一种读取电路及量子计算机的制作方法

1.本技术属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域，特别地，本技术涉及一种读取电路、读取方法及量子计算机。


背景技术：

2.目前，超导量子比特的读取采用色散读取的方式，读取的电路结构主要包括与待读取量子比特耦合的谐振腔、及与谐振腔耦合的读取总线。基于这种电路结构实现将量子比特的状态信息从量子比特到传输线的传递，因此，超导量子芯片上的每个量子比特通过独立的谐振腔与读取总线的连接。然而，这种读取机制有一定的限制性，读取的对象特定。


技术实现要素：

3.为克服相关技术中读取机制的限制，本技术提供一种读取电路、读取方法及量子计算机。
4.本技术的一个实施例提供了一种读取电路，它包括：与待读取元件耦合的传输元件；与所述传输元件耦合的谐振腔；以及，与所述谐振腔耦合的读取信号线。
5.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述读取电路具有多个依次耦合连接的所述传输元件。
6.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述传输元件包括以下类型至少之一：量子比特、频率可调谐的耦合器。
7.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述传输元件包括依次耦合连接的量子比特和频率可调谐的耦合器，且所述量子比特和所述耦合器相间布置。
8.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述待读取元件包括以下类型之一：量子比特、频率可调谐的耦合器。
9.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述耦合器包括由具有至少两个约瑟夫森结并联形成的超导量子干涉器。
10.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述量子比特包括由具有至少两个约瑟夫森结并联形成的超导量子干涉器。
11.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述谐振腔由共面波导传输线形成。
12.如上所述的读取电路，在一些实施方式中，所述谐振腔为半波长谐振腔或四分之一波长谐振腔。
13.本技术的另一个实施例提供了一种读取电路的读取方法，包括如下步骤：
14.在所述读取信号线上施加测量微波信号，并获取所述谐振腔响应的频谱；
15.调整所述待读取元件的第一频率以及所述传输元件的第二频率，确定色散频移值为最大的所述频谱为目标频谱。
16.如上所述的读取方法，在一些实施方式中，在配置的信号线上施加磁通信号实现对所述第二频率的调整。
17.如上所述的读取方法，在一些实施方式中，所述传输元件为量子比特时，调整所述传输元件的第二频率的步骤，包括：将所述第二频率调整至所述量子比特的简并点。
18.如上所述的读取方法，在一些实施方式中，所述传输元件为依次耦合连接的频率可调谐的耦合器及量子比特时，调整所述传输元件的第二频率的步骤，包括：将所述量子比特的频率固定在简并点，并调整所述耦合器的频率。
19.本技术的第三个实施例提供了一种量子计算机，包括如上所述的读取电路。
20.与现有技术相比，在本技术提供的读取电路中，通过传输元件与谐振腔的耦合，将与传输元件耦合的待读取元件，与谐振腔建立间接的耦合连接，进而基于与谐振腔耦合的读取信号线即可实现对待读取元件的读取，从而突破了相关技术中仅能通过与待读取元件直接耦合的谐振腔实现读取的限制。在集成扩展的量子芯片中，可基于本技术的方案，利用与量子比特耦合的谐振腔读取两量子比特之间的耦合器；也可在与一个量子比特直接耦合的谐振腔故障时，基于本技术的方案，利用与该量子比特耦合的相邻量子比特的谐振腔实现读取。
附图说明
21.图1为相关技术中量子芯片上量子比特的结构示意图；
22.图2为本技术的实施例提供的一种读取电路的结构示意图；
23.图3为本技术的一个实施例提供的读取方法的流程图。
24.附图标记说明：
25.1－读取信号线，2－谐振腔，3－量子比特，4－耦合器
26.21－第一谐振腔，22－第二谐振腔，23－第n谐振腔，
27.31－第一比特，32－第二比特，33－第n比特，
28.41－第一耦合器，42－第二耦合器。
具体实施方式
29.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。
30.以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到前面的“背景技术”或“发明创造内容”部分或“具体实施方式”部分中呈现的任何明示或暗示信息的约束。
31.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
32.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
33.根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。
34.超导量子电路的量子计算是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法。由于超导量子电路的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，电路的设计定制的可控性强。同时，得益于基于现有的成熟集成电路工艺，超导量子电路具有多数量子物理体系难以比拟的可扩展性。
35.在超导量子电路中，量子比特包括约瑟夫森结，约瑟夫森结是通过用非超导材料分离两个薄膜超导层而形成的结构。当温度降低到特定的低温温度，超导层实现超导，电子对可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一超导层。在量子比特中，约瑟夫森结(其用作非线性电感性器件)与一个或多个电容性器件并联形成非线性微波振荡器。量子比特具有由其中的电感和电容的值确定的谐振/跃迁频率。
36.量子比特读取的物理基础是色散读取，利用量子比特与腔的非线性耦合，将量子比特处理的信息以微波频率范围内的微波信号的形式被携带或传输，捕获、处理和分析微波信号即可其中编码的量子信息。读出电路即是与量子比特耦合的电路，用于捕获、读取和测量量子信息。
37.作为超导量子电路的一个示例，量子比特的结构采用单个对地的电容，及一端接地、另一端与该电容连接的超导量子干涉装置，并且该电容常为十字型平行板电容，参见图1所示，十字型电容板cq被接地平面(gnd)包围，且十字型电容板cq与接地平面(gnd)之间具有间隙，超导量子干涉装置squid的一端连接至十字型电容板cq，另一端连接至接地平面(gnd)，由于十字型电容板cq的第一端通常用于连接超导量子干涉装置squid，第二端用于与谐振腔等读取结构耦合，第一端和第二端的附近需要预留一定的空间用于布线，例如，第一端的附近需预留布置xy信号线和z信号线的空间，十字型电容板cq的另外两端用于与相邻量子比特耦合。
38.利用这种结构的量子比特按照一维链排布阵列实现量子比特的集成扩展，相邻位置的量子比特形成耦合并且共用一条读取信号线(readout line)，读取的电路结构主要包括与待读取量子比特耦合的谐振腔、及与谐振腔耦合的读取信号线，每个量子比特通过独立的谐振腔与读取信号线的连接，基于各自的谐振腔、及与谐振腔耦合的读取信号线实现将量子比特的状态信息从量子比特到传输线的传递。
39.然而，申请人发现，这种读取机制有很大的限制性，包括但不限于以下两个方面：一、读取的对象特定，仅能够通过谐振腔对直接耦合的量子比特进行读取，对于量子比特之间的耦合器等结构无法实现读取；二、每个量子比特通过独立的谐振腔与读取信号线的连接的方式，在工艺波动造成某一量子比特的读取电路故障时，即无法实现读取。
40.为此，本技术提供一种读取电路、读取方法及量子计算机，以解决现有技术中的不足，它突破了相关技术中仅能通过与待读取元件直接耦合的谐振腔实现读取的限制。下文将结合附图2至附图3进行详细的描述介绍本技术的实施例。
41.图2为本技术的实施例提供的一种读取电路的结构示意图。
42.图3为本技术的一个实施例提供的读取方法的流程图。
43.需要说明的是，图2示意性的表示了读取信号线1、谐振腔2、量子比特 3、频率可调谐的耦合器4的关系，例如，每一个量子比特3均具有独立配置的谐振腔2，谐振腔2与读取信号线耦合，相邻位置的量子比特3之间通过耦合器4建立耦合关系。谐振腔2包括第一谐振腔21、第二谐振腔22
……
第n 谐振腔23，量子比特3包括第一比特31、第二比特32
……
第n比特33，耦合器4包括第一耦合器41、第二耦合器42
……
第n耦合器43，并且图2中省略了其中部分元器件，例如，第二谐振腔22和第n谐振腔23之间的谐振腔等。
44.参照图2所示，并可结合图1和图3所示，本技术的一个实施例提供了一种读取电路，包括：与待读取元件耦合的传输元件；与所述传输元件耦合的谐振腔2；以及，与所述谐振腔2耦合的读取信号线1。谐振腔2具有被配置为耦接到所述传输元件的第一端和被配置为耦接到所述读取信号线1的第二端，耦接的形式可以是电容性耦接或电感性耦接。在该读取电路中，待读取元件、传输元件、谐振腔2依次耦合，从而将待读取元件和谐振腔2间接的耦合连接，进而基于与谐振腔2耦合的读取信号线1即可实现对待读取元件的读取，从而突破了相关技术中仅能通过与待读取元件直接耦合的谐振腔2实现读取的限制。
45.在本技术的实施例中，传输元件为具有耦合连接作用的电元件，通过传输元件将待读取元件和谐振腔建立间接的耦合连接。应理解的是，传输元件可以具有被配置为耦接到所述待读取元件的第一端和被配置为耦接到所述谐振腔2的第二端。传输元件可以是与待读取元件耦合连接的量子比特3，待读取元件与量子比特3的耦合可以是两者相邻近直接形成耦合连接，也可以是通过其他电结构元件形成耦合连接。
46.在集成扩展的量子芯片中，可基于本技术实施例的方案，利用与量子比特3耦合的谐振腔2读取两量子比特3之间的耦合器4实现读取；也可基于本技术的方案，利用与一个量子比特3耦合的相邻量子比特3的谐振腔2实现对该一个量子比特3的读取，从而可以解决在与该一个量子比特直接耦合的谐振腔故障时无法对其读取的问题。
47.在一些实施例中，结合图2，第一比特31和第二比特32通过中第一耦合器41实现耦合，基于本技术的方案，针对第一比特31的读取电路可以包括：依次耦合的第一耦合器41、第二比特32、第二谐振腔22及读取信号线1，其中，第一比特31与第一耦合器41耦合，第一耦合器41与第二比特32耦合，第二比特32与第二谐振腔22耦合，第二谐振腔22与读取信号线1耦合。具体的，利用读取信号线1使用色散读出(dispersive readout)技术原理来测量特定待读取元件(第一比特31)的状态信息。色散读出基于第一比特31与第二谐振腔22的色散相互作用，该色散位移引起第二谐振腔22的频率根据该第一比特31的状态而改变。第一比特31可以借助第一耦合器41、第二比特32 实现与第二谐振腔22的间接耦合时，第二谐振腔22的频率根据该第一比特 31的状态而改变。用微波脉冲探测第二谐振腔22，所反射的信号的相位和幅值被用于区分该第一比特31的状态信息。
48.在另一些实施例中，所述读取电路可以具有多个依次耦合连接的所述传输元件，多个所述传输元件依次耦合连接形成传输链路，传输链路的一端与待读取元件耦合，另一端与谐振腔耦合，从而确保待读取元件通过该传输链路与谐振腔建立间接的耦合连接，基于这种耦合连接实现了对待读取元件的频谱读取。示例性的，第一比特31可以借助第一耦合器41、第二比特32、第二耦合器 42
……
第n比特33依次耦合连接形成的传输链路，与第n谐振腔23形成间接耦合，第n谐振腔23的频率根据该第一比特31的状态而改变。用微波脉冲
探测第n谐振腔23，所反射的信号的相位和幅值被用于区分该第一比特31的状态信息。
49.在本技术的一个实施例中，所述传输元件包括量子比特3，示例性的，在针对第一耦合器41读取时，可以借助第一比特31实现第一谐振腔21和第一耦合器41的间接耦合，或者可以借助第二比特32实现第二谐振腔22和第一耦合器41的间接耦合，从而可以用微波脉冲探测第一谐振腔21或者第二谐振腔22实现对第一耦合器41的读取。在另一个实施例中，所述传输元件也可以包括频率可调谐的耦合器4，例如，通过由量子比特3和耦合器形成的传输链路，实现第一耦合器41和第n谐振腔23的间接耦合，从而可以用微波脉冲探测第n谐振腔23实现对第一耦合器41的读取。
50.还有一些实施例中，所述传输元件包括量子比特3、及频率可调谐的耦合器4，示例性的，可以包括多个量子比特3和多个耦合器4耦合连接形成该传输链路，且在所述传输链路中所述量子比特3和所述耦合器4相间布置。频率可调谐的耦合器4能够控制相邻比特(第一比特31与第二比特32)之间的耦合，以便在读出期间或者在对量子比特3施加控制脉冲期间减少或者消除比特之间的微波串扰和/或频率冲突。调谐第一耦合器41的频率使得能够调节第一比特31与第二比特32之间的耦合强度，以允许第一比特31与第二比特32 之间的耦合实现从弱耦合到强耦合的调节。
51.耦合器4的频率可以被调谐为与量子比特3的跃迁频率(量子比特谐振频率)相同或接近，或者可以被调谐为在距离量子比特3的频率范围的远端。当耦合器4的频率被调谐为与量子比特3的频率相同或接近时，耦合器4与量子比特3谐振。当耦合器4的频率被调谐为与量子比特3的频率显著不同时，耦合器4与量子比特3不谐振。
52.在一些实施例中，所述待读取元件包括以下类型之一：量子比特3、频率可调谐的耦合器4。示例性的，所述耦合器4包括由具有至少两个约瑟夫森结并联形成的超导量子干涉器squid。可以理解的是，所述耦合器4配置有实现频率调谐的信号线，基于该信号线上施加的磁通信号可以调控所述耦合器4 的频率。示例性的，所述量子比特3包括由具有至少两个约瑟夫森结并联形成的超导量子干涉器squid。可以理解的是，量子比特3配置有xy信号线和z 信号线。
53.在一些实施例中，所述谐振腔2由共面波导传输线形成。示例性的，所述谐振腔2为半波长谐振腔或四分之一波长谐振腔。
54.本技术还提供一种针对如上所述读取电路的频谱读取方法。
55.参照图3所示，并可结合图1和图2所示，所述读取方法包括步骤s601 至步骤s602，其中：
56.步骤s601、在所述读取信号线1上施加测量微波信号，并获取所述谐振腔2响应的频谱，示例性的，获取的可以是频谱s21的曲线图，用微波脉冲探测谐振腔2，该微波脉冲通常处于接近对应于基态和激发态的谐振频率的中点的频率，所反射的信号的相位和幅值被用于区分该待读取元件的状态信息；步骤s602、调整所述待读取元件的第一频率以及所述传输元件的第二频率，确定色散频移值为最大时的所述频谱为目标频谱，该目标频谱即作为读取结果。
57.本技术实施例提供的针对如上所述读取电路的读取方法，它通过在所述读取信号线1上施加测量微波信号，并获取所述谐振腔2响应的频谱，然后调整所述待读取元件的第一频率以及所述传输元件的第二频率，将色散频移值为最大时的所述频谱确定为目标频
谱，即实现对待读取元件的读取。本技术实施例的读取方法尤其适用于在于量子比特3直接耦合的谐振腔2故障时，通过与该量子比特2耦合的相邻量子比特2所对应的谐振腔3实现读取，需要说明的是，该量子比特2与相邻量子比特2的耦合机制可以通过频率可调谐的耦合器4 实现，也可以由频率可调谐的耦合器4、量子比特3依次耦合连接形成传输链路实现，其中，在该传输链路中所述量子比特3和所述耦合器4相间布置。
58.在一些实施例中，在配置的信号线上施加磁通信号实现对所述第二频率的调整。示例性的，在所述传输元件包括以下类型之一：量子比特3、频率可调谐的耦合器4。示例性的，所述耦合器4包括由具有至少两个约瑟夫森结并联形成的超导量子干涉器squid。所述耦合器4配置有实现频率调谐的信号线，基于该信号线上施加的磁通信号可以调控所述耦合器4的频率。示例性的，所述量子比特3包括由具有至少两个约瑟夫森结并联形成的超导量子干涉器 squid。量子比特3配置有实现频率调控的z信号线。
59.为提高读取的效率，快速得到目标频谱，可以将读取电路中近邻的量子比特3和谐振腔2的耦合强度调至最大。在一些实施例中，所述传输元件为量子比特3时，调整所述传输元件的第二频率的步骤可以包括：将所述第二频率调整至所述量子比特3的简并点。在另一些实施例中，所述传输元件为依次耦合连接的频率可调谐的耦合器4及量子比特3时，调整所述传输元件的第二频率的步骤，包括：将所述量子比特3的频率固定在简并点，并调整所述耦合器4 的频率。在针对第一耦合器41读取时，读取电路包括依次耦合的第一比特31、第一谐振腔21和读取信号线1，可以将第一比特31的频率固定在简并点，从而将第一比特31与第一谐振腔21的耦合强度最大化，便于得到第一耦合器 41的调制谱。在针对第一比特31的读取时，读取电路可以包括：依次耦合的第一耦合器41、第二比特32、第二谐振腔22及读取信号线1，可以将所述第二比特32的频率固定在简并点，并调整所述第一耦合器41的频率。
60.本技术实施例还提供了一种量子计算机，包括如上所述的读取电路。
61.这里需要指出的是：量子计算机具有上述结构的读取电路，且具有同上述读取电路实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本技术量子计算机实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述读取电路的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。
62.本技术实施例使用与集成电路制造所采用的相同或相似的处理技术(例如光刻、诸如溅射或化学气相沉积的材料沉积、以及诸如蚀刻或剥离的材料去除) 来制造量子比特、谐振腔、传输元件和读取信号线。量子比特、谐振腔、传输元件和读取信号线中的每一个可以在相同的芯片(诸如相同的硅或蓝宝石衬底或晶片)上形成/集成，并且在低于形成它们的超导材料的临界温度的温度下工作。超导材料的示例包括但不限于铝(例如1.2开尔文的超导临界温度)、铌(例如9.3开尔文的超导临界温度)和氮化钛(例如5.6开尔文的超导临界温度)。
63.在使用超导量子电路元件和/或超导经典电路元件(诸如，本文所述的电路元件)的量子计算系统的工作期间，超导电路元件在低温恒温器内被冷却到允许超导体材料表现超导特性的温度。
64.以上依据图式所示的实施例详细说明了本技术的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本技术的较佳实施例，但本技术不以图面所示限定实施范围，凡是依照本技术的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本技术的保护范围内。