量子计算系统中的光学通信的制作方法

量子计算系统中的光学通信


背景技术：

1.量子计算指代与使用量子力学现象来操纵数据的计算系统相关的研究领域。这些量子力学现象(例如，叠加(其中量子变量可以同时以多种不同的状态存在)和纠缠(其中多个量子变量具有相关的状态，而不管这些量子变量在空间或时间上的距离如何))在经典计算的世界中不具有类似物，因此不能利用经典计算设备来实现。
附图说明
2.通过以下具体实施方式结合附图，将容易地理解实施例。为了促进这种描述，相同的附图标记表示相同的结构元素。在附图的图中通过示例而非限制的方式示出了实施例。
3.图1是根据各种实施例的包括光学通信的示例量子计算系统的框图。
4.图2是根据各种实施例的具有光学接口的示例量子计算控制电路的框图。
5.图3-5是根据各种实施例的用于量子计算系统中的控制电路的光学接口的部分的示例实施例的框图。
6.图6是根据各种实施例的示例超导量子位类型的量子设备的框图。
7.图7示出了根据各种实施例的超导量子位类型的量子设备的示例物理布局。
8.图8a-8c是根据各种实施例的自旋量子位类型的量子设备的横截面视图。
9.图9a-9c是根据各种实施例的可以用于自旋量子位类型的量子设备的量子阱栈(quantum well stack)的各种示例的横截面视图。
10.图10是可以被包括在本文公开的量子计算组装件中的任一个中的晶片(wafer)和管芯(die)的顶视图。
11.图11是根据各种实施例的可以包括本文公开的量子计算组装件中的任一个的示例量子计算系统的框图。
具体实施方式
12.本文公开了用于量子计算(qc)中的光学通信的组装件。例如，在一些实施例中，qc组装件可以包括控制电路，该控制电路具有到外部电子电路(例如，计算电路或其他控制电路)的光学接口。
13.本文公开的实施例可以解决在开发qc系统中的许多显著挑战，该qc系统具有足够数量的量子位以能够解决商业相关的计算问题。一些常规的qc系统可以在稀释制冷机(dilution refrigerator)内以低温温度操作。这种制冷机在这种低温下消散生成的热量的能力极其有限；例如，稀释制冷机可以被限制为在4开尔文的温度下仅消散1.8瓦的热量，并且在10毫开尔文的温度下仅消散50毫瓦的热量。在室温下的外部电子设备与在低温温度下的量子电子设备之间的通信接口(例如，使用具有射频(rf)信号的高速rf金属电缆，或使用rf金属电缆上的数字串行接口)是常规qc系统中的热量和噪声传送的主要源。虽然与单根金属线相比，rf电缆可以减少噪声并在较高的频率下提供较高的数据吞吐量，但是这些电缆典型地要求多个热和噪声隔离级来到达低温电子设备，并且还要求大型且功率密集的
阻抗匹配电路来获得足够的性能。另外地，rf电缆体积庞大，因此由于空间限制，并行通信接口典型地是不可能的。直接调制的串行接口(例如，串行外围接口(spi)、通用异步接收机-发射机(uart)或内部集成电路(i2c))可能要求很少的rf电缆，但可能提供极低的数据带宽。高速串行接口(例如，快速外围组件互连(pcie)、通用串行总线(usb)或以太网)可以提供高速串行通信，但可能要求大型专用物理层信号处理模块来驱动低温制冷机中的信号；使用这种接口可以减少量子电子设备的有用功率预算，并且可能在热隔离中引入关于噪声的挑战。此外，高速串行接口可能在没有大型(且体积庞大)的放大器的情况下无法高效地跨越典型地分隔低温制冷机的距离。串行器/解串器(serdes)电路典型地要求在低温环境中进行实质隔离，从而限制了serdes电路的最大有用吞吐量。因此，由于在外部电子设备与量子电子设备之间的通信可能成为在量子电子设备的不同集合之间的数据的高效移动的实质瓶颈，因此常规的qc系统可能不容易扩展以解决具有实际重要性的问题。
14.在以下的详细描述中，参考形成其一部分的附图，其中相同的附图标记始终表示相同的部分，并且其中通过说明的方式示出了可以实践的实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被理解为限制意义的。
15.各种操作可以以最有助于理解要求保护的主题的方式被依次描述为多个离散动作或操作。然而，描述的次序不应被解释为暗示这些操作必然取决于次序。特别地，这些操作可能不会以呈现的次序执行。所描述的操作可以以与所描述的实施例不同的次序来执行。可以执行各种附加操作，和/或可以在附加实施例中省略所描述的操作。
16.出于本公开的目的，短语“a和/或b”表示(a)，(b)，或(a和b)。出于本公开的目的，短语“a，b，和/或c”表示(a)，(b)，(c)，(a和b)，(a和c)，(b和c)，或(a，b和c)。附图不一定按比例绘制。虽然附图中的许多附图示出了具有平坦壁和直角角的直线结构，但这只是为了便于说明，并且使用这些技术制造的实际设备将呈现圆角、表面粗糙度和其他特征。
17.说明书使用短语“在实施例中”或“在多个实施例中”，这些短语可以各自指代相同或不同的实施例中的一个或多个。此外，如关于本公开的实施例所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。术语“顶部”和“底部”可以在本文中用于解释附图的各种特征，但这些术语只是为了便于讨论，并且不暗示期望或要求的定向。如本文所使用的，除非另有说明，否则术语“绝缘”表示“电绝缘”。
18.当用于描述大小的范围时，短语“在x与y之间”表示包括x和y的范围。为方便起见，短语“图8”可以用于指代图8a-8c的图的集合，并且短语“图9”可以用于指代图9a-9c的图的集合。虽然某些元素可以在本文中以单数形式引用，但这种元素可以包括多个子元素。例如，“绝缘材料”可以包括一种或多种绝缘材料。如本文所使用的，“导电触点”可以指代用作在不同组件之间的电接口的导电材料(例如，金属)的一部分；导电触点可以凹进组件的表面、与组件的表面齐平或延伸远离组件的表面，并且可以采用任何合适的形式(例如，导电垫或插座，或导电线或通孔的一部分)。
19.图1是根据各种实施例的包括光学通信的示例qc系统100的框图。qc系统100可以包括一个或多个制冷机102，其中的qc电路处于真空下。特别地，单个制冷机102可以包括qc模块128，该qc模块128具有量子位电路106和控制电路104。制冷机102可以被配置为将量子位电路106和控制电路104维持在预定的低温(例如，在5开尔文或更低)处。在一些实施例
中，制冷机102可以是例如稀释制冷机、氦3制冷机或液氦制冷机。
20.在qc模块128中，量子位电路106可以执行量子处理操作，而控制电路104可以包括用于(例如，通过控制向量子位电路106提供信号，例如，射频(rf)和/或微波控制信号)控制相关联的量子位电路106的操作的一个或多个非量子电路。在一些实施例中，控制电路104可以提供外围逻辑以支持量子位电路106的操作。例如，控制电路104可以控制读取操作的执行、控制写入操作的执行、控制量子位的清除等。控制电路104可以对其相关联的量子位电路106的操作进行的控制可以取决于由量子位电路106实现的量子位的类型。例如，如果量子位电路106实现超导量子位(下面参考图6-8进行讨论)，则控制电路104可以在通量偏置线、微波线和/或驱动线中的任何一个中提供和/或检测适当的电信号，以初始化并操纵超导点。在另一示例中，如果量子位电路106实现自旋量子位(下面参考图8-9进行讨论)，则控制电路104可以在门706/708、量子阱层752、磁体线(magnet line)721等中的任何一个中提供和/或检测适当的电信号。
21.控制电路104还可以执行计算功能以补充可以由量子位电路106提供的计算功能。特别地，qc模块128的控制电路104可以经由一条或多条光缆110(例如，光纤电缆)与外部电子电路108接合。使用光缆110在制冷机102内部的电路与制冷机102外部的电路之间进行通信可以利用比rf电缆更小的体积实现更高的吞吐量，并且因此，可以实现在制冷机102与外部环境之间(以及在制冷机102与制冷机102之间)的更高效的通信。此外，与rf电缆相比，光缆110引入更少的热和电磁噪声。如下面进一步详细讨论的，控制电路104可以包括光学接口132，该光学接口132被配置为通过一条或多条光缆向/从外部计算电路108发送和接收光学信号。在一些实施例中，控制电路104可以包括下面参考图11描述的非量子处理设备2028或是其一部分。
22.如上面所指出的，量子位电路106可以包括具有量子位元件(例如，超导类型的量子位元件和/或自旋量子位类型的量子位元件，如下面所讨论的)的一个或多个量子位管芯。单个量子位管芯可以包括绝缘材料(例如，形成在多个层中的电介质材料，如本领域已知的)和穿过绝缘材料形成的多个导电通路。在一些实施例中，量子位管芯的绝缘材料可以包括电介质材料，例如，二氧化硅、氮化硅、氮氧化物、聚酰亚胺材料、玻璃增强环氧树脂基体材料或者低k或超低k电介质(例如，碳掺杂电介质、氟掺杂电介质、多孔电介质、有机聚合物电介质、光可成像电介质和/或基于苯并环丁烯的聚合物)。在一些实施例中，量子位管芯的绝缘材料可以包括半导体材料，例如，硅、锗或iii-v族材料(例如，氮化镓)以及一种或多种附加材料。例如，绝缘材料可以包括氧化硅或氮化硅。量子位管芯中的导电通路可以包括导电迹线和/或导电通孔，并且可以以任何合适的方式连接量子位管芯中的导电触点中的任一个(例如，连接在量子位管芯的相同表面或不同表面上的多个导电触点)。量子位管芯中的导电通路可以在适合时以衬垫材料(liner material)(例如，粘合衬垫和/或势垒衬垫)为边界。
23.控制电路104可以位于制冷机102的比量子位电路106更暖的部分中。特别地，控制电路104可以位于比其中量子位电路106所位于的级n m更暖的一个或多个级n中。例如，控制电路104可以位于制冷机102的维持在1开尔文或更高的温度(例如，维持在4开尔文或更高的温度)的级中，而量子位电路106位于制冷机的维持在低于1开尔文的温度(例如，维持在10毫开尔文或更低的温度)的级中。在一些实施例中，控制电路104可以与量子位电路106
位于制冷机102的同一级中；在一些这样的实施例中，控制电路104和量子位电路106可以在单个电路板、单个封装或单个管芯中实现。在一些实施例中，控制电路104可以位于制冷机102的单个级中，而在其他实施例中，控制电路104可以跨制冷机102的多个级分布。例如，在一些实施例中，控制电路104的光学接口132(下面参考图2-5进行讨论)可以位于比控制电路104的其他元件更暖的级中。耦合到控制电路104的光缆110可以由光学连接器130耦合到制冷机102外部的光缆110，该光学连接器130可以提供热绝缘的光学接口。可以使用任何合适的光学连接器130，例如，用于真空应用的商业可用的光学连接器。
24.控制电路104可以经由通信线112与量子位电路106通信。在一些实施例中，通信线112是模拟线，从而在控制电路104与量子位电路106之间通信模拟信号(例如，当控制电路104包括一个或多个模数转换器(adc)/数模转换器(dac)114时，如下面参考图2讨论的)。在其他实施例中，通信线112可以包括数字线，从而在控制电路104与量子位电路106之间通信数字信号；然而，这样的实施例还可以包括使用adc/dac作为量子位电路106的一部分，并且这些adc/dac可以生成将需要由制冷机102的级n m消散的热能。在其他实施例中，通信线112可以包括光学线，从而在制冷机102的级中的不同级之间通信光学信号。
25.在图1中，qc系统100被描绘为包括三个制冷机102，每个制冷机102具有其自己相关联的qc模块128，并且每个制冷机102经由光缆110与外部电子电路108通信。外部电子电路108可以包括计算电路、其他控制电路、用于在多个制冷机102之间接合的电路、联网电路或者任何其他合适的电路。在图1中描绘的制冷机102和qc模块128的特定数量以及外部电子电路108相对于制冷机102的布置只是说明性的，并且可以使用其他数量和布置。例如，在一些实施例中，qc系统100可以包括少于三个制冷机102或多于四个制冷机102。在一些实施例中，单个制冷机102可以包括多个qc模块128。在一些实施例中，外部电子电路108可以在制冷机102/qc模块128的对之间通信地耦合，并且外部电子电路108中的不同的外部电子电路然后可以耦合到(例如，在树形网络中的)外部电子电路108的另一集合。这些只是示例，并且可以使用任何合适的变型。
26.被包括在qc模块128中的控制电路104可以采取多种形式中的任一种。例如，图2是根据各种实施例的具有光学接口132的示例控制电路104的框图。如上面所讨论的，光学接口132可以控制在控制电路104与外部电子电路108之间的光学发送和光学接收，并且光学接口132可以耦合到一条或多条光缆110(例如，相关联的制冷机102内部的光缆110，以及经由光学连接器130耦合到相关联的制冷机102外部的光缆110，如上面所讨论的)。在一些实施例中，光学接口132可以控制在一个制冷机102中的控制电路104与在另一制冷机102中的控制电路104之间的光学发送和光学接收(在没有显著地介入外部电子电路108的情况下)。控制电路104可以包括一个或多个控制器116，这些控制器116可以执行本文讨论的控制任务中的许多控制任务(例如，控制和监视提供给量子位电路106的量子位元件的电信号、存储由量子位电路106生成的数据等等)。在一些实施例中，控制器116可以是数字控制器或混合信号控制器。控制器116可以经由一条或多条数字线122与一个或多个adc/dac 114通信，其中dac将经由数字线122来自控制器116的数字数据转换为要在通信线112上发送的模拟数据，并且adc将来自通信线112的模拟数据转换为要经由数字线122发送到控制器116的数字数据。其他模拟电路(例如，滤波器(例如，低通滤波器)、混频器、可变增益放大器和/或功率放大器)可以被包括在控制电路104(未示出)中。如上面所指出的，在其他实施例中，控制
器116可以将数字数据直接输出到量子位电路106(在制冷机102的较冷级中)。在一些实施例中，控制电路104中的光学接口132可以是不对称的，因为可以与发送相关联的光缆110的数量不同于与接收相关联的光缆110的数量。这样的实施例可以允许光缆110的数量与在qc模块128与外部电子电路108之间的预期数据流的属性相匹配，从而避免带宽的浪费。例如，由于高效的qc算法可以在读取结果之前执行数百个量子位操作，因此与将数据传输到外部电子电路108相关联的光缆110的数量可能少于与从外部电子电路108接收数据相关联的光缆110的数量。
27.被包括在控制电路104中的光学接口132可以采取多种形式中的任一种。例如，图3-5是根据各种实施例的用于qc系统100中的控制电路104的光学接口132的部分的示例实施例的框图。在图3的实施例中，光学接口132可以包括单个数字到光学转换器(doc)118和单个光学到数字转换器(odc)120，该doc 118用于提供从控制电路104到外部电子电路108的单个输出(即，发送)路径，该odc 120用于提供从外部电子电路108到控制电路104的单个输入(即，接收)路径。在一些实施例中，doc 118可以包括激光器，例如，微激光器或纳米激光器。在一些实施例中，doc 118可以包括垂直腔表面发射激光器(vcsel)。odc 120可以包括光电检测器(例如，基于半导体的光电二极管)以及相关联的放大电路(例如，跨阻抗放大器)。
28.在图4的实施例中，光学接口132可以被配置为将多个doc 118的输出复用到单条光缆110上；类似地，光学接口132可以被配置为经由多个odc 120对单条光缆上的多个输入进行解复用。光缆110上的信号可以以多种方式中的任何一种(例如，波分复用(wdm)或时分复用(tdm))进行复用。在图5的实施例中，光学接口可以包括多个doc 118和多个odc 120，多个doc 118用于向对应的多条光缆110提供多个输出，多个odc 120用于提供来自对应的多条光缆110的多个输入。光学接口132可以包括类似于图3-5中示出的那些布置中的任一个的布置，并且还可以包括图3-5的布置的任何期望的组合。此外，在图2-5中描绘的doc 118、odc 120、光缆110等的特定数量只是说明性的，并且光学接口132可以包括任何期望数量的这些元件。例如，在一些实施例中，光学接口132可以包括doc 118的二维阵列(例如，基于半导体的激光器)和/或odc 120的二维阵列。
29.在一些实施例中，控制电路104可以实现直接的数字到光学转换，从而消除或减少对大型、昂贵且功率密集的物理层信号处理电路(其难以实现和适应低温温度)的需要。在一些这样的实施例中，要经由doc 118发送的数据可以由控制器116(例如，使用脉冲幅度调制(pam))串行化并且直接提供给doc 118。在控制器116的输出端处发生的示例电压摆动可以是0伏特(例如，对于逻辑零)和1.8伏特(例如，对于逻辑一)，但是可以使用其他电压范围。该电压流可以直接发送到doc 118(例如，激光器(例如，vcsel))，其中doc 118执行对光的直接调制(即，逻辑零导致没有光被发射，并且逻辑一可以导致以与doc 118相关联的波长在特定的持续时间内发射光)。在一些实施例中，直接的光学到数字转换可以由odc 120类似地执行，并且可以包括用于调节信号以接收控制器116的参数的一些放大器电路。在一些实施例中，这种直接转换过程在本质上可以是异步的，因为没有时钟与数据一起发送，并且没有时钟恢复/同步序列被嵌入到数据流中以用于同步检测。相反，接收机可以等待开始事件，然后可以以与传输速率匹配的预先协商的间隔对数据进行采样。纠错方法(例如，奇偶校验、字纠错码或前向纠错(例如，涡轮码和低密度奇偶校验码))可以如期望的由控制器
116和外部电子电路108实现，以获得改进的误码率和/或增加的数据吞吐量。直接转换过程可以在图3-5的光学接口132的实施例中的任一个中使用(例如，在图4和图5的实施例中并行发生多个直接转换的情况下)。实现这种直接转换的控制电路104的一些实施例可以在误码率小于1e-9的情况下实现大于1吉比特每秒的数据吞吐量。
30.本文公开的qc系统100中的任一个可以包括分布在qc系统100的元件之间的任何合适的电路。图6-9讨论了qc电路的各种示例，该qc电路可以分布在本文公开的qc系统100中的任一个的量子位电路106、控制电路104和/或外部电子电路108之间。图6-8讨论了其中量子位电路106包括超导量子位类型的qc电路的示例实施例，并且图8-9讨论了其中量子位电路106包括自旋量子位类型的qc电路的示例实施例。
31.超导量子位类型的量子设备的操作可以基于josephson效应，该josephson效应是一种宏观量子现象，其中超电流(由于零电阻而在没有施加任何电压的情况下无限长地流动的电流)流动通过称为josephson结的设备。超导量子位类型的量子设备的示例可以包括电荷量子位、通量量子位和相位量子位。transmon是一种类型的电荷量子位，其名称是“transmission line shunted plasma oscillation qubits(传输线分流等离子体振荡量子位)”的缩写，transmon可以表现出对电荷噪声的降低的敏感度，因此可能特别有利。transmon类型的量子设备可以包括电感器、电容器和至少一个非线性元件(例如，josephson结)以实现高效的两级量子态系统。
32.josephson结可以提供超导量子位类型的量子设备的中心电路元件。josephson结可以包括通过弱链接连接的两个超导体。例如，josephson结可以被实现为绝缘材料的薄层(其被称为势垒或隧道势垒)，并用作结的“弱链接”，夹在超导体的两个层之间。josephson结可以用作超导隧道结。cooper对可以从一个超导层隧穿通过势垒到另一超导层。这种隧穿的电气特性由josephson关系决定。因为josephson结的电感是非线性的，因此当josephson结在transmon类型的量子设备中的电感器-电容器电路(其可以被称为lc电路)中使用时，所得到的电路在其能量状态之间具有不均匀的间距。在其他类别的超导量子位类型的量子设备中，josephson结与其他电路元件组合可以类似地提供用于形成高效的两级量子态以用作量子位所需的非线性。
33.图6是可以被包括在qc系统100的量子位电路106中的示例超导量子电路300的框图。如图6中示出的，超导量子电路300包括两个或更多个量子位元件302-1和302-2。量子位元件302-1和302-2可以是相同的，因此图6的讨论可以一般地指代“量子位元件302”；这同样适用于josephson结304-1和304-2(其通常可以被称为“josephson结304”)以及电路元件306-1和306-2(其通常可以被称为“电路元件306”)。如图6中示出的，超导量子位元件302中的每一个可以包括连接到一个或多个其他电路元件306的一个或多个josephson结304，该一个或多个其他电路元件306与(多个)josephson结304组合可以形成非线性电路，从而提供用于量子位的独特的两级量子态。电路元件306可以是例如transmon中的电容器或通量量子位中的超导回路。
34.超导量子电路300可以包括用于提供对量子位元件302的外部控制的电路308和用于提供对量子位元件302的内部控制的电路310。在该上下文中，“外部控制”指代从包括量子位元件302的管芯的外部控制量子位元件302，这包括由量子计算机的用户进行控制，而“内部控制”指代在包括量子位元件302的管芯内控制量子位元件302。例如，如果量子位元
件302是transmon量子位元件，则外部控制可以通过通量偏置线(也称为“通量线”和“通量线圈线”)以及通过读出和驱动线(也称为“微波线”，因为量子位元件典型地被设计为利用微波信号操作)来实现，这在下面更详细地描述。另一方面，用于这种量子位元件的内部控制线可以通过谐振器(例如，耦合和读出谐振器，这也在下面更详细地描述)来实现。
35.图7示出了其中量子位元件被实现为transmon的超导量子电路的物理布局311的示例。类似于图6，图7示出了两个量子位元件302。另外地，图7示出了通量偏置线312、微波线314、耦合谐振器316、读出谐振器318和导电触点320和322。通量偏置线312和微波线314可以被视为图6中示出的外部控制电路308的示例。
36.使电流流动通过从导电触点320提供的通量偏置线312，使得能够对每条线312所连接的对应的量子位元件302的频率进行调谐。例如，通过使电流在特定的通量偏置线312中流动来创建磁场。如果这样的磁场足够接近量子位元件302，则磁场耦合到量子位元件302，由此改变量子位元件302的能量级别之间的间距。这进而改变了量子位元件302的频率，因为频率经由普朗克方程(planck’s equation)与能量级别之间的间距相关。假如存在足够的复用，则不同的电流可以沿着通量线312中的每一条向下发送，从而允许对各种量子位元件302进行独立调谐。
37.典型地，可以控制量子位频率以使频率更接近或远离另一谐振元件，例如，图7中示出的耦合谐振器316，该耦合谐振器316将两个或更多个量子位元件302连接在一起。例如，如果期望第一量子位元件302(例如，图7左侧示出的量子位元件302)和第二量子位元件302(例如，图7右侧示出的量子位元件302)经由连接这些量子位元件的耦合谐振器316进行交互，则可以以几乎相同的频率对这两个量子位元件302进行调谐。在其他场景中，两个量子位元件302可以经由耦合谐振器316以特定频率进行交互，但是这三个元件不一定被调谐为彼此几乎相同的频率。通过控制合适的通量偏置线中的电流，可以类似地减少或防止量子位元件302之间的交互。每个量子位元件302的(多个)状态可以通过其对应的读出谐振器318的方式来读取。如下面所讨论的，量子位元件302可以在读出谐振器318中感应出谐振频率。然后，将该谐振频率传递到微波线314，并传送到导电触点322。
38.可以针对每个量子位元件提供读出谐振器318。读出谐振器318可以是传输线，其在一侧包括接地的电容性连接，并在另一侧短路接地(对于四分之一波长谐振器)或具有接地的电容性连接(对于半波长谐振器)，这会导致传输线内的振荡(谐振)。振荡的谐振频率可以接近量子位元件302的频率。读出谐振器318可以通过足够接近量子位元件302(例如，通过电容性或电感性耦合)而耦合到量子位元件302。由于在读出谐振器318与量子位元件302之间的耦合，因此量子位元件302状态的改变可能导致读出谐振器318的谐振频率的改变。进而，因为读出谐振器318足够接近微波线314，所以读出谐振器318的谐振频率的改变可以引起微波线314中的电流的改变，并且可以经由导电触点322从外部读取电流。
39.耦合谐振器316可以用于将不同的量子位元件耦合在一起以实现量子逻辑门。耦合谐振器316可以类似于读出谐振器318，因为该耦合谐振器316是可以在两侧包括接地的电容性连接(对于半波长谐振器)的传输线，这可能导致耦合谐振器316内的振荡。通过足够接近量子位元件302，耦合谐振器316的每一侧可以耦合(再次强调，电容性或电感性地耦合)到相应的量子位元件302。因为耦合谐振器316的每一侧与相应的不同的量子位元件302耦合，所以两个量子位元件302可以通过耦合谐振器316耦合在一起。以这种方式，一个量子
位元件302的状态可以取决于另一量子位元件302的状态，反之亦然。因此，可以采用耦合谐振器316以使用一个量子位元件302的状态来控制另一量子位元件302的状态。
40.在一些实现方式中，微波线314不仅可以用于读出量子位元件302的状态(如上面所描述的)，而且可以用于控制量子位元件302的状态。当单条微波线314用于该目的时，线314可以在半双工模式下操作，其中，在某些时候，该线314被配置为读出量子位元件302的状态，并且在其他时候，该线314被配置为控制量子位元件302的状态。在其他实现方式中，微波线(例如，图7中示出的线314)可以用于仅读出量子位元件的状态(如上面所描述的)，而单独的驱动线(例如，图7中示出的驱动线324)可以用于控制量子位元件302的状态。在这种实现方式中，用于读出的微波线可以被称为读出线(例如，读出线314)，而用于控制量子位元件的状态的微波线可以被称为驱动线(例如，驱动线324)。驱动线324可以通过(例如，使用如图7中示出的导电触点326)提供以量子位频率的微波脉冲来控制驱动线324的相应的量子位元件302的状态，这进而刺激在量子位元件302的状态之间的转变。通过改变该脉冲的长度，可以激发部分转变，从而给出量子位元件302的状态的叠加。
41.通量偏置线、微波线、耦合谐振器、驱动线和读出谐振器(例如，上面描述的这些元件)一起形成互连以支持微波信号的传播。此外，用于在不同的量子电路元件和组件之间提供直接电互连的任何其他连接(例如，从josephson结电极到电容器板或到超导量子干涉设备(squids)的超导回路的连接，或者在特定传输线的两条接地线之间用于均衡两条接地线上的静电电势的连接)在本文也被称为互连。还可以在量子电路元件和组件与非量子电路元件(其也可以在量子电路中提供)之间提供电互连，以及在量子电路中提供的各种非量子电路元件之间提供电互连。可以在量子电路中提供的非量子电路元件的示例可以包括各种模拟和/或数字系统，例如，adc、混频器、复用器、放大器等。在一些实施例中，这些非量子元件可以被包括在控制电路104中。
42.耦合谐振器和读出谐振器可以被配置用于在一端或两端处与其他电路元件进行电容性耦合以具有谐振振荡，而通量偏置线和微波线可以类似于常规的微波传输线，因为在这些线中没有谐振。这些互连中的每一个都可以被实现为微波传输线的任何合适的架构，例如，共面波导、带状线、微带线或反向微带线。可以被包括在互连中的典型材料可以包括铝、铌、氮化铌、氮化钛、钼铼和铌钛氮化物，所有这些都是特定类型的超导体。然而，在各种实施例中，也可以使用其他合适的超导体和超导体合金。
43.在各种实施例中，如图7中示出的互连可以有不同的形状和布局。例如，一些互连可以包括更多的曲线(curve)和匝(turn)，而其他互连可以包括更少的曲线和匝，并且一些互连可以包括实质上的直线。在一些实施例中，各种互连可以以它们不进行电连接的方式彼此相交，这可以例如通过使用桥接器将一个互连桥接到另一互连上来实现。
44.另外地，图7还示出了连接到接地平面的接地触点328。当管芯支持微波信号的传播时，可以使用这种接地触点328以抑制微波平行板模式、电路块之间的交叉耦合和/或衬底谐振模式。通常，提供接地通路可以改进信号质量、实现快速脉冲激励、并且改进不同线之间的隔离。
45.图7中仅利用附图标记328标记了两个接地触点，但在整个图7中示出的所有白色圆圈均可以示出接地导电触点的示例性位置。图7中的接地触点328的位置和数量的图示仅是说明性的，并且在各种实施例中，接地触点328可以被设置在不同的地方，如在微波工程
中已知的。更一般地，任何数量的量子位元件302、通量偏置线312、微波线314、耦合谐振器316、读出谐振器318、驱动线324、触点320、322、326和328以及本文参考超导量子电路300讨论的其他组件可以被包括在qc模块128中。
46.虽然图6和图7描绘了仅包括两个量子位元件302的量子电路的示例，但这只是说明性的，并且具有任何更大数量的量子位元件的实施例在本公开的范围内。此外，虽然图6和图7可以示出特定于transmon类型的量子设备的各种特征，但本文公开的qc系统100可以包括实现其他类型的超导量子位元件的量子电路。
47.如上面所指出的，在一些实施例中，qc模块128可以包括量子位电路106中的自旋量子位类型的量子设备。图8描绘了根据各种实施例的示例自旋量子位类型的量子设备700的横截面视图。特别地，图8b示出了沿图8a的截面a-a截取的自旋量子位类型的量子设备700(而图8a示出了沿图8b的截面c-c截取的自旋量子位类型的量子设备700)，并且图8c示出了沿图8a的截面b-b截取的自旋量子位类型的量子设备700，其中未示出多个组件，以更容易地示出栅极706/708和磁体线721如何被图案化(而图8a示出了沿图8c的截面d-d截取的自旋量子位类型的量子设备700)。虽然图8a指示在图8b中示出的横截面是通过鳍状物(fin)704-1截取的，但通过鳍状物704-2截取的类似横截面可以是相同的，因此图8b的讨论一般指代“鳍状物704”。自旋量子位类型的量子设备700仅是说明性的，并且其他自旋量子位类型的量子设备可以被包括在qc系统100中。
48.自旋量子位类型的量子设备700可以包括基部(base)702和延伸远离基部702的多个鳍状物704。基部702和鳍状物704可以包括衬底和量子阱栈(图8中未示出，但在下面参考衬底744和量子阱栈746进行了讨论)，衬底和量子阱栈以多种方式中的任何一种方式分布在基部702与鳍状物704之间。基部702可以包括衬底中的至少一些，并且鳍状物704可以各自包括量子阱栈的量子阱层(下面参考量子阱层752进行了讨论)。
49.虽然图8中仅示出了两个鳍状物704-1和704-2，但这只是为了便于说明，并且自旋量子位类型的量子设备700中可以包括多于两个鳍状物704。在一些实施例中，自旋量子位类型的量子设备700中包括的鳍状物704的总数为偶数，其中鳍状物704被组织成包括一个有源鳍状物704和一个读取鳍状物704的对，如下面详细讨论的。当自旋量子位类型的量子设备700包括多于两个鳍状物704时，鳍状物704可以成对地布置在行中(例如，总共2n个鳍状物可以布置在1
×
2n的行或2
×
n的行中)或成对地布置在更大的阵列中(例如，总共2n个鳍状物可以布置为4
×
n/2的阵列、6
×
n/3的阵列等)。为了便于说明，本文的讨论将主要集中于鳍状物704的单个对，但本公开的所有教导都适用于具有更多鳍状物704的自旋量子位类型的量子设备700。
50.如上面所指出的，鳍状物704中的每一个可以包括量子阱层(图8中未示出，但在下面参考量子阱层752进行了讨论)。鳍状物704中包括的量子阱层可以垂直于z方向布置，并且可以提供其中可以形成二维电子气体(2deg)的层以使得能够在自旋量子位类型的量子设备700的操作期间生成量子点，如下面进一步详细讨论的。量子阱层本身可以对鳍状物704中的量子点的z位置提供几何约束，并且鳍状物704(以及因此量子阱层)在y方向上的有限范围可以对鳍状物704中的量子点的y位置提供几何约束。为了控制鳍状物704中的量子点的x位置，可以向设置在鳍状物704上的栅极施加电压以调整在x方向上沿着鳍状物704的能量分布，并由此约束量子阱内的量子点的x位置(下面参考栅极706/708进行了详细讨
论)。鳍状物704的大小可以取任何合适的值。例如，在一些实施例中，鳍状物704可以各自具有在10纳米到30纳米之间的宽度762。在一些实施例中，鳍状物704可以各自具有在200纳米到400纳米之间(例如，在250纳米到350纳米之间，或等于300纳米)的高度764。
51.鳍状物704可以被平行布置，如图8a和图8c中示出的，并且可以由绝缘材料728间隔开，该绝缘材料728可以设置在鳍状物704的相对面上。绝缘材料728可以是电介质材料，例如，氧化硅。例如，在一些实施例中，鳍状物704可以以100纳米到250纳米之间的距离760间隔开。
52.多个栅极可以设置在鳍状物704中的每一个上。在图8b中示出的实施例中，三个栅极706和两个栅极708被示为分布在鳍状物704的顶部。该特定数量的栅极仅是说明性的，并且可以使用任何合适数量的栅极。
53.如图8b中示出的，栅极708-1可以设置在栅极706-1和706-2之间，并且栅极708-2可以设置在栅极706-2和706-3之间。栅极706/708中的每一个可以包括栅极电介质714；在图8b中示出的实施例中，用于所有栅极706/708的栅极电介质714由栅极电介质材料的公共层提供。在其他实施例中，用于栅极706/708中的每一个的栅极电介质714可以由栅极电介质714的单独部分提供。在一些实施例中，栅极电介质714可以是多层栅极电介质(例如，其中使用多种材料来改进在鳍状物704与对应的栅极金属之间的界面)。栅极电介质714可以是例如氧化硅、氧化铝或高k电介质，例如，氧化铪。更一般地，栅极电介质714可以包括诸如铪、硅、氧、钛、钽、镧、铝、锆、钡、锶、钇、铅、钪、铌和锌之类的元素。可以在栅极电介质714中使用的材料的示例可以包括但不限于氧化铪、硅氧化铪、氧化镧、铝氧化镧、氧化锆、硅氧化锆、氧化钽、氧化钛、氧化钡锶钛、氧化钛钡、氧化钛锶、氧化钇、氧化铝、氧化钽、硅氧化钽、氧化铅钪钽和铅锌铌酸。在一些实施例中，可以对栅极电介质714进行退火工艺以改进栅极电介质714的质量。
54.栅极706中的每一个可以包括栅极金属710和硬掩模716。硬掩模716可以由氮化硅、碳化硅或另一合适的材料形成。栅极金属710可以设置在硬掩模716与栅极电介质714之间，并且栅极电介质714可以设置在栅极金属710与鳍状物704之间。为了便于说明，图8b中仅标记了硬掩模716的一部分。在一些实施例中，栅极金属710可以是超导体，例如，铝、氮化钛(例如，经由原子层沉积(ald)沉积)或铌钛氮化物。在一些实施例中，硬掩模716可能不存在于自旋量子位类型的量子设备700中(例如，在处理期间可以去除如硬掩模716这样的硬掩模，如下面所讨论的)。栅极金属710的侧面可以实质上平行，如图8b中示出的，并且绝缘间隔件734可以设置在栅极金属710和硬掩模716的侧面上。如图8b中示出的，间隔件734可以在靠近鳍状物704处更厚并在远离鳍状物704处更薄。在一些实施例中，间隔件734可以具有凸起形状。间隔件734可以由任何合适的材料(例如，碳掺杂氧化物、氮化硅、氧化硅或其他碳化物或氮化物(例如，碳化硅、掺杂碳的氮化硅和氮氧化硅))形成。栅极金属710可以是任何合适的金属，例如，氮化钛。
55.栅极708中的每一个可以包括栅极金属712和硬掩模718。硬掩模718可以由氮化硅、碳化硅或另一合适的材料形成。栅极金属712可以设置在硬掩模718与栅极电介质714之间，并且栅极电介质714可以设置在栅极金属712与鳍状物704之间。在图8b中示出的实施例中，硬掩模718可以在硬掩模716上方(以及在栅极706的栅极金属710上方)延伸，而在其他实施例中，硬掩模718可以不在栅极金属710上方延伸。在一些实施例中，栅极金属712可以
是与栅极金属710不同的金属；在其他实施例中，栅极金属712和栅极金属710可以具有相同的材料成分。在一些实施例中，栅极金属712可以是超导体，例如，铝、氮化钛(例如，经由ald沉积)或铌钛氮化物。在一些实施例中，硬掩模718可能不存在于自旋量子位类型的量子设备700中(例如，在处理期间可以去除如硬掩模718这样的硬掩模，如下面所讨论的)。
56.栅极708-1可以在栅极706-1和栅极706-2的侧面上在邻近间隔件734之间延伸，如图8b中示出的。在一些实施例中，栅极708-1的栅极金属712可以在栅极706-1和栅极706-2的侧面上在间隔件734之间延伸。因此，栅极708-1的栅极金属712可以具有与间隔件734的形状实质上互补的形状，如所示的。类似地，栅极708-2可以在栅极706-2和栅极706-3的侧面上在邻近间隔件734之间延伸。在其中栅极电介质714不是在栅极708与栅极706之间共同共享的层而是单独沉积在间隔件734之间的鳍状物704上的一些实施例中，栅极电介质714可以至少部分地沿着间隔件734的侧面向上延伸，并且栅极金属712可以在间隔件734上在栅极电介质714的部分之间延伸。栅极金属712如同栅极金属710一样，可以是任何合适的金属，例如，氮化钛。
57.栅极706/708的大小可以取任何合适的值。例如，在一些实施例中，栅极金属710的z高度766可以在40纳米到75纳米之间(例如，大约50纳米)；栅极金属712的z高度可以在相同范围内。在类似于图8b中示出的实施例中，栅极金属712的z高度可以大于栅极金属710的z高度。在一些实施例中，栅极金属710的长度768(即，在x方向上)可以在20纳米到40纳米之间(例如，30纳米)。在一些实施例中，栅极706中的相邻栅极之间的距离770(例如，如在x方向上从一个栅极706的栅极金属710到相邻栅极706的栅极金属710测量出的，如图8b中示出的)可以在40纳米到60纳米之间(例如，50纳米)。在一些实施例中，间隔件734的厚度772可以在1纳米到10纳米之间(例如，在3纳米到5纳米之间、在4纳米到6纳米之间、或在4纳米到7纳米之间)。栅极金属712的长度(即，在x方向上)可以取决于栅极706和间隔件734的大小，如图8b中示出的。如图8a中指示的，一个鳍状物704上的栅极706/708可以在绝缘材料728上方延伸超过其相应的鳍状物704并朝向另一鳍状物704，但是可以通过介入绝缘材料730和间隔件734而与其配对的栅极隔离。
58.虽然所有的栅极706在附图中被示为具有相同长度768的栅极金属710，但在一些实施例中，“最外面的”栅极706(例如，图8b中示出的实施例的栅极706-1和706-3)可以具有比“内部的”栅极706(例如，图8b中示出的实施例中的栅极706-2)更大的长度768。这种较长的“外部”栅极706可以在掺杂区域740与栅极708下方的区域和其中可以形成量子点742的内部栅极706之间提供空间分离，并且因此可以减少对由掺杂区域740引起的在栅极708和内部栅极706下方的势能图景的扰动。
59.如图8b中示出的，栅极706和708可以在x方向上沿着鳍状物704交替布置。在自旋量子位类型的量子设备700的操作期间，电压可以施加到栅极706/708以调整鳍状物704中的量子阱层(未示出)中的势能，以创建其中可以形成量子点742的具有变化的深度的量子阱。为了便于说明，图8a和图8c中仅利用附图标记标记了一个量子点742，但是在每个鳍状物704中以虚线圆圈指示出五个量子点。图8b中的量子点742的位置并非旨在指示量子点742的特定几何定位。间隔件734本身可以在量子阱层中的栅极706/708下方的量子阱之间提供“无源”势垒，并且施加到栅极706/708中的不同栅极的电压可以调整量子阱层中的栅极706/708下方的势能；降低势能可以形成量子阱，而增加势能可以形成量子势垒。栅极
706/708和该栅极下方的量子阱层的部分可以用作自旋量子位类型的设备中的量子位元件。
60.鳍状物704可以包括掺杂区域740，该掺杂区域740可以用作用于自旋量子位类型的量子设备700的电荷载流子的储存库。例如，n型掺杂区域740可以为电子类型的量子点742提供电子，并且p型掺杂区域740可以为空穴类型的量子点742提供空穴。在一些实施例中，界面材料741可以设置在掺杂区域740的表面，如所示的。界面材料741可以促进在导电触点(例如，通孔736，如下面所讨论的)与掺杂区域740之间的电耦合。界面材料741可以是任何合适的金属半导体欧姆触点材料；例如，在其中掺杂区域740包括硅的实施例中，界面材料741可以包括硅化镍、硅化铝、硅化钛、硅化钼、硅化钴、硅化钨或硅化铂。在一些实施例中，界面材料741可以是非硅化物化合物，例如，氮化钛。在一些实施例中，界面材料741可以是金属(例如，铝、钨或铟)。
61.本文公开的自旋量子位类型的量子设备700可以用于形成电子类型的量子点或空穴类型的量子点742。注意，施加到栅极706/708以形成量子阱/势垒的电压的极性取决于在自旋量子位类型的量子设备700中使用的电荷载流子。在其中电荷载流子是电子(并且因此量子点742是电子类型的量子点)的实施例中，使施加到栅极706/708的负电压充足可以增加栅极706/708下方的势垒，并且使施加到栅极706/708的正电压充足可以降低栅极706/708下方的势垒(由此形成势阱，其中可以形成电子类型的量子点742)。在其中电荷载流子是空穴(并且因此量子点742是空穴类型的量子点)的实施例中，使施加到栅极706/708的正电压充足可以增加栅极706/708下方的势垒，并且使施加到栅极706/708的负电压充足可以降低栅极706/708下方的势垒(由此形成势阱，其中可以形成空穴类型的量子点742)。本文公开的自旋量子位类型的量子设备700可以用于形成电子类型的量子点或空穴类型的量子点。
62.可以单独地向栅极706和708中的每一个施加电压以调整栅极706和708下方的量子阱层中的势能，并且由此控制栅极706和708中的每一个下方的量子点742的形成。另外地，栅极706和708中的不同栅极下方的相对势能分布允许自旋量子位类型的量子设备700对在相邻栅极下方的量子点742之间的电势交互进行调谐。例如，如果两个相邻的量子点742(例如，一个量子点742在栅极706下方，并且另一量子点742在栅极708下方)仅由短的势垒分隔开，则两个量子点742的交互可以比这两个量子点由更高的势垒分隔开时更强。由于可以通过调整相应的栅极706/708上的电压来调整每个栅极706/708下方的势阱深度/势垒高度，因此可以调整相邻栅极706/708之间的电势的差异，因此对交互进行调谐。
63.在一些应用中，栅极708可以用作柱塞栅极(plunger gate)以使得能够在栅极708下方形成量子点742，而栅极706可以用作势垒栅极以调整形成在相邻栅极708下方的量子点742之间的势垒。在其他应用中，栅极708可以用作势垒栅极，而栅极706用作柱塞栅极。在其他应用中，量子点742可以形成在所有栅极706和708下方，或者形成在栅极706和708的任何期望的子集下方。
64.通孔和线可以接触栅极706/708和掺杂区域740，以使得能够在期望的位置形成到栅极706/708和掺杂区域740的电连接。如图8中示出的，栅极706可以延伸远离鳍状物704，并且通孔720可以接触栅极706(并且在图8b中以虚线绘制以指示它们在图的平面后面的位置)。通孔720可以延伸通过硬掩模716和硬掩模718以接触栅极706的栅极金属710。栅极708
可以延伸远离鳍状物704，并且通孔722可以接触栅极708(在图8b中也以虚线绘制以指示它们在图的平面后面的位置)。通孔722可以延伸通过硬掩模718以接触栅极708的栅极金属712。通孔736可以接触界面材料741，并且由此可以与掺杂区域740进行电接触。自旋量子位类型的量子设备700还可以包括通孔和/或线(未示出)，以根据需要与栅极706/708和/或掺杂区域740进行电接触。被包括在自旋量子位类型的量子设备700中的通孔和线可以包括任何合适的材料，例如，铜、钨(例如，通过化学气相沉积(cvd)沉积)或超导体(例如，铝、锡、氮化钛、铌钛氮化物、钽、铌或其他铌化合物，例如，铌锡和铌锗)。
65.在操作期间，偏置电压可以(例如，经由通孔736和界面材料741)被施加到掺杂区域740以引起电流流动通过掺杂区域740。当掺杂区域740掺杂有n型材料时，这个电压可以是正的；当掺杂区域740掺杂有p型材料时，该电压可以是负的。该偏置电压的幅度可以取任何合适的值(例如，在0.25伏特到2伏特之间)。
66.自旋量子位类型的量子设备700可以包括一条或多条磁体线721。例如，图8中靠近鳍状物704-1示出了单条磁体线721。磁体线721可以由导电材料形成，并且可以用于传导电流脉冲，该电流脉冲生成磁场以影响在鳍状物704中形成的量子点742中的一个或多个的自旋状态。在一些实施例中，磁体线721可以传导脉冲以重置(或“扰乱”)核和/或量子点自旋。在一些实施例中，磁体线721可以传导脉冲以使处于特定自旋状态的量子点中的电子初始化。在一些实施例中，磁体线721可以传导电流以提供连续的振荡磁场，量子位的自旋可以耦合到该连续的振荡磁场。磁体线721可以提供这些实施例的任何合适的组合，或任何其他合适的功能。
67.在一些实施例中，磁体线721可以由铜形成。在一些实施例中，磁体线721可以由诸如铝之类的超导体形成。图8中示出的磁体线721与鳍状物704不共面，也与栅极706/708不共面。在一些实施例中，磁体线721可以与栅极706/708间隔开距离767。距离767可以取任何合适的值(例如，基于与量子点742交互的磁场的期望强度)；在一些实施例中，距离767可以在25纳米到1微米之间(例如，在50纳米到200纳米之间)。
68.在一些实施例中，磁体线721可以由磁性材料形成。例如，磁性材料(例如，钴)可以沉积在绝缘材料730中的沟槽(trench)中以在自旋量子位类型的量子设备700中提供永久磁场。
69.磁体线721可以具有任何合适的大小。例如，磁体线721可以具有在25纳米到100纳米之间的厚度769。磁体线721可以具有在25纳米到100纳米之间的宽度771。在一些实施例中，磁体线721的宽度771和厚度769可以分别等于自旋量子位类型的量子设备700(未示出)中用于提供电互连的其他导电垫的宽度和厚度，如本领域已知的。磁体线721可以具有取决于栅极706/708的数量和大小的长度773，栅极706/708要形成磁体线721与其交互的量子点742。图8中示出的磁体线721实质上是线性的，但不一定是这种情况；本文公开的磁体线721可以采用任何合适的形状。通孔723可以接触磁体线721。
70.通孔720、722、736和723可以通过绝缘材料730彼此电隔离。绝缘材料730可以是任何合适的材料，例如，层间电介质(ild)。绝缘材料730的示例可以包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、碳掺杂氧化物和/或氮氧化硅。如集成电路制造领域中已知的，可以在迭代过程中形成通孔和线，其中多层结构形成在彼此的顶部。在一些实施例中，通孔720/722/736/723可以具有在其最宽点处的20纳米或更大(例如，30纳米)的宽度，以及80纳米或更大(例如，100纳
米)的节距(pitch)。在一些实施例中，被包括在自旋量子位类型的量子设备700中的导电垫(未示出)可以具有100纳米或更大的宽度以及100纳米或更大的节距。图8中示出的通孔的特定布置只是说明性的，并且可以实现任何电布线布置。
71.如上面所讨论的，鳍状物704-1的结构可以与鳍状物704-2的结构相同；类似地，鳍状物704-1上的栅极706/708的构造可以与鳍状物704-2上的栅极706/708的构造相同。鳍状物704-1上的栅极706/708可以由平行鳍状物704-2上的对应的栅极706/708镜像，并且绝缘材料730可以将不同鳍状物704-1和704-2上的栅极706/708分割开。特别地，在鳍状物704-1中(在栅极706/708下方)形成的量子点742可以在鳍状物704-2中(在对应的栅极706/708下方)具有配对的量子点742。在一些实施例中，鳍状物704-1中的量子点742可以用作“有源”量子点，因为这些量子点742用作量子位并且(例如，通过施加到鳍状物704-1的栅极706/708的电压)受到控制以执行量子计算。鳍状物704-2中的量子点742可以用作“读取”量子点，因为这些量子点742可以通过检测由鳍状物704-1中的量子点742中的电荷生成的电场来感测鳍状物704-1中的量子点742的量子态，并且可以将鳍状物704-1中的量子点742的量子态转换为可以被鳍状物704-2上的栅极706/708检测到的电信号。鳍状物704-1中的每个量子点742可以被鳍状物704-2中的与该量子点相对应的量子点742读取。因此，自旋量子位类型的量子设备700实现了量子计算和读取量子计算的结果的能力这两者。
72.如上面所讨论的，自旋量子位类型的量子设备700的基部702和鳍状物704可以从衬底744和设置在衬底744上的量子阱栈746形成。量子阱栈746可以包括在自旋量子位类型的量子设备700的操作期间可以在其中形成2deg的量子阱层。量子阱栈746可以采用多种形式中的任何一种，这些形式中的若干种在图9中示出。下面讨论的量子阱栈746中的各种层可以在衬底744上生长(例如，使用外延工艺)。
73.图9a是仅包括量子阱层752的量子阱栈746的横截面视图。量子阱层752可以设置在衬底744上，并且可以由这样的材料形成：使得在自旋量子位类型的量子设备700的操作期间，2deg可以在量子阱层752中靠近量子阱层752的上表面形成。栅极706/708的栅极电介质714可以设置在量子阱层752的上表面上。在一些实施例中，图9a的量子阱层752可以由本征硅形成，并且栅极电介质714可以由氧化硅形成；在这样的布置中，在自旋量子位类型的量子设备700的使用期间，2deg可以在本征硅与氧化硅之间的界面处在本征硅中形成。其中图9a的量子阱层752由本征硅形成的实施例对于电子类型的自旋量子位类型的量子设备700可能特别有利。在一些实施例中，图9a的量子阱层752可以由本征锗形成，并且栅极电介质714可以由氧化锗形成；在这样的布置中，在自旋量子位类型的量子设备700的使用期间，2deg可以在本征锗与氧化锗之间的界面处在本征锗中形成。这样的实施例对于空穴类型的自旋量子位类型的量子设备700可能特别有利。在一些实施例中，量子阱层752可以应变，而在其他实施例中，量子阱层752可以不应变。图9a的量子阱栈746中的层的厚度(即，z高度)可以取任何合适的值。例如，在一些实施例中，量子阱层752(例如，本征硅或锗)的厚度可以在0.8微米到1.2微米之间。
74.图9b是包括量子阱层752和势垒层754的量子阱栈746的横截面视图。量子阱栈746可以设置在衬底744上，使得势垒层754设置在量子阱层752与衬底744之间。势垒层754可以在量子阱层752与衬底744之间提供势垒。如上面所讨论的，图9b的量子阱层752可以由这样的材料形成：使得在自旋量子位类型的量子设备700的操作期间，2deg可以在量子阱层752
中靠近量子阱层752的上表面形成。例如，在其中衬底744由硅形成的一些实施例中，图9b的量子阱层752是由硅形成的，而势垒层754可以由硅锗形成。这种硅锗的锗含量可以是20-80原子-％(例如，30原子-％)。在其中量子阱层752由锗形成的一些实施例中，势垒层754可以由硅锗(具有20-80原子-％(例如，70原子-％)的锗含量)形成。图9b的量子阱栈746中的层的厚度(即，z高度)可以取任何合适的值。例如，在一些实施例中，势垒层754(例如，硅锗)的厚度可以在0纳米到400纳米之间。在一些实施例中，量子阱层752(例如，硅或锗)的厚度可以在5纳米到30纳米之间。
75.图9c是包括量子阱层752和势垒层754-1以及缓冲层776和附加的势垒层754-2的量子阱栈746的横截面视图。量子阱栈746可以设置在衬底744上，使得缓冲层776设置在势垒层754-1与衬底744之间。缓冲层776可以由与势垒层754相同的材料形成，并且该缓冲层776可以存在以捕捉在该材料中随着其在衬底744上生长时形成的缺陷。在一些实施例中，缓冲层776可以在与势垒层754-1不同的条件(例如，沉积温度或生长速率)下生长。特别地，势垒层754-1可以在实现比缓冲层776更少缺陷的条件下生长。在其中缓冲层776包括硅锗的一些实施例中，缓冲层776的硅锗的锗含量可以从衬底744到势垒层754-1变化；例如，缓冲层776的硅锗的锗含量可以从硅衬底744处的零百分比变化到势垒层754-1处的非零百分比(例如，30％)。图9c的量子阱栈746中的层的厚度(即，z高度)可以取任何合适的值。例如，在一些实施例中，缓冲层776(例如，硅锗)的厚度可以在0.3微米到4微米之间(例如，0.3微米到2微米，或0.5微米)。在一些实施例中，势垒层754-1(例如，硅锗)的厚度可以在0纳米到400纳米之间。在一些实施例中，量子阱层752(例如，硅或锗)的厚度可以在5纳米到30纳米之间(例如，10纳米)。势垒层754-2如同势垒层754-1一样，可以在量子阱层752周围提供势能势垒，并且可以采用势垒层754-1的实施例中的任一个的形式。在一些实施例中，势垒层754-2(例如，硅锗)的厚度可以在25纳米到75纳米之间(例如，32纳米)。
76.如上面参考图9b所讨论的，图9c的量子阱层752可以由这样的材料形成：使得在自旋量子位类型的量子设备700的操作期间，2deg可以在量子阱层752中靠近量子阱层752的上表面形成。例如，在其中衬底744由硅形成的一些实施例中，图9c的量子阱层752可以由硅形成，并且势垒层754-1和缓冲层776可以由硅锗形成。在一些这样的实施例中，缓冲层776的硅锗的锗含量可以从衬底744到势垒层754-1变化；例如，缓冲层776的硅锗的锗含量可以从硅衬底744处的零百分比变化到势垒层754-1处的非零百分比(例如，30％)。在其他实施例中，缓冲层776的锗含量可以等于势垒层754-1的锗含量，但是缓冲层776可以比势垒层754-1更厚以吸收在生长期间出现的缺陷。
77.在一些实施例中，图9c的量子阱层752可以由锗形成，并且缓冲层776和势垒层754-1可以由硅锗形成。在一些这样的实施例中，缓冲层776的硅锗的锗含量可以从衬底744到势垒层754-1变化；例如，缓冲层776的硅锗的锗含量可以从衬底744处的零百分比变化到势垒层754-1处的非零百分比(例如，70％)。势垒层754-1可以进而具有等于非零百分比的锗含量。在其他实施例中，缓冲层776的锗含量可以等于势垒层754-1的锗含量，但是缓冲层776可以比势垒层754-1更厚以吸收在生长期间出现的缺陷。在图9c的量子阱栈746的一些实施例中，可以省略缓冲层776和/或势垒层754-2。
78.图10是晶片450和可以从晶片450形成的管芯452的顶视图；管芯452可以被包括在本文讨论的控制电路104和/或量子位电路106中。晶片450可以包括半导体材料，并且可以
包括具有形成在晶片450的表面上的常规和/或qc设备元件的一个或多个管芯452。管芯452中的每一个可以是半导体产品的重复单元，该半导体产品包括任何合适的常规和/或qc设备。在半导体产品的制造完成之后，晶片450可以经历分离过程，其中每个管芯452与其他管芯分隔开以提供半导体产品的分立“芯片”。管芯452可以包括一个或多个qc设备(例如，上面参考图6-9讨论的设备)和/或用于将电信号路由到qc设备的支持电路(例如，包括通孔和线的互连，或控制电路)以及任何其他集成电路组件。在一些实施例中，晶片450或管芯452可包括存储器设备(例如，静态随机存取存储器(sram)设备)、逻辑设备(例如，and、or、nand或nor门)或任何其他合适的电路元件。这些设备中的多个设备可以组合在单个管芯452上。例如，由多个存储器设备形成的存储器阵列可以形成在与处理设备(例如，图11的处理设备2002)或者被配置为将信息存储在存储器设备中或执行存储在存储器阵列中的指令的其他逻辑相同的管芯452上。
79.图11是可以由本文公开的qc系统100实现的示例qc系统2000的框图。许多组件在图11中示为被包括在qc系统2000中，但是这些组件中的任何一个或多个可以被省略或复制以适用于应用。在一些实施例中，被包括在qc系统2000中的一些或所有组件可以附接到一个或多个pcb(例如，母板)。在一些实施例中，这些组件中的各种组件可以被制造到单个片上系统(soc)管芯上。另外地，在各种实施例中，qc系统2000可以不包括图11中示出的组件中的一个或多个，但是qc系统2000可以包括用于耦合到一个或多个组件的接口电路。例如，qc系统2000可以不包括显示设备2006，而是可以包括显示设备2006可以耦合到的显示设备接口电路(例如，连接器和驱动器电路)。在另一组示例中，qc系统2000可以不包括音频输入设备2024或音频输出设备2008，但是可以包括音频输入设备2024或音频输出设备2008可以耦合到的音频输入或输出设备接口电路(例如，连接器和支持电路)。
80.qc系统2000可以包括处理设备2002(例如，一个或多个处理设备)。如本文所使用的，术语“处理设备”或“处理器”可以指代处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据转换为可以存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据的任何设备或设备的一部分。处理设备2002可以包括量子处理设备2026(例如，一个或多个量子处理设备)和非量子处理设备2028(例如，一个或多个非量子处理设备)。量子处理设备2026可以包括一个或多个qc模块128的量子位电路106，并且非量子处理设备2028可以包括一个或多个qc模块128的控制电路104(并且还可以包括外部电子电路108中的一些或全部)。量子处理设备2026可以包括本文公开的管芯中的一个或多个，并且可以通过对可以在管芯中生成的量子位执行操作并监视这些操作的结果来执行数据处理。例如，如上面所讨论的，可以允许不同的量子位交互，可以设置或转换不同量子位的量子态，并且可以读取量子位的量子态。量子处理设备2026可以是通用量子处理器，或被配置为运行一种或多种特定量子算法的专用量子处理器。在一些实施例中，量子处理设备2026可以执行特别适用于量子计算机的算法，例如，利用素因子分解、加密/解密的密码算法、用于优化化学反应的算法、用于建模蛋白质折叠的算法等。量子处理设备2026还可以包括支持电路以支持量子处理设备2026的处理能力，例如，输入/输出通道、复用器、信号混合器、量子放大器等。
81.如上面所指出的，处理设备2002可以包括非量子处理设备2028。在一些实施例中，非量子处理设备2028可以提供外围逻辑以支持量子处理设备2026的操作。例如，非量子处理设备2028可以控制读取操作的执行、控制写入操作的执行、控制量子位的清除、控制本文
讨论的操作中的任一个的执行等。非量子处理设备2028还可以执行常规的计算功能以补充由量子处理设备2026提供的计算功能。例如，非量子处理设备2028可以与qc系统2000的其他组件中的一个或多个(例如，下面讨论的通信芯片2012、下面讨论的显示设备2006等)以常规方式接合，并且非量子处理设备2028可以用作在量子处理设备2026与常规组件之间的接口。非量子处理设备2028可以包括一个或多个数字信号处理器(dsp)、专用ic(asic)、中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、密码处理器(在硬件内执行密码算法的专用处理器)、服务器处理器或任何其他合适的处理设备。
82.qc系统2000可以包括存储器2004，该存储器2004本身可以包括一个或多个存储器设备，例如，易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(dram))、非易失性存储器(例如，只读存储器(rom))、闪速存储器、固态存储器和/或硬盘驱动器。在一些实施例中，量子处理设备2026中的量子位的状态可以被读取并存储在存储器2004中。在一些实施例中，存储器2004可以包括与非量子处理设备2028共享管芯的存储器。该存储器可以用作高速缓冲存储器，并且可以包括嵌入式动态随机存取存储器(edram)或自旋转移矩磁随机存取存储器(stt-mram)。
83.qc系统2000可以包括一个或多个冷却装置2030(例如，本文讨论的制冷机102中的任一个)。冷却装置2030可以在操作期间将量子处理设备2026维持在预定的低温处以减少在量子处理设备2026中的散射的影响。
84.在一些实施例中，qc系统2000可以包括通信芯片2012(例如，一个或多个通信芯片)。例如，通信芯片2012可以被配置用于管理无线通信，以将数据传送到qc系统2000和从qc系统2000传送数据。术语“无线”及其派生词可以用于描述可以通过非固体介质通过使用调制的电磁辐射来通信数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。该术语并不暗示相关联的设备不包含任何电线，尽管在一些实施例中相关联的设备可能不包含任何电线。
85.通信芯片2012可以实现多种无线标准或协议中的任一种，包括但不限于电气和电子工程师协会(ieee)标准，包括wi-fi(ieee 802.11系列)、ieee 802.16标准(例如，ieee 802.16-2005修正)、长期演进(lte)项目以及任何修正、更新和/或修订(例如，高级lte项目、超移动宽带(umb)项目(也称为“3gpp2”)等)。兼容ieee 802.16的宽带无线接入(bwa)网络通常被称为wimax网络，其是代表worldwide interoperability for microwave access(全球接入微波互操作)的首字母缩写词，该wimax是通过ieee 802.16标准的一致性和互操作性测试的产品的认证标志。通信芯片2012可以根据以下各项进行操作：全球移动通信系统(gsm)、通用分组无线电服务(gprs)、通用移动电信系统(umts)、高速分组接入(hspa)、演进的hspa(e-hspa)或lte网络。通信芯片2012可以根据以下各项进行操作：用于gsm演进的增强型数据(edge)、gsm edge无线电接入网络(geran)、通用陆地无线电接入网络(utran)或演进的utran(e-utran)。通信芯片2012可以根据以下各项进行操作：码分多址(cdma)、时分多址(tdma)、数字增强型无绳电信(dect)、演进数据优化(ev-do)及其衍生物以及被指定为3g、4g、5g及更高版本的任何其他无线协议。在其他实施例中，通信芯片2012可以根据其他无线协议进行操作。qc系统2000可以包括天线2022以促进无线通信和/或接收其他无线通信(例如，am或fm无线电传输)。
86.在一些实施例中，通信芯片2012可以管理有线通信，例如，电、光学或任何其他合适的通信协议(例如，以太网)。如上面所指出的，通信芯片2012可以包括多个通信芯片。例
如，第一通信芯片2012可以专用于较短范围的无线通信，例如，wi-fi或蓝牙，并且第二通信芯片2012可以专用于较长范围的无线通信，例如，全球定位系统(gps)、edge、gprs、cdma、wimax、lte、ev-do以及其他。在一些实施例中，第一通信芯片2012可以专用于无线通信，并且第二通信芯片2012可以专用于有线通信。
87.qc系统2000可以包括电池/电源电路2014。电池/电源电路2014可以包括一个或多个能量存储设备(例如，电池或电容器)和/或用于将qc系统2000的组件耦合到与qc系统2000分离的能量源(例如，ac线电源)的电路。
88.qc系统2000可以包括显示设备2006(或对应的接口电路，如上面所讨论的)。显示设备2006可以包括任何视觉指示器，例如，平视显示器、计算机监视器、投影仪、触摸屏显示器、液晶显示器(lcd)、发光二极管显示器或平板显示器。
89.qc系统2000可以包括音频输出设备2008(或对应的接口电路，如上面所讨论的)。音频输出设备2008可以包括生成可听指示符的任何设备，例如，扬声器、头戴式耳机或耳塞。
90.qc系统2000可以包括音频输入设备2024(或对应的接口电路，如上面所讨论的)。音频输入设备2024可以包括生成代表声音的信号的任何设备，例如，麦克风、麦克风阵列或数字乐器(例如，具有乐器数字接口(midi)输出的乐器)。
91.qc系统2000可以包括gps设备2018(或对应的接口电路，如上面所讨论的)。gps设备2018可以与基于卫星的系统通信，并且可以接收qc系统2000的位置，如本领域中已知的。
92.qc系统2000可以包括其他输出设备2010(或对应的接口电路，如上面所讨论的)。其他输出设备2010的示例可以包括音频编解码器、视频编解码器、打印机、用于向其他设备提供信息的有线或无线发射机或附加的存储设备。
93.qc系统2000可以包括其他输入设备2020(或对应的接口电路，如上面所讨论的)。其他输入设备2020的示例可以包括加速度计、陀螺仪、罗盘、图像捕获设备、键盘、光标控制设备(例如，鼠标)、手写笔、触摸板、条形码阅读器、快速响应(qr)码阅读器、任何传感器或射频识别(rfid)阅读器。
94.以下段落提供了本文公开的实施例的各种示例。
95.示例1是一种量子计算组装件，包括：控制电路，其中，该控制电路包括到量子位电路的第一接口以及到外部电子电路的第二接口，并且第二接口是光学接口。
96.示例2包括示例1的主题，并且还指定光学接口包括一个或多个激光器。
97.示例3包括示例2的主题，并且还指定一个或多个激光器包括多个激光器，并且光学接口用于将多个激光器的输出复用到单条光缆上。
98.示例4包括示例2的主题，并且还指定一个或多个激光器包括多个激光器，并且光学接口用于将多个激光器的输出提供给对应的多条光缆。
99.示例5包括示例1-4中任一项的主题，并且还指定光学接口包括一个或多个光电检测器。
100.示例6包括示例1-5中任一项的主题，并且还包括：耦合到光学接口的一条或多条光缆。
101.示例7包括示例1-6中任一项的主题，并且还指定光学接口包括用于制冷机的光学连接器。
102.示例8包括示例1-7中任一项的主题，并且还包括：量子位电路。
103.示例9包括示例8的主题，并且还指定量子位电路由数字电缆、模拟电缆或射频(rf)电缆耦合到第一接口。
104.示例10包括示例8-9中任一项的主题，并且还指定量子位电路包括自旋量子位类型的量子设备。
105.示例11包括示例8-10中任一项的主题，并且还指定量子位电路包括超导量子位类型的量子设备。
106.示例12包括示例8-11中任一项的主题，并且还包括：制冷机，其中，量子位电路在制冷机的第一级中，控制电路中的至少一些在制冷机的第二级中，并且第二级比第一级更暖。
107.示例13包括示例1-12中任一项的主题，并且还包括：制冷机，其中，第一接口在制冷机的第一级中，第二接口在制冷机的第二级中，并且第二级比第一级更暖。
108.示例14包括示例1-13中任一项的主题，并且还包括：外部电子电路。
109.示例15包括示例14的主题，并且还指定控制电路在制冷机的内部，并且外部电子电路在制冷机的外部。
110.示例16包括示例1-15中任一项的主题，并且还指定控制电路用于控制被施加到量子位电路的量子位元件的信号。
111.示例17包括示例1-16中任一项的主题，并且还指定控制电路包括存储器设备，以存储在量子位电路的操作期间由量子位元件生成的数据。
112.示例18包括示例1-17中任一项的主题，并且还指定控制电路包括存储器设备，以存储用于要由量子位电路执行的量子计算算法的指令。
113.示例19是一种量子计算组装件，包括：制冷机，该制冷机包括第一级和第二级，其中，第一级比第二级更冷；量子位电路，其中，该量子位电路在第一级中；以及控制电路，该控制电路包括到外部电子电路的光学接口，其中，光学接口在第二级中，并且控制电路通信地耦合到量子位电路。
114.示例20包括示例19的主题，并且还指定控制电路包括数字或混合信号控制器，并且控制器在第二级中。
115.实施例21包括实施例19的主题，并且还指定制冷机包括在第一级与第二级之间的第三级，该第三级比第一级更暖且比第二级更冷，控制电路包括控制器，并且该控制器在第三级中。
116.示例22包括示例19的主题，并且还指定光学接口包括一个或多个激光器。
117.示例23包括示例22的主题，并且还指定一个或多个激光器包括多个激光器，并且光学接口用于将多个激光器的输出复用到单条光缆上。
118.示例24包括示例22的主题，并且还指定一个或多个激光器包括多个激光器，并且光学接口用于将多个激光器的输出提供给对应的多条光缆。
119.示例25包括示例19-24中任一项的主题，并且还指定光学接口包括一个或多个光电检测器。
120.示例26包括示例19-25中任一项的主题，并且还包括：耦合到光学接口的一条或多条光缆。
121.示例27包括示例19-26中任一项的主题，并且还指定光学接口包括用于制冷机的光学连接器。
122.示例28包括示例19-27中任一项的主题，并且还指定量子位电路由数字电缆、模拟电缆或射频(rf)电缆通信地耦合到控制电路。
123.示例29包括示例19-28中任一项的主题，并且还指定量子位电路包括自旋量子位类型的量子设备。
124.示例30包括示例19-29中任一项的主题，并且还指定量子位电路包括超导量子位类型的量子设备。
125.示例31包括示例19-30中任一项的主题，并且还包括：外部电子电路。
126.示例32包括示例31的主题，并且还指定控制电路在制冷机的内部，并且外部电子电路在制冷机的外部。
127.示例33包括示例19-32中任一项的主题，并且还指定控制电路用于控制被施加到量子位电路的量子位元件的信号。
128.示例34包括示例19-33中任一项的主题，并且还指定控制电路包括存储器设备，以存储在量子位电路的操作期间由量子位元件生成的数据。
129.示例35包括示例19-34中任一项的主题，并且还指定控制电路包括存储器设备，以存储用于要由量子位电路执行的量子计算算法的指令。
130.示例36是一种量子计算组装件，包括：第一制冷系统，其中，第一制冷系统包括：其中具有第一量子位电路和第一控制电路的第一制冷机，第一量子位电路位于第一制冷机中的比第一控制电路更冷的级处，并且第一控制电路包括第一光学接口；第二制冷系统，其中，第二制冷系统包括：其中具有第二量子位电路和第二控制电路的第二制冷机，第二量子位电路位于第二制冷机中的比第二控制电路更冷的级处，并且第二控制电路包括第二光学接口；以及外部电子电路，其中，第一控制电路经由第一光学接口通信地耦合到外部电子电路，并且第二控制电路经由第二光学接口通信地耦合到外部电子电路。
131.示例37包括示例36的主题，并且还指定第一控制电路被包括在第一制冷机的单个级中。
132.示例38包括示例36的主题，并且还指定第一控制电路跨第一制冷机的多个级分布。
133.示例39包括示例36-38中任一项的主题，并且还指定第一光学接口包括一个或多个激光器。
134.示例40包括示例39的主题，并且还指定一个或多个激光器包括多个激光器，并且第一光学接口用于将多个激光器的输出复用到单条光缆上。
135.示例41包括示例39的主题，并且还指定一个或多个激光器包括多个激光器，并且第一光学接口用于将多个激光器的输出提供给对应的多条光缆。
136.示例42包括示例36-41中任一项的主题，并且还指定第一光学接口包括一个或多个光电检测器。
137.示例43包括示例36-42中任一项的主题，并且还指定第一光学接口包括用于制冷机的光学连接器。
138.示例44包括示例36-43中任一项的主题，并且还指定第一量子位电路由数字电缆、
模拟电缆或射频(rf)电缆通信地耦合到第一控制电路。
139.示例45包括示例36-44中任一项的主题，并且还指定第一量子位电路包括自旋量子位类型的量子设备。
140.示例46包括示例36-45中任一项的主题，并且还指定第一量子位电路包括超导量子位类型的量子设备。
141.示例47包括示例36-46中任一项的主题，并且还指定外部电子电路在第一制冷机的外部和第二制冷机的外部。
142.示例48包括示例36-47中任一项的主题，并且还指定第一控制电路用于控制被施加到第一量子位电路的量子位元件的信号。
143.示例49包括示例36-48中任一项的主题，并且还指定第一控制电路包括存储器设备，以存储在第一量子位电路的操作期间由量子位元件生成的数据。
144.示例50包括示例36-49中任一项的主题，并且还指定外部电子电路包括存储器设备，以存储用于要由第一量子位电路执行的量子计算算法的指令。