CN113206364B - 一种量子信号环形器和量子芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子信号环形器和量子芯片，该芯片由一个或多个独立的单元组成，每个单元包括一个频率可调的中心超导量子比特和三个频率可调的微波谐振腔以及可调电感耦合器。所述中心超导量子比特通过三个可调电感耦合器分别与三个微波谐振腔耦合，中心超导量子比特与微波谐振腔之间的耦合强度可关断；利用辅助超导量子比特对所述微波谐振腔的状态进行制备和读取；本发明使用中心超导量子比特同时耦合三个微波谐振腔构成一个量子环形器，可以通过操控中心超导量子比特完成对环形器内量子信号传输方向的操控，且能实现多光子量子态的传输，起到量子路由器的作用，对于实现量子计算和量子信息网络具有重大的潜在应用价值。

Description

一种量子信号环形器和量子芯片

技术领域

本发明涉及超导量子芯片领域，尤其涉及一种基于可调耦合量子比特和微波谐振腔实现量子信号环形传输的量子芯片。

背景技术

量子计算是基于量子力学的一种新的计算模式，由于量子态的叠加和纠缠等特性，其对于信息的储存能力远超于经典计算机。而且在应对储存在不同量子态上的信息时，量子计算可以实现真正的并行计算，其在许多特定问题上的信息计算能力理论上远超经典计算机，实现量子优越性，且部分问题上的优越性已经得到实验证明。

超导量子计算方案由于具备良好的集成性、可制备性和可操控性，以及近些年表现渐佳的量子计算相干性，是最有潜力实现量子计算的物理平台之一，基于超导量子电路的量子芯片已开始在特定问题上展现出了量子优越性。超导量子电路的基本工作原理是每一个量子比特由一个超导非谐振子电路构成，电磁波场在超导电路中被量子化，信息则储存在电磁波场不同的量子能态上，其核心器件是约瑟夫森结。此外微波谐振腔也是重要器件，它是一个LC谐振电路，其能级均分。在此基础上，为了实现可扩展、可变耦合强度的量子芯片，现有技术中已经提出了一种gmon量子比特和可调电感耦合器的电路结构，其gmon量子比特具有频率可调，与电感耦合器耦合强度可调的性质。

在超导量子电路调控技术上，利用稀释制冷机内部实现的mK级别温度完成超导电路环境要求，将量子比特和谐振腔的控制线路逐层接出，在外部利用软硬件***进行调控。硬件上主要包括高频率微波发生器，定制的任意信号发生器和波形采集器，以及稳定且精确度很高的用于加偏置电压的电压源等。对量子比特的读取主要通过观测读取谐振腔频的变化导致的输入输出微波信号的差别来间接地，非破坏性地读取量子比特的量子态。超导量子比特和谐振腔初态的制备和耦合强度的调控是通过比特的微波控制线和磁通控制线完成，具体方法为利用该线路输入满足其谐振频率的特定幅度的微波调制信号和特定时序和电流的磁通偏置信号。

在近年来，单个量子器件上的计算能力已经得到很大提高，而一个大的量子信息处理单元一般是由许多小的量子处理单元组成。如何处理不同量子处理单元之间的量子信息传递和分发是未来量子网络不可或缺的一部分，对此需要稳定的量子路由器来完成。由于光子传输速度快，且受退相干的影响很小，在长距离量子信息的传输中有决定性作用，实现对多光子量子态信息的高保真度传输就有着巨大的科学与应用价值。

经典环形器是将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件，电磁波的传输只能沿单方向环行。对此，基于以上技术和经典环形器，本发明提出一种基于可调耦合量子比特和微波谐振腔实现量子信号环形传输的量子芯片，其核心结构为三个频率可调微波谐振腔通过电感耦合器同时耦合中心超导量子比特，该器件可实现信息的双向环形传递，方向取决于中心超导量子比特的状态，起到量子路由器的作用。

发明内容

本发明的目的在于设计一个可以实现对环形器内量子信号传输方向操控的芯片。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种量子信号环形器，所述量子信号环形器包括：一个中心超导量子比特，三个可调电感耦合器以及三个微波谐振腔，所述中心超导量子比特分别通过所述三个可调电感耦合器与所述三个微波谐振腔耦合；所述中心超导量子比特与所述微波谐振腔的耦合强度可以弗洛凯(Floquet)周期性调制；

通过操控所述中心超导量子比特的量子态完成对每个所述量子信号环形器内量子信号传输方向的操控。

进一步地，所述中心超导量子比特为Xmon量子比特与几何电感串联而成。中心超导量子比特的频率可调，且均配置有独立的微波控制线、磁通量控制线和读取谐振腔。

进一步地，每个所述微波谐振腔均与一个辅助超导量子比特耦合，实现对所述微波谐振腔的量子态的制备和读取，且辅助超导量子比特的频率可调。

进一步地，所述微波谐振腔为一个LC谐振电路串联一个直流超导量子干涉器(DCSQUID)，并具有独立的磁通量控制线，其频率可调，非线性不超过2MHz。

进一步地，所述可调电感耦合器的电路结构包括一个LC谐振电路及一个约瑟夫森结，所述LC谐振电路与所述约瑟夫森结串联。且可调电感耦合器具有独立的磁通量控制线，调节穿过可调电感耦合器的磁通量可改变所述中心超导量子比特与所述微波谐振腔之间的耦合强度，调节范围超过30MHz，并且可调电感耦合器的耦合强度可以调节到0MHz，实现中心超导量子比特与微波谐振腔之间耦合的关闭。

进一步地，每个所述辅助超导量子比特均具有控制和读取电路，包括：独立的微波控制线，用于超导量子比特初态的制备；独立的磁通量控制线，用于独立调节每个超导量子比特的频率；独立的读取谐振腔，用于读取每个超导量子比特的状态。

进一步地，所述量子信号环形器的尺寸在微米级别。所述中心超导量子比特、所述微波谐振腔和所述可调电感耦合器整体呈“十”字型排布，三个谐振腔呈现“T”字形排布。

进一步地，进行环形器内量子信息传递方向的控制所需工作条件为：所述三个微波谐振腔与所述中心超导量子比特达到共振，且所述微波谐振腔与所述中心超导量子比特之间的耦合强度g_j由可调电感耦合器调制，满足

其中j＝1,2,3，υ_d表示耦合强度g_i的调制频率，g₀表示调制幅度，t表示调制时间,j为腔的编号。

进一步地，所述量子信号环形器中信息传递方向的控制方式为：在所述共同耦合的三个微波谐振腔中的任意一个中存在量子信号时，称这个腔为R₁，当所述中心超导量子比特处于基态时，量子信号的传输方向为向耦合强度调制相位差

的2号腔R₂再到相差

的3号腔R₃，即：R₁→R₂→R₃；当所述中心超导量子比特处于激发态时，量子信息态的传输方向反向，即为：R₁→R₃→R₂；当所述中心超导量子比特处于基态和激发态的叠加态时，量子信息态可同时从R₁传输到R₂和R₃。

本发明还提供了一种量子芯片，包括一个或多个量子信号环形器，通过控制所述量子信号环形器中的所述中心超导量子比特的量子态控制信息传递方向。

本发明的有益效果：本发明使用含约瑟夫森节的可调电感耦合器实现微波谐振腔与中心超导量子比特之间耦合强度在正负一定范围内周期性调制，该调制保持不同谐振腔之间耦合强度的变化维持特定相位差2π/3，打破时间反演对称，实现量子信号环形器功能，量子信号环形器的传输方向取决于中心超导量子比特的量子态。此发明同时实现了中心超导量子比特频率可调、微波谐振腔频率可调、中心超导量子比特与三个微波谐振腔之间耦合强度可调的功能，对于推进量子计算和量子信息的发展有重要作用，具有极大的科学研究和工业应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1a为本发明实施例的超导量子芯片的示意图；

图1b为本发明实施例的超导量子芯片图1a的中心超导量子比特示意图；

图1c为本发明实施例的超导量子芯片图1a的微波谐振腔示意图；

图1d为本发明实施例的超导量子芯片图1a辅助超导量子比特及其读取电路的示意图；

图1e为本发明实施例的超导量子芯片图1a的电感耦合器示意图；

图2为量子信号环形器的电路结构的示意图。

其中的附图标记说明：

101.中心超导量子比特；102.微波谐振腔；103.电感耦合器；104.辅助超导量子比特；105.空气桥；106.共面电容；107.中心超导量子比特的超导量子干涉设备(SQUID)；108.读取谐振腔；109.共平面微波控制线；110.接地线；111.中心超导量子比特的磁通量控制线；112.微波谐振腔的超导量子干涉设备(SQUID)；113.辅助超导量子比特的超导量子干涉设备(SQUID)；114.读取传输线；115.微波谐振腔的磁通量控制线；116.电感耦合器的约瑟夫森结；117.电感耦合器的磁通量控制线；118.接地面。

具体实施方式

为使得本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本发明可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种基于可调耦合量子比特和微波谐振腔实现量子信号环形传输的量子芯片，该芯片由一个中心超导量子比特分别通过三个可调电感耦合器与三个微波谐振腔耦合，Floquet方法周期性调制中心超导量子比特与各个谐振腔之间的耦合强度，通过操控量子比特的态实现对环形器内量子信号传输方向的操控。

所述中心超导量子比特为gmon类型，具有频率可调，并通过三个电感耦合器与三个微波谐振腔耦合，其耦合强度可调。中心超导量子比特与三个微波谐振腔之间的耦合强度均可调，调节范围超过30MHz。

所述微波谐振腔为一个LC回路与一个小电感的约瑟夫森结串联，微波谐振腔的非线性不超过2MHz，其影响可忽略。

所述的三个微波谐振腔分别具有一个辅助超导量子比特；辅助超导量子比特与微波谐振腔之间通过电容耦合，耦合强度受到两者频率的影响，大小为几十MHz。通过辅助超导量子比特可以制备和读取微波谐振腔的状态信息。

所述中心超导量子比特和辅助超导量子比特均具有控制和读取电路，包括：独立的微波控制线，用于超导量子比特初态的制备；独立的磁通量控制线，用于独立调节每个超导量子比特的频率；独立的读取谐振腔，用于读取每个超导量子比特的状态。

所述微波谐振腔具有独立的磁通量控制线，用于独立调节每个微波谐振腔的频率，调制范围包含4-5GHz。

所述电感耦合器具有独立的磁通量控制线，用于独立调节每个耦合器耦合的微波谐振腔与中心超导量子比特之间的耦合强度。

三个微波谐振腔和中心超导量子比特可以分别调节频率，达到量子信号传输时共振的要求。三个微波谐振腔与中心超导量子比特之间的耦合强度的调制可实现任意频率的周期性实现。中心超导量子比特与微波谐振腔之间的相互作用可以任意关闭和打开，实现更多功能。所有控制和读取电路上方均搭有空气桥airbridge，以保证芯片的理想接地性质。三个微波谐振腔和中心超导量子比特在谐振的条件下，其耦合强度可以在正负15MHz幅度内完成Floquet方法周期性调制。三个微波谐振腔内的量子态可以通过其耦合量子比特实现初态制备和间接读取，可满足较多光子数条件。在满足三个微波谐振腔和中心超导量子比特共振时，通过耦合强度的调制，可以实现通过控制中心超导量子比特的状态实现信息的双向环形传递操控。

本发明实施例提供一种单个独立的量子信号环形器的主要结构，本器件采用超导量子电路制备方法制备，附图1a为量子信号环形器的结构图。附图1b至1d分别提供了中心超导量子比特，微波谐振腔，电感耦合器的说明。图1a是量子信号环形器的示意图。量子信号环形器由三个频率可调的微波谐振腔102分别通过三个电感耦合器103与中心超导量子比特101耦合，每个微波谐振腔具有独立的辅助超导量子比特104用于制备和读取微波谐振腔的状态。图1a中所有结构均是由使用电介质衬底(例如，蓝宝石、二氧化硅或硅等半导体材料)上的标准薄膜制造工艺制造做出的超导薄膜材料(例如，铝或铌等)形成。

本实施例的中心超导量子比特101为gmon类型，如图1b所示，其包括共平面电容106和与电容连接的超导量子干涉设备(SQUID)107。共面平面电容106由铝线101被接地面118包围形成电容。共面平面电容106与超导量子干涉设备107形成串联电路。中心超导量子比特的接地线110绕三个环之后回到超导量子干涉设备附近接地，与电感耦合器103耦合。中心超导量子比特具有独立的磁通量控制线111，共平面微波控制线109和独立的读取谐振腔108。外部电路通过磁通量控制线111在超导环路上施加外部磁通，改变超导量子干涉设备107的电感，从而改变中心超导量子比特的频率，磁通量控制线的头端接地。外部控制电路通过共平面微波控制线109提供一个与中心超导量子比特的频率共振的微波，用于超导量子比特的初态制备和单比特逻辑门操作，共平面微波控制线被地包围。读取谐振腔108与中心超导量子比特通过电容耦合，其频率受到中心超导量子比特的状态影响，与辅助超导量子比特的读取谐振腔相同(见后)。图中空气桥105的位置仅仅是示意，可以在芯片上的其他位置跨接更多的空气桥用于更好的接地。

本实施例的微波谐振腔102一端与辅助超导量子比特104电容耦合，一端与一个超导量子干涉设备112串联后接地，形成一个λ/4谐振腔，如图1c所示。微波谐振腔的磁通量控制线115通过空气桥连接包绕超导干涉设备112，通过磁通量控制线115改变在超导干涉设备112中的磁通，从而改变超导量子干涉设备112的电感，实现微波谐振腔频率的改变。超导量子干涉设备112的电感很小，故而非线性小约2MHz，用于保护微波谐振腔。微波谐振腔中间的一部分与电感耦合器耦合(见后)。图1d为辅助超导量子比特及其读取电路的示意图。微波谐振腔102与辅助超导量子比特104通过电容耦合，辅助超导量子比特104用于制备和读取微波谐振腔的状态。辅助超导量子比特104具有独立的磁通量控制线111，共平面微波控制线109和独立的读取谐振腔108。磁通量控制线111通过改变超导量子干涉设备113的磁通进而改变辅助超导量子比特的频率，当辅助超导量子比特与微波谐振腔共振时，可将辅助超导量子比特的光子转移到微波谐振腔中；或当微波谐振腔中有一定光子时，与辅助超导量子比特相互作用，微波谐振腔将信息传递给辅助超导量子比特。辅助超导量子比特104与读取谐振腔108通过电容耦合，读取谐振腔108的末端具有弯曲的形状，与读取传输线114耦合。读取谐振腔108的频率与辅助超导量子比特的状态相关，通过测量读取传输线114的微波散射参数S21可以探测读取谐振腔108的频率，从而得到辅助超导量子比特的状态信息。

图1e为电感耦合器的示意图。电感耦合器103呈现一个‘8’字形状，一端与中心超导量子比特101耦合，一端与微波谐振腔102耦合。如图所示，电感耦合器103的左端包绕2圈，其中部分通过空气桥105连接，将中心超导量子比特的接地线110环绕在中间，电感耦合器与中心超导量子比特之间产生一个互感M₁；电感耦合器103的右端包绕两圈与微波谐振腔耦合，同样电感耦合器包绕2圈将微波谐振腔环绕在中间，电感耦合器与微波谐振腔之间产生一个互感M₂。电感耦合器103在中间串联一个单约瑟夫森结116再接地。电感耦合器103具有独立的磁通量控制线117，外部电路通过磁通量控制线117控制外加磁通，改变电感耦合器环路的电感，进而达到改变中心超导量子比特与微波谐振腔的的耦合强度。

图2为量子信号环形器的电路结构的示意图。L_qj为中心超导量子比特的超导量子干涉设备产生的等效电感，L_q为中心超导量子比特的几何电感；L_c是电感耦合器的几何电感，L_cj是电感耦合器的单约瑟夫森结产生的等效电感；L_Rj是微波谐振腔的超导量子干涉设备产生的等效电感。调节通过电感耦合器的磁通

中心超导量子比特与微波谐振腔的耦合强度的计算公式为：

其中ω_resonator为微波谐振腔的频率，Φ₀为单位磁通量。

量子信号环形器功能的实现依赖于有效哈密顿量：

其中

g_i表示微波谐振腔R_i与中心超导量子比特之间的耦合强度大小，_d是耦合强度g_i的调制频率；⁺和σ^-为中心量子比特的上升和下降算符；

和a_j(j＝1,2,3)为微波谐振腔的产生和湮灭算符。中心超导量子比特与三个微波谐振腔R_i共振。如果在微波谐振腔R₁中制备初态，当中心量子比特处于基态时，光子的传输方向为R₁→R₂→R₃；当比特处于激发态时，光子的传输方向为R₁→R₃→R₂；当比特处于基态和激发态的叠加态时，光子从微波谐振腔R₁同时转移到腔R₂和腔R₃中。量子环形器信息传递方向的控制通过中心超导量子比特的状态来实现，可实现信息的双向环形。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种量子信号环形器，其特征在于，所述量子信号环形器包括：一个中心超导量子比特，三个可调电感耦合器以及三个微波谐振腔，所述中心超导量子比特分别通过所述三个可调电感耦合器与所述三个微波谐振腔耦合；所述中心超导量子比特与所述微波谐振腔的耦合强度可以弗洛凯(Floquet)周期性调制；

所述中心超导量子比特包括共平面电容和与电容连接的超导量子干涉设备；共面平面电容被接地面包围形成电容；共面平面电容与超导量子干涉设备形成串联电路；中心超导量子比特的接地线绕三个环之后回到超导量子干涉设备附近接地，与电感耦合器耦合；中心超导量子比特具有独立的磁通量控制线，共平面微波控制线和独立的读取谐振腔；

微波谐振腔一端与辅助超导量子比特电容耦合，一端与一个超导量子干涉设备串联后接地，形成一个λ/4谐振腔，微波谐振腔的磁通量控制线通过空气桥连接包绕超导量子干涉设备，通过磁通量控制线改变在超导干涉设备中的磁通，从而改变超导量子干涉设备的电感，实现微波谐振腔频率的改变；

电感耦合器呈现一个‘8’字形状，一端与中心超导量子比特耦合，一端与微波谐振腔耦合；电感耦合器的左端包绕两圈，其中部分通过空气桥连接，将中心超导量子比特的接地线环绕在中间，电感耦合器与中心超导量子比特之间产生一个互感M₁；电感耦合器的右端包绕两圈与微波谐振腔耦合，同样电感耦合器包绕两圈将微波谐振腔环绕在中间，电感耦合器与微波谐振腔之间产生一个互感M₂；电感耦合器在末端串联一个单约瑟夫森结再接地；通过操控所述中心超导量子比特的量子态完成对每个所述量子信号环形器内量子信号传输方向的操控。

2.根据权利要求1所述的量子信号环形器，其特征在于，所述中心超导量子比特为Xmon量子比特与几何电感串联而成；中心超导量子比特的频率可调。

3.根据权利要求1所述的量子信号环形器，其特征在于，每个所述微波谐振腔均与一个辅助超导量子比特耦合，实现对所述微波谐振腔的量子态的制备和读取，且辅助超导量子比特的频率可调。

4.根据权利要求1所述的量子信号环形器，其特征在于，所述微波谐振腔为一个LC谐振电路串联一个直流超导量子干涉器(DC SQUID)，并具有独立的磁通量控制线，其频率可调，非线性不超过2MHz。

5.根据权利要求1所述的量子信号环形器，其特征在于，所述可调电感耦合器的电路结构包括一个LC谐振电路及一个约瑟夫森结，所述LC谐振电路与所述约瑟夫森结串联；且可调电感耦合器具有独立的磁通量控制线，调节穿过可调电感耦合器的磁通量可改变所述中心超导量子比特与所述微波谐振腔之间的耦合强度，调节范围超过30MHz，并且可调电感耦合器的耦合强度可以调节到0MHz，实现中心超导量子比特与微波谐振腔之间耦合的关闭。

6.根据权利要求3所述的量子信号环形器，其特征在于，每个所述辅助超导量子比特均具有控制和读取电路，包括：独立的微波控制线，用于超导量子比特初态的制备；独立的磁通量控制线，用于独立调节每个超导量子比特的频率；独立的读取谐振腔，用于读取每个超导量子比特的状态。

7.根据权利要求1所述的量子信号环形器，其特征在于，所述量子信号环形器的尺寸在微米级别；所述中心超导量子比特、所述微波谐振腔和所述可调电感耦合器整体呈“十”字型排布，三个谐振腔呈现“T”字形排布。

8.根据权利要求1所述的量子信号环形器，其特征在于，进行环形器内量子信息传递方向的控制所需工作条件为：所述三个微波谐振腔与所述中心超导量子比特达到共振，且所述微波谐振腔与所述中心超导量子比特之间的耦合强度g_j由可调电感耦合器调制，满足

其中j＝1,2,3，υ_d表示耦合强度g_i的调制频率，g₀表示调制幅度，t表示调制时间,j为腔的编号。

9.根据权利要求8所述的量子信号环形器，其特征在于，所述量子信号环形器中信息传递方向的控制方式为：在共同耦合的三个微波谐振腔中的任意一个中存在量子信号时，称这个腔为R₁，当所述中心超导量子比特处于基态时，量子信号的传输方向为向耦合强度调制相位差

的2号腔R₂再到相差

的3号腔R₃，即：R₁→R₂→R₃；当所述中心超导量子比特处于激发态时，量子信息态的传输方向反向，即为：R₁→R₃→R₂；当所述中心超导量子比特处于基态和激发态的叠加态时，量子信息态可同时从R₁传输到R₂和R₃。

10.一种量子芯片，其特征在于，包括一个或多个如权利要求1-9任一项所述的量子信号环形器，通过控制所述量子信号环形器中的所述中心超导量子比特的量子态控制信息传递方向。

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