[发明专利]通过超导体中的磁场进行的量子位调谐

说明书

量子位调谐装置的一个实施例包括被配置为产生磁场的第一层，该第一层包括一种在低温温度范围内展现超导性的材料。在一个实施例中，该量子位调谐装置包括量子处理器芯片的量子位，其中该第一层被配置为与该量子位磁性地相互作用，从而使得该第一层的第一磁通量通过第一频移值引起该量子位的第一谐振频率的第一变化。

技术领域

本发明总体上涉及用于调节量子处理器中的量子位(quantum bits)的谐振频率的设备、制造方法和制造系统。更具体地，本发明涉及一种用于通过超导体中的磁场进行量子位调谐的装置、方法和系统。

背景技术

在下文中，词语或短语中的“Q”前缀指示在量子计算上下文中该词语或短语的引用，除非在使用时明确区分。

分子和亚原子粒子遵循量子力学定律，量子力学是探索物理世界如何在基本水平上工作的物理学分支。在这个水平，颗粒以奇怪的方式表现，同时呈现多于一个状态，并且与非常远的其他颗粒相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们今天使用的计算机被称为经典计算机(在此也被称为“常规”计算机或常规节点，或“CN”)。在所谓的Von Neumann架构中，传统计算机使用利用半导体材料和技术制造的传统处理器、半导体存储器、以及磁性或固态存储装置。具体地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对在1和0中表示的二进制数据进行操作。

一个量子处理器(Q处理器)使用量子位器件(在此紧凑地称为“量子位”(qubit)、多个“量子位”)的奇数性质来执行计算任务。在量子力学运行的具体领域中，物质颗粒能以多种状态存在，如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态。在使用半导体处理器的经典计算限于仅使用接通和关断状态(在二进制代码中相当于1和0)的情况下，Q处理器利用这些物质的量子状态来输出在数据计算中可用的信号。

常规计算机以位编码信息。每个位可以取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，量子计算机是基于量子位的，根据量子物理学的两个关键原理：叠加和缠结，这些量子位不同于经典的计算机。重叠意味着每个量子位可以同时表示1和0两者。纠缠意味着叠加中的量子位能够以非经典的方式彼此相关；即，一个量子位(无论是一个1还是一个0或者两者)的状态可以取决于另一个量子位的状态，并且存在当两个量子位缠结时比当单独对它们进行处理时可以确认的关于这两个量子位的更多信息。

使用这两种原理，量子位作为更复杂的信息处理器运行，使量子计算机能够以允许它们解决难于使用常规计算机处理的问题的方式起作用。IBM已经成功地构建并且证明了使用超导量子位的Q处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其他国家的注册商标。)

一个超导量子位包括一个约瑟夫逊结(Josephson junction)。一个约瑟夫逊结是通过用一种非超导材料将两个薄膜超导金属层分离而形成的。当使超导层中的金属变得超导时-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穿过非超导层穿隧到另一超导层。在一个量子位中，该约瑟夫逊结(其作为一个分散的非线性电感器起作用)与形成一个非线性微波振荡器的一个或多个电容性器件并联地电气连接。该振荡器具有一个由该量子位中的电感值和电容值确定的共振/过渡频率。任何对术语“量子位”的引用都是对采用约瑟夫逊结的超导量子位振荡器电路的引用，除非在使用时明确区分。

在超导状态下，该材料首先对电流通过不提供电阻。当电阻下降到零时，电流可在材料内部循环而不耗散任何能量。其次，该材料表现出迈斯纳效应(Meissner effect)，即只要它们足够弱，外部磁场不会穿透超导体，而是保留在其表面。当这种材料不再展现这些特性中的一个或两个时，这种材料被称为不再是超导的。

超导材料的临界温度是材料开始表现出超导特性的温度。超导材料对电流的流动呈现出非常低的或零电阻率。一个临界场是对于一个给定温度的最高磁场，在该温度下一种材料保持超导。