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将平面量子位耦合至非平面共振器的技术以及相关系统和方法

阅读：852发布：2020-05-26

专利汇可以提供将平面量子位耦合至非平面共振器的技术以及相关系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据一些方面，提供了一种量子力学系统，其包括：共振器，其具有多个超导表面并且被配置成在三维区域内支持至少一种电磁振荡模式，其中多个超导表面包括限定第一平面的第一超导表面；以及物理量子位，其包括至少一个平面部件，所述平面部件在第一平面内是平面的并且与三维区域邻接。，下面是将平面量子位耦合至非平面共振器的技术以及相关系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种量子力学系统，包括：
共振器，所述共振器具有多个超导表面，并且被配置成在三维区域内支持至少一种电磁振荡模式，其中所述多个超导表面包括限定第一平面的第一超导表面；以及物理量子位，所述物理量子位包括至少一个平面部件，所述平面部件在所述第一平面内是平面的并且与所述三维区域邻接。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个平面部件包括至少一个约瑟夫森元件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个平面部件包括超导贴片天线。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述超导贴片天线包括具有圆形形状的贴片。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述超导贴片天线包括具有矩形形状的贴片。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述超导贴片天线的超导贴片经由至少一个约瑟夫森元件连接至所述第一超导表面。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述共振器是三维空腔共振器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述共振器是回音壁模式共振器。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述回音壁模式共振器包括所述第一超导表面和平行于所述第一超导表面的第二超导表面，其中所述第一超导表面相对所述第二超导表面分开第一距离。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述回音壁模式共振器支持至少两种电磁振荡模式。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少两种电磁振荡模式是差模。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少两种电磁振荡模式中的第一电磁振荡模式是平行模式。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少两种电磁振荡模式中的第二电磁振荡模式是垂直模式。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一超导表面是第一环状结构，并且所述第二超导表面是第二环状结构。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一环状结构是圆形不对称的，使得所述第一环状结构在所述第一平面中在第一位置处的第一宽度小于所述第一环状结构在所述第一平面中在不同于所述第一位置的第二位置处的第二宽度。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述量子力学系统包括多个共振器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个共振器中的第一共振器是读出腔。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个共振器中的第二共振器是存储腔。

说明书全文

将平面量子位耦合至非平面共振器的技术以及相关系统和

方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求2015年2月27日提交的题为“将平面量子位耦合至非平面共振器(Coupling Planar Qubits to Non-Planar Resonators)”的美国临时专利申请第62/126183号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

[0003] 关于联邦政府资助的研究与开发的声明

[0004] 本发明是在美国政府的支持下，由美国陆军研究部授予的W911NF-14-1-0011号授权而做出的。美国政府可以对本发明具有一定权利。

技术领域

[0005] 本申请一般地涉及量子信息处理。更具体地，本申请涉及将平面量子系统耦合至非平面共振器或共振结构。

背景技术

[0006] 量子信息处理利用量子力学现象(例如，能量的量子化、叠加和纠缠)以常规信息处理不使用的方式对信息进行编码和处理。例如，使用量子计算而不是传统的经典计算可以更有效地解决某些计算问题。然而，为了成为可行的计算选项，可能需要精确地控制被称为“量子位”的大量量子比特，并且控制这些量子位之间的相互作用。特别地，量子位可以理想地具有长的相干时间，能够被单独操纵，能够与一个或更多个其他量子位相互作用以实现多量子位门，能够被有效地初始化和测量，并且可扩展，使得量子计算机可以包括大量的量子位。

[0007] 量子位可以由具有至少两个正交状态的任何物理量子力学系统来形成。用于对信息进行编码的系统的两种状态被称为“计算基础(computational basis)”。例如，光子偏振、电子自旋和核自旋都是可以对信息进行编码的二能级系统(two-level system)，并且因此可以将其各自用作量子位以供进行量子信息处理。量子位的不同物理实现具有不同的优点和缺点。例如，虽然光子偏振受益于长的相干时间和简单的单量子位操纵，但是无法创建简单的多量子位门。

[0008] 已经提出使用约瑟夫森结的不同类型的超导量子位，包括：“相位量子位”，其中计算基础是约瑟夫森结中库珀对的量子化能态；“磁通量子位”，其中计算基础是超导环路中循环电流的方向；以及“电荷量子位”，其计算基础是在超导岛上存在或不存在库珀对。超导量子位是量子位的有利选择，这是因为两个量子位之间的耦合强，使得双量子位门相对简单地实现，并且超导量子位是可扩展的，这是因为它们是可以使用常规电子电路技术形成的介观分量。

发明内容

[0009] 一些方面涉及量子力学系统，其包括：共振器，其具有多个超导表面并且被配置成在三维区域内支持至少一种电磁振荡模式，其中所述多个超导表面包括限定第一平面的第一超导表面；以及物理量子位，其包括至少一个平面部件，所述平面部件在第一平面内是平面的并且与三维区域邻接。

[0010] 根据一些实施方案，所述至少一个平面部件包括至少一个约瑟夫森元件。

[0011] 根据一些实施方案，所述至少一个平面部件包括超导贴片天线。

[0012] 根据一些实施方案，超导贴片天线包括具有圆形形状的贴片。

[0013] 根据一些实施方案，超导贴片天线包括具有矩形形状的贴片。

[0014] 根据一些实施方案，超导贴片天线的超导贴片经由至少一个约瑟夫森元件连接至第一超导表面。

[0015] 根据一些实施方案，共振器是三维空腔共振器。

[0016] 根据一些实施方案，共振器是回音壁模式共振器。

[0017] 根据一些实施方案，回音壁模式共振器包括第一超导表面和平行于第一超导表面的第二超导表面，并且其中第一超导表面相对第二超导表面分开第一距离。

[0018] 根据一些实施方案，回音壁模式共振器支持至少两种电磁振荡模式。

[0019] 根据一些实施方案，所述至少两种电磁振荡模式是差分模式。

[0020] 根据一些实施方案，所述至少两种电磁振荡模式中的第一电磁振荡模式是平行模式。

[0021] 根据一些实施方案，所述至少两种电磁振荡模式中的第二电磁振荡模式是垂直模式。

[0022] 根据一些实施方案，第一超导表面是第一环状结构，并且第二超导表面是第二环状结构。

[0023] 根据一些实施方案，第一环状结构是圆形不对称的，使得第一环状结构在第一平面中在第一位置处的第一宽度小于第一环状结构在第一平面中在不同于第一个位置的第二位置处的第二宽度。

[0024] 根据一些实施方案，量子力学系统包括多个共振器。

[0025] 根据一些实施方案，多个共振器中的第一共振器是读出腔。

[0026] 根据一些实施方案，多个共振器中的第二共振器是存储腔。附图说明

[0027] 将参照以下附图描述各个方面和实施方案。应当理解，附图不一定按比例绘制。在附图中，各个附图中所示的每个相同或几乎相同的部件由相同的附图标记表示。为了清楚起见，在每个附图中并非每个部件都会被标记。

[0028] 图1示出了常规的量子器件；

[0029] 图2示出了根据一些实施方案的其中平面量子位耦合至非平面共振器的量子器件；

[0030] 图3A是根据一些实施方案的贴片天线的俯视图；

[0031] 图3B是根据一些实施方案的贴片天线的截面图；

[0032] 图4A是根据一些实施方案的包括三维空腔共振器的量子器件的截面图；

[0033] 图4B是根据一些实施方案的量子位和三维空腔共振器的一个超导部分的透视图；

[0034] 图5是根据一些实施方案的包括两个三维空腔共振器的量子器件的截面图；

[0035] 图6A是平行板传输线的透视图。

[0036] 图6B是根据一些实施方案的回音壁模式共振器的透视图；

[0037] 图6C是根据一些实施方案的回音壁模式共振器的截面图；

[0038] 图7A是根据一些实施方案的在回音壁模式共振器内的第一位置中的量子位的俯视图；

[0039] 图7B是根据一些实施方案的在回音壁模式共振器内的第二位置中的量子位的俯视图。

[0040] 图8是根据一些实施方案的回音壁模式共振器中的量子位的详细的俯视图；

[0041] 图9A至图9J示出了根据一些实施方案的形成超导器件的方法的动作的截面图；

[0042] 图10示出了根据一些实施方案的由各向异性湿法蚀刻产生的槽；

[0043] 图11是根据一些实施方案的形成超导器件的方法的流程图；以及

[0044] 图12是根据一些实施方案的在超导器件内形成槽的方法的流程图。

具体实施方式

[0045] 如上所述，超导量子位是构建量子计算器件中的量子位的有利选择。特别地，可以使用标准二维制造技术(例如光刻)来制造超导量子位，使得它们可扩展。另一方面，与用于存储量子信息的其它器件相比，超导量子位遭受较短的相干时间的影响。因此，超导量子位通常被耦合以与电磁辐射(例如共振腔或其它振荡器内的驻波)相互作用，以形成三维电路。由于与超导量子位相比共振器通常提供长得多的相干时间，因此将两个器件组合成“逻辑”量子位可以提供更长的相干时间。

[0046] 图1示出了常规量子器件100的示例，其中超导量子位110被放置在由反射器131和132限定的空腔共振器内。量子位110包括约瑟夫森结116(附图中指示为“X”)，其连接至两个用作偶极天线的超导块112和114。量子位110是驻留在单个平面中的基本上二维的器件。
由量子位产生的偶极矩pq位于量子位110的平面中。由共振器产生的电场Er垂直于反射器
131和132定向(示出了两条说明性的场线)。量子位和共振器可以彼此耦合，这是因为共振器的电场和量子位的偶极矩是一致的(aligned)。

[0047] 在图1的说明性器件中，量子位的偶极矩和共振器的电场二者位于由平面量子位110限定的平面中。然而，共振器还产生在量子位平面上方和/或下方的电场。这些场可能不利于器件的性能，这是因为它们可能带来器件的不同元件之间的辐射损失和/或串扰。因此，尽管电场有必要存在于量子位的平面中并且与量子位的偶极矩一致，但是图1的设计导致量子位内的不期望的效果。

[0048] 由此，虽然超导量子位可以使用常规技术来制造，但是它们也呈现相对较短的相干时间。可替选地，三维器件(例如图1所示的器件100)提供相对较长的相干时间，但不能如此容易地制造，并且还可能由于量子位与共振器的电场之间不期望的相互作用而在操作期间引起有害影响。

[0049] 本发明人已经认识到并且理解，可以产生可以使用常规技术制造的量子位，而且通过形成平面多层电路量子位还呈现相对较长的相干时间，在所述电路中位于共振腔的壁的平面内的量子位被配置成产生指向腔中的偶极矩。因此，量子位可以与共振腔一起以平面形式制造，从而使得能够利用常规的制造技术，同时量子位因其偶极矩与共振器的电场一致而可以耦合至共振器。

[0050] 图2示出根据一些实施方案的其中平面量子位耦合至非平面共振器的量子器件。在图2的示例中，在由反射器231和232限定的共振器的反射器232内制造量子位210。如所示，量子位210被配置成产生偶极矩，所述偶极矩至少在共振器的一个区域中垂直于反射器
232定向并且平行于由共振器产生的电场Er。因此，量子位210可以耦合至由反射器231和
232限定的共振器，而且所示器件可以使用常规制造技术(例如光刻)形成为层。此外，图2所示的共振器的电场不提供与量子位的不期望的相互作用，如图1所示的并在上面讨论过的器件100中的情况。

[0051] 通常，器件200可以包括任意数目的量子位(例如量子位210)，这是因为可以沿着共振器的一个反射器以其间具有一些间隔的方式制造多个量子位。另外或替选地，器件200可以包括沿图2的垂直方向的多个不同位置处(例如，在反射器231内和/或位于反射器231上方的另一反射器或其他表面(未示出)内)的量子位。

[0052] 尽管图2所示的说明性共振器包括两个表面(即反射器231和232)，但是通常，可以在器件200中使用包括任意数目的表面(包括在某些情况下限定一完全有界体积(completely bounded volume)的表面)的共振器。共振器的表面还可以包括一种或更多种材料，其中的至少一些材料可以是可被操作成超导的材料(例如，低至适当温度的铝，在此温度下铝变成超导的)。在一些情况下，共振器的表面可以包括多种不同的材料。

[0053] 根据一些实施方案，量子位210可以包括一个或更多个约瑟夫森元件，其是非线性的非耗散元件。如本文关于约瑟夫森元件所使用的，“非线性”是指元件的磁通量-电荷关系(例如，电感)是非线性的；并且“非耗散”是指被元件耗散的功率的量可以基本上被忽略不计。可以使用任意合适的约瑟夫森元件，包括但不限于约瑟夫森结、超导膜和纳米线。在下面描述的实施方案中，使用约瑟夫森结。但是应当理解，本文描述的技术和实施方案不限于使用约瑟夫森结。

[0054] 以下是关于用于将平面量子系统耦合至非平面共振器的技术的各种构思及其实施方案的更详细的描述。应当理解，本文中描述的各种方面可以以许多方式中的任意方式来实现。在本文中具体实施方案的实施例仅出于说明目的而提供。此外，以下实施方案中描述的各个方面可以单独使用或以任意组合的方式使用，并且不限于本文明确描述的组合。

[0055] 如上所述，量子位210提供垂直于量子位平面的偶极矩。可以使用产生这种效果的任何合适的量子位实施方式，不过下面将讨论这样的量子位中的两个大类。第一，基于贴片天线的量子位，结合图3A至图3B、图4A至图4B以及图5对其进行讨论；第二，基于回音壁模式共振器的量子位，结合图6A至图6C、图7A至图7B以及图8对其进行讨论。

[0056] 图3A示出了在一些实施方案中使用的“贴片天线”300的俯视图，以产生前述垂直于量子位的平面的偶极子。贴片天线300通过从导电片310中去除具有外半径ro的环形孔305形成，得到由剩余的导电片310包围的具有半径ri(表示环形孔305的内半径)的圆形贴片320。图3B示出了贴片天线300的截面图，其中截面穿过圆形贴片320的中央截取。

[0057] 当跨越圆形贴片320与导电片310之间的环形孔305施加电压时，生成两个相反的偶极矩pq，如图3B中的箭头330和331所示。偶极矩pq不在贴片天线的平面内定向，而是垂直于贴片天线的平面定向。偶极矩未在图3A中示出，而是指向附图内和外。

[0058] 虽然在图3A至图3B中示出了圆形贴片320，但是贴片天线的实施方案不一定受此限制，因为可以使用任意合适的形状来形成贴片天线。例如，贴片320可以替代地是三角形、矩形、多边形、星形或任意其它合适的形状。此外，环形孔305的两个表面可以被成形为具有任意合适的轮廓。例如，由贴片320的形状确定的环形孔305的内表面306可以是任意轮廓。在附图中，内表面306被示出为圆形，但是该表面可以是椭圆形、矩形、正方形和/或可以包括不规则或规则的特征(例如，周期性图案(例如，正弦波、三角波、方波等))。类似地，环形孔305的外表面307可以是任意合适的轮廓。另外，实施方案不限于内表面306的形状与外表面307的形状相同。例如，内表面306可以是圆形(形成圆形贴片320)，而外表面307可以是矩形(形成导电片310中的矩形孔)。通常，任意数目的贴片可以包括在贴片天线中，彼此连接和/或连接至导电片(例如，经由一个或更多个约瑟夫森结)。

[0059] 此外，贴片320可以位于孔305内的任意位置，这是因为实施方案不限于圆形对称的贴片/孔结构，实际上实施方案也不限于呈现任何特定的对称性(例如，4重或8重对称(不过一些实施方案可以呈现这样的对称性))。图3A至图3B示出圆形对称的贴片320，其中圆形贴片320位于圆形孔305的中央。在一些替选实施方案中，圆形贴片320可以更靠近圆形孔305的第一边缘而不是圆形孔305的第二边缘，从而产生不是圆形对称的贴片天线。

[0060] 本发明人已经认识到并且理解，通过选择贴片320和孔305的形状以及贴片320在孔305内的位置，可以调整量子位与共振器之间的磁-电耦合(magnetic to electric coupling)的比例。通过调整该比例，可以独立于共振器的共振来调整量子位的共振，使得其与共振器的共振分离(例如，以在量子位与共振器之间产生期望的色散耦合)。

[0061] 此外，尽管圆形贴片在上文被描述为通过从薄的导电片310中去除环形孔305而形成，但是贴片天线300也可以通过以下方式形成：在基底上沉积导电材料来形成圆形贴片320和导电片310，导致环形孔305的成形。

[0062] 在一些实施方案中，可以将一个或更多个约瑟夫森结添加到上述贴片天线结构中以形成超导量子位。约瑟夫森结可以例如设置在圆形贴片320与导电片310之间，使得贴片天线的两个部分通过约瑟夫森结耦合在一起。约瑟夫森结可以形成在例如在圆形贴片320和导电片310之间形成“桥”的超导线上。

[0063] 可以例如通过在两个超导层之间设置薄的非超导隧道层来形成约瑟夫森结。在一些实施方案中，这样的非超导层可以是非导电材料。例如，可以使用任意合适的氧化物，例如铝氧化物。在一些实施方案中，贴片天线由超导材料形成。作为示例而非限制，贴片天线可以由铝、铌、铟、铼、钽、钛氮化物、铌氮化物或其组合形成。

[0064] 尽管本文中描述的实施方案仅示出了单个约瑟夫森结，但是一些实施方案可以包括可以彼此并联或串联布置的多个约瑟夫森结。例如，可以在将圆形贴片320连接至导电片310的超导线上形成两个串联的约瑟夫森结。可以通过使用多个“桥”将圆形贴片320连接至导电片310而形成两个并联的约瑟夫森结，每个桥包括一个或更多个约瑟夫森结。

[0065] 如上所述，量子位(例如图2所示的量子位210)可以嵌入在形成非平面超导共振器的一部分的金属层中。作为示例而非限制，可以使用三维空腔共振器或传输线共振器(例如，环形共振器)。图4A至图4B示出了使用贴片天线的示例，例如关于图3A至图3B描述的包括如上所述的约瑟夫森结的在三维空腔共振器内的贴片天线。

[0066] 图4A示出了包括三维腔的量子器件400的截面。腔是器件的没有填充任何材料的部分(在附图中的器件的内部示出为白色)。在一些实施方案中，器件在操作期间可以被放置在真空中，使得腔中基本上没有空气。腔由用作腔壁的多个超导部分(包括超导部分412、451、452和453)限定。在一些实施方案中，超导部分451和452的内表面可以基本上彼此平行，而超导部分452的内表面可以基本上平行于超导部分412的内表面。

[0067] 在一些实施方案中，如结合图3A至图3B所述的，可以在超导部分412中形成环形形状，以形成圆形贴片414。在图4A至图4B的示例中，圆形贴片经由约瑟夫森结415连接至超导部分412。图4B示出了超导部分412和贴片414的透视图。为了清楚起见，图4A所示的除元件412、414和415之外的量子器件的元件未在图4B中示出。

[0068] 在图4A至图4B的示例中，超导部分412和414以及约瑟夫森结415的组合形成逻辑量子位。因此，元件的这种组合是图2所示的量子位210的合适示例。

[0069] 作为形成器件400的说明性方式，在一些实施方案中，超导部分451、452和453可以形成在基底450上。基底可以由例如但不限于硅、蓝宝石和/或一些其他电介质形成。在一些实施方案中，超导部分412、414和约瑟夫森结415可以形成在基底410上，基底410可以由硅、蓝宝石和/或其它电介质形成。在两个基底410和450中的每一个具有相应的超导部分和在其上形成的任何其它器件之后，两个基底可以被固定在一起以形成图4A所示的腔。两个基底可以以任何合适的方式固定在一起。例如，可以使用冷焊、热压接合、热超声接合、共晶接合和/或焊料回流将至少部分地利用金属材料覆盖的两个基底接合在一起。

[0070] 在一些实施方案中，超导部分412可以由单一类型的超导材料形成。然而，如图4A所示，在一些实施方案中，超导部分412的第一部分由第一超导材料(例如铝)形成(在图4A至图4B中以阴影线表示)，并且超导部分412的第二部分由第二超导材料(例如铟)形成(在图4A至图4B中示出为实心黑色)。超导部分451至453也可以由第二超导材料或不同材料形成。根据一些实施方案，超导部分412和414可以由铝、铟、锡、硅碳化物或其组合形成。如本文所使用的，“超导材料”是至少在某些条件下表现出超导性的材料。例如，铝可以被认为是“超导材料”，这是因为当被冷却到低于1.2K的转变温度时，其表现出超导性。

[0071] 如上所述，由于其偶极矩pq耦合至腔的电场Er，约瑟夫森结415可以用作耦合至器件400的腔的量子位。虽然图3B示出了指向相反方向的两个偶极矩，但是这两个偶极矩中只有一个将耦合至由腔支持的场，这是因为另一个被定向至基底410中。在一些实施方案中，约瑟夫森结415嵌入其中的材料是用作两个不同腔的边界(例如，经由该材料的两个不同表面)的材料。以这种方式，由于约瑟夫森结上方的偶极矩耦合至第一腔的电场并且约瑟夫森结下方的偶极矩耦合至第二腔的电场，约瑟夫森结415可以同时耦合至两个腔。

[0072] 图5示出了约瑟夫森结耦合至两个腔的一个实施方案。在图5中使用如在图4A至图4B中所使用的相同的附图标记以指示等效特征。在图5的示例中，由元件412、414和415形成的逻辑量子位产生耦合至第一腔的电场Er1(附图下部)以及第二腔的电场Er2(附图上部)的偶极矩。

[0073] 在图5的示例中，第二腔由形成围绕基底410的盒510的材料界定。根据一些实施方案，盒510可以包括金属(例如铜)。根据一些实施方案，第二腔的壁可以由涂覆在盒510的内表面上的超导材料520形成。在一些实施方案中，输入耦合器512和输出耦合器514形成在金属盒510和超导材料520中，以允许微波辐射耦合至第二腔中和耦合出第二腔外。

[0074] 在一些实施方案中，两个腔可以具有不同的Q因子。第一腔可以例如具有比第二腔的高的Q因子。因此，第一(下)腔与逻辑量子位之间的耦合强度可以小于逻辑量子位与第二(上)腔之间的耦合强度。此外，第二腔与测量器件(附图中未示出)之间的耦合可以大于第一腔与逻辑量子位之间的耦合强度以及逻辑量子位与第二腔之间的耦合强度两者。在一些实施方案中，第一腔可以用作读出腔，并且第二腔可以用作存储腔；上述耦合强度和/或Q因子的相对大小可以有助于这样的布置。

[0075] 可以使用具有任何合适大小的部件的量子器件。在一个实施方案中，圆形贴片414具有半径ri＝0.1-0.2mm，并且从超导部分切出的环形形状具有半径ro＝0.7-0.8mm。其上形成约瑟夫森结的基底的厚度可以在0.2mm与0.4mm之间。存储腔可以具有彼此不同的尺寸。例如，每个腔可以具有低于200cm3，或50cm3与150cm3之间的体积(例如，第一腔可以测量为约22×24×0.3mm，而第二腔可以测量为28×30×3mm)。上述测量结果作为示例提供，因为实施方案不限于任何特定尺寸或形状。

[0076] 如上所述，图2所示的量子位210提供垂直于量子位平面的偶极矩，并且可以例如被配置成回音壁模式共振器(WGMR)或其他平面多层器件(有时称为“2.5维器件”)。

[0077] 在概念上通过考虑具有周期性边界条件的平行板传输线600来形成WGMR，如图6A所示。平行板传输线600包括由超导材料(例如铝或铟)形成的顶板601和底板602。顶板601平行于底板602。图6A以分别垂直和平行于由顶板601和底板602限定的平面的箭头的方式示出了WGMR的电场和磁场模式。

[0078] 在物理上，可以通过将平行板传输线形成为环状结构来形成具有周期性边界条件的WGMR 610，如图6B所示。WGMR 610包括彼此平行的顶板611和底板612，就像在平行板传输线600中一样，不过在图6B的示例中，传输线形成环路。

[0079] 虽然共振器可以使用一对圆形对称的金属环，但是在图6B的WGMR共振器示例中，通过使用两个偏移的圆(即每个金属环中的孔相对于金属环的外边界不是居中的)来形成环，使环状结构的这样的圆形对称性被破坏。因此，创建了由虚线613表示的对称平面，其平行于两个金属环中的每一个的平面并且穿过两个圆中的每一个的中央。

[0080] 通过破坏环状结构的圆形对称性，产生两个非简并驻模(non-degenerate standing modes)。第一非简并驻模平行于对称轴，并且第二非简并驻模垂直于对称轴。这些模可以进一步分为共模和差模，其中共模(C)在上板611与下板612上具有镜像电荷，差模(D)在上板611和下板612上具有相反的电荷。在一些实施方案中，WGMR的两个差模可以被认为是用于耦合至量子位的两个分开的腔(其可以包括在如下所述的WGMR共振器中)。作为示例而非限制，平行D模可以用作读出腔，并且垂直D模可以用于存储腔。

[0081] 图6C示出了WGMR 610的截面图中的平行差(D)模。在图6C的示例中，包括有间隔件650和651以及基底621和622，以机械支承由板611和612形成的共振器。此外，在环状结构上方设置有耦合销630至631，并且耦合销630至631可以例如用于将微波辐射耦合至WGMR。在图6C的示例中，耦合销沿着对称线613位于环状结构的最薄和最厚的部分上方，不过通常，耦合销可以位于任何合适的位置。

[0082] 作为制造过程的说明性示例，可以通过在第一基底621上形成顶板611和在第二基底620上形成底板612上来制造图6C所示的器件。第一基底621和第二基底622可以包括例如但不限于硅和/或蓝宝石。然后将第一基底621和第二基底622彼此平行地设置，并且使其通过也可以由硅和/或蓝宝石制成的间隔件650至651保持分开一定距离。作为非限制性示例，两个基底之间的距离可以在0.1mm和0.3mm之间。

[0083] 然后可以使用任何合适的技术(例如，通过使用聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA))将第一基底621和第二基底622接合在一起。然后可以将所得到的共振器放置在样品保持器640中，样品保持器640可以由金属(例如铝)形成。可以将耦合销630至631设置在环状结构上方，用于将微波辐射耦合至WGMR。在一些实施方案中，耦合销沿着对称线613位于环状结构的最薄和最厚的部分上方。

[0084] 与上述三维空腔共振器一样，量子位可以嵌入限定腔的超导壁中之一的平面中——在WGMR的情况下，在顶板611或底板612内。图7A和7B示出了这样的量子位的两个说明性位置，并且图8提供了图7A和7B所示的量子位的结构的另外的细节。

[0085] 图7A示出了量子位710位于环状结构的最薄部分的实施方案。图7B示出了以下实施方案：其中量子位720位于相对环状结构的最薄部分成角度θ处，其中θ＝0被定义为环状结构的最薄部分。WGMR共振的频率与量子位所处的位置无关。然而，量子位与共振器的耦合的大小随着围绕环612的量子位的位置而变化。此外，对于给定的位置θ，量子位与共振器的耦合的大小可以通过改变WGMR中孔的尺寸来调整。

[0086] 对于在环的最薄部分(θ＝0)的量子位，存储模式具有最大耦合，不过该位置处的电场为零。这种耦合主要是电感耦合。使量子位的位置改变使耦合从电感耦合变成电容耦合。根据一些实施方案，共振器的Q因子和/或共振器辐射与每个模的耦合可以是销630和631的角位置和/或销630和631突出到腔中的深度的函数。

[0087] 根据一些实施方案，对于使用如图7A或7B所示的环612的WGMR的共振器模式与量子位之间的色散耦合，交叉克尔耦合的强度(χqr)主要取决于共振器转换频率与量子位转换频率之间的失谐(频率差)。在其中WGMR以存储(记忆)模式和读出模式操作的实施方案中，量子位与读出腔之间的交叉克尔耦合常数(χqr)和量子位与记忆腔之间的交叉克尔耦合常数(χqm)取决于约瑟夫森结的位置。

[0088] 图8示出了可以在WGMR内使用的说明性量子位(例如图7A所示的量子位710和/或如图7B所示的量子位720)的顶视图。在图8的示例中，由嵌入在底板(描绘了图6B所示的板612作为其示例)的平面中的矩形贴片810形成量子位830。

[0089] 矩形贴片810可以包括与板612相同的超导材料，和/或可以包括不同的超导材料。板612可以经由约瑟夫森结820连接至矩形贴片810。量子位830可以位于WGMR中的任何合适的位置处，并且在下WGMR板中和/或上WGMR板中可以存在任意数目的这样的量子位。

[0090] 上述超导器件可以以任何合适的方式来制造。在一些实施方案中，可以使用微电子制造技术来形成用作共振器的三维腔，如上所述。可替选地，可以使用其中使用三维印刷技术根据需要形成槽和通道的基底来形成腔，并且可以使用例如电镀技术来形成超导层。根据一些实施方案，通过在单个基底中形成槽来产生外壳，如图4A所示。可替选地或另外，外壳可以通过在第一基底中形成第一槽和在第二基底中形成第二槽并且将两个基底与彼此相邻的两个槽设置在一起来产生。如上所述，量子位可以形成在用于形成腔的超导表面中的任一超导表面中。下面描述根据一些实施方案的用于形成超导器件的方法。

[0091] 图9A至图9J示出了根据一些实施方案的用于构造超导器件的说明性方法的多个动作的截面图。相应动作的流程图示出为图11中的方法1100。通过图9A至9G描绘其中在第一基底中形成槽的图11中的初始动作1102。这些步骤还通过图12所示的方法1200的动作更详细地示出。

[0092] 图9A示出了提供第一基底900。在一些实施方案中，基底可以包括具有结晶结构的材料，例如但不限于硅或锗。基底900可以具有任何合适的厚度。在所示实施方案中，基底为约500μm厚。

[0093] 在图12中进一步详细示出了方法1100的初始动作1120。因此，对于图9A至9G所示的步骤将遵循方法1200的步骤。

[0094] 在动作1202处，在基底900的第一表面上沉积掩模材料层902(参见图9B)。根据一些实施方案，掩模材料层可以包括硅氮化物。在动作1204处，在掩模材料层902的顶部上沉积光致抗蚀剂层904(参见图9C)。光致抗蚀剂层904形成为基于形成在基底900中的槽的尺寸的图案。因此，光致抗蚀剂层904在随后的动作中不存在于将在基底900中形成槽的上方的区域中。作为示例而非限制，可以形成光致抗蚀剂层904，使得露出尺寸为18mm×38mm的硅掩模材料层902的区域。

[0095] 在动作1206处，去除掩模材料层902的露出的部分(参见图9D)。这可以以任何合适的方式实现。在一些实施方案中，使用去除掩模材料层但不去除光致抗蚀剂层904的蚀刻剂来蚀刻掩模材料层902。例如，可以使用反应离子蚀刻(RIE)来蚀刻硅氮化物层902。RIE的动作可以使用例如CHF3/O2作为蚀刻剂。然后在动作1208处去除光致抗蚀剂层904。所得到的结构是被硅氮化物层902部分地覆盖的基底900，硅氮化物层902将用作限定槽的尺寸的掩模(参见图9E)。

[0096] 在动作1210处，蚀刻基底900的露出的部分以形成槽906。在一些实施方案中，可以蚀刻基底900，使得所得到的槽906的相对的表面彼此平行。在图9F所示的实施方案中，在85℃下使用30％的KOH利用各向异性湿法蚀刻对槽进行蚀刻。在图10中更详细地示出各向异性蚀刻的细节。

[0097] 图10示出了由各向异性湿法蚀刻产生的槽906。由于硅基底900的结晶结构，作为蚀刻动作的结果，产生54.7°角的(100)面1012和(111)面1014。在一些实施方案中，各向异性湿法蚀刻导致原子级平滑的表面1012和1014。因此，当被覆盖在超导层中时，所得到的外壳的表面将基本上没有缺陷。如果外壳被配置成用作三维空腔共振器，则光滑表面会导致高Q因子的腔。

[0098] 在动作1212处，去除掩模材料层902，得到包括槽906的基底900(参见图9G)。虽然图12示出了用于在基底中产生槽的方法的一个实施方案，但是可以使用任何合适的方法。例如，可以使用激光加工或三维印刷来形成具有槽的基底。

[0099] 回到图11，在动作1102处在基底中形成槽906之后，方法1100于动作1104处继续，其中第一基底900的至少一部分被超导材料覆盖。在一些实施方案中，基底中的槽的全部表面可以被覆盖。在其它实施方案中，表面的仅一部分被覆盖。例如，上述贴片和孔结构可以形成在由超导材料形成的表面中的至少一个中。此外，可以形成其它孔，用于例如将电磁辐射耦合至腔中。在一些实施方案中，基底的在与槽相关联的区域外部的部分也可以被超导层覆盖。

[0100] 超导层可以以任何合适的方式形成。例如，图9H至9I示出了用于形成覆盖基底的至少一部分的超导层910的一种具体方法。图9H示出了沉积在基底900的表面上的薄的籽晶层908。这可以以任何合适的方式完成。在一些实施方案中，通过蒸渡技术沉积铜以形成籽晶层908。可以使用任何合适厚度的籽晶层。例如，籽晶层908可以为约200nm厚。虽然使用铜作为籽晶层908的示例性材料，但是可以使用任何合适的材料。

[0101] 图9I示出了形成在籽晶层908上的超导层910。这可以以任何合适的方式完成。例如，可以在籽晶层908上电镀超导材料910。超导层910可以形成为具有任何合适的厚度。例如，超导层910可以为约9μm厚。可以使用任何合适的超导材料。例如，超导层可以包括铝、铌、铟、铼、钽、钛氮化物、铌氮化物或其组合。

[0102] 在动作1106处，在第二基底950中形成第二槽。可以使用结合动作1102、图9和图12描述的相同的技术来实现形成第二槽的动作。然而，第二槽的形成是可选的。可以在不在第二基底中形成第二槽的情况下由第一基底中的单个槽形成外壳。

[0103] 在动作1108处，使用超导材料960来覆盖第二基底950的至少一部分。该动作可以使用结合动作1104所描述的技术来实现。在第二基底950中形成第二槽的实施方案中，可以使用超导层960覆盖槽的每个表面的至少一部分。在一些实施方案中，可以使用超导层至少部分地覆盖第二基底的在槽区域之外的部分。

[0104] 在动作1110处，在第一基底和第二基底中的至少一个的超导层的平面中形成至少一个超导量子位。该动作可以在基底上形成超导层时执行。然而，在其他实施方案中，超导量子位可以在使用超导材料覆盖槽之前或之后形成。在一些实施方案中，可以省略动作1110，因为超导器件可以形成为具有外壳并且不具有超导量子位。

[0105] 在动作1112处，将第一基底和第二基底接合在一起以形成外壳(参见图9J)。在第一基底中形成第一槽并且在第二基底中形成第二槽的实施方案中，两个槽定位成彼此相邻，使得外壳由两个槽一起形成。在其中至少一个超导量子位被外壳封闭的一些实施方案中，在将两个基底接合在一起之前，将支承层跨第一槽悬挂。因此，支承层中和/或上的至少一个量子位被设置在外壳内。

[0106] 已经描述了本发明的至少一个实施方案的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。

[0107] 这样的改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在在本发明的精神和范围内。此外，尽管指出了本发明的优点，但是应当理解，并不是本文描述的技术的每个实施方案将包括每个所述的优点。一些实施方案可以不实施在本文中被描述为有利的任何特征，并且在一些情况下，可以实施所描述的特征中的一个或更多个以实现其他实施方案。因此，上述说明和附图仅作为示例。

[0108] 本发明的各个方面可以单独使用，组合使用，或以前面所述的实施方式中没有具体讨论的各种布置方式使用，因此在其应用中不限于在前面的描述中所阐述的或在附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方案中描述的方面可以以任何方式与其他实施方案中描述的方面组合。

[0109] 此外，本发明可以被实施为一种方法，其示例已经被提供。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以不同于所示的顺序执行动作的实施方案，该实施方案可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中示出为顺序动作亦如此。

[0110] 在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数词来修改要求保护的元件本身并不意味着一个要求保护的元件相对于另一个的任何优先、优选或顺序，或执行方法的动作的时间顺序，而仅仅被用作区分具有特定名称的一个要求保护的元件与具有相同名称(但是使用了序数词)的另一元件的标记，以区分这些要求保护的元件。

[0111] 此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意图包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。

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