TRANSMON量子比特的通量量子比特读出的制作方法

transmon量子比特的通量量子比特读出
技术领域
1.本主题涉及transmon量子比特的读出方案。


背景技术：

2.大型量子计算机有为特定类别的难题提供快速解决方案的潜力。控制、编程和维持量子硬件的量子架构的设计和实施中的多重挑战阻碍了大规模量子计算的实现。


技术实现要素：

3.本公开描述了用于实现transmon量子比特的读出方案的技术。
4.总的来说，本公开的主题的一个创新方面可以体现在用于读出量子比特的状态的检测器中，该检测器包括通量量子比特(flux qubit)和通量偏置(flux bias)生成器，其中通量量子比特包括电感器、包括至少一个约瑟夫森结(josephsonjunction)的squid环和电容器，其中，电感器、至少一个约瑟夫森结和电容器彼此并联连接，其中，通量量子比特被布置为呈现第一通量状态和第二通量状态，其中，通量偏置生成器被配置为生成通过电感器的第一通量偏置和通过squid环的第二通量偏置，其中，通量量子比特被配置为响应于第一通量偏置的第一值，使得第一通量状态和第二通量状态的能量基本上相同，并且使得响应于第一通量偏置的第二值，第一通量状态和第二通量状态的能量不同，并且其中，通量量子比特被配置为，响应于第二通量偏置的第一值，耦合到量子比特，并且响应于第二通量偏置的第二值，从量子比特解耦合并且抑制第一通量状态和第二通量状态之间的隧穿(tunneling)。
5.前述和其他实现方式可以各自可选地单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。
6.在一些实现方式中，检测器还包括测量单元。测量单元被配置为确定通量量子比特是处于第一通量状态还是第二通量状态，并且取决于通量量子比特是处于第一通量状态还是第二通量状态来输出信号。
7.在一些实现方式中，通量偏置生成器被配置为按照以下次序：生成第一通量偏置的第一值，使得通量量子比特的第一通量状态和第二通量状态的能量基本上相同；生成第二通量偏置的第一值，使得第一通量状态和第二通量状态之间的势垒最小化，并且通量量子比特的谐振频率被调谐到相互作用的频率，使得通量量子比特耦合到数据量子比特，并且数据量子比特的状态被映射到通量量子比特的能态；生成第一通量偏置的第二值，使得通量量子比特的第一通量状态和第二通量状态的能量不同；并且生成第二通量偏置的第二值，使得通量量子比特从量子比特解耦合，并且通量量子比特的能态被映射到第一通量状态或第二通量状态的叠加。
8.在一些实现方式中，响应于第二通量偏置的第一值，通量量子比特被配置为通过将通量量子比特的谐振频率调谐成与量子比特的谐振频率谐振来耦合到量子比特。
9.在一些实现方式中，响应于第二通量偏置的第二值，通量量子比特的谐振频率与
量子比特的谐振频率相差超过2ghz。
10.在一些实现方式中，测量单元包括信号生成器、传输线和功率检测器。通量量子比特经由分流线(shunt line)连接到传输线。信号生成器被配置为通过传输线经由通量量子比特向功率检测器发送行波。测量单元被配置为基于功率检测器的输出来确定通量量子比特是处于第一通量状态还是第二通量状态。
11.在一些实现方式中，测量单元不包括环形器、参量放大器和高电子迁移率晶体管hemt。
12.在一些实现方式中，测量单元包括被布置为测量由通量量子比特生成的通量的单通量量子sfq电路和辨别器。辨别器被配置为基于单通量量子sfq电路的输出来确定通量量子比特是处于第一通量状态还是处于第二通量状态。
13.在一些实现方式中，电容器的电容在10ff至100ff之间。
14.在一些实现中，由squid环占据的面积在1μm2至100μm2之间。
15.在一些实现方式中，通量量子比特被布置为响应于第二通量偏置的第一值，在第一通量状态和第二通量状态之间形成势垒，使得第一通量状态和第二通量状态之间的隧穿减少。
16.在一些实现方式中，通量量子比特被布置为使得响应于第一通量偏置的第二值，生成第一通量状态和第二通量状态的能量的差。
17.在一些实现方式中，通量偏置生成器包括被配置为生成电流的电流源和被布置为将电流转换成磁场的换能器。换能器被布置为使得第一通量偏置和第二通量偏置由磁场来提供。
18.在一些实现方式中，换能器包括用于生成第一通量偏置的第一线圈和用于生成第二通量偏置的第二线圈。
19.在一些实现方式中，电感器包括第一梯度度量线圈，并且第一线圈包括第二梯度度量线圈，并且第一梯度度量线圈和第二梯度度量线圈被配置为使得第一通量偏置主要耦合到电感器，并且第二通量偏置从第二线圈到电感器的耦合减少。
20.本公开主题的另一个创新方面可以体现在一种读出数据量子比特的状态的方法中，包括提供通量量子比特，该通量量子比特包括电感器、包括至少一个约瑟夫森结的squid环和电容器。电感器、至少一个约瑟夫森结和电容器彼此并联连接，并且通量量子比特被布置为呈现第一通量状态和第二通量状态。该方法还包括施加通过通量量子比特的第一通量偏置的第一值，使得通量量子比特的第一通量状态和第二通量状态的能量基本上相同，施加通过squid环的第二通量偏置的第一值，使得第一通量状态和第二通量状态之间的势垒最小化，并且通量量子比特的谐振频率被调谐到相互作用的频率，将数据量子比特的谐振频率调谐到相互作用的频率，使得通量量子比特耦合到数据量子比特，并且数据量子比特的状态被映射到通量量子比特的能态，施加第一通量偏置的第二值，使得通量量子比特的第一通量状态和第二通量状态的能量不同，并且施加第二通量偏置的第二值，使得通量量子比特从数据量子比特解耦合，并且通量量子比特的能态被映射到第一通量状态或第二通量状态的叠加。
21.前述和其他实现方式可以各自可选地单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。
22.在一些实现方式中，该方法还包括确定通量量子比特是处于第一通量状态还是第二通量状态，并且根据通量量子比特是处于第一通量状态还是第二通量状态来输出信号。
23.在一些实现方式中，基于相互作用的程度来确定生成第二通量偏置的第一值和生成第二通量偏置的第二值之间的第一时间间隔，使得量子比特的状态被完全映射到通量量子比特。
24.在一些实现方式中，该方法还包括提供数据量子比特和用于测量数据量子比特的状态的测量量子比特，将数据量子比特激发到激发态，将测量量子比特偏置成单阱势能配置，调谐测量量子比特，使得来自数据量子比特的激发态的光子转移到测量量子比特，将包含转移的光子的测量量子比特偏置成双阱势能配置，以及升高双阱势能配置的第一阱和第二阱之间的势垒。第一阱或第二阱包括转移的光子。升高的势阱防止转移的光子泄漏到双阱势能配置的相邻阱中。
25.在一些实现方式中，调谐测量量子比特，使得来自数据量子比特的激发态的光子转移到测量量子比特，包括：调谐测量量子比特以与处于激发态的数据量子比特谐振。
26.在一些实现方式中，将包含转移的光子的测量量子比特偏置成双阱势能配置，包括：倾斜测量量子比特的势能曲线，使得包含转移的光子的测量量子比特的能态被映射到双阱势能配置的第一阱和第二阱。
27.在一些实现方式中，该方法还包括读出测量量子比特的能态。
28.在一些实现方式中，读出测量量子比特的能态，包括：对测量量子比特应用微波反射计。
29.在一些实现方式中，读出测量量子比特的能态，包括：读出测量量子比特的第一能态和第二能态之间的通量差。
30.在一些实现方式中，读出通量差是使用单通量量子(sfq)测量通量差来执行的。
31.在一些实现方式中，数据量子比特是transmon量子比特。
32.在一些实现方式中，测量量子比特是通量量子比特。
33.在一些实现方式中，数据量子比特在第一基底上，并且测量量子比特在接合到第一基底的第二基底上。
34.本公开主题的另一个创新方面可以体现在一种方法中，该方法包括对量子比特执行量子计算操作，以将量子比特置于单阱势能配置内两个能态中的第一激发态，偏置量子比特，使得两个能态被分别映射到双阱势能配置的两个阱，以及升高双阱势能配置的第一阱和第二阱之间的势垒。第一激发态被映射到第一阱或第二阱，并且升高的势阱防止激发态泄漏到双阱势能配置的相邻阱中。
35.前述和其他实现方式可以各自可选地单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。
36.在一些实现方式中，该方法包括使用微波反射计来确定量子比特的激发态。
37.在一些实现方式中，该方法包括使用sfq电路来确定量子比特的激发态。
38.在一些实现方式中，提供了一种用于利用量子纠错算法进行量子计算的阵列。该阵列包括多个量子比特，以及根据用于读出量子比特的状态的检测器的前述实现方式的多个检测器。该阵列被布置为使得每个量子比特具有至少一个检测器作为最近邻。根据作为纠错的表面码量子计算，多个量子比特用作数据量子比特，并且多个检测器用作辅助量子
比特。每个检测器的通量量子比特是用于量子纠错算法的辅助量子比特。
39.在一些实现方式中，多个量子比特被设置在第一基底上，并且多个检测器被设置在第二基底上。多个检测器的通量量子比特经由在第一基底和第二基底之间形成的真空间隙电容耦合到量子比特。
40.在一些实现方式中，多个量子比特是transmon量子比特。
41.本公开主题的另一个创新方面可以体现在一种方法中，该方法包括确定用于通量量子比特的单阱配置和双阱配置的偏置条件，使得通量量子比特处于单阱配置下的相互作用频率。在该相互作用频率下，通量量子比特与数据量子比特谐振。该方法还包括确定数据量子比特针对该相互作用频率的第一偏置条件，确定数据量子比特针对远离该相互作用频率的频率的第二偏置条件，向数据量子比特施加微波脉冲以准备状态并调谐到该相互作用频率，以及测量通量量子比特的状态，以读出数据量子比特的状态。
42.在附图和下面的描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，本发明的其他特征、目的和优点将变得清楚。
附图说明
43.图1是示出用于测量transmon量子比特的计算状态的色散测量(dispersive measurement)方案的示例性实施例的示意图。
44.图2是示出其中检测器量子比特用作数据量子比特的状态检测器的示例性测量方案的示意图。
45.图3是示出其中相位量子比特用作transmon量子比特的检测器量子比特的示例性测量方案的示意图。
46.图4是示出其中通量(flux)量子比特用作transmon量子比特的检测器量子比特的示例性测量方案的示意图。
47.图5是示出使用通量量子比特读出transmon量子比特的状态的方法的流程图。
48.图6是示出校准通量量子比特以读出transmon量子比特的状态的方法的流程图。
49.图7a是示出通量偏置生成器的示例性实施例的示意图。
50.图7b是示出与通量量子比特一起使用的换能器(transducer)的示例性实施例的示意图。
具体实施方式
51.量子计算需要相干地处理存储在量子计算机的量子比特(qubit)中的量子信息。超导量子计算是固态量子计算技术的一种有前景的实现方式，其中量子信息处理系统部分地由超导材料形成。为了操作采用固态量子计算技术(诸如超导量子比特)的量子信息处理系统，将系统维持在极低的温度，例如几十mk。系统的极端冷却将超导材料保持在其临界温度以下，并且有助于避免不希望的状态跃迁(transition)。为了维持这样的低温，量子信息处理系统可以在低温恒温器(诸如稀释制冷机)中操作。
52.在某些情况下，大规模量子计算机可以使用transmon量子比特或其变体来实现。transmon量子比特包括与一个或多个约瑟夫森结的并联的大电容器，这提高了量子比特对电荷噪声的不敏感性，并且允许量子比特呈现长相干时间。此外，已经使用transmon量子比
特演示了高精度的单逻辑门和双逻辑门操作。当transmon量子比特用作用于量子计算操作的数据量子比特时，高保真地读出这些量子比特的状态是操作的重要部分。
53.然而，由于不能通过单次(single-shot)通量或电荷测量来区分transmon量子比特的计算状态，所以transmon量子比特的状态是基于能量的差而不是基于通量或电荷的差来测量的。此外，transmon量子比特的两种状态的能量差仅仅是一个微波光子。频率约为5ghz的微波光子仅有0.02mev的能量，其太低了以至于无法用常规方法检测到。为此，通常采用相对复杂和间接的色散测量方案：行波经由传输线被发送到耦合到量子比特的谐振器中，并且取决于transmon量子比特的状态，不同程度的相移或振幅改变被赋予行波。这种方案需要低温恒温器内具有相对大体积的特殊仪器并且已知会导致不理想，这可能会损害量子计算机执行的操作的保真度，将在下面对此进行讨论。
54.一种备选策略是将transmon量子比特的状态转移到其中通量或电荷测量是可能的另一个量子比特，即，检测器量子比特。这减少了对与试图测量状态的改变相关的对小信号的放大的需要，以及将相对大量的光子发送到transmon量子比特的需要。检测器量子比特可以被动态地调谐成与transmon量子比特谐振或不谐振，使得transmon量子比特的状态根据需要转移。这已经用相位量子比特作为检测器量子比特进行了测试。然而，使用相位量子比特作为检测器量子比特的缺点在于其长的死区时间(dead time)，这阻碍了快速操作，也将在下面的图3中对此进行讨论。此外，当用相位量子比特执行检测时，相位量子比特状态从浅势阱(potential well)跳到深势阱。这导致发射数十个微波光子，这些微波光子可以传播到芯片的其他部分，从而损害量子比特的量子相干性。也将在下面的图3中对此进行讨论。
55.为了解决这些问题，本公开涉及使用通量量子比特作为检测器量子比特，并且将通量量子比特电容地耦合到transmon量子比特，使得transmon量子比特的状态可以被映射到通量量子比特并且通过通量量子比特的自通量的差来检测。通量量子比特的自通量的水平大到足以被诸如sfq的技术检测到。此外，通量量子比特不发射任何微波光子。
56.图1是示出用于测量transmon量子比特101的计算状态的色散测量(dispersive measurement)方案的示例性实施例的示意图。
57.输入探测信号121被发送到传输线120中。输入探测信号121是行波，其可以是传输线120的一个或多个导模(guided mode)。输入探测信号121的频率可以是处于或接近transmon量子比特101的谐振频率的微波频率，使得transmon量子比特101可以由输入探测信号121谐振地或色散地(dispersively)寻址。
58.transmon量子比特101可以经由读出谐振器111耦合到传输线120。例如，读出谐振器111可以是其上制造有transmon量子比特101和传输线120的超导层内的四分之一波共面波导谐振器。被发送到读出谐振器111的输入探测信号121可以取决于transmon量子比特101的状态来获取相移和/或振幅改变。transmon量子比特101色散地耦合到读出谐振器111。换句话说，transmon量子比特101的谐振频率与读出谐振器111的中心频率失谐。transmon量子比特101和读出谐振器111形成所谓的缀衣腔(dressed cavity)状态，在该状态中，读出谐振器111的谐振频率取决于transmon量子比特101的状态而改变。此外，由于约瑟夫森结的非线性，因此transmon量子比特101的阻抗取决于transmon量子比特101的状态。因此，如果transmon量子比特101处于第一状态101-1，则传输线120输出第一输出探测
信号122，并且如果transmon量子比特101处于第二状态101-2，则传输线120输出第二输出探测信号123。transmon量子比特101的状态可以通过输出信号是第一输出探测信号122还是第二输出探测信号123来推断。
59.经由读出谐振器111耦合到环境导致了transmon量子比特101的阻尼或辐射寿命t1的减少，这降低了transmon量子比特101的相干性。这还对transmon量子比特101的测量时间施加了限制，并给出了最小所需操作速度。因此，除了使读出谐振器111的谐振与transmon量子比特101的谐振频率失谐之外，读出谐振器111的泄漏速率或品质因子可以被优化，使得其在将transmon量子比特101的阻尼保持在可接受的速率的同时允许必要的测量速度。
60.为了进一步将transmon量子比特101与外部电路的阻尼隔离，purcell滤波器112也可以被放置在传输线120和transmon量子比特101之间，例如，在读出谐振器111的输出侧，与读出谐振器111串联。purcell滤波器112在包括transmon量子比特101的谐振频率的频率范围上将transmon量子比特101从外部电路解耦合，以抑制transmon量子比特101的阻尼。可以防止transmon量子比特101的谐振频率附近的光子耦合到外部电路。purcell滤波器可以用例如连接到地的一对对称的四分之一波短截线(stub)来实现。
61.尽管用图1中描述的色散测量方案证明了相当高的准确度，诸如针对单个transmon量子比特101的98％的准确度，但是将这种色散测量方案缩放到具有大量transmon量子比特101的系统可能会由于若干的因素而变得复杂。例如，图1中描述的色散测量方案可能需要一系列用于放大弱信号的元件，例如，量子受限参量放大器、低噪声低温放大器，诸如高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)。色散测量方案可能还需要磁非互易元件(诸如环形器)，以将transmon量子比特101与这些放大器生成的噪声隔离。这些元件可能占据低温恒温器的大量毫开尔文级的有限空间，并且每个元件生成的热量加起来可能超过低温恒温器的冷却能力。此外，如果输出信号122、123由以室温执行外差检测和阈值处理的解调电子器件来处理，这可能还需要实现以测量结果为条件的低时延反馈。
62.因此，如图1中描述的色散测量方案可能不适于将该操作缩放到大量的transmon量子比特101。此外，尽管色散测量的信噪比可以随着输入探测信号121的强度而提高，但是已经观察到，被发送到读出谐振器111中的太多光子导致伪(spurious)量子比特状态跃迁，这会损害操作的保真度。
63.作为替代方法，可以使用约瑟夫森光电倍增器(josephson photo-multiplier，jpm)作为传输线120的输出处的微波光子计数器来检测输出信号122、123，来稍微简化图1中描述的色散测量方案。约瑟夫森光电倍增器包括rf超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device，squid)环中的单个约瑟夫森结，该squid环被偏置到发生相位滑移的临界通量附近。transmon量子比特101仍然可以色散地耦合到读出谐振器111。然而，代替使用环形器和多级放大器，读出谐振器111的光子占据的差可以由约瑟夫森光电倍增器来检测。因此，可以通过约瑟夫森光电倍增器在低温恒温器的毫开尔文级直接检测和辨别transmon量子比特101的状态。迄今为止，使用该方案证明的单次测量保真度为92％。
64.因为微波频率范围内的单光子检测器难以实现，所以已经使用了这些相对复杂的
色散测量方案。transmon量子比特101的状态在其电荷或通量波函数的一阶矩中没有差异，并且仅在能量上相差单个微波光子。在电荷和通量的更高阶矩中存在差异，但是已知这些差异难以测量，因此其作为transmon量子比特101的测量方案是不可行的。
65.图2是示出其中检测器量子比特210用作数据量子比特201的状态检测器的示例性测量方案的示意图。
66.数据量子比特201可以是超导量子比特，其被布置为与其他数据量子比特201一起参与量子计算。因此，数据量子比特201可以被布置为呈现执行量子计算所需的非线性的水平，并且被布置为接收量子计算所需的激发微波脉冲和通量偏置。例如，数据量子比特210可以是transmon量子比特101。
67.数据量子比特201可以被布置为经由耦合元件220耦合到检测器量子比特210。
68.检测器量子比特210可以是任何一种超导量子比特，其包括一个或多个约瑟夫森结。例如，检测器量子比特210可以是相位量子比特或通量量子比特。将在后面的图3和图4中描述用于读出相位量子比特或通量量子比特的技术。可替代地，检测器量子比特210可以包括任何其他类型的量子比特，诸如量子点的微波跃迁、金刚石n-v中心或rydberg原子，其可以与数据量子比特201的跃迁频率谐振。取决于检测器量子比特210的类型，可以使用任何合适的技术来读出检测器量子比特210的状态。检测器量子比特210可以允许基于诸如通量、电荷或uv/可见/近ir光子的量来测量数据量子比特201的能态。
69.检测器量子比特210能够被动态地调谐成与数据量子比特201谐振或不谐振。当检测器量子比特210被调谐成与数据量子比特201谐振或接近与数据量子比特201谐振时，数据量子比特201的状态或数据量子比特201的光子能够与检测器量子比特210的状态交换(swap)。换句话说，数据量子比特201和检测器量子比特210可以耦合，使得数据量子比特201和检测器量子比特210之间的相互作用可以是虚光子或激子(其是由数据量子比特201或检测器量子比特210共享的激发的量子)的形式。这是因为数据量子比特201的状态(其可以是数据量子比特201的基态和第一激发态的叠加)可以呈现出数据量子比特201和检测器量子比特210之间的量子相干振荡。对于说明书的其余部分，将在上下文中理解，用语数据量子比特201和检测器量子比特210之间“交换的光子”，即，光子，可以指数据量子比特201和检测器量子比特210之间相互作用的任何中间量子，而不限于传播光的孤立量子(isolated quanta)。例如，“交换的光子”也可以指在数据量子比特201和检测器量子比特210之间散布的(delocalized)激子或虚光子。在这个意义上，检测器量子比特210可以充当数据量子比特201的单光子检测器。
70.耦合元件220可以包括电容耦合，其中数据量子比特201和检测器量子比特210彼此电容耦合。例如，可以非常接近地放置数据量子比特201和检测器量子比特210的金属部分，以允许电容耦合。对于另一个示例，电容器可以被放置在数据量子比特201和检测器量子比特210之间。可替代地，耦合元件210可以包括电感耦合，其中数据量子比特201和检测器量子比特210彼此电感耦合。例如，数据量子比特201的电感部分(诸如数据量子比特201和检测器量子比特210的环或细长部分)可以被定位成使得由数据量子比特201生成的磁通量可以在检测器量子比特210中生成电流，反之亦然。可替代地，耦合元件210可以包括电感耦合和电容耦合的组合。可替代地，耦合元件210可以包括传输线，诸如共面波导。可替代地，耦合元件210可以包括设置在数据量子比特201和检测器量子比特210之间的超导耦合
器量子比特。在这种情况下，数据量子比特201和检测器量子比特210的谐振频率不需要被调谐成彼此谐振或不谐振，并且只有用作耦合元件210的超导量子比特可以被控制来调整数据量子比特201和检测器量子比特210之间的耦合。可替代地，耦合度量(measure)210可以包括约瑟夫森结参量放大器或约瑟夫森结参量转换器。
71.为了将transmon量子比特201的状态转移到检测器量子比特210，可以动态地调谐transmon量子比特201的谐振频率或者检测器量子比特210的谐振频率。在耦合度量210是另一个超导量子比特的情况下，耦合度量210可以被动态地调谐。数据量子比特201和检测器量子比特210中占据的量子态可以是时间相关的，并且可以呈现出量子相干振荡。状态的时间相关性可以由数据量子比特201和检测器量子比特210之间相互作用的程度来确定。通过动态地调谐成彼此谐振或不谐振，transmon量子比特201的状态可以被映射或转移到检测器量子比特210。取决于相互作用的持续时间，可以部分或全部地执行光子的交换。数据量子比特201和检测器量子比特210之间的状态交换可以在数据量子比特201和检测器量子比特210的相干时间内执行。
72.使用另一个量子比特作为检测器量子比特210的概念已经用相位量子比特310作为检测器量子比特210进行了测试。
73.图3是参考图2示出其中相位量子比特310用作检测器量子比特210，以检测作为数据量子比特201的transmon量子比特301的状态的示例性测量方案的示意图。
74.在这个示例中用作数据量子比特201的transmon量子比特301可以包括电容器302和squid环303，squid环303包含第一约瑟夫森结304-1和第二约瑟夫森结304-2。图3示出了transmon量子比特301的势能曲线305的示意图，其指定了transmon量子比特301的基态301-1和第一激发态301-2。由于势能曲线305的非谐性或transmon量子比特301的非线性，这些状态的能级不是等间距的，并且与从基态301-1到第一激发态301-2的跃迁谐振的微波激发可能在很大程度上与其它跃迁不谐振。因此，尽管存在更高的激发态，但是这两个状态310-1、310-2可以被认为是transmon量子比特301的计算空间。transmon量子比特301的非线性越大，从基态301-1到第一激发态301-2的跃迁频率和从第一激发态301-2到第二激发态的跃迁频率之间的差就越大，这未在势能曲线305中示出。
75.在这个示例中用作检测器量子比特210的相位量子比特310可以包括约瑟夫森结313、电容器312和电感器311。电感器311可以电感耦合到载送通量偏置电流的线路。作为通量的函数的相位量子比特310的势能曲线330、340、350可以包括双阱结构。波函数可以被狭窄地限制在每个阱中，如最右边的势能曲线350所示。由于每个势阱的底部都可以近似为二次函数，因此是谐振势阱，势阱的底部附近的状态之间的能量间距可以基本上相等。因此，势阱的非谐性质不明显，并且相位量子比特310可以呈现出基本上线性的行为。为了恢复非线性，可以施加偏置电流或通量偏置，以在势能曲线中引入不对称性，如相位量子比特310的最左边的势能曲线330所示。
76.最左边的势能曲线330示出了被圈出并在势能曲线340中详细示出的左势阱变浅，使得只有基态310-1和第一激发态310-2可以被限制在左势阱内。在这种通量偏置条件下，相位量子比特310的计算空间可以由左势阱中的基态310-1和第一激发态310-2提供。
77.为了测量相位量子比特310的状态，可以提供短的偏置脉冲来暂时地降低左阱和右阱之间的势垒的高度。如势能曲线340中的箭头所示，这可以允许第一激发态310-2隧穿
出浅左阱并落入深右阱，但主要防止基态310-1离开左阱。因此，左阱和右阱之间的势垒可以再次升高，并且势能曲线350可以回到对称形状。然后，基态310-1和第一激发态310-2可以分离并且分别陷入左阱和右阱中。换句话说，左阱和右阱之间的势垒可以在很大程度上抑制两个阱之间的隧穿。然后，可以通过磁通量检测和区分分别与被狭窄地限制在左阱和右阱中的波函数相对应的两个通量状态。在本说明书中，由相位量子比特310在每个通量状态下生成的通量的量将被称为“自通量”。可以使用诸如squid或sfq(单通量量子)电路的器件来测量相位量子比特的自通量。
78.transmon量子比特310可以通过耦合元件320耦合到相位量子比特330。如图2中所讨论的，耦合元件320可以是电容耦合、电感耦合或电容耦合和电感耦合的组合、传输线、耦合器超导量子比特、约瑟夫森参量转换器或约瑟夫森参量放大器中的任何一种。作为与其他transmon量子比特301协作的量子计算的结果，transmon量子比特301可以携带量子态，该量子态是基态301-1和第一激发态301-2之间的叠加态。为了检测当前存在于transmon量子比特301中的量子态，相位量子比特310可以被调谐成与transmon量子比特301谐振。可替代地，为了检测当前存在于transmon量子比特301中的量子态，transmon量子比特301可以被调谐成与相位量子比特310谐振。通过被动态地调谐成与transmon量子比特301谐振或不谐振，transmon量子比特301的光子可以被交换到相位量子比特310中。换句话说，相位量子比特310可以将量子态接收到相位量子比特330的计算空间上，该计算空间是如势能曲线340所示的浅左阱。换句话说，transmon量子比特301的基态301-1和第一激发态301-2的叠加态可以被映射到相位量子比特310的基态310-1和第一激发态310-2的叠加态上。如上所述，通过施加通量偏置脉冲来降低左阱和右阱之间的势垒，相位量子比特310的基态310-1和第一激发态310-2可以被分成两个不同的通量状态，如最右边的势能曲线350所示。可以使用诸如squid或sfq电路的器件来测量通量。因此，相位量子比特310可以用作transmon量子比特301的单光子检测器或状态检测器。用非常短的脉冲(约10ns)来降低势垒，可以以90％的准确度来区分量子态。
79.然而，使用相位量子比特310作为检测器量子比特210有几个缺点。一旦单个光子被交换到相位量子比特310中，为了分离两个通量状态310-1、310-2，相位量子比特310被偏置，使得第一激发态310-2比基态310-1更有可能隧穿出亚稳态的浅左阱。然而，基态310-1和第一激发态310-2之间的隧穿速率差仅大到提供约96％的最大理论对比度。此外，经隧穿的第一激发态310-1衰减到势能曲线330、340、350的右阱的底部是耗散(dissipative)过程。已经观察到，在这个过程中发射的能量会将相邻的量子比特驱动到激发态，导致测量串扰错误。隧穿到右手阱中的过程还使得相位量子比特310由于波函数的耗散演化而失去相位相干性。因此，为了再次用作检测器量子比特210，相位量子比特310需要被重置，使得基态310-1和第一激发态310-2在势能曲线330、340、350的左浅阱中被重置。已知相位量子比特310的实际重置时间为数十到数百微秒，这与当前可用的transmon量子比特301的相干时间相比可能很长。
80.为了解决图1中描述的色散检测方案的问题和图3中描述的使用相位量子比特310作为检测器量子比特210的问题，本说明书公开了使用通量量子比特410作为检测器量子比特210，使得transmon量子比特401的状态可以被映射到耦合到transmon量子比特的通量量子比特410，并且通过通量量子比特410的自通量的差来检测。
81.图4是参考图2和图3示出其中通量量子比特310用作检测器量子比特210以检测作为数据量子比特201的transmon量子比特301的状态的示例性测量方案的示意图。
82.在这个示例中用作数据量子比特201的transmon量子比特401可以包括电容器402和squid环403，squid环403包含第一约瑟夫森结404-1和第二约瑟夫森结404-2。图4示出了transmon量子比特401的势能曲线405的示意图，其指定了transmon量子比特401的基态401-1和第一激发态401-2。尽管存在更高的激发态，但是由于上面在图3中讨论的原因，只有这两个状态可以被认为是transmon量子比特401的计算空间。
83.在这个示例中用作检测器量子比特210的通量量子比特410可以包括squid环413以及电感器411，squid环413包括第一约瑟夫森结413-1和第二约瑟夫森结413-2。重要的是，通量量子比特410与电容器412并联。电容器412的电容可以被设置得足够大，使得它可以在一定范围的通量偏置下表现得像transmon量子比特。尽管电容器412的较大电容可以增加通量量子比特410的相位相干性，但是它可能降低非线性。更高的相干性延长了transmon量子比特401和通量量子比特410之间相互作用的时间窗口。由于通量量子比特410用作检测器量子比特210，电容可以被设置为延长相干时间，而不是将非线性保持在将用作数据量子比特201的范围内。在这种情况下，电容器412的电容可以在10ff到100ff的范围内。可替代地，可以确定电容器412的电容，使得通量量子比特410可以在数据量子比特201和检测器量子比特210之间互换使用。在这种情况下，电容器412的电容可以在1ff到50ff的范围内。
84.电感器411的电感可以被确定为尽可能大，以最小化磁通量噪声的影响。然而，存在实际的约束，包括当电感器411的尺寸太大时，线圈缠绕的电感器具有自谐振的事实。通常，这可以通过使用附加的约瑟夫森结413-1、413-2增加电感而不增加线圈长度来克服。
85.作为通量的函数的通量量子比特410的势能曲线430、440、450可以包括双阱结构，其包括由势垒分隔的两个阱，其中阱中的每一个都对应于不同的离散通量状态，即左通量状态410-3和右通量状态410-4。当两个阱之间的势垒足够高时，波函数被狭窄地限制在每个阱中，如最右边的势能曲线450所示。换句话说，左阱和右阱之间的势垒可以足够高，以最大程度地抑制两个阱之间的左通量状态410-3和右通量状态410-4的隧穿。例如，对于其中电感器411和电容器412的自谐振在约20ghz的通量量子比特410，2mev的势垒可以将隧穿速率抑制到1hz。
86.两个通量状态410-3、410-4可以由通量量子比特410取决于通量状态生成的磁通量来检测和区分。如同在相位量子比特310中一样，在本说明书中，由通量量子比特410在每个通量状态410-3、410-4下生成的通量的量也将被称为“自通量”。左通量状态410-3和右通量状态410-4之间的自通量的差可以与单通量量子一样大。通量量子比特410的自通量可以使用诸如squid或sfq电路或者其他能够测量自通量的等效器件来测量。左通量状态410-3和右通量状态410-4之间的自通量的差可以稍微偏离单通量量子或φ0。这是因为电感器411的抛物线势能可能导致双阱偏离与单通量量子相对应的结势能的理想周期性。在超导用于电感器411或约瑟夫森结413-1、413-2的squid 413的情况下，这些非理想性可能自通量的差进一步偏离单通量量子。
87.势能曲线的形状可以用穿过通量量子比特410的整个电路的第一通量偏置和穿过通量量子比特410的squid环413的第二通量偏置来控制。通过分别和动态地控制这两个通
量偏置，可以执行将transmon量子比特401的状态映射到通量量子比特410以及随后对通量量子比特的通量状态的测量，如后面更详细解释的。
88.通过施加穿过通量量子比特410的整个电路或者主要穿过通量量子比特410的电感器411的第一通量偏置，通量量子比特410的势能曲线440、450可以“倾斜”，换句话说，在两个离散的通量状态410-3、410-4之间引入了能量的不对称性。在势能曲线440、450所示的示例中，左通量状态410-3的能量低于右通量状态410-4的能量。
89.势能曲线440、450的倾斜将通量量子比特410的杂化(hybridized)能态410-1、410-2集中(localize)到通量量子比特410的与被限制在两个阱内的状态相对应的两个通量状态410-3、410-4。当势能曲线不倾斜时，通量量子比特410的两个通量状态都以基本上相同的能量占据每个阱的基态。当势垒高度有限时，这两个通量状态410-3、410-4形成散布在两个阱上的两个杂化态410-1、410-2，如势能曲线430所示。势能曲线430对应于两个阱之间的势垒最小化的情况。即使在两个阱之间存在有限的势垒，杂化态410-1、410-2也将经由通过势垒的遂穿而散布在两个阱上。这两个杂化态形成两个不同的能级，基态410-1和第一激发态410-2，如势能曲线430所示。
90.在没有倾斜的情况下，当势垒升高时，每个能态410-1、410-2将以相等的概率映射到左通量状态410-3或右通量状态410-4。因此，能态410-1、410-2不能基于自通量来区分。
91.通过施加穿过通量量子比特410的squid环413的第二通量偏置，可以控制约瑟夫森结413-1、413-2的临界电流。这因此改变了两个通量状态410-3、410-4之间的势垒的高度，并且还改变了通量量子比特410的谐振频率。
92.由于倾斜势能曲线430、440、450使得左阱比右阱具有更低的能量，因此随着势垒高度绝热地升高，基态410-1将被引导到左通量状态410-3，并且第一激发态410-2将被引导到右通量状态410-4。
93.特别地，通量量子比特410的squid环413的面积可以被布置得足够大，使得通过squid环413的第二通量偏置可以在很大程度上独立于第一通量偏置来施加。例如，该面积可以是1μm2到100μm2。在一些实现方式中，squid环413的面积可以约为40μm2。尽管squid环413的如此大的面积可以使通量量子比特410对通量噪声或杂散电容更敏感，但是在使用通量量子比特410作为检测器量子比特210时，控制势垒高度和谐振频率的能力在很大程度上独立于势能的倾斜可能是重要的，将在下面对此进行解释。
94.图5示出了参考图1、图2和图4示出了使用通量量子比特410读出transmon量子比特401的状态的方法的流程图。
95.在步骤510中，第一通量偏置的第一值可以被施加到通量量子比特410，使得通量量子比特410的势能曲线430、440、450很大程度上是对称的。在这种状态下，transmon量子比特401的谐振频率可以远离通量量子比特410的谐振频率而失谐，使得transmon量子比特410和通量量子比特410之间的相互作用不显著。例如，transmon量子比特410的谐振频率可以与通量量子比特410的谐振频率失谐2ghz或更多。
96.在一些情况下，第二通量偏置的第二值可以应用于该失谐条件，如将在步骤550中更详细解释的。
97.在步骤510中，可以激发transmon量子比特401，从而准备好transmon量子比特401的状态。
98.在步骤520中，第二通量偏置的第一值可以被施加到通量量子比特410。在第二通量偏置的第一值，势垒高度被最小化，如势能曲线430所示，并且通量量子比特410被带入相互作用频率，在该相互作用频率下，通量量子比特410将与transmon量子比特401相互作用，并且transmon量子比特410的状态将被映射到通量量子比特410。在第二通量偏置的第一值，通量量子比特410可以被布置为从transmon量子比特401接收光子，使得量子态可以在transmon量子比特401和通量量子比特410之间振荡。如上所述，通过squid环413施加的第二通量偏置控制两个阱之间的势垒高度和通量量子比特410的谐振频率。在这种条件下，通量量子比特410的相位相干性被最大化，这提供了与transmon量子比特410相干相互作用的时间窗口。通量量子比特410的t1时间可以约为30μs。在步骤520中，可以维持在步骤510中施加的第一通量偏置的第一值，使得通量量子比特410的势能曲线430、440、450保持对称。
99.在步骤530中，transmon量子比特401可以被调谐到与通量量子比特410谐振的相互作用频率，使得如果transmon量子比特401被激发，则光子被交换到通量量子比特410中。基态401-1和第一激发态401-2的叠加态可以被映射到通量量子比特410的杂化能态的基态410-1和第一激发态410-2的叠加态。
100.在一些实现方式中，步骤520和530可以同时执行。
101.在一些实现方式中，如果在步骤520中通过施加第二通量的第一值将transmon量子比特401和通量量子比特410调谐到谐振，则可以省略步骤530。
102.在步骤510中transmon量子比特401被激发以具有在transmon量子比特401内准备好的状态的情况下，可以在transmon量子比特401的激发之后立即执行步骤520和530。
103.在步骤540中，第一通量偏置的第二值可以被施加到通量量子比特410，使得势能曲线430、440、450倾斜。然后，第一通量状态410-3和第二通量状态410-4的能量可以变得不同。如图4中所解释的，这使得当在步骤550中势垒绝热升高时，能态410-1、410-2可以被映射到左通量状态410-3和右通量状态410-4。
104.可以维持在步骤520中施加的第二通量偏置的第一值，使得在该阶段势垒的高度保持为最小。在一些实现方式中，步骤530和540可以同时执行。在一些实现方式中，第一通量偏置的第二值可以在整个过程中被施加到通量量子比特410，使得通量量子比特410的势能曲线430、440、450总是倾斜的。这是以步骤520和530中状态的交换不受通量量子比特410的势能曲线430、440、450的倾斜影响为条件的。
105.在步骤550中，第二通量偏置的第二值可以被施加到通量量子比特410，使得两个阱之间的势垒升高以“锁定”通量状态410-3、410-4，使得左通量状态410-3和右通量状态410-4之间的隧穿可以被基本上抑制。如上所述，在一些实现方式中，势垒的高度可以约为2mev。从第二通量偏置的第一值到第二值的跃迁可以是绝热的(换句话说，是逐渐的)，以最小化通量量子比特改变状态的概率。在测量之前，通量状态410-3、410-4可以在阱中保持足够长的时间。通过具有大的势垒，量子比特将在相应的阱中停留更长时间而不会隧穿，去除了像当前一些系统中那样立即进行测量的需要。
106.第二通量偏置的第二值也可以通过调谐远离相互作用频率来使通量量子比特410不与transmon量子比特401谐振。当通量量子比特410与transmon量子比特401失谐很多时，可以进行通量量子比特410的状态的测量。失谐可以是例如2ghz或更多。
107.当微波反射计用于状态检测时，可以维持在步骤530中施加的第一通量偏置的第
二值，以保持势能曲线430、440、450不对称，将在后面对此进行更详细的讨论。
108.transmon量子比特401的谐振频率也可以被调谐远离相互作用频率，使得transmon量子比特401和通量量子比特410之间的相互作用不显著。
109.可以考虑到transmon量子比特401和通量量子比特410之间的量子相干振荡，来确定用于使transmon量子比特401和通量量子比特410谐振的步骤520、530和用于测量来自通量量子比特410的状态的步骤540、550之间的时间间隔，使得当transmon量子比特401的状态的映射完成时，通量量子比特410从transmon量子比特401解耦合。例如，为了确定transmon量子比特401和通量量子比特410之间的最大转移效率的时间间隔，可以在步骤510激发transmon量子比特401以具有预定的量子态。在通过执行步骤520和530使transmon量子比特401和通量量子比特410谐振之后，在可以执行步骤540和550来测量转移到通量量子比特410的状态之前，可以引入第一时间间隔t。当改变第一时间间隔t时，可以重复这些步骤510、520、530、540、550。可以确定用于最大化transmon量子比特401和通量量子比特410之间的转移效率的第一时间间隔t的持续时间，这给出了通量量子比特410处的最大检测概率。图6示出了参考图4和图5说明校准通量量子比特410以读出transmon量子比特401的量子态的方法的流程图。
110.在步骤610，可以确定第二通量偏置的第一值(即单阱配置的条件)以及第二通量偏置的第二值，(即用于锁定通量量子比特410的通量状态410-3、410-4的双阱配置的条件)。可以确定第二通量偏置的第一值，使得通量量子比特的谐振频率处于相互作用频率。
111.在步骤620，可以确定使transmon量子比特410的谐振频率达到相互作用频率的transmon量子比特401的偏置条件。
112.在步骤630，transmon量子比特401的谐振频率可以被调谐远离相互作用频率，并且远离相互作用频率的谐振频率可以通过在扫描脉冲的频率时发送微波脉冲来进行光谱探测。第二通量偏置的第一值被施加到通量量子比特410以降低势垒，使得一旦transmon量子比特401进入相互作用频率，光子可以从transmon量子比特401交换到通量量子比特410中。
113.该过程的其余部分涉及确定transmon量子比特401和通量量子比特410之间的最大转移效率的时间间隔，已经在上面对此进行了讨论。
114.在步骤640，微波脉冲可以被发送到transmon量子比特401中，以准备transmon量子比特401内的量子态。该步骤可以在上述步骤510处执行。
115.在发送每个脉冲以准备transmon量子比特401中的量子态之后不久，换句话说，在比transmon量子比特401的相干时间短得多的时间尺度内，transmon量子比特401的谐振频率可以被调谐到相互作用频率。这可以通过遵循上述步骤520和530来实现。
116.在transmon量子比特401和通量量子比特410谐振之后，可以引入第一时间间隔t。
117.在第一时间间隔t期间，transmon量子比特401的准备好的量子态可以转移到通量量子比特410。
118.在步骤650，可以通过遵循上述步骤540和550测量通量量子比特610的状态，读出transmon量子比特401的状态。
119.通过在改变第一时间间隔t时重复步骤640和650，可以确定用于最大化transmon量子比特401和通量量子比特410之间的转移效率的第一时间间隔t的持续时间。因此，可以
建立transmon量子比特401的读出条件。
120.步骤640和650可以在从微波脉冲时刻开始的transmon量子比特401的相干时间内执行，以准备量子态。换句话说，第一时间间隔t可以在transmon量子比特401的相干时间内变化。
121.关于测量通量量子比特410的状态，至少有两种方式，如下所述。
122.微波反射计可以用来辨别左通量状态410-3和右通量状态410-4。通量量子比特410可以被偏置，使得左阱和右阱表现出具有不同能阶间距的经典谐振子。例如，这可以通过调整第二通量偏置使得每个阱变深并且每个阱的底部可以近似为谐振势以及调整第一通量偏置使得两个阱之间的不对称性大到足以通过每个阱的基态和第一激发态之间的间隔差进行检测，来实现。这种频率差可以用微波反射计来检测，类似于图1中描述的色散方案。然而，由于可以使用相对大强度的输入探测信号121来检测频率差，因此放大器和环形器可能不是检测输出信号122、123所必需的。
123.可替代地，可以直接测量通量量子比特410的自通量。左通量状态410-3和右通量状态410-4的磁通量可以相差磁通量量子，这可以是可通过sfq(单通量量子)电路或squid磁力计检测的。例如，qfp(quantum fluxparametron，量子通量参变器)可以耦合到通量量子比特410，并且sfq脉冲序列可以被发送到qft以读出qfp状态，这提供了通量量子比特410的状态读出。
124.图7a是示出通量偏置生成器760的示例性实施例的示意图。
125.通量偏置生成器760包括被配置为生成电流的电流源761和被布置为将电流转换成磁场的换能器762。换能器762可以被布置为在执行上面图5和图6中描述的方法所需的范围内生成第一通量偏置和第二通量偏置。
126.图7b是参考图4示出与通量量子比特710一起使用的换能器762的示例性实施例的示意图。
127.如在上面图4中讨论的，通量量子比特710包括电感器711、电容器712和squid环713，squid环713包括第一约瑟夫森结713-1和第二约瑟夫森结713-2。如上所述，由于通量量子比特710包括大的并联电容，因此在一些实现方式中，电容器712是桨(paddle)的形式，其在squid环713的每一侧包括第一电容器焊盘712-1和第二电容器焊盘712-2。当电容器712、712-1、712-2是桨的形式时，可以通过增加桨的面积来增加电容器。第一电容器焊盘712-1和第二电容器焊盘712-2分别电连接到沿着squid环713形成在第一约瑟夫森结713-1和第二约瑟夫森结713-2之间的两个端子。第一电容器焊盘712-1和第二电容器焊盘712-2分别经由第一导线714-1和第二导线714-2连接到电感器711。第一导线714-1和第二导线714-2的第一端可以源自第一约瑟夫森结713-1的每一侧上的squid环，经由squid环713，第一导线714-1直接连接到第一电容器焊盘712-1，第二导线714-2直接连接到第二电容器焊盘712-2。第一导线714-1和第二导线714-2的第二端电连接到电感器711的两个端子。
128.在一些实现方式中，电感器711可以包括梯度度量(gradiometric)线圈。如图2所示，从连接到第一导线714-1和第二导线714-2的两个端子开始，电感器711形成彼此相邻的两个环，使得当电流流入电感器711时，在两个环处生成的磁场彼此处于相反的方向。因此，当磁场(例如，第二通量偏置)被施加穿过电感器711的整个面积时，通过在电感器711内形成的两个环的磁场的影响在很大程度上彼此抵消。当相反方向的磁场耦合到电感器711内
形成的两个环中时，电感电流的生成可能是高效的。
129.换能器762包括第一线圈762-1和第二线圈762-2。如在上面图4中讨论的，势能曲线的形状可以用穿过通量量子比特410、710的整个电路或者主要穿过通量量子比特410、710的电感器411、711的第一通量偏置和穿过通量量子比特410、710的squid环413、713的第二通量偏置来控制。通过分别和动态地控制这两个通量偏置，可以执行将transmon量子比特401的状态映射到通量量子比特410、710以及随后对通量量子比特的通量状态的测量。
130.第一线圈762-1用于施加穿过通量量子比特710的电感器711的第一通量偏置，使得通量量子比特410、710的势能曲线440、450可以“倾斜”，换句话说，在两个离散的通量状态410-3、410-4之间引入了能量的不对称性。
131.当通量量子比特710的电感器711如上所述被配置为梯度度量线圈时，第一线圈762-1也可以被配置为梯度度量线圈，使得来自第一线圈762-1的磁通量仅高效地耦合到电感器711，而不太高效地耦合到通量量子比特710的其他部分，诸如squid环713。
132.在一些实现方式中，第一导线714-1和第二导线714-2可以被布置为交叉，换句话说，在至少一个位置处在彼此之上而不彼此电连接，使得从第二线圈762-2到电感器711中的第二通量偏置的寄生耦合减少。例如，图7b示出了第一导线714-1和第二导线714-2在squid环713和电感器711之间被交叉布置一次。然而，第一导线714-1和第二导线714-2之间的交叉次数不限于一次。
133.第二线圈762-2用于通过控制约瑟夫森结713-1、713-2的临界电流来施加穿过通量量子比特410、710的squid环413、713的第二通量偏置。这从而改变了两个通量状态410-3、410-4之间的势垒的高度，并且还改变了通量量子比特410、710的谐振频率。
134.当经由梯度度量线圈形式的电感器施加第一通量偏置时，从第二线圈762-2生成的第二通量偏置可能不能高效地耦合到通量量子比特710的电感器711。因此，可以实现对第一通量偏置和第二通量偏置的高度独立控制。
135.因此，可以使用第一线圈762-1和第二线圈762-2来独立地控制通过通量量子比特710的整个电路和squid环713的磁通量。
136.图7b中给出的示例仅是换能器762的一个实施例。换能器762的其他设计可以用于生成第一通量偏置和第二通量偏置。在一些实现方式中，换能器762可以被设置在与包含通量量子比特710的基底分离的基底上。例如，换能器762可以被设置在基底的可以靠近该基底包含通量量子比特710的面的面上。第一线圈762-1和第二线圈762-2的布置可以使得当两个基底横向对齐时，第一线圈762-1和第二线圈762-2可以分别靠近电感器711和squid环713，从而可以提供第一通量偏置和第二通量偏置。
137.与相对大的电容器并联的通量量子比特410、710可以用作transmon量子比特201的单光子检测器。如果通量量子比特410、710可以与定义在势垒高度被最小化时与通量量子比特410的能级相当的能级的势能曲线谐振，则其可以用作任何其他量子比特的单光子检测器。
138.由于通量量子比特410、710在检测两个通量状态410-3、410-4时允许可忽略的错误率，因此可以提高测量准确度，这将提供操作的高保真度。通量量子比特410、710的重置时间或循环(cycle)时间可以由在步骤550中提高势垒高度的速度来确定。速度应该足够低以确保过程的绝热性，但又足够高以允许合理的检测和操作速度。
139.芯片内通量量子比特410、710的总足迹可以与transmon量子比特301、401的二维网格兼容。通量量子比特410、710移除了对参量放大器hemt环形器的需要，并且减轻了芯片上对应的热耗散。它不会由于图1中描述的色散方案的高光子数而遭受伪跃迁。
140.为了实现涉及大量量子比特的实际大规模量子计算，构成量子计算机的量子比特的错误率应该低于可接受的阈值。一种常见的纠错方案是所谓的“表面码”量子计算机，其包括数据量子比特和辅助量子比特或测量量子比特的二维阵列，其中最近的邻居可以彼此耦合。数据量子比特和辅助量子比特可以形成两个子网格的交错网格。
141.在表面码中，使用一系列物理量子比特cnot操作将数据量子比特和辅助量子比特纠缠在一起，随后对提供纠错和检错的手段的纠缠态进行测量。辅助量子比特不直接参与计算，但是可耦合到数据量子比特以监视数据量子比特的状态，从而检测例如数据量子比特中的错误。在表面码中，以这种方式纠缠的一组数据量子比特和辅助量子比特被用于定义逻辑量子比特。
142.此外，对数据量子比特和辅助量子比特对的纠缠操作的特定序列(所谓的稳定器)可以用来稳定数据量子比特的状态，因为它通过一组测量来抑制量子比特状态的伪翻转。通过使用完整的一组相互作用稳定器(commuting stabilizer)重复测量逻辑量子比特内的量子比特，该逻辑量子比特坍缩成所有稳定器的同时且唯一的本征态。可以在不干扰逻辑量子比特的系统的情况下测量稳定器。当测量结果改变时，可以检测到数据量子比特的伪翻转，这对应于一个或多个量子比特错误，并且量子态通过这些测量被投射到不同的稳定器本征态上。
143.定义逻辑量子比特所需的物理量子比特的数量很大程度上取决于物理量子比特的错误率以及辅助量子比特和数据量子比特的布置。
144.在一些实现方式中，transmon量子比特401、701可以用作表面码量子计算机中的数据量子比特和辅助或测量量子比特二者。在本说明书中描述的通量量子比特410、710可以用于在数据量子比特和辅助量子比特之间完成奇偶性测量之后读出辅助量子比特的状态。
145.在一些实现方式中，本文描述的通量量子比特410、710可以用作表面码量子计算机中的辅助量子比特或者测量量子比特。当辅助量子比特正在测量数据量子比特的奇偶性时，为了高相干性，辅助量子比特可以被偏置到势垒高度被最小化的“transmon模式”。奇偶性测量完成后，通量量子比特可以被偏置到“双阱模式”，这样它们的状态可以容易地用超导电子器件读出。这种实现方式可能是有利的，因为该方案不需要任何放大器或其他微波电路来读出辅助量子比特。
146.数据量子比特(transmon量子比特301、401)以及辅助量子比特(通量量子比特410、710)的二维阵列，可以在单个基底的表面上实现。可替代地，通量量子比特和transmon量子比特可以被设置在两个分离的基底780、790上，并且两个基底的面可以接近，使得通量量子比特可以通过例如真空电容耦合到transmon量子比特。
147.在一些实现方式中，数据量子比特和辅助量子比特都可以是本说明书中描述的通量量子比特410、710。在相干操作期间，所有的通量量子比特410、710可以被偏置到势垒高度被最小化的“transmon模式”。然后，对于辅助量子比特的状态测量，辅助量子比特可以被偏置到“双阱模式”。
148.本说明书中描述的量子主题和量子操作的实现方式可以在合适的量子电路中实现，或者更一般地，在量子计算系统(也被称为量子信息处理系统，包括本说明书中公开的结构和它们的结构等同物或者它们中的一个或多个的组合)中实现。术语“量子计算系统”和“量子信息处理系统”可以包括但不限于量子计算机、量子密码系统、拓扑量子计算机或量子模拟器。
149.术语量子信息和量子数据是指由量子系统携带、保存或存储的信息或数据，其中最小的非平凡系统是量子比特，例如定义量子信息单元的系统。应当理解，术语“量子比特”包括在对应的上下文中可以适当地近似为二级系统的所有量子系统。这样的量子系统可以包括多级系统，例如，具有两个或更多个级。例如，这样的系统可以包括原子、电子、光子、离子或超导量子比特。在一些实现方式中，计算基态用基态和第一激发态来标识，然而应当理解，计算态用更高级的激发态来标识的其他设置也是可能的。可以理解，量子存储器是能够高保真、高效地长时间存储量子数据的器件，例如光用于传输的光-物质界面和用于存储和保存量子数据的量子特征(诸如叠加或量子相干性)的物质。
150.量子电路元件(也被称为量子计算电路元件)包括用于执行量子处理操作的电路元件。也就是说，量子电路元件被配置为利用量子力学现象(诸如叠加和纠缠)以非确定性方式对数据执行操作。特定量子电路元件(诸如量子比特)可以被配置为同时以一种以上的状态来表示和操作信息。超导量子电路元件的示例包括诸如量子lc振荡器、量子比特(例如通量量子比特、相位量子比特或电荷量子比特)、超导量子干涉器件(squid)(例如rf-squid或dc-squid)等。
151.相反，经典电路元件一般以确定性方式处理数据。经典电路元件可以被配置为通过对数据执行基本的算术、逻辑和/或输入/输出操作来共同执行计算机程序的指令，其中数据以模拟或数字形式表示。在一些实现方式中，经典电路元件可以用于通过电或电磁连接向量子电路元件发送数据和/或从量子电路元件接收数据。经典电路元件的示例包括基于cmos电路的电路元件、快速单通量量子(rapid single flux quantum，rsfq)器件、互易量子逻辑(reciprocal quantum logic，rql)器件和ersfq器件，它们是不使用偏置电阻器的rsfq的节能版本。
152.本文描述的量子电路元件和经典电路元件的制造可能需要一种或多种材料(诸如超导体、电介质和/或金属)的沉积。取决于所选材料，这些材料可以使用沉积工艺(诸如化学气相沉积、物理气相沉积(例如，蒸发或溅射)或外延技术等)来沉积。本文描述的用于制造电路元件的工艺可能需要在制造期间从器件中移除一种或多种材料。取决于要移除的材料，移除工艺可以包括例如湿蚀刻技术、干蚀刻技术或剥离工艺。本文描述的形成电路元件的材料可以使用已知的光刻技术(例如，光学光刻或电子束光刻)来图案化。
153.在使用超导量子电路元件和/或超导经典电路元件(诸如本文描述的电路元件)的量子计算系统的操作期间，超导电路元件在低温恒温器内被冷却到允许超导体材料呈现出超导性质的温度。超导体(可替代地，超导)材料可以被理解为在超导临界温度或低于超导临界温度时呈现出超导性质的材料。超导材料的示例包括铝(约1.2开尔文的超导临界温度)、铟(约3.4开尔文的超导临界温度)、nbti(约10开尔文的超导临界温度)和铌(约9.3开尔文的超导临界温度)。因此，超导结构(诸如超导迹线和超导地平面)是由在超导临界温度或低于超导临界温度时呈现出超导性质的材料形成的。
154.尽管本说明书包含多个具体的实现细节，但是这些不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而是对特定于特定实现方式的特征的描述。本说明书中在分离的实现方式的上下文中描述的特定特征也可以在单个实现方式中组合实现。相反，在单个实现方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实现方式中分离地实现或者以任何合适的子组合实现。此外，尽管特征可能在上面被描述为在特定组合中起作用，并且甚至最初是如此要求保护的，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中被删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
155.类似地，尽管在附图中以特定的次序描述了操作，但是这不应该被理解为要求这些操作以所示的特定次序或顺序地执行、或者要求所有示出的操作都被执行，以获得期望的结果。例如，权利要求中陈述的动作可以以不同的次序来执行，并且仍然可以获得期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实现方式中的各种组件的分离不应被理解为在所有实现方式中都需要这样的分离。
156.已经描述了本发明的多个实施例。然而，应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。