Mikrowellensignale zu verknüpften Mikrowellensignalen verknüpft; und Senden der verknüpften Mikrowellensignale durch den Mikrowellensignal-Kombinierer zu einem quantenlimitierten Verstärker.