超导量子比特、耦合调控方法及超导量子芯片与流程

本技术涉及超导量子计算，特别是涉及超导量子比特、耦合调控方法及超导量子芯片。

背景技术：

1、现有的超导量子比特通常采用浮地型量子比特，即超导量子比特通常由两块相互面对的电容极板和连接两极板的约瑟夫森结元件组成。电容极板通常采用矩形板、半圆板、十字形板或其他大面积的平面型电容板形式。对于浮地型量子比特，在不考虑外部读出线、控制线、相邻比特或总线谐振器等引入的耦合电容的情况下，其等效总电容cσ主要包括两块电容极板之间的耦合电容c12、约瑟夫森结电容cj、两极板的差分模式等效电容cg,eff。在相关设计中，若能在等效总电容cσ不变的条件下提高耦合电容c12的占比，则可降低差分模式等效电容cg,eff的需求，从而减小两块大面积极板对地电容所需的版图面积，实现浮地比特的小型化。

2、相关设计中的浮地型量子比特通常采用插指边沿、波浪边沿、局部窄缝或加长相对边界等方式提高单位面积电容密度、提高耦合电容c12，然而，该种结构容易引入尖端、细长边缘和局部强电场，从而增加金属边缘、介质表面及衬底界面的电场能量参与率，容易导致尖端电荷积聚的现象，进而影响超导量子比特的性能。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术提供了超导量子比特、耦合调控方法及超导量子芯片。

2、第一方面，本技术提供一种超导量子比特，包括第一电极区、第二电极区以及约瑟夫森结元件，所述第二电极区与所述第一电极区在预设平面内间隔设置，所述第一电极区和所述第二电极区分别绕同一中心沿螺旋轨迹同向延伸以形成耦合圈层，所述第一电极区与所述第二电极区之间形成电容耦合；所述约瑟夫森结元件设置于所述耦合圈层，所述约瑟夫森结元件电连接于所述第一电极区的第一端与所述第二电极区的第一端之间。

3、在一些实施例中，所述第一电极区的第一端位于所述耦合圈层的中心区域，所述第一电极区从其第一端沿第一螺旋轨迹向外延伸至其第二端；所述第二电极区的第一端位于所述耦合圈层的中心区域，所述第二电极区从其第一端沿第二螺旋轨迹向外延伸至其第二端；所述第一螺旋轨迹和所述第二螺旋轨迹共同形成所述耦合圈层，且所述第一电极区和所述第二电极区在所述耦合圈层的径向上交替排列。

4、在一些实施例中，所述超导量子比特还包括耦合转接构件，所述耦合转接构件设置于所述第一电极区的第二端或所述第二电极区的第二端。

5、在一些实施例中，所述耦合转接构件包括读出耦合电极、调控耦合电极、谐振耦合电极以及布线转接电极。

6、在一些实施例中，所述第一螺旋轨迹和所述第二螺旋轨迹均为等距螺旋线。

7、在一些实施例中，所述第一螺旋轨迹和所述第二螺旋轨迹均为非等距螺旋线。

8、在一些实施例中，所述耦合圈层的轮廓形状为圆形、椭圆形或圆角矩形中的一种。

9、在一些实施例中，所述第一电极区的宽度与所述第二电极区的宽度相同，和/或，所述第一电极区的环绕圈层数与所述第二电极区的环绕圈层数相同。

10、在一些实施例中，所述约瑟夫森结元件为超导量子干涉仪或单个约瑟夫森结。

11、第二方面，本技术提供一种耦合调控方法，应用于超导量子比特，所述超导量子比特包括第一电极区、第二电极区以及约瑟夫森结元件，且所述第一电极区和所述第二电极区分别绕同一中心沿螺旋轨迹同向延伸以形成耦合圈层，所述第一电极区与所述第二电极区之间形成电容耦合，所述约瑟夫森结元件电连接于所述第一电极区的第一端与所述第二电极区的第一端之间；所述耦合调控方法包括：确定所述超导量子比特的目标频段、目标非谐性区间及耦合电容占比阈值；构建所述超导量子比特的仿真模型，并调整所述第一电极区和所述第二电极区的结构参数；对所述超导量子比特进行电容矩阵仿真，以获取所述第一电极区与所述第二电极区之间的耦合电容以及所述超导量子比特的总电容；重复上述调整、仿真步骤，直至所述耦合电容在所述总电容中的占比达到所述耦合电容占比阈值，且基于所述总电容计算出的非谐性落入所述目标非谐性区间，并获取此时的所述总电容作为目标总电容；根据所述目标频段及所述目标总电容，确定所述约瑟夫森结元件的约瑟夫森能。

12、在一些实施例中，所述调整所述第一电极区和所述第二电极区的结构参数，包括：调整所述第一电极区的线宽和所述第二电极区的线宽、所述第一电极区与所述第二电极区之间的间隙、所述耦合圈层的螺旋圈数、所述耦合圈层的内半径、所述耦合圈层的外半径中的至少一种。

13、在一些实施例中，所述根据所述目标频段及所述目标总电容，确定所述约瑟夫森结元件的约瑟夫森能，包括：根据所述目标总电容，计算所述超导量子比特的充电能；根据所述目标频段的中心频率及所述充电能，计算所述约瑟夫森能的目标值。

14、在一些实施例中，当所述约瑟夫森结元件为单个约瑟夫森结时，所述耦合调控方法还包括：根据所述约瑟夫森能的目标值，计算临界电流；获取预设工艺、预设材料所对应的临界电流密度，并根据所述临界电流及所述临界电流密度，计算所述单个约瑟夫森结的结面积。

15、在一些实施例中，当所述约瑟夫森结元件为超导量子干涉仪时，所述耦合调控方法还包括：根据所述约瑟夫森能的目标值及目标磁通偏置点，确定所述超导量子干涉仪中每个约瑟夫森结的临界电流；获取预设工艺、预设材料所对应的临界电流密度，并根据所述临界电流及所述临界电流密度，计算每个所述约瑟夫森结的结面积。

16、第三方面，本技术提供一种超导量子芯片，包括多个上述的超导量子比特和耦合器；所述耦合器分别与至少两个所述超导量子比特耦合，以实现所耦合的所述超导量子比特之间的信号传递。

17、本技术提供了超导量子比特、耦合调控方法及超导量子芯片，该超导量子比特包括第一电极区、第二电极区以及约瑟夫森结元件，第二电极区与第一电极区在预设平面内间隔设置，第一电极区和第二电极区分别绕同一中心沿螺旋轨迹同向延伸以形成耦合圈层，第一电极区与第二电极区之间形成电容耦合；约瑟夫森结元件设置于耦合圈层，约瑟夫森结元件电连接于第一电极区的第一端与第二电极区的第一端之间。其中，第一电极区和第二电极区分别绕同一中心沿螺旋轨迹同向延伸以形成耦合圈层，一方面，耦合圈层为耦合能量提供确定性的空间传输路径，有效约束了非预期方向的电磁场杂散分量，降低了邻近电路元件间的非期望串扰；另一方面，第一电极区和第二电极区的螺旋环绕可以增加两个电极区之间的有效相对边沿长度，从而在不显著增大投影面积的前提下，增大两个电极区之间的有效耦合电容值，进而提高了耦合电容在等效总电容中的占比，有利于减小电极区所占面积，实现超导量子比特的小型化。两个电极区沿螺旋轨迹形成耦合圈层，使得耦合圈层的边界为连续平滑的弧形设计，替代了相关技术中的插指或尖锐边缘结构，使得电场能量分布更加均匀，减少了电荷在局部尖端或拐角处积聚的可能性，从而减少因局部高场强引起的非线性效应或额外损耗，同时，平滑边界降低了电极区对外部封装环境及相邻器件之间寄生电容、寄生电感耦合的敏感度，有助于在维持目标非谐性参数稳定的前提下，提升超导量子比特的工艺容差与性能一致性。