TW202215309A - 量子位元的選擇性頻率移位 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種量子計算系統和裝置，用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率。根據一種實施例，用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率的裝置包括：複數個量子位元，至少包括第一量子位元和第二量子位元；複數個耦合控制共振器，至少包括第一耦合控制共振器和第二耦合控制共振器；以及耦合控制信號線。第一耦合控制共振器可以配置成，當耦合控制信號包括處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量時，移位第一量子位元的共振頻率。本發明提供了裝置、量子計算系統、方法和計算機程式產品。

Description

量子位元的選擇性頻率移位

本揭露係關於一種量子電子裝置，並且更具體地關於一種量子計算系統和裝置，用於在量子計算系統中選擇性地移位(shifting)量子位元共振頻率。

對於大規模的量子計算，期望有能力在量子計算系統中選擇性地移位量子位元的共振頻率的。藉由移位量子位元的共振頻率，該量子位元能夠與在系統中的另一量子位元產生共振。對於使用量子位元執行量子邏輯閘操作，產生共振的能力可能是重要的。

提供本發明內容以簡化形式介紹概念的選擇，以下在詳細描述中進一步描述該概念的選擇。本發明內容不是為了識別要求保護的主題的關鍵特徵或基本特徵，也不是為了用來限制要求保護的主題的範圍。

目的是提供量子計算系統和用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率的裝置。前述和其他的目的藉由獨立權利要求的特徵實現。進一步實施例形式明顯來自於從屬權利要求、說明書和附圖。

根據第一態樣，用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率的裝置包括：複數量子位元，其至少包括第一量子位元和第二量子位元，第一量子位元和第二量子位元分別具有相應的共振頻率；第一耦合控制共振器和第二耦合控制共振器，各自具有相應的共振頻率帶；和耦合控制信號線，其用於將耦合控制信號至少饋送(feeding)到第一耦合控制共振器和第二耦合控制共振器；其中第一耦合控制共振器配置成，當耦合控制信號包括處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量時，移位第一量子位元的共振頻率，並且第二耦合控制共振器配置成，當耦合控制信號包括處於第二耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量時，移位第二量子位元的共振頻率。該裝置能夠，例如，選擇性地移位第一量子位元及/或第二量子位元的共振頻率。

在第一態樣的一種實施例形式中，該複數個量子位元進一步包括第三量子位元和第四量子位元，第三量子位元和第四量子位元中分別具有相應的共振頻率，其中第一量子位元電容性耦合到第三量子位元，並且第二量子位元電容性耦合到第四量子位元。該裝置能夠，例如，選擇性地使第一量子位元與第三量子位元產生共振，及/或選擇性地使第二量子位元與第四量子位元產生共振。

在第一態樣的另外實施例形式中，該複數量子位元中的每個量子位元包括至少一個約瑟夫遜結(Josephson junction)。該裝置可以例如使用超導量子位元(superconductive qubit)來實現。

在第一態樣的另外實施例形式中，該複數量子位元中的每個量子位元包括超導量子干涉裝置(superconducting quantum interference device，SQUID)。

在第一態樣的另外實施例形式中，耦合控制共振器的共振頻率帶位於小於第一量子位元的共振頻率和第二量子位元的共振頻率的頻率範圍內。該裝置能夠，例如移位量子位元的共振頻率，而耦合控制信號可以不與量子位元的操作明顯地相干擾。

在第一態樣的另外實施例形式中，第一量子位元的共振頻率的移位(shift)與第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量的振幅成比例，及/或第二量子位元的共振頻率的移位與第二耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量的振幅成比例。因此，第一量子位元及/或第二量子位元的共振頻率，能夠使用相應的頻率分量的振幅來控制。

在第一態樣的另外實施例形式中，第一量子位元和第二量子位元彼此電容性耦合，並且當第一量子位元和第二量子位元設置為共振時，在第一量子位元和第二量子位元上執行量子閘操作。因此，第一量子位元和第二量子位元能夠彼此產生共振，以用於量子計算。

在第一態樣的另外實施例形式中，第一耦合控制共振器配置成，藉由調諧第一量子位元的約瑟夫遜電感(Josephson inductance)來移位第一量子位元的共振頻率。該裝置能夠，例如有效地移位第一量子位元的共振頻率。

在第一態樣的另外實施例形式中，第一耦合控制共振器配置成，藉由感應磁通量通過第一量子位元、或藉由引起電流流過第一量子位元來調諧第一量子位元的約瑟夫遜電感，以移位第一量子位元的共振頻率。該裝置能夠，例如在耦合控制共振器和量子位元之間，經由磁耦合或經由電耦合來調諧約瑟夫遜電感。

在第一態樣的另外實施例形式中，該裝置進一步包括：複數個耦合控制信號線，其包括耦合信號線；和複數耦合控制共振器，其包括第一耦合控制共振器和第二耦合控制共振器；其中該複數量子位元佈置成矩陣，在複數量子位元中的每個量子位元具有相應的共振頻率，在複數耦合控制信號線中的每條耦合控制信號線對應於矩陣的列/行；其中在複數耦合控制共振器中的每個耦合控制共振器均配置成，當相應的耦合控制信號線中的耦合控制信號包括處於該耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量時，移位複數量子位元中的相應的量子位元的共振頻率。該裝置能夠，例如在複數量子位元中移位選擇的量子位元的共振頻率。

應理解的是，以上描述的第一態樣的實施例形式可以彼此組合。數個實施例形式可以組合在一起以形成另外的實施例形式。

根據第二態樣，量子計算系統包括：根據第一態樣的裝置；和控制單元，其電耦合到裝置的耦合控制信號線，其中控制單元配置成：根據第一量子位元的共振頻率和複數量子位元中的另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，設置處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量的振幅；並且將耦合控制信號傳輸到耦合控制信號線。控制單元能夠，例如使第一量子位元與該另一量子位元產生共振。

在第二態樣的一種實施例形式中，控制單元進一步配置成，根據預先配置的耦合參數，設置脈衝的持續時間(temporal duration)，脈衝包括處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量，其中預先配置的耦合參數表示在第一量子位元和另一量子位元之間的預期的耦合強度。控制單元能夠，例如根據預先配置的耦合參數，控制在量子位元之間的耦合。

在第二態樣的一種實施例形式中，控制單元進一步配置成，將處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量和處於第二耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量分頻多工(frequency-division multiplex)到耦合控制信號中。控制單元能夠，例如以減少的延遲或基本上同時地移位第一量子位元和第二量子位元的共振頻率。

應理解的是，以上描述的第二態樣的實施例形式可以彼此組合。數個實施例形式可以組合在一起以形成另外的實施例形式。

根據第三態樣，用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率的方法，量子計算系統包括根據第一態樣的裝置，該方法包括：根據在第一量子位元的共振頻率和在複數量子位元中的另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，設置處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量的振幅；並且將耦合控制信號傳輸到耦合控制信號線。

根據第四態樣，提供了計算機程式產品，其包括程式碼，該程式碼配置成，當該程式碼在計算機裝置上執行時，執行根據第三態樣的方法。

藉由參考結合附圖考慮的以下詳細描述，將更好地理解許多附帶特徵，因為它們將變得更加容易理解。

100:裝置

101:量子位元

101_1:第一量子位元

101_2:第二量子位元

101_3:第三量子位元

101_4:第四量子位元

102:耦合控制共振器

102_1:第一耦合控制共振器

102_2:第二耦合控制共振器

102_3:第三耦合控制共振器

103:耦合控制信號線

104:約瑟夫遜結

201_1,201_2,201_3:模擬包絡線

202:耦合控制信號

203_1,203_2:脈衝

501:旋轉信號線

502:旋轉共振器

503:讀取信號線

504:讀出共振器

700:量子計算系統

701:控制單元

702:電耦合；連接

801:處理器

802:記憶體

900:方法

901:設置

902:耦合控制信號傳輸

以下，參考附圖更詳細地描述了示例實施例，其中：

圖1示出了根據一種實施例的裝置的示意圖，裝置用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率；

圖2示出了根據另一實施例的裝置的示意圖，裝置用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率；

圖3示出了根據一種實施例的模擬結果的示意圖；

圖4示出了根據另外的實施例的裝置的示意圖，裝置用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率；

圖5示出了根據一種實施例的，作為磁通量的函數的量子位元共振頻率的圖表；

圖6示出了根據另外的實施例的裝置的示意圖，裝置用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率；

圖7示出了根據另外的實施例的裝置的示意圖，裝置用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率；

圖8示出了根據一種實施例的量子計算系統的示意圖；

圖9示出了根據一種實施例的控制單元的示意圖；並且

圖10示出了根據一種實施例的方法的流程圖。

以下，在附圖中同樣的附圖標記用來指代同樣的部分。

在以下描述中，參考附圖，這些附圖形成公開的一部分，並且其中藉由圖示的方式示出了可以放置本公開的特定態樣。應理解的是，在不脫離本公開的範圍的情況下，可以使用其他態樣，並且可以進行結構或邏輯上的改變。由於本公開的範圍由所附的權利要求限定，因此，以下詳細的描述不應視為限制性的。

例如，應理解的是，與描述的方法有關的公開也可以同樣適用於配置為執行該方法的相應的設備或系統，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步驟，則相應的設備可以包括執行描述的方法步驟的單元，即使該單元沒有在圖中明確地描述或示出。另一方面，例如，如果基於功能單元描述了特定的裝置，相應的方法可以包括執行描述的功能的步驟，即使這種步驟沒有在圖中被明確地描述或示出。此外，應理解的是，除非另外特別指出，本文描述的各種示例態樣的特徵可以彼此組合。

圖1示出了根據一種實施例的裝置100的示意圖，裝置100用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率。

根據一種實施例，用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率的裝置100，包括複數量子位元，其至少包括第一量子位元101_1和第二量子位元101_2，第一量子位元101_1和第二量子位元101_2分別具有相應的共振頻率。

第一量子位元101_1的共振頻率可以不等於第二量子位元101_2中的共振頻率。

在複數量子位元中，每個量子位元的共振頻率可以在1-100千兆赫茲(GHz)的範圍內，或在其任何子範圍內，例如4-12GHz、4-10GHz或4-8GHz。

第一量子位元101_1和第二量子位元101_2的共振頻率之間的頻率差可以是，例如大於10兆赫茲(MHz)及/或小於1GHz。例如，頻率差可以在10-300MHz的範圍內。

裝置100還可以包括第一耦合控制共振器102_1和第二耦合控制共振器102_2，第一耦合控制共振器102_1和第二耦合控制共振器102_2分別具有相應的共振頻率帶。

耦合控制共振器102的共振頻率帶可以指包括引起耦合控制共振器102共振的頻率的頻率帶。共振頻率帶可以通過耦合控制共振器102的物理特性及/或電特性來確定。

例如，在圖1的實施例中，耦合控制共振器102使用LC共振器來實現，每個LC共振器包括電容器和電感器。因此，在理想情況下，這種共振器的共振頻率f ₀是

其中L是電感器的電感，並且C是電容器的電容。然而，由於缺陷，例如損耗，LC共振器可能不僅會在單個共振頻率上共振，而且在共振頻帶上共振。因此，耦合控制共振器102可以用作帶通濾波器。

耦合控制共振器102的共振頻率帶的寬度可以使用，例如耦合控制共振器102的半高全寬(full width at half maximum，FWHM)帶寬限定。

耦合控制共振器的共振頻率帶可以是，例如在1-10GHz的範圍內，或在其任何子範圍內，例如1-8GHz、2-7GHz、或1-5GHz。

耦合控制共振器102也可以稱為帶通濾波器、耦合帶通濾波器或類似的。

雖然耦合控制共振器102的某些示例，例如LC共振器，在本文的實施例中公開，但是耦合控制共振器102也可以用各種其他的方式來實現，並且 也可以使用各種其他的部件。在本揭露的任何實施例中，耦合控制共振器102可以使用，例如任何類型的帶通濾波器來實現。例如，耦合控制共振器102可以使用對應於更高階的帶通濾波器d更複雜的幾何形狀來實現。這種更高階的帶通濾波器可以近似於理想帶通濾波器的矩形頻率響應。

根據一種實施例，第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶和第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶不重疊或僅部分重疊。

裝置100還可以包括耦合控制信號線103，用於將耦合控制信號至少饋送到第一耦合控制共振器102_1和第二耦合控制共振器102_2。

耦合控制信號線103也可以稱為柵極總線或類似的。耦合控制信號線103可以實現為，例如印刷電路板(PCB)上的走線、電纜、傳輸線、波導管或類似的。

第一耦合控制共振器102_1及/或第二耦合控制共振器102_2可以電耦合到耦合控制信號線103。

第一耦合控制共振器102_1配置成，當耦合控制信號包括處於第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶中的頻率分量時，移位第一量子位元101_1的共振頻率；並且第二耦合控制共振器102_2配置成，當耦合控制信號包括處於第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶中的頻率分量時，移位第二量子位元101_2的共振頻率。

第一耦合控制共振器102_1可以配置成，響應於包括處於第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶中的頻率分量的耦合控制信號，移位第一量子位元101_1的共振頻率。

第二耦合控制共振器102_2可以配置成，響應於包括處於第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶中的頻率分量的耦合控制信號，移位第二量子位元101_2的共振頻率。

耦合控制信號可以包括，例如交流電(AC)信號，例如射頻(RF)信號或微波信號。

耦合控制共振器102可以，藉由調諧量子位元101的約瑟夫遜電感，移位相應的量子位元101的共振頻率。耦合控制共振器可以，例如，使用量子位元101和AC磁通量脈衝的非線性，來調諧量子位元101的約瑟夫遜電感。例如，在圖1的實施例中，由每個耦合控制共振器102產生的磁通量可以與相應的量子位元101耦合。然後當耦合控制信號包括處於耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量時，磁通量能夠移位量子位元101的共振頻率。

在耦合控制共振器102_1、102_2的共振頻率帶中的頻率分量，導致通過相應的量子位元101_1、101_2的AC磁通量。平均來看AC磁通量導致用於量子位元101_1、101_2的更低的有效臨界電流，因此增加了有效的約瑟夫遜電感(L _J~1/I _C，其中I _C是臨界電流，根據約瑟夫遜效應該臨界電流與該通量成比例)，並且因此降低了量子位元101_1、101_2的有效共振頻率。

例如經由在量子位元之間電容性耦合，移位可以使最初處於不同頻率下的兩個量子位元101產生共振。當兩個量子位元101處於共振時，量子邏輯閘操作可以在量子位元上執行。處於共振中的量子位元可以成為糾纏的。在量子位元101之間的糾纏可能是需要的，以便使用量子位元101實現各種量子邏輯閘操作。

由於每個耦合控制共振器102能夠具有不同的共振頻率帶，因此能夠將多個頻率分量分頻多工到耦合控制信號中。耦合控制共振器102可以解複用來自耦合控制信號的頻率分量。因此，每個頻率分量均能夠用於移位單個量子位元的共振頻率。這樣，多個量子位元能夠基本上同時地使用單個耦合控制信號線103被尋址。這能夠簡化芯片設計並且消除直流電(DC)作為漂移源。

在耦合控制共振器102的共振頻率帶中的頻率分量，可以導致相應的量子位元101的量子共振頻率的移位。該頻率移位可以與頻率分量的振幅成比例。量子位元101可以對相應的耦合控制共振器102的共振頻率帶之外的頻率分量保持不敏感。

量子位元的參數可以在校準期間確定。在耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量的振幅能夠根據參數配置，因為相應的量子位元的共振頻率的移位與振幅成比例。耦合電容的值也能夠在校準階段期間確定。耦合電容與量子位元在共振時交換能量的速率有關，因此確定耦合控制脈衝的持續時間，以便量子位元交換期望量的能量。

耦合控制共振器102可以降低或升高相應的量子位元101的共振頻率。根據耦合控制共振器102及/或量子位元101的實現方式，僅升高或降低量子位元101的共振頻率是可能的/實際的。

在某些實施例中，可以通過降低一個量子位元的共振頻率並升高另一量子位元的共振頻率使兩個量子位元101產生共振。

根據一種實施例，第一量子位元的共振頻率的移位與處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量的振幅成比例，及/或第二量子位元的 共振頻率的移位與處於第二耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量的振幅成比例。

頻率移位可以使得例如讓第一量子位元/第二量子位元與裝置100中的另一量子位元產生共振成為可能的。第一量子位元/第二量子位元和另一量子位元可以是電容性耦合的。另一量子位元可以包括，例如第一量子位元/第二量子位元的最接近的相鄰量子位元。頻率分量也可以遠在量子位元共振頻率以下，以至於耦合控制信號不與量子位元101的操作相干擾。

根據一種實施例，耦合控制共振器的共振頻率帶位於小於第一量子位元的共振頻率和第二量子位元的共振頻率的頻率範圍內。這可以減少耦合控制信號和如以上描述的複數量子位元中的量子位元之間的干擾。

根據一種實施例，複數量子位元中的每個量子位元101包括至少一個約瑟夫遜結104。

例如，在圖1的實施例中，每個量子位元101包括兩個約瑟夫遜結104。在其他實施例中，根據量子位元的類型，複數量子位元中的每個量子位元可以包括任何數量的約瑟夫遜結104。

根據一種實施例，複數量子位元中的每個量子位元101包括超導量子位元。

根據一種實施例，在複數量子位元中的每個量子位元101包括超導量子干涉裝置(SQUID)。SQUID可以包括連接到環路(loop)的兩個約瑟夫遜結。這種環路也可以稱為SQUID環路。

雖然此處某些實施例可能參考一定類型的量子位元公開，但是這些量子位元類型僅是示例性的。在本揭露的任何實施例，量子位元可以用任何方式實現，並且可以使用各種技術。

複數量子位元可以包括，例如通量量子位元、相位量子位元、及/或跨子(transmons)。利用簡單的電路改進，可以讓不同類型的量子位元具有約瑟夫遜電感調諧功能。

在某些實施例中，量子位元共振頻率的移位可以使用通過SQUID或約瑟夫遜結的AC(例如RF或微波)電流實現。類似的功能來自以下事實：在SQUID或約瑟夫遜結中，約瑟夫遜電感也可以藉由電流以與磁通量定性相似的方式控制。

根據一種實施例，第一耦合控制共振器102_1配置成，藉由調諧第一量子位元101_1的約瑟夫遜電感來移位第一量子位元101_1的共振頻率。此外或可選地，第二耦合控制共振器102_2可以配置成，藉由調諧第二量子位元101_2的約瑟夫遜電感來移位第二量子位元101_2的共振頻率。

根據一種實施例，第一耦合控制共振器102_1配置成，藉由感應磁通量通過第一量子位元101_1、或藉由引起電流流過第一量子位元101_1來調諧第一量子位元101_1的約瑟夫遜電感，以移位第一量子位元101_1的共振頻率。此外或可選地，第二耦合控制共振器102_2可以配置成，藉由感應磁通量通過第二量子位元101_2、或藉由引起電流流過第二量子位元101_2來調諧第二量子位元101_2的約瑟夫遜電感，以移位第二量子位元101_2的共振頻率。

圖2示出了根據另外的實施例的裝置100的示意圖，裝置100用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率。

在圖2的實施例中，除了第一量子位元101_1和第二量子位元101_2外，複數量子位元進一步包括第三量子位元101_3。

根據一種實施例，第一量子位元101_1和第二量子位元101_2彼此電容性耦合。例如，在圖2的實施例中，第一量子位元101_1和第二量子位元101_2經由電容器電容性耦合到彼此。

第一量子位元101_1及/或第二量子位元101_2可以電容性耦合到複數量子位元中的任何其他的量子位元。在圖2的實施例中，例如，第二量子位元101_2電容性耦合到第一量子位元101_1和第三量子位元101_3。

在圖2的實施例中，第一量子位元101_1、第二量子位元101_2和第三量子位元101_3的共振頻率分別為6.8GHz、6.7GHz和6.6GHz。此外，第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶包括頻率1.6GHz，並且第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶包括1.8GHz。因此，包括1.6GHz的頻率分量的耦合控制信號，可以移位第一量子位元102_1的共振頻率，因為1.6GHz分量通過第一共振器102_1解多工(demultiplex)，這進而調諧了第一量子位元101_1的約瑟夫遜電感。類似地，包括1.8GHz的頻率分量的耦合控制信號，可以移位第二量子位元102_2的共振頻率。

裝置100還可以包括第三耦合控制共振器102_3，用於移位第三量子位元101_3的共振頻率。

圖3示出了用於圖2的實施例中示出的裝置的模擬結果的圖表。

圖3的實施例分別示出了跨每個量子位元101_1、101_2、101_3的電壓的模擬包絡線201_1、201_2、201_3。圖3的實施例還示出了耦合控制信號202，其包括兩個脈衝203_1、203_2。

圖3的實施例僅示出了操作的原理，並且用於模擬的參數還未被優化。而且，沒有直流電(DC)存在於任何波形中。而是，為了視覺的清楚，波形已經被移位。耦合控制信號202已經按比例縮小以適應該圖。

在模擬的開始處，第一量子位元101_1處於激發態(exited state)，第二量子位元101_2和第三量子位元101_3最初都處於基態。這可以在量子位元上的電壓中觀察到，201_1、201_2、201_3。

在時間點t=65ns處，通過頻率為1.6GHz的30納秒(ns)AC信號脈衝203_1，第一量子位元101_1與第二量子位元101_2發生共振。因為第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶包括脈衝203_1的頻率1.6GHz，所以第一耦合控制共振器102_1將第一量子位元101_1的共振頻率向下移位至基本上與第二量子位元101_2的共振頻率匹配。

因此，來自耦合控制信號線103的耦合控制信號202，經由第一耦合控制共振器102_1被解多工並且被路由到第一量子位元101_1，即目標量子位元。第一量子位元101_1和第二量子位元101_2當其共振時，通過電容性耦合交換能量。因此，能量從第一量子位元101_1轉移到第二量子位元101_2，這可以從量子位元上的電壓201_1、201_2觀察到。

在時間常數t=315ns處，頻率為1.8GHz的第二耦合控制信號脈衝203_2使第二量子位元101_2與第三量子位元101_3產生共振。因此，以如上描述的用於第一量子位元101_1和第二量子位元101_2的類似的方式，能量從第二量子位元101_2轉移到第三量子位元101_3。

從圖3的半經典(semiclassical)分析中可以看出，耦合控制共振器102能夠，通過外部驅動以不同於量子位元101共振頻率的頻率，調諧相應的量 子位元101的約瑟夫遜電感。這具有移位量子位元101的共振頻率的效果。耦合控制共振器102能夠解多工來自耦合控制信號202的不同的頻率分量，使得合適的量子位元的共振頻率移位。不同的電路方案也可以實現相同的功能。

在圖3的實施例中，相較於量子位元101的共振頻率，在耦合控制信號202中的頻率分量處於較低的頻率。在其他實施例中，頻率分量的頻率可以高於量子位元101的共振頻率。在這種情況下，耦合控制信號能夠引起時變頻率控制，即，相應的量子位元的共振頻率可以在時間上變化。在時間平均後，這可能導致，例如在兩個量子位元之間的能量的傳遞。

然而，相較於低頻率耦合控制信號，在關於如何使用高頻率耦合控制信號來調諧量子位元101的電感中，可能存在某些質的差異。

對於高頻率耦合控制信號，在調諧期間，約瑟夫遜電感在耦合控制信號脈衝期間可以基本上為常數，而對於低頻率耦合控制信號，約瑟夫遜電感(並且因此耦合)在時間上變化。

圖4示出了根據另外的實施例的用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率的裝置的示意圖。

根據一種實施例，複數量子位元進一步包括第三量子位元101_3和第四量子位元101_4，第三量子位元和第四量子位元分別具有相應的共振頻率。

第一量子位元101_1可以電容性耦合到第三量子位元101_3，並且第二量子位元101_2可以電容性耦合到第四量子位元101_4。

使用耦合控制信號線103中的耦合控制信號，藉由如本揭露的移位第一量子位元101_1的共振頻率，第一量子位元101_1可以與第三量子位元101_3發生共振。

類似地，使用耦合控制信號線103中的耦合控制信號，藉由如本揭露的移位第二量子位元101_2的共振頻率，第二量子位元101_2可以與第四量子位元101_4產生共振。

第三量子位元101_3及/或第四量子位元101_4，可以經由相應的耦合控制共振器耦合到耦合控制信號線103。可選地，第三量子位元101_3及/或第四量子位元101_4，經由相應的耦合控制共振器，也可以耦合到第二耦合控制信號線。裝置100可以包括任何數量的耦合控制信號線。

圖5示出了根據一種實施例的，作為磁通量的函數的量子位元共振頻率的圖表。

在圖5的實施例中，由於通過SQUID施加的磁通量Φ，SQUID量子位元的共振頻率f _SQUID500移位。因此，SQUID量子位元的共振頻率能夠藉由改變磁通量Φ調諧。至少當簡單的電路改進被施加到量子位元時，其他類型的量子位元可以表現類似的行為。共振頻率的類似調諧也可以經由電流而不是本揭露的磁通量來實現。

圖6示出了根據另外的實施例的裝置100的示意圖，裝置100用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率。

裝置100可以包括多條耦合控制信號線103，複數耦合控制信號線103包括耦合信號線。例如，在圖6的實施例中，示出了兩條耦合控制信號線103。

裝置100還可以包括複數耦合控制共振器102，其包括第一耦合控制共振器和第二耦合控制共振器。例如，在圖6的實施例中，示出了四個耦合控制共振器102。

複數量子位元可以佈置成矩陣。在複數量子位元中的每個量子位元可以具有相應的共振頻率。在複數耦合控制信號線中的每條耦合控制信號線103可以對應於矩陣的列/行。例如，在圖6的實施例中，示出了佈置成矩陣的四個量子位元101。示出的量子位元101可以包括在量子位元的大矩陣中。

在複數耦合控制共振器中的每個耦合控制共振器102可以配置成，當在相應的耦合控制信號線103中的耦合控制信號包括處於該耦合控制共振器102的共振頻率帶中的頻率分量時，移位在複數量子位元中的相應的量子位元101的共振頻率。例如，在圖6的實施例中，在複數量子位元中的每個量子位元101具有相應的耦合控制共振器101。

相應的耦合控制信號線103可以指，與提及的耦合控制共振器102在矩陣的同一列/行中的耦合控制信號線103。例如，在圖6的實施例中，相應的控制信號線103可以指，與提及的耦合控制共振器102在矩陣的同一列中的耦合控制信號線103，因為每條耦合控制信號線103對應於矩陣的列。

在複數量子位元中的每個量子位元可以分別電容性耦合到最接近的相鄰量子位元。例如，在圖6的實施例中，每個量子位元均電容性耦合到兩個其他的量子位元。在更大的量子位元的矩陣中，每個量子位元101可以電容性耦合到至少三個或四個最接近的相鄰量子位元。

裝置還可以包括複數旋轉信號線501。每條旋轉信號線501可以對應於矩陣的行/列。例如，在圖6的實施例中，每條旋轉信號線501對應於矩陣的列。

裝置100還可以包括複數旋轉共振器502。每個旋轉共振器502可以耦合到相應的量子位元101。每個旋轉共振器502可以耦合到相應的旋轉信號線503。因此，量子位元101的量子狀態可以使用旋轉信號線501旋轉。

裝置還可以包括複數讀出信號線503。每條讀出信號線503可以對應於矩陣的行/列。例如，在圖6的實施例中，每條讀出信號線503對應於矩陣的行。

裝置100還可以包括複數讀出共振器504。每個讀出共振器504可以耦合到相應的量子位元101。每個讀出共振器504可以耦合到相應的讀出信號線503。因此，量子位元101的狀態可以使用讀出信號線503測量。

使用裝置100，可以執行量子位元旋轉，門，及/或測量量子位元的狀態。這可以在沒有增加裝置100中所需的連接的數量的情況下完成。

每個耦合控制共振器103、旋轉共振器502及/或讀出共振器504可以作為每個量子位元帶通濾波器。因此，頻率移位、旋轉和讀出能夠在沒有引起不想要的效果的情況下獨立於每個量子位元101執行，而不會由於同一信號無意地同時作用在幾個不同的量子位元101上而引入不想要的影響。

圖7示出了根據另一實施例的裝置100的示意圖，裝置100用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率。

根據一種實施例，第一耦合控制共振器102_1配置成，通過引起電流流過第一量子位元來調諧第一量子位元101_1的約瑟夫遜電感，以移位第一量子位元101_1的共振頻率。

圖7的實施例中示出了使用電流流過量子位元101來調諧量子位元101的約瑟夫遜電感的示例。類似於以上描述的實施例，每個量子位元101均耦合到相應的耦合控制共振器102。每個耦合控制共振器102可以耦合到耦合控制信號線103。在圖7的實施例中，當耦合控制信號包括處於第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶中的頻率分量時，電流流過第一耦合控制共振器102_1到第一量子位元101_1。因此，第一量子位元101_1的約瑟夫遜電感通過該電流調諧，並且第一量子位元101_1的共振頻率被移位。

類似於經由磁通量調諧，當經由電流調諧約瑟夫遜電感時，處於耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量，可以是比相應的量子位元的共振頻率更低或更高的頻率。像磁通調諧(magnetic flux tuning)一樣，具有比量子位元的共振頻率更低的頻率的耦合控制信號提供了參數調諧機制，用於基本上同時控制約瑟夫遜電感。

對於具有比量子位元的共振頻率更高的頻率的耦合控制信號，存在用於有效約瑟夫遜結臨界電流I _c,eff 的解析近似，I _c,eff 是耦合控制信號振幅和頻率的函數。這可以表示為：

其中I _c 是在沒有耦合控制信號的情況下之約瑟夫遜結的臨界電流，I ₁是耦合控制信號的電流振幅，Φ₀是磁通量子(flux quantum)，f是耦合控制信號頻率，C是約瑟 夫遜結的電容，並且J ₁是第一類貝塞爾函數(Bessel function)並且是一階貝塞爾函數。這導致了能夠被AC耦合控制信號(振幅I ₁，頻率f)調諧的約瑟夫遜電感L _eff ，如：

然後共振頻率根據共振條件移位：

使用共振頻率移位，第一量子位元101_1可以與第二量子位元101_2產生共振。

以類似的方式，第二量子位元101_2及/或第三量子位元101_3的共振頻率可以移位。第二量子位元101_2可以與第一量子位元101_1及/或第三量子位元101_3產生共振。可選地或另外地，第三量子位元101_3可以與第二量子位元101_2產生共振。

每個量子位元101還可以包括並聯電容器。並聯電容器可以平行於每個量子位元的約瑟夫遜結佈置。為了清楚，在圖7的實施例中未示出並聯電容器。

當使用電流調諧量子位元101的約瑟夫遜電感時，量子位元101可以包括單個約瑟夫遜結。這可以具有的優點是，讓裝置100對磁噪音和干擾更不敏感。對用於電流驅動的電流接觸的需要，可能在電路設計上設置了某些挑戰。

圖8示出了根據一種實施例的量子計算系統700的示意圖。

根據一種實施例，量子計算系統700包括裝置100和控制單元701，控制單元701電耦合702到裝置100的耦合控制信號線103。

當系統700可操作時，裝置100可以物理地位於低溫恒溫器或類似物。低溫恒溫器可以將裝置100中的複數量子位元冷卻至低溫溫度。如果在複數量子位元中的量子位元，例如是超導量子位元，則這可能是需要的。控制單元701可以位於低溫恒溫器外部。

控制單元701可以配置成，根據第一量子位元101_1的共振頻率和複數量子位元中的另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，設置處於第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶中的頻率分量的振幅；並且將耦合控制信號傳輸到耦合控制信號線103。

可選地或另外地，控制單元701可以配置成，根據第二量子位元101_2的共振頻率和複數量子位元中的另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，設置處於第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶中的頻率分量的振幅；並且將耦合控制信號傳輸到耦合控制信號線103。

耦合控制信號的振幅可以指，例如電流振幅、電壓振幅、或耦合控制信號的電場振幅(electric field amplitude)。

另一量子位元可以包括，例如，第二量子位元101_2、第三量子位元101_3，或複數量子位元中的任何其他的量子位元。另一量子位元可以電容性耦合到第一量子位元/第二量子位元。

第一量子位元101_1/第二量子位元101_2的頻率移位，可以與第一耦合控制共振器102_1/第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶中的頻率分量的振幅成比例。因此，控制單元701可以用以下方式設置振幅，使得第一量子位元101_1/第二量子位元101_2能夠使用耦合控制信號與另一量子位元產生共振。

在第一量子位元/第二量子位元的共振頻率和另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，例如，可以被預先配置到控制單元701中。例如在系統700的校準期間，可以執行預先配置。

根據一種實施例，控制單元701進一步配置成，根據預先配置的耦合參數，設置脈衝的持續時間，脈衝包括處於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量，其中預先配置的耦合參數表示在第一量子位元和另一量子位元之間的預期的耦合強度。

可選地或另外地，控制單元701還可以配置成，根據預先配置的耦合參數，設置脈衝的持續時間，脈衝包括處於第二耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量，其中預先配置的耦合參數反應了在第二量子位元和另一量子位元之間的預期的耦合強度。

耦合控制信號可以包括脈衝，該脈衝包括處於第一耦合控制共振器/第二耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量。

脈衝的持續時間，例如，可以是在1-100ns的範圍內或在其任何像是10-100ns、10-80ns或5-50ns的子範圍內，該脈衝包括處於第一耦合控制共振器/第二耦合控制共振器的共振頻率帶中的頻率分量。

在第一量子位元101_1/第二量子位元101_2與另一量子位元之間的耦合的強度，可以與脈衝的持續時間成比例。因此，控制單元701可以，藉由調節脈衝的持續時間，控制在第一量子位元101_1/第二量子位元101_2和另一量子位元之間的耦合的強度。在脈衝的持續時間和耦合強度之間的關係可以取決於耦合控制共振器及/或量子位元的實現。

預先配置的耦合參數，例如可以藉由用戶設置。預期的耦合強度可以取決於將藉由量子位元執行的計算操作的類型。用戶可能需要第一量子位元/第二量子位元和另一量子位元，例如執行量子邏輯閘操作。因此，控制單元701可以根據被用戶需要的量子邏輯閘操作，設置預先配置的耦合參數。

根據一種實施例，控制單元701進一步配置成，將處於第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶中的頻率分量、和處於第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶中的頻率分量分頻多工到耦合控制信號中。

處於第一耦合控制共振器102_1的共振頻率帶中的頻率分量和處於第二耦合控制共振器102_2的共振頻率帶中的頻率分量，例如，可以暫時重疊。因為第一耦合控制共振器102_1和第二耦合控制共振器102_2可以解複用來自耦合控制信號的頻率分量，所以控制單元701可以以減少的延遲來移位第一量子位元101_1和第二量子位元101_2的頻率。

在圖8的實施例中，雖然在裝置100和控制單元701之間的連接702示意性地示出為單個連接，但是控制單元701可以電耦合到裝置100中的複數耦合控制信號線103。控制單元701也可以電耦合到裝置100中的複數旋轉信號線501及/或複數讀出信號線503。因此，控制單元701可以配置成，在裝置100中控制量子位元頻率移位、旋轉及/或讀出。

關於裝置100的任何參數，例如在複數量子位元中的任何量子位元的共振頻率、在複數耦合控制共振器中的任何耦合控制共振器的共振頻率帶、在耦合控制信號中的任何頻率分量的振幅、及/或在耦合控制信號中的任何脈衝的持續時間，可以被預先配置到控制單元701。例如，預先配置可以在系統700的校準期間執行。

圖9示出了根據一種實施例的控制單元701的示意圖。

控制單元701可以包括至少一個處理器801。至少一個處理器801可以包括，例如一個或更多各種處理設備，例如協處理器、微處理器、控制單元701、數位信號處理器(digital signal processor，DSP)、帶有或不帶有隨附DSP的處理電路或各種其他的包括積體電路的設備，積體電路例如是特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)、可程式化邏輯電路(field programmable gate array，FPGA)、微處理器單元(MCU)、硬體加速器、特殊用途電腦晶片(special-purpose computer chip)等。

控制單元701還可以包括記憶體802。記憶體802可以配置成，例如儲存電腦程式等。記憶體802可以包括一個或更多揮發性記憶體裝置(volatile memory device)、一個或更多非揮發性記憶體裝置裝置、及/或一個或更多揮發性記憶體裝置與非揮發性記憶體裝置的組合。例如，記憶體802可以實施為磁儲存裝置(像是硬碟機、軟性磁碟、磁帶等)、光磁儲存裝置和半導體記憶體(像是遮罩唯讀記憶體(mask ROM)、PROM(可程式唯讀記憶體)、EPROM(可消除程式化唯讀記憶體)、快閃唯讀記憶體、RAM(隨機存取記憶體)等)。

記憶體802可以包括，例如，預先配置的耦合參數、在第一量子位元/第二量子位元的共振頻率和另一量子位元的共振頻率之間的頻率差、及/或關於裝置100的其他參數。

控制單元701還可以包括未在圖9的實施例中示出的其他的部件。控制單元701可以包括，例如，用於將控制單元701連接到裝置100的出入通匯流排(input/output bus)。此外，用戶可以經由出入通匯流排控制控制單元701。例如， 用戶可以經由控制單元701和出入通匯流排藉由裝置100執行控制量子計算操作。

當控制單元701配置成實現某些功能時，一些部件及/或控制單元701的部件，例如至少一個處理器801及/或記憶體802，可以配置成實現這種功能。此外，當至少一個處理器801配置成實現某些功能時，這種功能可以使用例如包括在記憶體中的程式碼實現。

控制單元701，例如可以實現為使用電腦、一些其他的計算設備、或類似物。

圖10示出了根據實施例的方法900的流程圖。

根據一種實施例，方法900包括，根據在第一量子位元的共振頻率和在複數量子位元中的另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，於第一耦合控制共振器的共振頻率帶中設置901頻率分量的振幅。

方法900還可以包括將耦合控制信號傳輸902到耦合控制信號線。

例如，方法900可以藉由控制單元701執行。

在沒有失去尋求的效果的情況下，本文給出的任何範圍或設備值可以擴展或改變。同樣，任何實施例可以與另一實施例組合，除非明確地不允許。

雖然主題在語言上已經被描述到特定的結構特徵及/或行為，但是應理解的是，在所附權利要求中限定的主題不需要限制到以上描述的特定的特徵或行為。而是，以上述的特定的特徵和行為被公開為實現權力要求的示例，其他的等同特徵和行為旨在處於權利要求的範圍內。

將理解的是，以上描述的益處和優點可以涉及數個實施例。實施例不限於那些解決陳述的問題中的任何一個或所有的實施例、或那些具有陳述 的益處和優點的任何一個或所有的實施例。還將理解的是，提及“一種”項目可以指那些項目中的一個或更多。

本文描述的方法的步驟可以用任何合適的順序實現、或在合適的地方同時實現。此外，在不脫離本文描述的主題的精神和範圍的情況下，可以從任何方法中刪除單個框。可以將以上描述的任何實施例的態樣與描述的任何其他實施例的態樣相組合，以在沒有失去尋求的效果的情況下形成其他實施例。

術語“包括”在本文中用來指包括標識的方法、框或元件，但是這種框或元件不包括排他性列表，並且方法或裝置可以包含附加的框或元件。

將理解的是，以上描述僅作為示例給出，並且本領域技術人員可以進行各種改進。上面的說明書、示例和數據提供了示例性實施例的結構和使用的完整描述。雖然以上已經以某種程度的特殊性或參考一個或更多單獨的實施例描述了各種實施例，但是本領域技術人員可以在不脫離本說明書的精神或範圍的情況下對公開的實施例進行多種改變。

100:裝置

101_1:第一量子位元

101_2:第二量子位元

102_1:第一耦合控制共振器

102_2:第二耦合控制共振器

103:耦合控制信號線

104:約瑟夫遜結

Claims (15)

1. 一種裝置，用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率，包括：

   複數量子位元，至少包括第一量子位元和第二量子位元，該第一量子位元和該第二量子位元分別具有相應的共振頻率；

   複數耦合控制共振器，至少包括第一耦合控制共振器和第二耦合控制共振器，該第一耦合控制共振器和該第二耦合控制共振器分別具有相應的共振頻率帶；以及

   耦合控制信號線，用於將耦合控制信號至少饋送到該第一耦合控制共振器和該第二耦合控制共振器；

   其中，該第一耦合控制共振器配置成，當該耦合控制信號包括處於該第一耦合控制共振器的該共振頻率帶中的頻率分量時，移位該第一量子位元的該共振頻率，並且該第二耦合控制共振器配置成，當該耦合控制信號包括處於該第二耦合控制共振器的該共振頻率帶中的頻率分量時，移位該第二量子位元的該共振頻率。
2. 如請求項1所述的裝置，其中，複數量子位元進一步包括第三量子位元和第四量子位元，該第三量子位元和該第四量子位元分別具有相應的共振頻率，其中，該第一量子位元電容性耦合到該第三量子位元，並且該第二量子位元電容性耦合到該第四量子位元。
3. 如請求項1或2所述的裝置，其中，複數量子位元中的每個量子位元包括至少一個約瑟夫遜結。
4. 如請求項1至3中任一項所述的裝置，其中，該複數量子位元中的每個量子位元包括超導量子干涉裝置。
5. 如請求項1至4中任一項所述的裝置，其中，該第一耦合控制共振器及/或該第二耦合控制共振器的該共振頻率帶位於小於該第一量子位元的該共振頻率和該第二量子位元的該共振頻率的頻率範圍內。
6. 如請求項1至5中任一項所述的裝置，其中，該第一量子位元的該共振頻率的移位與處於該第一耦合控制共振器的該共振頻率帶中的該頻率分量的振幅成比例，及/或該第二量子位元的該共振頻率的移位與處於該第二耦合控制共振器的該共振頻率帶中的該頻率分量的振幅成比例。
7. 如請求項1至6中任一項所述的裝置，其中，該第一量子位元和該第二量子位元彼此電容性耦合，並且其中，當該第一量子位元和該第二量子位元設置為共振時，在該第一量子位元和該第二量子位元上執行量子閘操作。
8. 如請求項1至7中任一項所述的裝置，其中，該第一耦合控制共振器配置成，藉由調諧該第一量子位元的約瑟夫遜電感，來移位該第一量子位元的該共振頻率。
9. 如請求項8所述的裝置，其中，該第一耦合控制共振器配置成，藉由感應磁通量通過該第一量子位元、或藉由引起電流流過該第一量子位元來調諧該第一量子位元的約瑟夫遜電感，以移位該第一量子位元的該共振頻率。
10. 如請求項1至9中任一項所述的裝置，其中，進一步包括：

    複數耦合控制信號線，包括該耦合信號線；以及

    其中，該複數量子位元佈置成矩陣，在該複數量子位元中的每個量子位元具有相應的共振頻率，在該複數耦合控制信號線中的每條耦合控制信號線對應於該矩陣的列/行；

    其中，在該複數耦合控制共振器中的每個耦合控制共振器均配置成，當在相應的耦合控制信號線中的耦合控制信號包括處於該耦合控制共振器的該共振頻率帶中的頻率分量時，移位在該複數量子位元中的該相應的量子位元的該共振頻率。
11. 一種量子計算系統，包括：

    如請求項1至10中任一項所述的裝置；以及

    控制單元，電耦合到該裝置的該耦合控制信號線，其中，該控制單元配置成：

    根據該第一量子位元的該共振頻率和該複數量子位元中的另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，於該第一耦合控制共振器的該共振頻率帶中設置該頻率分量的振幅；以及

    將該耦合控制信號傳輸到該耦合控制信號線。
12. 如請求項11所述的量子計算系統，其中，該控制單元進一步配置成，根據預先配置的耦合參數，設置包括處於該第一耦合控制共振器的該共振頻率帶中的該頻率分量的脈衝的持續時間，其中，該預先配置的耦合參數表示在該第一量子位元和該另一量子位元之間的預期的耦合強度。
13. 如請求項11或12所述的量子計算系統，其中，該控制單元進一步配置成，將處於該第一耦合控制共振器的該共振頻率帶中的該頻率分量和處於該第二耦合控制共振器的該共振頻率帶中的該頻率分量分頻多工到該耦合控制信號中。
14. 一種用於在量子計算系統中選擇性地移位量子位元共振頻率的方法，該量子計算系統包括如請求項1-10中任一項所述的裝置，該方法包括：

    根據該第一量子位元的共振頻率與該複數量子位元中的另一量子位元的共振頻率之間的頻率差，於該第一耦合控制共振器的該共振頻率帶中設置該頻率分量的振幅；以及

    將該耦合控制信號傳輸到該耦合控制信號線。
15. 一種計算機程式產品，包括程式碼，該程式碼配置成，當該程式碼在計算機上執行時，執行如請求項14所述的方法。

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