WO2022228550A1 - 超导量子芯片 - Google Patents

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WO2022228550A1 PCT/CN2022/090292 CN2022090292W WO2022228550A1 WO 2022228550 A1 WO2022228550 A1 WO 2022228550A1 CN 2022090292 W CN2022090292 W CN 2022090292W WO 2022228550 A1 WO2022228550 A1 WO 2022228550A1
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Abstract

一种超导量子芯片，包括耦合器和控制器；其中耦合器用于耦合第一超导比特电路和第二超导比特电路，耦合器的频率响应曲线包括至少一个相位反转点，相位反转点包括频率响应曲线的谐振点或极点；控制器用于调整耦合器的频率响应曲线，使得第一超导比特电路的比特频率和第二超导比特电路的比特频率之间包含奇数个相位反转点；并进一步调整相位反转点的频率，使得第一超导比特电路和第二超导比特电路的交叉共振效应的等效相互作用为零。降低了量子比特之间的串扰。

Description

超导量子芯片
本申请要求于2021年04月30日提交中国专利局、申请号为202110486361.1、发明名称为“一类新型的超导可调耦合器”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本本发明涉及量子计算，尤其涉及一种超导量子芯片。
背景技术
量子计算是基于量子力学利用量子叠加和纠缠的等特性的一种新型计算方式。对特定问题，如大数分解、量子化学模拟，量子计算相比于经典计算有着指数级加速的优势。超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案。超导电路是由电容、电感、传输线、约瑟夫森结等基本元件构成的微波电路。超导电路组成的量子芯片工作在由稀释制冷机提供的超低温环境以实现超导。超导量子电路在设计，制备和测量等方面与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化应用的潜力。
超导量子芯片中，一般比特电路之间采用固定电容耦合或者量子总线耦合。这类设计降低了电路复杂度，减轻了超导电路设计和微纳加工的负担。然而，随着超导比特数的扩展，电路规模越来越大，这类耦合方式中，比特电路之间耦合不能关断，相互间串扰引起了很多问题，例如，难以同时执行单比特逻辑门，两比特逻辑门操作保真度受限等。
发明内容
本发明实施例提供一种超导量子芯片，以实现关断比特电路间的耦合，极大地降低比特间串扰，同时对超导量子芯片电路的空间布局没有明显的限制。
第一方面，本发明实施例提供了一种超导量子芯片，包括第一超导比特电路，第二超导比特电路，耦合器和控制器；其中：耦合器用于耦合第一超导比特电路和第二超导比特电路，耦合器的频率响应曲线包括至少一个相位反转点，相位反转点包括频率响应曲线的谐振点或极点；控制器用于调整耦合器的频率响应曲线，使得第一超导比特电路的比特频率和第二超导比特电路的比特频率之间包含奇数个相位反转点；控制器还用于进一步调整相位反转点的频率，使得第一超导比特电路和第二超导比特电路的交叉共振效应的等效相互作用为零。这样，通过关断超导比特电路之间的耦合，极大地降低了他们之间的串扰，同时对超导比特电路之间的空间布局没有明显的限制。
在第一方面一个可能的设计中，控制器包括偏置电路，通过偏置电流或偏置电压调整耦合器的频率响应曲线。从而提高了系统实现的灵活性。
在第一方面另一个可能的设计中，耦合器包括：第一固定耦合电路，第二固定耦合电路，可调耦合电路；其中：第一固定耦合电路连接第一超导比特电路和可调耦合电路；第二固定耦合电路连接第二超导比特电路和可调耦合电路；可调耦合电路用于根据控制器的控制信号 调整频率响应曲线。从而提高了系统实现的灵活性。
在第一方面另一个可能的设计中，第一固定耦合电路和第二固定耦合电路分别包括电容，可调耦合电路包括并联的超导量子干涉器和电容，超导量子干涉器由电路偏置线调整等效电感值。从而提高了系统实现的灵活性。
在第一方面另一个可能的设计中，可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端通过第一固定耦合电路与第一超导比特电路耦合，另一端通过第二固定耦合电路和第二超导比特电路耦合。从而提高了系统实现的灵活性。
在第一方面另一个可能的设计中，可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端分别通过第一固定耦合电路和第二固定耦合电路与第一超导比特电路和第二超导比特电路耦合。从而提高了系统实现的灵活性。
在第一方面另一个可能的设计中，可调耦合电路一端接地，另一端分别通过第一固定耦合电路和第二固定耦合电路与第一超导比特电路和第二超导比特电路耦合。从而提高了系统实现的灵活性。
在第一方面另一个可能的设计中，第一固定耦合电路和第二固定耦合电路分别包括电容，可调耦合电路包括串联的第一传输线、超导量子干涉器和第二传输线，超导量子干涉器由电路偏置线调整等效电感值。从而提高了系统实现的灵活性。
第二方面，本发明实施例提供了一种超导量子芯片，包括第一超导比特电路，第二超导比特电路，耦合器和控制器；其中：第一超导比特电路的比特频率与第二超导比特电路的比特频率相等；耦合器用于耦合第一超导比特电路和第二超导比特电路，耦合器的频率响应曲线包括一个极点；控制器用于调整耦合器的频率响应曲线，使得极点的频率等于相等的比特频率。这样，针对比特频率相同的场景，通过关断超导比特电路之间的耦合，极大地降低了他们之间的串扰，同时对超导比特电路之间的空间布局没有明显的限制。
在第二方面一个可能的设计中，控制器包括偏置电路，通过偏置电流或偏置电压调整耦合器的频率响应曲线。从而提高了系统实现的灵活性。
在第二方面另一个可能的设计中，耦合器包括：第一固定耦合电路，第二固定耦合电路，可调耦合电路；其中：第一固定耦合电路连接第一超导比特电路和可调耦合电路；第二固定耦合电路连接第二超导比特电路和可调耦合电路；可调耦合电路用于根据控制器的控制信号调整频率响应曲线。从而提高了系统实现的灵活性。
在第二方面另一个可能的设计中，第一固定耦合电路和第二固定耦合电路分别包括电容，可调耦合电路包括并联的超导量子干涉器和电容，超导量子干涉器由电路偏置线调整等效电感值。从而提高了系统实现的灵活性。
在第二方面另一个可能的设计中，可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端通过第一固定耦合电路与第一超导比特电路耦合，另一端通过第二固定耦合电路和第二超导比特电路耦合。从而提高了系统实现的灵活性。
在第二方面另一个可能的设计中，可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端分别通过第一固定耦合电路和第二固定耦合电路与第一超导比特电路和第二超导比特电路耦合。从而提高了系统实现的灵活性。
第三方面，本发明实施例提供了一种量子计算机，包括：稀释制冷机,前述的超导量子芯片,以及测控系统。
本发明实施例提供的上述方案，通过关断超导比特电路之间的耦合，极大地降低了他们之间的串扰，同时对超导比特电路之间的空间布局没有明显的限制，而且可以设计出物理长度更长的可调耦合电路用于增加比特电路之间的布线空间。本发明实施例极大地提升了架构的扩展性，有益于进一步增加超导量子芯片集成的比特数。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种量子计算机系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超导量子芯片结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种量子比特电路间的耦合电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的两个比特频率相同情况下调整频响示意图；
图5为本发明实施例提供的两个比特频率不同情况下调整频响示意图；
图6为本发明实施例提供的一种耦合器电路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的为图6所示耦合器的频率响应曲线示意图；
图8为本发明实施例提供的一种耦合器电路结构示意图；
图9为本发明实施例提供的为图8所示耦合器的频率响应曲线示意图；
图10为本发明实施例提供的一种耦合器电路结构示意图；
图11为本发明实施例提供的为图10所示耦合器的频率响应曲线示意图；
图12为本发明实施例提供的一种耦合器电路结构示意图；
图13为本发明实施例提供的为图12所示耦合器的频率响应曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供一种量子计算机，其系统结构如图1所示。量子计算机包括：用于提供低温环境的稀释制冷机101，用于实现量子计算信息载体的超导量子芯片102，以及用于操控量子比特状态进行计算操作和读取量子比特状态的测控系统103。
超导量子芯片置于低温环境中，测控系统按照计算操作的需求控制微波源以及调制脉冲信号，将一系列微波脉冲序列输入到超导量子芯片，对比特量子态进行操作。所有操作完成后，测控系统再输出测量脉冲信号到超导量子芯片，通过返回的信号获取量子比特状态信息，得到计算结果。
如图2所示，为本发明实施例提供一种超导量子芯片，包括二维阵列排布的超导比特电路201，以及将超导比特电路耦合起来的耦合器202。二维阵列排布是目前最有希望的量子纠错码，包括表面码，所需要的比特排布结构。为了在二维阵列排布的芯片上实现表面码纠错，两比特逻辑门的误差需要低于1％。然而当比特数越来越多之后，超导量子芯片出现了一系列问题。首先，比特之间的串扰导致逻辑门校准困难，误差增大。其次，控制线的数量随比特数成比例地增加，导致控制线布线困难。
如图3所示为本发明实施例提供的一种电路结构。两个超导比特电路301和302之间通过耦合器303耦合。耦合器303受控制器304控制。耦合器303的一种实现方式包括：固定耦合电路331、可调耦合电路332、固定耦合电路333，将两个超导比特电路301、302耦合 起来。图3所示电路结构不仅适用于图2所示的横纵排列的比特二维阵列，也可以用于任意的排布方式。
其中两个固定耦合电路331、333可以是固定的电容、电感、传输线，或者他们组合而成的电路网络。可调耦合电路可以由电容、电感、传输线，或者他们组合而成的电路网络，再加上可调的电感或电容。例如，超导量子干涉器SQUID(superconducting quantum interference device)是由两个约瑟夫森结并联构成的环路器件，一般可用作可调电感。通过改变SQUID环路中的磁通可以改变SQUID的电感。
通过控制信号，例如电流或电压，调整耦合电路中的部分电感或电容，可改变整个耦合器303的S21频率响应曲线，从而调整频率响应曲线中谐振点(mode)或者极点(pole)的频率。这里，谐振点指电路的S21频率响应曲线中衰减dB趋于零的频点，极点指电路的S21频率响应曲线中衰减dB趋于负无穷的频点。在S21频率响应曲线上，越过一个谐振点或极点，S21的相位会发生反转。谐振点和极点被统称为相位反转点。
频率响应曲线谐振点或极点的移动会改变两个超导比特电路之间的耦合，从而实现关断耦合，或打开并调节耦合。根据两个超导比特电路的比特频率的关系不同，下面分两种情况说明。
如图4所示，在两个超导比特电路301和302的比特频率相同，即都等于f12的情形下，可通过控制信号调整频率响应曲线，将耦合器的极点调整到f12，就关断了两个超导比特电路之间的耦合。通过控制信号将极点调整离开f12，即可打开两个超导比特电路之间的耦合。极点处于f12不同侧的时候，比特电路之间的耦合符号相反。且极点偏离f12越远，耦合越强。
如图5所示，在超导比特电路301的比特频率f1和超导比特电路302的比特频率f2不同的情形下，为了实现关断耦合，需要将谐振点或极点调整到f1和f2之间，并且，f1和f2之间的相位反转点(包括谐振点和极点)的总数为奇数。在此基础上，通过进一步微调谐振点和极点的频率就可以找到关断耦合的频点，偏离该频点即可打开及调节耦合的强度。具体地，两超导比特电路之间的耦合强度可以通过它们之间的交叉共振效应来判断。在微调谐振点和极点的过程中，需要测量两超导比特电路的交叉共振效应的等效相互作用。当测得的等效相互作用为0时，就关断了两个超导比特电路之间的耦合。
本发明实施例提供的上述方案，通过关断超导比特电路之间的耦合，极大地降低了他们之间的串扰，同时对超导比特电路之间的空间布局没有明显的限制，而且可以设计出物理长度更长的可调耦合电路用于增加比特电路之间的布线空间。
本发明实施例提供的另一个耦合器结构如图6所示，耦合器包括第一固定耦合电路603，可调耦合电路604，第二固定耦合电路605。固定耦合电路603和605为耦合电容，可调耦合电路604包括并联的可调电感641和电容642，两端再分别通过电容接地，可称为浮地可调耦合电路。可调电感641可用超导量子干涉器SQUID实现，通过改变SQUID环路中的磁通可以改变SQUID的电感。控制器606可通过将控制信号加载到与SQUID互感耦合的电流偏置线上来实现。改变偏置电流可改变SQUID的电感。并联的可调电感641和电容642的同一端通过第一固定耦合电路603和第二固定耦合电路604分别与两个超导比特电路耦合。
一般，固定耦合电路的电容的大小在1fF至20fF左右。可调耦合电路里的电容大小在20fF 至200fF左右。SQUID的电感大小在0.1nH至30nH左右。
如图7所示，为图6所示耦合器的频率响应曲线图，包含一个谐振点和一个极点，且极点的频率小于谐振点的频率。通过调节偏置电流，可改变频率响应曲线。图7中的实线和虚线分别对应不同的偏置电流。通过调节偏置电流，控制谐振点和极点的位置从而实现关断耦合，或者打开并调节耦合。
本发明实施例提供的另一个耦合器结构如图8所示，与图6所示实施例区别在于，并联的可调电感841和电容842的两端分别通过第一固定耦合电路803和第二固定耦合电路804与两个超导比特电路耦合。同样，控制器806可通过将控制信号加载到与SQUID互感耦合的电流偏置线上来实现。改变偏置电流可改变SQUID的电感。
如图9所示，为图8所示耦合器的频率响应曲线图，也包含一个谐振点和一个极点，极点的频率大于谐振点的频率。通过调节偏置电流，可改变频率响应曲线。图9中的实线和虚线分别对应不同的偏置电流。
图6和图8所示的实施例，通过关断超导比特电路之间的耦合，极大地降低了他们之间的串扰，同时对超导比特电路之间的空间布局没有明显的限制，在芯片版图设计上允许比特间距拉远，从而增加比特之间的布线空间。浮地可调耦合电路包含一个谐振点和极点。它们之间的频率间距一般不大，因而适用于两个超导比特电路的比特频率相同的情形，或者适用于两个超导比特电路的比特频率相差不大的情形。本实施例可以用于实现费米模拟(fermionic simulation)的逻辑门，或实现绝热的受控相位门操作。图6和图8两种耦合情形，可以被灵活选用避开频率拥挤的问题。
本发明实施例还提供一种耦合器结构，如图10所示，耦合器包括第一固定耦合电路1003，可调耦合电路1004，第二固定耦合电路1005。固定耦合电路1003和1005为耦合电容，可调耦合电路1004包括并联的可调电感1041和电容1042，其一端直接接地，另一端通过第一固定耦合电路1003和第二固定耦合电路1004分别与两个超导比特电路耦合。同样，可调电感1041可用超导量子干涉器SQUID实现，通过改变SQUID环路中的磁通可以改变SQUID的电感。控制器1006可通过将控制信号加载到与SQUID互感耦合的电流偏置线上来实现。改变偏置电流可改变SQUID的电感。
一般，固定耦合电路的电容的大小在1fF至20fF左右。可调耦合电路里的电容大小在20fF至200fF左右。SQUID的电感大小在0.1nH至30nH左右。
如图11所示，为图10所示耦合器的频率响应曲线图，包含一个谐振点。通过调节偏置电流，可改变频率响应曲线。图11中的实线和虚线分别对应不同的偏置电流。通过调节偏置电流，控制谐振点的位置从而实现关断耦合，或者打开并调节耦合。
图10所示的实施例，通过关断超导比特电路之间的耦合，极大地降低了他们之间的串扰，同时对超导比特电路之间的空间布局没有明显的限制，在芯片版图设计上允许比特间距拉远，从而增加比特之间的布线空间。由图11可见，图10的耦合器频率响应曲线仅包含一个谐振点，为了避免超导比特电路中的量子信息泄露到耦合器中，一般适用于两个超导比特电路的比特频率相差较大的情形。这种可调耦合电路可用于实现更加灵活的两比特逻辑门：参量门。由于两个比特频率之间相差较大，这种可调耦合电路的参量门的驱动频率更高，从而避开了其他杂散的参量相互作用，参量门的操作速度可被极大地提升。
本发明实施例还提供一种耦合器结构，如图12所示，耦合器包括第一固定耦合电路1203，可调耦合电路1204，第二固定耦合电路1205。固定耦合电路1203和1205为耦合电容，可调耦合电路1204包括串接的传输线1241、可调电感1242、传输线1243。两段传输线长度可以不同。同样，可调电感1242可用超导量子干涉器SQUID实现，通过改变SQUID环路中的磁通可以改变SQUID的电感。控制器1206可通过将控制信号加载到与SQUID互感耦合的电流偏置线上来实现。改变偏置电流可改变SQUID的电感。
一般，固定耦合电路的电容的大小在1fF至20fF左右。可调耦合电路中的传输线长度在1mm至100mm左右。SQUID的电感大小在0.1nH至30nH左右。
如图13所示，为图12所示耦合器的频率响应曲线图，包含多个谐振点。通过调节偏置电流，可改变频率响应曲线。图13中的实线和虚线分别对应不同的偏置电流。通过调节偏置电流，控制谐振点的位置从而实现关断耦合，或者打开并调节耦合。谐振点的数量与传输线相关，可以把两个传输线的长度做得更长，在频率响应曲线上产生更多的谐振点。
图12所示的实施例，通过关断超导比特电路之间的耦合，极大地降低了他们之间的串扰，同时对超导比特电路之间的空间布局没有明显的限制，在芯片版图设计上允许比特间距拉远，从而增加比特之间的布线空间。
由图13可见，图12的耦合器频率响应曲线包含多个谐振点，为了避免超导比特电路中的量子信息泄露到这些不同的谐振点，适用于两个超导比特电路的比特频率相差较大的情形。一般要求两个超导比特电路的比特频率都远离所有的谐振点。为了关断耦合，两个超导比特电路的比特频率之间要求有奇数个谐振点。这种可调耦合电路可用于实现更加灵活的两比特逻辑门：参量门。由于两个比特频率之间相差较大，这种可调耦合电路的参量门的驱动频率更高，从而避开了其他杂散的参量相互作用，参量门的操作速度可被极大地提升，从而实现快速参量门。
相比于图10所示实施例，图12所示实施例能够让比特频率之间间距拉开更远，因为第一个耦合器的谐振点可以很低，相应耦合器的长度就很长，因而适用于比特电路之间的长程耦合。例如，可将图12所示实施例用于长程耦合不同的比特芯片，从而实现小比特芯片组合出更大规模的量子处理器，实现量子处理器的比特数从几百到上千甚至百万级的扩展。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

  1. 一种超导量子芯片，其特征在于，包括第一超导比特电路，第二超导比特电路，耦合器和控制器；其中：
    所述耦合器用于耦合所述第一超导比特电路和所述第二超导比特电路，所述耦合器的频率响应曲线包括至少一个相位反转点，所述相位反转点包括频率响应曲线的谐振点或极点；
    所述控制器用于调整所述耦合器的频率响应曲线，使得所述第一超导比特电路的比特频率和第二超导比特电路的比特频率之间包含奇数个所述相位反转点；
    所述控制器还用于进一步调整所述相位反转点的频率，使得所述第一超导比特电路和第二超导比特电路的交叉共振效应的等效相互作用为零。
  2. 如权利要求1所述的超导量子芯片，其特征在于，所述控制器包括偏置电路，通过偏置电流或偏置电压调整所述耦合器的频率响应曲线。
  3. 如权利要求1或2所述的超导量子芯片，其特征在于，所述耦合器包括：第一固定耦合电路，第二固定耦合电路，可调耦合电路；其中：
    第一固定耦合电路连接所述第一超导比特电路和所述可调耦合电路；
    第二固定耦合电路连接所述第二超导比特电路和所述可调耦合电路；
    所述可调耦合电路用于根据所述控制器的控制信号调整所述频率响应曲线。
  4. 如权利要求1-3任一项所述的超导量子芯片，其特征在于，所述第一固定耦合电路和第二固定耦合电路分别包括电容，所述可调耦合电路包括并联的超导量子干涉器和电容，所述超导量子干涉器由电路偏置线调整等效电感值。
  5. 如权利要求4所述的超导量子芯片，其特征在于，所述可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端通过所述第一固定耦合电路与所述第一超导比特电路耦合，另一端通过所述第二固定耦合电路和所述第二超导比特电路耦合。
  6. 如权利要求4所述的超导量子芯片，其特征在于，所述可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端分别通过第一固定耦合电路和第二固定耦合电路与所述第一超导比特电路和所述第二超导比特电路耦合。
  7. 如权利要求4所述的超导量子芯片，其特征在于，所述可调耦合电路一端接地，另一端分别通过第一固定耦合电路和第二固定耦合电路与所述第一超导比特电路和所述第二超导比特电路耦合。
  8. 如权利要求3所述的超导量子芯片，其特征在于，所述第一固定耦合电路和第二固定耦合电路分别包括电容，所述可调耦合电路包括串联的第一传输线、超导量子干涉器和第二 传输线，所述超导量子干涉器由电路偏置线调整等效电感值。
  9. 一种超导量子芯片，其特征在于，包括第一超导比特电路，第二超导比特电路，耦合器和控制器；其中：
    所述第一超导比特电路的比特频率与所述第二超导比特电路的比特频率相等；
    所述耦合器用于耦合所述第一超导比特电路和所述第二超导比特电路，所述耦合器的频率响应曲线包括一个极点；
    所述控制器用于调整所述耦合器的频率响应曲线，使得极点的频率等于相等的比特频率。
  10. 如权利要求9所述的超导量子芯片，其特征在于，所述控制器包括偏置电路，通过偏置电流或偏置电压调整所述耦合器的频率响应曲线。
  11. 如权利要求9或10所述的超导量子芯片，其特征在于，所述耦合器包括：第一固定耦合电路，第二固定耦合电路，可调耦合电路；其中：
    第一固定耦合电路连接所述第一超导比特电路和所述可调耦合电路；
    第二固定耦合电路连接所述第二超导比特电路和所述可调耦合电路；
    所述可调耦合电路用于根据所述控制器的控制信号调整所述频率响应曲线。
  12. 如权利要求9-11任一项所述的超导量子芯片，其特征在于，所述第一固定耦合电路和第二固定耦合电路分别包括电容，所述可调耦合电路包括并联的超导量子干涉器和电容，所述超导量子干涉器由电路偏置线调整等效电感值。
  13. 如权利要求12所述的超导量子芯片，其特征在于，所述可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端通过所述第一固定耦合电路与所述第一超导比特电路耦合，另一端通过所述第二固定耦合电路和所述第二超导比特电路耦合。
  14. 如权利要求12所述的超导量子芯片，其特征在于，所述可调耦合电路两端分别通过电容接地，其中一端分别通过第一固定耦合电路和第二固定耦合电路与所述第一超导比特电路和所述第二超导比特电路耦合。
  15. 一种量子计算机，其特征在于，包括：稀释制冷机,如权利要求1-14任一项所述的超导量子芯片,以及测控系统。
PCT/CN2022/090292 2021-04-30 2022-04-29 超导量子芯片 WO2022228550A1 (zh)

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