一种用于调制超导量子比特跃迁频率的系统及方法与流程

1.本发明涉及超导量子计算领域，特别是涉及一种用于调制超导量子比特跃迁频率的系统及方法。


背景技术：

2.量子计算有望在多体物理模拟、加密算法设计、化学反应模拟、生物微观行为预测等众多领域解决当前的经典计算所无法解决的难题。基于超导体材料制备的超导量子计算机是实现量子计算的一个重要的平台。在超导量子计算机中实现量子逻辑门、量子态测量、量子算法以及通用量子计算的一个重要技术手段是调控超导量子比特的跃迁频率。现有技术是在超导量子比特附近放置一根片上微波传输线，这样的传输线与量子比特集成在同一个芯片上，传输线中的电信号（包括电流信号与电压信号）经过传输线与量子比特之间的互感转换成磁通信号，磁通信号输入到量子比特中从而改变量子比特的跃迁频率。然而，现有技术存在功耗高、可扩展性差等问题。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明提供了一种用于调制超导量子比特跃迁频率的系统及方法，以期至少能够解决上述问题之一。
4.根据本发明的第一个方面，提供了一种用于调制超导量子比特跃迁频率的系统，包括：至少一根射频超导量子干涉装置的偏置线，用于传输调控射频超导量子干涉装置状态的电信号；至少一个射频超导量子干涉装置，其中，射频超导量子干涉装置位于芯片上并放置于超导量子比特附近，射频超导量子干涉装置的滞后参数大于1；至少一个超导量子比特，其中，超导量子比特的跃迁频率通过外加磁通的方式来调制；其中，用于调制超导量子比特跃迁频率的系统工作于稀释制冷机10mk量级的极低温环境中。
5.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的偏置线与射频超导量子干涉装置通过互感耦合；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线位于芯片上，并通过稀释制冷机中的同轴线缆连接到室温环境中的信号源；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线将电信号通过偏置线与射频超导量子干涉装置的互感转化为磁通信号输入到射频超导量子干涉装置；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线的带宽至少能覆盖直流信号~5ghz的频率范围；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线在输入特定方向和幅度的电信号后能够调
制射频超导量子干涉装置的状态。
6.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置是由一个超导材料制备的超导环与至少一个约瑟夫森结首尾相连所形成的闭合环路。
7.根据本发明的实施例，上述超导量子比特与射频超导量子干涉装置存在互感耦合。
8.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的偏置线将输入的电信号经过互感转换为磁通的信号输入到射频超导量子干涉装置，其中，输入的电信号包括电流信号以及电压信号。
9.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置中的超导环电流经过互感的方式转换成磁通信号输入到超导量子比特，从而调制超导量子比特的跃迁频率。
10.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的总磁通与外加磁通的变化关系呈现出磁滞曲线的行为，脉冲式的外加磁通信号可调制射频超导量子干涉装置的状态，其中，射频超导量子干涉装置的状态包括射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小。
11.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的状态在经过脉冲式的信号输入改变之后能够长时间维持在改变之后的状态；其中，射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小能够保持长时间的恒定。
12.根据本发明的第二个方面，提供了一种用于调制超导量子比特跃迁频率的方法，应用于用于调制超导量子比特跃迁频率的系统，包括：将单次脉冲式的电信号从信号源中输入到射频超导量子干涉装置的偏置线中，其中，单次脉冲式的电信号包括电流信号和电压信号；将单次脉冲式电信号经过射频超导量子干涉装置的偏置线与射频超导量子干涉装置的互感转换为脉冲式的磁通信号；将脉冲式的磁通信号输入到射频超导量子干涉装置中进而改变射频超导量子干涉装置的状态，改变状态后的射频超导量子干涉装置通过与超导量子比特的互感的方式来调制超导量子比特的跃迁频率，其中，射频超导量子干涉装置的滞后参数大于1。
13.根据本发明的实施例，上述将脉冲式的磁通信号输入到射频超导量子干涉装置中进而改变射频超导量子干涉装置的状态，改变状态后的射频超导量子干涉装置通过与超导量子比特的互感的方式来调制超导量子比特的跃迁频率包括：根据射频超导量子干涉装置的外加磁通与总磁通的磁滞回线关系，通过偏置线将特定方向和幅度的单次脉冲式的电信号通过偏置线与射频超导量子干涉装置的互感转化为单次脉冲式的外磁通信号并输入到射频超导量子干涉装置，用于改变射频超导量子干涉装置的状态，其中，射频超导量子干涉装置的状态包括射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小；超导环电流经过射频超导量子干涉装置与超导量子比特之间的互感来调制超导量子比特的跃迁频率；其中，射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与输入的单次脉冲式的外磁通信号的方向有关；
其中，射频超导量子干涉装置中的超导环电流的大小与输入的单次脉冲式的外磁通信号的幅度大小有关。
14.本发明提供的上述系统基于射频超导量子干涉装置来调制超导量子比特的跃迁频率，上述系统所用到的电信号，仅需要有限次的脉冲信号输入就能长时间地调制超导量子比特的跃迁频率，能耗极低，且射频超导量子干涉装置集成到芯片上便于扩展，有利于为未来具有上千超导量子比特量级的超导量子计算机提供可扩展式的跃迁频率调制方案。
附图说明
15.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1是根据本发明实施例的用于调制超导量子比特跃迁频率的系统的结构示意图；图2是根据本发明实施例的用于调制超导量子比特跃迁频率的方法的流程图；图3是根据本发明实施例的射频超导量子干涉装置的总磁通与外加磁通的磁滞回线关系示意图。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
17.需要说明的是，本发明实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽然图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
18.现有技术中的超导量子计算机是是在超导量子比特附近放置一根片上微波传输线，这样的传输线与量子比特集成在同一个芯片上，传输线中的电信号经过传输线与量子比特之间的互感转换成磁通信号，磁通信号输入到量子比特中从而改变量子比特的跃迁频率。
19.然而，现有技术的方案存在以下的几个缺点：首先，是电信号需要持续从室温的信号源输入到处于制冷机低温环境中的超导量子处理器上，持续输入的电信号在经过制冷机中的低温同轴线缆上的各种衰减器时会产生发热，长时间发热将导致制冷机中的低温环境的维持变得困难，并且发热产生的热辐射也会影响量子处理器的性能；其次，是伴随着量子比特数量的增加，制冷机中的同轴传输线数量的需求也随之成倍增长，这不仅要求在制冷机内部有更大的物理空间，而且还给制冷机的制冷功率提出了更高的要求，这方面也限制了超导量子处理器的可扩展性。
20.因此，在未来的具有上千量子比特量级的超导处理器上实现低功耗的、可扩展的调控量子比特跃迁频率的方案是本领域中一个亟待解决的重要技术问题。
21.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于调制超导量子比特跃迁频率的系统及方法，来调制超导量子比特的跃迁频率的方案，以解决现有的技术中的能耗高、不可扩展等问题。
22.图1是根据本发明实施例的用于调制超导量子比特跃迁频率的系统的结构示意图。
23.如图1所示，上述用于调制超导量子比特跃迁频率的系统包括：至少一根射频超导量子干涉装置的偏置线，用于传输调控射频超导量子干涉装置状态的电信号；至少一个射频超导量子干涉装置，其中，射频超导量子干涉装置位于芯片上并放置于超导量子比特附近，射频超导量子干涉装置的滞后参数大于1；至少一个超导量子比特，其中，超导量子比特的跃迁频率通过外加磁通的方式来调制；其中，用于调制超导量子比特跃迁频率的系统工作于稀释制冷机10mk量级的极低温环境中。
24.上述射频超导量子干涉装置的滞后参数由公式（1）表示：（1），其中，表示射频超导量子干涉装置中的临界约瑟夫森电流，表示射频超导量子干涉装置的自感，表示磁通量子，由公式（2）表示：（2）。
25.本领域技术人员应当清楚的是：图1中以传输子量子比特为例，但本发明提供的上述系统并不限于传输子量子比特。
26.上述射频超导量子干涉装置（rf-squid：radio frequency superconducting quantum interference device）基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象，rf-squid常用于测量微弱的磁信号。
27.可选地，射频超导量子干涉装置放置于超导量子比特0.1微米到20微米的范围内。
28.如图1所示，m12表示射频超导量子干涉装置的偏置线与射频超导量子干涉装置之间的互感，m23表示表示射频超导量子干涉装置与超导量子比特（即超导量子比特电路）之间的互感，c表示电容，j1表示射频超导量子干涉装置的约瑟夫森结，j2表示超导量子比特中的约瑟夫森结，l表示射频超导量子干涉装置的自感线圈。
29.本发明提供的上述系统基于射频超导量子干涉装置来调制超导量子比特的跃迁频率，上述系统所用到的电信号，仅需要有限次的脉冲信号输入就能长时间地调制超导量子比特的跃迁频率，能耗极低，且射频超导量子干涉装置集成到芯片上便于扩展，有利于为未来具有上千超导量子比特量级的超导量子计算机提供可扩展式的跃迁频率调制方案。
30.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的偏置线与射频超导量子干涉装置通过互感耦合；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线位于芯片上，并通过稀释制冷机中的同轴线缆连接到室温环境中的信号源；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线将电信号通过偏置线与射频超导量子干涉装置的互感转化为磁通信号输入到射频超导量子干涉装置；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线的带宽至少能覆盖直流信号~5ghz的频率范围；其中，射频超导量子干涉装置的偏置线在输入特定方向和幅度的电信号后能够调制射频超导量子干涉装置的状态。
31.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置是由一个超导材料制备的超导环与至少一个约瑟夫森结首尾相连所形成的闭合环路。
32.根据本发明的实施例，上述超导量子比特与射频超导量子干涉装置存在互感耦合。
33.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的偏置线将输入的电信号经过互感转换为磁通的信号输入到射频超导量子干涉装置，其中，输入的电信号包括电流信号以及电压信号。
34.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置中的超导环电流经过互感的方式转换成磁通信号输入到超导量子比特，从而调制超导量子比特的跃迁频率。
35.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的总磁通与外加磁通的变化关系呈现出磁滞曲线的行为，脉冲式的外加磁通信号可调制射频超导量子干涉装置的状态，其中，射频超导量子干涉装置的状态包括射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小。
36.根据本发明的实施例，上述射频超导量子干涉装置的状态在经过脉冲式的信号输入改变之后能够长时间维持在改变之后的状态；其中，射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小能够保持长时间的恒定。
37.射频超导量子干涉装置的状态在经过脉冲式的信号输入改变之后可以维持非常长的时间，例如，对于临界约瑟夫森电流为100微安培且处于稳定的20mk环境温度中的射频超导量子干涉装置而言，可以维持秒，即300万年。
38.图2是根据本发明实施例的用于调制超导量子比特跃迁频率的方法的流程图。
39.如图2所示，上述用于调制超导量子比特跃迁频率的方法，能够应用于用于调制超导量子比特跃迁频率的系统，包括操作s210~操作s230。
40.在操作s210，将单次脉冲式的电信号从信号源中输入到射频超导量子干涉装置的偏置线中，其中，单次脉冲式的电信号包括电流信号和电压信号。
41.在操作s220，将单次脉冲式电信号经过射频超导量子干涉装置的偏置线与射频超导量子干涉装置的互感转换为脉冲式的磁通信号。
42.在操作s230，将脉冲式的磁通信号输入到射频超导量子干涉装置中进而改变射频超导量子干涉装置的状态，改变状态后的射频超导量子干涉装置通过与超导量子比特的互感的方式来调制超导量子比特的跃迁频率，其中，射频超导量子干涉装置的滞后参数大于1。
43.根据本发明的实施例，上述将脉冲式的磁通信号输入到射频超导量子干涉装置中进而改变射频超导量子干涉装置的状态，改变状态后的射频超导量子干涉装置通过与超导量子比特的互感的方式来调制超导量子比特的跃迁频率包括：根据射频超导量子干涉装置的外加磁通与总磁通的磁滞回线关系，通过偏置线将特定方向和幅度的单次脉冲式的电信号通过偏置线与射频超导量子干涉装置的互感转化为单次脉冲式的外磁通信号并输入到射频超导量子干涉装置，用于改变射频超导量子干涉装置的状态，其中，射频超导量子干涉装置的状态包括射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小；超导环电流经过射频超导量子干涉装置与超导量子比特之间的互感来调制超导量子比特的跃迁频率；其中，射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与输入的单次脉冲式的外磁通信号的方向
有关；其中，射频超导量子干涉装置中的超导环电流的大小与输入的单次脉冲式的外磁通信号的幅度大小有关。
44.为了更好地阐述上述方法的优点，本发明结合图3以及具体实施方式对上述方法做进一步详细地说明。
45.图3是根据本发明实施例的射频超导量子干涉装置的总磁通与外加磁通的磁滞回线关系示意图。
46.具体地，在本实施例中，一个单次脉冲式的电信号（可以是电流信号，也可以是电压信号）从信号源中输入到rf-squid偏置线中，经过rf-squid偏置线与rf-squid的互感m12转换为脉冲式的磁通信号输入到rf-squid中。因为rf-squid的滞后参数大于1，所以rf-squid的总磁通与外加磁通的变化关系将呈现出磁滞回线的关系，如图3所示。调节信号源施加的脉冲电信号的振幅，当转换后的磁通信号的振幅达到rf-squid的总磁通与外加磁通的磁滞回线关系中的外磁通各个临界点取值大小时（图3中各个箭头的起始位置对应的外磁通大小），rf-squid的总磁通与外磁通的变化关系将从前一条曲线对应关系跳跃到临界点对应的下一条曲线对应关系。具体的跳跃方向取决于外加磁通的变化方向是正向变化的还是负向变化的，如图3中的上、下箭头所示。在这里，rf-squid的状态由总磁通这个参数来描述，跳跃之后rf-squid状态变化行为将遵从跳跃之后的曲线所描述的变化关系。此时如果外加磁通逐渐减小到0，rf-squid的总磁通也将沿着跳跃后的曲线路径逐渐减小，最终rf-squid的状态停留在该曲线的纵坐标截距位置并将长时间地稳定地处于这个位置对应的状态。在截距的位置状态，rf-squid的总磁通是不为0的，换言之，此时rf-squid中是存在一个特定方向与大小的超导环电流的。这个超导环电流经过rf-squid与超导量子比特之间的互感m23转化为磁通信号，输入到传输子超导量子比特（在此以传输子量子比特为例，本发明提供的上述方法并不局限于传输子量子比特）中从而调制传输子量子比特的跃迁频率。因为rf-squid可以在非常长的时间中保持在曲线截距位置的状态，所以rf-squid中的超导电流是很稳定的，这一点确保了超导量子比特的跃迁频率的调制也是很稳定的。同理，也可根据rf-squid的总磁通与外加磁通的磁滞回线变化关系来反向调制rf-squid的状态，将rf-squid从不为0的超导环电流状态调制到为0的状态甚至电流方向为反向的超导环电流状态，从而达到在量子比特的角度看输入正、反向磁通来调制超导量子比特的跃迁频率的目的。
47.综上所述，本发明的基于rf-squid调制超导量子比特跃迁频率的方案仅需要脉冲式的电信号输入就能长时间地、稳定地调制超导量子比特的跃迁频率，相比于当前的芯片上的微波传输线方案所需要的持续电信号输入，脉冲式的电信号输入显著地降低了整个调制过程的能量消耗，使得未来同时调制扩展到超过上千量子比特量级的超导量子处理器中所有的超导量子比特的跃迁频率成为可能。
48.以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于调制超导量子比特跃迁频率的系统，其特征在于，包括：至少一根射频超导量子干涉装置的偏置线，用于传输调控射频超导量子干涉装置状态的电信号；至少一个所述射频超导量子干涉装置，其中，所述射频超导量子干涉装置位于芯片上并放置于所述超导量子比特附近，所述射频超导量子干涉装置的滞后参数大于1；至少一个所述超导量子比特，其中，所述超导量子比特的跃迁频率通过外加磁通的方式来调制；其中，所述用于调制超导量子比特跃迁频率的系统工作于稀释制冷机10mk量级的极低温环境中。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频超导量子干涉装置的偏置线与所述射频超导量子干涉装置通过互感耦合；其中，所述射频超导量子干涉装置的偏置线位于所述芯片上，并通过所述稀释制冷机中的同轴线缆连接到室温环境中的信号源；其中，所述射频超导量子干涉装置的偏置线将所述电信号通过所述偏置线与所述射频超导量子干涉装置的互感转化为磁通信号输入到所述射频超导量子干涉装置；其中，所述射频超导量子干涉装置的偏置线的带宽至少能覆盖直流信号~5ghz的频率范围；其中，所述射频超导量子干涉装置的偏置线在输入特定方向和幅度的电信号后能够调制所述射频超导量子干涉装置的状态。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频超导量子干涉装置是由一个超导材料制备的超导环与至少一个约瑟夫森结首尾相连所形成的闭合环路。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超导量子比特与所述射频超导量子干涉装置存在互感耦合。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频超导量子干涉装置的偏置线将输入的电信号经过互感转换为磁通的信号输入到所述射频超导量子干涉装置，其中，所述输入的电信号包括电流信号以及电压信号。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频超导量子干涉装置中的超导环电流经过互感的方式转换成磁通信号输入到超导量子比特，从而调制超导量子比特的跃迁频率。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频超导量子干涉装置的总磁通与外加磁通的变化关系呈现出磁滞曲线的行为，脉冲式的外加磁通信号可调制所述射频超导量子干涉装置的状态，其中，所述射频超导量子干涉装置的状态包括所述射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频超导量子干涉装置的状态在经过脉冲式的信号输入改变之后能够长时间维持在改变之后的状态；其中，所述射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小能够保持长时间的恒定。9.一种用于调制超导量子比特跃迁频率的方法，应用于权利要求1-8任一项所述的系统，其特征在于，包括：
将单次脉冲式的电信号从信号源中输入到射频超导量子干涉装置的偏置线中，其中，所述单次脉冲式的电信号包括电流信号和电压信号；将所述单次脉冲式电信号经过所述射频超导量子干涉装置的偏置线与所述射频超导量子干涉装置的互感转换为脉冲式的磁通信号；将所述脉冲式的磁通信号输入到所述射频超导量子干涉装置中进而改变所述射频超导量子干涉装置的状态，改变状态后的射频超导量子干涉装置通过与所述超导量子比特的互感的方式来调制所述超导量子比特的跃迁频率，其中，所述射频超导量子干涉装置的滞后参数大于1。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述脉冲式的磁通信号输入到所述射频超导量子干涉装置中进而改变所述射频超导量子干涉装置的状态，改变状态后的射频超导量子干涉装置通过与所述超导量子比特的互感的方式来调制所述超导量子比特的跃迁频率包括：根据所述射频超导量子干涉装置的外加磁通与总磁通的磁滞回线关系，通过所述偏置线将特定方向和幅度的单次脉冲式的电信号通过所述偏置线与所述射频超导量子干涉装置的互感转化为单次脉冲式的外磁通信号并输入到射频超导量子干涉装置，用于改变所述射频超导量子干涉装置的状态，其中，所述射频超导量子干涉装置的状态包括所述射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与大小；所述超导环电流经过所述射频超导量子干涉装置与所述超导量子比特之间的互感来调制所述超导量子比特的跃迁频率；其中，所述射频超导量子干涉装置中的超导环电流的方向与输入的单次脉冲式的外磁通信号的方向有关；其中，所述射频超导量子干涉装置中的超导环电流的大小与所述输入的单次脉冲式的外磁通信号的幅度大小有关。

技术总结
本发明提供了一种用于调制超导量子比特跃迁频率的系统。该系统包括：至少一根射频超导量子干涉装置的偏置线，用于传输调控射频超导量子干涉装置状态的电信号；至少一个射频超导量子干涉装置，其中，射频超导量子干涉装置位于芯片上并放置于超导量子比特附近，射频超导量子干涉装置的滞后参数大于1；至少一个超导量子比特，其中，超导量子比特的跃迁频率通过外加磁通的方式来调制。本发明同时还提供了一种用于调制超导量子比特跃迁频率的方法。一种用于调制超导量子比特跃迁频率的方法。一种用于调制超导量子比特跃迁频率的方法。


技术研发人员：蒋磊 徐昱 李少炜 孙晨寅 孙天佐 江涛 李劲劲 彭承志 朱晓波 潘建伟
受保护的技术使用者：合肥国家实验室
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/7/12