一种量子比特读出谐振腔腔频的确定方法与流程

1.本发明涉及超导量子计算技术领域，具体涉及一种量子比特读出谐振腔腔频的确定方法。


背景技术：

2.超导量子计算芯片作为量子计算机的核心器件，是影响量子计算机性能的关键。目前的超导量子比特普遍采用xmon结构设计，通过中心十字电容的四个端子与相邻比特以及其他控制和读取模块进行耦合，读出谐振腔通常采用四分之一波长谐振腔，。在设计阶段需要确定比特对应读取谐振腔的频率，从而更好地提高提取精度，随着比特数目的不断增加，芯片整体面积不断扩大，面积（cm*cm）与芯片厚度（nm）的比例过大，导致常规电磁仿真软件如hfss等在图形分割（mesh）阶段产生困难，需要消耗极大的计算资源，限制了仿真的精度甚至导致仿真因内存溢出而无法运行。因此该领域需要一种快速准确的量子比特读出谐振腔腔频的确定方法。为针对上述的问题，现阶段通常使用较为简化的腔长换算来估算谐振频率。为设计中较常用的腔频计算工具，需要精确的谐振腔长度方能与谐振频率进行换算，由于xmon结构量子比特需要四分之一波长谐振腔的非接地端与十字电容之间存在适当的耦合电容，使得各部分器件之间达到合理的耦合强度，满足量子计算芯片所需的性能，这一做法通常会导致谐振腔一端的形状不规则，无法精确的计算谐振频率，同时谐振腔的负载也会导致谐振频率略微偏移，使得设计与实验标定结果之间存在一定的误差，需要设计与制备测量之间的反复迭代。


技术实现要素：

3.本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种采用sonnet电磁仿真软件，采用平面仿真，忽略了超导薄膜本身厚度，极大地降低仿真所需的计算资源的量子比特读出谐振腔腔频的确定方法。
4.本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：一种量子比特读出谐振腔腔频的确定方法，包括：a)采用klayout软件设计读出谐振腔，读出谐振腔的两端分别与传输线及xmon结构量子比特中心十字电容相互耦合，读出谐振腔的开口端与传输线平行放置，其闭口端将十字电容一端包裹形成读出谐振腔与量子比特间的耦合电容；b)将klayout软件绘制完成的读出谐振腔版图导入sonnet电磁仿真软件，读出谐振腔导入材料选择金属，模式设置为general，rdc为0.0 ohms/sq，rrf为0.0ohm-hz-1/2
/sq，xdc为0.0 ohms/sq，ls为0.0 ph/sq，在读出谐振腔上方设置一层厚度为1000μm的空气盒，空气盒参数设置为各向同性，erel为1.0，dielectric loss tan为0.0，diel cond（s/m）为0.0，mrel为1.0，magnetic loss tan为0.0，读出谐振腔下方设置一层厚度为500μm的蓝宝石材料作为衬底，其中蓝宝石参数设置为各向同性，erel为9.3，dielectirc loss tan为
10.0e-8，diel cond （s/m）为1.0，magnetic loss tan为0.0；c)在sonnet电磁仿真软件中将端口设置在传输线两端，共设置2个端口，第一端口与第二端口均设置为自动接地，通过传输线的微波与传输线平行的读出谐振腔部分耦合；d)sonnet电磁仿真软件的仿真频率采用自适应模式，完成比率扫描范围及网格划分单元的设置；e)运行仿真，得到量子比特读出谐振腔腔频的仿真结果s21曲线。
5.进一步的，步骤a)中采用klayout软件设计读出谐振腔时采用四分之一波长共面波导谐振腔设计，其中中心导体宽度为10μm，两侧狭缝宽度为5μm，转角处采用直径为40μm半圆环连接，相邻共面波导间距为30μm。
6.进一步的，步骤a)中读出谐振腔的开口端与传输线平行部分长度为250μm。
7.进一步的，步骤a)中读出谐振腔与量子比特间的耦合电容与十字电容之间间距为4μm，读出谐振腔与量子比特间的耦合电容竖直方向长度为148μm，其水平方向宽度为138μm。
8.进一步的，步骤b)中导入材料选择为超导铝。
9.进一步的，步骤c)中第一端口与第二端口设置为50欧姆阻抗匹配，电容电感均设置为0。
10.本发明的有益效果是：采用sonnet电磁仿真软件，采用平面仿真，忽略了超导薄膜本身厚度，由于该厚度（nm）与其本身边长（cm）通常相差6个数量级以上，对仿真结果的影响较小，大大降低了数值计算所需的计算资源，极大地降低仿真所需的计算资源，能够对设计版图进行整体仿真，准确的标定不规则读出谐振腔中心频率，同时可以考虑到超导态下的超导金属与常规金属在介电常数等参数上的不同以及芯片上其他模块对谐振腔腔频的影响，可以帮助优化设计，降低从设计到完成所需的时间。
附图说明
11.图1为本发明的导入的量子芯片局部版图；图2为本发明的仿真模型结构示意图；图3为本发明的读出谐振腔仿真结果s21曲线图。
具体实施方式
12.下面结合附图1、附图2、附图3对本发明做进一步说明。
13.一种量子比特读出谐振腔腔频的确定方法，包括：a)如附图1所示，采用klayout软件设计读出谐振腔，在保证减小串扰的同时尽量节约芯片面积，读出谐振腔的两端分别与传输线及xmon结构量子比特中心十字电容相互耦合，读出谐振腔的开口端与传输线平行放置，与传输线形成适当耦合电容，使传输线既能读出量子比特信号，又不至于使量子比特与外界环境耦合过强而退相干，其闭口端将十字电容一端包裹形成读出谐振腔与量子比特间的耦合电容。
14.b)如附图2所示，将klayout软件绘制完成的读出谐振腔版图导入sonnet电磁仿真软件，读出谐振腔导入材料选择金属，为仿照稀释制冷机内10mk温度环境，该金属材料应设置为超导态参数，模式设置为general，rdc为0.0 ohms/sq，rrf为0.0ohm-hz-1/2
/sq，xdc为
0.0 ohms/sq，ls为0.0 ph/sq，在读出谐振腔上方设置一层厚度为1000μm的空气盒，模拟稀释制冷剂内部环境，空气盒参数设置为各向同性，erel为1.0，dielectric loss tan为0.0，diel cond（s/m）为0.0，mrel为1.0，magnetic loss tan为0.0，读出谐振腔下方设置一层厚度为500μm的蓝宝石材料作为衬底，其中蓝宝石参数设置为各向同性，erel为9.3，dielectirc loss tan为10.0e-8，diel cond （s/m）为1.0，magnetic loss tan为0.0。
15.c)在sonnet电磁仿真软件中将端口设置在传输线两端，共设置2个端口，第一端口与第二端口均设置为自动接地，通过传输线的微波与传输线平行的读出谐振腔部分耦合。通过传输线的微波通过与传输线平行的谐振腔部分耦合，与四分之一波长共面波导谐振腔共振频率相同的微波信号会被谐振腔吸收，从而在传输曲线上产生吸收峰，该吸收峰最低点即对应读出谐振腔的腔频，并可以通过传输曲线s21吸收峰的半高宽确定读出谐振腔的品质因子，即q值。
16.d)sonnet电磁仿真软件的仿真频率采用自适应模式，完成比率扫描范围及网格划分单元的设置。由于量子比特读出四分之一波长共面波导谐振腔的金属层厚度仅有100nm，对比其平面尺度可以忽略，并仿真结果没有实质影响，sonnet仿真机制忽略了谐振腔金属薄膜的厚度，可以大大缩减仿真运行的时间和所需内存，节省计算资源，加快设计仿真到加工的周期。
17.e)运行仿真，得到量子比特读出谐振腔腔频的仿真结果s21曲线。与设计腔频进行反馈对比，调整不规则谐振腔腔长，最终达到设计目的，得到该不规则四分之一共面波导谐振腔中心频率与品质因子。
18.采用sonnet电磁仿真软件，采用平面仿真，忽略了超导薄膜本身厚度，由于该厚度（nm）与其本身边长（cm）通常相差6个数量级以上，对仿真结果的影响较小，大大降低了数值计算所需的计算资源，极大地降低仿真所需的计算资源，能够对设计版图进行整体仿真，准确的标定不规则读出谐振腔中心频率，同时可以考虑到超导态下的超导金属与常规金属在介电常数等参数上的不同以及芯片上其他模块对谐振腔腔频的影响，可以帮助优化设计，降低从设计到完成所需的时间。
19.实施例1：步骤a)中采用klayout软件设计读出谐振腔时采用四分之一波长共面波导谐振腔设计，其中中心导体宽度为10μm，两侧狭缝宽度为5μm，转角处采用直径为40μm半圆环连接，相邻共面波导间距为30μm。
20.实施例2：步骤a)中读出谐振腔的开口端与传输线平行部分长度为250μm。
21.实施例3：步骤a)中读出谐振腔与量子比特间的耦合电容与十字电容之间间距为4μm，读出谐振腔与量子比特间的耦合电容竖直方向长度为148μm，其水平方向宽度为138μm。
22.实施例4：步骤b)中导入材料选择为超导铝。
23.实施例5：步骤c)中第一端口与第二端口设置为50欧姆阻抗匹配，电容电感均设置为0。
24.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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。