一种超导电路结构及超导量子芯片、超导量子计算机
阅读：962发布：2020-05-11
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 申请 公开了一种超导 电路 结构及超导量子芯片、超导 量子计算 机 ，涉及量子计算领域。具体实现方案为：至少两个 量子比特 ；连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合； 耦合器 件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合。如此，高效地消除掉量子比特间的σzσz寄生耦合，实现高保真度的两量子比特 门 。，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。
1.一种超导电路结构，其特征在于，包括：
至少两个量子比特；
连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合；
耦合器件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
2.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述耦合器件为谐振腔，所述谐振腔包括：可调控等效电感，以及与所述可调控等效电感并联的第一电容器；其中，所述可调控等效电感用于实现所述耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
3.根据权利要求2所述的超导电路结构，其特征在于，所述可调控等效电感包括约瑟夫森结链；其中，
所述约瑟夫森结链包含串联的至少两个约瑟夫森结，所述约瑟夫森结链中的约瑟夫森结将所述耦合器件与两个量子比特耦合，用于实现所述耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
4.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述量子比特包括与所述耦合器件耦合的超导量子干涉装置，用于实现所述耦合器件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二电容器，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量子比特后，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利用连接组件实现耦合；利用连接组件耦合的相邻两个量子比特之间设置有耦合器件，利用耦合器件实现分别与相邻两个量子比特的纵场耦合。
9.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述连接组件包括以下组件中的至少一种：电容器、约瑟夫森结、谐振电路。
10.一种超导量子芯片，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9任一项所述的超导电路结构。
11.一种超导量子计算机，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9任一项所述的超导电路结构。
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] 本申请涉及计算机领域，尤其涉及量子计算领域。
背景技术
[0002] 在通往通用量子计算的道路中，实现高保真度的两量子比特门至关重要。但随着量子比特数目不断增加，新的噪声通道和多种串扰(包括但不限于量子比特间的串扰，以及不可避免的量子比特间的寄生耦合等)，让实现高保真度的两量子比特门成为一个巨大的挑战。当两个量子比特进行连接后，除了可以产生用来实现量子逻辑门的σxσx耦合，即利用σxσx耦合使两个量子比特的量子态得以交换，还会不可避免地产生额外的σzσz寄生耦合，即一个量子比特量子态的变化对另一个量子比特造成影响。显然，这种σzσz寄生耦合不但会直接影响到量子比特的性能，还会限制两量子比特门的保真度。因此，如何消除掉量子比特间的σzσz寄生耦合，便成为一个重要的命题。发明内容
[0004] 第一方面，本发明实施例提供了一种超导电路结构，包括：
[0005] 至少两个量子比特；
[0006] 连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合；
[0007] 耦合器件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0008] 本申请实施例中，一方面，通过调节耦合器件的频率便可实现对量子比特间σzσz寄生耦合的消除，进而实现了高保真度的两量子比特门。另一方面，由于耦合器件与量子比特间是纵场型耦合，所以对耦合器件的操控并不会对量子比特产生影响。换言之，对耦合器件的频率进行调控，并不会构成一个新的噪声通道。进一步，又由于在纵场耦合中，耦合相互作用与量子比特哈密顿量的对易，对耦合器件耗散率没有特别的限制，所以，可以对耦合器件进行快速操控，且不影响到量子比特，换言之，本申请实施例无需限制对耦合器件的操控速度。
[0009] 而且，本申请实施例中，量子比特间σzσz耦合的推导和求解过程非常简洁，不会受到诸多近似条件的约束，有利于对方案理解和扩展。
[0010] 在一种实施方式中，耦合器件为谐振腔，谐振腔包括：可调控等效电感，以及与可调控等效电感并联的第一电容器；其中，可调控等效电感用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0011] 这里，通过流过可调控等效电感的电流产生的磁场，来改变穿过量子比特的磁通，比如，当量子比特包括超导量子干涉装置时，即可改变穿过超导量子干涉装置的磁通，进而改变量子比特的频率，为实现耦合器件与量子比特间的纵场耦合奠定了基础。
[0012] 在一种实施方式中，可调控等效电感包括约瑟夫森结链；其中，
[0013] 约瑟夫森结链包含串联的至少两个约瑟夫森结，约瑟夫森结链中的约瑟夫森结将耦合器件与两个量子比特耦合，用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0014] 这里，通过流过约瑟夫森结链的电流产生的磁场，来改变穿过量子比特的磁通，比如，当量子比特包括超导量子干涉装置时，即可改变穿过超导量子干涉装置的磁通，进而改变量子比特的频率，为实现耦合器件与量子比特间的纵场耦合奠定了基础。
[0015] 在一种实施方式中，量子比特包括与所述耦合器件耦合的超导量子干涉装置，用于实现耦合器件与量子比特之间的纵场耦合。
[0016] 这里，通过流过约瑟夫森结链的电流产生的磁场，即可改变穿过超导量子干涉装置的磁通，进而改变量子比特的频率，为实现耦合器件与量子比特间的纵场耦合奠定了基础。
[0017] 在一种实施方式中，超导量子干涉装置包括并联的两个约瑟夫森结。
[0018] 在一种实施方式中，量子比特还包括降噪结构，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
[0019] 在一种实施方式中，量子比特还包括与超导量子干涉装置并联的第二电容器，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
[0020] 在一种实施方式中，超导电路结构包括两个以上量子比特后，能够形成量子比特网络；其中，
[0021] 量子比特网络中相邻两个量子比特之间利用连接组件实现耦合；利用连接组件耦合的相邻两个量子比特之间设置有耦合器件，利用耦合器件实现分别与相邻两个量子比特的纵场耦合。
[0022] 这里，该示例中将两量子比特结构扩展至更为丰富的多量子比特网络结构中，进而实现更加全面的功能。
[0023] 在一种实施方式中，连接组件包括以下组件中的至少一种：电容器、约瑟夫森结、谐振电路。
[0024] 这里，为了使两个量子比特间产生有效的耦合，连接组件包括以下组件中的至少一种：电容器、约瑟夫森结、谐振电路。
[0025] 第二方面，本发明实施例提供了一种超导量子芯片，超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，超导电路结构包括：
[0026] 至少两个量子比特；
[0027] 连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合；
[0028] 耦合器件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0029] 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超导量子芯片连接的操控和读取装置；其中，超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，超导电路结构包括：
[0030] 至少两个量子比特；
[0031] 连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合；
[0032] 耦合器件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0033] 上述申请中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
[0034] 一方面，通过调节耦合器件的频率便可实现对量子比特间σzσz寄生耦合的消除，进而实现了高保真度的两量子比特门。另一方面，由于耦合器件与量子比特间是纵场型耦合，所以对耦合器件的操控并不会对量子比特产生影响。换言之，对耦合器件的频率进行调控，并不会构成一个新的噪声通道。进一步，又由于在纵场耦合中，耦合相互作用与量子比特哈密顿量的对易，对耦合器件耗散率没有特别的限制，所以，可以对耦合器件进行快速操控，且不影响到量子比特，换言之，本申请实施例无需限制对耦合器件的操控速度。
[0035] 而且，本申请实施例中，量子比特间σzσz耦合的推导和求解过程非常简洁，不会受到诸多近似条件的约束，有利于对方案理解和扩展。
[0037] 附图用于更好地理解本方案，不构成对本申请的限定。其中：
[0038] 图1示出根据本发明实施例的超导电路结构示意图；
[0039] 图2示出根据本发明实施例在一具体示例中的超导电路结构示意图
[0040] 图3是根据本申请实施例量子比特网络的结构示意图。
具体实施方式
[0041] 以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
[0042] 实际研究中，为了消除掉量子比特间的σzσz寄生耦合，可以在两个量子比特之间引入一个耦合器件(coupler)，该耦合器件可以是一个频率可调的量子比特，并且耦合器件与量子比特间的耦合是横场的(transversal)，也即横场耦合，其核心原理是，引入耦合器件相当于创造了一条新的量子比特间的耦合路径，这样，会使得量子比特间产生额外的有效的σxσx耦合和σzσz耦合，且耦合强度可以通过改变耦合器件的频率来调控。这里，若将耦合器件的调节至某个值，则耦合器件产生的σzσz耦合会将量子比特间本身存在的σzσz寄生耦合抵消掉。如此，便可消除σzσz寄生耦合，进而提高两量子比特门的保真度。
[0043] 需要指出的是，上述过程中量子比特与耦合器件之间是弥散耦合(dispersivecoupling)，即量子比特与耦合器件间的耦合强度需远远小于其频率差。此处，采用弥散耦合的主要目的是，最大程度地保护量子比特，减少其受耦合器件噪声通道的影响。
[0044] 这里，虽然上述方案可以达到消除量子比特间σzσz寄生耦合的目的，但其仍存在如下缺点：
[0045] 第一，引入耦合器件虽然消除了σzσz寄生耦合，但与此同时也引入额外的噪声，因为，量子比特与耦合器件之间是横场耦合，根据Purcell效应，对耦合器件的操控必然会对量子比特产生一个反作用(back action)，从而引入额外的噪声，影响到了量子比特的性能，无法实现高保真度的两量子比特门。
[0046] 第二，为了使得耦合器件对量子比特的反作用尽可能地小，需要要求耦合器件与操控装置的耦合不能太大。因此，对耦合器件的操控速度受到限制。
[0047] 第三，由于量子比特与耦合器件间的耦合是横场型的，耦合器件的引入对整个结构的影响并不局域的，所以，无法简单且显而易见地将两量子比特电路方案扩展到多量子比特网络，。
[0048] 第四，基于横场耦合型的理论分析、推导和求解均相对繁琐，需要运用四阶微扰论来处理电路哈密顿量中的非线形项。这样一来，整个推导、求解过程非常复杂，并且需要用到一些特定的近似条件，这无疑对方案理解和拓展是不利的。
[0049] 基于此，为了高效地消除量子比特间的σzσz寄生耦合，实现高保真度的两量子比特门，同时避免上述问题，本申请实施例提供了一种超导电路结构，该结构中量子比特与耦合器件纵场耦合，如此，通过调节耦合器件的频率，便可实现对量子比特间σzσz寄生耦合的消除，实现了高保真度的两量子比特门的同时，避免了上述问题。
[0050] 这里，需要注意的是，本发明实施例的超导电路结构指采用超导器件所实现的电路，即超导电路结构中所用元器件均由超导材料制备而成。
[0051] 具体地，图1示出根据本发明实施例的超导电路结构示意图；图2示出根据本发明实施例在一具体示例中的超导电路结构示意图，如图1和图2所示，该超导电路结构包括：
[0052] 至少两个量子比特，如图1所示，至少包括量子比特q1和量子比特q2；
[0053] 连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合，如图1所示，连接器件分别与量子比特q1和量子比特q2进行耦合，且连接器件与量子比特之间的耦合为横场耦合，进而通过连接器件，实现量子比特q1与量子比特q2的耦合。
[0054] 耦合器件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合，如图1所示，耦合器件c分别与量子比特q1和量子比特q2进行耦合，实现与量子比特之间的纵场耦合。
[0055] 本申请实施例中，一方面，通过调节耦合器件的频率便可实现对量子比特间σzσz寄生耦合的消除，进而实现了高保真度的两量子比特门。另一方面，由于耦合器件与量子比特间是纵场型耦合，所以对耦合器件的操控并不会对量子比特产生影响。换言之，对耦合器件的频率进行调控，并不会构成一个新的噪声通道。进一步，又由于在纵场耦合中，耦合相互作用与量子比特哈密顿量的对易，对耦合器件耗散率没有特别的限制，所以，可以对耦合器件进行快速操控，且不影响到量子比特，换言之，本申请实施例无需限制对耦合器件的操控速度。
[0056] 而且，本申实施例中，量子比特间σzσz耦合的推导和求解过程非常简洁，不会受到诸多近似条件的约束，有利于对方案理解和扩展。
[0057] 在一具体示例中，为了使两个量子比特间产生有效的耦合，连接组件包括以下组件中的至少一种：电容器、约瑟夫森结、谐振电路。这里，需要说明的是，谐振电路可以具体为与本申请实施例谐振腔相同的电路，也可以为其他谐振电路，本申请对此不作限制。
[0058] 在一具体示例中，耦合器件为谐振腔，比如，为LC谐振腔，进一步地，谐振腔包括：可调控等效电感，以及与可调控等效电感并联的第一电容器；其中，可调控等效电感用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0059] 这里，通过流过可调控等效电感的电流产生的磁场，来改变穿过量子比特的磁通，比如，当量子比特包括超导量子干涉装置时，即可改变穿过超导量子干涉装置的磁通，进而改变量子比特的频率，为实现耦合器件与量子比特间的纵场耦合奠定了基础。
[0060] 在一具体示例中，如图2所示，可调控等效电感包括约瑟夫森结链；其中，约瑟夫森结链包含串联的至少两个约瑟夫森结，约瑟夫森结链中的约瑟夫森结将耦合器件与两个量子比特耦合，用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0061] 这里，通过流过约瑟夫森结链的电流产生的磁场，来改变穿过量子比特的磁通，比如，当量子比特包括超导量子干涉装置时，即可改变穿过超导量子干涉装置的磁通，进而改变量子比特的频率，为实现耦合器件与量子比特间的纵场耦合奠定了基础。
[0062] 在一具体示例中，量子比特包括超导量子干涉装置，与谐振腔进行耦合，用于实现耦合器件与量子比特之间的纵场耦合。举例来说，如图2所示，超导量子干涉装置包括并联的两个约瑟夫森结。
[0063] 在一具体示例中，量子比特还包括降噪结构，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。比如，降噪结构为电容器，具体地，如图2所示，
[0064] 量子比特还包括与超导量子干涉装置并联的第二电容器，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
[0065] 在一具体示例中，超导电路结构包括两个以上量子比特后，能够形成量子比特网络；其中，量子比特网络中相邻两个量子比特之间利用连接组件实现耦合；利用连接组件耦合的相邻两个量子比特之间设置有耦合器件，利用耦合器件实现分别与相邻两个量子比特的纵场耦合。举例来说，如图3所示，相邻量子比特q1和量子比特q2之间利用连接组件连接，且相邻量子比特q1和量子比特q2之间设置有耦合器件c1，且耦合器件c1实现分别与相邻量子比特q1和量子比特q2的纵场耦合。相邻量子比特q1和量子比特q4之间利用连接组件连接，且相邻量子比特q1和量子比特q4之间设置有耦合器件c4，耦合器件c4实现分别与相邻量子比特q1和量子比特q4的纵场耦合；同理，相邻量子比特q2和量子比特q3之间设置有耦合器件c2，及相邻量子比特q3和量子比特q4之间设置有耦合器件c3。
[0066] 显然，本申请实施例更容易扩展到多量子比特网络结构，而且，由于耦合器件与量子比特间采用纵场耦合，因此，在量子比特之间引入耦合器件并不会对整个电路的其它元件造成影响。换言之，耦合器件产生的功效是局域性的。鉴于此，可简单将两量子比特结构作为一个模块进行扩展。
[0067] 这里，需要说明的是，本发明实施例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。进一步，本申请实施例的耦合器件可以为谐振腔，还可以为其他器件，本申请对此不作限制，只要耦合器件能够实现与量子比特的纵场耦合即可。
[0068] 这样，一方面，通过调节耦合器件的频率便可实现对量子比特间σzσz寄生耦合的消除，进而实现了高保真度的两量子比特门。另一方面，由于耦合器件与量子比特间是纵场型耦合，所以对耦合器件的操控并不会对量子比特产生影响。换言之，对耦合器件的频率进行调控，并不会构成一个新的噪声通道。进一步，又由于在纵场耦合中，耦合相互作用与量子比特哈密顿量的对易，对耦合器件耗散率没有特别的限制，所以，可以对耦合器件进行快速操控，且不影响到量子比特，换言之，本申请实施例无需限制对耦合器件的操控速度。
[0069] 而且，本申请实施例中，量子比特间σzσz耦合的推导和求解过程非常简洁，不会受到诸多近似条件的约束，有利于对方案理解和扩展。
[0070] 以下结合具体示例对本发明实施例做进一步详细说明；具体而言，以下从三个部分来阐述本申请实施例的技术方案。第一部分，介绍高保真度的两量子比特门的设计思路和方案，并对其背后的物理原理进行分析；第二部分，基于“第一部分”的方案，设计其对应的超导电路实现方案；第三部分，将“第一部分”中的两量子比特方案推广至更加丰富的多量子比特网络结构。
[0071] 具体地，第一部分，高保真度的两量子比特门设计方案：
[0072] 在超导电路实验中，当把两个量子比特，如图1所示，q1和q2，这里，q1和q2可以用泡利算符 来描述，通过电容器(也可以是约瑟夫森结或谐振腔，用图1所示方框表示)连接在一起，常常除了产生量子比特间的 耦合之外，还有伴随着产生一些寄生的耦合，比如 耦合。为了消除该寄生耦合，引入一个耦合器件c(用图1所示三角形表示)，值得强调的是，耦合器件c与两个量子比特间的耦合是纵场型耦合，即相互作用形式为如此，通过调节耦合器件的频率便可实现量子比特之间σzσz寄生耦合的消除。在实验中，耦合器件可以是一个LC谐振腔。然后，通过调控耦合器件的频率，便可实现对σzσz寄生耦合的消除，进而，获得更高保真度的两量子比特门。
[0073] 为了清楚地阐述本申请原理以及理解图1所示方案，给出超导电路结构的哈密顿量：
[0074]
[0075] 在上面(1)式中，前四项表示两个量子比特及其两种不同类型的相互作用：耦合和 耦合，其中α，β表示耦合强度且均为正值。第五项描述谐振腔，其中 c为相应升降算符，最后两项表征耦合器件与量子比特间的纵场型耦合。
[0076] 接下来，对上式做Schrieffer-Wolff变换，目的是求得引入耦合器件后量子比特间产生的新的有效耦合。具体而言，采用
[0077]
[0078] 此处s可写为以下形式：
[0079]
[0080] 其中χ1，χ2为待定实数。接下来，依次计算(2)式中的每一项。在超导电路实验中，可以实现条件J1，J2，ωc＞＞α，β，基于此，求得：
[0081]
[0082] 在(4)式中，严格来讲还会有一些额外的项，比如 和等。然而由于其前面系数很小(基于J1，J2，ωc＞＞α，β)，便可以忽略。进一步，求得：
[0083]
[0084]
[0085] 将(4)-(6)式代入(2)式中，得到：
[0086]
[0087] 选取χ1＝-J1/ωc，χ2＝-J2/ωc，上式变为：
[0088]
[0089] 可见，经过Schrieffer-Wolff变换，量子比特与耦合器件间的相互作用(即(1)式中的最后两项)可以被消除掉，取而代之产生了量子比特间有效的σzσz耦合。通过对比(1)式和(8)式，可以发现引入与量子比特纵场耦合的耦合器件后，产生了σzσz耦合。当调控耦合器件的频率使得2J1J2/ωc＝β时，量子比特间本身存在的σzσz寄生耦合得以被消除。这里，(8)式中的最后一项为常数项。
[0090] 如(8)式所示，当σzσz寄生耦合消除掉，量子比特之间只剩下σxσx耦合，其可以直接用来实现两量子比特iSWAP门。具体而言，通过调控两个量子比特的频率使其共振，即ωq1＝ωq2，然后，通过表象变换，将(8)式中前两项旋转掉，得到新的系统有效哈密顿量为其中 为对应的泡利升降算符。然后，让系统动力学演化一段时间t，系统的演化算符U为：
[0091]
[0092] 将(9)式改写成矩阵形式为：
[0093]
[0094] 当演化时间t＝π/(2α)时，可以获得iSWAP门。另外，当演化时间t＝π/(4α)时，便可实现 门。由于系统寄生的σzσz耦合已消除，iSWAP门或 门的保真度都会得以提升，进一步地，将iSWAP门或 门与单比特旋转门组合起来，便可构成量子计算的通用量子门组。
[0095] 事实上，除了消除量子比特间σzσz寄生耦合之外，本申请示例方案还有其它优势，具体地，
[0096] 首先，作为对比，若采用横场型耦合(即 )，则会引入一个新的噪声通道，跟据Purcell效应，无疑会对两量子比特门的保真度造成影响。而本申请示例，由于耦合器件与量子比特间是纵场型耦合(即 )，所以对耦合器件的操控并不会对量子比特产生影响，换言之，会对耦合器件的频率进行调控，并不会构成一个新的噪声通道。
[0097] 其次，本申请示例可以对耦合器件的频率进行快速的操控。相比于采用横场型耦合，兼顾到量子比特不能受到耦合器反作用太大影响，耦合器件与环境耦合的强度不能太大，需要限制操控的速度的方案，本申请示例在纵场耦合中由于耦合相互作用与量子比特哈密顿量的对易，对耦合器件耗散率并没有特别的限制，因此，在不影响到量子比特的基础上，可实现对耦合器件进行快速的操控。
[0098] 最后，基于本申请提供的方案，量子比特间的σzσz耦合的推导和求解非常简洁，也不会受到诸多近似条件的约束。
[0099] 第二部分，高保真度的两量子比特门超导电路设计方案：
[0100] 如图2所示，两个量子比特之间通过一个电容器耦合在一起。当然此处的电容器也可以是约瑟夫森结(类似于Google的Gmon方案)抑或是谐振腔等，总之，其目的是为了让两个量子比特产生有效的耦合。此处的量子比特可以采用transmon量子比特，由超导量子干涉装置(又称SQUID，由两个约瑟夫森结并联而成)和一个电容器并联组成。理想情况下，量子比特间会产生σxσx耦合，但是在实践中(超导电路实验中)常常会伴随着寄生的σzσz耦合的产生。为了消除σzσz寄生耦合，引入了耦合器件，此处耦合器件包括约瑟夫森结链(由一连串约瑟夫森结串联而成，整体上其可等效为一个可调控的电感)和电容器，其中，约瑟夫森结链与电容器并联而成，如此，形成一个等效的LC谐振腔。值得强调的是，可调控等效电感分别与量子比特中的超导量子干涉装置耦合，工作原理为：流过等效电感的电流产生的磁场会改变穿过超导量子干涉装置的磁通，进而改变量子比特的频率；通过这样的设计，量子比特与耦合器件之间便可产生纵场型的耦合，即
[0101] 这里，图2是基于图1所示思路和结构设计的一具体超导电路结构。如图2所示，首先，量子比特由超导量子干涉装置(又称SQUID)和一个电容器并联而成；量子比特之间通过一个电容器(也可以是一个约瑟夫森结或一个谐振腔)连接。耦合器件包括一个LC谐振腔，由约瑟夫森结链(等效为一个可调控的电感)和一个电容器并联而成。通过改变穿过约瑟夫森结链的磁通，便可实现对耦合器件频率的调控。此外，该可调控等效电感产生的磁场会穿过量子比特的超导量子干涉装置，如此，实现耦合器件与量子比特间的纵场型耦合。
[0102] 进一步地，给出图2超导电路结构对应的哈密顿量，显然，其描述的正是公式(1)中的哈密顿量。这里，图2所示量子比特采用的是目前比较成熟的transmon量子比特，以q1为例，其哈密顿量可写为 此处 是量子比特频率，为升降算符，满足 α1表征非线性度。同样地，描述量子比特q2的电路哈密顿量为 其中 此外，如前面论述，两个量子比特间
除了产生正常的横场型耦合 transmon量子比特的更高能级还会诱
发出寄生的纵场型耦合 此处α，β表示耦合的强度。这里，引入一个耦合器件(采用一个谐振腔来实现，即 )，谐振腔与量子比特间相互作用为纵场型耦合，即和 进一步地，将每一项汇集，得到了描述图2所示超导电
路结构的哈密顿量：
除了产生正常的横场型耦合 transmon量子比特的更高能级还会诱
发出寄生的纵场型耦合 此处α，β表示耦合的强度。这里，引入一个耦合器件(采用一个谐振腔来实现，即 )，谐振腔与量子比特间相互作用为纵场型耦合，即和 进一步地，将每一项汇集，得到了描述图2所示超导电
路结构的哈密顿量：
[0103]
[0104] 随后，将表征非线形谐振腔的无限维希尔伯特空间(对应算符 a1，2)退化为表征量子比特的二维空间(对应泡利升降算符 )，便可得到(1)式。
[0105] 基于“第一部分”中的分析，使用该超导电路结构，可以实现高保真度，且可快速调控耦合器件的两量子比特门。如“第一部分”，通过调控两个量子比特的频率使其共振，即让系统动力学演化一段时间t＝π/(2α)时，就可获得iSWAP门。此外，当演化时间t＝π/(4α)时，便可实现 门。由于系统寄生的σzσz耦合已消除，iSWAP门或门的保真度都会得以提升，进一步，将iSWAP门或 门与单比特旋转门组合起来，便可构成量子计算的通用量子门组。
[0106] 第三部分，在多量子比特网络结构中实现高保真度的两量子比特门：
[0107] 本申请提供的技术方案不仅仅能够用在两量子比特结构中，事实上，也可以拓展至更为丰富的多量子比特网络结构中，从而实现更加全面的功能。如图3所示，将图1所描述的方案和思路扩展到一个多量子比特网络结构中，这里，为了简便起见，图中仅仅展示了四个量子比特(图中虚线表示其可以很自然地在二维平面上延展)。首先，每两个量子比特通过电容器或约瑟夫森结或谐振腔(图3所示方框表示)连接在一起。其次，在每两个临近的量子比特之间，引入一个与量子比特纵场耦合的耦合器件(图3所示三角形表示)，如此，形成量子比特网络，在该量子比特网络结构中，其工作原理与前面两量子比特电路类似，耦合器件的引入使得量子比特间原本存在的寄生σzσz耦合被消除掉，从而使得两量子比特门的保真度得以提升。前面提及的两量子比特电路中展现的优势，在此处依旧适用。
[0108] 当考虑量子比特网络时，会发现本申请方案(即在耦合器件与量子比特间采用纵场型耦合)的另一个优势，即由于耦合器件与量子比特间相互作用与量子比特自身哈密顿量对易，所以当操控耦合器件时，并不会对与其纵场耦合的量子比特造成影响，而且也不会影响到整个网络结构。
[0109] 这样，总结本申请的优点如下：
[0110] 第一、受益于采用的(耦合器件与量子比特间)纵场耦合，对耦合器件进行操控并不会对量子比特产生反作用，以至于影响到量子比特的性能。这对于进一步提升两量子比特门的保真度，是一个非常有利的改进。
[0111] 第二、同样受益于采用的(耦合器件与量子比特间)纵场型耦合，本申请实施例对于耦合器件与外界操控装置的耦合没有特别限制。因此，操控耦合器件的速度并不会受到特别限制，本申请方案允许对耦合器件进行快速的操控。
[0112] 第三、本申请方案更容易扩展到量子比特网络结构。由于耦合器件与量子比特间采用纵场型耦合，在量子比特之间引入耦合器件并不会对电路的其它元件造成影响，换言之，耦合器件产生的功效是局域性的。鉴于此，便可把两量子比特结构作为一个模块进行扩展。
[0113] 第四、本申请方案实现消除σzσz寄生耦合的原理非常直接和简单，整个推导过程和结果也非常简洁和清晰。
[0114] 本申请实施例提供了一种超导量子芯片，超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，超导电路结构包括：
[0115] 至少两个量子比特；
[0116] 连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合；
[0117] 耦合器件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0118] 在一具体示例中，耦合器件为谐振腔，谐振腔包括：可调控等效电感，以及与可调控等效电感并联的第一电容器；其中，
[0119] 可调控等效电感用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0120] 在一具体示例中，可调控等效电感包括约瑟夫森结链；其中，
[0121] 约瑟夫森结链包含串联的至少两个约瑟夫森结，约瑟夫森结链中的约瑟夫森结将耦合器件与两个量子比特耦合，用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0122] 在一具体示例中，量子比特包括与所述耦合器件耦合的超导量子干涉装置，用于实现耦合器件与量子比特之间的纵场耦合。
[0123] 在一具体示例中，超导量子干涉装置包括并联的两个约瑟夫森结。
[0124] 在一具体示例中，量子比特还包括降噪结构，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
[0125] 在一具体示例中，量子比特还包括与超导量子干涉装置并联的第二电容器，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
[0126] 在一具体示例中，超导电路结构包括两个以上量子比特后，能够形成量子比特网络；其中，
[0127] 量子比特网络中相邻两个量子比特之间利用连接组件实现耦合；利用连接组件耦合的相邻两个量子比特之间设置有耦合器件，利用耦合器件实现分别与相邻两个量子比特的纵场耦合。
[0128] 在一具体示例中，连接组件包括以下组件中的至少一种：电容器、约瑟夫森结、谐振电路。
[0129] 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。对于本申请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。
[0130] 本申请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超导量子芯片连接的操控和读取装置；其中，超导量子芯片上至少形成有超导电路结构，超导电路结构包括：
[0131] 至少两个量子比特；
[0132] 连接组件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的横场耦合；
[0133] 耦合器件，分别与两个量子比特进行耦合，用于实现分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0134] 在一具体示例中，耦合器件为谐振腔，谐振腔包括：可调控等效电感，以及与可调控等效电感并联的第一电容器；其中，
[0135] 可调控等效电感用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0136] 在一具体示例中，可调控等效电感包括约瑟夫森结链；其中，
[0137] 约瑟夫森结链包含串联的至少两个约瑟夫森结，约瑟夫森结链中的约瑟夫森结将耦合器件与两个量子比特耦合，用于实现耦合器件分别与两个量子比特之间的纵场耦合。
[0138] 在一具体示例中，量子比特包括与所述耦合器件耦合的超导量子干涉装置，用于实现耦合器件与量子比特之间的纵场耦合。
[0139] 在一具体示例中，超导量子干涉装置包括并联的两个约瑟夫森结。
[0140] 在一具体示例中，量子比特还包括降噪结构，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
[0141] 在一具体示例中，量子比特还包括与超导量子干涉装置并联的第二电容器，用于对量子比特所处环境的电荷涨落进行降噪。
[0142] 在一具体示例中，超导电路结构包括两个以上量子比特后，能够形成量子比特网络；其中，
[0143] 量子比特网络中相邻两个量子比特之间利用连接组件实现耦合；利用连接组件耦合的相邻两个量子比特之间设置有耦合器件，利用耦合器件分别与相邻两个量子比特的纵场耦合。
[0144] 在一具体示例中，连接组件包括以下组件中的至少一种：电容器、约瑟夫森结、谐振电路。
[0145] 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。
[0146] 上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。
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