一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机专利检索-量子计算机人工智能专利检索查询-专利查询网

一种超导电路结构及超导量子芯片、超导 量子计算机

阅读：151发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明实施例提出一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机，其中，所述超导电路结构包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感及与所述第一电感并联的第一电容，利用所述第一电感将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；所述耦合结构，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。这样，解决量子比特之间串扰问题，并在量子比特之间无串扰的基础上，实现超导电路结构简单、易调控、可扩展的目的。，下面是一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种超导电路结构，其特征在于，所述超导电路结构包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；其中，
所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感及与所述第一电感并联的第一电容，利用所述第一电感将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；
所述耦合结构，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。
2.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述耦合结构包括第二电容，用于将两个所述基本单元中的谐振腔进行线性耦合。
3.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述耦合结构包括谐振电路，用于将两个所述基本单元中的谐振腔进行线性耦合。
4.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述量子比特包括超导量子干涉装置，用于与所述谐振腔中的第一电感进行耦合，以实现所述谐振腔与所述量子比特之间的纵场耦合。
5.根据权利要求4所述的超导电路结构，其特征在于，所述超导量子干涉装置包括并联的两个约瑟夫森结。
6.根据权利要求4或5所述的超导电路结构，其特征在于，所述量子比特还包括降噪结构，用于对所述量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
7.根据权利要求4或5所述的超导电路结构，其特征在于，所述量子比特还包括与所述超导量子干涉装置并联的第三电容，用于对所述量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
8.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述超导电路结构包括两个以上所述基本单元及两个以上的所述耦合结构后，能够形成量子比特网络；其中，所述量子比特网络中相邻两个量子比特之间通过线性耦合的相邻两个谐振腔来连接；所述谐振腔之间的线性耦合通过所述耦合结构实现。
9.一种超导量子芯片，其特征在于，所述超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，其中，所述超导电路结构包括权利要求1至8任一项所述的超导电路结构。
10.一种超导量子计算机，其特征在于，所述超导量子计算机至少设置有超导量子芯片以及与所述超导量子芯片连接的操控和读取装置；其中，所述超导量子芯片上至少形成有权利要求1至8任一项所述的超导电路结构。

说明书全文

一种超导电路结构及超导量子芯片、超导 量子计算机

技术领域

[0001] 本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机。

背景技术

[0002] 超导电路，被认为是最有希望实现量子计算的硬件候选者，通常，由多个量子比特通过一定的耦合方式组合而成；当操控一个量子比特时(通常通过施加微波脉冲来实现)，由于量子比特间存在相互作用，另一个量子比特也会受到影响，这种现象被称之为串扰(crosstalk)；这种串扰现象会直接影响到单比特或两比特量子逻辑门的保真度，进而影响到超导量子芯片的性能。而且，一旦量子比特数目逐渐增多，串扰的问题就会变得尤为突出。因此，如何抑制串扰成为亟待解决的问题。

发明内容

[0003] 本发明实施例提供一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机，以解决量子比特间的串扰问题。

[0004] 第一方面，本发明实施例提供了一种超导电路结构，包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；其中，

[0005] 所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感及与所述第一电感并联的第一电容，利用所述第一电感将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；

[0006] 所述耦合结构，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。

[0007] 在一种实施方式中，所述耦合结构包括第二电容，用于将两个所述基本单元中的谐振腔进行线性耦合。

[0008] 在一种实施方式中，所述耦合结构包括谐振电路，用于将两个所述基本单元中的谐振腔进行线性耦合。

[0009] 在一种实施方式中，所述量子比特包括超导量子干涉装置，用于与所述谐振腔中的第一电感进行耦合，以实现所述谐振腔与所述量子比特之间的纵场耦合。

[0010] 在一种实施方式中，所述超导量子干涉装置包括并联的两个约瑟夫森结。

[0011] 在一种实施方式中，所述量子比特还包括降噪结构，用于对所述量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。

[0012] 在一种实施方式中，所述量子比特还包括与所述超导量子干涉装置并联的第三电容，用于对所述量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。

[0013] 在一种实施方式中，所述超导电路结构包括两个以上所述基本单元及两个以上的所述耦合结构后，能够形成量子比特网络；其中，所述量子比特网络中相邻两个量子比特之间通过线性耦合的相邻两个谐振腔来连接；所述谐振腔之间的线性耦合通过所述耦合结构实现。

[0014] 第二方面，本发明实施例提供了一种超导量子芯片，所述超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，所述超导电路结构包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；其中，[0015] 所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感及与所述第一电感并联的第一电容，利用所述第一电感将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；

[0016] 所述耦合结构，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。

[0017] 第三方面，本发明实施例提供了一种超导量子计算机，至少设置有超导量子芯片以及与所述超导量子芯片连接的操控和读取装置；其中，所述超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，所述超导电路结构包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；其中，[0018] 所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感及与所述第一电感并联的第一电容，利用所述第一电感将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；

[0019] 所述耦合结构，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。

[0020] 这样，本发明实施例提供的超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机，能够解决量子比特之间串扰问题，并在量子比特之间无串扰的基础上，实现超导电路结构简单、易调控、可扩展的目的。

[0021] 上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

[0022] 在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。

[0023] 图1示出“单量子比特-谐振腔”纵场型耦合结构示意图；

[0024] 图2示出“量子比特-谐振腔-谐振腔-量子比特”纵场型耦合结构示意图；

[0025] 图3示出根据本发明实施例的基本单元结构示意图；

[0026] 图4示出根据本发明实施例的包含有两个量子比特的无串扰超导电路结构示意图；

[0027] 图5示出根据本发明实施例的量子比特网络结构示意图。

具体实施方式

[0028] 在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

[0029] 为了解决串扰难题，研究者们提出了一个超导电路实现方案，如图1所示，实现一个纵场的量子比特-谐振腔耦合结构，其相互作用的哈密顿量形式是量子比特自由度(比如其势φq或电荷Qq)的偶函数，同时也是谐振腔自由度(比如其势φr或电荷Qr)的奇函数；在Transmon量子比特基础上并联耦合两组组件(其中每组包含并联的电容C、电感L，以及约瑟夫森结EJ)，并且这两组组件绝对对称；若不对称，便不能实现纵场耦合，进而也无法实现比特间的无串扰操作。进一步地，提出“量子比特-谐振腔-谐振腔-量子比特”纵场型耦合结构，如图2所示，量子比特-谐振腔间的耦合与图1所示的结构一致，即图2中虚线框中电路结构即为图1所示的结构，换言之，图2所示的纵场耦合结构包含两个相互对称的图1所示的结构。如图2所示，对于两个量子比特间“量子比特-谐振腔-谐振腔-量子比特”型的耦合结构，谐振腔与谐振腔间的线性耦合是通过将构成超导量子比特的约瑟夫森结两端的节点统一通过电容Cg接地来实现的。

[0030] 这里，上述如图1和图2所示的超导电路实现的是一个等效的量子比特和一个等效的谐振腔间的纵场耦合，换言之，量子比特和谐振腔的自由度并不是直接对应特定的物理元器件。而且，上述结构还存在如下缺点：

[0031] 第一、电路过于复杂。以单量子比特-谐振腔的耦合为例，如图1所示，需要引入额外的六个元器件，分别为两个电容、两个电感，以及两个约瑟夫森结，如此，来实现纵场的量子比特-谐振腔耦合；此外，如图2所示，在设计两个量子比特间“量子比特-谐振腔-谐振腔-量子比特”型的耦合结构时，需要再额外地引入四个电容来接地，以实现谐振腔与谐振腔间的线性耦合；随着量子比特数目增加，元器件的数量也会线性增加。

[0032] 第二、电路限制条件多。在实现量子比特-谐振腔间纵场型耦合时，要求引入的两个组件完全对称。倘若这两个组件不完全对称，则不能实现所需的纵场型量子比特-谐振腔耦合。此外，该方案中采用的还是近似方案，如图1中引入的约瑟夫森结(约瑟夫森能量为EJ)需要用约瑟夫森结链(Josephsonjunctionchain)来替代。

[0033] 第三、电路调控不直接。如图1或图2所示的设计方案实现的量子比特-谐振腔耦合，以及谐振腔-谐振腔耦合均是一种等效的耦合，其量子比特、谐振腔并不真正对应特定的物理元器件，而对应的是等效方案，因此，不便于直接调控系统参数。

[0034] 因此，为解决上述问题，本发明实施例提供了简单、易调控、可扩展，且比特间无串扰的超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机。具体地，本发明实施例量子比特之间通过两个线性耦合谐振腔来连接，且量子比特与谐振腔之间纵场耦合，如此，在其中一个量子比特上施加微波脉冲后，由于该量子比特与谐振腔之间存在纵场型的耦合，所以，可以保证脉冲的信号并不会泄漏到谐振腔中；而且，尽管两个谐振腔之间线性耦合，但由于脉冲的信号不会泄漏到谐振腔中，所以另外一个量子比特不会受到施加的微波脉冲的任何影响，如此，实现了量子比特间的无串扰操作。

[0035] 这里，需要注意的是，本发明实施例所述的超导电路结构指采用超导器件所实现的电路，即所述超导电路结构中所用元器件均由超导材料制备而成。

[0036] 这里，图3示出根据本发明实施例的基本单元示意图；图4示出根据本发明实施例的包含有两个量子比特的无串扰超导电路结构示意图，如图3和图4所示，该超导电路结构包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；其中，

[0037] 如图3所示，所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感(如图3所示的Lr)及与所述第一电感(如图3所示的Lr)并联的第一电容(如图3所示的Cr)，利用所述第一电感(如图3所示的Lr)将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；

[0038] 所述耦合结构，如图4所示，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。

[0039] 本发明实施例中，电流通过谐振腔中第一电感后产生磁场，该磁场通过量子比特形成磁通，比如，该磁场穿过量子比特中超导量子干涉装置产生磁通，这样，通过该外加的磁通会直接影响量子比特的约瑟夫森能量，进而改变量子比特的频率，如此，形成纵场型的量子比特与谐振腔之间的耦合，该改变量子比特频率的过程即为本发明实施例所述的纵场耦合原理。

[0040] 本发明实施例中，所述谐振腔中的第一电感可以为电感元器件，也可以为等效电感，如约瑟夫森结链(Josephson junction chain)。

[0041] 需要注意的是，为便于描述，以下内容以及示图(如图4和图5)利用字母角标(比如“r”、“q”)以及数字标识(如“1”和“2”等)，将同一基本单元中的相同结构或元器件，以及不同基本单元中的相同结构或元器件进行区分。比如，图4所示，q1，q2分别表征不同基本单元中的量子比特；r1，r2分别表征不同基本单元中的谐振腔；Cr1，Cr2(也即以上所述的第一电容)分别表征不同谐振腔中的电容；Lr1，Lr2(也即以上所述的第一电感)分别表征不同谐振腔中电感；Cq，Cr分别表征同一基本单元不同结构中的电容。

[0042] 具体地，如图4所示，在量子比特q1上施加微波脉冲后，由于量子比特q1与谐振腔r1之间存在纵场型的耦合，所以，可以保证脉冲的信号并不会泄漏到谐振腔r1中；而且，尽管两个谐振腔，即r1，r2之间线性耦合，但由于脉冲的信号不会泄漏到谐振腔r1中，所以量子比特q2不会受到施加到量子比特q1的微波脉冲的任何影响，如此，实现了量子比特间的无串扰操作。

[0043] 在一具体实施例中，如图4所示，所述耦合结构包括第二电容(如图4所示的Cc)，用于将两个所述基本单元中的谐振腔进行线性耦合。

[0044] 当然，实际应用中，所述耦合结构还可以为其他电路结构，比如，所述耦合结构包括谐振电路，如此，利用所述谐振电路将两个所述基本单元中的谐振腔进行线性耦合。在一具体示例中，所述谐振电路的电路结构包括电感及与电感并联的电容。

[0045] 在一具体示例中，所述量子比特包括超导量子干涉装置；所述超导量子干涉装置与所述谐振腔中的第一电感(如图3所示的Lr)进行耦合，以实现所述谐振腔与所述量子比特之间的纵场耦合。实际应用中，所述超导量子干涉装置包括：并联的两个约瑟夫森结，如图3所示，每一所述约瑟夫森结的约瑟夫森能量记为EJ，q。这样，当电流通过谐振腔中第一电感后产生磁场，该磁场通过量子比特中超导量子干涉装置形成磁通，通过该外加的磁通会直接影响超导量子干涉装置的约瑟夫森能量，进而改变量子比特的频率，如此，形成纵场型的量子比特与谐振腔之间的耦合。

[0046] 在一具体示例中，所述量子比特还包括降噪结构，用于对所述量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。比如，实际应用中，可通过电容来实现降噪，具体地，所述量子比特还包括与所述超导量子干涉装置并联的第三电容(如图3所示的Cq)，用于对所述量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。

[0047] 这里，需要说明的是，本发明实施例所述的量子比特还可以通过其它类型的具有超导量子干涉装置的结构来实现，如库珀对盒子(Cooper pair box)结构来实现，本发明实施例对此不做限制，只要量子比特与谐振腔之间能够实现纵场耦合原理即可。

[0048] 同理，需要注意的是，为便于描述，图4中所示的Cq1，Cq2(也即以上所述的第三电容)分别表征不同基本单元中不同量子比特所包含的电容。

[0049] 在另一具体示例中，所述超导电路结构包括两个以上所述基本单元及两个以上的所述耦合结构后，能够形成量子比特网络；其中，所述量子比特网络中相邻两个量子比特之间通过线性耦合的相邻两个谐振腔来连接；所述谐振腔之间的线性耦合通过所述耦合结构实现，如图5所示，举例来说，相邻两个量子比特q1，q2之间，通过线性耦合的谐振腔r1，r2来连接，且r1，r2是通过电容来实现线性耦合的，以此类推形成量子比特网络。

[0050] 这样，由于量子比特均纵场耦合了谐振腔，脉冲的信号不会泄漏到谐振腔中，所以，即便形成了量子比特网络，量子比特间也无串扰问题，因此，本发明实施例解决了量子比特之间串扰问题，并在量子比特之间无串扰的基础上，实现了超导电路结构简单、易调控、可扩展的目的。

[0051] 以下结合具体示例对本发明实施例做进一步详细说明；需要注意的是，为便于描述，利用下角标(如q，r)，以及数字标识如“1”、“2”等，将相同基本单元中的相同结构或元器件，以及不同基本单元中的相同结构或元器件进行区分。具体地，

[0052] 在一种实施例中，为实现纵场的单量子比特-谐振腔耦合，本发明实施例提供第一种超导电路结构，如图3所示，该超导电路结构包括：量子比特以及与所述量子比特耦合的谐振腔。其中，

[0053] 所述量子比特包括超导量子干涉装置(SQUID，Superconducting Quantum Interference Device)以及与所述SQUID并联的电容Cq；所述SQUID包括：并联的两个约瑟夫森结，每一所述约瑟夫森结的约瑟夫森能量记为EJ，q；

[0054] 所述谐振腔包括电感Lr以及与电感Lr并联的电容Cr，该谐振腔的本征频率为[0055] 通过改变穿过SQUID的磁通，即可实现对量子比特的频率的调控。

[0056] 这里，如图3所示的量子比特和谐振腔之间纵场耦合的实现原理为：流过谐振腔电感Lr的电流产生磁场，该磁场会穿过量子比特的SQUID使其磁通发生变化，通过该外加的磁通会直接影响SQUID的约瑟夫森能量，进而改变量子比特的频率，从而使量子比特与谐振腔纵场耦合在一起。

[0057] 进一步地，如图3所示的超导电路结构的哈密顿量H包括两部分，分别为：量子比特(如，下述公式(1)中的前两项)和谐振腔(即下述公式(1)中的后两项)：

[0058]

[0059] 其中，Φ0＝h/2e(所述h表征普朗克常数，e表征电子电荷量)为常数，表征量子磁通。φq和Qq表征量子比特的自由度，其满足[φq，Qq]＝2ie。同样，φr和Qr表征谐振腔的自由度，其满足[φr，Qr]＝2ie。此外，穿过量子比特的SQUID的磁通包括两部分，分别为： (表征SQUID自身的磁通)，以及δΦext(表征由谐振腔所诱发的额外磁通)。

[0060] 这里，由于δΦext的存在，使得量子比特与谐振腔有效地耦合在一起。

[0061] 以下给出量子比特与谐振腔有效耦合的具体形式：

[0062] 当由谐振腔诱发的磁通远小于量子比特中SQUID自身磁通时，即δΦext＜＜Φ0，得到公式(2)：

[0063]

[0064] 将公式(2)代回公式(1)，得到公式(3)：

[0065]

[0066] 对公式(3)进行二次量子化，即将描述量子比特的算符φq，Qq改用泡利算符σ刻画，将谐振腔对应的算符φr，Qr改用升降算符表达。更具体来讲，公式(3)中前两项对应的一个量子比特，由于非线性的约瑟夫森能量cos(φq)的存在，因此，可以实现一个非等间隔能级的量子系统，进而通过调控，便可实现一个等效的二能级系统(即量子比特)。其次，公式(3)中的第三项和第四项对应谐振腔。二次量子化后，其可以写为其中最后，公式(3)中的最后一项描述的是量子比特与谐振腔的相互作用，其
中 (λ表征常数)表示穿过量子比特的额外磁通对应于谐振腔电感
Lr所对应的磁通。此处，最为关键的是把cos(φq)转化到泡利表象下。事实上，可以选取量子比特的两个本征态|0>，|1>作为一组基矢，对算符cos(φq)进行投影，如此，得到：

[0067] <0|cos(φq)|1>＝<1|cos(φq)|0>＝0；其中，<0|cos(φq)|0>，<1|cos(φq)|1>为有限值。

[0068] 进而得到作为φq的耦函数，cos(φq)在泡利表象下可转化为σz；最终公式(3)等价为下述公式(4)：

[0069]

[0070] 其中，g表示量子比特-谐振腔间的耦合强度。至此，得到了描述如图3所述的超导电路结构的哈密顿量H，即公式(4)。所述公式(4)即可清晰表征一个量子比特与一个谐振腔间的纵场型的相互作用

[0071] 当然，实际应用中，还可以用另一种更加直观的方法把公式(4)与如图3所示的超导电路结构对应起来。具体地，鉴于量子比特的频率正比于SQUID的有效约瑟夫森能量，而该约瑟夫森能量则是穿过SQUID的磁通的函数，基于此，量子比特的频率可写为因此，描述图3所示的超导电路结构的哈密顿量改写为下述
公式(5)，推导过程如下：

[0072]

[0073] 其中，表征量子比特与谐振腔之间的耦合强度。此外，在上面第二步中只选取了泰勒展开的前两项(即将高阶项略去)，该操作成立的条件是由谐振腔所诱发的SQUID磁通量的变化远远小于量子磁通，即δΦext＜＜Φ0。该条件与上面分析中所使用的条件一致。

[0074] 综上，给出了本发明实施例超导电路结构的实现原理。

[0075] 显然，本发明实施例所述的超导电路结构具有如下优点：

[0076] 第一，本发明实施例所述的超导电路结构简单，只需要很少的元器件便可实现纵场的量子比特-谐振腔耦合，这里，通过对比图1电路复杂度，即可得出此结论。

[0077] 第二、本发明实施例所述的超导电路结构限制条件少。与图1和图2所示结构要求相比，本发明实施例所述的超导电路结构无需要求电路组件完全对称，也无需引入相对复杂的约瑟夫森结链。

[0078] 第三、本发明实施例所述的超导电路结构容易调控；与图1或图2所提供的等效的量子比特和等效的谐振腔(即图1或图2所示，实现量子比特与谐振腔的是等效电路，而非对应的物理元器件)相比，本发明实施例所述的超导电路结构中量子比特和谐振腔均对应实际物理元器件，即超导电路结构的哈密顿量中量子比特和谐振腔的自由度均对应真实的物理元器件，无需进行转化和复杂的计算，因此，便于调控。

[0079] 如此，为基于本发明实施例所述的第一种超导电路结构来解决量子比特之间的串扰问题奠定了电路结构基础。

[0080] 在另一种实施例中，为实现谐振腔之间的线性耦合，提供了第二种超导电路结构，该第二种超导电路结构是基于第一种超导电路结构而实现的，即在第一种超导电路结构的基础上，实现两个相邻谐振腔之间的线性耦合。具体地，图4示出根据本发明实施例的包含有两个量子比特的无串扰超导电路结构示意图，如图4所示，该“量子比特q1-谐振腔r1-谐振腔r2-量子比特q2”结构，将两个LC谐振腔通过一个电容Cc耦合在一起，这样，谐振腔之间的耦合是电荷与电荷之间的耦合，即相互作用项可以表示为∝Qr1 Qr2，其中Qr1，Qr2分别对应谐振腔r1，r2的电荷自由度。通过二次量子化，可进一步将相互作用项写为最终，将描述该如图4所示超导电路结构的哈密顿量用如下公式(6)
表示：

[0081]

[0082] 其中，ωq1，ωq2，ωr1，ωr2分别为量子比特q1、量子比特q2、谐振腔r1，和谐振腔r2的频率；g1，g2，gc分别表征q1～r1，q2～r2以及r1～r2间的耦合强度。

[0083] 以下给出实现单比特逻辑门和两比特逻辑门的方案。这里，若针对量子比特q1做单比特操作，则只需在量子比特q1上施加合适的微波脉冲。由于量子比特-谐振腔间的型耦合以及谐振腔之间的线型耦合使得对量子比特q1做操作，量子比特q2并不会受到任何影响，换言之，实现了量子比特之间无串扰。进一步地，若实现两量子比特逻辑门，则需采用边带耦合的方式同时向两个量子比特施加微波脉冲。简单来讲，需要施加一个频率为ωq1+nωr1(n为正整数)的微波脉冲在量子比特q1上，同时施加另一个频率为ωq2+mωr2(m为正整数)的微波脉冲在量子比特q2上，如此，便可以实现有效的两比特逻辑操作。

[0084] 显然，本发明实施例所述的第二种超导电路结构在解决串扰问题、实现量子比特间无串扰的基础上，还具有如下优点：

[0085] 第一，本发明实施例所述的超导电路结构简单，只需要很少的元器件便可实现纵场的量子比特-谐振腔耦合，这里，通过对比图1和图2电路复杂度，即可得出此结论。此外，本发明实施例通过一个电容便可实现谐振腔之间的耦合，与图2所示的引入四个电容接地的方案相比，本发明实施例实现谐振腔之间耦合的方式简单，使用元器件少。

[0086] 第二、本发明实施例所述的超导电路结构限制条件少。与图1和图2所示结构要求相比，本发明实施例所述的超导电路结构无需要求电路组件完全对称，也无需引入相对复杂的约瑟夫森结链。

[0087] 第三、本发明实施例所述的超导电路结构容易调控；与图1或图2所提供的等效的量子比特和等效的谐振腔(即图1或图2所示，实现量子比特与谐振腔的是等效电路，而非对应的物理元器件)相比，本发明实施例所述的超导电路结构中量子比特和谐振腔均对应实际物理元器件，即超导电路结构的哈密顿量中量子比特和谐振腔的自由度均对应真实的物理元器件，无需进行转化和复杂的计算，因此，便于调控。

[0088] 在再一种实施例中，为实现可扩展的量子比特网络，本发明实施例提供了第三种超导电路结构，该第三种超导电路结构是基于第一种超导电路结构及第二种超导电路结构而实现的，即在第一种超导电路结构及第二种超导电路结构的基础上，实现可扩展的量子比特网络。具体地，图5示出根据本发明实施例的可扩展的量子比特间无串扰的超导电路结构示意图，如图5所示，将图4所示的超导电路结构扩展为一个二维网络结构，其中，每两个量子比特之间通过两个线性耦合的谐振腔来连接，如四个量子比特q1，q2，q3，q4通过线性耦合的谐振腔r1～r2，r3～r4，r5～r6，r7～r8来连接，如此形成的一个网络，如量子比特q1，q2通过两个相互耦合的谐振腔r1～r2来连接，而量子比特q2，q3通过两个相互耦合的谐振腔r3～r4来连接，以此类推形成量子比特网络；这里，图5所示的虚线即说明了该超导电路结构可以容易地扩展为一个二维的量子比特网络。

[0089] 进一步地，对于扩展后的量子比特网络(即图5所示的超导电路结构)，依旧可以采用前述操作两量子比特的方法来实现对量子比特的操作。即在某个量子比特上施加独立的微波脉冲时，便可以实现单比特逻辑门，而且其它量子比特并不会受到影响，实现了量子比特之间无串扰操作。进一步地，若欲实现临近两量子比特间的操作，则需同时在该临近两个量子比特上施加合适的微波脉冲。原理与前面论述的一致，此处不再赘述。

[0090] 显然，本发明实施例所述的第三种超导电路结构在解决串扰问题、实现量子比特间无串扰的基础上，还具有如下优点：

[0091] 第一，本发明实施例所述的超导电路结构简单，只需要很少的元器件便可实现纵场的量子比特-谐振腔耦合，这里，通过对比图1和图2电路复杂度，即可得出此结论。此外，本发明实施例通过一个电容便可实现谐振腔之间的耦合，与图2所示的引入四个电容接地的方案相比，本发明实施例实现谐振腔之间耦合的方式简单，使用元器件少。

[0092] 第二、本发明实施例所述的超导电路结构限制条件少。与图1和图2所示结构要求相比，本发明实施例所述的超导电路结构无需要求电路组件完全对称，与无需引入相对复杂的约瑟夫森结链。

[0093] 第三、本发明实施例所述的超导电路结构容易调控；与图1或图2所提供的等效的量子比特和等效的谐振腔(即图1或图2所示，实现量子比特与谐振腔的是等效电路，而非对应的物理元器件)相比，本发明实施例所述的超导电路结构中量子比特和谐振腔均对应实际物理元器件，即超导电路结构的哈密顿量中量子比特和谐振腔的自由度均对应真实的物理元器件，无需进行转化和复杂的计算，因此，便于调控。

[0094] 第四、本发明实施例所述的超导电路结构能够容易地扩展至一个二维网络结构。

[0095] 本发明实施例还提供了一种超导量子芯片，所述超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，所述超导电路结构包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；其中，[0096] 所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感及与所述第一电感并联的第一电容，利用所述第一电感将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；

[0097] 所述耦合结构，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。

[0098] 这里需要指出的是：以上超导量子芯片中的超导电路结构与上述结构类似，且具有同上述超导电路结构实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本发明超导量子芯片实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述超导结构的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。

[0099] 本发明实施例还提供了一种超导量子计算机，所述超导量子计算机至少设置有超导量子芯片以及与所述超导量子芯片连接的操控和读取装置，所述超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，所述超导电路结构包括：至少两个基本单元，以及耦合结构；其中，[0100] 所述基本单元至少包括量子比特及与所述量子比特纵场耦合的谐振腔；所述谐振腔包括第一电感及与所述第一电感并联的第一电容，利用所述第一电感将所述谐振腔与所述量子比特进行纵场耦合；

[0101] 所述耦合结构，用于将两个所述基本单元中所述谐振腔进行耦合，以实现所述两个基本单元之间线性耦合。

[0102] 这里需要指出的是：以上超导量子计算机中的超导电路结构与上述结构类似，且具有同上述超导电路结构实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本发明超导量子计算机实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述超导结构的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。

[0103] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0104] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0105] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种基于格的公钥加密方法	2020-05-17	24
基于量子真随机数矩阵实现一次一密的IP加密方法	2020-05-11	285
数据压缩方法	2020-05-11	940
一种基于秘密共享公钥池的抗量子计算区块链系统和交易方法	2020-05-08	873
一种基于格的数字签名方法	2020-05-17	823
基于非对称密钥池对和DH协议的量子通信服务站密钥协商方法和系统	2020-05-17	933
基于非对称密钥池对和数字签名的量子通信服务站密钥协商方法和系统	2020-05-18	119
基于一次性非对称密钥对和QKD的量子通信服务站密钥协商方法和系统	2020-05-14	422
基于身份的抗量子计算区块链方法和系统	2020-05-13	177
基于非对称密钥池的量子通信服务站身份认证方法和系统	2020-05-16	557

一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机