[发明专利]用于量化读出和重置的电容分流的非对称直流SQUID

说明书

通过利用电容性器件分流非对称DC‑SQUID的集合以形成可调谐谐振器。非对称DC‑SQUID包括第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结，其中第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结的临界电流不同。在可调谐谐振器和量子比特之间形成耦合，使得电容分流的非对称DC‑SQUID可以分散地读取量子比特的量子态。外部磁通量被设置为第一值并被施加到可调谐谐振器。外部磁通量的第一值使得可调谐谐振器调谐到与量子比特的谐振频率的第一频率差之内的第一频率，可调谐谐振器调谐到第一频率引起量子比特的主动重置。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于读取超导量子比特态并且将该超导量子比特重置到基态的超导器件、制造方法、以及制造系统。更具体地，本发明涉及用于量子比特读出和重置的可调谐非对称DC-SQUID(Direct Current Superconducting Quantum InterferenceDevice，直流超导量子干涉器件)的器件、方法和系统。

背景技术

在下文中，除非在使用时明确区分，否则短语的词中的“Q”前缀指示在量子计算上下文中引用该词或短语。

分子和亚原子粒子遵循量子力学的定律，量子力学是探索物理世界如何在最基本的水平上运行的物理分支。在这个水平，粒子以奇怪的方式表现，同时呈现多于一个状态，并且与非常远的其它粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们今天使用的计算机被称为经典计算机(这里也称为“传统”计算机或传统节点，或“CN(conventional node，传统节点)”)。传统计算机使用传统处理器，该处理器使用半导体材料和技术、半导体存储器和磁或固态存储器件来制造，这被称为冯诺依曼架构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。

量子处理器(q处理器)使用纠缠量子比特器件(在本文中被简称为“量子比特”，多个“量子比特”)的反常性质来执行计算任务。在量子力学运行的特定领域，物质的粒子可以以多种状态存在，诸如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态两者。在使用半导体处理器的二进制计算限于仅使用开和关状态(等效于二进制码中的1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子态来输出可用于数据计算的信号。

传统计算机以比特来对信息进行编码。每个比特可采用1或0的值。这些1和0用作最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机基于量子比特，量子比特根据量子物理学的两个关键原理来操作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子比特可以同时表示1和0两者。纠缠意味着叠加中的量子比特可以以非经典方式彼此相关；即，一个的状态(是1或0或两者)可以取决于另一个的状态，并且当两个量子比特纠缠时比当它们被单独处理时有更多的信息可以被确定。

使用这两个原理，量子比特作为更复杂的信息处理器来操作，使量子计算机能以允许它们解决使用传统计算机难以处理的难题的方式起作用。IBM已经成功地构建并证明了使用超导量子比特的量子处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其它国家的注册商标)。

超导量子比特包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料分离两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属被变成超导时，例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度，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，约瑟夫逊结(其用作分散非线性电感器)与形成非线性微波振荡器的一个或多个电容性器件并联电耦合。振荡器具有由量子比特电路中的电感和电容的值确定的谐振/跃迁频率。对术语“量子比特”的任何引用是对采用约瑟夫逊结的超导量子比特电路的引用，除非在使用时明确地进行区分。

由量子比特处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或传输。捕获、处理和分析微波信号，以便解密在其中编码的量子信息。读出电路是与量子比特耦合的电路，用于捕获、读取和测量量子比特的量子态。读出电路的输出是可由q处理器使用以执行计算的信息。