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用于量化读出和重置的电容分流的非对称直流SQUID

阅读：465发布：2020-05-08

专利汇可以提供用于量化读出和重置的电容分流的非对称直流SQUID专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且通过利用电容性器件分流非对称DC-SQUID的集合以形成可调谐谐振器。非对称DC-SQUID包括第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结，其中第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结的临界电流不同。在可调谐谐振器和量子比特之间形成耦合，使得电容分流的非对称DC-SQUID可以分散地读取量子比特的量子态。外部磁通量被设置为第一值并被施加到可调谐谐振器。外部磁通量的第一值使得可调谐谐振器调谐到与量子比特的谐振频率的第一频率差之内的第一频率，可调谐谐振器调谐到第一频率引起量子比特的主动重置。，下面是用于量化读出和重置的电容分流的非对称直流SQUID专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种超导器件，包括：
可调谐谐振器，其具有分流非对称DC-SQUID的集合的电容性器件，所述集合中的非对称DC-SQUID包括第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结，其中所述第一约瑟夫逊结的第一临界电流与所述第二约瑟夫逊结的第二临界电流不同；
所述谐振器和量子比特之间的耦合，使得所述非对称DC-SQUID能够分散地读取所述量子比特的量子态；以及
外部磁通量，其中所述通量被设置为第一值并且被施加到所述谐振器，其中所述通量的第一值使得所述谐振器调谐到第一频率，其中所述第一频率在与所述量子比特的谐振频率的第一频率差之内，并且其中所述谐振器调谐到所述第一频率引起所述量子比特的主动重置。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括：
所述通量改变到第二值，其中所述第二值使所得述谐振器调谐到第二频率，其中所述第二频率从所述量子比特的所述谐振频率失谐至少第二频率差，并且其中调谐到所述第二频率的所述谐振器使得所述量子比特的所述量子态的分散读出操作能够被执行。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述第二频率是所述谐振器的频率谐振范围中的最大频率。
4.根据权利要求2所述的器件，其中，所述第二频率差是所述第一约瑟夫逊结与所述第二约瑟夫逊结之间的非对称程度的函数。
5.根据权利要求1所述的器件，其中第一频率距离是零，并且所述第一频率是所述量子比特的所述谐振频率。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，与所述量子比特的所述谐振频率的所述第一频率差之内的所述第一频率使得所述量子比特释放光子，所述释放使得所述量子比特弛豫到基础能态。
7.根据权利要求6所述的器件，其中迫使所述量子比特到所述基础能态比所述量子比特的能量衰变时间常数更快。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述集合仅包括所述非对称DC-SQUID。
9.根据权利要求1所述的器件，还包括：
连接来自所述集合的多个所述非对称DC-SQUID的串联连接。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述串联连接包括超导导线。
11.根据权利要求1所述的器件，还包括：
第一焊盘，其形成在所述集合的第一侧上；以及
第二焊盘，其形成在所述集合的第二侧上，其中所述第一焊盘和所述第二焊盘以一定距离分隔开，并且其中所述第一焊盘和所述第二焊盘一起形成所述电容性器件。
12.一种方法，包括：
通过用电容性器件分流非对称DC-SQUID的集合以形成可调谐谐振器，所述集合中的非对称DC-SQUID包括第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结，其中所述第一约瑟夫逊结的第一临界电流与所述第二约瑟夫逊结的第二临界电流不同；
将所述谐振器耦合到量子比特，使得所述谐振器能够分散地读取所述量子比特的量子态；以及
通过将第一值的外部磁通量施加到所述可调谐谐振器来主动地重置所述量子比特，其中所述通量的第一值使得所述谐振器调谐到第一频率，其中所述第一频率在与所述量子比特的谐振频率的第一频率差之内。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
将所述通量改变到第二值，其中所述第二值使得所述谐振器调谐到第二频率，其中所述第二频率从所述量子比特的所述谐振频率失谐至少第二频率差；以及使用被调谐到所述第二频率的所述谐振器来执行所述量子比特的所述量子态的分散读出操作。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二频率是所述谐振器的频率谐振范围中的最大频率。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二频率差是所述第一约瑟夫逊结与所述第二约瑟夫逊结之间的非对称程度的函数。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一频率差为零，并且所述第一频率为所述量子比特的所述谐振频率。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，在与所述量子比特的所述谐振频率的所述第一频率差之内的所述第一频率使得所述量子比特释放光子，所述释放使得所述量子比特弛豫到基态。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，迫使所述量子比特到所述基础能态比所述量子比特的能量衰变时间常数T1更快。
19.如权利要求12所述的方法，其中，所述集合仅包括所述非对称DC-SQUID。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括：
串联连接来自所述集合的多个非对称DC-SQUID。
21.如权利要求20所述的方法，其中，使用超导体串联连接所述多个非对称DC-SQUID。
22.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在所述集合的第一侧上形成第一焊盘；以及
在所述集合的第二侧上形成第二焊盘，其中所述第一焊盘和所述第二焊盘以一定距离分隔开，并且其中所述第一焊盘和所述第二焊盘一起形成所述电容性器件。
23.一种超导制造系统，当被操作来制造可调谐谐振器器件时，所述系统执行如权利要求12至22中任一项所述的方法的步骤。

说明书全文

用于量化读出和重置的电容分流的非对称直流SQUID

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及一种用于读取超导量子比特态并且将该超导量子比特重置到基态的超导器件、制造方法、以及制造系统。更具体地，本发明涉及用于量子比特读出和重置的可调谐非对称DC-SQUID(Direct Current Superconducting Quantum Interference Device，直流超导量子干涉器件)的器件、方法和系统。

背景技术

[0002] 在下文中，除非在使用时明确区分，否则短语的词中的“Q”前缀指示在量子计算上下文中引用该词或短语。

[0003] 分子和亚原子粒子遵循量子力学的定律，量子力学是探索物理世界如何在最基本的水平上运行的物理分支。在这个水平，粒子以奇怪的方式表现，同时呈现多于一个状态，并且与非常远的其它粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

[0004] 我们今天使用的计算机被称为经典计算机(这里也称为“传统”计算机或传统节点，或“CN(conventional node，传统节点)”)。传统计算机使用传统处理器，该处理器使用半导体材料和技术、半导体存储器和磁或固态存储器件来制造，这被称为冯诺依曼架构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。

[0005] 量子处理器(q处理器)使用纠缠量子比特器件(在本文中被简称为“量子比特”，多个“量子比特”)的反常性质来执行计算任务。在量子力学运行的特定领域，物质的粒子可以以多种状态存在，诸如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态两者。在使用半导体处理器的二进制计算限于仅使用开和关状态(等效于二进制码中的1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子态来输出可用于数据计算的信号。

[0006] 传统计算机以比特来对信息进行编码。每个比特可采用1或0的值。这些1和0用作最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机基于量子比特，量子比特根据量子物理学的两个关键原理来操作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子比特可以同时表示1和0两者。纠缠意味着叠加中的量子比特可以以非经典方式彼此相关；即，一个的状态(是1或0或两者)可以取决于另一个的状态，并且当两个量子比特纠缠时比当它们被单独处理时有更多的信息可以被确定。

[0007] 使用这两个原理，量子比特作为更复杂的信息处理器来操作，使量子计算机能以允许它们解决使用传统计算机难以处理的难题的方式起作用。IBM已经成功地构建并证明了使用超导量子比特的量子处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其它国家的注册商标)。

[0008] 超导量子比特包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料分离两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属被变成超导时，例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度，电子对可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一超导层。在量子比特中，约瑟夫逊结(其用作分散非线性电感器)与形成非线性微波振荡器的一个或多个电容性器件并联电耦合。振荡器具有由量子比特电路中的电感和电容的值确定的谐振/跃迁频率。对术语“量子比特”的任何引用是对采用约瑟夫逊结的超导量子比特电路的引用，除非在使用时明确地进行区分。

[0009] 由量子比特处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或传输。捕获、处理和分析微波信号，以便解密在其中编码的量子信息。读出电路是与量子比特耦合的电路，用于捕获、读取和测量量子比特的量子态。读出电路的输出是可由q处理器使用以执行计算的信息。

[0010] 超导量子比特具有两个量子态–|0>和|1>。这两个状态可以是原子的两个能态，例如，超导人工原子(超导量子比特)的基态((|g>)和第一激发态(|e>)。其它示例包括核或电子自旋的自旋向上(spin-up)和自旋向下(spin-down)、晶体缺陷的两个位置和量子点的两个状态。由于系统具有量子性质，因此两个状态的任何组合都是允许的和有效的。

[0011] 为了使用量子比特的量子计算是可靠的，例如量子比特本身、与量子比特相关联的读出电路、以及量子处理器的其它部分，必须不以任何显著的方式改变量子比特的能态，诸如通过注入或耗散能量，或者影响量子比特的|0>与|1>状态之间的相对相位。在利用量子信息操作的任何电路上的这种操作约束需要在制造在这样的电路中使用的半导体和超导结构时的特殊考虑。

[0012] 量子比特的重置是量子比特的能态从激发态返回到基态的过程。时间常数(T1)表征量子比特的激发能态到基态的指数衰变与时间的关系。

[0013] 通常，超导量子干涉器件(SQUID)用作可以测量极低磁场的非常灵敏的磁力计。SQUID足够灵敏以测量低至5atto特斯拉(5×10-18aT)的场。为了比较，典型的致冷器磁体(refrigerator magnet)产生0.01特斯拉(10-2T)。

[0014] 有两种主要类型的SQUID：直流(DC)SQUID和射频(RF)SQUID。

[0015] dc-SQUID基于DC约瑟夫逊效应，并且在超导环路中具有两个并联的约瑟夫逊结。在没有任何外部磁场的情况下，输入电流均等地分成两条支路-一条支路到环路中的每个约瑟夫逊结。如果小的外部磁场被施加到超导环路，屏蔽电流Is开始在环路中循环，其生成抵消所施加的外部通量的磁场。感应电流与超导环路的其中一条支路中电流的方向相同，且与另一支路中的电流方向相反；总电流变为一条支路和另一支路。一旦任一支路中的电流超过该支路中约瑟夫逊结的临界电流Ic，则在该结上出现电压。如果外部通量进一步增加直到它超过一半磁通量量子，因为由超导环路包围的通量必须是整数个通量量子，而不是屏蔽通量，现在SQUID在能量上优选将它增加到朝向通量量子。屏蔽电流现在沿相反方向流动。因此，每当通量增加磁通量量子的半整数倍时，屏蔽电流改变方向。因此，临界电流在dc-SQUID的超导环路中作为施加的通量的函数而振荡。

[0016] 传统上，在等待量子比特重置时浪费了大量的时间。通常，对于长寿命的量子比特，激发态到基态的衰变是缓慢的。因此，基于等待量子比特衰变到基态的重置操作也是慢的。量子比特的T1越长，空闲时间越长。

[0017] 这种时间浪费对量子计算的速度具有直接的不利影响，该量子计算使用超导量子比特是可能的。因为通常使用的重置方法是被动的，即，不使用除量子比特本身之外的电路来执行，所以其它量子电路，诸如常规地用于读取量子比特的读出电路，在重置量子比特中不起作用。

[0018] 因此，重置量子比特的主动方法是所期望的。在主动方法中，量子比特外部的量子电路以迫使量子比特到基础能态、加速量子比特到基础能态的衰变或其某种组合的方式操作。能够进行多个操作，诸如对量子比特的读出和重置操作的量子电路也是非常期望的。

发明内容

[0019] 本发明实施例提供了一种超导器件及其制造方法和系统。体现本发明的超导器件包括电容性器件，其分流非对称DC-SQUID的集合以形成可调谐谐振器，该非对称DC-SQUID的集合中的非对称DC-SQUID包括第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结，其中第一约瑟夫逊结的第一临界电流与第二约瑟夫逊结的第二临界电流不同。超导器件包括可调谐谐振器和量子比特之间的耦合，使得电容分流的非对称DC-SQUID可以分散地读取量子比特的量子态。外部磁通量被设置为第一值并被施加到可调谐谐振器，其中外部磁通量的第一值使得可调谐谐振器调谐到第一频率，其中第一频率在与量子比特的谐振频率的第一频率差之内，并且其中可调谐谐振器调谐到第一频率引起量子比特的主动重置。因此，本发明提供了一种超导器件，该超导器件能够执行量子比特的主动重置。

[0020] 在本发明的另一实施例中，外部磁通量被改变到第二值，其中外部磁通量的第二值使得可调谐SQUID调谐到第二频率，其中第二频率从量子比特的谐振频率失谐至少第二频率差，并且其中调谐到第二频率的可调谐谐振器使得量子比特的量子态的分散读出操作能够通过在谐振器的谐振频率下向量子比特-谐振器系统发送微波信号并测量输出信号的幅度和/或相位来执行。这提供了一种超导器件，该超导器件能够执行量子比特的读出以及主动重置。

[0021] 在本发明的另一实施例中，第二频率为可调谐谐振器的频率谐振范围内的最大频率。这提供了操作超导器件用于执行读出的特定方式。

[0022] 在本发明的另一实施例中，第二频率差是第一约瑟夫逊结与该第二约瑟夫逊结之间的非对称程度的函数。这提供了配置超导器件用于执行读出的特定方式。

[0023] 在本发明的另一实施例中，第一频率距离是零，并且第一频率是量子比特的谐振频率。这提供了操作超导器件以用于执行主动重置的特定方式。

[0024] 在本发明的另一实施例中，在与量子比特的谐振频率的第一频率差之内的第一频率使得量子比特释放光子，该释放使得量子比特弛豫到基础能态。这提供了一种特定机制，通过该机制，超导器件执行重置。

[0025] 在本发明的另一实施例中，迫使量子比特到基础能态比量子比特的能量衰变时间常数更快。这提供了一种特定机制，通过该机制，由超导器件执行的重置是主动重置。

[0026] 在本发明的另一实施例中，非对称DC-SQUID的集合仅包括非对称DC-SQUID。因此，该实施例提供了一个可选配置中的超导器件。

[0027] 本发明的另一实施例还包括连接来自非对称DC-SQUID的集合的多个非对称DC-SQUID的串联连接。这提供了另一可选配置中的超导器件。

[0028] 在本发明的另一实施例中，串联连接包括超导导线。这在超导器件的一个可选配置中提供了特定的配置。

[0029] 本发明的另一实施例还包括形成在非对称DC-SQUID的集合的第一侧上的第一焊盘。本发明实施例包括形成在非对称DC-SQUID的集合的第二侧上的第二焊盘，其中第一焊盘和第二焊盘隔开一段距离，并且其中第一焊盘和第二焊盘一起形成电容性器件。这在超导器件的一个可选配置中提供了另一特定配置。

[0030] 本发明实施例包括一种用于制造超导器件的制造方法。

[0031] 本发明实施例包括用于制造超导器件的制造系统。附图说明

[0032] 在所附权利要求中阐述了被认为是本发明的特性的新颖特征。然而，通过参考以下结合附图对说明性实施例的具体实施方式，将最好地理解本发明本身及其优选使用模式、进一步的目的和优点，其中：

[0033] 图1描绘了根据本发明实施例的电容分流的非对称DC-SQUID的一些示例配置；

[0034] 图2描绘了根据说明性实施例使用的用于量子比特读出和重置的可调谐非对称DC-SQUID的电路示意图；

[0035] 图3描绘了根据本发明实施例描绘的可调谐谐振器的两个示例实现；

[0036] 图4描绘了根据本发明实施例的用于量子比特的主动重置和读出的可调谐谐振器的一个示例配置；

[0037] 图5描绘了根据本发明实施例的用于不同量子比特的主动重置和读出的可调谐谐振器的另一示例配置；以及

[0038] 图6描绘了根据本发明实施例的用于超导量子比特的主动重置和读出的可调谐谐振器的另一示例配置。

具体实施方式

[0039] 本文描述的本发明的说明性实施例一般地处理和解决了上述对于用于量子比特读出和重置的可调谐超导谐振器的需要。该可调谐谐振器可以实现为电容分流的非对称DC-SQUID阵列。

[0040] 本发明实施例可以被实现为电容分流的非对称DC-SQUID。电容分流的非对称SQUID的设计和制造方法可以作为软件应用来实现。实现本发明实施例的应用可以被配置为与现有超导体制造系统(诸如光刻系统)结合操作。

[0041] 为了描述的清楚，并且不意味着对其的任何限制，使用一些示例数量的SQUID来描述本发明的说明性实施例。在说明性性实施例的范围内，可以用不同数量的SQUID来实现实施例。

[0042] 此外，在图中使用了示例SQUID、量子比特和其它电路组件的简化图。在实际的制造或电路中，可以存在本文未示出或描述的附加结构或组件，或者与本文示出和描述的结构或组件不同的结构或组件，而不脱离本发明的范围。类似地，在本发明的范围内，示例电容分流的非对称DC-SQUID中示出或描述的组件可以不同地制造或耦合以产生如本文描述的类似操作或结果。

[0043] 本文描述的电容分流的非对称DC-SQUID的组件的特定值、位置、定位或维度不是要限制本发明，除非这种特性被明确描述为本发明实施例的特征。选择值、位置、定位、维度或其某种组合仅是为了附图和说明书的清楚，并且可能已经被夸大、最小化或以其它方式从实际制造或电路中可能使用的实际值、位置定位、或维度改变，以实现根据本发明实施例的目的。

[0044] 此外，仅作为示例，关于特定的实际或假设的组件来描述本发明实施例。本发明的各种实施例的步骤可以适于以类似的方式使用各种类似目的组件来制造电路，并且这样的改变被认为在本说明性发明的范围内。

[0045] 本发明实施例关于仅作为示例的某些类型的材料、电特性、结构、形成、步骤、操作、维度、数量、频率、电路、组件和应用来描述。这些和其它类似的人为因素的任何特定表现形式不是要限制本发明。在本发明的范围内可以选择这些和其它类似的人工产物的任何适当的表现形式。

[0046] 本文描述的示例仅用于清楚地描述本发明，而不是限制本发明实施例。本文列出的任何优点仅是示例，而不旨在限制本发明。本发明的特定实施例可以实现附加的或不同的优点。此外，本发明的特定实施例可以具有上面列出的优点中的一些、全部或者不具有上面列出的优点。

[0047] 参考图1，该图描绘了实施本发明的电容分流的非对称DC-SQUID的一些示例配置。配置100形成电容分流的非对称DC-SQUID的一个示例配置，其中使用单个(N＝1)非对称dc-SQUID 102。

[0048] 约瑟夫逊结102-1和约瑟夫逊结102-2仅作为非限制性示例被示出在它们各自的位置。假设输入电流I是经由位于约瑟夫逊结102-1和102-2之间的中心的导线传送的，约瑟夫逊结的位置可以在SQUID 102的超导环路中彼此互换。

[0049] 非对称dc-SQUID 102是对称dc-SQUID的修改，因为SQUID 102中的两个约瑟夫逊结102-1和102-2具有不同的临界电流(通常具有不同的面积)，如表示SQUID 102中约瑟夫逊结的符号(交叉)的不同尺寸(未按比例)所表示的。约瑟夫逊结102-1具有临界电流Ic1。约瑟夫逊结102-2具有临界电流Ic2。在本发明的优选实施例中，约瑟夫逊结102-1和102-2期望具有不同的尺寸，以便允许当被电容分流时用于器件100或150的可调谐频率(频率谐振范围)的有限频带。例如，如果要被读取或重置的量子比特(未示出)的频率在4.7千兆赫(GHz)附近，则期望的可调谐频率的有限频带的范围可以从4.5GHz到8.5GHz。如果SQUID 102中的两个约瑟夫逊结的尺寸相同或接近相同，则电容分流的SQUID的频率范围的底部将接近消失频率(vanishing frequency)，假设该范围的上限保持不变。如本领域普通技术人员将理解的，更大的频带导致频率可调谐性曲线图的峰和谷之间的更陡的斜率。刚好在低于量子比特频率的频率范围结束的重要性，以及在电容分流的SQUID的频率可调谐性曲线中产生的较小斜率，将从本文描述的图4-图6中变得更清楚。当适当选择非对称约瑟夫逊结102-1和102-2时，允许电容分流的非对称DC-SQUID 102的频率范围的稳定频率最小值。

[0050] 非对称DC-SQUID 102与电容性器件104分流(并联电耦合)。与非对称DC-SQUID 102的电感并联的电容器104形成电容分流的非对称DC-SQUID 100，其用作可调谐谐振器。
可调谐谐振器100作为其频率通过调谐或调节施加到可调谐SQUID 100的外部磁通量(Φext)的可调谐或可改变的谐振器操作。假设SQUID 102的超导环路的电感小并且满足不等式L(Ic1+Ic2)＜＜Φext。这种假设主要简化了器件响应的分析和计算，因为它暗示通过dc-SQUID环路的总通量等于或几乎等于所施加的外部通量Φext。

[0051] 可调谐谐振器100可以使用节点106和108与电路(未示出)的量子比特(未示出)和/或输入/输出传输导线(未示出)耦合。通过调节外部通量，可调谐谐振器100表现出位于频率范围内的谐振频率响应，该频率范围至少部分地由约瑟夫逊结102-1和102-2的所选非对称临界电流(尺寸)以及电容器104的尺寸来设置。可调谐谐振器100的这个可调谐频率可以被调谐为与量子比特的跃迁频率(量子比特谐振频率)相同或接近，或者可以被调谐为在距离量子比特的频率的频率范围的远端。当可调谐谐振器100的频率被调谐为与量子比特的频率相同或接近时，可调谐谐振器100(其原理上是谐振器)被称为与量子比特谐振。当可调谐谐振器100的频率被调谐为与量子比特的频率显著不同时，可调谐谐振器100被称为与量子比特不谐振。

[0052] 因此，通过简单地调谐SQUID 102的电感，基于可调谐SQUID的谐振器100可以被调谐为主动重置或读取量子比特，这又反过来将谐振器调谐为与量子比特谐振或不谐振。当量子比特态将被重置/初始化为基态时，可调谐谐振器100的频率被调谐为与量子比特谐振频率谐振。可调谐谐振器100的这种谐振调谐通过珀塞尔(Purcell)效应激励光子从量子比特发射到读出谐振器(可调谐谐振器100)中，并且因此使量子比特处于基态。

[0053] 当量子比特态将被读出或以其它方式被操纵时，读出谐振器(可调谐谐振器100)的频率被调谐为与量子比特谐振频率不谐振。在这种操作模式中，使用分散读出技术来读取量子比特态。在这种情况下，可调谐谐振器频率停留在对应于读出谐振器相对于通量的最大谐振频率的最佳点。该最佳点具有可调谐谐振器100相对于通量的频率可调谐性曲线的零斜率(或接近零斜率)区域。零斜率点或接近零斜率区域最小化读出谐振器频率对通量噪声的灵敏度。

[0054] 配置150形成可调谐谐振器的另一示例配置，其中使用多个(N＞1)非对称dc-SQUID 152A、152B…152N。非对称DC-SQUID 152A-N中的每一个被配置并且以可调谐谐振器100中的非对称DC-SQUID 102的方式操作。

[0055] 如图所示，非对称DC-SQUID 152A-N串联链接。非对称DC-SQUID 152A-N的连串用电容器154分流。电容器154在功能上类似于可调谐谐振器100中的电容器104，但是根据非对称DC-SQUID连串152的电感和可调谐SQUID 152所期望的频率谐振范围，在尺寸上可以不同。节点156和158分别对应于可调谐谐振器100中的节点106和108。

[0056] 在本发明的一个实施例中，每个非对称DC-SQUID 152A、152B、152N基本上彼此相同。在本发明的另一实施例中，连串152可以包括非对称的DC-SQUID，其与连串中的另一非对称的DC-SQUID相比，具有相同或不同尺寸的一个或两个约瑟夫逊结。

[0057] 参考图2，该图描绘了用于体现本发明的量子比特读出和重置的可调谐非对称DC-SQUID的电路示意图。谐振器202可以是图1中的可调谐SQUID 100或可调谐SQUID 150。在所描绘的非限制性示例中，谐振器202是可调谐SQUID 150。

[0058] 谐振器202被配置为读取和重置量子比特204。量子比特204是使用约瑟夫逊结206和电容器208形成的。约瑟夫逊结206具有Icq的临界电流，并且电容器208具有Cq的电容。节点156(或106，视情况而定)经由电容Cc的耦合电容器210与量子比特204耦合。节点156(或106，视情况而定)经由电容Cr的读出电容器214与输入/输出传输线路212耦合。节点158(或
108，视情况而定)与量子比特204耦合，如图所示。

[0059] 参考图3，描绘了体现本发明的两个可调谐谐振器。可调谐谐振器300在功能上与图1的可调谐谐振器100基本相似。可调谐谐振器350在功能上与图1的可调谐谐振器150基本相似。

[0060] 可以使用各种光刻方法以各种实现特定的方式制造可调谐SQUID中的电容器104。在一个这样的方法中，形成焊盘304A和304B，并且分别经由节点106和108与可调谐SQUID
102耦合，如图所示。由超导材料制造成的焊盘304A和304B以距离/间隙d1分隔开，从而形成电容器，即可调谐谐振器100的电容器104。在一个实施例中，焊盘304A和304B是共面的，即，在同一制造平面中。

[0061] 可以类似地制造用于可调谐SQUID 154的电容器154。例如，由超导材料制造成的焊盘354A和354B以距离d2分隔开，从而形成电容器，即可调谐SQUID 100的电容器154。在本发明的一个实施例中，焊盘354A和354B是共面的。

[0062] 参考图4，该图描绘了根据本发明实施例的用于量子比特的主动重置和读出的可调谐谐振器的一个示例配置。仅作为非限制性示例，在一个配置的实验中，可调谐谐振器402以图3的可调谐谐振器350的方式配置，具有连串404中的八个(N＝8)类似的非对称DC-SQUID。对于连串404中的每个非对称DC-SQUID，Ic1为400毫微安(nA)，Ic2为800nA。在焊盘
306A和306B之间的电容C(其作为可调谐谐振器402中的分流电容器操作)为175毫微微法拉(fF)。连串404的串联电感为0.1纳亨(nH)。可调谐谐振器402被配置为读出和重置量子比特(未示出)，该量子比特的谐振频率fq是4.73GHz。

[0063] 曲线图408绘出当Φext改变时可调谐谐振器402的谐振频率中的改变，其中Φext是施加的通过每个dc-SQUID的环路的外部通量。曲线图408的X轴表示比率Φext/Φ0，其中Φ0是通量量子。曲线图408的Y轴绘出了作为比率Φext/Φ0的函数的器件的谐振频率。

[0064] 如曲线图408所示，当Φext是Φ0的整数倍时，出现具有零斜率的谐振频率峰值。当Φext是Φ0/2的正或负奇整数倍时，出现具有零斜率的谐振频率谷值。可调谐谐振器402由合适的非对称约瑟夫逊结和电容C构成，使得具有零斜率点的谐振频率谷值出现在fq处或附近。

[0065] 当通过改变Φext、将可调谐谐振器402调谐到具有零斜率的谐振频率峰值(远离量子比特频率失谐)、例如点410或另一零斜率谐振频率峰值点(最大频率)时，可以如本文描述读出量子比特。在使用所描绘的配置的计算示例中，在8.071GHz处达到零斜率谐振频率峰值。

[0066] 当通过改变Φext、将可调谐谐振器402调谐到具有零斜率的谐振频率谷值、例如点412或另一零斜率谐振频率谷值点(最小频率)时，可以如本文描述重置量子比特。在使用所描绘的配置的计算示例中，在4.73GHz处达到零斜率谐振频率谷值。

[0067] 参考图5，该图描绘了根据本发明实施例的用于不同量子比特的主动重置和读出的可调谐谐振器的另一示例配置。可调谐谐振器502基本上以相对于图4所述的方式配置，但串联电感L＝0.8nH。连串504基本上以连串404的方式配置，但是具有不同的串联电感，例如通过改变超导导线的形状、尺寸或材料。焊盘506A和506B基本上以焊盘406A和406B的方式形成分流电容器。

[0068] 可调谐谐振器502被配置为用于读出和重置量子比特(未示出)，该量子比特的谐振频率fq是4.5GHz。曲线图508以曲线图408的方式绘出可调谐谐振器502的谐振频率的改变作为Φext的函数。

[0069] 当通过改变Φext、将可调谐SQUID 502调谐到零斜率峰值点(远离量子比特频率失谐)、例如点510或另一零斜率峰值点时，可以如本文描述读出量子比特。在使用所描述的配置的计算示例中，在7.038GHz处达到零斜率谐振频率峰值。

[0070] 当通过改变Φext将可调谐SQUID 502调谐到零斜率谐振频率谷值(最小值)、例如点512或另一零斜率谐振频率谷值点时，可以如本文描述重置量子比特。在使用所描述的配置的计算示例中，在4.5GHz处达到零斜率谐振频率谷值。

[0071] 参考图6，该图描绘了根据本发明实施例的用于超导量子比特的主动重置和读出的可调谐谐振器的另一示例配置。仅作为非限制性示例，在一个配置的实验中，可调谐谐振器602以图3的可调谐谐振器300的方式配置，具有单个(N＝1)非对称DC-SQUID 604。当用单个非对称DC-SQUID构建可调谐谐振器时，如在这种情况下，存在量子比特和类量子比特谐振器的能态之间的可能混合化效应(hybridization effect)的风险。理论上应当分析这种配置以便验证不存在不期望的影响。

[0072] 对于非对称DC-SQUID 604，Ic1为40nA，Ic2为80nA。在焊盘606A和606B之间的电容C(其在可调谐谐振器300中作为分流电容器操作)为175fF。串联电感非对称DC-SQUID 604是0.1nH。可调谐谐振器602被配置为读出和重置量子比特(未示出)，该量子比特的谐振频率fq是4.2GHz。

[0073] 曲线图608以曲线图408或508的方式绘出当Φext改变时可调谐谐振器602的谐振频率的改变。

[0074] 当通过改变Φext，将可调谐谐振器602调谐到零斜率谐振频率峰值(远离量子比特频率失谐)，例如点610或另一零斜率谐振频率峰值时，可以如本文描述读出量子比特。在使用所示配置的计算示例中，在7.251GHz处达到零斜率谐振频率峰值。

[0075] 当通过改变Φext，将可调谐谐振器602调谐到零斜率谐振频率谷值点，例如点612或另一零斜率谐振频率谷值点时，可以如本文描述重置量子比特。在使用所描绘的配置的计算示例中，在4.2GHz处达到零斜率谐振频率谷值。

[0076] 体现本发明的以电容分流的非对称DC-SQUID形式的可调谐谐振器尺寸紧凑并且具有小的占用面积，可以使用与量子比特相同的制造工艺来制造，提供了用于快速量子比特重置的机制，具有高的内部Q(＞2M)，在表面上具有低参与比，并且具有高Q约瑟夫逊结(比超导迂回-线路电感器更高的Q)。此外，体现本发明的电容分流的非对称DC-SQUID消除了对于重置量子比特的快速读出谐振器的需要，因为已知该装置缩短量子比特寿命T1。另外，使用体现本发明的电容分流的非对称DC-SQUID来执行重置(通过调谐它与量子比特谐振)，不需要量子比特测量和反馈来重置量子比特态。

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用于量化读出和重置的电容分流的非对称直流SQUID

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