一种超导量子芯片以及一种量子计算机的制作方法

1.本发明涉及量子计算领域，特别涉及一种超导量子芯片以及一种量子计算机。


背景技术：

2.随着超导量子芯片的比特规模越来越大，通过连接线路进入超导量子芯片的外界环境噪声也越来越多，这样就会严重影响超导量子芯片的性能参数。在现有技术中，一般是使用常规设计的滤波器来滤除进入超导量子芯片的环境噪声来提升超导量子芯片的性能。
3.因为常规设计的滤波器体积较大，而超导量子芯片只能在制冷环境中正常工作，所以，需要将大量常规设计的滤波器设置于制冷机的内部。但是，由于提供超导量子芯片正常工作环境制冷机的内部空间有限，这样就导致常规设计的滤波器占据了制冷机大部分的内部空间，限制了超导量子芯片比特数目的大规模扩展，进而成为超导量子芯片发展的技术瓶颈。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超导量子芯片以及一种量子计算机，以使得超导量子芯片既可以降低噪音的影响，又不会限制其未来向更大规模量子芯片的发展。其具体方案如下：
5.一种超导量子芯片，包括：超导量子芯片本体，所述超导量子芯片本体上设置有用于记录量子信息的量子比特，且所述量子比特上耦合有用于滤除噪声的片上滤波器。
6.优选的，所述片上滤波器由分布电容和/或分布电感和/或集总电容和/或集总电感和/或集总电阻组成。
7.优选的，所述片上滤波器包括：半波长谐振器、第一耦合电容和第二耦合电容；
8.其中，所述第一耦合电容的第二端与所述半波长谐振器的第一端相连，所述半波长谐振器的第二端与所述第二耦合电容的第一端相连；
9.相应的，所述第一耦合电容的第一端和所述第二耦合电容的第二端分别为所述片上滤波器的两端。
10.优选的，所述片上滤波器包括：第三耦合电容和四分之一波长谐振器；
11.其中，所述第三耦合电容的第二端与所述四分之一波长谐振器的第一端相连，所述四分之一波长谐振器的第二端接地；
12.相应的，所述第三耦合电容的第一端和所述四分之一波长谐振器的第二端分别为所述片上滤波器的两端。
13.优选的，所述第三耦合电容具体为叉指电容或平行电容。
14.优选的，所述片上滤波器耦合于所述量子比特的共面波导上。
15.优选的，所述量子比特的共面波导具体为所述量子比特的读取线或所述量子比特的控制线或所述量子比特的谐振器。
16.优选的，所述超导量子芯片本体上设置有m个所述量子比特和n个所述片上滤波
器，且i个所述量子比特与一个所述片上滤波器相耦合；和/或，j个所述片上滤波器与一个所述量子比特相耦合；其中，m≥1，m≥1，1≤i≤m，1≤j≤n。
17.优选的，i个所述量子比特通过谐振器与所述片上滤波器相耦合。
18.相应的，本发明还公开了一种量子计算机，包括如前述所公开的一种超导量子芯片。
19.可见，在本发明所提供的超导量子芯片中，是包括超导量子芯片本体，其中，超导量子芯片本体上设置有用于记录量子信息的量子比特，并且，量子比特上还耦合有用于滤除噪声的片上滤波器。相较于现有技术而言，由于片上滤波器的体积极小，可以直接将片上滤波器耦合在超导量子芯片的量子比特上，这样不仅可以滤除进入超导量子芯片的噪声，而且，也可以极大的降低滤波器对超导量子芯片正常工作环境制冷机的空间占用量，由此就使得超导量子芯片可以向更大的处理规模发展，并解决超导量子芯片技术发展的瓶颈。相应的，本发明所提供的一种量子计算机同样具有上述有益效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例所提供的一种超导量子芯片的结构图；
22.图2为本发明实施例所提供的一种片上滤波器的结构图；
23.图3为本发明实施例所提供的另一种片上滤波器的结构图；
24.图4为本发明实施例所提供的一种叉指电容的结构图；
25.图5为超导量子芯片上的两个量子比特同时耦合在一个片上滤波器时的示意图；
26.图6为超导量子芯片上的两个量子比特各自耦合一个片上滤波器时的示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参见图1，图1为本发明实施例所提供的一种超导量子芯片的结构图，其中，超导量子芯片包括：超导量子芯片本体11，超导量子芯片本体11上设置有用于记录量子信息的量子比特12，且量子比特12上耦合有用于滤除噪声的片上滤波器13。
29.在本实施例中是提供了一种超导量子芯片，该超导量子芯片包括超导量子芯片本体11，其中，超导量子芯片本体11上设置有量子比特12，且量子比特12上耦合有片上滤波器13。也即，片上滤波器13是集成在超导量子芯片上的，而非外接于超导量子芯片的外围电路上。
30.当在量子比特上耦合了片上滤波器之后，就可以显著提高超导量子芯片中量子比特的退相干时间，并提升超导量子芯片的处理性能。具体的，如果不在超导量子芯片的量子
比特上耦合片上滤波器，那么量子比特退相干时间上限的计算公式为：
[0031][0032]
式中，κr为与量子比特相连接谐振器的带宽，t1为量子比特的退相干时间，δ为量子比特和谐振器之间的频率差，g为谐振器的谐振强度。
[0033]
当在超导量子芯片的量子比特上耦合了片上滤波器之后，量子比特退相干时间上限的计算公式为：
[0034][0035]
式中，κr为与量子比特相连接谐振器的带宽，t1为量子比特的退相干时间，δ为量子比特和谐振器之间的频率差，g为谐振器的谐振强度，wr为谐振器的频率，wq为量子比特的频率，qf为片上滤波器的q值。
[0036]
假设量子比特的频率为6ghz，谐振器的频率为7ghz，片上滤波器的q值为30，那么当在量子比特上耦合了片上滤波器之后，相较于未在量子比特上耦合片上滤波器而言，其量子比特的退相干时间上限可以提升85倍。由此可见，通过在量子比特上耦合片上滤波器之后，就可以提升量子比特的退相干时间，并显著提高超导量子芯片的处理性能。
[0037]
需要说明的是，在实际应用中，既可以是在超导量子芯片上设置多个量子比特，并在每一个量子比特上耦合一个片上滤波器；也可以是在超导量子芯片上设置多个量子比特，并将这些量子比特均耦合在一个片上滤波器上；还可以是在超导量子芯片上设置多个量子比特，然后，再将其中的一部分量子比特均耦合在一个片上滤波器上，并在剩余量子比特上的每一个量子比特上耦合一个片上滤波器来滤除进入超导量子芯片的噪声，此处不作一一赘述。
[0038]
可见，在本实施例所提供的超导量子芯片中，是包括超导量子芯片本体，其中，超导量子芯片本体上设置有用于记录量子信息的量子比特，并且，量子比特上还耦合有用于滤除噪声的片上滤波器。相较于现有技术而言，由于片上滤波器的体积极小，可以直接将片上滤波器耦合在超导量子芯片的量子比特上，这样不仅可以滤除进入超导量子芯片的噪声，而且，也可以极大的降低滤波器对超导量子芯片正常工作环境制冷机的空间占用量，由此就使得超导量子芯片可以向更大的处理规模发展，并解决超导量子芯片技术发展的瓶颈。
[0039]
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，片上滤波器由分布电容和/或分布电感和/或集总电容和/或集总电感和/或集总电阻组成。
[0040]
具体的，在实际应用中，片上滤波器既可以是由分布电容、分布电感所组成，也可以是由集总电容、集总电感、集总电阻所组成，还可以是由分布电容、分布电感、集总电容、集总电感、集总电阻混合组成。
[0041]
请参见图2，图2为本发明实施例所提供的一种片上滤波器的结构图。在图2中，片上滤波器包括：半波长谐振器14、第一耦合电容15和第二耦合电容16；
[0042]
其中，第一耦合电容15的第二端与半波长谐振器14的第一端相连，半波长谐振器
14的第二端与第二耦合电容16的第一端相连；
[0043]
相应的，第一耦合电容15的第一端和第二耦合电容16的第二端分别为片上滤波器13的两端。
[0044]
图2所示的片上滤波器实际上是一种λ/2滤波器，此种类型的滤波器包括一个二分之一波长的共面传输波导谐振器、第一耦合电容15以及第二耦合电容16，其中，第一耦合电容15和第二耦合电容16均可以连接超导量子芯片上的其它微波元器件。
[0045]
请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种片上滤波器的结构图。在图3中，片上滤波器包括：第三耦合电容17和四分之一波长谐振器18；
[0046]
其中，第三耦合电容17的第二端与四分之一波长谐振器18的第一端相连，四分之一波长谐振器18的第二端接地；
[0047]
相应的，第三耦合电容17的第一端和四分之一波长谐振器18的第二端分别为片上滤波器的两端。
[0048]
图3所示的片上滤波器实际上是一种λ/4滤波器，此种类型的滤波器包括一个四分之一波长的共面传输波导谐振器、第三耦合电容以及一个接地端。在实际应用中，通常会在四分之一波长谐振器靠近接地端的一侧另外设置一个耦合端口19来连接超导量子芯片上的其它微波器件。
[0049]
作为一种优选的实施方式，可以将第三耦合电容设置为平行电容或叉指电容。请参见图4，图4为本发明实施例所提供的一种叉指电容的结构图。可以理解的是，因为叉指电容相较于其它类型的电容器而言，叉指电容两侧金属的长度更长，能在更小的范围内实现更大的电容值，并可以通过改变长度来调节电容值，这样就更加便于在实际应用中对片上滤波器的工作参数进行修改与调控。基于同样的原理，也可以将第一耦合电容和第二耦合电容设置为叉指电容，此处不作具体赘述。
[0050]
显然，通过本实施例所提供的技术方案，就可以使得片上滤波器的设置方式更加灵活与多样。
[0051]
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，片上滤波器耦合于量子比特的共面波导上。
[0052]
在实际操作过程中，既可以将片上滤波器耦合在量子比特的本体上，也可以将片上滤波器耦合在量子比特的共面波导(coplanar wave guide，cpw)上，从而利用片上滤波器将通过连接线路进入超导量子芯片的噪声去除，并以此来提升量子芯片的处理性能。
[0053]
作为一种优选的实施方式，量子比特的共面波导具体为量子比特的读取线或量子比特的控制线或量子比特的谐振器。
[0054]
具体的，可以将量子比特的共面波导设置为量子比特的读取线、控制线或者谐振器。也即，既可以在量子比特的读取线上耦合片上滤波器，也可以在量子比特的控制线上耦合片上滤波器，还可以在量子比特的谐振器上耦合片上滤波器。
[0055]
能够想到的是，通过本实施例所提供的技术方案，就可以使得用户能够根据超导量子芯片的实际应用场景在量子比特的任意位置上耦合片上滤波器来降低进入超导量子芯片的噪声，从而最大限度地降低噪声信号对超导量子芯片处理性能的干扰。
[0056]
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，超导量子芯片本体上设置有m个量子比特和n个片上滤波器，且i个量子比特与一
个片上滤波器相耦合；和/或，j个片上滤波器与一个量子比特相耦合；其中，m≥1，m≥1，1≤i≤m，1≤j≤n。
[0057]
在实际应用中，还可以在超导量子芯片本体上设置有m个量子比特和n个片上滤波器，并将i个量子比特与一个片上滤波器相耦合；和/或，将j个片上滤波器与一个量子比特相耦合。也即，既可以将一个量子比特与一个片上滤波器或多个片上滤波器相耦合，也可以将多个片上滤波器与一个量子比特或多个量子比特相耦合。显然，当多个量子比特共同耦合在一个片上滤波器上时，就可以增加片上滤波器的复用率，由此就能够进一步减少超导量子芯片对空间体积的占用量。
[0058]
可以理解的是，由于数据读取信号可以同时读取多个量子比特中所存储的量子信息，所以，在实际应用中就可以将多个量子比特通过谐振器与一个片上滤波器相耦合，以利用同一个片上滤波器将进入超导量子芯片的噪声滤除。
[0059]
请参见图5，图5为超导量子芯片上的两个量子比特同时耦合在一个片上滤波器时的示意图。在图5所示的超导量子芯片中，包括第一量子比特101、第二量子比特102、第一耦合器103、第一谐振器104、第二谐振器105、第一片上滤波器106、第一连接件107、第二连接件108、第三连接件109、第四连接件110、第五连接件111、第六连接件112、输入信号113、输出信号114。在图5所示的超导量子芯片中，由于两个量子比特通过谐振器与一个片上滤波器相耦合，这样不仅可以增加片上滤波器的复用率，而且，也可以显著降低噪声信号对超导量子芯片处理性能的干扰。
[0060]
当然，还可以在超导量子芯片的每一个量子比特上单独耦合一个片上滤波器来滤除进入超导量子芯片的噪声。请参见图6，图6为超导量子芯片上的两个量子比特各自耦合一个片上滤波器时的示意图。在图6所示的超导量子芯片中，包括第三量子比特211、第四量子比特212、第二耦合器213、第七连接件214、第八连接件215、第九连接件216、第十连接件217、第三谐振器218、第四谐振器219、第五谐振器220、第六谐振器221、第二片上滤波器222、第三片上滤波器223、第一控制信号224、第二控制信号225。具体的，在图6中，第二片上滤波器222是通过第三谐振器218耦合在第三量子比特211上，第三片上滤波器223是通过第四谐振器219耦合在第四量子比特上212上。
[0061]
相应的，本发明实施例还公开了一种量子计算机，包括如前述所公开的一种超导量子芯片。
[0062]
本发明实施例所提供的一种量子计算机，具有前述所公开的一种超导量子芯片所具有的有益效果。
[0063]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0064]
以上对本发明所提供的一种超导量子芯片以及一种量子计算机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。