CN111095306A - 用于超导量子计算的混合动态电感器件 - Google Patents

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Abstract

一种器件，包括：基板；在基板上的第一超导体层，第一超导体层具有第一动态电感；以及在第一超导体层上的第二超导体层，第二超导体层具有比第一动态电感低的第二动态电感，其中第二超导体层覆盖第一超导体层，使得除了其中省略了第二超导体层的至少第一区域之外，第二超导体层和第一超导体层具有相同的占用面积，使得第一超导体层和第二超导体层形成具有预定电路参数的电路元件。

Description

用于超导量子计算的混合动态电感器件
技术领域
本公开涉及用于量子信息处理***的混合动态电感器件。
背景技术
量子计算是相对新的计算方法，该方法利用量子效应(诸如基态和纠缠的叠加)以比非量子的数字计算机更有效地执行某些计算。与以位(例如“1”或“0”)的形式存储和操纵信息的数字计算机相比，量子计算***可以使用量子位来操纵信息。量子位可以指能够使多种状态(例如，既处于“0”状态又处于“1”状态的数据)叠加和/或能够使处于多种状态的数据本身叠加的量子器件。根据常规术语，量子***中“0”和“1”状态的叠加可以表示为例如α│0>+β│1>。数字计算机的“0”和“1”状态分别类似于量子位的│0>和│1>基态。值│α│2表示量子位处于│0>状态的概率，而值│β│2表示量子位处于│1>基态的概率。
发明内容
一般地，在一些方面，本公开的主题可以体现在包括以下的器件中：基板；在基板上的第一超导体层，第一超导体层具有第一动态电感；以及在第一超导体层上的第二超导体层，第二超导体层具有比第一动态电感低的第二动态电感，其中第二超导体层覆盖第一超导体层，使得第二超导体层和第一超导体层具有相同的占用面积，除了在其中省略了第二超导体层的至少第一区域使得第一超导体层和第二超导体层形成具有预定电路参数的电路元件之外。
器件的实现方式可以包括以下特征中的一个或更多个。例如，在一些实现方式中，第二超导体层提供相对于第一超导体层较低的阻抗电流路径。
在一些实现方式中，第一超导体层的总电感的超过50％归因于第一动态电感。在一些实现方式中，第一超导体层的总电感的超过90％归因于第一动态电感。在一些实现方式中，第二超导体层的总电感的小于50％归因于第二动态电感。
在一些实现方式中，预定电路参数具有谐振频率。
在一些实现方式中，预定电路参数是电路元件的中心频率或截止频率。
在一些实现方式中，预定电路参数是电路元件的特征阻抗。
在一些实现方式中，电路元件包括量子位测量谐振器。
在一些实现方式中，电路元件包括共面波导。
在一些实现方式中，电路元件包括频率滤波器。频率滤波器可以是带通滤波器。
在一些实现方式中，第一超导体层是钛氮化物。
在一些实现方式中，第一超导体层是铌氮化物。
在一些实现方式中，第一超导体层是超导体陶瓷。在一些实现方式中，第二超导体层是铝。
一般地，在另一方面，本公开的主题可以体现在包括以下的***中：第一超导体迹线(trace)，包括具有第一预定谐振器频率；第二超导体迹线，具有与第一预定谐振器频率不同的第二预定谐振器频率，其中第一超导体迹线和第二超导体迹线中的每个包括第一超导体材料的第一层和在第一层上的第二超导体材料的第二层，并且其中第一超导体迹线的占用面积与第二超导体迹线的占用面积相同。
***的实现方式可以具有以下特征中的一个或更多个。例如，在一些实现方式中，第一超导体材料具有第一动态电感，并且第二超导体材料具有比第一动态电感低的第二动态电感。对于第一超导体迹线，第二超导体层的占用面积可以与第一超导体层的占用面积匹配，除了在其中省略了第二超导体层的至少第一区域使得第一超导体迹线具有第一预定谐振器频率之外。对于第二超导体迹线，第二超导体层的占用面积可以与第一超导体层的占用面积匹配，除了在其中省略了第二超导体层的至少第二区域使得第二超导体迹线具有第二预定谐振器频率之外。第一超导体迹线可以是第一量子位测量谐振器，第二超导体迹线可以是第二量子位测量谐振器。第一超导体迹线可以是第一频率滤波器并且第一预定谐振器频率可以是第一频率滤波器的截止频率或中心频率，第二超导体迹线可以是第二频率滤波器并且第二预定谐振器频率可以是第二频率滤波器的截止频率或中心频率。
一般地，在一些其它方面，本公开的主题可以体现在包括以下的超导体带状线中：电介质层；嵌入电介质层中的超导体迹线，其中超导体迹线包括具有第一动态电感的第一超导体材料；以及通路接触，在电介质层内并延伸到第一超导体迹线，其中通路接触包括具有比第一动态电感低的第二动态电感的第二超导体材料。在一些实现方式中，第一超导体材料的总电感的超过50％归因于第一动态电感。在一些实现方式中，第一超导体材料的总电感的超过90％归因于第一动态电感。在一些实现方式中，第二超导体材料的总电感的小于50％归因于第二动态电感。
在一些实现方式中，第一超导体材料的每单位长度电感高于第二超导体材料的每单位长度电感。
一般地，在其它方面，本公开的主题可以体现在包括以下的器件中：基板；以及在基板上的包括超导体迹线的电路元件，其中超导体迹线的总电感的超过50％归因于形成超导体迹线的超导材料的动态电感，超导体迹线的第一区域具有表现出第一动态电感的第一截面面积，超导体迹线的第二区域具有表现出第二动态电感的第二截面面积，第一截面面积不同于第二截面面积，使得第一动态电感不同于第二动态电感并且使得电路元件具有预定电路参数。
器件的实现方式可以具有以下特征中的一个或更多个。例如，在一些实现方式中，预定电路参数是谐振频率。在一些实现方式中，超导体材料包括钛氮化物、铌氮化物或超导体陶瓷。
在一些实现方式中，电路元件包括量子位测量谐振器。
在一些实现方式中，电路元件包括频率滤波器。
在一些实现方式中，超导体迹线的总电感的超过90％归因于超导体材料的动态电感。
在一些实现方式中，超导体迹线由超导体材料构成。
这里描述的主题的特定实现方式可以实现以下优点中的一个或更多个。例如，在一些实现方式中，可以制造具有不同的预定谐振特性而没有显著不同的几何尺寸的相同类型的电路元件(例如量子位、量子位测量谐振器、共面波导和信号迹线以及其它电路元件类型)。通过至少部分地由高动态电感材料形成电路元件，在一些实现方式中可以降低量子信息处理***的设计复杂度。特别地，相同类型的电路元件可以形成为具有不同的谐振特性，而在各种电路元件中的每个之间不需要不同的尺寸或使用不同的材料。此外，在一些实现方式中，将电路元件制造为具有相同的尺寸但是具有不同的谐振特性能够释放空间，并允许量子信息处理***内的电路元件的密度增加。此外，在一些实现方式中，至少部分地由高动态电感材料形成电路元件允许电路元件相对于不用高动态电感材料制造的相同电路元件以更紧凑的几何形状具有预定谐振特性。
一个或更多个实现方式的细节在附图和以下描述中阐述。其它特征和优点将从说明书、附图和权利要求书是明显的。
附图说明
图1A是示出第一电路元件的示例的俯视图和(在线A-A处的)截面图的示意图。
图1B是示出第二电路元件的示例的俯视图和(在线B-B处的)截面图的示意图。
图2是示出***的示例的俯视图的示意图，该***包括至少部分地由高动态传导材料制成的量子位和测量谐振器。
图3A和图3B分别是示出第一超导体测量谐振器的示例和第二超导体测量谐振器的示例的俯视图的示意图。
图4是示出由具有高动态电感的超导材料形成的电路元件的示例的示意图。
图5是示出用于超导量子信息处理***的带状线设计的示例的俯视图和经过线A-A的截面图的示意图。
具体实现方式
量子计算需要对存储在量子信息处理***的量子比特(量子位)中的量子信息进行相干处理。随着量子信息处理***内量子位的数量增加，***的计算能力显著提高，对于某些复杂问题潜在地提供远超过非量子计算***的处理能力的处理能力。
超导量子信息处理***可以包括电路元件，该电路元件使用超导材料形成并且主要通过施加几百MHz至几百GHz范围内(诸如在500MHz-20GHz之间)的微波信号来控制。在一些实现方式中，超导量子信息处理***的电路元件(诸如量子位)可以表现出在其中微波控制信号用于驱动不同状态(例如量子位的不同状态)之间的转变的“谐振”情形。另外，微波可以用于通过耦合到量子位的测量谐振器来测量量子位的状态。与超导量子信息处理***的这种电路元件相关联的谐振条件和谐振频率与和该电路元件相关联的总电感有关。因此，一种修改谐振条件和/或谐振频率的方法是通过改变电路元件的几何形状来改变电路元素的总电感。
或者，如这里公开的，可以通过至少部分地由表现出高动态电感LK的材料形成电路元件来修改电路元件的总电感，从而修改电路元件的谐振特性。动态电感是交流电场中移动电荷载流子的惯性质量作为等效串联电感的表示。在高载流子迁移率导体和超导体中，可以在非常高的频率下(例如在微波频率范围内)观察动态电感。动态电感与超导体中的几何磁电感LM相反，几何磁电感LM与由于所施加的电流感应的磁场而存储的能量有关并且取决于导体的几何形状。因此，几何电感与材料无关，而动态电感与材料有关。对于宽度W和厚度t的超导带的一般情况，每单位长度的动态电感LK可以表示为
Figure BDA0002410027740000051
其中μ0是真空磁导率，λL是伦敦穿透深度。类似地，对于超导共面波导谐振器，动态电感可以表示为
Figure BDA0002410027740000052
其中g是中心迹线宽度W、中心迹线厚度t以及中心迹线与接地平面之间的间隔宽度s的函数。由于电感取决于迹线的宽度和长度两者，所以动态电感也可以表示为每平方电感。对于超导材料，每单位长度的总电感可以表示为L＝LM+LK。对于某些超导体，与动态电感相比，几何磁电感的值可忽略不计，使得L≈LK。因此，对于共面波导的示例，波导的总电感可以归因于每单位长度的几何电感(其来自共面波导的宽度与间隙比)，以及归因于每平方的动态电感(其根据用于波导的材料而变化并且与几何电感无关(但也取决于波导的几何形状))。
尽管超导体材料的动态电感也可以随温度变化，但这里所指的动态电感对应于在动态电感与其相关联的超导体的临界温度或该临界温度以下的环境中表现出的值，并且一般在这样的温度状况内是不变的。
通过使用在超导量子信息处理***中通常施加的频率(例如在500 MHz-20 GHz之间)下表现出高动态电感的材料，在一些实现方式中，可以制造具有不同的预定谐振特性而没有显著不同的几何尺寸的相同类型的电路元件(例如量子位、量子位测量谐振器、共面波导和信号迹线以及其它电路元件类型)。例如，超导电路元件可以被形成为具有第一组几何尺寸(例如长度和宽度)和第一预定谐振频率，而第二超导电路元件可以被形成为具有与第一量子位测量谐振器相同的几何尺寸(例如长度和宽度)，但通过改变有助于第二超导电路元件的总电感的高动态电感材料的量而具有不同的预定谐振频率。
通过至少部分地由高动态电感材料形成电路元件，在一些实现方式中，可以降低量子信息处理***的设计复杂度。特别地，相同类型的电路元件可以被形成为具有不同的谐振特性，而在各种各样的电路元件中的每个之间不需要不同的尺寸或使用不同的材料。此外，在一些实现方式中，将电路元件制造为具有相同的尺寸但是具有不同的谐振特性可以释放空间，并允许量子信息处理***内的电路元件的密度增加。此外，在一些实现方式中，至少部分地由高动态电感材料形成电路元件允许电路元件相对于不用高动态电感材料制造的相同电路元件以更紧凑的几何形状具有预定谐振特性。
图1A是示出第一电路元件100的示例的俯视图和(在线A-A处的)截面图的示意图，图1B是示出第二电路元件150的示例的俯视图和(在线B-B处的)截面图的示意图。第一电路元件100和第二电路元件150中的每个可以是例如薄膜信号迹线。信号迹线可以被用于量子信息处理器件中，以向控制和数据电路元件传输信号以及传输来自控制和数据电路元件的信号。例如，在一些实现方式中，信号迹线形成共面波导的一部分，诸如在任一侧被气隙以及接地平面横向地界定的中心迹线。这种共面波导可以耦合到量子位以向该量子位提供用于引起不同量子位状态之间的转变的一个或更多个控制信号。在一些实现方式中，信号迹线形成用于读取量子位的状态的量子位测量谐振器的一部分。在一些实现方式中，信号迹线形成用于将两个或更多个量子位或者其它电路元件电感地或电容地耦合在一起的量子位耦合元件的一部分。在一些实现方式中，信号迹线是带状线构造的一部分，而不是共面波导的一部分。也就是，信号迹线嵌入于在顶部和底部由接地平面界定的电介质基板中。
第一电路元件100和第二电路元件150中的每个形成在诸如硅或蓝宝石晶片的电介质基板102上。第一电路元件100具有宽度101和长度103，而第二电路元件150具有宽度107和长度109。第一电路元件100的占用面积对应于基板表面的由宽度101和长度103限定的面积。第二电路元件150的占用面积对应于基板表面的由宽度107和长度109限定的面积。
此外，如图1A-1B的截面中所示，第一电路元件100和第二电路元件150中的每个包括双层材料。也就是，第一电路元件100和第二电路元件150中的每个包括在基板102上的第一层108和在第一层108上的第二层110。在第一电路元件100中，第二层110完全覆盖第一层108的上表面。在第二电路元件150中，第一部分或第一区域120没有第二层110，以露出/暴露第一层108的上表面。在电路元件150的第二部分或第二区域130中，第二层110覆盖第一层108的上表面。
第一层108由相对于形成第二层110的材料的动态电感具有高动态电感的材料形成。例如，第一层108可以由表现出高动态电感的材料形成，包括超导体和/或陶瓷，诸如钛氮化物、铌钛氮化物、铌氮化物、钨硅化物、铂硅化物和超导铝氧化物。第二层110可以由没有表现出动态电感或表现出比第一层108的材料小得多的动态电感的材料(包括诸如例如铝、铟、钼和钌的材料)形成。尽管动态电感可以随频率变化，但在超导***中在50MHz至20GHz范围，对于固定的元件尺寸，动态电感是材料的取决于伦敦穿透深度的常数。如这里所述，超导量子信息处理***需要施加在微波频率范围内(诸如例如在300MHz和300GHz之间，包括在500MHz和20GHz之间)的信号。因此，对于这里阐述的示例，对于在微波频率范围内(例如在500MHz和20GHz之间)以及在超导材料的临界温度或者在超导材料的临界温度以下施加的电磁场，超导材料被理解为具有“高”或“低”动态电感值。
在一些实现方式中，第一层108可以由具有第一动态电感的材料形成，而第二层110可以由具有第二不同的动态电感的材料形成。在一些实现方式中，第一层108的总电感归因于第一动态电感LK1和几何磁电感LM两者。例如，在一些实现方式中，第一层108的总电感L的超过50％归因于第一动态电感LK1，第一层108的总电感L的超过60％归因于第一动态电感LK1，第一层108的总电感L的超过70％归因于第一动态电感LK1，第一层108的总电感L的超过80％归因于第一动态电感LK1，或者第一层108的总电感L的超过90％归因于第一动态电感LK1。
类似地，在一些实现方式中，第二层110的总电感归因于第二动态电感LK2和由第二层的形状产生而与材料无关的几何磁电感两者。例如，在一些实现方式中，第二层110的总电感L的小于50％归因于第二动态电感LK2，第二层110的总电感L的小于40％归因于第二动态电感LK2，第二层110的总电感L的小于30％归因于第二动态电感LK2，第二层110的总电感L的小于20％归因于第二动态电感LK2，或者第二层110的总电感L的小于10％归因于第二动态电感LK2。
当时变电场或时变磁场被施加到第一电路元件100和第二电路元件150中的每个时，可以在第一电路元件100和第二电路元件150中的每个中产生电流。第二层110提供相对于第一层108较低的阻抗电流路径，使得电流主要流过第二层110(可忽略大小的电流可以流过第一层108)。也就是，相对于表现出高动态电感的材料，电流主要流过表现出零或低动态电感的材料。第二层110有效地用作第一层108周围的短路。由于第二层110具有零或相对低的动态电感(例如，总电感的小于50％归因于该动态电感)，所以第一电路元件100的总电感可以主要由形成第二层110的材料的第二层的几何电感(源自磁导率和形状)产生的电感来确定。
相反，如这里说明的，在第二电路元件150中，第一部分或第一区域120没有第二层110以露出/暴露第一层108的上表面。在电路元件150的第二部分或第二区域130中，第二层110覆盖第一层108的上表面。同样，第二层110相对于第一层108提供较低的阻抗电流路径。因此，在向第二电路元件150施加具有在微波频率范围内的频率的时变电场或磁场时，电流在第二区域130中主要流过第二层110，并且在第一区域120中流过第一层108。也就是，电流在区域130中主要流过表现出零或低动态电感的材料，并且在区域120中流过表现出高动态电感的材料。第二层110在区域130中有效地用作第一层108周围的短路。因此，第二电路元件150的总电感由区域130中的第二层110的电感和形状(例如长度、宽度和高度)以及由区域120中的第一层108的动态电感确定。
如这里说明的，在一些实现方式中，第一层108的总电感可以基本起因于其动态电感值而不是由材料的磁导率所致的电感。例如，第一层108的总电感的超过90％可以归因于其动态电感。
因为第一层108的动态电感相对于该层的几何电感高，所以动态电感显著增加了电路元件的总电感。结果，第二电路元件可以形成为具有第二电路元件150的相同的长度109和宽度107，其能够使用相同的材料(例如铝和钛氮化物)分别被制得与第一电路元件100的长度103和宽度101相同，但是导致第一电路元件表现出与第二电路元件150的总电感不同的总电感，从而表现出不同的谐振特性，诸如谐振频率。也就是，第一电路元件100和第二电路元件150可以使用相同的材料在基板表面上具有相同的占用面积(footprint)，但是具有不同的预定电路参数(例如，不同的总电感和谐振特性或不同的特征阻抗)。因此，通过改变第一层(其表现出高动态电感)的由第二层(其表现出低或零动态电感)暴露或未覆盖的量，可以改变电路元件的电路参数(例如总电感和谐振特性)，而不改变电路元件在基板表面上的占用面积。
如关于图1说明的，电路元件100、150可以形成用于读取量子位的状态的量子位测量谐振器的一部分。图2是示出***的示例的俯视图的示意图，该***包括至少部分地由高动态传导材料制成的量子位和测量谐振器。特别地，图2示出了第一量子位-测量谐振器对200和第二相邻的量子位-测量谐振器对250的示例。第一量子位-测量谐振器对200包括量子位202和(例如通过直接电连接、电容耦合或电感耦合)联接到量子位202的测量谐振器204。第二量子位-测量谐振器对250包括量子位206和(例如通过直接电连接、电容耦合或电感耦合)联接到量子位206的一端的测量谐振器208。量子位202和量子位206中的每个可以包括超导量子位，诸如相量子位、电荷量子位或磁通量子位(例如共面波导磁通量子位)。此外，测量谐振器204和208中的每个是共面波导。为了便于观察，省略了接地平面，并且在图2中仅示出了共面波导的中心导体。测量谐振器204和208中的每个至少部分地由薄膜双层形成。也就是，每个测量谐振器204、208包括第一层具有第一动态电感的超导体材料和在第一层超导体材料上的第二层超导体材料，其中第二层超导体材料具有第二动态电感。在微波频率范围内(例如在500MHz和20GHz之间)，第一动态电感高于第二动态电感。例如，每个测量谐振器的第一层可以包括钛氮化物、铌氮化物或超导铝氧化物，而第二层可以包括铝。每个测量谐振器204和208中的第一层超导体材料的厚度可以是相同的。类似地，每个测量谐振器204和208中的在其中提供第二层的第二超导体层的厚度可以是相同的。例如，每个谐振器中的第一层超导体材料的厚度可以在几纳米至大约100纳米之间，而每个谐振器中的第二层超导体材料的厚度可以在大约十纳米至大约几微米之间。因此，第一测量谐振器204和第二测量谐振器208由与图1所示的双层类似的双层形成，用于信号迹线。图2所示的器件被制造在诸如硅或蓝宝石的电介质基板上。
第一测量谐振器204和第二测量谐振器208中的每个具有相同的中心导体长度l，对应于中心导体的一端(其最接近谐振器与其耦合的量子位)与中心导体的一端(其远离谐振器与其耦合的量子位)之间的路径长度。第一测量谐振器204和第二测量谐振器208中的每个也具有相同的中心导体线宽w。此外，中心导体与相邻的接地平面之间的间隙宽度相同。因此，第一测量谐振器204和第二测量谐振器208两者具有相同的占用面积。
如图2所示，第一测量谐振器204和第二测量谐振器208之间的差异是第二测量谐振器208包括中心导体的具有长度s的区域210，在区域210中第二超导体层不存在或已经被去除以暴露/露出第一超导体层。对于第一测量谐振器204，当施加具有预定频率(例如在微波频率范围内)的时变电场时，由于第二超导体层相对于第一超导体层的较低总阻抗，电流将主要流过第二超导体层。因此，第一测量谐振器204将表现出基于第二超导体层的电感L2的基本谐振器频率f01。例如，对于四分之一波量子位读出谐振器，谐振器频率f01可以表示为
Figure BDA0002410027740000101
其中C是每单位长度的电容。对于带通滤波器，f01可以表示为
Figure BDA0002410027740000102
相反，对于第二测量谐振器208，当施加具有预定频率(例如在微波频率范围内)的时变电场时，电流将主要地仅流过第二超导体层经过中心导体的包括第二超导体层的部分。对于中心导体的不存在或去除了第二超导体层的部分210，电流流过第一超导体层。因此，第二测量谐振器208基于其中存在第二超导体层的位置的第二超导体层的电感L2以及基于其中不存在第二超导体层的位置的第一超导体层的电感L1表现出总电感。对于谐振器208的第二超导体层的电感L2可以主要归因于其几何电感。对于谐振器208的第一超导体层的电感L1可以表示为第一超导体层的动态电感和几何电感的函数，该几何电感归因于在没有第二超导体层的区域中的第一超导体层的形状。例如，第一超导体层的电感的超过50％、超过60％、超过70％、超过80％或超过90％可以归因于形成第一超导体层的材料的动态电感。由于部分210暴露高动态电感材料，所以第二测量谐振器的总电感将高于第一测量谐振器的总电感。此外，谐振器208的基本谐振器频率f02可以表示为(L1+L2)的函数。例如，对于四分之一波量子位读出谐振器，谐振器频率f01可以表示为
Figure BDA0002410027740000103
其中s是迹线长度，C是每单位长度的电容。对于带通滤波器，该频率将是四分之一波量子位读出谐振器频率的一半。因此，图2所示的***包括各自在基板上具有相同的占用面积但是不同的基本操作频率的两个量子位测量谐振器，允许量子信息处理***的简化和统一设计。
尽管图2示出了量子位测量谐振器的示例，但是本公开的主题也可以应用于其它类型的谐振器。例如，在一些实现方式中，可以形成多个带通滤波器，其中每个带通谐振器包括在基板上具有相同总占用面积的薄膜双层，但是表现出低动态电感的第二超导体层在表现出高动态电感的第一超导体层上的覆盖率在带通谐振器之间不同。读出谐振器使谐振器的一端接地，另一端断开，而带通滤波器使谐振器的两端断开。通过改变具有低动态电感的第二超导体层的覆盖率，带通谐振器可以表现出不同的中心频率。
类似地，在一些实现方式中，可以形成多个低通滤波器，其中每个低通滤波器包括薄膜双层，该薄膜双层在基板上具有相同的总占用面积，但是表现出低动态电感的第二超导体层在表现出高动态电感的第一超导体上的覆盖率在低通滤波器之间不同。通过改变具有低动态电感的第二超导体层的覆盖率，低通滤波器谐振器可以表现出不同的截止频率。
类似地，在一些实现方式中，可以形成多个高通滤波器，其中每个高通滤波器包括薄膜双层，该薄膜双层在基板上具有相同的总占用面积，但是表现出低动态电感的第二超导体层在表现出高动态电感的第一超导体层上的覆盖率在高通滤波器之间不同。通过改变具有低动态电感的第二超导体层的覆盖率，高通滤波器谐振器可以表现出不同的截止频率。
具有高动态电感的超导体材料的使用还允许形成表现出与由具有较低动态电感的材料形成的较大电路元件相同的电感并因而表现出相同的谐振特性的更紧凑的电路元件。图3A和图3B分别是示出第一超导体测量谐振器300和第二超导体测量谐振器350的俯视图的示意图。与图2的测量谐振器一样，第一测量谐振器300和第二测量谐振器350中的每个包括与接地平面横向地分开恒定的间隙宽度的中心导体。为了便于观察，从图3A和图3B省略了接地平面。然而，与图2的谐振器不同，第一测量谐振器300和第二测量谐振器350不是由具有低动态电感材料和高动态电感材料两者的双层膜形成。而是，第一测量谐振器300完全由在所施加电场的预定频率(例如在500MHz-20GHz之间)下具有低动态电感的超导体材料(诸如铝)的薄膜(例如大约几纳米到大约2微米)形成。第二测量谐振器350完全由在所述预定频率下具有高动态电感(例如，与形成谐振器300的材料的动态电感相比，9:1的动态电感比)的超导体材料(诸如钛氮化物或铌氮化物)的薄膜(例如大约几纳米至大约2微米)形成。如图3A和图3B所示，第一测量谐振器300具有比第二测量谐振器350长得多的中心迹线长度。由于相对于构成谐振器300的材料的动态电感，构成谐振器350的材料的更高的动态电感，所以谐振器350可以被形成为提供与谐振器300相同的总电感，但是具有短得多的中心迹线长度。在一些实现方式中，完全由高动态电感材料形成量子信息处理器件(诸如量子位测量谐振器)可能无意地使施加到该器件的低频波形(例如0到300MHz之间)失真，而考虑到较低动态电感材料用于在高动态电感材料周围提供较低阻抗路径，由高动态电感材料和低动态电感材料两者(例如两个超导体)形成的量子信息处理器件可以引起较小的波形失真。
图4是示出由具有高动态电感的超导材料形成的电路元件400(例如量子位测量谐振器)的示例的示意图，其中电路元件中的动态电感的值通过修改电路元件在不同区域中的几何尺寸(例如电路元件的厚度)而在这些区域中改变。图4显示了量子位测量谐振器400的俯视图和谐振器400的经过线A-A的截面图。类似于谐振器200，谐振器400包括与接地平面横向地分开恒定的间隙宽度的中心导体。为了便于观察，从图4省略了接地平面。谐振器400完全由在约500MHz-20GHz的频率范围内表现出高动态电感的超导体材料402形成。例如，在一些实现方式中，谐振器400由钛氮化物或铌氮化物形成。
如图4的截面图所示，谐振器400的厚度沿着中心导体的长度从第一端到第二端变化。也就是，在第一区域406中，超导体材料402的厚度具有第一厚度(例如500nm)。在第二区域408中，超导体材料402被减薄以具有小于第一厚度的第二厚度(例如100nm)。在第三区域410中，超导体材料402被进一步减薄以具有小于第一厚度和第二厚度两者的第三厚度(例如20nm)。随着谐振器400的厚度从区域406到410减小，与每个区域相关联的每单位长度的动态电感增加。例如，区域406中每单位长度的动态电感的值可以高于区域408和410中每单位长度的动态电感，而区域408中每单位长度的动态电感的值可以高于区域410中每单位长度的动态电感。在某些实现方式中，于是，谐振器400的总电感可以基于在区域406、408和410的每个中表现出的特定的动态电感值被确定。因此，沿超导体的长度改变其厚度提供了另一种在不需改变电路元件的占用面积的情况下改变电路元件的总电感的方法。
例如，在一些实现方式中，***可以包括多个相同类型的量子信息处理器件(例如量子位测量谐振器)，每个量子信息处理器件在基板上具有相同的占用面积(例如中心导体路径的相同长度和相同宽度)。每个器件还可以由在预定频率下具有高动态电感的材料(例如，在以500MHz-20GHz之间的频率施加的电场下，钛氮化物或铌氮化物)形成。然后，可以在不改变器件在基板上的占用面积的情况下，通过沿着器件改变高动态电感材料在一个或更多个不同区域中的量(例如，通过改变高动态电感材料的厚度)来改变每个量子信息处理器件的总电感，并因而改变每个量子信息处理器件的谐振特性(例如中心频率)。
在一些实现方式中，将表现出高动态电感的材料与表现出低动态电感的材料组合可以用于改变电路元件的特征阻抗，例如用于执行阻抗匹配。例如，带状线将具有与相同长度的共面波导充分不同的阻抗，因为共面波导的较低的每单位长度电容。结果，当带状线连接到具有不同阻抗的共面波导时，这可以导致信号背反射。为了减小背反射，共面波导和信号线可以形成为具有相同的阻抗。例如，可以增加信号迹线的电感L，使得其阻抗(其可以表示为
Figure BDA0002410027740000131
)匹配共面波导的阻抗。例如，在一些实现方式中，可以期望的是，将带状线的阻抗设置为50欧姆或75欧姆，使得其匹配微波部件使用的标准阻抗值。对于带状线，这可以通过使信号线的宽度变窄以补偿较高的每单位长度电容或将接地平面进一步远离信号线移动以减小每单位长度电容来实现。然而，这种方法可能需要将信号线形成得太窄或将接地平面形成得太远，以致难以制造带状线。用于修改带状线的阻抗的替代种技术是通过由具有高动态电感的超导材料形成信号迹线来增加信号迹线的电感。于是，信号线可以形成得更宽，因此更容易制造，同时提供能够与共面波导和/或其它部件的阻抗匹配的阻抗。
图5是示出用于超导量子信息处理***的带状线设计的示例的俯视图和经过线A-A的截面图的示意图。例如，图5中示出的带状线500可以用于将数据和/或控制信号传送到量子位、量子位测量谐振器或量子位耦合器和/或传送来自量子位、量子位测量谐振器或量子位耦合器的数据。带状线500包括：形成在基板504的第一主表面(例如基板504的上表面)上的第一超导层500；形成在基板504的第二主表面(例如基板504的下表面)上的第二超导层506；嵌入在基板504内的超导信号迹线508；以及形成在基板504内并连接到信号迹线508的超导通路接触510。第一超导层502和第二超导层506中的每个可以由具有低动态电感或高动态电感的超导材料形成。例如，层502、506可以由铝、铌氮化物或钛氮化物形成。层502、506中的每个用作信号迹线508的屏蔽接地平面。信号迹线508由具有高动态电感的第一超导体材料形成，诸如钛氮化物、铌氮化物、钨硅化物或超导铝氧化物。例如，第一超导体材料508的总电感的超过50％可以归因于动态电感，或者第一超导体材料508的总电感的超过90％可以归因于动态电感。带状线500的(例如，如在图的页面向内和向外所定义的)宽度可以在例如大约几百纳米到大约几微米之间的范围内。带状线的(例如，如在图的页面内垂直定义的)厚度可以在例如大约数十纳米到大约数百纳米的范围内。
通路接触510可以填充有具有低动态电感的第二超导材料，诸如铝。例如，第二超导体材料的总电感的小于50％可以归因于动态电感。尽管图5中未示出，但是通路接触510可以连接到基板504的第一主表面上的共面波导或其它谐振器，其中共面波导或其它谐振器由低动态电感材料形成。或者，通路接触510可以耦合到微波耦合器，诸如环行器、隔离器或耦合器。在一些实现方式中，第一超导体材料和第二超导体材料的不同动态电感导致信号迹线508具有相对于通路接触以及通路接触510与其耦合的共面波导、谐振器或微波部件的每单位长度电感更高的每单位长度电感。结果，信号线508可以被设计为具有与共面波导、谐振器或微波部件的阻抗匹配的阻抗，而不用显著减小信号迹线508的宽度。
本说明书中描述的量子主题和量子操作的实现方式可以在包括本说明书中公开的结构及其结构等同物的适当的量子电路实现或更一般地在量子计算***中实现，或以它们中的一个或更多个的组合来实现。术语“量子计算***”可以包括但不限于量子计算机、量子信息处理***、量子密码***、拓扑量子计算机或量子模拟器。
术语量子信息和量子数据指的是由量子***所传送、保持或存储的信息或数据，其中最小的非平凡***是量子位，例如定义量子信息的单位的***。应理解，术语“量子位”涵盖在相应的上下文中可适当地近似为两级***的所有量子***。这样的量子***可以包括例如具有两个或更多个级的多级***。作为示例，这样的***可以包括原子、电子、光子、离子或超导量子位。在一些实现方式中，计算基态被识别为基态和第一激发态，然而，应理解，其中计算状态被识别为更高级的激发态的其它设置也是可能的。应理解，量子存储器是能够以高保真度和高效率长时间存储量子数据的器件，例如光-物质界面，其中光用于传输并且物质用于存储和保存量子数据的量子特征，诸如叠加或量子相干性。
量子电路元件(也被称为量子计算电路元件和量子信息处理器件)包括用于执行量子处理操作的电路元件。也就是，量子电路元件被配置为利用诸如叠加和纠缠的量子力学现象从而以不确定的方式对数据执行操作。某些量子电路元件(诸如量子位)可以被配置为同时以一种以上的状态表示和操作信息。超导量子电路元件的示例包括诸如量子LC振荡器、量子位(例如磁通量子位、相量子位或电荷量子位)和超导量子***件(SQUID)(例如RF-SQUID或DC-SQUID)等的电路元件。
相反，非量子电路元件一般以确定方式处理数据。非量子电路元件可以被配置为通过对数据执行基本的算术、逻辑和/或输入/输出操作来共同执行计算机程序的指令，其中数据以模拟或数字形式表示。在一些实现方式中，非量子电路元件可以用于通过电连接或电磁连接向量子电路元件发送数据和/或从量子电路元件接收数据。非量子电路元件的示例包括基于CMOS电路、快速单磁通量子(RSFQ)器件、互易量子逻辑(RQL)器件和ERSFQ器件(其是不使用偏置电阻器的RSFQ的节能版本)的电路元件。
这里描述的量子电路元件和非量子电路元件的制造可能需要沉积一种或更多种材料，诸如超导体、电介质和/或金属。取决于所选择的材料，这些材料可以使用诸如化学气相沉积、物理气相沉积(例如蒸发或溅射)或外延技术的沉积工艺及其它沉积工艺来沉积。这里描述的用于制造电路元件的工艺可能需要在制造期间从器件去除一种或更多种材料。取决于要被去除的材料，去除工艺可以包括例如湿蚀刻技术、干蚀刻技术或剥离工艺。可以使用已知的光刻技术(例如光刻或电子束光刻)图案化形成这里描述的电路元件的材料。
在使用超导量子电路元件和/或超导非量子电路元件(诸如这里描述的电路元件)的量子计算***的操作期间，将超导电路元件在低温恒温器内被冷却至允许超导体材料表现出超导特性的温度。超导体(或者超导)材料可以被理解为在超导临界温度或超导临界温度以下表现出超导特性的材料。超导材料的示例包括铝(1.2开尔文的超导临界温度)、铌(9.3开尔文的超导临界温度)和钛氮化物(5.6开尔文的超导临界温度)。
尽管本说明书包含许多特定的实现细节，但是这些细节不应被解释为对可被主张的范围的限制，而应视为对特定实现方式可为特别的特征的描述。在本说明书中在分离的实现方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实现方式中组合实现。相反，在单个实现方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地在多个实现方式中实现或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征在以上可以被描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此主张，但是在一些情况下，可以从所主张的组合中删除该组合中的一个或更多个特征，并且所主张的组合可以针对子组合或子组合的变型。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者不应被理解为要求执行所有示出的操作，来实现期望的结果。例如，权利要求中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。此外，上述实现方式中各种部件的分离不应被理解为在所有实现方式中都需要这种分离。
已经描述了许多实现方式。然而，将理解，可以进行各种修改而不背离本发明的精神和范围。因此，其它实现方式在以下权利要求的范围内。

Claims (34)

1.一种器件，包括：
基板；
在所述基板上的第一超导体层，所述第一超导体层具有第一动态电感；以及
在所述第一超导体层上的第二超导体层，所述第二超导体层具有比所述第一动态电感低的第二动态电感；
其中所述第二超导体层覆盖所述第一超导体层，使得所述第二超导体层和所述第一超导体层具有相同的占用面积，除了其中省略了所述第二超导体层的至少第一区域使得所述第一超导体层和所述第二超导体层形成具有预定电路参数的电路元件之外。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二超导体层相对于所述第一超导体层提供较低的阻抗电流路径。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超导体层的总电感的超过50％归因于所述第一动态电感。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述第一超导体层的所述总电感的超过90％归因于所述第一动态电感。
5.根据权利要求3所述的器件，其中所述第二超导体层的所述总电感的小于50％归因于所述第二动态电感。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述预定电路参数包括所述电路元件的谐振频率。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述预定电路参数包括所述电路元件的中心频率或截止频率。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述预定电路参数是所述电路元件的特征阻抗。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述电路元件包括量子位测量谐振器。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述电路元件包括共面波导。
11.根据权利要求1所述的器件，其中所述电路元件包括频率滤波器。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述频率滤波器是带通滤波器。
13.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超导体层是钛氮化物。
14.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超导体层是铌氮化物。
15.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超导体层是超导体陶瓷。
16.根据权利要求5、6和7中任一项所述的器件，其中所述第二超导体层是铝。
17.一种***，包括：
第一超导体迹线，包括具有第一预定谐振器频率；
第二超导体迹线，具有与所述第一预定谐振器频率不同的第二预定谐振器频率，
其中所述第一超导体迹线和所述第二超导体迹线中的每个包括第一超导体材料的第一层和在所述第一层上的第二超导体材料的第二层，以及
其中所述第一超导体迹线的占用面积与所述第二超导体迹线的占用面积相同。
18.根据权利要求17所述的***，其中所述第一超导体材料具有第一动态电感，所述第二超导体材料具有比所述第一动态电感低的第二动态电感。
19.根据权利要求18所述的***，
其中，对于所述第一超导体迹线，所述第二超导体层的占用面积与所述第一超导体层的占用面积匹配，除了其中省略了所述第二超导体层的至少第一区域使得所述第一超导体迹线具有所述第一预定谐振器频率之外。
20.根据权利要求19所述的***，其中，对于所述第二超导体迹线，所述第二超导体层的占用面积与所述第一超导体层的占用面积匹配，除了其中省略了所述第二超导体层的至少第二区域使得所述第二超导体迹线具有所述第二预定谐振器频率之外。
21.根据权利要求18所述的***，其中所述第一超导体迹线是第一量子位测量谐振器，所述第二超导体迹线是第二量子位测量谐振器。
22.根据权利要求18所述的***，其中所述第一超导体迹线是第一频率滤波器，并且所述第一预定谐振器频率是所述第一频率滤波器的截止频率或中心频率，以及
所述第二超导体迹线是第二频率滤波器，并且所述第二预定谐振器频率是所述第二频率滤波器的截止频率或中心频率。
23.一种超导体带状线，包括：
电介质层；
嵌入所述电介质层的超导体迹线，其中所述超导体迹线包括具有第一动态电感的第一超导体材料；以及
通路接触，在所述电介质层内并延伸到所述第一超导体迹线，
其中所述通路接触包括第二超导体材料，所述第二超导体材料具有低于所述第一动态电感的第二动态电感。
24.根据权利要求23所述的超导体带状线，其中所述第一超导体材料的总电感的超过50％归因于所述第一动态电感。
25.根据权利要求24所述的器件，其中所述第一超导体材料的所述总电感的超过90％归因于所述第一动态电感。
26.根据权利要求23所述的器件，其中所述第二超导体材料的所述总电感的小于50％归因于所述第二动态电感。
27.根据权利要求23所述的器件，其中所述第一超导体材料的每单位长度电感高于所述第二超导体材料的每单位长度电感。
28.一种器件，包括：
基板；以及
在所述基板上的包括超导体迹线的电路元件，
其中所述超导体迹线的总电感的超过50％归因于形成所述超导体迹线的超导材料的动态电感，
所述超导体迹线的第一区域具有表现出第一动态电感的第一截面面积，以及
所述超导体迹线的第二区域具有表现出第二动态电感的第二截面面积，所述第一截面面积不同于所述第二截面面积以使得所述第一动态电感不同于所述第二动态电感并且使得所述电路元件具有预定电路参数。
29.根据权利要求28所述的器件，其中所述预定电路参数包括谐振频率。
30.根据权利要求28所述的器件，其中所述超导体材料包括钛氮化物、铌氮化物或超导体陶瓷。
31.根据权利要求28所述的器件，其中所述电路元件包括量子位测量谐振器。
32.根据权利要求28所述的器件，其中所述电路元件包括频率滤波器。
33.根据权利要求28所述的器件，其中所述超导体迹线的所述总电感的超过90％归因于所述超导体材料的所述动态电感。
34.根据权利要求28所述的器件，其中所述超导体迹线由所述超导体材料构成。
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