用于量子比特读出的放大器频率匹配的制作方法

本发明涉及用于量子比特读出的放大器频率匹配。

背景技术：

量子计算是一种相对新的计算方法，它利用量子效应，诸如基态叠加和纠缠，以比经典数字计算机更有效地执行某些计算。与以比特(例如，“1”或“0”)的形式存储和操控信息的数字计算机相比，量子计算系统可以使用量子比特来操控信息。量子比特可以指能够叠加多个状态(例如，在“0”和“1”这两种状态中的数据)和/或叠加多个状态中的数据本身的量子器件。根据传统技术，可以将量子系统中的“0”和“1”状态的叠加表示为，例如：α│0>+β│1>。数字计算机的“0”和“1”状态分别类似于量子比特的│0>和│1>基态。值│α│²表示量子比特处于│0>状态的概率，而值│β│²表示量子比特处于│1>基态的概率。

量子退火，又称为绝热量子计算，是一种量子计算的方法，其中在多个量子比特之间的相互作用中编码计算问题。编码的计算问题被称为哈密顿hp问题。编码量子比特的集合慢慢退火到代表编码问题解决方案的最终哈密顿hf的最低能量配置。这个模型有时可以被称为量子计算的绝热模型。

技术实现要素：

本公开涉及用于量子比特读出的放大器频率匹配。通常，在一些方面，本公开包括通过在测量谐振器和放大器之间的输出信号线路中包括频率滤波器，并且通过修改泵音(pumptone)频率使得反射的信号的频率落在滤波器的滤波器频率范围之外，来保护量子比特和测量谐振器免受反射的放大器泵信号(pumpsignal)的影响。

通常，在一些方面，本公开的主题可以体现在量子计算器件中，该量子计算器件包括：量子比特；读出器件，耦合到量子比特，该读出器件包括具有滤波器频率范围的频率滤波器；和放大器器件，耦合到该读出器件，其中该放大器器件可以被配置为在接收到具有在该频率滤波器的滤波器频率范围之外的泵频率的泵信号时放大来自该读出器件的测量信号。

量子计算器件的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些实施方式中，泵频率可以高于频率滤波器的上截止频率或者低于频率滤波器的下截止频率至少约10mhz。

在一些实施方式中，泵频率可以高于频率滤波器的上截止频率或者低于频率滤波器的下截止频率至少约100mhz。

在一些实施方式中，频率滤波器可以可操作以将泵频率处的信号衰减至少3db。频率滤波器可以可操作以将泵频率处的信号衰减至少10db。

在一些实施方式中，放大器器件包括行波参量放大器(travelingwaveparametricamplifier，twpa)。twpa可以包括约瑟夫森结twpa。twpa可以包括动态电感twpa。

在一些实施方式中，读出器件包括测量谐振器。频率滤波器的滤波器频率范围可以与测量谐振器的工作频率重叠。量子比特的工作频率可能在频率滤波器的滤波器频率范围之外。量子比特和频率滤波器中的每一个可以耦合到测量谐振器的公共节点。测量谐振器可以包括第一共面波导谐振器，并且频率滤波器可以包括第二共面波导谐振器。第二共面波导谐振器可以包括半波(λ/2)共面波导谐振器或四分之一波(λ/4)共面波导谐振器。

在一些实施方式中，量子器件还包括衬底，其中量子比特器件、读出器件和放大器器件集成在该衬底上。

在一些实施方式中，量子器件还包括耦合到放大器器件并可操作以向放大器器件提供泵信号的泵频率生成器。

在一些实施方式中，频率滤波器包括带通滤波器、低通滤波器或高通滤波器。

通常，在一些其它方面，本公开的主题可以体现在测量量子比特的状态的方法中，其中该方法包括：向可以耦合到量子比特的读出器件施加探测信号，以从该读出器件产生指示量子比特状态的测量信号，其中该读出器件包括具有滤波器频率范围的频率滤波器；将泵信号传输到放大器器件，该放大器器件被布置成从读出器件中接收测量信号，使得放大器器件放大测量信号，其中该泵信号具有在滤波器频率范围之外的泵频率；并且检测放大的测量信号。

该方法的实施方式可以包括一个或多个以下特征。例如，在一些实施方式中，泵频率可以高于频率滤波器的上截止频率或者低于频率滤波器的下截止频率至少约10mhz。

在一些实施方式中，泵频率可以高于频率滤波器的上截止频率或者低于频率滤波器的下截止频率至少约100mhz。

在一些实施方式中，频率滤波器将泵频率处的信号衰减至少约3db。频率滤波器可以将泵频率处的信号衰减至少约10db。

在一些实施方式中，滤波器频率范围与测量信号的频率重叠。

在一些实施方式中，量子比特的工作频率可以在滤波器频率范围之外。

在一些实施方式中，滤波器频率范围的带宽可以是大约200mhz。

在一些实施方式中，频率滤波器衰减来自放大器器件的反射的泵信号。

在一些实施方式中，频率滤波器包括带通滤波器、低通滤波器或高通滤波器。

通常，在另一方面，本公开的主题可以体现在量子计算器件中，该量子计算器件包括：量子比特；读出器件，耦合到量子比特，该读出器件包括具有滤波器频率范围的频率滤波器；和放大器器件，耦合到该读出器件，其中该频率滤波器被配置成衰减从该放大器器件朝着该频率滤波器反射的信号，该反射的信号具有在该滤波器频率范围之外的频率。

实施方式可以包括以下优点中的一个或多个。例如，在一些实施方式中，通过选择放大器的泵信号以在频率滤波器通带之外的频率下工作，滤波器可以有效地保护量子比特免受反射的泵音的影响。在一些实施方式中，放大器的带宽可以足够大，使得放大器仍然可以放大包括从测量读出器件获得的信号的、远离泵音的信号。

出于本公开的目的，超导体(可替换地，超导)材料可以理解为在超导临界温度或低于超导临界温度时表现出超导特性的材料。超导体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)。

在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。从说明书、附图和权利要求书中，其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是示出耦合到行波参量放大器的量子比特的示例的电路示意图。

图2是示出行波参量放大器(twpa)的示例的电路图。

图3是示出耦合到twpa的量子比特/测量谐振器的示例的电路示意图。

图4是示出耦合到量子比特和耦合到测量谐振器的频率滤波器的示例布置的集总元件电路示意图。

图5是示出耦合到多个量子比特和谐振器的频率滤波器的示例实施方式的示意图。

图6是图5所示器件布局的示例传输频谱s21的曲线图。

图7是示出包括频率滤波器和twpa放大器这两者的示例电路的示意图。

图8是说明图7所示电路的传输频谱示例的曲线图。

具体实施方式

可以使用超导体量子比特和超导体读出器件(例如，测量谐振器)之间的色散相互作用来实现超导体量子比特的读出。例如，可以生成探测音(probetone)并对超导体测量读出器件的频率进行采样，来测量取决于超导体量子比特的状态/频率的相移。然而，在某些情况下，从测量读出器件获得的信号可能在输出线路上衰减，降低信噪比，并使测量更加困难。为了提高信噪比，可以在测量读出器件的输出端放置放大器。可用于增强输出信号的放大器的示例是行波参量放大器(twpa)。twpa提供相对高的带宽、动态范围和饱和功率，因此有可能允许频率复用，从而改善超导体量子处理器的规模。

图1是示出耦合到twpa102的量子比特/测量谐振器100的示例的电路示意图。当执行读出测量时，泵音可以由信号生成器104生成，并且在耦合器101处电感地耦合到量子比特/测量谐振器100和放大器102之间的信号线路。耦合器101可以包括例如被称为定向耦合器的单独微波部件，其将泵音耦合到信号路径中，从而到泵线路(pumpline)都不会有太多信号损失。

图1中的元件100表示量子比特和测量谐振器两者。在接收到泵音和来自测量谐振器的输出信号之后，放大器102放大输出信号并将放大的输出信号提供给模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)106。循环器108保护放大器102免受反向通过输出线路的噪声的影响。可以使用包括例如高电子迁移率放大器(high-electronmobilityamplifier，hemt)的附加放大器110来进一步增加信噪比。线路损耗/线路衰减由元件112指示。图1所示的电路被虚线分成单独的区域，以识别不同部件工作的温度范围。例如，信号生成器104和adc106在室温(例如，大约300k)下工作，放大器110在大约4k下工作，超导体量子比特/测量谐振器100、twpa102和循环器108在大约20mk下工作。冷却到这样的低温允许超导体材料表现出超导特性，并减少可能导致去相干的热波动。

图2是示出twpa200，特别是约瑟夫森结twpa(josephsonjunctiontwpa)的示例的电路图。也可以替代地使用其它(多个)twpa，诸如(多个)动态电感twpa(其依赖于超导体的电流相关电感)。每个十字(cross)202对应于约瑟夫森结。如图2所示，twpa200将约瑟夫森结202与耦合到地的分路电容器204相组合，以构造具有预定阻抗(例如，50欧姆)的超导集总元件传输线路。泵音ωp调制twpa200的电流相关电感，以经由混频来将泵音ωp耦合到来自测量谐振器的信号ωs和闲音(idlertone)ωi，以使得ωs+ωi＝2ωp。闲音可以由放大器200生成，以在放大过程期间节约能量。然而，twpa的导电元件(例如，电容器的电极)由诸如铝、铌或氮化钛等超导体材料而形成。电容器和约瑟夫森结的电介质可以包括例如氧化铝(例如al2o3或非晶硅)。可以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)来制造超导体twpa。可以由非线性传输线路的耦合模式等式来确定twpa的增益、带宽和动态范围。关于twpa的操作和制造的更多细节可以在“使用最小谐振器相位匹配的具有约瑟夫森结的行波参量放大器”(t.c.怀特等所著的《应用物理学刊》，第106卷，242601-1至242601-5(2015年))中找到，其全部内容通过引用结合于此。

当使用耦合器(例如，图1所示的耦合器101)将twpa的泵音注入信号线路时，可能会出现来自twpa的内部反射。图3是示出耦合到twpa302的量子比特/测量谐振器300的示例的电路示意图。如图3所示，泵信号304可以在耦合器301处电感地耦合到twpa302。泵信号可以被理解为用于驱动放大器操作的驱动电压或电流。然后，泵信号304传递到twpa302。然而，来自twpa302的反射的和衰减的信号306朝着量子比特/测量谐振器300向后辐射。因为反射的泵音信号306以类似于读出谐振器的频率的频率传播，所以反射的泵音信号306会干扰量子比特，并显著降低量子比特性能。例如，反射的信号306可能导致光子被添加到量子比特中和/或生成准粒子，导致去相干。虽然循环器可以位于twpa302和量子比特/测量谐振器300之间以阻挡反射的信号306，但是循环器倾向于进一步降低测量信号，如本文所解释的，该测量信号已被输出信号线路衰减。这种进一步的降低可能会限制读出保真度。此外，循环器倾向于体积大、价格昂贵，并且会发射可能干扰超导体上传播的信号的电磁场。

通过在测量谐振器和放大器之间的输出信号线路中包括频率滤波器(例如，带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器或阶梯阻抗滤波器等)，以及通过修改泵音频率以使泵音频率落在滤波器的滤波器频率范围之外，可以保护量子比特/测量谐振器免受反射的放大器泵音的影响。以这种方式，反射的泵信号可以被频率滤波器衰减，并且不能到达量子比特以引起去相干。此外，相对于循环器，制造频率滤波器可能不太复杂和昂贵，并且频率滤波器不发射干扰在系统的超导线路上传播的其它信号的电磁场。

频率滤波器可以包括滤波器，诸如珀塞尔带通滤波器(purcellbandpassfilter)。通常，与测量谐振器频率下微波场的传播相比，珀塞尔滤波器阻止量子比特频率下从量子比特发射的光子的传播，从而防止量子比特通过不期望的衰减通道的能量泄漏。带通滤波器可以被实施为，例如，跨测量读出谐振器耦合的四分之一波(λ/4)共面波导谐振器或半波(λ/2)共面波导谐振器，尽管其它谐振器设计也是可能的。图4是示出具有量子比特404和测量谐振器406的带通滤波器402的示例布置的集总元件示意图。量子比特的测量谐振器406可以通过电容cκ(401)与滤波器402平行地耦合，并且量子比特可以通过电容cg(403)与谐振器406连接。可替换地，滤波器和量子比特和谐振器之间的耦合可以是电感性的。跨量子比特404、跨谐振器406和跨滤波器402的电压分别为vq、vr和vf。尽管在图4中单个量子比特和单个测量谐振器耦合到滤波器402，只要滤波器的带宽足够大以适应不同的测量谐振器频率，多个量子比特和谐振器也可以耦合到滤波器。

图5是示出耦合到多个量子比特和谐振器的带通滤波器的示例实施方式的示意图。插图中显示了等效电路图解结构。在图5所示的示例中，四个超导体传输量子比特(504a、504b、504c、504d)和它们对应的测量谐振器(506a、506b、506c、506d)耦合到单个带通滤波器502，其中带通滤波器502是珀塞尔滤波器。珀塞尔滤波器502可以实施为四分之一波(λ/4)共面波导谐振器。然而，可以替代地使用包括例如半波(λ/2)共面波导或集总几何波导的其它实施方式。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)来制造超导体量子比特504、谐振器506和滤波器502。形成在滤波器502的第一端508处的电容器(显示在左侧插图中的放大视图)建立电压波腹，而在距离λ/4处的接地连接510施加电压节点。量子比特504可以利用电容cκ电容地耦合到滤波器502，或者电感地耦合到滤波器502。珀塞尔滤波器502可以被设计成使得测量谐振器频率在滤波器的通带内，而不是量子比特频率在滤波器的通带内。滤波器502通带的中心频率可以被表示为f＝c/λ，其中c是介质中的光速，并且λ是共面波导长度的四倍。可以由每单位长度的电感和电容来确定速度c。可以根据耦合到通带滤波器结构的外部线路的耦合强度来确定通过通带滤波器的频率范围。频率滤波器不限于图5所示的设计，也可以替代地使用其它频率滤波器设计。

图6是图5所示器件布局的示例传输频谱s21的曲线图。如图6所示，量子比特频率602并不谐振且在滤波器的通带之外，而谐振器频率604却在滤波器的通带之内。可以在“超导量子比特的快速精确状态测量”(杰斐瑞等人所著，物理审阅期刊，第112卷，190504-1至190504-5(2014))中找到关于珀塞尔滤波器的操作和制造的更多信息，其全部内容通过引用结合于此。

图7是示出包括频率滤波器和twpa放大器两者的示例电路700的示意图。具体地，电路700包括量子比特702、测量读出谐振器704、带通滤波器706(例如珀塞尔滤波器)、耦合器708和twpa710(例如约瑟夫森结twpa)。电路700还包括用于向测量谐振器704提供测量探测信号的第一波形生成器712和用于向twpa710提供泵信号的第二波形生成器714。twpa的输出可以耦合到adc716。为了清楚起见，图7中省略了额外的电路元件，诸如twpa710下游的循环器和其它放大器。量子比特和滤波器706中的每一个可以电容地耦合到测量谐振器704的公共节点。可以替代地使用包括例如电感性耦合的、用于耦合的替换方法。

尽管电路700被示为仅包括耦合到滤波器706的单个量子比特702和测量谐振器704，多个量子比特和相应的测量谐振器也可以耦合到滤波器706。量子比特702可以包括超导量子比特，诸如传输量子比特、x-mon量子比特或flux-mon量子比特。也可以使用其它超导量子比特。谐振器704包括例如由超导体材料形成的共面波导谐振器。滤波器706和twpa710也可以由如本文所述的超导体材料和电介质(例如，氧化铝和/或非晶硅)构成。量子比特702、测量谐振器704、滤波器706、耦合器708和twpa710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。

在电路700的工作期间，第一信号生成器712向测量谐振器704提供探测信号，以探测谐振器704的状态相关频移。谐振器704的响应可以耦合到滤波器706，然后传递到twpa710。同时，谐振器信号被传递到twpa710，来自第二波形生成器714的泵信号可以通过耦合器708耦合到twpa710。然后，谐振器输出信号可以被twpa710放大并传递到数字处理数字化信号的adc716，使得谐振器704的状态相关相移可以被例如电子处理器提取。为了避免放大器泵反射与量子比特702相干扰，可以使用在滤波器706的通带范围之外的泵信号频率来操作twpa710。通过利用具有滤波器706通带范围之外的频率的泵信号来操作twpa710，滤波器706可以有效地保护量子比特702免受由泵音引起的去相干。因为twpa710的带宽足够大，以至于twpa710仍然也可能可以放大远离泵音的测量信号。在一些实施方式中，超导twpa710中存在阻止实现最大增益的非理想性。可以通过周期性地向twpa线路添加几何谐振器来校正非理想性，twpa线路中添加的谐振器校正泵的相位。与添加的谐振器相关联的频率是固定的，并被设置为twpa710的中心频率。twpa710提供足够的带宽，使得中心频率可以被设置在带通滤波器706的通带之外，但是仍然允许通带内的充分放大。

图8是示出图7所示电路700的传输频谱的示例的曲线图。第一线路802对应于twpa710的传输频谱，并且第二线路804对应于带通滤波器706的传输频谱。从图8中可以看出，滤波器706的通带范围806与放大器710的较大传输频谱的范围重叠并在该范围内。因此，由滤波器706发送的测量信号也将由twpa710放大。量子比特的工作频率位于通带范围806之外，因此被滤波器706阻挡。类似地，泵音频率808可以位于滤波器706的通带范围806之外，但是仍然在twpa710的大带宽内。因此，泵音仍然可以用于驱动放大器710，但是具有相同频率的反射的泵音将被滤波器706衰减。twpa710的传输频谱中所示的凹口(notch)是谐振器的结果。

泵音的频率808可以高于频率滤波器的上截止频率或低于频率滤波器的下截止频率。截止频率可以是滤波器的功率输出已经下降到通带中功率的给定比例以上或以下的频率。例如，截止频率可以被定义为功率从通带中的功率下降3db(或，例如10db)的频率。在一些实施方式中，泵音可以与滤波器706的截止频率分离至少约10mhz、至少约50mhz、至少约100mhz、至少约150mhz、至少约300mhz、至少约500mhz或至少约1ghz等距离。滤波器706可以具有取决于例如所使用的测量谐振器和量子比特频率的各种不同的带宽。作为示例，在一些实施方式中，滤波器706可以具有大约200mhz、400mhz、600mhz、800mhz、1ghz、1.2ghz、1.4ghz、1.6ghz、1.8ghz或2ghz的带宽等范围。滤波器706可以对具有在微波范围内的频率的信号进行操作。放大器710还操作为具有微波范围内的频率的信号提供增益，并且具有足够大的带宽来覆盖泵音频率808和滤波器706的通带。作为示例，在一些实施方式中，twpa710可以具有用于提供约400mhz、600mhz、800mhz、1000mhz、1.2ghz、1.4ghz、1.6ghz、1.8ghz、2ghz或2.2ghz等范围的信号增益的带宽。

本说明书中描述的量子主题和量子操作的实施方式可以在包括本说明书中公开的结构和它们的结构等价物或者它们中的一个或多个的组合的合适的量子电路(或更一般地，量子计算系统)。术语“量子计算系统”可以包括但不限于量子计算机、量子信息处理系统、量子密码系统或量子模拟器。

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(non-trivial)系统是量子比特，例如定义量子信息单位的系统。应当理解，术语“量子比特”包括在相应上下文中可以适当近似为两级系统的所有量子系统。这种量子系统可以包括多级系统，例如具有两个或更多级。举例来说，这样的系统可以包括原子、电子、光子、离子或超导量子比特。在许多实施方式中，计算基态用接地态和第一激发态来标识，然而，应该理解，用更高级激发态来标识计算状态的其它设置也是可能的。应当理解，量子存储器是能够以高保真度和高效率长时间存储量子数据的器件，例如，用光传输的光-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)的物质。

量子电路元件可用于执行量子处理操作。也就是说，量子电路元件可以被配置为使用量子力学现象，诸如叠加和纠缠，来以非确定性的方式对数据执行操作。某些量子电路元件，诸如量子比特，可以被配置为表示和操作同时在多于一个状态下的信息。可以用本文公开的工艺形成的超导量子电路元件的示例包括诸如共面波导、量子lc振荡器、量子比特(例如，flux量子比特或电荷量子比特(chargequbit))、超导量子干涉器件(superconductingquantuminterferencedevice，squid)(例如rf-squid或dc-squid)、电感器、电容器、传输线路、接地面等的电子元件。

相反，传统电路元件通常以确定性的方式处理数据。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。在一些实施方式中，经典电路元件可用于通过电或电磁连接向量子电路元件传输数据和/或从量子电路元件接收数据。可以用本文公开的工艺形成的经典电路元件的示例包括快速单通量量子(rapidsinglefluxquantum，rsfq)器件、可逆量子逻辑(reciprocalquantumlogic，rql)器件和ersfq(efficientrapidsinglefluxquantum，高效快速单通量量子)器件，ersfq器件是不使用偏置电阻的rsfq的节能版本。其它经典电路元件也可以用本文公开的工艺形成。

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。

虽然本说明书包含许多特定的实施方式细节，但是这些细节不应该被解释为对可能要求保护的范围的限制，而是对特定于特定实施方式的特征的描述。在在本说明书中分开的实施方式的上下文中描述的某些特征还能够组合地实施在单一实施方式中。相反地，在单一实施方式的上下文中描述的各种特征还能够分开地实施在多个实施方式中或者实施在任何合适的子组合中。而且，虽然特征可能在上面被描述为以某些组合起作用并且甚至一开始就被请求按这样进行保护，但是来自请求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下能够从该组合中被删除，并且请求保护的组合可以指向子组合或者子组合的变化。

类似地，尽管在附图中以特定次序描绘了操作，但是这不应当被理解为要求以示出的特定次序或以顺序的次序来执行这样的操作或者需要执行所有示出的操作来取得期望的结果。例如，在权利要求中记载的动作能够以不同的次序来执行，并且仍然实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施方式中各种部件的分离不应被理解为在所有实施方式中要求这种分离。

已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，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。例如，本文使用带通滤波器描述了各种示例。然而，可替代地使用其它滤波器，诸如低通滤波器、高通滤波器、阶梯阻抗滤波器等其它类型的滤波器。类似于本文描述的带通滤波器，其它滤波器可以衰减反射的泵信号，同时允许测量频率处的信号通过。其它实施方式在以下权利要求的范围内。