CN118607653A - 一种超导量子比特耦合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导量子比特耦合结构，设置于比特之间，至少包括一个电容；可调谐振腔，设置于所述电容一与所述比特之间；其中，所述电容以及所述可调谐振腔均存在长度，所述电容与所述比特之间的空间用于作为所述比特的布线空间。本发明通过谐振腔与SQUID并联，形成频率可调谐振腔。通过调节外界磁通可以调节腔频，从而实现对比特间耦合强度的调节甚至关断，可抑制比特间串扰，提高比特相干时间和保真度，同时由于电容一与电容二的存在，使比特之间的距离增大，比特的控制线可从如图1中的布线空间的上方经过，而绕开比特上方区域，避免对于比特的干扰，同时为比特数量扩展提供了可能性。
Description
技术领域
本发明涉及量子的技术领域，尤其涉及一种超导量子比特耦合结构。
背景技术
超导量子比特之间的耦合结构不仅需要具备对比特间耦合强度进行调节的能力，而且还需要为布线提供足够的空间，以确保耦合结构的稳定性和可控性。而其中，可调耦合器作为重要的组成元件之一，其功能不仅仅限于调节比特间的耦合强度，也可通过调节其内部参数，如电容或电感值，实现对量子比特之间耦合强度的精准控制，为执行量子门操作和创建量子纠缠提供了必要的灵活性。在量子算法的执行过程中，特定步骤的成功实现往往依赖于可调耦合器的有效调节。举例而言，Grover搜索算法和Shor分解算法等复杂的量子算法涉及多个量子比特之间的相互作用，而这些相互作用的强度需要根据具体任务的需求进行调整。
为了确保可调耦合器对比特的影响最小化，必须注意保持耦合器的频率远离比特频率。这样一来，就能够有效减小耦合器对比特状态的影响，保持比特的相干性和保真度。然而，在远离比特频率的前提下，仍需保持一定的耦合强度，以确保耦合器在量子门操作和纠缠生成中的有效性。
当前的可调耦合器至少存在以下缺点：尺寸扩展受限，随着量子比特数量的增加，需要更大的布线空间来连接这些比特，然而当前可调耦合器的尺寸扩展面临困难；
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种超导量子比特耦合结构。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种超导量子比特耦合结构，设置于比特之间，至少包括一个电容；
可调谐振腔，设置于所述电容一与所述比特之间；
其中，所述电容以及所述可调谐振腔均存在长度，所述电容与所述比特之间的空间用于作为所述比特的布线空间。
作为上述技术方案的进一步描述，所述可调谐振腔由谐振腔与超导量子干涉仪并联组成，所述超导量子干涉仪由两个约瑟夫森结并联组成。
作为上述技术方案的进一步描述，所述可调谐振腔的频率ωr(φ)：
其中，rL＝Elr/EJs是裸腔和SQUID的电感能之比，Φe为外加磁通，Φ0是磁通量子，d＝(EJs1-EJs2)/(EJs1+EJs2)为SQUID中两个结的不对称性，φs＝φ1+φ2为腔在SQUID处的超导相位，φ0通过tan(φ0)＝dtan(πΦe/Φ0)求解。
作为上述技术方案的进一步描述，所述电容包括电容一与电容二；
所述比特，所述电容一，所述电容二以及所述可调谐振腔处于芯片层一中，所述比特的XY驱动线以及磁通偏置处于芯片层二中；
所述芯片层一与所述芯片层二倒装焊接为一体。
作为上述技术方案的进一步描述，所述电容一与所述电容二的长度为300-500μm，所述可调谐振腔的长度为550-700μm。
作为上述技术方案的进一步描述，所述比特为接地型或浮地型。
作为上述技术方案的进一步描述，所述谐振腔为λ/4谐振腔或λ/2谐振腔，其中所述λ/2谐振腔的两端均与地断开，所述λ/4谐振腔的一端通过超导量子干涉仪接地。
作为上述技术方案的进一步描述，所述谐振腔由两端的直线单元以及中间的弯曲单元组成。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明由于电容一与电容二的存在，使比特之间的距离增大，比特的控制线可从如图1中的布线空间的上方经过，而绕开比特上方区域，避免对于比特的干扰，同时为比特数量扩展提供了可能性。
2、本发明通过谐振腔与超导量子干涉仪(SQUID)并联，形成频率可调谐振腔。通过调节外界磁通可以调节腔频，从而实现对比特间耦合强度的调节甚至关断，可抑制比特间串扰，提高比特相干时间和保真度。
3、本发明中的可调谐振腔形状调节灵活，可以充分利用比特之间的空间，在调节形状时只需关注腔长度就能保证频率与设计值相符，更加简单方便，便于成型。
附图说明
图1为本发明提出的超导量子比特耦合结构的示意图；
图2为本发明提出的浮地型的比特示意图；
图3为本发明提出的接地型的比特示意图；
图4为本发明提出的另一实施例中超导量子比特耦合结构的示意图；
图5为本发明提出的另一实施例中超导量子比特耦合结构的示意图。
图例说明：
1、比特；2、电容一；3、电容二；4、可调谐振腔；5、谐振腔；6、约瑟夫森结。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例解决了现有的可调耦合器的由于量子比特数量的增大，需要更大的布线空间来连接比特，但尺寸扩展受限的问题，具体而言，本申请实施例通过在两个比特之间增设电容一与电容二，并在两个电容之间设置可调谐振腔，由于设置电容以及可调谐振腔，使两个比特之间的距离增大，使比特的控制线绕开比特上方区域，为比特数量扩展提供了布线空间，可便于进行尺寸扩展。
参照图1-3，本发明提供的一种实施例：一种超导量子比特1耦合结构，其设置在两个比特1之间，具体而言，在两个比特1之间设置电容一2与电容二3，优选地，电容一2与比特1一通过电容耦合，电容二3与比特1二之间同样通过电容耦合。在电容一2与电容二3之间设置可调谐振腔4。电容一2、电容二3以及可调谐振腔4均具有一定的长度，优选地，电容一2以及电容二3的长度为300-500μm，如400μm，可调谐振腔4的长度为550-700μm，如600μm。更进一步地，比特1可为接地型比特1或者浮地型比特1，可参考图2-图3。
因此相较于现有的比特1与别特之间直接通过电容耦合，其之间的距离为10μm量级，而通过加入如上述的可调耦合结构，比特1与比特1之间的距离可达到1mm以上，具体可参考图1，再加入可调耦合结构之后，比特1的控制线具有足够的布线空间，并且控制线也可远离比特1。而当芯片中的比特1数量达到百量级时，可采用倒装焊工艺，优选地，图1中的比特1、电容一2、电容二3以及可调谐振腔4位于同一芯片层即芯片层一中，而比特1的XY驱动线以及磁通片偏置线处于另一芯片层即芯片层二中，而后将芯片层一与芯片层二倒装到焊接在一起。在实际焊接时，若比特1的上方有控制线经过，则会给比特1带来额外的电磁噪音，尤其是磁通偏置线。而在本申请中，由于电容一2与电容二3的存在，使比特1之间的距离增大，比特1的控制线可从如图1中的布线空间的上方经过，而绕开比特1上方区域，避免对于比特1的干扰，同时为比特1数量扩展提供了可能性。
需要说明的是，上述比特1、电容和谐振腔5的耦合强度要足够大，如达到100MHz及以上，具体可通过增加彼此的接触面积以及减小彼此的距离实现。
对于可调谐振腔4，其由谐振腔5和超导量子干涉仪(SQUID)并联组成，而SQUID由两个约瑟夫森结6并联而成，通过调节SQUID中的磁通，可以调节可调谐振腔4的频率。对于不加SQUID的λ/2谐振腔5，其主频率为：c为真空光速，∈eff为相对介电常数，1为谐振腔5长度。谐振腔5频率对腔的形状不敏感，与长度有关，因此如果想保持频率一定，可以通过调整腔的弯折形状来实现，比如腔半圆处的半径，具体腔的形状根据版图的具体布局进行调整，因此在改变形状时可以保证频率几乎不发生改变。当谐振腔5加上SQUID后，腔频通过外界磁通可调：
其中，rL＝E1r/EJs是裸腔和SQUID的电感能之比，Φe为外加磁通，Φ0是磁通量子，d＝(EJs1-EJs2)/(EJs1+EJs2)为SQUID中两个结的不对称性，φs＝φ1+φ2为腔在SQUID处的超导相位，φ0通过tan(φ0)＝dtan(πΦe/Φ0)求解。
进一步地，对于谐振腔5的具体形状，其包括直线单元以及弯曲单元组成，优选地谐振腔5为超导材料制成的空腔或传输线谐振器。更进一步地，谐振腔5为λ/4谐振腔5或λ/2谐振腔，其中所述λ/2谐振腔的两端均与地断开，所述λ/4谐振腔5的一端通过超导量子干涉仪接地，可根据实际需求选择。
综上，对于本申请提出的可调谐振腔4，其频率随形状变化不明显，且形状容易调节，并且可通过调节外部磁通以调节频率，使得相较于现有技术频率调节更加灵活且更加的精准。
参考图4-图5，在一些较优的实施方式中，与上一实施例不同的是，可调谐振腔4设置在比特1以及电容之间，如图4显示的可调谐振腔4设置在比特1与电容二3之间，而又如图5显示的可调谐振腔4设置于比特1与电容一2之间，通过本实施例的两种实现方式，也可在一定程度上使比特1之间的距离增大，比特1的控制线可从布线区域的上方绕过，以减少控制线对比特1的干扰。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超导量子比特耦合结构，设置于比特之间，其特征在于：至少包括一个电容；
可调谐振腔，设置于所述电容一与所述比特之间；
其中，所述电容以及所述可调谐振腔均存在长度，所述电容与所述比特之间的空间用于作为所述比特的布线空间。
2.根据权利要求1所述的一种超导量子比特耦合结构，其特征在于：所述可调谐振腔由谐振腔与超导量子干涉仪并联组成，所述超导量子干涉仪由两个约瑟夫森结并联组成。
3.根据权利要求1所述的一种超导量子比特耦合结构，其特征在于：所述可调谐振腔的频率ωr(φ)：
其中，rL＝Elr/EJs是裸腔和SQUID的电感能之比，Φe为外加磁通，Φ0是磁通量子，d＝(EJs1-EJs2)/(EJs1+EJs2)为SQUID中两个结的不对称性，φs＝φ1+φ2为腔在SQUID处的超导相位，φ0通过tan(φ0)＝dtan(πΦe/Φ0)求解。
4.根据权利要求1所述的一种超导量子比特耦合结构，其特征在于：所述电容包括电容一与电容二；
所述比特，所述电容一，所述电容二以及所述可调谐振腔处于芯片层一中，所述比特的XY驱动线以及磁通偏置处于芯片层二中；
所述芯片层一与所述芯片层二倒装焊接为一体。
5.根据权利要求4所述的一种超导量子比特耦合结构，其特征在于：所述电容一与所述电容二的长度为300-500μm，所述可调谐振腔的长度为550-700μm。
6.根据权利要求1所述的一种超导量子比特耦合结构，其特征在于：所述比特为接地型或浮地型。
7.根据权利要求2所述的一种超导量子比特耦合结构，其特征在于：所述谐振腔为λ/4谐振腔或λ/2谐振腔，其中所述λ/2谐振腔的两端均与地断开，所述λ/4谐振腔的一端通过超导量子干涉仪接地。
8.根据权利要求1所述的一种超导量子比特耦合结构，其特征在于：所述谐振腔由两端的直线单元以及中间的弯曲单元组成。
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