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共面波导通量 量子比特设备

阅读：702发布：2020-05-15

专利汇可以提供共面波导通量量子比特设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且量子比特设备包括不由约瑟夫逊结中断的细长薄膜，与细长薄膜的近端电接触的量子器件，以及与细长薄膜共面并与细长薄膜的远端电接触的接地平面，其中薄膜，量子器件和接地平面包括在设计的工作温度下超导的材料。，下面是共面波导通量量子比特设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种量子比特设备，包括：
细长薄膜，其不由约瑟夫逊结中断；
与所述细长薄膜的近端电接触的量子器件；和
与细长薄膜共面并且与细长薄膜的远端电接触的接地平面；
其中所述薄膜，所述量子器件和所述接地平面包括超导材料。
2.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述细长薄膜包括第一侧和第二相对侧，并且其中所述第一侧和所述第二侧中的每一个与所述超导接地平面分开相应的间隙。
3.根据权利要求2所述的量子比特设备，其中每个相应间隙的宽度沿着所述细长薄膜的长度是恒定的。
4.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述细长薄膜，超导环和接地平面中的每一个包括铝或铌。
5.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述量子器件包括由至少一个约瑟夫逊结中断的超导环。
6.根据权利要求6所述的量子比特设备，其中所述量子器件包括中断所述超导环的两个约瑟夫逊结。
7.根据权利要求1所述的量子比特设备，还包括衬底，其中所述细长薄膜，所述接地平面和所述量子器件位于所述衬底的表面上。
8.根据权利要求9所述的量子比特设备，其中所述衬底是蓝宝石。
9.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述细长薄膜包括沿着第一方向延伸的第一部分和沿第二不同方向延伸的第二部分。
10.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述量子器件是超导量子干涉器件。
11.一种量子比特设备，包括：
未由约瑟夫逊结中断的细长薄膜，该细长薄膜包括沿着第一方向延伸的第一部分和沿着第二方向延伸的第二部分；
在所述第一和第二部分之间的位置处与所述细长薄膜电接触的量子器件；和与所述细长薄膜共平面且与所述细长薄膜电接触的接地平面；
其中所述薄膜，所述量子器件和所述接地平面包括超导材料。
12.根据权利要求11所述的量子比特设备，其中所述量子器件是超导量子干涉器件。
13.一种量子比特控制系统，包括：
量子比特设备，该量子比特设备包括：(a)由约瑟夫逊结未中断的细长薄膜，(b)与所述细长薄膜的近端电接触的量子器件，以及(c)与所述细长薄膜共面并且与细长薄膜的远端电接触的接地平面，
其中所述薄膜，所述量子器件和所述接地平面包括超导材料；
与所述细长薄膜相邻的量子偏置控制装置，使得所述量子偏置控制装置在操作期间感应耦合到所述细长薄膜；和
与量子比特设备的量子器件相邻的量子器件偏置控制装置，使得量子器件偏置控制装置在操作期间感应耦合到量子器件。
14.根据权利要求13所述的量子比特控制系统，其中所述量子比特偏置控制装置与所述细长超导薄膜电接触。
15.根据权利要求13所述的量子比特控制系统，其中所述量子比特偏置控制装置包括分流器。
16.根据权利要求15所述的量子比特控制系统，其中所述分流器包括多个电感器。
17.根据权利要求15所述的量子比特控制系统，其中所述分流器包括：
中心薄膜迹线；和
形成围绕中心薄膜迹线并与细长薄膜电接触的开环的外部薄膜迹线，
其中，中心薄膜迹线的端部在沿着开环的多个不同位置处与外部薄膜迹线电接触。
18.根据权利要求13所述的量子比特控制系统，其中所述量子器件偏置控制装置包括：
内部薄膜环；和
外部薄膜环，其至少部分地限制内部薄膜环并且与该量子器件电接触。
19.根据权利要求13所述的量子比特控制系统，其中所述量子比特偏置控制装置具有在约0.1pH和0.2pH之间的与细长薄膜的互感。
20.根据权利要求13所述的量子比特控制系统，其中所述量子器件偏置控制器件具有约0pH的与量子器件的互感。
21.根据权利要求13所述的量子比特控制系统，其中所述量子器件是超导量子干涉器件。
22.一种量子处理器，包括：
多个共面波导通量量子比特设备，每个共面波导通量量子比特设备包括：(a)由约瑟夫逊结未中断的细长薄膜波导，(b)与所述细长薄膜波导的第一端电接触的量子器件，和(c)与细长薄膜波导共面并与细长薄膜电接触的接地平面，其中每个共面波导通量量子比特设备可操作地耦合到量子处理器中每个其他共面波导通量量子比特设备。
23.根据权利要求22所述的量子处理器，其中每个共面波导通量量子比特设备的所述细长薄膜波导穿过与所述处理器中的其它共面波导通量量子比特设备相关联的多个细长薄膜波导。
24.根据权利要求23所述的量子处理器，还包括多个感应耦合器，其中每个电感耦合器布置成与两个与不同共面波导通量量子比特设备相关的细长薄膜波导之间的交叉点相邻。
25.根据权利要求22所述的量子处理器，其中所述量子器件是超导量子干涉器件。
1.一种量子比特设备，包括：
细长薄膜，其不由约瑟夫逊结中断；
与所述细长薄膜的近端电接触的超导量子干涉器件(SQUID)，其中所述SQUID包括少于三个约瑟夫逊结；和
与细长薄膜共面并且与细长薄膜的远端电接触的接地平面；
其中所述薄膜，所述SQUID和所述接地平面包括在设计的操作温度下超导的材料。
2.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述细长薄膜包括第一侧和第二相对侧，并且其中所述第一侧和所述第二侧中的每一个与所述超导接地平面分开相应的间隙。
3.根据权利要求2所述的量子比特设备，其中每个相应间隙的宽度沿着所述细长薄膜的长度是恒定的。
4.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述细长薄膜，超导环和接地平面中的每一个包括铝或铌。
5.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述SQUID包括由至少一个约瑟夫逊结中断的超导环。
6.根据权利要求5所述的量子比特设备，其中所述SQUID包括中断所述超导环的两个约瑟夫逊结。
7.根据权利要求1所述的量子比特设备，还包括衬底，其中所述细长薄膜，所述接地平面和所述SQUID位于所述衬底的表面上。
8.根据权利要求7所述的量子比特设备，其中所述衬底是蓝宝石。
9.根据权利要求1所述的量子比特设备，其中所述细长薄膜包括沿着第一方向延伸的第一部分和沿第二不同方向延伸的第二部分。
10.一种量子比特设备，包括：
未由约瑟夫逊结中断的细长薄膜，该细长薄膜包括沿着第一方向延伸的第一部分和沿着第二方向延伸的第二部分；
在所述第一和第二部分之间的位置处与所述细长薄膜电接触的量子器件，其中，所述量子器件包括少于三个约瑟夫逊结；和
与所述细长薄膜共平面且与所述细长薄膜电接触的接地平面；
其中所述薄膜，所述量子器件和所述接地平面包括在设计的操作温度下超导的材料。
11.根据权利要求10所述的量子比特设备，其中所述量子器件是超导量子干涉器件。
12.一种量子比特控制系统，包括：
量子比特设备，该量子比特设备包括：(a)由约瑟夫逊结未中断的细长薄膜，(b)与所述细长薄膜的近端电接触的超导量子干涉器件(SQUID)，其中，所述SQUID包括少于三个约瑟夫逊结，以及(c)与所述细长薄膜共面并且与细长薄膜的远端电接触的接地平面，其中所述薄膜，所述SQUID和所述接地平面包括在设计的操作温度下超导的材料；
与所述细长薄膜相邻的量子偏置控制装置，使得所述量子偏置控制装置在操作期间电耦合到所述细长薄膜；和
与量子比特设备的SQUID相邻的SQUID偏置控制装置，使得SQUID偏置控制装置在操作期间感应耦合到量子器件。
13.根据权利要求12所述的量子比特控制系统，其中所述量子比特偏置控制装置与所述细长超导薄膜的远端电接触。
14.根据权利要求12所述的量子比特控制系统，其中所述量子比特偏置控制装置包括分流器。
15.根据权利要求14所述的量子比特控制系统，其中所述分流器包括多个电感器。
16.根据权利要求14所述的量子比特控制系统，其中所述分流器包括：
中心薄膜迹线；和
形成围绕中心薄膜迹线并与细长薄膜电接触的开环的外部薄膜迹线，
其中，中心薄膜迹线的端部在沿着开环的多个不同位置处与外部薄膜迹线电接触。
17.根据权利要求12所述的量子比特控制系统，其中所述SQUID偏置控制装置包括：
内部薄膜环；和
外部薄膜环，其至少部分地限制内部薄膜环并且与该SQUID电接触。
18.根据权利要求12所述的量子比特控制系统，其中所述量子比特偏置控制装置具有在约0.1pH和0.2pH之间的与细长薄膜的互感。
19.根据权利要求12所述的量子比特控制系统，其中所述量子器件偏置控制器件具有约0pH的与量子器件的互感。
20.一种量子处理器，包括：
多个共面波导通量量子比特设备，每个共面波导通量量子比特设备包括：(a)由约瑟夫逊结未中断的细长薄膜波导，(b)与所述细长薄膜波导的第一端电接触的量子器件，其中，所述量子器件包括少于三个约瑟夫逊结，和(c)与细长薄膜波导共面并与细长薄膜电接触的接地平面，其中每个共面波导通量量子比特设备可操作地耦合到量子处理器中每个其他共面波导通量量子比特设备。
21.根据权利要求20所述的量子处理器，其中每个共面波导通量量子比特设备的所述细长薄膜波导穿过与所述处理器中的其它共面波导通量量子比特设备相关联的多个细长薄膜波导。
22.根据权利要求21所述的量子处理器，还包括多个感应耦合器，其中每个电感耦合器布置成与两个与不同共面波导通量量子比特设备相关的细长薄膜波导之间的交叉点相邻。
23.根据权利要求20所述的量子处理器，其中所述量子器件是超导量子干涉器件。

说明书全文

共面波导通量 量子比特设备

背景技术

[0001] 量子计算是一种相对较新的计算方法，其利用量子效应，例如基本状态的叠加和纠缠以比经典数字计算机更有效地执行某些计算。与数字计算机相比，以比特(例如，“1”或“0”)的形式存储和操纵信息，量子计算系统可以使用量子位来操纵信息。量子位可以指能够叠加多个状态(例如，“0”和“1”状态的数据)和/或数据本身叠加在多个状态中的量子器件。根据常规术语，量子系统中的“0”和“1”状态的叠加可以表示为例如α│0>+β│0>。

[0002] 数字计算机的“0”和“1”状态分别类似于量子位的│0>和│1>基本状态。值│α│2表示量子比特在│0>状态的概率，而│β│2表示量子比特在│1>基础状态的概率。发明内容

[0003] 本公开涉及共平面波导通量量子比特。通常，在第一方面，本公开的主题可以体现在量子比特设备中，该量子比特设备包括未由约瑟夫逊结中断的细长薄膜，与细长薄膜的近端电接触的量子器件(例如，超导量子干涉器件(SQUID))，以及与细长薄膜共面并与细长薄膜的远端电接触的接地平面，其中薄膜，量子器件，并且接地平面包括在设计的工作温度下超导的材料。

[0004] 设备的实施方式可以单独地或组合地可选地包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些实施方式中，细长薄膜包括第一侧和第二相对侧，并且第一侧和第二侧中的每一个与超导接地平面分开相应的间隙。每个相应间隙的宽度可以沿着细长薄膜的长度是恒定的。

[0005] 在一些实施方式中，细长薄膜，超导环和接地平面中的每一个包括铝或铌。

[0006] 在一些实施方式中，量子器件包括由至少一个约瑟夫逊结中断的超导环。量子器件可以仅包括中断超导环的两个约瑟夫逊结。

[0007] 在一些实施方式中，量子比特还包括衬底，其中细长薄膜，接地平面和量子器件位于衬底的表面上。衬底可以包括蓝宝石。

[0008] 在一些实施方式中，细长薄膜包括沿着第一方向延伸的第一部分和沿第二不同方向延伸的第二部分。

[0009] 通常，在另一方面，本申请的主题可以体现在量子比特设备中，该量子比特设备包括不被约瑟夫逊节中断的细长薄膜，并且包括沿第一方向延伸的第一部分和沿着第二方向延伸的第二部分，在第一和第二部分之间的位置处与细长薄膜电接触的量子器件(例如，SQUID)以及与细长薄膜共平面且与细长薄膜电接触的接地平面，其中薄膜，量子器件和接地平面包括在设计的工作温度下超导的材料。

[0010] 通常，在另一方面，本申请的主题可以体现在量子比特控制系统中，该量子比特控制系统包括量子比特设备，该量子比特设备具有(a)不被约瑟夫逊结中断的细长薄膜，(b)量子器件(例如，SQUID)，其与细长薄膜的近端电接触，以及(c)与细长薄膜共面并与细长薄膜的远端电接触的接地平面，其中薄膜，量子器件和接地平面包括在设计的工作温度下超导的材料。量子比特控制系统还包括与细长薄膜相邻的量子比特偏置控制装置，使得量子比特偏移控制装置在操作期间感应耦合到细长薄膜，并且量子器件偏置控制装置与量子比特设备的量子器件相邻，使得量子器件偏置控制器件在操作期间感应耦合到量子器件。

[0011] 装置的实施方式可以单独地或组合地可选地包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些实现中，量子比特偏置控制装置与细长超导薄膜电接触。

[0012] 在一些实施方式中，量子比特偏置控制装置包括分流器。分流器可以包括多个电感器。分流器可以包括中心薄膜迹线和外部薄膜迹线，该外部薄膜迹线形成围绕中心薄膜迹线的开口环，并且与细长薄膜电接触，其中中心薄膜迹线的一端在沿着开口环的多个不同位置处与外部薄膜迹线电接触。

[0013] 在一些实施方式中，量子器件偏置控制装置可以包括内部薄膜环和至少部分地限制内部薄膜环并且与量子器件电接触的外部薄膜环。

[0014] 在一些实施方式中，量子比特偏移控制装置具有在约0.1pH和0.2pH之间的与细长薄膜的互感。

[0015] 在一些实施方式中，量子器件偏置控制器件具有约0pH的与量子器件的互感。

[0016] 通常，在另一方面，本公开的主题涉及包括多个共面波导通量量子比特设备的量子处理器，每个共平面波导通量量子比特设备具有(a)细长薄膜波导，其不由约瑟夫逊结中断，(b)与细长薄膜波导的第一端电接触的量子器件(例如，SQUID)，和(c)与细长薄膜波导共面以及与细长薄膜电接触的接地平面，其中每个共面波导通量量子比特设备在量子处理器中可操作地耦合到每个其他的共面波导通量量子比特设备。

[0017] 设备的实施方式可以可选地包括单独或组合的一个或多个以下特征。例如，在一些实施方式中，每个共平面波导通量量子比特的细长薄膜波导穿过与处理器中的其它共平面波导通量量子比特相关联的多个细长薄膜波导。量子处理器还可以包括多个电感耦合器，其中每个电感耦合器被布置成与两个与不同共面波导通量量子比特相关的细长薄膜波导之间的交叉点相邻。

[0018] 本公开的主题可以具有各种优点。例如，在一些实施方式中，共平面波导通量量子比特可以呈现相对长的去相干时间。不希望受理论束缚，相信改进的去相干时间部分是部分由于主要使用单层超导材料的共平面波导通量量子比特，以形成通量量子比特。通过在衬底上使用单层超导材料，除去由于附加材料层而否则将存在的去相干源。类似地，据信通常用于形成约瑟夫逊结的电介质材料也是通量量子比特中的去相干的强源。因此，通过用共平面波导代替持久电流通量量子比特中的第三约瑟夫逊结，消除了附加的去相干源，并且可以显着增加与量子比特相关联的去相干时间。

[0019] 另外，在一些实施方式中，共面波导通量量子比特允许耦合到更多数量的量子比特。特别地，通过与量子比特的波导部分的感应耦合来实现与共面波导通量量子比特的耦合。由于波导在宏观长度(几毫米)上分布其电感和电容，所以可以显着增加可耦合的量子比特数。

[0020] 使用具有通量量子比特的两个或多个共面波导也可以提供各种优点。例如，在某些实施方式中，在通量量子比特内使用两个或多个对称的共面波导导致量子比特之间更强的σxσx。此外，通过分离测量和偏置连接，可以减少串扰量。另外，每个量子比特使用两个或多个共面波导可以增加完全连接图中的耦合量子比特的数量，在某些情况下可以使耦合量子比特的数量至少增加一倍。

[0021] 此外，通过调整控制装置的某些几何方面，在一些实施方式中，可以改善控制装置与通量量子比特或量子器件的耦合，减少与量子比特偏移控制装置以及连接网络中的其他量子比特的串扰/耦合，并减少去相干的源。

[0022] 在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。其他特征和优点将从描述，附图和权利要求中变得显而易见。

附图说明

[0023] 图1A是示出超导相位量子比特的示例的示意图。

[0024] 图1B是示出图1A的超导相位量子比特的双阱电位的曲线图。

[0025] 图2A是示出共面波导通量量子比特的示例的俯视图的示意图。

[0026] 图2B是示出在图2A的共平面波导通量量子比特中使用的超导量子干涉器件(SQUID)的特写图。

[0027] 图2C是示出代表图2A的共面波导通量量子比特的电路图的示意图。

[0028] 图3是表示共面波导通量量子比特设备的控制系统的电路图的示意图。

[0029] 图4是示出耦合到共面波导的端部的示例性量子比特偏置控制装置的俯视图的示意图。

[0030] 图5是表示图4所示的量子比特驱动控制装置和波导的等效电路图的示意图。

[0031] 图6是示出耦合到共平面波导的端部的示例性量子比特偏置控制装置的俯视图的示意图。

[0032] 图7A是描绘了为具有图6所示设计的量子比特偏置控制装置计算的互感M的曲线图。

[0033] 图7B是描绘了为具有图6所示设计的量子比特偏置控制装置计算的互感M的曲线图。

[0034] 图8是示出耦合到共平面波导通量量子比特的DC-SQUID的示例性SQUID偏置控制装置的俯视图的示意图。

[0035] 图9A是描绘了对于具有图8所示设计的SQUID控制装置计算的对于共面波导的CPW模式的互感的曲线图。

[0036] 图9B是描绘为具有如图8所示的设计的SQUID控制装置计算的对于DC-SQUID的互感的曲线图。

[0037] 图10A是示出包括与两个接地的共面波导电接触/耦合的DC-SQUID的多共面波导通量量子比特的示例的示意图。

[0038] 图10B是表示图10A的共面波导通量量子比特的电路图。

[0039] 图11是示出示例性多分支通量量子比特的顶视图的示意图。

[0040] 图12是示出互连的单分支共面波导流束量子比特的示例性网络的网络图的示意图。

[0041] 图13是示出互连的多分支共面波导量子比特的示例性网络的网络图的示意图。

[0042] 图14是示出了自连接的多分支共面波导量子比特的示例性完全连接的量子网络的网络图的示意图。

[0043] 图15A是计算机辅助设计示意图，其示出了依赖于共面波导通量量子比特的互连网络的示例性量子处理器布局1500的顶视图。

[0044] 图15B是示出耦合到图15A的量子比特偏置控制装置和SQUID偏置控制装置的单个共面波导的放大图的示意图。

[0045] 图15C是示出图15A的读出装置区域的一部分的放大图。

[0046] 图15D是示出图15A的量子处理器的耦合区域的一部分的放大视图的示意图。

具体实施方式

[0047] 通量量子比特是可以在使用超导材料的物理系统中实现的量子比特的示例。通量量子比特存储器件的相位或通量状态中的信息。通量量子比特的一个例子是持续电流量子比特，其包括由三个约瑟夫逊结中断的超导材料的环。图1A是示出持续电流通量量子比特100的示例的示意图。持续电流通量量子比特100包括由多个约瑟夫逊结104，106和108中断的超导材料的环102。每个约瑟夫逊结具有一定的临界电流。

[0048] 在量子比特100的操作期间，可以使用源110将磁通Φx引入量子比特100。磁通量可以表示为BΦ0，其中Φ0是通量量子，B是无量纲数。随着磁通量Φx的施加，量子比特100相对于跨过约瑟夫逊结的相位呈现二维电位。二维电位可以包括局部能量最小值的区域，所述区域通过相对较低的能量屏障彼此间隔开并且通过相对较大的能量障碍与其它区域分离。图1B中示出了这种双阱电位的示例。左阱112表示在一个方向上循环通过量子比特100的环(例如，顺时针)的电流，而右阱114表示通过环(例如逆时针)沿相反方向行进的电流。当阱112和114表现出相同或接近相同势能时，如图1B所示，量子比特100的两个不同状态(通过超导环的顺时针和逆时针持续电流)可以说是叠加的。

[0049] 量子计算需要相干地处理存储在量子计算机的量子比特中的量子信息。特别地，量子计算机的量子比特以可控的方式耦合在一起，使得每个量子比特的量子态影响与其耦合的量子比特的相应量子态。量子计算机的计算能力可以通过增加可耦合的其他量子比特的数量来显着提高。对于某些设计，例如持久电流通量量子比特，可用于耦合的量子比特的数量被限制为量子比特的最近邻。此外，与其他量子比特的相互作用提供了一个潜在的强大的去相干的源，导致了较低的量子比特去相干时间。去相干时间对应于量子比特丢失其一些量子力学性质所需的时间，例如，该量子比特不再以基本状态叠加为特征，并且量子比特不能用于量子计算。去相干的另一个源包括由用于构建量子比特的材料产生的噪声，例如形成约瑟夫逊结的电介质。由于这些影响，通量量子比特可以具有短的去相干时间，例如10ns的量级。

[0050] 概述

[0051] 一般来说，在一些方面，本公开的主题涵盖了包括耦合到超导量子干涉器件的至少一个细长共面波导谐振器的通量量子比特。细长的共面波导用作确定量子比特的能级的并联LC 谐振电路。由于其相对简化的结构和消除作为去相干源的材料，共面波导通量量子比特可以显示去相干时间的显着改善。此外，由于波导可以被制造成具有相对长的长度，同时保持强耦合到其它量子比特的能力，所以共面波导通量量子比特可以用于耦合到连接的量子网络中的大量其他量子比特。

[0052] 在一些方面，本公开的主题还包括用于共面波导通量量子比特的控制系统，其中控制系统包括量子比特偏置控制装置和量子器件偏置控制装置(例如，SQUID偏置控制装置)。量子比特偏置控制装置可以包括分流器，其被调谐以优化与通量量子比特的共面波导的互感，这导致显着更长的去相干时间。量子器件偏置控制装置可以包括与通量量子比特相邻布置的相对同心的超导薄膜环。改变控制装置的不同几何方面可以改善控制装置与通量量子比特或量子器件(例如，SQUID)的耦合，可以减少与量子比特偏置控制装置以及连接网络中的其他量子比特的串扰/耦合，并可以减少去相干的源。

[0053] 在一些方面，本公开的主题还包括共面波导通量量子比特设备的连接的量子网络。网络可以具有模块化设计，其中，对于每个量子比特，可以沿着共面波导的长度添加或去除可用于耦合的其他量子比特的数量。此外，在一些实施方式中，连接的量子网络可以采用具有多个共面波导的通量量子比特设计，其中每一个可以用于耦合到网络中的其他量子比特。因此，额外的波导提供了用于增加可以耦合的量子比特的数量的选项，并且在设计连接的量子网络时提供更大的灵活性。

[0054] 共面波导通量量子比特

[0055] 图2A是示出共面波导通量量子比特200的示例的俯视图的示意图。量子比特200包括耦合到量子器件204的共面波导202。量子器件204可以包括但不限于超导量子干涉器件(SQUIDS)。在本示例中，量子器件204是DC超导量子干涉器件(DC-SQUID)，尽管可以使用其它SQUID器件。共面波导202和DC-SQUID204被接地平面206包围并与其电接触。波导202，DC-SQUID204和接地平面206中的每一个由超导薄膜材料在电介质基片上使用标准薄膜的制造工艺形成。波导202作为细长薄膜布置在衬底上，其中薄膜的一端208与接地平面206电接触，薄膜的另一相对端210与DC-SQUID204电接触。波导202的细长侧面通过相应的间隙205与接地平面206分离。在本示例中，每个相应的间隙205的宽度沿着细长波导的长度是恒定的，例如为避免电磁波的不必要的反射。波导的所需模式分布是对称共面波导(CPW)模式，中心轨迹两侧上的两个接地面保持相同的电压。在一些实施方式中，波导202可以具有高达约几千微米的长度(沿着细长边测量)，以及高达约几十微米的宽度(横向于长度测量)。形成波导202(以及接地平面206和DC-SQUID的部分)的沉积膜的厚度可以是例如100至200nm的量级。

[0056] 在一些实施方式中，距离DC-SQUID最远的波导202的端部具有钩形状，以便提供用于将量子比特感应耦合到读出装置(未示出)的区域。图2B是示出耦合到波导202的DC-SQUID204的特写图的示意图。DC-SQUID204包括由两个约瑟夫逊结214中断的超导材料的环212，每个都可以由薄膜非超导/绝缘材料形成。例如，约瑟夫逊结214可以由三层Al/Al2O3/Al薄膜形成。因此，约瑟夫逊结214彼此并联耦合，其中第一公共节点与波导202电接触，以及第二公共节点与接地平面206电接触。约瑟夫逊结214通过接触焊盘215电连接到环212，接触焊盘215可以由与环212相同或不同的超导材料形成。在一些实施方式中，接触焊盘215不存在，并且约瑟夫逊结214与环212直接物理和电接触。波导202，DC-SQUID 204和接地平面206可以由在超导临界温度(例如铝(1.2开尔文的超导临界温度)或铌(9.3开尔文的超导临界温度))或低于超导临界温度呈现超导特性的材料形成。其上形成有波导202，DC-SQUID
204和接地平面206的衬底包括如例如蓝宝石，SiO2或Si的介电材料。在一些实施方式中，蓝宝石提供低介电损耗的优点，因此导致更高的去相干时间。

[0057] 在一些实施方式中，共面波导通量量子比特200可以以与持续电流通量量子比特相似的方式操作。也就是说，当磁通量被引入到共面波导(通过图4所示的控制装置)时，可以产生两个持续电流状态，其在相反方向上在共面波导环中循环。波导202还用作谐振器，通过该谐振器可以实现与其它量子比特的强耦合和远距离耦合。图2C是表示量子比特200的电路图216的示意图。如电路图216所示，量子比特200与电容218和电感220两者相关联，电容218和电感220与由DC-SQUID 204提供的两个约瑟夫逊结214并联。电路图216中的地线222由接地层206提供。相比之下，包含中断超导环的三个约瑟夫逊结的持续电流通量量子比特具有与图2C所示的相同的电路图。在持续电流通量量子比特中，约瑟夫逊结中的两个等效于约瑟夫逊结214，而第三约瑟夫逊结和超导环提供电容218和电感220。相反，对于共面波导流量量子比特，例如量子比特200，由波导202提供电容218和电感220。

[0058] 共面波导通量量子比特设计可以相对于持续电流通量量子比特具有几个优点。例如，共面波导通量量子比特可以表现出相对长的去相干时间。不希望受理论束缚，相信改进的去相干时间部分是由于主要使用单层超导材料的共面波导通量量子比特来形成通量量子比特。通过在衬底上使用单层超导材料，除去否则将由于附加材料层而存在的去相干源。类似地，据信通常用于形成约瑟夫逊结的电介质材料也是通量量子比特中的去相干的强源。因此，通过用共面波导代替持久电流通量量子比特中的第三约瑟夫逊结，消除了附加的去相干源，并且可以显着增加与量子比特相关联的去相干时间。

[0059] 另外，共面波导通量量子比特允许耦合到更多数量的量子比特。在典型的持久电流通量量子比特中，量子计算机内的耦合使用最近的相邻器件来实现，其基本上将可耦合的量子比特的数量限制在可以拟合在单个量子比特周围区域内的量子比特。由于与其他量子比特的连接性有限，基于这种量子比特设计的量子处理器受到所谓的嵌入问题的困扰。这意味着计算问题需要在机器上编写，因为嵌套图的约束。解决嵌入问题本身可能是一个计算上难的任务，这进一步限制了量子退火器的功率。

[0060] 相反，通过与量子比特的波导部分的感应耦合来实现与共面波导通量量子比特的耦合。由于波导在宏观长度(几毫米)上分布其电感和电容，所以可以大大增加可耦合的量子比特数，从而允许一个潜在地避免嵌入问题。此外，持续电流通量量子比特通常非常小，并且与介观尺度上的尺寸(例如，具有约几微米或更小的关键尺寸)相关联。然而，对于共面波导通量量子比特，可以将结构制造得更大(例如，在毫米数量级上)，导致更高的制造可靠性。

[0061] 量子比特控制系统

[0062] 在共面波导通量量子比特的操作期间，量子比特可以暴露于不同的磁通量偏置，以便初始化量子比特的双阱电位，建立基本状态的叠加，并且改变电势阱之间的屏障，以修改状态之间隧道的概率等等。可以使用与量子比特设备相邻布置的磁通偏置驱动装置来产生这种磁通偏置。图3是表示通量量子比特设备的控制系统300的电路图的示意图。控制系统300包括量子比特偏置控制装置302，其在量子比特304的操作期间感应耦合到量子比特304的共面波导。操作期间，量子比特偏置控制装置302用于倾斜/扰乱量子比特的双阱电位。控制系统300还包括SQUID偏置控制装置306，其在量子比特304的操作期间感应耦合到DC-SQUID。SQUID偏置控制装置306用于调节DC-SQUID临界电流，其继而在操作期间调整量子比特的阱之间的势垒电位的幅度。由于量子比特偏置控制装置302和SQUID偏置控制装置
306在量子比特304的操作期间都被使用，所以在一些实施方式中，期望减少它们与量子处理器中的其它量子比特之间的串扰以避免引入非预期的磁通量以及减少去相干性。

[0063] 图4是示出根据本公开的耦合到通量量子比特的共面波导402的一端的示例性量子比特偏置控制装置400的俯视图的示意图。为了便于观察，仅示出了波导的一部分。波导402的另一端耦合到通量量子比特的DC-SQUID(未示出)。量子比特偏置控制装置400包括沿着三个不同路径对称地分支到分流器406中的电流驱动线404。电流驱动线404和分流器406均由衬底表面上的超导薄膜形成。例如，电流驱动线404和分流器406可以由与波导和DC-SQUID相同的超导材料形成。从耦合到电流驱动线404的电流源405向量子比特偏置控制装置400提供电流。电流源405可以在与通量量子比特相同的芯片/衬底上制造，或者它可以是电耦合到芯片的外部源。驱动线404形成分流器406的中心/内部迹线，并沿着三个不同方向
407分支到外部薄膜迹线408。外部薄膜迹线408形成围绕中心薄膜迹线404的开环。外部薄膜迹线408在403处与波导402电接触。薄膜迹线408的外边缘也与接地平面膜410电接触。在到达分流器406的第一分支之前，驱动线404与外部轨迹408分离，从而在每侧上与接地平面
410分离开非导电间隙412。

[0064] 如图4所示，分流器406的薄膜分支407和外部迹线408围绕驱动线404的中心对称地布置。分流器406的对称结构鼓励量子比特偏置控制装置400耦合到波导402的CPW模式并避免了槽线模式(slotline mode)的不期望的激励。通常，槽线模式的激励可以具有寄生效应，其中不期望的模式耦合到量子处理器的量子比特和其他元件，并且因此代表辐射损耗，去相干和串扰的来源。

[0065] 在一些实施方式中，跨越空气桥414可以在器件上制造，以通过将接地平面保持在相同的电压来帮助抑制来自波导402的不需要的槽线模式。空气桥414可以使用传统的半导体和光刻处理技术来制造。例如，该方法通常需要在接地平面内的间隙上形成和图案化可去除的抗蚀剂层(以设定空气桥的高度和放置)，在抗蚀剂(例如铝)上沉积超导材料，图案化沉积的超导体以形成桥，然后去除任何剩余的抗蚀剂。尽管被称为“空气桥”，桥和衬底之间的空间对应于真空，而不是空气，因为该装置在与超导材料相关的温度下工作。另外，尽管在图4中仅示出了两个空气桥414，但是可以制造额外的空气桥以跨越共面波导402以及驱动线404以保持穿过接地平面410的恒定电压。

[0066] 此外，量子比特偏置控制装置400还被设计为减少串扰，即，使得每个量子比特的通量偏置独立地避免利用磁场与相邻量子比特的交叉耦合，以及与SQUID偏置控制装置的交叉耦合。需要精确和稳定的通量偏置，因为即使施加的通量中的小偏差也可能导致双阱电位的实质不对称性，从而阻止了正确的量子比特操作。为了减少耦合和去相干，量子比特偏置控制装置400设计成可靠地实现相对较高的实际阻抗和相对小的互感。例如，量子比特偏置控制装置400可以被设计成提供约0.1pH和0.2pH之间的互感M。在一些实施方式中，量子比特偏置控制装置可以设计成提供约1pH或更低的互感(例如，约0.9pH或更小，约0.8pH或更小，约0.7pH或更小，约0.6pH或更小，约0.5pH或更低，约0.4pH或更低，约0.3pH或更低，约0.2pH或更低，或约0.1pH或更低)。通过阻抗变换，量子比特偏置控制装置400可被设计成提供约10MΩ或更大的有效实际阻抗。也可以使用其他范围，这取决于设计标准。

[0067] 在通量量子比特和量子偏置控制装置400的操作期间，电流从电流源405提供到驱动线404。当电流从驱动线404到达分流器406时，电流沿不同的分支407分开。电流沿着不同的分支分开并通过外部薄膜迹线408汇合在由迹线408和驱动线404限定的开放区域内产生磁场。然后从磁场产生的通量耦合到波导402中。改变驱动线404内的电流将因此改变传递到波导402的CPW模式的通量。

[0068] 图5是示出图4所示的量子比特驱动控制装置400和波导402的等效电路图的示意图。量子比特驱动控制装置400和波导402被表示为电感器Ln的互连网络，其中n＝1...8。电感器L1对应于由于中心迹线/驱动线404引起的电感，电感器L4对应于由于共面波导402引起的电感，电感器L3对应于驱动器和分流器之间的共享迹线的电感。电感器L7对应于由偏置分流器407的中心迹线引起的电感，L2/L8/L5对应于由接地平面引起的电感，且电感器L6对应于量子比特驱动控制装置400在磁通量耦合到波导402的点处的电感。如图5所示，由中心迹线(由电流源401表示)提供的电流由分流器分配给不同的电感元件，产生环电流I1，I2和I3。因此，量子比特驱动控制装置400的互感可以表示如下

[0069]

[0070] 假设波导402通常相对较长以允许耦合到许多其它量子比特，则电感L4通常较大。由于共面波导比量子比特控制装置长得多，因此可以合理地假设2L4+L5＞＞L6，等式(1)可以简化为：

[0071]

[0072] 因此，可以通过改变分流器406的电感来微调谐互感M。修改电感的一种可能的方式是通过例如改变量子比特偏置控制装置高度600和/或宽度602来改变量子比特偏置控制装置400的面积，如图6所示。

[0073] 图7A是描绘了在20微米的固定宽度602处为具有图6所示设计的量子比特偏置控制装置计算计算的互感M的曲线图。如曲线图中所示，将分流器高度从约5μm增加到约30μm可将互感从约0.6pH降低至接近约0.1pH。图7B是描绘了在10微米的固定高度600处，为具有图6所示设计的量子比特偏置控制装置计算的互感M的曲线图。如图所示，将分流器宽度从约2μm增加到约8μm将使互感从约0.1pH增加到约0.3pH。

[0074] 下面的表1包括对于具有图6所示设计的共面波导通量量子比特计算的互耦值和量子比特去相干寿命。如表中所示，对于接近0.1pH的互耦合值，量子比特去相干寿命可以增加到例如100μs。

[0075] 表1

[0076]

[0077] 图8是示出根据本公开的耦合到共面波导通量量子比特的DC-SQUID802的示例性SQUID偏置控制装置800的俯视图的示意图。为了便于观看，仅示出了共面波导803的一部分。波导803的另一端可以耦合到量子比特偏置控制装置。SQUID偏置控制装置800包括内部薄膜环804和外部薄膜环806，外部薄膜环806至少部分地限制内部薄膜环804并与DC-SQUID802电接触。内部薄膜环804和外部薄膜回路806由衬底表面上的超导薄膜形成。例如，内部薄膜环804和外部薄膜环806可以由与波导和DC-SQUID相同的超导材料形成。内部和外部薄膜回路之间的区域对应于外部间隙区域808，而内部薄膜环内的区域对应于内部间隙区域810。内部和外部间隙区域808、810都对应于真空。内部薄膜环804的一端与驱动线812电接触。驱动线812耦合到电流源814。电流源814可以在与通量量子比特相同的芯片/衬底上制造或者可以是电耦合到芯片的外部源。内部薄膜环804的另一相对端与外部薄膜环806电接触。外部薄膜环806与DC-SQUID802的环电接触，并且与接地平面805电接触。

[0078] 在一些实施方式中，SQUID偏置控制装置800能够与DC-SQUID环进行足够强的耦合(例如，在约1-2个pH之间)，同时与共面波导的CPW模式弱耦合，否则这会成为串扰和去相干的源。可以改变SQUID偏置控制装置800的几个方面，以实现与DC-SQUID的足够的耦合，同时减少与共面波导的CPW模式的耦合。例如，第一可变方面是外部薄膜环804和内部薄膜环802之间的外部间隙区域808的距离。对于由直线内部和外部环形成的SQUID偏置控制装置，例如如图8所示，外部间隙区域808的尺寸可以通过改变内部和外部薄膜环之间的距离816来调节。通过改变距离816，可以改变耦合强度。随着距离的增加，耦合强度增加并最终在取决于具体器件设计的值饱和。

[0079] 第二可变方面是内部间隙区域810的尺寸。改变内部间隙区域810实际上可以修改SQUID偏置控制装置800的两个不同特征。例如，通过改变内部薄膜环804从驱动线812横向延伸的距离818，有可能改变SQUID偏置控制装置如何耦合到共面波导802的CPW模式的强度。实际上，对于某些距离818，与CPW模式的耦合可以是减至零。此外，可以将SQUID偏置控制装置800的灵敏度改变为器件制造中的缺陷。特别地，通过调整内部薄膜环804的上部和下部之间的距离820，可以改变如何强地与CPW模式的耦合，并且对DC-SQUID的耦合随着距离的变化而变化。换句话说，SQUID偏置控制装置800可以被设计成使得即使从预期的装置设计来看，制造的装置的结构存在相对显着的变化，期望的与DC-SQUID和CPW模式的耦合不会显着改变。

[0080] 图9A是示出了对于具有图8所示设计的SQUID控制装置所计算的与共面波导的CPW模式的互感相对于长度818的曲线图。如曲线图所示，互感可以在大约8μm的距离816(图中的G)和各自等于10μm的距离820(图中的H)处减小到零。图9B是描绘对于具有图8所示设计的SQUID控制装置计算的与DC-SQUID的互感与长度818的曲线图。如曲线图所示，当距离816(图中的G)和距离820(图中的H)均等于10μm时，即使长度818变化一个数量级的大小，互感也是相当恒定的。

[0081] 多分支共面波导通量量子比特

[0082] 如上面参考图2所解释的，共面波导通量量子比特包括用于耦合到量子处理器内的其它量子比特的单个细长波导。然而，通量量子比特设计不限于单个波导。相反，通量量子比特可以包括耦合到DC-SQUID的多个共面波导。与单波导设计相比，多波导通量量子比特设计以下优点：例如：(1)在完全连接的设定中耦合到更大数量的量子比特的能力(例如，使用两个波导而不是一个波导可以使可以在完全连接的量子处理器中耦合的量子比特的数量加倍)；(2)使读出/测量和偏置线耦合到每个量子比特的不同共面波导，从而减少串扰；和(3)补偿量子比特之间的互感耦合的不对称性的能力，允许更多量子比特的相互耦合。实际上，对于具有波导谐振器的对称布置的共面波导通量量子比特，在某些实施方式中，共面波导之间的相互耦合可导致量子比特之间更强的σxσx耦合。

[0083] 图10A是包括与两个共面波导1002a和1002b电接触的DC-SQUID1004的多共面波导通量量子比特1000的示意图。多波导通量量子比特1000可以使用与在此相对于图1公开的通量量子比特相同或类似的材料以基本上相同的方式使用薄膜处理在电介质衬底(例如，蓝宝石)上制造。每个波导1002a，1002b在公共点1006连接DCSQUID1004，其中每个波导1002a的相对端1002b接地到接地平面1008。除了与接地平面1008和DC-SQUID1004之间的电连接，波导1002a，1002b在薄膜接地平面1008的任一侧分离具有恒定宽度的间隙。每个波导
1002a，1002b也包括在接地平面1008的连接附近的钩或弯曲区域1010，其可以用于例如耦合到读出装置。

[0084] 图10B是表示图10A的共面波导通量量子比特的电路图。与单个波导通量量子比特的图2C的示意图相比，由于增加的与DC-SQUID耦合的共面波导，图10B所示的电路包括额外的并联电容C2和电感L1。描述图10B所示的通量量子比特的哈密顿函数的一个例子可以如下导出。首先，将图10B所示的电路原理图的经典电路方程式表示为：

[0085]

[0086] 其中I0是约瑟夫逊结的临界电流，Φ是跨结的通量差，Φ0是通量量子，这导致哈密顿量。

[0087]

[0088] 其中L＝L1L2/(L1+L2)，C＝C1+C2，Q是电荷，且通过在外部通量偏置上述电路来重新定义穿过多波导通量量子比特Φx＝Φ0/2。引入无量纲的变量哈密顿量可以表示为：

[0089]

[0090] 且以及其中e是电子的电荷。通量量子比特的双阱电位出现在β>1。虽然通量量子比特1000仅示出具有两个共面波导，但是该设计可以容易地扩展到包括额外的共面波导，从而实现更复杂的架构。

[0091] 如上所述，多波导通量量子比特的潜在优点在于可以使用用于单个量子比特的不同共面波导来执行读出/测量和偏置，从而减少串扰。图11是示出沿着量子比特的不同波长分离读出和偏置操作的示例性多分支通量量子比特1100的示意图。通量量子比特1100也可以以基本上相同的方式并使用与参照图2和10A在此公开的通量量子比特相同或类似的材料使用薄膜处理在电介质衬底(例如，蓝宝石)上制造。通量量子比特1100具有与图10A所示的通量量子比特1000相同的结构。通量量子比特1100也包括与第一共面波导1102a的一端电接触的量子比特偏置控制装置1110以及与DC-SQUID1104电接触的SQUID偏置控制装置1112。

[0092] 通量量子比特1100的第二共面波导1102b布置在读出装置1114的耦合距离内。在读出操作期间，读出装置1114读取量子比特1100的状态。在量子处理器的上下文中，读出装置，如装置1114，用于读出量子比特的最终状态，以产生例如比特串。在图11所示的实施例中，读出装置1114包括细长薄膜超导体(例如铝或铌)，其以曲折图案布置在电介质衬底上并被构造成从第一端感应地耦合到通量量子比特1100的第二波导1102b上。也就是说，读出装置1114不与波导1102b直接电连接(不是通过接地平面1106的相对弱的电连接)，而是可以在用户期间通过波导1102b感应地耦合到量子比特1100。共面波导与读出装置之间的间隔可以是例如约2微米。在读出装置1114的第二相对端，读出装置可以进一步连接到衬底/芯片上形成的其他元件或者衬底/芯片之外的其他元件，如路由电路(例如，锁存元件，移位寄存器或复用器电路)。

[0093] 采用共面波导通量量子比特的连接量子网络

[0094] 在一些实施方式中，多个共面波导通量量子比特布置在衬底表面上以形成互连的量子处理器网络。这样的量子处理器网络可以用在量子计算应用中，包括例如量子退火和/或绝热量子计算。例如，在一些实施方式中，量子处理器网络可以用问题哈密尔顿初始化，并且绝热地发展到一个希望的哈密顿，它的基态描述感兴趣的问题的解。

[0095] 使用根据本公开的通量量子比特设计的各种不同的网络配置是可能的。例如，图12是示出完全连接的单分支共面波导通量量子比特1202的示例性网络1200的网络图的示意图。每个通量量子比特1202包括单个对应的共面波导1204，量子比特可以通过该共面波导1204在点1206处感应地耦合到网络1200中的每个其他量子比特，在所述点1206处，波导在示意图中交叉。在点1206处，共面波导并不物理上彼此接触。相反，在每个波导附近制造单独的超导薄膜耦合器，以便能够实现波导之间的感应耦合。虽然在图12中未示出，但是每个通量量子比特也可以包括相应的量子比特偏置控制装置和SQUID偏置控制装置，如在此描述的。每个通量量子比特还可以包括感应地耦合到通量量子比特波导的一端的量子比特读出装置。通过图14所示的共面波导通量量子比特的相对笔直布置，可以显着增加量子处理器内的完全耦合量子比特的数量。例如，在某些实施方式中，包含32个布置成图14所示的构造的完全耦合的共面波导通量量子比特的量子处理器具有与依赖于使用最近相邻耦合布置的1000个持续电流通量量子比特相同的量子处理能力。

[0096] 在一些实施方式中，可以在量子处理器中使用多分支通量量子比特。图13是示出互连的多分支共面波导量子比特的示例性网络1300的网络图的示意图。互感(顶分支和底分支)的符号可以是正或负，其总和又决定了总的量子比特耦合的符号。因此，如图13所示，每个通量量子比特1302包括相应的双分支共面波导1304，其中波导的第一分支在点1306处与网络1300中的其他量子比特1302的相应第一分支正耦合。每个波导的第二分支在点1308与网络1300中的另一个量子比特1302的相应第二分支的负耦合。再次，在每个波导附近制造分离的超导薄膜耦合器，以便能够实现波导之间的感应耦合。

[0097] 图14是示出互连的多分支共面波导量子比特的另一示例性网络1400的网络图的示意图。如图14所示，通过将量子比特的第一完全连接的网络1410耦合到量子比特的第二完全连接的网络1420，可以扩展互连的量子比特的总数。“完全连接的量子比特网络”是一种网络，其中每个量子比特被布置为使得它可以在网络的运行期间在网络中互相耦合。网络1410中的每个量子比特1402包括相应的双分支共面波导，其中波导的第一分支1404在点1406耦合到网络1410中的其他量子比特1402的相应第一分支。类似地，网络1420中的每个量子比特1402包括相应的双分支共面波导，其中波导的第一分支1404在点1406处耦合到网络1420中的其他量子比特1402的相应第一分支。然后布置网络1410，1420，使得来自第一网络1410的每个波导的第二分支1408在耦合点1412处耦合到来自第二网络1420的每个波导的第二分支1408。再次，在每个波导附近制造分离的超导薄膜耦合器，以便能够在波导之间进行感应耦合。此外，每个量子比特可以包括如本文所述(图14中未示出)的对应的量子比特偏置控制装置和SQUID偏置控制装置。每个磁通量子比特还可以包括感应地耦合到量子比特的第一波导分支的对应的读出装置(未示出)。尽管图12至14所示的量子处理器的部分仅包括有限数量的量子比特，量子处理器可以包括可以适当地制造和布置在所选择的衬底表面上的任何所需数量的量子比特。

[0098] 图15A是计算机辅助设计原理图，其示出了依赖于共面波导通量量子比特的互连网络的示例性量子处理器布局1500的顶视图。量子处理器1500包括覆盖衬底表面的大面积并且可以被划分成若干不同区域的接地平面1520。例如，处理器1500可以包括包含量子位偏移控制装置和SQUID偏置控制装置的阵列的控制区域1501。处理器布局中的每个共面波导被布置为相邻，使得耦合到来自控制区域1501的对应的量子位偏移控制装置和SQUID偏置控制装置。图15B示出了单个共面波导1506的放大图，该单个共面波导1506被布置为使得其可以感应耦合到量子比特偏移控制装置1502并与DC-SQUID1504电接触。DC-SQUID1504被布置为它可以感应耦合到SQUID偏置控制设备1507。波导1506在其两个细长侧上通过间隙1521与接地平面1520分离。可以根据本公开来设计和制造波导1506，DC-SQUID1504，量子比特偏移控制装置1502和SQUID偏置控制装置1507。

[0099] 处理器1500还可以包括读出装置区域1503。图15C中示出了包括读出装置1508的读出装置区域1503的一部分的放大视图。读出装置区域1503包括多个读出装置1508，每个读出装置1508被布置为与对应的共面波导1506相邻，使得读出装置可感应地耦合到波导1506。每个读出装置1508依次布置成可以感应地耦合到读出线1510。读出线1510在其两个细长侧上与接地平面1520分开小间隙(例如，在约1-5微米之间)。

[0100] 处理器1500还可以包括耦合区域1505。耦合区域1505对应于每个通量量子比特的共面波导被布置为彼此耦合的区域。图15D中示出了耦合区域1505的一部分的放大视图。在共面波导的每个交叉处，将超导薄膜耦合器1512放置成与波导相邻。超导薄膜耦合器1512包括超导材料环，其中环的第一部分沿着第一波导沿第一方向1514延伸，并且环的第二部分沿着第二波导沿第二正交方向1516延伸，在第一和第二波导交叉处具有直角弯曲。波导在交叉处不会电接触。相反，跨越空气桥1516可以用作第一波导在交叉处跨越第二波导的跨接线。环1512与每个波导分离开薄间隙1518(例如，几微米量级)。在处理器的操作期间，来自一个波导的能量耦合到超导薄膜耦合器1512，然后耦合到布置在耦合器1512附近的第二波导。耦合器1512还与接地平面1520分离开较大的间隙1522。耦合器1512可以用三个参数来定义：迹线宽度W，环臂长度L和间隙距离G(即环臂之间的内部距离)。在一些实施方式中，迹线宽度W可以在约1-5微米的范围内。在一些实施方式中，环臂长度L可以在几百微米的量级上，这取决于网络中的量子比特的数量。在一些实施方式中，间隙距离G可以在几十微米的数量级上。也可以使用其他范围，这取决于设计标准。

[0101] 在本说明书中描述的数字和量子主题以及数字功能操作和量子操作的实施例可以用数字电子电路，适当的量子电路，或更一般地，量子计算系统，在有形实施的数字或量子计算机软件或固件，数字或量子计算机硬件中实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或其一个或多个的组合。术语“量子计算系统”可以包括但不限于量子计算机，量子信息处理系统，量子加密系统或量子模拟器。

[0102] 本说明书中描述的数字和量子主题的实施例可以被实现为一个或多个数字或量子计算机程序，即数字或量子计算机程序指令的一个或多个模块，其编码在有形的非暂时性存储介质上，以由数据处理装置执行或者控制数据处理装置的操作。数字或量子计算机存储介质可以是机器可读存储设备，机器可读存储衬底，随机或串行存取存储器件，一个或多个量子比特，或它们中的一个或多个的组合。替代的或另外的，程序指令可以在能够编码数字或量子信息的人造生成的传播信号上进行编码，例如，该信号是机器产生的电，光或电磁信号，其被产生以编码数字或量子信息，用于传输到适当的接收机设备，以由数据处理设备执行。

[0103] 术语量子信息和量子数据是指由量子系统中携带，保存或存储的信息或数据，在其中最小的非平凡系统是量子比特，即定义量子信息单位的系统。应当理解，术语“量子比特”包括可以在相应上下文中适当地近似为两级系统的所有量子系统。这样的量子系统可以包括多级系统，例如具有两个或多个级。作为示例，这样的系统可以包括原子，电子，光子，离子或超导量子比特。在许多实施方式中，用地和第一激发态识别计算基础状态，然而应当理解，其中以更高级激发态识别计算状态的其他设置是可能的。术语“数据处理装置”是指数字或量子数据处理硬件，并且涵盖用于处理数字或量子数据的各种装置，设备和机器，包括例如可编程数字处理器，可编程量子处理器，数字计算机，量子计算机，多个数字和量子处理器或计算机及其组合。该装置还可以是或进一步包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)，ASIC(专用集成电路)或量子模拟器，即，被涉及为模拟或产生有关特定量子系统的信息的量子数据处理装置。特别地，量子模拟器是不具有执行通用量子计算能力的专用量子计算机。除了硬件之外，该设备还可以包括为数字或量子计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或更多的组合的代码。

[0104] 也可以以任何形式的编程语言来编写也可以被称为程序，软件，软件应用程序，模块，软件模块，脚本或代码的数字计算机程序，该编程语言包括编译或解释语言，或声明或程序语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块，组件，子例程或适用于数字计算环境的其他单元。可以以任何形式的编程语言编写也可以被称为程序，软件，软件应用程序，模块，软件模块，脚本或代码的量子计算机程序，该编程语言包括编译或解释语言或声明性或程序性语言，并被翻译成合适的量子编程语言，或者可以用量子编程语言编写，例如QCL或Quipper。

[0105] 数字或量子计算机程序可以但不必须对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中，例如存储在标记语言文档中的一个或多个脚本，专用于所讨论的程序的单个文件中，或者在多个协调的文件中，例如，存储一个或多个模块，子程序或代码部分的文件。数字或量子计算机程序可以部署在一个数字或一个量子计算机上并在其上执行或部署在位于一个站点或分布在多个站点上并由数字或量子数据通信网络互连的多个数字或量子计算机上并在其上执行。量子数据通信网络被理解为可以使用量子系统例如量子比特传输量子数据的网络。通常，数字数据通信网络不能发送量子数据，然而量子数据通信网络可以传送量子数据和数字数据。

[0106] 本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程数字或量子计算机执行，与一个或多个数字或量子处理器一起操作，它们在适当的情况下运行一个或多个数字或量子计算机程序，以通过在输入数字和量子数据上操作并产生输出来执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路(例如，FPGA或ASIC，或量子模拟器)来执行并且设备也可以实现为专用逻辑电路(例如，FPGA或ASIC，或量子模拟器)，或由专用逻辑电路或量子模拟器与一个或多个编程的数字或量子计算机的组合来执行。

[0107] 对于要被配置为执行特定操作或动作的一个或多个数字或量子计算机的系统意味着系统已经在其上安装了软件，固件，硬件或它们的组合，这些软件，固件，硬件或其组合使系统执行操作或动作。对于要配置为执行特定操作或动作的一个或多个数字或量子计算机程序意味着一个或多个程序包括指令，当该指令由数字或量子数据处理设备执行时使得设备执行操作或动作。量子计算机可以接收来自数字计算机的指令，当该指令由量子计算装置执行时，使装置执行操作或动作。

[0108] 适用于执行数字或量子计算机程序的数字或量子计算机可以基于通用或专用数字或量子处理器或两者或任何其它类型的中央数字或量子处理单元。通常，中央数字或量子处理单元将从只读存储器，随机存取存储器或适于传输量子数据(例如光子)的量子系统，或它们的组合接收指令和数字或量子数据。

[0109] 数字或量子计算机的基本要素是用于进行或执行指令的中央处理单元以及用于存储指令和数字或量子数据的一个或多个存储器件。中央处理单元和存储器可由专用逻辑电路或量子模拟器补充或并入其中。通常，数字或量子计算机还将包括或可操作地耦合以从一个或多个大容量存储设备接收数字或量子数据或传输数字或量子数据到大容量存储设备，所述大容量存储设备用于存储数字或量子数据的数字或量子数据，例如磁，磁光盘，光盘或适用于存储量子信息的量子系统。然而，数字或量子计算机不需要具有这样的设备。

[0110] 适用于存储数字或量子计算机程序指令和数字或量子数据的数字或量子计算机可读介质包括所有形式的非易失性数字或量子存储器，介质和存储器件，包括例如半导体存储器件，例如EPROM，EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；CD-ROM和DVD-ROM盘；和量子系统，例如捕获的原子或电子。可以理解，量子存储器是能够以高保真度和高效率长时间存储量子数据的装置，例如光-物质接口，其中，光用于传输，物质用于存储和保存量子数据的量子特征，例如叠加或量子相干性。

[0111] 本说明书中描述的各种系统的控制或其部分可以在数字或量子计算机程序产品中实现，该数字或量子计算机程序产品包括存储在一个或多个非瞬态机器可读存储介质上的指令，并且可在一个或多个数字或量子处理装置上执行。本说明书中描述的系统或其部分各自可以实现为包括一个或多个数字或量子处理设备和存储器的设备，方法或系统，以存储执行本说明书中描述的操作的可执行指令。

[0112] 虽然本说明书包含许多具体的实现细节，但是这些说明不应被解释为对可要求保护的范围的限制，而应被解释为对特定实施例特定的特征的描述。在单独实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然以上可以将特征描述为以某些组合的方式起作用，并且甚至最初要求保护，但来自要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中被去除，并且所要求保护的组合可以旨在子组合或子组合的变型。

[0113] 类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘操作，但是这不应被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行此类操作，或者执行所有所示的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统模块和组件的分离不应被理解为在所有实施例中需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以集成在单个软件产品中或包装成多个软件产品。

[0114] 已经描述了主题的具体实施例。其他实施例在所附权利要求的范围内。例如，权利要求中所述的动作可以以不同的顺序执行，并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中所示的过程不一定需要所示的特定顺序或顺序来实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。

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两量子比特逻辑门的处理方法及装置	2020-05-15	763
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共面波导通量量子比特设备

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背景技术

附图说明

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