[发明专利]具有沟槽式电容器结构的transmon量子位

说明书

一种量子位，包括基板和第一电容器结构，所述第一电容器结构具有形成在所述基板的表面上的下部和在所述基板的表面上方延伸的至少一个第一凸起部分。该量子位进一步包括第二电容器结构，该第二电容器结构具有形成在该基板的表面上的下部以及在该基板的表面上方延伸的至少一个第二凸起部分。第一电容器结构和第二电容器结构由超导材料形成。该量子位进一步包括在该第一电容器结构与该第二电容器结构之间的结。该结设置在距该基板的表面预定距离处，并且具有与该第一凸起部分接触的第一端和与该第二凸起部分接触的第二端。

技术领域

本发明一般涉及用于减少超导量子逻辑电路中的量子位的占用面积的超导器件、制造方法和制造系统。更具体地说，本发明涉及具有沟槽式电容器结构的transmon量子位(transmon qubits)的装置、方法和系统。

背景技术

在下文中，除非在使用时明确区分，否则短语的词中的“Q”或“Q”前缀指示在量子计算背景下引用该词或短语。

分子、原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最基本的水平上工作的物理分支。在这个级别，粒子的行为不直观，同时呈现多于一种状态(叠加)，并且粒子可以显示强相关性，这不能通过经典物理学(纠缠)来解释。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们现在使用的计算机被称为传统计算机(这里也称为“传统”计算机或传统节点，或“CN”)。传统的计算机使用传统的处理器，该处理器使用半导体材料和技术、半导体存储器和磁或固态存储设备来制造，这被称为冯诺依曼架构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。

量子处理器(q处理器)使用纠缠量子位器件(在本文中简称为“量子位”，多个“量子位”)的奇数性质来执行计算任务。在量子力学工作的特定领域，物质粒子可以以多种状态存在，例如“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二进制计算被限制在仅仅使用ON和OFF状态(等同于二进制码中的1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子状态来输出可用于数据计算的信号。

常规计算机以比特对信息进行编码。每一比特可以取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，量子计算机基于量子比特(qubit，量子位)，其根据量子物理学的两个关键原理进行操作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子位可以同时表示1和0。纠缠意味着量子位可以以非经典方式彼此相关；即，一个的状态(是1或0或两者)可以取决于另一个的状态，并且当两个量子位纠缠时比当它们被单独处理时有更多的信息可以被确定。

使用这两个原理，量子位作为更复杂的信息处理器来运行，使量子计算机能以理论上允许它们解决使用常规计算机难以处理的问题的方式来运行。IBM已经成功地构建并证明了量子处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其它国家的注册商标)。

超导量子位可以包括约瑟夫逊结。通过非超导材料分隔两个薄膜超导材料层形成约瑟夫逊非结。当超导层中的金属处于超导状态时，例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度，电子对(称为库珀对)可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一个超导层。在超导量子位中，约瑟夫逊结——具有小电感——与一个或多个形成非线性谐振器的电容电路元件并联电耦合。

这些类型的量子位中编码的信息是微波频率范围中的微波能量的形式。单个微波激励可以出现在量子位中，也可以不出现，对应于1或0。为了使量子计算可靠，量子电路，例如量子位本身、与量子位相关的读出电路、以及其它类型的超导量子逻辑电路，必须不改变量子位的能量状态激励。对以量子信息操作的任何电路的这种操作约束使得在制造用于这种电路的半导体结构时需要特别考虑。

发明内容