相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构
阅读：378发布：2020-05-12
专利汇可以提供相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种相邻比特耦合强度可调的超导 量子比特 结构，包括：第一 超导量子比特 线路，包含：电容C1、电感 和约瑟夫森结 电容C1和电感 串联 ，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C1和电感 的两端；第二超导量子比特线路，包含：电容C2、电感 和约瑟夫森结 电容C2和电感串联，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C2和电感 的两端；以及耦合环路，包含：形成环路的约瑟夫森结Lk、电感和电感 其中，约瑟夫森结Lk的一端连接在电容C1和电感之间，另一端连接在电容C2和电感 之间，电感 和电感相连的一端接地。该结构进一步提高双量子比特CZ 门 的保真度，从而提高 量子计算 的 精度 ，并具有高扩展性，促进超导量子计算的应用。，下面是相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构专利的具体信息内容。
1.一种相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构，包括：
第一超导量子比特线路，包含：电容C1、电感 和约瑟夫森结 电容C1和电感 串联，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C1和电感 的两端；
第二超导量子比特线路，包含：电容C2、电感 和约瑟夫森结 电容C2和电感 串联，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C2和电感 的两端；以及
耦合环路，包含：形成环路的约瑟夫森结Lk、电感 和电感 其中，约瑟夫森结Lk的一端连接在电容C1和电感 之间，另一端连接在电容C2和电感 之间，电感 和电感 相连的一端接地，使得相邻的第一超导量子比特和第二超导量子比特通过Lk形成电感耦合。
2.根据权利要求1所述的超导量子比特结构，其中，所述相邻的第一超导量子比特和第二超导量子比特之间的耦合强度为一函数，该函数与第一超导量子比特线路和第二超导量子比特线路中的电感值、电容值和约瑟夫森结的等效电感值、以及耦合环路中的约瑟夫森结的等效电感值相关。
3.根据权利要求1所述的超导量子比特结构，其中，通过调节所述耦合环路中的磁通量实现对约瑟夫森结Lk的调节，从而实现对相邻的第一超导量子比特和第二超导量子比特耦合强度的调节。
4.根据权利要求1所述的超导量子比特结构，其中，所述约瑟夫森结Lk、 的类型包括如下类型中的一种或几种：隧道结、点接触和各种微桥。
5.根据权利要求1所述的超导量子比特结构，其中，所述第一超导量子比特线路和第二超导量子比特线路均可进行两支以上的支路扩展，各个支路包含串联的电容、电感，约瑟夫森结并联在串联后的电容和电感的两端。
6.根据权利要求5所述的超导量子比特结构，其中，所述进行支路扩展之后的第一超导量子比特线路和第二超导量子比特线路，以及耦合环路共同作为两个相邻超导量子比特的基本单元，可向左或向右进行一维扩展，得到包含多个相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构的一维链。
7.根据权利要求1所述的超导量子比特结构，其中，所述第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路中所有线路的连接为超导连接。
8.根据权利要求7所述的超导量子比特结构，其中，所述第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路采用导线实现线路的连接，该导线的材料为超导材料。
9.根据权利要求8所述的超导量子比特结构，其中，所述超导材料为铝。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的超导量子比特结构，其中，所述第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路中所有线路制备在单层基板、两层基板、或多层基板上；
优选的，所述基板的材料为蓝宝石或者硅材料。
相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构
技术领域
背景技术
[0002] 由于晶体管芯片的尺寸越来越小、逐渐接近极限，传统经典计算机的运算性能也逐渐到达峰值。量子计算机作为一种潜在的替代现有经典计算机的方案，其原理及相关算法在上个世纪就已经被大量研究，在大质数因子分解、全局搜索等数学问题上，量子计算都具有原则性上的求解速度优势。科学家现在已经建立起不同的量子体系，并实现了一些简单的量子算法，其中超导量子计算是最有前景的量子计算体系。
[0003] 在量子计算系统中，最重要的就是实现高保真度的单量子比特门、双量子比特CZ门。在超导量子计算系统中，单量子比特门在现有的Xmon设计中已经可以达到99.5％以上的保真度，已经达到很多量子算法的要求。然而在现有的多量子比特体系中，固定耦合强度的相邻量子比特很难完全关断彼此间的耦合，因此这些多量子比特系统的CZ门保真度受到了一定的限制。
[0004] 更进一步的，现有的量子计算中涉及的多量子比特体系在应用过程中，提出了兼顾高保真度和高扩展性的要求。
[0005] 因此，有必要提出一种新的超导量子比特结构，易于调控相邻两个比特之间的耦合强度，使得相邻量子比特之间的耦合强度可以关断或增加，进一步提高双量子比特CZ门的保真度，从而提高量子计算的精度，并且该超导量子比特结构具有高扩展性，促进超导量子计算的应用。发明内容
[0006] (一)要解决的技术问题
[0007] 本公开提供了一种相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
[0008] (二)技术方案
[0009] 根据本公开的一个方面，提供了一种相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构，包括：第一超导量子比特线路，包含：电容C1、电感 和约瑟夫森结 电容C1和电感串联，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C1和电感 的两端；第二超导量子比特线路，包含：电容C2、电感 和约瑟夫森结 电容C2和电感 串联，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C2和电感 的两端；以及耦合环路，包含：形成环路的约瑟夫森结Lk、电感 和电感其中，约瑟夫森结Lk的一端连接在电容C1和电感 之间，另一端连接在电容C2和电感之间，电感 和电感 相连的一端接地，使得相邻的第一超导量子比特和第二超导量子比特通过Lk形成电感耦合。
[0010] 在本公开的一些实施例中，相邻的第一超导量子比特和第二超导量子比特之间的耦合强度为一函数，该函数与第一超导量子比特线路和第二超导量子比特线路中的电感值、电容值和约瑟夫森结的等效电感值、以及耦合环路中的约瑟夫森结的等效电感值相关。
[0011] 在本公开的一些实施例中，通过调节耦合环路中的磁通量实现对约瑟夫森结Lk的调节，从而实现对相邻的第一超导量子比特和第二超导量子比特耦合强度的调节。
[0012] 在本公开的一些实施例中，约瑟夫森结Lk、 的类型包括如下类型中的一种或几种：隧道结、点接触和各种微桥。
[0013] 在本公开的一些实施例中，第一超导量子比特线路和第二超导量子比特线路均可进行两支以上的支路扩展，各个支路包含串联的电容、电感，约瑟夫森结并联在串联后的电容和电感的两端。
[0014] 在本公开的一些实施例中，进行支路扩展之后的第一超导量子比特线路和第二超导量子比特线路，以及耦合环路共同作为两个相邻超导量子比特的基本单元，可向左或向右进行一维扩展，得到包含多个相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构的一维链。
[0015] 在本公开的一些实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路中所有线路的连接为超导连接。
[0016] 在本公开的一些实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路采用导线实现线路的连接，该导线的材料为超导材料。
[0019] (三)有益效果
[0020] 从上述技术方案可以看出，本公开提供的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构，具有以下有益效果：
[0021] 将耦合环路的约瑟夫森结Lk的两端分别接在了两个超导量子比特线路的电容C1、C2与对应的电感 和 之间，两个超导量子比特通过Lk形成电感耦合，通过调节Lk与第一超导量子比特耦合线路的尾部电感、第二超导量子比特耦合线路的尾部电感和地形成的耦合环路的磁通量，实现对Lk的等效电感的调节，从而调节两个超导量子比特之间的耦合强度，且能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，进一步提高双量子比特CZ门的保真度，从而提高量子计算的精度，并且该超导量子比特结构具有高扩展性，促进超导量子计算的应用。附图说明
[0022] 图1为根据本公开一实施例所示的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构示意图。
[0023] 图2为根据本公开一实施例所示的将图1所示的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构扩展为一维链的结构示意图。
[0024] 【符号说明】
[0025] 1-第一超导量子比特线路； 2-第二超导量子比特线路；
[0026] 3-耦合环路；
[0027] Lk-耦合环路的约瑟夫森结；
[0028] C1-第一超导量子比特线路的电容；
[0029] -第一超导量子比特线路的约瑟夫森结；
[0030] -第一超导量子比特耦合线路的尾部电感；
[0031] C2-第二超导量子比特线路的电容；
[0032] -第二超导量子比特线路的约瑟夫森结；
[0033] -第二超导量子比特耦合线路的尾部电感；
[0034] C11-第一超导量子比特第一支路的约瑟夫森结；
[0035] -第一超导量子比特第一支路耦合线路的尾部电感；
[0036] C12-第一超导量子比特第二支路的约瑟夫森结；
[0037] -第一超导量子比特第二支路耦合线路的尾部电感；
[0038] C21-第二超导量子比特第一支路的约瑟夫森结；
[0039] -第二超导量子比特第一支路耦合线路的尾部电感；
[0040] C22-第二超导量子比特第二支路的约瑟夫森结；
[0041] -第二超导量子比特第二支路耦合线路的尾部电感。
具体实施方式
[0042] 本公开提供了一种相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构，将耦合环路的约瑟夫森结Lk的两端分别接在了两个超导量子比特线路的电容C1、C2与对应的电感 和 之间，两个超导量子比特通过Lk形成电感耦合，通过调节耦合环路的磁通量，实现对Lk的等效电感的调节，从而调节两个超导量子比特之间的耦合强度，且能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，进一步提高双量子比特CZ门的保真度，从而提高量子计算的精度，并且该超导量子比特结构具有高扩展性，促进超导量子计算的应用。
[0043] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0044] 在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构。
[0045] 图1为根据本公开一实施例所示的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构示意图。
[0046] 本实施例中，电感 同时处于第一超导量子比特线路1中和耦合环路3中，本实施例按照功能性将其描述为：第一超导量子比特耦合线路的尾部电感 下面均简称电感类似的， 同时处于第二超导量子比特线路2中和耦合环路3中，本实施例按照功能性将其描述为：第二超导量子比特耦合线路的尾部电感 下面均简称电感
[0047] 参照图1所示，本公开的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构，包括：第一超导量子比特线路1，包含：电容C1、电感 和约瑟夫森结 电容C1和电感 串联，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C1和电感 的两端；第二超导量子比特线路2，包含：电容C2、电感 和约瑟夫森结 电容C2和电感 串联，约瑟夫森结 并联在串联后的电容C2和电感 的两端；以及耦合环路3，用于实现第一超导量子比特与第二超导量子比特之间的耦合，包含：形成环路的约瑟夫森结Lk、电感 和电感 其中，约瑟夫森结Lk的一端连接在电容C1和电感 之间，另一端连接在电容C2和电感 之间，电感 和电感 相连的一端接地，使得第一超导量子比特和第二超导量子比特通过Lk形成电感耦合。
[0048] 参照图1所示，本实施例的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构通过将耦合环路3的约瑟夫森结Lk的两端接在了两个超导量子比特线路的电容C1、C2处，两个超导量子比特通过Lk形成电感耦合。
[0049] 在邻近比特存在耦合时，两个相邻比特之间总会进行一个CZ门操作，这个CZ门的快慢主要取决于耦合强度。
[0050] 本实施例的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构中，两个相邻超导量子比特之间的耦合强度为一函数，该函数与两个超导量子比特线路中的电感值、电容值和约瑟夫森结的等效电感值、以及耦合环路中的约瑟夫森结的等效电感值相关，在给定两个超导量子比特线路中的电感值、电容值和约瑟夫森结的等效电感值的参数情况下，通过调节耦合环路中磁通量，实现对耦合环路中的约瑟夫森结的等效电感值的调节，从而实现对耦合强度的调节。
[0051] 本实施例中，为了简便计算，使两个超导量子比特线路中的电感、约瑟夫森结和电容的值相等，则第一超导量子比特和第二超导量子比特之间的耦合强度满足如下表达式：
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 其中，Lg为第一超导量子比特和第二超导量子比特的电感值；LJ为第一超导量子比特和第二超导量子比特的约瑟夫森结的等效电感值；C为第一超导量子比特和第二超导量子比特的电容值；g为耦合强度；ω1为单比特01能级角频率；Lk为耦合环路的约瑟夫森结的等效电感值。
[0056] 由公式(2)可知，对于本实施例的超导量子比特结构来说，通过调节耦合环路中的磁通量实现对Lk的调节，从而实现对相邻比特耦合强度的调节。
[0057] 另外，由公式(2)可知，Lk越大，则两个相邻超导量子比特的耦合强度g越小，一般来说，当Lk在50nH以上时，g几乎为零，能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，在不需要进行CZ门操作时，通过关断耦合，避免了不必要的CZ门操作，减少了CZ门的误差，在需要进行CZ门操作时再打开耦合，提高双量子比特CZ门的保真度。
[0058] 本实施例中，约瑟夫森结Lk、 有很多类型，包括隧道结、点接触和各种微桥等。
[0059] 本实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路中所有线路的连接为超导连接。
[0060] 本实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路采用导线实现线路的连接，该导线的材料为超导材料。
[0061] 在本公开的一些实施例中，超导材料为铝。
[0062] 在本公开的一些实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路中所有线路制备在单层基板、两层基板、或多层基板上；优选的，基板的材料为蓝宝石或者硅材料。
[0063] 本公开的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构还具有可扩展的特性，比如可将其扩展为一维链。
[0064] 在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构扩展为一维链的基本结构单元。
[0065] 图2为根据本公开一实施例所示的将图1所示的相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构扩展为一维链的结构示意图。
[0066] 本实施例中，电感 (也可以是 )同时处于第一超导量子比特线路1和耦合环路3中， 表示第一超导量子比特第一支路耦合线路的尾部电感，对应电感 只处于第一超导量子比特线路中的情况， 表示第一超导量子比特第一支路的电感，下面均简称电感对应 同时处于第一超导量子比特线路1和耦合环路3中的情况， 表示第一超导量子比特第二支路耦合线路的尾部电感，对应 只处于第一超导量子比特线路1中的情况，表示第一超导量子比特第二支路的电感，下面均简称电感 类似的，电感 (也可以是 )同时处于第二超导量子比特线路2和耦合环路3中， 表示第二超导量子比特第一支路耦合线路的尾部电感，对应电感 只处于第二超导量子比特线路中的情况， 表示第二超导量子比特第一支路的电感，下面均简称电感 对应 同时处于第二超导量子比特线路2和耦合环路3中的情况， 表示第二超导量子比特第二支路耦合线路的尾部电感，对应 只处于第二超导量子比特线路2中的情况， 表示第二超导量子比特第二支路的电感，下面均简称电感
[0067] 参照图2所示，本实施例中，将相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构扩展为一维链的方式如下：将如图1所示的第一超导量子比特线路分为两个支路，这两个支路共用一个约瑟夫森结 每个支路中包含一电容C11、C12和一电感 第二超导量子比特线路与第一超导量子线路类似，也分为两个支路，这两个支路共用一个约瑟夫森结每个支路中包含一电容C21、C22和一电感 耦合环路中的约瑟夫森结Lk的两端分别连接在电容C11(也可以是C12)和电感 (对应C12，也可以是 )之间，另一端连接在电容C21(也可以是C22)和电感 (对应C22，也可以是 )之间，耦合环路中第一超导量子比特线路的电感 或 与第二超导量子比特线路的电感 或 相连的一端接地，使得第一超导量子比特和第二超导量子比特通过Lk形成电感耦合。
[0068] 上述方式得到包含两个支路的超导量子比特线路之间进行耦合的超导量子比特结构，以图2所示的结构作为扩展的基本单元，按照上述方式继续向左或向右进行扩展，可以得到包含多个相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构的一维链。
[0069] 类似的，本领域技术人员可以根据实际需要进行支路个数的设置，比如增加支路个数为3个或更多，并且每个超导量子比特线路中的各个支路的各部分元件的参数设置可根据实际计算需要进行设置，通过调节相邻两个超导量子比特耦合环路中的磁通量，实现对耦合环路中约瑟夫森结的等效电感值的调节，从而实现对耦合强度的调节。
[0070] 本实施例中，约瑟夫森结Lk、 有很多类型，包括隧道结、点接触和各种微桥等。
[0071] 本实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路中所有线路的连接为超导连接。
[0072] 本实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路采用导线实现线路的连接，该导线的材料为超导材料。
[0073] 在本公开的一些实施例中，超导材料为铝。
[0074] 在本公开的一些实施例中，第一超导量子比特线路、第二超导量子比特线路和耦合环路中所有线路制备在单层基板、两层基板、或多层基板上；优选的，基板的材料为蓝宝石或者硅材料。
[0075] 综上所述，本公开提供了一种相邻比特耦合强度可调的超导量子比特结构，将耦合环路的约瑟夫森结Lk的两端分别接在了两个超导量子比特线路的电容C1、C2与对应的电感 和 之间，两个超导量子比特通过Lk形成电感耦合，通过调节Lk与第一超导量子比特耦合线路的尾部电感、第二超导量子比特耦合线路的尾部电感和地形成的耦合环路的磁通量，实现对Lk的等效电感的调节，从而调节两个超导量子比特之间的耦合强度，且能够实现相邻量子比特之间的耦合强度的关断，进一步提高双量子比特CZ门的保真度，从而提高量子计算的精度，并且该超导量子比特结构具有高扩展性，促进超导量子计算的应用。
[0077] 说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
[0078] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
[0079] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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