[发明专利]量子信息处理系统

说明书

用于量子信息处理系统的构件块(1)包括具有在两个超导电极(3、4)之间连接的约瑟夫森结(5)的超导量子位(2)。两个超导电极(3、4)是同轴且共面的。构件块(1)还包括耦合到超导量子位(2)并且被布置成控制超导量子位(2)的状态的控制线(6)，和/或耦合到超导量子位(2)并且被布置成测量超导量子位(2)的状态的读出元件(8)。控制线(6)和/或读出元件(8)相对于两个超导电极(3、4)被布置在平面外。

技术领域

本发明涉及量子信息处理系统和用于此类系统的构件块，特别地涉及用于量子信息处理系统的超导构件块。

背景技术

在量子计算机的超导电路实施方式中，量子计算的基本单元(量子位(量子比特))可以以多种不同的方式物理地实施。通常，一个或多个约瑟夫森结与电容器和/或电感器组合以形成高质量非谐电路，其中的最低量化能级用作量子位。例如，称为电荷量子位或传输子的通常实施的和成功的设计，在于它的与电容器并联的单个约瑟夫森结的最简单形式。量子位的两个电极可以以多种方式布置；示例包括将电极共线地布置成近似于偶极天线的几何结构，或使用叉指电容器，或其中一个电极为十字形，并且另一个电极实现为共同接地平面。控制和测量电路系统通常使用与量子位集成在芯片上的平面电路系统，和/或使用其中嵌入量子位芯片的3D电磁波导管和腔实施。

量子信息处理系统的设计中的重要考虑是，使量子位的相干时间(必须保留以执行量子计算的量子位的脆弱量子状态的寿命)最大化。这需要对量子位的电磁环境进行高度的控制，需要将该量子位的电磁环境设计成使得量子位难于将其量子信息泄漏到该量子位的电磁环境中。实现此环境控制的通常实施的方法是将量子位嵌入到芯片上或3D中的高质量电磁谐振器内或将它们强耦合到该高质量电磁谐振器，该高质量电磁谐振器具有不同于量子位频率的谐振频率，从而防止由于环境无法接受量子位频率下的能量而造成的此能量泄漏。因为当量子位改变其量子状态时，谐振器经历可测量的频移，所以称为电路量子电动力学的此方法还提供方便的测量量子位的量子状态的方法。

超导量子位的宏观尺寸使其易于将控制信号耦合到量子位，使快速操作能够相对容易地执行。然而，量子位的超导电极的线性布置通常意指其强耦合到环境，特别是在经常存在于环境中的量子位的尺寸比例上为均匀的电磁场。这样的结果是，减少量子位的量子叠加状态的相干时间，该相干时间期望尽可能长以便能够使用量子位执行量子计算。这是由于量子位在耦合到电磁场时易于辐射能量。

为了执行任何有用的量子计算，必须实施由大量的量子位组成的架构，该架构具有量子位之间的耦合以及启用量子位中的全部(或关键子集)的控制和读出的布线。然而，如果此类架构(例如在制造的芯片或电路板的表面上)使用平面内耦合以及控制和读出布线实施，则尺寸变得越来越难以在空间上容纳必要的布线。这是由于以下基本事实：N个量子位的二维阵列的边缘按照N的平方根扩展，使得例如对于M个量子位×M个量子位的正方排列(总计N＝M²个量子位)，需要将M²阶的控制和读出线穿过边缘(在4M边缘量子位之间)。这可阻碍实施具有2D量子位阵列的实际有用的规模的量子计算机。

发明内容

本发明旨在提供用于量子计算系统的改进的和可扩展的架构。

当从第一方面来看时，本发明提供用于量子信息处理系统的构件块，包括：

超导量子位，该超导量子位包括在两个超导电极之间连接的约瑟夫森结，其中两个超导电极是同轴且共面的；

控制线，该控制线耦合到超导量子位并且被布置成控制超导量子位的状态；以及/或

读出元件，该读出元件耦合到超导量子位并且被布置成测量超导量子位的状态；

其中将控制线和/或读出元件相对于两个超导电极布置在平面外。

当从第二方面来看时，本发明提供量子信息处理系统，包括如本发明的第一方面所述的多个构件块；