[发明专利]用光学频率光子读出微波频率量子位的量子态的方法和系统

说明书

技术涉及读取耦合到微波谐振器的量子位。微波谐振器频率的微波信号输入到耦合到量子位的微波谐振器。来自微波谐振器的微波读出信号输出到微波到光学转换器。微波读出信号包括量子位的量子位状态。微波到光学转换器被配置为将微波读出信号转换为光学信号。响应于光信号由微波输出到光转换器，确定量子位处于预定义的量子位状态。响应于没有光信号由微波输出到光转换器，确定量子位不在预定义的量子位状态。

技术领域

本发明涉及光电装置，更具体地，涉及用光学频率光子读出微波频率量子位(qubit)的量子态。

背景技术

在称为电路量子电动力学的一种方法中，量子计算采用称为量子位的非线性超导装置以操纵和存储微波频率的量子信息，以及谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)以读出并促进量子位之间的相互作用。作为一个示例，每个超导量子位可以包括一个或多个约瑟夫森结，所述约瑟夫森结由与所述结并联的电容器分流。量子位电容耦合到2D或3D微波腔。与量子位相关联的电磁能存储在约瑟夫森结中以及形成量子位的电容和电感元件中。

在一个示例中，为了读出量子位状态，将微波信号施加到微波读出(readout)腔，该微波读出腔以对应于量子位状态A的腔频率耦合到量子位。透射(或反射)的微波信号经过多个隔热阶段和需要阻止或降低噪声并提高信噪比的低噪声放大器。在室温下测量微波信号。高微波信号表明量子位处于状态A。微波读出提供用于控制的稳定的信号幅度，可使用覆盖大部分微波频率范围的商用现货(COTS)硬件。但是，微波读出信号必须与热噪声隔离，并在增加最小噪声的情况下被放大。

诸如超导量子位的量子系统对电磁噪声非常敏感，特别是在微波和红外域中。为了保护这些来自微波和红外噪声的量子系统，应用了几层滤波，衰减和隔离。特别感兴趣的是在输入和输出(I/O)线(也称为传输线)上采用的保护层，其连接到量子系统，并且分别将输入和输出信号传送到量子系统和从量子系统传送输入和输出信号。在超导量子位的情况下，这些I/O线(传输线)通常是微波同轴线或波导。为了阻挡或衰减传播或泄漏到这些传输线中的噪声使用的一些技术或组件是衰减器，循环器，隔离器，低通微波滤波器，带通微波滤波器和基于有损吸收材料的红外滤波器。然而，这些噪声隔离组件和微波信号放大技术需要大量额外的微波硬件和成本。

因此，在现有技术中需要解决上述问题。

发明内容

从第一方面看，本发明提供一种读取分别耦合到N个微波谐振器的N个量子位的方法，该方法包括：将处于N个微波谐振器频率的N个微波输入读出信号输入到分别耦合N个量子位的N个微波谐振器，其中N是整数，其中N个微波谐振器频率的一个各自对应于N个微波谐振器的一个；将N个微波输出读出信号从N个微波谐振器输出到N个微波到光学转换器，N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态，其中N个微波到光学转换器配置成将N个微波输出读出信号转换到N个光学信号，其中N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个；响应于由N个微波到光学转换器输出N个光学信号的任何一个，确定N个量子位的相应一些是在预定义的量子位状态；和响应于N个微波到光学转换器没有任何一个输出光学信号，确定N个量子位的相应一些不在预定义的量子位状态。

优选地，本发明提供一种方法，其中N＝1。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于读取N个量子位的系统，该系统包括：耦合到N个量子位的N个微波谐振器，N个微波谐振器被配置为在N个微波谐振器频率接收N个微波输入读出信号并输出N个微波输出读出信号，其中N是整数；和N个微波到光学转换器，被配置为从N个微波谐振器接收N个微波输出读出信号，N个微波输出读出信号各自包括N个量子位的量子位状态，其中N个微波到光学转换器被配置为将N个微波输出读出信号转换为N个光学信号，其中N个微波输出读出信号的一个各自对应于N个量子位的一个，其中N个量子位的一些被分别定义为当N个光学信号的相应一些由N个微波到光学转换器的相应一些输出时是在预定义的量子位状态，其中N个量子位的相应一些被定义为当N个微波到光学转换器的相应一些没有输出N个光学信号的相应一些时，不在预定义的量子位状态。