[发明专利]量子位设备和量子位系统

说明书

一种传输子量子位，其包括：平行板电容器，所述平行板电容器包括第一板(202)和第二板(203)，其中所述第一板与所述第二板的至少一部分相对地安置，其中所述第一板与所述第二板通过非线性电感元件(304)连接；以及电容(205)，所述电容形成于所述第一板与所述第二板之间，其中所述第一板和所述第二板被配置成形成真空间隙电容器。

技术领域

本发明涉及一种量子位(qubit)设备和量子位系统，且更具体地说，一种传输子(transmon)量子位和一种传输子量子位(qubit)系统。

背景技术

经典计算机使用0和1(开/关)的二进位来执行计算任务。另一方面，量子计算机使用量子机械的定理，其中使用量子机械叠加原理，量子位可同时为0和1。此类量子处理器允许执行超出最好的可想象到的经典计算机的能力的计算。主要的工程设计障碍为以下事实：在量子状态中存储的量子信息非常易受不想要的和不受控制的环境影响的影响，被称为退相干。对这些处理器执行量子计算和量子模拟需要许多经典控制线路来操纵、耦合(纠缠)、传送和读出以量子位存储的量子信息。组合这两者，从而防止退相干，同时保持足够控制，是有挑战性的。冷却至毫开(miliKelvin)温度的超导量子电路展示在相干性与对控制线路的可接取性之间的极其好的平衡，使用洁净室制造技术，其与工程设计电路的多功能性组合使其成为用于可调式量子计算和模拟的快速发展领域。

对于限于0和1的量子位(qubit)(计算子空间)，量子位需要为在单个激发量子处的非谐振子，像天然原子一样。用于使用超导电路的量子计算机的建造块的一个候选者是传输子量子位。传输子量子位是被设计成具有对电荷噪声减小的敏感性的一类超导电荷量子位。传输子量子位通过显著增大约瑟夫森能量(Josephson energy)对充电能量的比率来达成其对电荷噪声减小的敏感性。这是通过使用大的分路电容器来实现。所述结果是大致独立于偏移电荷的能级间距。减小的电荷敏感性的代价是减小的非谐性，但对于适当的充电能量，其仍然足够用于传输子表现为量子位，使得其激发可个别地由经典微波控制脉冲来解决。

图1示意性地展示根据先前技术的传输子量子位系统。图1a展示根据先前技术的传输子量子位系统的电路，其可与有差异的单个库珀对盒(CPB)的电路相同，所述CPB由通过两个约瑟夫森接头耦合的两个超导岛组成。到地面的耦合可为纯电容性的。两个约瑟夫森接头的使用允许通过穿透由两个约瑟夫森接头形成的超导回路的外部磁通量调谐有效约瑟夫森能量。约瑟夫森接头提供非耗散性、非线性电感元件，其甚至在单个量子激发下仍保持非线性，使得量子位总体表现类似于天然原子。因此，传输子量子位也被称作人工原子。

图1b和1c展示根据先前技术的传输子量子位系统的光学和SEM图像。传输子量子位装置定位于共平面波导(CPW)内部。当接头和超导回路的大小可非常类似于CPB装置时，归因于岛和交叉指结构(超导岛1和2)的大的大小，岛间电容C_s可急剧增大。需要大C_s来达成对电荷噪声的减小的敏感性。这电容可通过比较大的电容C_g和C'_g与接地面和传输线谐振器的中心接脚匹配，以便保持充分耦合到微波谐振器，以便通过将微波载频调和脉冲施加到微波谐振器来操纵和读出量子位的状态。量子位的频率通过约瑟夫森能量和电荷能量设定，电荷能量是通过量子位的总电容(包含其在周围电路和电路元件内的电容性嵌入)来设定。充电能量确定量子位的非谐性。这非谐性允许具体地解决量子位的不同激发能级，这在量子计算应用中是重要的，以保持处于意义明确的计算基础(0和1，或更大)中。

以下论文：10.1007/s11128-009-0100-6，提供关于“量子位和传输子量子位”的另外背景。

根据先前技术的这个传输子量子位系统的缺点为交叉指结构(超导岛1和2)的大的大小，因为量子计算机需要多个量子位，且交叉指结构(超导岛1和2)大，约290μm。此外，需要增加传输子量子位的相干时间。