RU2780666C1 - Dual-electrode fast flow-tuned superconducting qubit based on kinetic inductance - Google Patents

Dual-electrode fast flow-tuned superconducting qubit based on kinetic inductance Download PDF

Info

Publication number
RU2780666C1
RU2780666C1 RU2021118012A RU2021118012A RU2780666C1 RU 2780666 C1 RU2780666 C1 RU 2780666C1 RU 2021118012 A RU2021118012 A RU 2021118012A RU 2021118012 A RU2021118012 A RU 2021118012A RU 2780666 C1 RU2780666 C1 RU 2780666C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
qubit
electrode
kinetic
frequency
josephson
Prior art date
Application number
RU2021118012A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Валентинович Устинов
Илья Станиславович Беседин
Илья Николаевич Москаленко
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант")
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант")
Application granted granted Critical
Publication of RU2780666C1 publication Critical patent/RU2780666C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: dual-electrode fast flow-tuned superconducting qubit based on kinetic inductance relates to systems for quantum information processing based on superconducting qubits. The technical result is achieved by the qubit containing two kinetic inductors; wherein the first electrode of the tunnelling Josephson junction is connected to the first electrode of the first kinetic inductor; the second electrode of the tunnelling Josephson junction is connected to the first electrode of the second kinetic inductor; and the second electrodes of the first and second kinetic inductors are interconnected and grounded.
EFFECT: improvement in the coherent properties of the qubit, simplified system for controlling the qubit, and facilitated scaling.
3 cl, 7 dwg

Description

Двухэлектродный быстроперестраиваемый по потоку сверхпроводниковый кубит на основе кинетической индуктивности (далее двухэлектродный кубит) относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров и(или) квантовых симуляторов, работающих при температурах ниже 20 мК, с улучшенными когерентными свойствами и возможностью контроля.A two-electrode flux-tunable superconducting qubit based on kinetic inductance (hereinafter referred to as a two-electrode qubit) refers to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors and (or) quantum simulators operating at temperatures below 20 mK, with improved coherence and controllability.

Известно устройство (сверхпроводниковый кубит), описанное в работе Hanhee Paik, et. al., «Observation of High Coherence in Josephson Junction Qubits Measured in a Three-Dimensional Circuit QED Architecture)), Phys. Rev. Lett. 107, 240501, представляющее собой не перестраиваемый по частоте сверхпроводниковый кубит-трансмон, изготовленный из алюминия на диэлектрической подложке и помещенный в центре трехмерного микроволнового резонатора. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, с джозефсоновской энергией EJ, шунтированный большой емкостью с зарядовой энергией EC. Параметры эквивалентной электрической схемы устройства подобраны таким образом, что ее гамильтониан эквивалентен гамильтониану слабо ангармонического осциллятора. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров с частотой основного перехода выше 6,5 ГГц и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.Known device (superconducting qubit), described in Hanhee Paik, et. al., "Observation of High Coherence in Josephson Junction Qubits Measured in a Three-Dimensional Circuit QED Architecture)", Phys. Rev. Lett. 107, 240501, which is a non-tunable superconducting transmon qubit made of aluminum on a dielectric substrate and placed in the center of a three-dimensional microwave resonator. The equivalent electrical circuit of the device includes a non-linear Josephson junction with Josephson energy E J , shunted with a large charge energy capacitance E C . The parameters of the equivalent electrical circuit of the device are chosen in such a way that its Hamiltonian is equivalent to the Hamiltonian of a weakly anharmonic oscillator. The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors with a fundamental transition frequency above 6.5 GHz and anharmonicity of the order of several hundred megahertz.

Недостатками данного устройства являются высокая частота основного перехода кубита-трансмона, что влечет за собой снижение его когерентных свойств из-за высоких диэлектрических потерь в поверхностном слое, и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, а также отсутствие индивидуальных линий контроля частоты кубита и использование трехмерного резонатора для считывания состояний системы, что затрудняет процесс масштабирования для создания многокубитных схем. Низкий ангармонизм кубита-трансмона также ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.The disadvantages of this device are the high frequency of the fundamental transition of the qubit-transmon, which entails a decrease in its coherent properties due to high dielectric losses in the surface layer, and the need to use a heterodyne circuit to generate microwave pulse signals exciting the qubit, as well as the absence of individual frequency control lines. qubit and the use of a 3D resonator to read system states, making it difficult to scale up to create multi-qubit circuits. The low anharmonicity of the transmon qubit also limits the performance of single-qubit and two-qubit gate operations.

Известны устройства, описанные в работе Place, А.Р.М., Rodgers, L.V.H., Mundada, P. et al. «New material platform for superconducting transmon qubits with coherence times exceeding 0.3 milliseconds)). Nat Commun 12, 1779 (2021), используемые в качестве неперестраиваемых по частоте сверхпроводниковых кубитов-трансмонов, изготовленных в виде интегральной электрической цепи на диэлектрической подложке, емкостно связанных с индивидуальным копланарным резонатором для считывания состояний кубитов. Эквивалентная электрическая схема системы включает в себя джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, шунтированный двумя большими емкостями, изготовленными из тантала на диэлектрической подложке из сапфира. Параметры системы подобраны таким образом, что ее гамильтониан эквивалентен гамильтониану слабо ангармонического осциллятора. Описанные устройства относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и могут использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров с частотой основного перехода в диапазоне от 3,1 до 5,5 ГГц и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.Known devices are described in Place, A.P.M., Rodgers, L.V.H., Mundada, P. et al. "New material platform for superconducting transmon qubits with coherence times exceeding 0.3 milliseconds)). Nat Commun 12, 1779 (2021), used as non-tunable superconducting transmon qubits, made in the form of an integrated electric circuit on a dielectric substrate, capacitively coupled to an individual coplanar resonator to read the states of the qubits. The equivalent electrical circuit of the system includes a Josephson junction providing non-linearity shunted by two large capacitances made of tantalum on a sapphire dielectric substrate. The parameters of the system are chosen in such a way that its Hamiltonian is equivalent to the Hamiltonian of a weakly anharmonic oscillator. The described devices relate to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors with a fundamental transition frequency in the range from 3.1 to 5.5 GHz and anharmonicity of the order of several hundred megahertz .

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода кубитов, что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, а также отсутствие индивидуальных линий контроля частоты кубита, что затрудняет процесс масштабирования для создания многокубитных схем. Низкий ангармонизм системы также ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.The disadvantages of this system are the high frequency of the fundamental transition of qubits, which entails high dielectric losses in the surface layer and the need to use a heterodyne circuit to generate microwave pulse signals that excite the qubit, as well as the absence of individual qubit frequency control lines, which complicates the scaling process for creating multi-qubit circuits. . The low anharmonicity of the system also limits the performance of one-qubit and two-qubit gate operations.

Известно устройство, описанное в работе J. Koch et al, "Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box," Phys. Rev. A 76, 042319 (2007), представляющее собой сверхпроводниковый кубит-трансмон, допускающий возможность емкостной связью с индивидуальным копланарным резонатором для считывания состояний кубита, а также возможность реализации в виде интегральной электрической цепи на диэлектрической подложке. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя два туннельных джозефсоновских контакта, обеспечивающих нелинейность, соединенных параллельно, для формирования замкнутого контура, и шунтированных большой емкостью. Магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, используется для контроля частоты кубита и может создаваться при помощи индуктивно связанной потоковой линии. Параметры системы подобраны таким образом, что ее гамильтониан эквивалентен гамильтониану слабо ангармонического осциллятора. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода выше 4 ГГц, и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.A known device is described in J. Koch et al, "Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box," Phys. Rev. A 76, 042319 (2007), which is a superconducting transmon qubit that allows capacitive coupling with an individual coplanar resonator to read the states of the qubit, as well as the possibility of being implemented as an integrated electric circuit on a dielectric substrate. The equivalent electrical circuit of the device includes two tunnel Josephson junctions providing non-linearity, connected in parallel to form a closed loop, and shunted with a high capacitance. The magnetic flux through the closed loop is used to control the frequency of the qubit and can be generated using an inductively coupled flux line. The parameters of the system are chosen in such a way that its Hamiltonian is equivalent to the Hamiltonian of a weakly anharmonic oscillator. The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors with a tunable fundamental transition frequency above 4 GHz and anharmonicity of the order of several hundred megahertz.

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода (выше 4 ГГц), что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов. Низкий ангармонизм системы ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.The disadvantages of this system are the high frequency of the fundamental transition (above 4 GHz), which entails high dielectric losses in the surface layer and the need to use a heterodyne circuit to generate microwave pulse signals exciting the qubit. The low anharmonicity of the system limits the speed of single-qubit and two-qubit gate operations.

Известно устройство, описанное в работе Yan, F., Gustavsson, S., Kamal, A. et al. The flux qubit revisited to enhance coherence and reproducibility. Nat Commun 7, 12964 (2016), представляющее собой сверхпроводниковый емкостно шунтированный потоковый кубит, изготовленный в виде интегральной электрической цепи на диэлектрической подложке, емкостно связанный с индивидуальным копланарным резонатором для считывания состояний кубита. Эквивалентная электрическая схема системы включает в себя джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность и шунтированный большой емкостью, и подключенный параллельно двум последовательно соединенным джозефсоновским контактам большего размера, для образования замкнутого контура. Магнитный поток, пронизывающий замкнутый контр используется для контроля частоты потокового кубита. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода выше 4 ГГц (минимальная частота достигается в точке вырождения магнитного потока, когда магнитный поток в контуре системы равен половине кванта магнитного потока), и ангармонизмом выше нескольких гигагерц.A known device is described in Yan, F., Gustavsson, S., Kamal, A. et al. The flux qubit revisited to enhance coherence and reproducibility. Nat Commun 7, 12964 (2016), which is a superconducting capacitively shunted flow qubit, made in the form of an integrated electrical circuit on a dielectric substrate, capacitively coupled to an individual coplanar resonator for reading the states of the qubit. The system equivalent circuit diagram includes a non-linear Josephson junction shunted with high capacitance and connected in parallel with two larger Josephson junctions in series to form a closed loop. The magnetic flux penetrating the closed counter is used to control the frequency of the flux qubit. The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors with a tunable fundamental transition frequency above 4 GHz (the minimum frequency is reached at the magnetic flux degeneration point, when the magnetic the flux in the system circuit is equal to half of the magnetic flux quantum), and the anharmonicity is higher than several gigahertz.

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода (выше 4 ГГц), что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, а также использование магнитной петли, установленной над чипом непосредственно возле места расположения кубита, для создания магнитного потока в замкнутом контуре, что затрудняет возможное масштабирование системы, так как магнитное поле, создаваемое такой петлей, не локальное.The disadvantages of this system are the high frequency of the main transition (above 4 GHz), which entails high dielectric losses in the surface layer and the need to use a heterodyne circuit to generate microwave pulse signals exciting the qubit, as well as the use of a magnetic loop installed above the chip directly near the location qubit to create a magnetic flux in a closed loop, which makes it difficult to scale the system, since the magnetic field generated by such a loop is not local.

Известно устройство, описанное в патенте US 20200287540 A1, представляющее собой индуктивно шунтированный кубит-трансмон. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя зарядовый кубит, состоящий из джозефсоновского контакта, обеспечивающего нелинейность, с джозефсоновской энергией EJ, шунтированного одной или несколькими емкостями с емкостной энергией EC, такой что отношение EJ/EC больше 5, а также цепочку из нескольких джозефсоновских контактов большего размера с джозефсоновской энергией EJ', такой что EJ' больше чем EJ, подключенную параллельно джозефсоновскому контакту зарядового кубита и одной или нескольким емкостям зарядового кубита, таким образом, что цепочка джозефсоновских контактов и джозефсоновский контакт зарядового кубита формируют замкнутый контур, при этом суммарная индуктивная энергия цепочки этих контактов EL для разных воплощений системы может лежать в пределах лежала в пределе от 0.8EJ до 1.2 EJ. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода выше 4 ГГц (минимальная частота достигается в точке вырождения магнитного потока, когда магнитный поток в контуре системы равен половине кванта магнитного потока) и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.A device is known, described in US patent 20200287540 A1, which is an inductively shunted transmon qubit. The equivalent electrical circuit of the device includes a charge qubit consisting of a non-linear Josephson junction with Josephson energy E J shunted by one or more capacitors with capacitive energy E C such that the ratio E J /E C is greater than 5, and a chain of several larger Josephson junctions with Josephson energy E J' , such that E J' is greater than E J , connected in parallel with the Josephson junction of the charge qubit and one or more capacitances of the charge qubit, such that the chain of Josephson junctions and the Josephson junction of the charge qubit form a closed circuit, while the total inductive energy of the chain of these contacts E L for different embodiments of the system can lie within the range from 0.8E J to 1.2 E J . The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors with a tunable fundamental transition frequency above 4 GHz (the minimum frequency is reached at the magnetic flux degeneration point, when the magnetic the flux in the system circuit is equal to half of the magnetic flux quantum) and an anharmonicity of the order of several hundred megahertz.

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода (выше 4 ГГц), что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое, и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов. Низкий ангармонизм системы также ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.The disadvantages of this system are the high frequency of the main transition (above 4 GHz), which entails high dielectric losses in the surface layer, and the need to use a heterodyne circuit to generate microwave pulse signals exciting the qubit. The low anharmonicity of the system also limits the performance of one-qubit and two-qubit gate operations.

Известно устройство, описанное в работе Pop, I., Geerlings, K., Catelani, G. et al. Coherent suppression of electromagnetic dissipation due to superconducting quasiparticles. Nature 508, 369-372 (2014), представляющее собой кубит-флуксониум изготовленный из алюминия на диэлектрической подложке, индуктивно связанный с микроволновой антенной через общие джозефсоновские контакты, и расположенный в центре медного трехмерного волновода. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя маленький джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, с джозефсоновской энергией EJ, соединенный параллельно с супериндуктором, изготовленным из линейного массива больших джозефсоновских контактов с джозефсоновской энергией каждого контакта больше чем EJ, таким образом, что образуется замкнутый контур для создания внешнего магнитного потока катушкой, расположенной снаружи медного волновода, причем суммарная индуктивная энергия супериндуктора EL много меньше EJ. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода менее 1 ГГц (минимальная частота достигается в точке вырождения магнитного потока в контуре системы) и ангармонизмом выше 1 ГГц.A known device is described in Pop, I., Geerlings, K., Catelani, G. et al. Coherent suppression of electromagnetic dissipation due to superconducting quasiparticles. Nature 508, 369-372 (2014), which is a fluxonium qubit made of aluminum on a dielectric substrate, inductively coupled to a microwave antenna through common Josephson junctions, and located in the center of a copper three-dimensional waveguide. The equivalent electrical circuit of the device includes a small non-linear Josephson junction with a Josephson energy E J connected in parallel with a superinductor made from a linear array of large Josephson junctions with a Josephson energy of each contact greater than E J , such that a closed loop is formed for creating an external magnetic flux by a coil located outside the copper waveguide, and the total inductive energy of the superinductor E L is much less than E J . The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors with a tunable fundamental transition frequency of less than 1 GHz (the minimum frequency is reached at the magnetic flux degeneration point in the system circuit ) and anharmonicity above 1 GHz.

Недостатком данной системы является сложность масштабирования, обусловленная использованием трехмерного волновода, для считывания состояний системы, а также отсутствие индивидуальных линий контроля состоянием кубита и индивидуальных линий для быстрой перестройки частоты кубита, вместо которых используется внешняя магнитная катушка.The disadvantage of this system is the complexity of scaling due to the use of a three-dimensional waveguide to read the states of the system, as well as the absence of individual lines for monitoring the state of the qubit and individual lines for quick tuning of the qubit frequency, instead of which an external magnetic coil is used.

Известно устройство, описанное в патенте US 20180054201 А1, представляющее собой перестраиваемый по потоку кубит с несколькими джозефсоновскими контактами и двумя контурами для создания внешнего магнитного потока. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя индуктор, подключенный между первым узлом схемы и вторым узлом схемы; конденсатор, подключенный параллельно индуктору между первым и вторым узлом системы, первый джозефсоновский переход, соединенный параллельно с индуктором между первым узлом схемы и вторым узлом схемы; и второй джозефсоновский переход включенный параллельно индуктору между первым узлом схемы и вторым узлом схемы, таким образом что образуются два замкнутых контура для создания внешнего магнитного потока в системе. Параметры системы могут быть выбраны таким образом, что в зависимости частоты основного перехода (между основным и первым возбужденным состоянием) от внешнего магнитного потока будет наблюдаться несколько точек, в которых частота основного перехода будет в первом порядке не чувствительна к изменению внешнего магнитного потока. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, при этом частота основного перехода в области вырождения магнитного потока может быть получена менее 1 ГГц, а ангармонизм в тоже время может быть выше 1 ГГц.A device is known, described in US patent 20180054201 A1, which is a flux-tunable qubit with several Josephson junctions and two circuits for creating an external magnetic flux. The equivalent electrical circuit of the device includes an inductor connected between the first circuit node and the second circuit node; a capacitor connected in parallel with the inductor between the first and second circuit nodes, a first Josephson junction connected in parallel with the inductor between the first circuit node and the second circuit node; and a second Josephson junction connected in parallel with the inductor between the first circuit node and the second circuit node, so that two closed loops are formed to create an external magnetic flux in the system. The system parameters can be chosen in such a way that, depending on the frequency of the main transition (between the ground and the first excited state) on the external magnetic flux, several points will be observed at which the frequency of the main transition will be in the first order insensitive to changes in the external magnetic flux. The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors, while the main transition frequency in the magnetic flux degeneracy region can be obtained less than 1 GHz, and anharmonicity in the time can also be above 1 GHz.

Недостатком данной системы является излишняя сложность управления, так как для полного контроля частоты системы и реализации всех преимуществ конструкции требуется либо одновременный контроль магнитного потока в двух контурах, для чего необходимо иметь две индуктивно связанные с системой линии перестройки внешнего магнитного потока, либо требуется соблюдение соотношений джозефсоновских энергий переходов и/или площадей контуров равным целочисленным значениям с точностью до 10%, что является не простой технологической задачей. Использование дополнительных точек, не чувствительных к изменению внешнего магнитного потока, подразумевает работу с частотой выше 1 ГГц, что вызывает необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, в отличие от точки вырождения магнитного потока, в которой частота системы может быть получена ниже 1 ГГц. Индуктивная связь с линиями перестройки внешнего магнитного потока подразумевает малую величину взаимной индукции контура системы и управляющей линии, что приводит к необходимости подачи больших управляющих токов.The disadvantage of this system is the excessive complexity of control, since in order to fully control the frequency of the system and realize all the advantages of the design, either simultaneous control of the magnetic flux in two circuits is required, for which it is necessary to have two lines of tuning of the external magnetic flux inductively coupled to the system, or compliance with the Josephson ratios is required. transition energies and/or contour areas equal to integer values with an accuracy of 10%, which is not a simple technological task. The use of additional points that are not sensitive to changes in the external magnetic flux implies operation at a frequency above 1 GHz, which necessitates the use of a heterodyne circuit for generating microwave pulse signals that excite the qubit, in contrast to the magnetic flux degeneracy point, at which the system frequency can be obtained below 1 GHz. Inductive connection with the tuning lines of the external magnetic flux implies a small amount of mutual induction of the system circuit and the control line, which leads to the need to supply large control currents.

Известно устройство (сверхпроводниковый кубит), описанное в работе Long В. Nguyen, et al., High-Coherence Fluxonium Qubit, Phys. Rev. X 9, 041041, Nov 2019, представляющее собой кубит-флуксониум, шунтированный большой емкостью, изготовленный на чипе и размещенный в медном трехмерном резонаторе для считывания его состояний. Эквивалентная схема устройства включает в себя туннельный джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, шунтированный большой емкостью, и соединенный параллельно с кинетическим индуктором, сформированным из линейного массива джозефсоновских контактов большего размера, так что формируется замкнутый контур для создания внешнего магнитного потока катушкой, расположенной снаружи трехмерного резонатора. При специальном выборе параметров электрической цепи частота основного перехода кубита в точке вырождения магнитного потока может лежать ниже 1 ГГц, а ангармонизм в тоже время может быть выше 1 ГГц. При низкой частоте основного перехода кубита уменьшаются диэлектрические потери в поверхностном слое, вследствие чего улучшаются когерентные свойства системы (время когерентности и время релаксации более 200 мкс). Контроль частоты кубита осуществляется при помощи изменения внешнего магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур кубита. В данном устройстве для создания и изменения внешнего магнитного потока используется инертная магнитная катушка, установленная снаружи трехмерного резонатора, и создающая магнитное поле во всем его объеме. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров.A known device (superconducting qubit) is described in Long B. Nguyen, et al., High-Coherence Fluxonium Qubit, Phys. Rev. X 9, 041041, Nov 2019, which is a high-capacity shunted fluxonium qubit fabricated on a chip and placed in a 3D copper resonator to read its states. The equivalent circuit of the device includes a tunnel Josephson junction providing non-linearity, shunted with a large capacitance, and connected in parallel with a kinetic inductor formed from a linear array of larger Josephson junctions, so that a closed loop is formed to generate an external magnetic flux by a coil located outside the three-dimensional resonator. With a special choice of the parameters of the electric circuit, the frequency of the main qubit transition at the magnetic flux degeneracy point can lie below 1 GHz, while the anharmonicity can at the same time be above 1 GHz. At a low frequency of the fundamental transition of the qubit, dielectric losses in the surface layer decrease, as a result of which the coherent properties of the system improve (the coherence time and relaxation time are more than 200 μs). The qubit frequency is controlled by changing the external magnetic flux penetrating the closed circuit of the qubit. In this device, to create and change the external magnetic flux, an inert magnetic coil is used, which is installed outside the three-dimensional resonator and creates a magnetic field in its entire volume. The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors.

Недостатком устройства является сложность масштабирования, обусловленная использованием трехмерного резонатора, для считывания состояний системы, а также отсутствие индивидуальных линий контроля состояния кубита (линии возбуждения), и индивидуальных линий для быстрой индивидуальной перестройки его частоты (потоковые линии смещения), вместо которых используется инертная внешняя магнитная катушка.The disadvantage of the device is the complexity of scaling due to the use of a three-dimensional resonator to read the states of the system, as well as the absence of individual lines for monitoring the state of the qubit (excitation lines), and individual lines for fast individual tuning of its frequency (flux bias lines), instead of which an inert external magnetic field is used. coil.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является устройство, описанное в работе Helin Zhang, et. al. «Universal Fast-Flux Control of a Coherent, Low-Frequency Qubit», Phys. Rev. X 11, 011010, 15 January 2021, представляющее собой кубит-флуксониум, шунтированный большой емкостью, изготовленный в планарной архитектуре и емкостно связанный с копланарным резонатором для считывания состояний кубита. Эквивалентная схема устройства включает в себя туннельный джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, шунтированный большой емкостью, и соединенный параллельно с кинетическим индуктором, сформированным из линейного массива джозефсоновских контактов большего размера, так что формируется замкнутый контур для создания внешнего магнитного потока индуктивно связанной линией контроля потока. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, при этом частота основного перехода в области вырождения магнитного потока составляет величину несколько десятков мегагерц, а ангармонизм системы выше 1 ГГц. Низкая частота основного перехода кубита приводит к уменьшению диэлектрических потерь в поверхностном слое, вследствие чего улучшаются когерентные свойства системы (время когерентности и время релаксации более 200 мкс).The closest technical solution to the proposed (prototype) is the device described in Helin Zhang, et. al. "Universal Fast-Flux Control of a Coherent, Low-Frequency Qubit", Phys. Rev. X 11, 011010, 15 January 2021, which is a high capacitance shunted fluxonium qubit fabricated in planar architecture and capacitively coupled to a coplanar resonator to read qubit states. The equivalent circuit of the device includes a tunnel Josephson junction providing non-linearity, shunted with a large capacitance, and connected in parallel with a kinetic inductor formed from a linear array of larger Josephson junctions, so that a closed loop is formed to create an external magnetic flux by an inductively coupled flux control line. The described device relates to quantum information processing systems based on superconducting qubits and can be used as a basic element (qubit) for building and creating superconducting quantum processors, while the frequency of the main transition in the region of magnetic flux degeneracy is several tens of megahertz, and the anharmonicity of the system is higher 1 GHz. The low frequency of the fundamental transition of the qubit leads to a decrease in dielectric losses in the surface layer, as a result of which the coherent properties of the system improve (the coherence time and relaxation time are more than 200 μs).

Недостатком прототипа является слишком низкая частота основного перехода 14 МГц, что приводит к большой термической заселенности первого возбужденного состояния даже при работе в криостате растворения при температурах порядка нескольких десятков милликельвин и требует реализации протоколов предварительной инициализации кубита в основном состоянии, в прототипе использовались высокие энергетические уровни системы, для чего производилась одновременная подача двух микроволновых сигналов на частоте выше нескольких гигагерц, что подразумевает использование гетеродинной схемы для формирования микроволновых импульсов, а значит, использование дополнительного источника микроволнового сигнала и дополнительных каналов генератора сигналов произвольной формы. Маленькая величина индуктивной связи контура кубита и потоковой линии, приводит к необходимости подачи больших управляющих токов для создания постоянного магнитного потока в контуре кубита, в отличие от случая использования гальванически связанных потоковых линий, это также привело к необходимости использования дополнительного микроволнового канала в криостате растворения для быстрой перестройки магнитного потока в контуре кубита и выполнения однокубитных операций. Низкая частота основного перехода кубита ограничивает скорость проведения однокубитных вентильных операций, как упомянуто в статье время однокубитных операций варьируется от 17,87 нс до 78,11 нс.The disadvantage of the prototype is the too low fundamental transition frequency of 14 MHz, which leads to a large thermal population of the first excited state even when operating in a dissolution cryostat at temperatures of the order of several tens of millikelvins and requires the implementation of protocols for preliminary initialization of the qubit in the ground state, the prototype used high energy levels of the system , for which two microwave signals were simultaneously applied at a frequency above several gigahertz, which implies the use of a heterodyne circuit for the formation of microwave pulses, which means the use of an additional source of a microwave signal and additional channels of an arbitrary waveform generator. The small value of the inductive coupling of the qubit circuit and the flow line leads to the need to supply large control currents to create a constant magnetic flux in the qubit circuit, in contrast to the case of using galvanically coupled flow lines, this also led to the need to use an additional microwave channel in the dissolution cryostat for fast restructuring the magnetic flux in the qubit circuit and performing single-qubit operations. The low fundamental transition frequency of the qubit limits the speed of single-qubit gate operations, as mentioned in the article, the time of single-qubit operations varies from 17.87 ns to 78.11 ns.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение когерентных свойств кубита, упрощение системы управления кубитом и упрощение процесса масштабирования.The purpose of the invention is to improve the coherent properties of the qubit, simplify the qubit control system and simplify the scaling process.

Техническим результатом является разработка двухэлектродного кубита с частотой основного перехода ниже 1 ГГц, и ангармонизмом выше 1 ГГц, обладающего улучшенными когерентными свойствами, позволяющего осуществить масштабирование для создания многокубитных систем, а также имеющего возможность реализации и использования индивидуальных линий контроля состоянием кубита и/или индивидуальных гальванически встроенных линий для быстрой перестройки частоты кубита, что упрощает систему управления кубитом.The technical result is the development of a two-electrode qubit with a fundamental transition frequency below 1 GHz and an anharmonicity above 1 GHz, which has improved coherent properties, which allows scaling to create multi-qubit systems, as well as having the ability to implement and use individual lines for monitoring the state of the qubit and/or individual galvanic built-in lines for quick tuning of the qubit frequency, which simplifies the qubit control system.

Технический результат достигается тем, что кубит содержит два кинетических индуктора, при этом первый электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом первого кинетического индуктора, второй электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом второго кинетического индуктора, а вторые электроды первого и второго кинетических индукторов соединены между собой и заземлены, таким образом, что два кинетических индуктора и туннельный джозефсоновский контакт формируют замкнутый контур, причем в замкнутый контур между двумя кинетическими индукторами гальванически встроена линия контроля магнитного потока, кроме того, распределенные взаимные емкости на землю каждого из электродов туннельного джозефсоновского контакта используются для прямой емкостной связи с индивидуальным считывающим резонатором и прямой емкостной связи с соседними кубитами.The technical result is achieved by the fact that the qubit contains two kinetic inductors, while the first electrode of the Josephson tunnel junction is connected to the first electrode of the first kinetic inductor, the second electrode of the Josephson tunnel junction is connected to the first electrode of the second kinetic inductor, and the second electrodes of the first and second kinetic inductors are connected between and grounded, so that the two kinetic inductors and the tunnel Josephson junction form a closed loop, and in the closed loop between the two kinetic inductors a magnetic flux control line is galvanically built in, in addition, the distributed mutual capacitances to the ground of each of the electrodes of the tunnel Josephson junction are used for direct capacitive coupling with an individual readout resonator and direct capacitive coupling with neighboring qubits.

Сущность изобретения поясняется чертежами:The essence of the invention is illustrated by drawings:

на фиг. 1 - эквивалентная схема двухэлектродного кубита;in fig. 1 - equivalent circuit of a two-electrode qubit;

на фиг. 2 - спектр (уровни энергии) двухэлектродного кубита в зависимости от внешнего магнитного потока Фх для характерных параметров;in fig. 2 - spectrum (energy levels) of a two-electrode qubit depending on the external magnetic flux Ф x for characteristic parameters;

на фиг. 3 - пример подключения индивидуальной гальванически встроенной линии для быстрой перестройки частоты кубита;in fig. 3 - an example of connecting an individual galvanically built-in line for fast tuning of the qubit frequency;

на фиг. 4 - расчет зависимости времени релаксации двухэлектродного кубита от внешнего магнитного потока Фх в контуре кубита для характерных параметров системы: EJ=2,24 ГГц,

Figure 00000001
где:
Figure 00000002
- квант магнитного потока,
Figure 00000003
- постоянная планка, с - скорость света, е - заряд электрона), С1,2=70,1 фФ, CJ=1,3 фФ и величины взаимной индуктивности М=20 пГн;in fig. 4 - calculation of the dependence of the relaxation time of the two-electrode qubit on the external magnetic flux Ф x in the qubit circuit for the characteristic parameters of the system: E J =2.24 GHz,
Figure 00000001
where:
Figure 00000002
- quantum of magnetic flux,
Figure 00000003
- bar constant, c - speed of light, e - electron charge), C 1.2 \u003d 70.1 fF, C J \u003d 1.3 fF and mutual inductance M \u003d 20 pH;

на фиг. 5 - гетеродинная схема формирования управляющих микроволновых сигналов для кубитов с частотой выше 1 ГГц;in fig. 5 - heterodyne circuit for generating control microwave signals for qubits with a frequency above 1 GHz;

на фиг. 6 - упрощенная схема формирования микроволновых импульсных сигналов для кубитов с частотой ниже 1 ГГц;in fig. 6 is a simplified diagram of the formation of microwave pulse signals for qubits with a frequency below 1 GHz;

на фиг. 7а - двухэлектродный кубит, емкостно связанный с четвертьволновым резонатором (аналогичная связь возможна с другими кубитами);in fig. 7a - two-electrode qubit capacitively coupled to a quarter-wave resonator (similar coupling is possible with other qubits);

на фиг. 7б - пример топологии (приведен не в масштабе) двухэлектродного кубита, емкостно связанного с четвертьволновым резонатором.in fig. 7b is an example topology (not to scale) of a two-electrode qubit capacitively coupled to a quarter-wavelength resonator.

Эквивалентная электрическая схема двухэлектродного кубита изображена на фиг. 1,The equivalent electrical circuit of a two-electrode qubit is shown in Fig. one,

где 1 и 2 - первый и второй электроды туннельного джозефсоновского контакта Jf, обеспечивающего нелинейность, с энергией EJ и эквивалентной емкостью CJ; C1 и С2 распределенные взаимные емкости на землю электродов 1 и 2 туннельного джозефсоновского контакта соответственно;where 1 and 2 - the first and second electrodes of the tunnel Josephson contact J f providing nonlinearity, with energy E J and equivalent capacitance C J ; C 1 and C 2 distributed mutual capacitances to the ground electrodes 1 and 2 tunnel Josephson junction, respectively;

L1 и L2 - кинетические индукторы (изготовленные из материалов с большой кинетической индуктивностью или линейных массивов туннельных джозефсоновских контактов большой площади, например 1000×500 нм, с числом контактов больше 20), соединенные с первым и вторым электродом туннельного джозефсоновского контакта, таким образом, что образуется замкнутый контур, а электрод между L1 и L2 с противоположенной стороны от туннельного джозефсоновского контакта заземлен;L 1 and L 2 are kinetic inductors (made of materials with high kinetic inductance or line arrays of large area Josephson tunnel junctions, for example 1000×500 nm, with more than 20 contacts) connected to the first and second electrodes of the Josephson tunnel junction, thus that a closed circuit is formed, and the electrode between L 1 and L 2 on the opposite side of the Josephson tunnel contact is grounded;

Фх - внешний магнитный поток в контуре кубита, позволяющий перестраивать частоту основного перехода.Ф x - external magnetic flux in the circuit of the qubit, which allows you to tune the frequency of the main transition.

Для определения параметров системы, таких как частота основного перехода и ангармонизм, необходимо записать ее Гамильтониан. Данная цепь имеет две степени свободы. Сначала задаются обобщенные переменные потока для каждого узла (узел 1 и 2 на фиг. 1) системы ϕ1, ϕ2, соответствующие напряжениям

Figure 00000004
и записывается ее лагранжиан как: L=Т-U, в результате получим:To determine the parameters of the system, such as the fundamental transition frequency and anharmonicity, it is necessary to write down its Hamiltonian. This chain has two degrees of freedom. First, generalized flow variables are set for each node (nodes 1 and 2 in Fig. 1) of the system ϕ 1 , ϕ 2 corresponding to stresses
Figure 00000004
and its Lagrangian is written as: L=T-U, as a result we get:

Figure 00000005
Figure 00000005

После этого выполняется переход к физически более обоснованным переменным

Figure 00000006
связанным с нормальными модами линеаризованной схемы в отсутствие беспорядка (под отсутствием беспорядка подразумевается равенство кинетических индукторов L1=L2=L, и распределенных взаимных емкостей С12=С, обозначения соответствуют введенным на фиг. 1). Переход осуществляется с помощью соотношений:After that, the transition to physically more substantiated variables is performed
Figure 00000006
associated with the normal modes of the linearized circuit in the absence of disorder (the absence of disorder means the equality of the kinetic inductors L 1 =L 2 =L, and the distributed mutual capacitances C 1 =C 2 =C, the designations correspond to those introduced in Fig. 1). The transition is carried out using the relations:

Figure 00000007
Figure 00000007

Мода

Figure 00000008
связана с разностью фаз на джозефсоновском контакте (обозначен Jf - на фиг. 1) и, таким образом, является нелинейной, мода
Figure 00000009
не смещает переход и, следовательно, является полностью гармонической модой. Таким образом, в отсутствие беспорядка гамильтониан системы может быть записан как:Fashion
Figure 00000008
is related to the phase difference across the Josephson junction (denoted by J f - in Fig. 1) and, thus, is non-linear, the mode
Figure 00000009
does not shift the transition and is therefore a fully harmonic mode. Thus, in the absence of disorder, the Hamiltonian of the system can be written as:

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

где

Figure 00000013
- оператор Гамильтона квантового осциллятора;where
Figure 00000013
is the Hamilton operator of the quantum oscillator;

Figure 00000014
- оператор Гамильтона традиционного кубита-флуксониума;
Figure 00000014
is the Hamiltonian operator of the traditional fluxonium qubit;

Figure 00000015
- операторы числа куперовских пар, канонически сопряженные
Figure 00000016
соответственно.
Figure 00000015
are operators of the number of Cooper pairs, canonically conjugate
Figure 00000016
respectively.

Здесь также введены безразмерные переменные внешнего магнитного потока

Figure 00000017
(обозначение Фх соответствует введенному на фиг. 1), индуктивная энергия EL=(Ф0/2π)2/L (L - индуктивность), эквивалентная зарядовая энергия моды флуксониума
Figure 00000018
где Cf=(C+CJ)/2, эквивалентная зарядовая энергия гармонической моды
Figure 00000019
Мода флуксониума играет роль кубита.Here we also introduced the dimensionless variables of the external magnetic flux
Figure 00000017
(the designation Ф x corresponds to that introduced in Fig. 1), inductive energy E L =(Ф 0 /2π) 2 /L (L is the inductance), the equivalent charge energy of the fluxonium mode
Figure 00000018
where C f =(C+C J )/2, the equivalent charge energy of the harmonic mode
Figure 00000019
The fluxonium mode plays the role of a qubit.

Спектр системы, представленный на фиг. 2, в зависимости от внешнего потока Фx получен для численной модели с параметрами: EJ=2,24 ГГц,

Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000022
The spectrum of the system shown in Fig. 2, depending on the external flow Ф x obtained for the numerical model with parameters: E J =2.24 GHz,
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000022

Собственные значения на графике отмечены

Figure 00000023
где nh - число заполнения гармонической моды, а
Figure 00000024
- число заполнения моды флуксониума. Из графика видно, что частота гармонической моды (переход |0,0> - >|1,0>) равна 2,0 ГГц, частота основного перехода моды флуксониума (переход |0,0> - >|0,1>) изменяется от 625 МГц в точке вырождения внешнего магнитного потока
Figure 00000025
до 3,31 ГГц при нулевом значении внешнего магнитного потока, ангармонизм моды флуксониума (разность частот переходов |0,1> - >|0,2> и |0,0> - >|0,1>) в точке вырождения внешнего магнитного потока
Figure 00000026
составляет величину порядка 1,9 ГГц.Eigenvalues on the graph are marked
Figure 00000023
where n h is the occupation number of the harmonic mode, and
Figure 00000024
is the filling number of the fluxonium mode. It can be seen from the graph that the frequency of the harmonic mode (transition |0.0> - >|1.0>) is 2.0 GHz, the frequency of the main transition of the fluxonium mode (transition |0.0> - >|0.1>) changes from 625 MHz at the degeneracy point of the external magnetic flux
Figure 00000025
up to 3.31 GHz at zero value of the external magnetic flux, the anharmonicity of the fluxonium mode (the difference between the frequencies of the transitions |0.1> - >|0.2> and |0.0> - >|0.1>) at the point of degeneracy of the external magnetic flow
Figure 00000026
is about 1.9 GHz.

Как видно из графика (см фиг. 2), частота основного перехода моды флуксониума системы в точке вырождения магнитного потока равна 625 МГц, а ангармонизм составляет величину порядка 1,9 ГГц. Таким образом, система позволяет реализовать сверхпроводниковый кубит с частотой основного перехода ниже 1 ГГц, что позволит уменьшить диэлектрические потери в поверхностном слое, и ангармонизмом выше 1 ГГц, что снижает ограничение на время выполнения однокубитных операций до нескольких наносекунд. На фиг. 3 представлен вариант гальванического подключения потоковой линии создания и контроля магнитного потока в контуре системы с величиной взаимной индуктивности М, такой что М << L1,2, обозначение соответствует введенному на фиг. 2. Lf - индуктивность фильтра, установленного в линии контроля магнитного потока (может отсутствовать в реальном исполнении).As can be seen from the graph (see Fig. 2), the frequency of the main transition of the system fluxonium mode at the magnetic flux degeneracy point is 625 MHz, and the anharmonicity is about 1.9 GHz. Thus, the system makes it possible to implement a superconducting qubit with a fundamental transition frequency below 1 GHz, which will reduce dielectric losses in the surface layer, and anharmonicity above 1 GHz, which reduces the limitation on the execution time of single-qubit operations to several nanoseconds. In FIG. 3 shows a variant of galvanic connection of a flux line for creating and controlling a magnetic flux in the system circuit with a mutual inductance M such that M << L 1.2 , the designation corresponds to that entered in FIG. 2. L f - inductance of the filter installed in the magnetic flux control line (may be absent in the real version).

Оценка ограничения времени релаксации кубита из-за гальванической связи с потоковой линией производится согласно формуле:The limitation of the qubit relaxation time due to galvanic coupling with the flow line is estimated according to the formula:

Figure 00000027
Figure 00000027

где

Figure 00000028
- матричный элемент потока моды флуксониума.where
Figure 00000028
is the matrix element of the fluxonium mode flux.

Результат численного расчета, для параметров системы, используемых для получения спектра на фиг. 2 и для величины М=20 пГн (оценка индуктивности сверхпроводящего провода длиной 30 мкм, изготовленного в планарной геометрии) представлен на фиг. 4. Время релаксации в точке вырождения магнитного потока выше 1,9 мс.The result of the numerical calculation, for the system parameters used to obtain the spectrum in FIG. 2 and for the value M=20 pH (estimation of the inductance of a superconducting wire with a length of 30 μm, made in planar geometry) is presented in FIG. 4. The relaxation time at the magnetic flux degeneracy point is above 1.9 ms.

На фиг. 5 приведено изображение гетеродинной схемы формирования управляющих микроволновых сигналов для кубитов с частотой выше 1 ГГц, где: LO - источник синусоидального сигнала, работающий в непрерывном режиме на частоте ωLO, AWG - генератор сигналов произвольной формы, генерирующий импульсы на частоте ωAWG с заданной формой и заданной длительностью импульса

Figure 00000029
; I,Q - квадратурный смеситель для формирования импульсного сигнала на частоте кубита ωdqLOAWG.In FIG. Figure 5 shows an image of a heterodyne circuit for generating control microwave signals for qubits with a frequency above 1 GHz, where: LO is a sinusoidal signal source operating in continuous mode at a frequency ω LO , AWG is an arbitrary waveform generator generating pulses at a frequency ω AWG with a given shape and given pulse duration
Figure 00000029
; I,Q - quadrature mixer for generating a pulsed signal at the qubit frequency ω dqLOAWG .

На фиг. 6 изображена схема формирования и подачи микроволновых импульсов для управления состоянием кубитов с частотой ниже 1 ГГц, где: AWG - генератор сигналов произвольной формы, генерирующий импульсы на частоте кубита ωAWGq с заданной формой и заданной длительностью импульса

Figure 00000030
In FIG. Figure 6 shows a diagram of the formation and supply of microwave pulses to control the state of qubits with a frequency below 1 GHz, where: AWG is an arbitrary waveform generator that generates pulses at a qubit frequency ω AWGq with a given shape and a given pulse duration
Figure 00000030

Из сравнения фиг. 5 и фиг. 6 очевидна возможность упрощения системы контроля кубитов, путем отказа от источника синусоидального сигнала, квадратурных смесителей и использованием только одного канала генератора сигналов произвольной формы для формирования управляющих кубитом микроволновых импульсов в случае использования кубитов с частотой основного перехода ниже 1 ГГц. Более того, в случае гальванической связи с потоковой линией этот же канал генератора сигналов произвольной формы может использоваться для подачи управляющего потоком сигнала. В результате и для контроля частоты кубита и для контроля его состояний может использоваться только один канал генератора сигналов произвольной формы.From a comparison of Fig. 5 and FIG. 6, the possibility of simplifying the qubit control system is obvious by eliminating the source of a sinusoidal signal, quadrature mixers, and using only one channel of the arbitrary waveform generator to generate microwave pulses controlling the qubit in the case of using qubits with a fundamental transition frequency below 1 GHz. Moreover, in the case of a galvanic connection to the flow line, the same channel of the arbitrary waveform generator can be used to provide a flow control signal. As a result, only one channel of the arbitrary waveform generator can be used both to control the frequency of the qubit and to control its states.

Для демонстрации возможностей масштабирования приведен пример реализации емкостной связи кубита со считывающим резонатором, изображенный на фиг. 7.To demonstrate the scaling capabilities, an example of the implementation of capacitive coupling of a qubit with a readout resonator is shown in Fig. 7.

Таким образом достигается заявляемый технический результат, а именно, возможность реализации сверхпроводникового кубита, с частотой основного перехода ниже 1 ГГц, и ангармонизмом выше 1 ГГц, обладающего улучшенными когерентными свойствами, допускающего возможность масштабирования для создания многокубитных систем, а также допускающего возможность реализации и использования индивидуальных линий контроля состоянием кубита и/или индивидуальных гальванически встроенных линий для быстрой перестройки частоты кубита, что упрощает систему управления кубитом.Thus, the claimed technical result is achieved, namely, the possibility of implementing a superconducting qubit with a fundamental transition frequency below 1 GHz and anharmonicity above 1 GHz, which has improved coherent properties, which allows scaling to create multi-qubit systems, and also allows the implementation and use of individual lines for monitoring the state of the qubit and/or individual galvanically built-in lines for fast tuning of the qubit frequency, which simplifies the qubit control system.

Такое техническое решение улучшает когерентные свойства кубита и упрощает систему управления кубитом.This technical solution improves the coherent properties of the qubit and simplifies the qubit control system.

Claims (3)

1. Двухэлектродный быстроперестраиваемый по потоку сверхпроводниковый кубит на основе кинетической индуктивности, реализованный в виде эквивалентной электрической схемы, которая включает в себя два кинетических индуктора с двумя электродами каждый, туннельный джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, оба электрода которого имеют распределенные емкости на землю, при этом первый электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом кинетического индуктора, второй электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом второго кинентического индуктора, а вторые электроды первого и второго кинетических индукторов соединены между собой и заземлены, таким образом, что два кинентических индуктора и туннельный джозефсоновский контакт формируют замкнутый контур.1. A two-electrode flux-tunable superconducting qubit based on kinetic inductance, implemented as an equivalent electrical circuit that includes two kinetic inductors with two electrodes each, a Josephson tunnel junction that provides nonlinearity, both electrodes of which have distributed capacitances to ground, while the first electrode of the tunnel Josephson junction is connected to the first electrode of the kinetic inductor, the second electrode of the tunnel Josephson junction is connected to the first electrode of the second kinetic inductor, and the second electrodes of the first and second kinetic inductors are interconnected and grounded, so that the two kinetic inductors and the tunnel Josephson junction form a closed loop. 2. Двухэлектродный кубит по п. 1, отличающийся тем, что в замкнутый контур между двумя кинетическими индукторами гальванически встроена линия контроля магнитного потока.2. A two-electrode qubit according to claim 1, characterized in that a magnetic flux control line is galvanically built into a closed circuit between two kinetic inductors. 3. Двухэлектродный кубит по п. 1, отличающийся тем, что распределенные взаимные емкости на землю каждого из электродов туннельного джозефсоновского контакта используются для прямой емкостной связи с индивидуальным считывающим резонатором и прямой емкостной связи с соседними кубитами.3. A two-electrode qubit according to claim 1, characterized in that the distributed mutual capacitances to ground of each of the electrodes of the Josephson tunnel junction are used for direct capacitive coupling with an individual readout resonator and direct capacitive coupling with neighboring qubits.
RU2021118012A 2021-06-21 Dual-electrode fast flow-tuned superconducting qubit based on kinetic inductance RU2780666C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2780666C1 true RU2780666C1 (en) 2022-09-28

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016000836A1 (en) * 2014-07-02 2016-01-07 University Of Copenhagen A semiconductor josephson junction and a transmon qubit related thereto
US9882112B2 (en) * 2015-12-24 2018-01-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-qubit device and quantum computer including the same
RU177295U1 (en) * 2017-09-12 2018-02-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) FLACKSON RING DETECTOR
RU2716028C1 (en) * 2018-12-26 2020-03-05 Кавокин Алексий Витальевич Method for qubit formation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016000836A1 (en) * 2014-07-02 2016-01-07 University Of Copenhagen A semiconductor josephson junction and a transmon qubit related thereto
US9882112B2 (en) * 2015-12-24 2018-01-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-qubit device and quantum computer including the same
RU177295U1 (en) * 2017-09-12 2018-02-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) FLACKSON RING DETECTOR
RU2716028C1 (en) * 2018-12-26 2020-03-05 Кавокин Алексий Витальевич Method for qubit formation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10127500B2 (en) Quantum nondemolition microwave photon counter based on the cross-kerr nonlinearity of a josephson junction embedded in a superconducting circuit
US9444430B1 (en) Cavity filtered qubit
Fedorov et al. Strong coupling of a quantum oscillator to a flux qubit at its symmetry point
US11824248B2 (en) Shielded bridges for quantum circuits
AU2022246460B2 (en) Hybrid Kinetic Inductance Devices for Superconducting Quantum Computing
Minev et al. Planar multilayer circuit quantum electrodynamics
Wallraff et al. Circuit quantum electrodynamics: Coherent coupling of a single photon to a Cooper pair box
Peruzzo et al. Geometric superinductance qubits: Controlling phase delocalization across a single Josephson junction
RU2780666C1 (en) Dual-electrode fast flow-tuned superconducting qubit based on kinetic inductance
CN116187461A (en) Bit structure, quantum chip, manufacturing method of quantum chip and quantum computer
AU2019446426B2 (en) Single line qubit control
Chen et al. Compact inductor-capacitor resonators at sub-gigahertz frequencies
Nguyen Cooper pair box circuits: two-qubit gate, qubit single-shot readout, and current to frequency conversion
Jung Nonlinear effects in superconducting quantum interference meta-atoms
Ramón Gómez Microwave Photodetection with Superconducting Circuits
Zotova et al. Tunable compact on-chip superconducting switch
Dodge Characterization of superconducting hardware for implementing quantum stabilizers
Bertet et al. Dynamics of a qubit coupled to a harmonic oscillator
Zhang et al. Linewidth measurements of flux-flow Josephson oscillators using a CAD designed integrated sub-mm wave receiver